Это всё квантовая физика! Непочтительное руководство по фундаментальной природе всего
Шрифт:
Но если будущее можно точно предсказать, значит, оно высечено в камне. Значит, события во вселенной разворачиваются словно бы по сценарию, прописанному в законах ньютоновской механики. Философы называют такой подход детерминистическим – поскольку любое событие в будущем полностью детерминировано событиями в прошлом, а еще потому, что им платили за количество слогов.
Если и в самом деле мы просто созданы из атомов, которые следуют предсказуемым законам движения, значит, мне суждено было написать эту книгу, вам суждено было ее прочитать, и так обстоит
На этом поэтичный путь человечества к самопознанию мог бы и завершиться. Много тысяч лет мы постепенно убеждались, что какой-либо душой, сознанием и свободой воли наделено все меньше и меньше сущностей: сначала отказались от анимизма в пользу политеизма, затем от политеизма в пользу монотеизма. Разве не логично было бы обнаружить, что всего этого нет вообще ни у кого, даже у людей?
Однако нет такого закона, по которому реальность обязана быть поэтичной.
Ньютоновское мировоззрение развалилось, словно карточный домик на гладкой поверхности, – сначала потихоньку расползалось, а потом рухнуло все разом.
Несколько нестыковок
Ньютоновская механика впечатляла. Она давала поразительно точные прогнозы и позволяла сотворить невероятно полезные штуки, с помощью которых мы строили железные дороги, лечили болезни, изобретали целые отрасли промышленности и создавали глобальные империи.
Оставалось лишь несколько неприятных помех, которые никак не удавалось устранить.
Например, помните, я упомянул об эллиптической орбите Меркурия и о том, что ньютоновская механика позволяла рассчитывать ее с точностью до 0,01 градуса?
Так вот, люди делятся на два типа:
1. «Ничего себе, как круто! Ньютон – красавчик! Давайте скорее соберем паровой двигатель, изобретем лампочку или еще что-нибудь».
2. «А почему это наши лучшие расчеты дают такую здоровенную погрешность – 0,01 градуса? Что-то тут неладно!»
Первый тип называется «инженеры», второй – «физики».
С одной-двумя капризными орбитами физики еще смирились бы, но астрономией вопросы не ограничивались. Была еще проблемка под названием «ультрафиолетовая катастрофа».
Вы же замечали, что спираль в электроплитке при нагревании светится красным? Так вот, физики XIX века обожали наблюдать за подобной ерундой и потратили кучу времени на изучение связи между температурой горячего предмета и цветом его излучения. Но беда в том, что предсказывать цвет раскаленного металла им удавалось из рук вон плохо, особенно ближе к ультрафиолетовому (самому горячему) концу цветового спектра. Настолько плохо, что ситуация вполне заслуживала названия катастрофической.
Меркурий, раскаленный металл и еще кое-какие экспериментальные данные, которые почему-то не вписывались в ньютоновскую
И ученые стали думать. Думали они, думали, и в конце концов усатому скалолазу-пианисту Максу Планку пришла в голову блестящая мысль.
И разразилась квантовая революция.
Квантовые раздумья
Максу Планку хотелось всего-навсего понять, как побороть эту самую ультрафиолетовую катастрофу. «Дерзновеннейшая цель моей жизни, – должно быть, думал он, – научиться точнее предсказывать цвет раскаленной спирали. Вот за что меня будут помнить благодарные потомки!»
Тогда ему было невдомек, что решение задачи о цвете горячего металла станет ящиком Пандоры. Чтобы разобраться почему, поговорим немного о воде.
При комнатной температуре вода ощущается непрерывным веществом. Не чувствуется, что она состоит из частичек воды, это единая текучая субстанция. Но на самом-то деле она совершенно точно состоит из частичек воды, и эти частички называются молекулами воды. Мы их не замечаем лишь потому, что они очень маленькие, вот у нас и возникает иллюзия непрерывного вещества.
Планк осознал, что энергия, которую мы подаем на спираль для разогрева, подобна воде: она не течет непрерывно, а поступает в виде отдельных порций – своего рода «молекул» энергии. Как и молекулы воды, эти дискретные порции энергии так малы, что их столетиями никто не замечал!
Достижение было крайне важным, поскольку тогда все считали, что энергия как раз и представляет собой непрерывную текучую субстанцию, которая пронизывает пространство, словно волна. Планк поставил под сомнение многовековую научную догму – и все ради задачки о предсказании цвета раскаленной спирали, что не давала ему покоя.
И он будет не последним – вскоре на сцену вышла целая плеяда зануд (самым знаменитым был Эйнштейн), решившая доказать: то, что мы считали волной, на самом деле состоит из отдельных частиц.
Хуже того, появилась другая плеяда зануд и показала: то, что мы считали частицами, при определенных условиях ведет себя как волна. Возникла математическая неразбериха, поскольку все кинулись выверять, что есть «частицы», а что «волны».
Ситуация была ужасно запутанной, и ушло добрых два-три десятилетия, прежде чем пыль осела и над пестрым коллажем великих идей и нелепых предположений, который мы могли бы назвать «квантовая механика 1.0», взошло солнце.
Подобно разрекламированной марке сиропа от кашля, квантовая механика 1.0 оставляла у многих противное послевкусие, зато работала довольно хорошо – объясняла ультрафиолетовую катастрофу и позволяла рассчитывать отношение массы к заряду у элементарных частиц с поразительной точностью.
Но все равно что-то не сходилось.
Квантовая механика 1.0 ставила под удар фундаментальное допущение ньютоновского подхода – идею, что можно сказать что-то о системах, за которыми мы не наблюдаем.