Чего не знает современная наука - Сборник статей

В самом деле, мы привыкли, что любое тело, на которое не действует сила, движется по кратчайшему пути. Для пустого пространства эти пути суть прямые линии, в классической физике по таким прямым траекториям распространяется световой луч. Поэтому обычная евклидова геометрия – это геометрия пустого пространства. Однако наше физическое пространство заполнено массивными телами. Как показывает опыт, световые лучи искривляются под действием гравитации. А. Эйнштейн предложил заменить действие гравитации на искривление пространства.

Разница между классической и релятивистской реальностью проявляется только в условиях чрезвычайно больших скоростей и гравитации, а для условий, в которых мы обычно действуем, ньютоновская физика дает очень точное приближение, полезное во многих ситуациях. Однако, по словам Б. Грина, «полезность» и «реальность» – совсем разные категории.

Квантовая физика описывает новую реальность в масштабах, сравнимых с размерами атомов. Она началась с попыток сформулировать законы излучения света. Однако наблюдаемые эффекты никак не удавалось объяснить с классических позиций. Для устранения противоречий Макс Планк в 1900 г. предположил, что электромагнитные волны (свет) излучаются порциями; он назвал их квантами.

Далее последовали эксперименты по фотоэффекту. Еще в 1887 г. немецкий физик Г. Герц обнаружил, что под действием света вещество может испускать электроны. По классическим представлениям, чем больше амплитуда волны, тем больше ее энергия и тем больше электронов она должна выбивать. В экспериментах же все было не так: электроны выбивались только светом с частотой выше пороговой, а свет сколь угодно большой интенсивности, но с частотой ниже порога, никаких электронов вообще не выбивал. Это странное поведение света было теоретически объяснено Эйнштейном в 1905 г.: он предположил, что свет не только испускается, но и распространяется порциями (квантами), названными позднее фотонами и имеющими свойства частиц.

Еще один парадокс, расшатавший основы классической физики, – невозможность объяснить структуру атома. В 1896 г. было открыто явление радиоактивности, через год открыт электрон, а в 1911 г. благодаря опытам Резерфорда обнаружено, что атом состоит из необычайно малого ядра и вращающихся вокруг него электронов. Чтобы представить себе соотношение размеров ядра (10-13 см) и атома (10-8 см), увеличим атом до размеров комнаты – тогда ядро будет едва заметной точкой.

В результате классические представления о твердом теле как об области пространства, заполненной сплошной материей, были заменены на представления о «пустоте», в которой движутся чрезвычайно малые частицы – ядра атомов и электроны. Предполагалось, однако, что эти частицы обладают чрезвычайно высокой плотностью. Новое содержание получило учение Демокрита, утверждавшего, что в мире нет ничего, кроме атомов и пустоты.

По классическим представлениям, чтобы электрон не упал на ядро, он должен с сумасшедшей скоростью вращаться вокруг него. Но, вращаясь, электрон испытывает ускорение (направленное к центру орбиты) – а ускоряющиеся частицы, согласно законам классической электродинамики, непрерывно излучают электромагнитную волну, а значит, теряют энергию. Электроны должны практически мгновенно (за 10-11 секунды) упасть на ядро! Для объяснения устойчивости атомов было предложена еще одна «квантовая» идея: излучение электрона в атоме может происходить только дискретными порциями. Развитие этой идеи позволило описать частоты линий спектра электромагнитных излучений веществ.

Корпускулярные свойства света проявились и в эффекте А. Комптона (1922 г.): оказалось, что свет может рассеиваться электронами, при этом и электрон, и свет ведут себя подобно абсолютно упругим шарикам. Итак, «сумасшедшая природа» придает свету свойства то волны, то частицы – в зависимости от условий его регистрации.

В 1924 г. Луи де Бройль предположил, что такие свойства характерны не только для света, но и вообще для всех объектов микромира. Если эта гипотеза верна, то движение частиц атома нельзя описывать в классических понятиях траектории (орбиты).

Поток электронов, проходящих через щель, регистрируется на экране. Частота попадания электронов в точку y экрана изображена в виде графика функции z(y), изображенного зеленым цветом. Помимо размытого максимума напротив щели имеются и более слабые максимумы, куда электроны не могут попасть, если предположить, что они являются частицами.

