Икар никак не мог понять, то ли Афина заставляет его смотреть слишком много фильмов, то ли Дитер слишком много говорит о физике. Но какова бы ни была причина, прошлой ночью Икару приснилось, что он встретил квантового детектива. В длинном пальто и мягкой фетровой шляпе, с каменным выражением на лице, детектив из сна говорил:
«Я ничего не знал о ней, кроме ее имени и того, что она стояла передо мной. Но с того момента, как я посмотрел на нее, я понял, что с Электрой
[50] будут проблемы. Когда я спросил ее, откуда она пришла, она отказалась отвечать, в комнате было две двери, так что она должна была войти через одну из них. Но Электра хрипло прошептала: „Мистер, забудьте это. Я никогда не скажу вам, через которую“.
Хотя я видел, что она вся трясется, я попытался припереть эту особу к стенке. Но Электра с бешеной скоростью задвигалась, как только я начал к ней приближаться. она молила меня не подходить ближе. Увидев ее волнение, я отступил. Хотя я не был новичком в вопросах неопределенности, в этот раз я был побежден, казалось, неопределенность собиралась еще какое-то время слоняться здесь».
Квантовая механика, несмотря на все свое противоречие интуиции, фундаментально изменила те пути, которыми ученые познают мир. На основе квантовой механики возникли многие разделы современной науки: в результате ее развития были либо созданы, либо пересмотрены статистическая механика, физика частиц, химия, космология, молекулярная биология, эволюционная биология и геология (в том, что касается радиоактивной датировки). Многие удобства современного мира, например компьютеры, DVD-проигрыватели и цифровые фотоаппараты, были бы невозможны без транзисторов и современной электроники, развитие которых основано на квантовых явлениях.
Я не уверена, что, впервые начав изучать квантовую механику в колледже, я полностью отдавала себе отчет в том, насколько она странна. Я изучила основные принципы и научилась применять их в разных условиях. Но только спустя многие годы, потраченные на изучение квантовой механики и тщательное обдумывание квантово-механической логики, я поняла, как фантастична эта наука. Хотя сейчас квантовая механика и включена в программу общефизического образования, она все равно остается поистине потрясающей.
История создания квантовой механики является замечательным примером того, как должна развиваться наука. На ранней стадии квантовая механика развивалась в духе построения моделей — она пыталась объяснить непонятные наблюдаемые эффекты до того, как кто-то озадачился сформулировать соответствующую теорию. И экспериментальные, и теоретические открытия происходили быстро и неистово. Физики развивали квантовую теорию для интерпретации экспериментальных результатов, которые не могла объяснить классическая физика. В свою очередь, квантовая теория предлагала новые эксперименты, с помощью которых можно было проверить гипотезы.
Ученым потребовалось время на то, чтобы осмыслить все следствия этих экспериментальных наблюдений. Для большинства вторжение квантовой механики оказалось слишком радикальным, чтобы немедленно принять эту науку. Ученые должны были отложить свои сомнения до того, как они могли признать идеи квантовой механики, столь отличающиеся от знакомых классических понятий. Даже такие корифеи теоретической физики, как Макс Планк, Эрвин Шрёдингер и Альберт Эйнштейн никогда до конца не перешли на квантовомеханический уровень мышления. Эйнштейн выразил свои возражения знаменитой фразой: «Бог не играет в кости со Вселенной». Большинство ученых в конце концов, но не сразу, признало истину (как мы сейчас ее понимаем).
Радикальная природа научных достижений в начале двадцатого века нашла отклик в современной культуре. Сразу же кардинально изменились основы искусства и литературы и наше понимание психологии. Хотя многие связывают эти достижения с потрясениями и разрушениями Первой мировой войны, художники, подобные Василию Кандинскому, использовали возможность проникновения вглубь атома для подтверждения идеи, что все может изменяться и поэтому в искусстве все разрешено. Кандинский так описывал свою реакцию на открытие ядра атома: «Крах модели атома был эквивалентен в моей душе краху всего мира. Внезапно рухнули самые толстые стены. Я не удивился бы, если бы камень, возникший перед моими глазами, растаял и стал невидимым»
[51].
Конечно, реакция Кандинского была несколько чрезмерной. Легко обмануться, применяя столь же радикальные, как основы квантовой механики, суждения в ненаучном контексте. Мне кажется, что наиболее заезженным примером является частое злоупотребление соотношением неопределенностей, которое часто употребляется, чтобы оправдать неточность. Мы увидим в этой главе, что соотношение неопределенностей есть, на самом деле, очень точное утверждение, касающееся измеряемых величин. Тем не менее это утверждение имеет удивительные приложения.
Обратимся теперь к квантовой механике и лежащим в ее основе принципам, которые столь сильно отличаются от принципов ранее существовавшей старой, классической физики. Странные и новые понятия, с которыми мы столкнемся, включают квантование, волновую функцию, дуализм волна — частица и соотношение неопределенностей. В данной главе дано описание этих ключевых идей, приправленное рассказами об истории того, как это все создавалось.
Шок и страх
Специалист по физике частиц Сидни Коулмен говорил, что если тысячи философов проведут тысячи лет в поисках самой странной из возможных вещей, они не найдут ничего более фантастичного, чем квантовая механика. Эту науку трудно понять, так как ее следствия удивительны и сильно противоречат интуиции. Фундаментальные принципы квантовой механики противоречат как предпосылкам, лежащим в основе всей ранее известной физики, так и нашему собственному опыту.
Одна причина того, что квантовая механика кажется столь неестественной, заключается в том, что мы физиологически не готовы воспринимать квантовую природу вещества и света. В общем случае квантовые эффекты становятся существенными на расстояниях порядка одного ангстрема
[52], т. е. порядка размера атома. Не используя специальные инструменты, мы можем видеть только предметы значительно больших размеров. Даже пиксели на экранах телевизоров высокого разрешения или мониторах компьютеров слишком малы для того, чтобы мы могли их видеть.
Кроме того, мы видим только громадные скопления атомов, настолько большие, что квантовые эффекты подавляются классическими. В общем случае мы также воспринимаем только большое количество квантов света. Хотя светочувствительные рецепторы в глазе достаточно чувствительны, чтобы воспринимать наименьшие возможные единицы света — отдельные кванты, глаз в типичной ситуации одновременно обрабатывает так много квантов, что любые возможные квантовые эффекты подавляются более легко различимым классическим поведением.
