Это всё квантовая физика! Непочтительное руководство по фундаментальной природе всего - Харрис Жереми

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 картину мира, натолкнули ученых на мысль, что с современной физикой что-то капитально не так.

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.

В ньютоновском мире, если положить атом в уголок и уйти, можно быть совершенно уверенным, что по возвращении найдешь его в точности на том же месте. А следовательно, можно рассказать связную (хотя довольно скучную) историю о том, чем занимался этот атом, пока тебя не было.

Квантовая механика 1.0 намекала, что истории, которые мы рассказываем себе о ненаблюдаемых атомах, – не более чем утешительная выдумка. В реальности же, как она показывала, физически невозможно, чтобы твой атом сидел смирно, пока тебя не было. Хуже того, невозможно рассказать и единственную историю о том, чем занимался этот атом между моментом, когда ты оставил его в уголке, и моментом, когда вернулся на него посмотреть. С такой точки зрения момент «наблюдения» был редким проблеском согласованности в истории вселенной, поскольку в остальном эта история непоследовательна и запутанна.

Мысль, что атомы могут вести себя по-разному, когда за ними наблюдают и когда не наблюдают, вызывала некоторые вопросы. Откуда арахис или частица вообще знают, что за ними наблюдают? Кто считается «наблюдателем»? Что считается «наблюдением»? Можно ли сказать, будто что-то обладает способностью наблюдать, а что-то нет? Имеет ли наблюдение какое-то отношение к сознанию?

Одни ученые восприняли эти вопросы всерьез, а другие решили, что квантовая механика 1.0 – лютый бред, который срочно необходимо пересмотреть.

Так или иначе, приход квантовой механики перечеркнул тысячелетия растущей философской уверенности в себе. Нам понадобились столетия, чтобы отказаться от анимизма и политеизма, а затем оттеснить на задний план то единственное божество, которое нам осталось. Сначала мы считали себя едиными с природой, затем – едиными с Богом, а потом перешли к представлению о себе как о лишенных души скоплениях атомов, сцепленных законами природы, коим на нас абсолютно плевать.

Квантовая революция вынудила нас взглянуть на мир по-новому. Все от анимизма до бездушного детерминизма снова приобрело актуальность – наряду с совершенно новыми перспективами, о которых мы раньше и не задумывались. Параллельные вселенные, вселенское сознание, дуализм разума и тела – все это вернулось в меню.

Моя книга – об этом самом меню и о том, что оно значит для нас: для меня, для вас и остального человечества. Но еще она об исследователях, шарлатанах и академической индустрии, которая формирует это меню и определяет, что мы с вами думаем о себе и о своем месте во вселенной.

Мне бы хотелось избежать излишнего пафоса, но ставки очень высоки, так что давайте постараемся разложить все по полочкам. Эти идеи – из тех, что формируют самоощущение, а в конечном итоге определяют, какое общество мы решаем выстроить.

Ну и на тусовках сможете произвести впечатление.

Глава 1

Вниз по кроличьей норе

Как физики поняли, что квантовый мир – такое странное место?

В ответе всего одно слово: эксперименты. Физики провели кучу экспериментов и получили настолько дикие и абсолютно непонятные результаты, что осмыслить их можно было только одним способом – допустить, что сама природа играет на квантовом уровне по очень странным правилам. И когда ученые это наконец сделали, они открыли ящик Пандоры, и это перевернуло наши представления о реальности как таковой. А чтобы выяснить, что же было в этом ящике Пандоры, нужно основательно разобраться в экспериментах, которые нас к нему подвели.

Итак, поговорим об экспериментах. Не стану скрывать: экспериментальная физика скучна до одури. Да, она предполагает изучение фундаментальных вопросов о природе вселенной. Но на самом-то деле почти всегда заранее знаешь, какие ответы получишь.

А значит, если результат эксперимента тебя удивил, одно из двух:

1. Тысячи ученых, столетиями трудившиеся не покладая рук, неверно понимали, как устроена природа, а ты – аспирант на минимальном окладе – случайно умудрился подковырнуть вселенную именно таким образом, чтобы доказать их неправоту.

2. Ты запорол эксперимент.

Мозг среднестатистического аспиранта работает на дошираке, дешевом пиве и четырехчасовом сне, поэтому обычно второй вариант предпочтительнее первого. В сущности, примерно единственный расклад, при котором может случиться первый вариант, – это если у тебя накоплено столько соответствующих научных знаний, что ты способен поставить под сомнение коллективные представления всех своих коллег-ученых.