Эта идея прекрасно согласуется с опытом, в котором электроны, которые всегда считались «частицами», один за другим «выстреливались» в сторону диафрагмы в виде щели, за которой располагался экран. На экране фиксировались точки, в которые попадали электроны, прошедшие через щель. Если бы электроны были частицами, на экране была бы четкая область, в которую попадали бы частицы, движущиеся по прямой через щель. В реальности же электрон попадает в любую точку экрана, причем в одни области чаще, а в другие реже. Частота попаданий электронов в разные площадки экрана на рисунке показана кривой зеленого цвета. Форма этой кривой полностью совпадает с формой интенсивности волны (световой или волны на поверхности воды), проходящей через щель. Это заставляет отказаться от понятия частицы, движущейся по траектории: вместо нее в современной физике используется представление о некоторой «волне вероятности», которая и распространяется как будто «вместо» частицы, огибает щели экрана, а затем порождает фотон в том или ином месте в соответствии с математическими законами.

Но волна не имеет конкретной координаты, она размыта в некоторой области пространства. На смену представлениям о точечных частицах материи (локальность) приходит «нелокальность». Удивительно, что при регистрации координаты электрона на втором экране «нелокальность» электрона мгновенно сменяется четкой локальностью – электрон-волна мгновенно сворачивается в точку, фиксирующую след от электрона на втором экране. Это свойство получило название редукции волны при измерении.

Однако такая интерпретация редукции волны грозила нарушить свойство причинности. Мы привыкли, что каждое событие имеет свою причину: например, разбитая ваза на полу возникла потому, что ее откуда-то бросили или столкнули, причем сначала ее столкнули, а потом она разбилась. От момента действия причины (толчок вазы) до следствия (ее разбития) обязательно должно пройти какое-то время, затрачиваемое на преодоление пространства, разделяющего причину и следствие. Однако в квантовом мире все не так просто – в рассмотренном примере следствие наступает одновременно с причиной, как бы далеко одна от другой они ни находились. Действительно, в момент измерения все «части» электрона-волны, размытого в пространстве, мгновенно собираются в точку на экране в момент измерения его координаты.

Для демонстрации парадоксальности квантовой реальности А. Эйнштейн, Б. Подольский и Н. Розен придумали мыслительный эксперимент, в котором проверялось это свойство нелокальности квантового мира: описывались две частицы, разнесенные в разные концы Вселенной, и показывалось, что наблюдение одной из них в случае наличия нелокальности мгновенно скажется на состоянии другой. В 1964 г. Джон Белл предложил формулировку парадокса Эйнштейна – Подольского – Розена, допускающую непосредственную экспериментальную проверку. Эксперимент был поставлен в 1982 г., и он показал, что мир действительно таков, что в нем одна частица «чувствует» измерения, проведенные над второй. Приходится признать, что наш мир не есть набор локальных атомов-«кирпичиков», пусть даже и связанных последовательно между собой; он сам по себе – единое целое, и то, что происходит в одной его части, в тот же миг меняет его в целом.

Итак, сказанное выше приводит нас к мысли, что в основе наблюдаемой реальности лежит «невидимая» квантовая реальность, которая становится «видимой» в ходе взаимодействия наблюдаемой и наблюдающей частей рассматриваемой системы. Однако в реальных ситуациях эта система едина, ее разделение на «квантовую» и «классическую» весьма условно.

Одно из свойств квантовой реальности, кажущееся парадоксальным с позиций классической физики, связано с тем, что уточнение одной из характеристик объекта при взаимодействии квантового объекта с классическим прибором (то есть при измерении) сопровождается потерей точности в значении некоторых других. Так, например, уточнение координаты частицы в процессе ее взаимодействия с классическим прибором делает ее импульс (произведения массы на скорость) менее определенным; таким же свойством обладает время наблюдения системы и ее энергия и др. Такое странное с классической точки зрения положение сформулировано Н. Бором как принцип дополнительности. По-видимому, адекватное описание явлений микромира требует использования «разных языков», дополняющих друг друга.