В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики - Питер Эткинс

основным законам природы: законам сохранения энергии и двух видов моментов – линейного количества движения и углового момента. Для каждого из них, по всей видимости, наша Вселенная просто унаследовала однородность предшествовавшей ей пустоты и воплотила эту однородность в форме трех основных законов природы. Законы эти не было необходимости постулировать или навязывать: они являются простыми следствиями первичного исходного состояния абсолютного Ничто. Существуют и другие законы сохранения (электрического заряда например); каждый из них связан с некоторым видом симметрии. Чтобы докопаться до их смысла, нам потребуется глубже заглянуть в природу Природы – к этому я вернусь в следующей главе. Есть еще множество малых законов, которые я назвал «внезаконами», – об их происхождении я пока ничего не сказал. Придет и их час. А теперь пора дать бездействию отдохнуть – наступает власть анархии.

3

Власть анархии

Как законы возникают из отсутствия законов

Как в политике, так и в науке, когда бездействие в изнеможении отдыхает от трудов, приходит и воцаряется анархия. Когда Вселенная незаметно вкатилась в состояние существования, сохраняя при этом различные однородные свойства Ничего и порождая таким образом великие законы природы, в том числе законы сохранения, то некоторые из законов, которые воцарились в ней, стали следствием анархии. В этой главе я постараюсь доказать, что и классическая механика, разработанная в конце XVII века Исааком Ньютоном (1642–1727) и с таким успехом дополнявшаяся и развивавшаяся на протяжении последовавших двух столетий, и квантовая механика Эрвина Шредингера (1887–1961) и Вернера Гейзенберга, – это проявления анархии. Причем оказывается, что системы законов, разработанные в начале XX века Шредингером и Гейзенбергом и развитые другими, лежат в основе ранее созданного Ньютоном удивительного построения. Оставаясь глубоко загадочными, они при этом являются результатом полного освобождения вырвавшейся на волю Природы, получения ею свободы безумствовать, оставаясь покорной только ограничениям, налагаемым великими законами сохранения, наследием первичного бездействия. Я уже показал, что бездействие управляет ареной мира; теперь моя цель – показать, что законы поведения на этой арене порождает анархия.

Я собираюсь говорить и о классической, и о квантовой механике. Я буду делать это, описывая их содержание в общем виде, – представляя только горсть центральных концепций для каждой из них, не увязая (особенно в случае квантовой механики) в увлекательных, но спорных и горячо дебатируемых вопросах интерпретации. По сути, интерпретация вторична по отношению к законам, которые управляют сущностями, – ведь она представляет собой всего лишь попытку установить способ, придерживаясь которого мы можем думать о следствиях этих законов в рамках понятий ежедневного опыта. Законы природы, в отличие от законов, которые управляют обществами, могут существовать без всякой интерпретации; но, конечно же, как я уже сказал, науке присуще стремление истолковать значение этих законов и таким образом прояснить для себя суть физической реальности.

Интерпретация классической механики проста, так как предлагаемое ею описание поведения предметов окружающего мира непосредственно связано с нашим ежедневным опытом, с нашим восприятием и пониманием идей положения и скорости. Революция в мышлении, вызванная квантовой механикой, породила озадаченную растерянность, которая до сих пор не рассеялась. Но при этом численные и наблюдательные предсказания квантовой механики, вытекающие из применения ее законов (то есть просто из выполнения соответствующих вычислений без всяких интерпретаций), остаются неизменно (по крайней мере, до настоящего момента) в полном соответствии с наблюдениями, причем с весьма высокой точностью. Может, дело в том, что человеческий мозг плохо приспособлен для отказа от привычных наблюдений движения знакомых объектов и просто-напросто неспособен освоиться с контринтуитивной непривычностью квантовой механики. Наш мозг устроен – и такое устройство необходимо было ему для выживания, – чтобы справляться с тем, что его ждет в саванне и джунглях; и, возможно, в нем есть фундаментальные неврологические структуры, наличие которых и не позволяет ему понять квантовую механику. Думаю, когда-нибудь, в один прекрасный день квантовый компьютер сможет объявить, что он понял принцип своего собственного устройства, – а мы, те, кто его построил, все еще будем пребывать в том же недоумении и растерянности. Но для моих целей трудность или, может, даже изначально заложенная невозможность понимания квантовой механики не имеют значения. Я говорю о самих законах, а не о трудностях, которые возникают у человека при попытках понять то, что эти законы означают.

Моя цель, стало быть, просто в том, чтобы показать: центральный принцип квантовой механики непринужденно возникает из анархии, и этот принцип непосредственно позволяет нам перейти – можно сказать, перепрыгнуть, как при помощи подкидной доски – к классической механике Ньютона. Для того, чтобы сделать это, мне потребуется пригласить вас прогуляться; возможно, сначала наш маршрут может показаться чем-то вроде окольной деревенской тропки, но для понимания она окажется настоящим скоростным шоссе. Эта тропинка приведет нас к «внезакону», который вдруг окажется отцом настоящего глубокого «внутреннего закона».

* * *

Один из малых законов природы – по моей классификации, «внезакон» – заключается в том, что свет распространяется по прямым линиям. С этим привычным поведением света связан и другой вытекающий из него «внезакон», который управляет отражениями в зеркалах, – угол падения равен углу отражения. То есть плоские зеркала отражают мир в точности таким, каков он есть: они не искажают его очертаний и, следовательно, не представляют его непостижимым или по крайней мере обманчивым. Может, вы помните еще «закон Снеллиуса», который открывало и переоткрывало множество людей, – в том числе, в 1621 году, и голландский астроном Виллеброрд Снеллиус (1580–1626). В этом случае речь идет об угле преломления: луч света меняет направление на поверхности раздела воздуха и воды (или любой другой прозрачной среды), причем угол, соответствующий этому изменению, зависит от относительных величин коэффициентов преломления воздуха и среды (об этом подробнее ниже)[17]. Как объяснить такое поведение?

На чуть более глубоком уровне обобщения и понимания – уровне, который объединяет законы отражения и преломления, общий закон заключается в том, что свет выбирает такой путь между своим источником и пунктом назначения, для которого требуется наименьшее время. (Почему – пока не спрашивайте: об этом позже.) Этот «принцип наименьшего времени» предложил и исследовал французский математик Пьер де Ферма (1601?–1665), хотя можно проследить его происхождение гораздо дальше вглубь времен: до греческого математика, изобретателя и одного из первых последователей научного метода экспериментирования в союзе с теорией – Герона Александрийского (ок. 10 – ок. 70 г. н. э.), который пришел к нему около 60 г. н. э. Можно упомянуть и арабского математика, астронома и такого же пионера научного метода Али-Хассана ибн аль-Хасана ибн аль-Хайсама (его также называют более кратким и удобным латинизированным именем