Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

согласно законам квантовой механики, пока ящик закрыт, субатомные частицы будут повиноваться законам квантового мира; следует признать принцип квантовой суперпозиции, и тогда наша частица одновременно уже испущена и еще нет.

В закрытом ящике судьба кошки зависит от квантового события. Шредингер утверждал, что, поскольку сама кошка состоит из атомов, пусть даже их триллионы, каждый из них – некая квантовая сущность, которая тоже должна существовать в квантовой суперпозиции: одновременно в состоянии живом и мертвом. Однако определенный исход мы сможем увидеть, только если откроем ящик. То есть кошка либо жива, либо мертва, а вовсе не находится в состоянии полной неопределенности.

Разумный способ решения этой проблемы в том, чтобы предположить, что такие квантовые суперпозиции докогерируют в окружающую среду и поэтому не сохраняются надолго в отношении таких макроскопических объектов, как кошка, которая никогда не бывает одновременно в двух состояниях даже до того, как мы открываем ящик. На самом деле хотя изолированный радиоактивный атом, пока мы его не увидели, следует считать находящимся в суперпозиции, одновременно в распавшемся и нераспавшемся состоянии, он находится в сложной среде, состоящей из воздуха, счетчика Гейгера и кошки, с которыми он мгновенно вступает в состояние запутанности, так что опция двух одновременных состояний не сохраняется.

Так что, проблема решена? И правда ли, что два альтернативных состояния кошки отражают не более чем наше неведение относительно ее судьбы, пока мы не откроем ящик? Если это не так, то нам все равно остается неизвестно, что за физический процесс происходит, когда мы открываем ящик. Что случилось с опцией, которой мы не наблюдаем? Сторонники интерпретации квантовой механики как множества вселенных считают, что этому есть простое и четкое объяснение. Они утверждают, что теперь у нас есть две параллельные реальности, в каждой из которых реализуется своя опция. То, что мы обнаружим, открыв наш ящик, отражает ту реальность, в которой находимся мы сами.

Другие физики, которые не готовы принять идею бесконечно увеличивающегося количества реальностей, выдвинули целый ряд альтернативных теорий, которые все равно требуют существования объективной реальности в отсутствии измерений, причем каждая теория содержит какой-то причудливый, скрытый аспект реальности. Например, иной способ интерпретации квантовой теории был предложен в 1920-х годах французским физиком Луи де Бройлем, а затем в течение нескольких десятилетий подробно разрабатывался Дэвидом Бомом. Согласно этой теории, квантовый мир состоит из частиц, передвижение которых определяется волновой функцией. Их свойства скрыты от нас (они называются скрытыми переменными), но они описывают квантовый мир без той расплывчатости, которая характерна для копенгагенской картины бытия. Вместо того чтобы считать, что сам электрон проявляет свойства волны и частицы в зависимости от того, как мы проводим измерения, предполагается, что существуют и волны, и частицы, но заметить мы можем только частицы. Небольшая, но очень увлеченная группа физиков во всем мире считает, что у теории Бройля – Бома большие перспективы, однако это очень мало исследованная опция в ряду возможных квантовых интерпретаций.

Как бы меня ни увлекал этот разговор, придется здесь прерваться, поскольку другие книги гораздо глубже освещают эту тему, а мои возможности ограниченны. В любом случае для меня проблема квантовой механики еще не решена, но пока мы на этом остановимся.

До сих пор я в основном уделял внимание базовым понятиям, материи и энергии, пространству-времени, в котором они существуют, и квантовой природе реальности, которая лежит в основе всего этого. И я еще не обращался к некоторым столь же фундаментальным концептам физики, которые начинают проявляться, когда большое количество частиц сходится воедино, образуя сложные системы. Поэтому давайте пока оставим мир мельчайших частиц и уменьшим масштаб, чтобы посмотреть, что происходит, когда возникают сложные системы, и исследуем такие глубинные понятия, как порядок, хаос, энтропия и стрела времени.

Глава 6. Термодинамика и стрела времени

По мере удаления от квантового мира с его произвольностью, размытостью и неопределенностью в фокусе опять оказывается уже знакомый нам мир Ньютона. Дымящаяся чашечка кофе на нашем столе, мячик, только что ударившийся о землю в нашем дворе, или пролетающий над нами реактивный самолет – все это, если задуматься, состоит из материи и энергии, которые образуют системы большей или меньшей степени сложности. Так что, если мы хотим понять физику окружающего нас мира, нам придется понять, как взаимодействует и ведет себя множество частиц в совокупности. Область физики, которая помогает нам понимать поведение большого количества взаимодействующих тел, называется статистической механикой.

Вспомним, что в главе 4 мы познакомились с понятиями материи и энергии и узнали, что энергия может трансформироваться из одной формы в другую, тогда как общее количество энергии в системе остается неизменным. Энергия прыгающего мяча постоянно превращается из потенциальной, когда он находится на некоторой высоте над землей, в кинетическую энергию движения. Таким образом, на максимальной высоте вся энергия является потенциальной, а непосредственно перед тем, как мяч коснется земли и движется с наибольшей скоростью, потенциальная энергия превращается в кинетическую. Все это кажется достаточно очевидным, но мы ведь знаем, что мячик не будет прыгать вечно: он теряет энергию в виде тепла, производимого за счет трения о воздух и ударов о землю. Превращение кинетической энергии в тепло имеет коренные отличия от преобразования потенциальной энергии в кинетическую: это процесс односторонний. Мы страшно бы изумились, если б на наших глазах без посторонней помощи мячик возобновил свое движение.

Как это получается? Почему процесс односторонний?

Мячик перестает прыгать потому же, почему тепло от чашки кофе всегда уходит в более холодную среду и никогда не возвращается обратно, почему сахар и сливки в кофе никогда не восстанавливаются из смеси до своего начального состояния. Добро пожаловать в область термодинамики, которая является третьим столпом физики (наряду с теорией общей относительности и квантовой механикой). Если статистическая механика описывает, как взаимодействуют и ведут себя большие количества частиц в одной системе, термодинамика описывает тепло и энергию в системе и то, как они изменяются во времени. Как станет ясно, эти области исследования во многом взаимосвязаны, так что физики часто изучают их в совокупности. Мы тоже рассмотрим их вместе.

Статистическая механика и термодинамика