Карло Ровелли - Сім основних уроків з фізики

Ейнштейн показав, що світло складається з частинок. Сьогодні ми називаємо їх фотонами. У вступі до своєї статті він писав: «Мені здається, що дослідження, пов’язані з випромінюванням абсолютно чорного тіла, флуоресценцією, утворенням катодних променів під дією ультрафіолетового світла, та з іншими, спорідненими з цим феноменами, що стосуються емісії або трансформації світла, були б успішнішими, якби дослідник припускав, що світлова енергія переривчасто розподіляється в просторі. Згідно з припущенням, що розглядається, енергія світлового променя, що поширюється від точечного джерела, не розподілена неперервно в просторі, а складається зі скінченної кількості енергетичних квантів, що локалізовані в певних точках простору і рухаються не подрібнюючись та можуть утворюватися або поглинатися лише цілком окремими одиницями».

Ці прості і ясні рядки є справжнім свідоцтвом про народження квантової теорії. Зверніть увагу на дивовижний початок: «мені здається…», що нагадує «я думаю…», яким Дарвін у своєму записнику починав формулювання великої ідеї еволюції видів, і «сумніви», висловлені Фарадеєм, коли він ознайомлював світ з революційною ідеєю магнітних полів. Геній сумнівається.

Робота Ейнштейна від початку сприймалася колегами як абсурд. Згодом ця сама робота буде нагороджена Нобелівською премією. Якщо Планк є батьком квантової теорії, то Ейнштейн – той, хто її виплекав.

Але, як усі нащадки, теорія з часом пішла своєю дорогою, незнаною самим Ейнштейном. У 1920―1930-х роках її почав розвивати данець Нільс Бор. Саме він зрозумів, що енергія електронів в атомах може набувати лише певних значень, подібно до енергії світла, і ключовим є те, що електрони можуть тільки перестрибувати з однієї атомної орбіти на іншу з певними енергіями, під час стрибка випромінюючи або поглинаючи фотон. Це і є знамениті «квантові стрибки».

Саме в Копенгагенському інституті найбільш блискучі молоді вчені століття зібрались для спільних досліджень, намагаючись навести лад у незбагненних аспектах поведінки атома та збудувати на цій основі послідовну теорію. У 1925 році нарешті з’явилося рівняння нової теорії, яке замінило загальну механіку Ньютона. Важко уявити значніше досягнення. Один доторк – і все набуває сенсу, стає можливим обчислити що завгодно.

Наведемо один приклад. Чи ви пам’ятаєте періодичну таблицю елементів Менделєєва, який записав усі можливі елементи, з яких складається Всесвіт, від водню до урану? Ця таблиця висить на стіні майже в кожному класі. Чому ж у ній записані саме ці елементи та чому вона має саме таку структуру, з саме такими періодами і з елементами, що мають саме такі специфічні властивості? Тому що кожен елемент відповідає одному рішенню основного рівняння квантової механіки. Ціла наука – хімія – ґрунтується на одному рівнянні.

Першим написав рівняння нової теорії, базуючи їх на шалених запаморочливих ідеях, геніальний молодий німець, Вернер Гейзенберг. Він уявляв, що електрони не завжди існують. Вони є лише тоді, коли хтось або щось спостерігає за ними, чи, краще сказати, – коли електрони взаємодіють із чимось іншим. Вони матеріалізуються в конкретному місці з обчислюваною ймовірністю, коли зіштовхуються з чимось іншим. Квантові стрибки з однієї орбіти до іншої – це єдиний засіб, який вони мають, щоб бути реальними: електрон, таким чином, – це набір стрибків від однієї взаємодії до іншої. Коли ніщо його не турбує, він не має точного місця. Він взагалі не перебуває на жодному місці. Це так, якби Бог створював світ не за допомогою ліній, що їх непросто стерти, а наніс його пунктиром у вигляді нечіткої схеми.

У квантовій механіці об’єкт не має визначеного розташування, допоки не зіштовхнеться з чимось іншим. Щоб описати такі об’єкти між взаємодіями, ми використовуємо абстрактні математичні формули, що мають сенс не в реальному просторі, а лише в абстрактному математичному світі. Але гірше попереду: ці стрибкоподібні взаємодії, що переміщують об’єкт з одного місця в інше, трапляються не якимось передбачуваним чином, а є переважно випадковими. Неможливо передбачити, де електрон знову з’явиться, можна тільки вирахувати ймовірність , що він вигулькне тут чи там. Питання ймовірності постає в самому серці фізики, де, здавалося б, усе підкорюється чітким, непохитним та незмінним універсальним законам.

Чи не здається це абсурдом? Це здалось абсурдним Ейнштейну… З одного боку, він висуває Гейзенберга на Нобелівську премію, визнаючи, що він зрозумів про світ щось фундаментальне, з іншого – ніколи не упускає шансу побурчати, що все це не має особливого сенсу. Молоді леви з Копенгагенської групи були в сум’ятті: як можливо, щоб Ейнштейн думав так? Їхній духовний батько, який мав мужність думати про, здавалося б, неосяжне для людського розуму, відступає і боїться стрибка в невідомість, до якого сам спонукав. Той самий Ейнштейн, котрий показав, що час не є універсальним, а простір є викривленим, тепер стверджує, що світ не може бути аж таким дивовижним.