Квантовый лабиринт. Как Ричард Фейнман и Джон Уилер изменили время и реальность
Шрифт:
Эти вопросы входили в сферу того, что именовали «проблемой измерений в квантовой механике».
И проблема эта выглядела на редкость коварной.
В отличие от классической механики, в квантовой невозможно получить прямой доступ ко всей информации о частице – о ее местоположении, скорости и т. д. Поэтому нужно рассматривать сущность, именуемую «волновой функцией», содержащую всю информацию о квантовом состоянии частицы.
Но волновая функция предлагает не точные значения, а некие вероятностные распределения, показывающие шансы на то, что частица проявит те или иные характеристики в процессе измерений (технически говоря,
В целом диаграмма распределения вероятностей имеет вид перевернутого колокола и показывает, что если вы подбросите четыре монетки, наиболее вероятной комбинацией будут две решки и два орла в любом порядке, а наименее вероятной – четыре решки или четыре орла.
Как указывал фон Нейман, волновая функция испытывает влияние двух типологически разных квантовых процессов: непрерывное изменение, описанное волновым уравнением Шредингера, и дискретный «коллапс», происходящий, когда наблюдатель начинает делать измерения. Например, предположим, что наблюдатель проводит эксперимент, нацеленный на фиксацию точного местонахождения электрона. До начала эксперимента волновая функция электрона будет целиком и полностью повиноваться уравнению Эрвина Шредингера, и на долю вероятности не останется ничего. Но немедленно после момента измерения волновая функция неким случайным образом коллапсирует из распределения вероятности в острый пик, представляющий единственное значение, определяющее местоположение электрона.
Таким образом, первая разновидность процессов полностью детерминирована и обратима, вторая случайна и необратима. Они воплощают различные концепции времени: первый механизм соответствует циклическому времени классического маятника или струны, а второй – линейному, необратимому времени изнашивающейся машины, которая неизбежно когда-то остановится.
В конце тридцатых дуальная картина фон Неймана, включающая непрерывное и обратимое изменение, за которым следует мгновенный, необратимый коллапс, стала частью ортодоксального взгляда на квантовые измерения, ну а тот получил название «Копенгагенской интерпретации».
Увы, модель эта содержала чудную комбинацию из циклического и линейного времени, хотя они в принципе никак не сцепляются – представьте идеальные во всех отношениях часы, которые останавливаются навсегда, стоит только на них посмотреть. Наблюдение разрушает механизм, что неприемлемо, например, для «Ролекса», но почему-то годится для квантовой механики.
Но экспериментальные данные почти всегда соответствовали теории, и поэтому ученые большей частью просто принимали странную идею, что факт наблюдения изменяет динамику квантовой системы от предсказуемой непрерывности к случайному фазовому переходу. Лишь несколько выдающихся критиков, таких как Эйнштейн, Шредингер и Луи де Бройль (развивший собственную оригинальную идею волн материи, правдоподобно объяснившую волновое уравнение Шредингера) призывали к пересмотру схемы.
Удивительная выходка судьбы
Весной 1939 года институт перспективных исследований переместили в новый кампус. Эйнштейн, фон Нейман и другие сотрудники ИПИ перебрались в комфортабельные кабинеты выстроенного в колониальном стиле Фулд-холла. Таким образом, Файн-холл лишился нескольких выдающихся мыслителей,
Новый подход, получивший название «интеграл по траекториям», представил время как лабиринт альтернатив.
Что – случай или детерминизм – привело молодого Ричарда Фейнмана в Принстон, где он жил в Градуэйт-колледже и работал с Джоном Уилером в кабинете последнего в Файн-холле, а также в прилегающей лаборатории Палмера? Так или иначе, они стали блестящей командой великолепных и оригинальных ученых, у которых хватило ума перестроить все здание квантовой физики начиная с фундамента, базируясь на новых принципах.
Едва попав в Принстон, Фейнман получил назначение ассистентом к Вигнеру. Вигнер был физиком родом из Венгрии, питавшим страстный интерес к теории квантовых измерений и смотревший на нее сходным с фон Нейманом образом.
Но в последний момент решение изменили, и Фейнман попал к Уилеру.
В ретроспективе каждый рассматривал эту замену как один из наиболее благоприятных моментов в карьере: «некоей удивительной выходкой судьбы можно объяснить то, что его в конечном итоге приписали ко мне»1, вспоминал позже Уилер. «Мне ужасно повезло, когда я угодил в Принстон… и стал ассистентом преподавателя при Уилере, – говорил Фейнман. – Можно сказать, что мой успех был результатом того, что я узнал именно от него»2.
Сотрудничество Фейнмана и Уилера привело к пересмотру фундаментальных концепций квантовой физики через призму интеграла по траекториям, предложенного Фейнманом и получившего имя от Уилера. Этот революционный подход рассматривает нечто актуальное как композицию всех возможностей, словно мелодию из множества смешанных треков.
Как именно электрон переходит дорогу?
Фейнман и Уилер показали: корректный квантовый ответ заключается в том, что электрон переходит дорогу по любому из возможных физических путей одновременно – на самом деле, он комбинирует их все.
Двое ученых составляли идеальную команду: Фейнман проявлял себя осторожным и дотошным в вычислениях, Уилер высказывал смелые идеи и позволял воображению заглядывать за грань возможного. Так они оттачивали и шлифовали странные гипотезы, превращая их в работающие решения.
Путешествие длиной в жизнь, посвященную смелым исследованиям, началось в кабинете Уилера в Принстоне.
Чужак
Ричард Фейнман был во всех отношениях чужаком для Принстона, он словно прибыл с другой планеты.
Он родился 11 мая 1918 года в еврейской семье в Нью-Йорке и вырос в районе Куинс. Поэтому говорил Фейнман с жестким акцентом, характерным для рабочего класса и похожим на бруклинский, а вел себя грубовато, и все это сильно выделяло его среди белых мужчин-протестантов из богатых семей, поставлявших тогда кадры для магистратуры и преподавательского состава Принстона.
Иной человек в такой обстановке предпочел бы слиться с окружающей средой, подстроиться под нее, но не Фейнман, с ранних лет уяснивший, что жизнь слишком коротка, а время слишком ценно, чтобы беспокоиться по поводу того, что думают о тебе другие. Он понимал, что выделяется, но сделал из этого повод для шуток и источник силы, а вовсе не слабости.