Сейчас. Физика времени - Ричард А. Мюллер

Эта безумная теория, которую невозможно понять, – квантовая физика, несмотря на свою призрачную и путаную природу, лежит в основе всей современной физики. Может быть, она эфемерна, но зато позволяет делать строгие и точные предсказания. Нужно просто не обращать внимания на ее туманные аспекты, научиться решать уравнения – и вы сможете вычислять будущее с замечательной (хотя и не исчерпывающей) точностью.

Уравнения квантовой физики, такие как уравнение Шрёдингера, позволяют вычислить, как изменится волновая функция, скажем, электрона, если вы приложите к нему ту или иную силу. Но волновая функция не электрон. Это амплитуда, это дух электрона, его призрак, его душа. Мы никаким образом не в состоянии зарегистрировать или измерить волновую функцию. Можем только рассчитать или «пощупать» ее в какой-то точке. Но когда начинаем щупать, пытаемся измерить, тут же изменяем эту волновую функцию навсегда, сразу же, необратимо и мгновенно.

Представьте, что мы поставили измерительное устройство перед волновой функцией электрона – к примеру, это может быть проводник электрического тока. Если волновая функция электрона пространственно распределена, в контакт с проводником войдет лишь ее часть. Это означает, что вероятность регистрации электрона будет невелика. Исходя из волновой функции и размеров проводника, можно рассчитать вероятность, с которой электрон попадет в этот проводник и будет измерен.

При движении электрона его волновая функция ведет себя как волна – отсюда и ее название. Волну одного электрона можно послать по двум различным не совпадающим путям одновременно, точно так же, как одна-единственная звуковая волна может прийти в оба ваши уха. Но когда электрон все же регистрируется, он выглядит как вспышка, внезапное столкновение, квант. Во многих отношениях он ведет себя при этом как частица.

Так что же такое электрон – частица или волна? Правильный ответ: ни то, ни другое. Мы можем разобраться в электроне и понять его, только если используем новый конструкт – то, что можно было бы назвать частичной волной, или волновой частицей, или еще как-нибудь. Несколько раз я устраивал среди своих студентов голосование о том, как следовало бы назвать этот конструкт: частолной или волницей? Ни один термин не выиграл голосования. Это не волна и не частица; объект обладает некоторыми свойствами того и другого, но получившаяся смесь выглядит очень странно. Движется в пространстве как волна; реагирует на измерение как частица. Это волна, способная переносить массу и электрический заряд. Она может рассеиваться, отражаться и гасить сама себя (интерферировать), как шумоподавляющие наушники гасят звуковые волны. Но если вы зарегистрировали этот объект, наблюдаете внезапное, резкое событие. Обнаруженный электрон продолжает существовать, но его волновая функция необратимо меняется. Если зарегистрируете его с помощью маленького прибора, большая до этого момента волновая функция мгновенно станет маленькой.

Первым человеком, предложившим идею корпускулярно-волнового дуализма, был сам Эйнштейн. Идея эта прозвучала в статье 1905 года, посвященной фотоэффекту; в ней описывалось, как свет выбивает электрон из металла. Эйнштейн предположил, что свет действительно представляет собой волну, но когда его регистрируют или он сам выбивает электрон из поверхности, это всегда происходит в форме вспышки – а такое поведение заставляет вспомнить скорее о частице, чем о волне[188]. Иногда это происходит мгновенно, быстрее, чем классическая электромагнитная волна могла бы донести до места достаточное количество энергии. Как отмечалось ранее, Эйнштейн сказал, что энергия светового кванта должна быть связана с частотой волны уравнением E = hf, где h – постоянная Планка, то есть число, которое Планк получил в ходе исследования свечения горячих объектов[189].

Эйнштейну в голову не приходило, что то же самое уравнение может быть применимо к электронам. Такое предположение в 1924 году высказал Луи де Бройль в докторской диссертации. Это был настоящий прорыв, сыгравший роль искры зажигания и инициировавший стремительное развитие квантовой физики. Благодаря де Бройлю выяснилось, что электроны и фотоны очень похожи; различия между ними, которые когда-то находились в центре внимания (только у одного из этих объектов есть масса покоя; только у одного есть электрический заряд), отошли на второй план. Оба они – всего лишь квантовые частицы-волны (частолны? волницы?). Произошло великое объединение физики.

За три следующих года Шрёдингер, Борн, Гейзенберг и другие выработали уравнения, описывающие реакцию этих волн на действие внешних сил. Затем Дирак[190] показал, как примирить уравнение для электрона с теорией относительности (хотя к измерительному парадоксу не обращался); он вывел для него релятивистское волновое уравнение. 1920-е годы были периодом невероятно быстрого развития, поражавшего воображение даже самих физиков.

Призрачная атмосфера квантовой физики тревожила многих ученых тогда и тревожит до сих пор. Как правило, студентам – физикам и химикам требуется не один год, чтобы привыкнуть и освоиться в этой области. Физик и математик Фримен Дайсон однажды сказал мне, что студент, привыкая к квантовой физике, проходит три стадии. На первой удивляется: как так может быть? На второй стадии научается производить нужные математические манипуляции и знакомится с невероятными возможностями квантово-физических вычислений. Математика предсказывает результаты экспериментов с поразительной точностью. Наконец, финальная стадия, по Дайсону, – это когда студент уже не помнит, что первоначально сам предмет казался ему таким загадочным[191].

Не все физики доходят до финальной стадии и достигают удовлетворения. Великим преемником Эйнштейна, на мой взгляд, был Ричард Фейнман. Больше, чем кто-либо в XX веке (возможно, за исключением Энрико Ферми), Фейнман обладал глубокой интуицией, которая вела его к необычайным озарениям и открытиям в различных областях этой науки. Но он всегда держался подальше от «интерпретации» квантовой физики. В своей яркой, бруклинской разговорной манере Фейнман предостерегал студентов: «Не спрашивайте себя постоянно: “Как так может быть?” – потому что иначе сойдете с ума и угодите в тесный тупик, из которого еще никто не выходил».