Карло Ровелли - Сім основних уроків з фізики

Бор терпляче розтлумачує Ейнштейну нові ідеї. Ейнштейн завзято заперечує. Він проводить ментальні експерименти, щоб продемонструвати суперечливість нових ідей: «Уявіть коробку, наповнену світлом; і от ми даємо одному фотону можливість втекти звідти на певний час…» – так починається його знаменитий уявний експеримент з «коробкою світла».

Бор завжди знаходив аргументовану відповідь, щоб відбивати подібні «атаки». Протистояння двох вчених тривало впродовж років, у формі лекцій, листів, статей… Обом великим людям доводилось коректувати і змінювати спосіб мислення. Кінець кінцем Ейнштейн визнав, що в нових ідеях немає аж таких суперечностей. Бору ж довелося змиритися з тим, що речі не такі прості, як він вважав.

Ейнштейн не хотів поступатися тим, що для нього було ключовим пунктом: існує об’єктивна реальність, незалежна від того, що і з чим взаємодіє. Бор не міг поступитись цінністю принципово нового шляху, на якому реальність була концептуалізована новою теорією.

Нарешті Ейнштейн визнав, що нова теорія – гігантський крок вперед на шляху до розуміння світу, але лишився переконаним, що речі не можуть бути такими дивними, як пропонується нею, і що десь за рамками цієї теорії має бути більш загальне, більш прийнятне для здорового глузду пояснення.

Минуло століття, а ми перебуваємо в тій самій точці. Рівняння квантової механіки та висновки з них щодня використовуються в найрізноманітніших галузях фізиками, інженерами, хіміками та біологами. Вони надзвичайно корисні для всіх сучасних технологій (без квантової механіки не було б, скажімо, транзисторів). Але ці рівняння лишаються таємничими, адже ними неможливо описати, що відбувається у фізичній системі, а тільки те, як одна фізична система впливає на іншу.

Основну реальність системи описати неможливо. Чи значить це, що нам не вистачає частини головоломки? Чи значить це, що ми маємо прийняти те, що реальність – тільки взаємодія? Обсяг наших знань зростає. Це дозволяє нам робити те, чого ми колись навіть уявити не могли. Але прогрес поставив перед нами нові питання.

Рівняння квантової теорії застосовуються в лабораторіях. Але в статтях і на конференціях, кількість яких значно зросла, фізики та філософи продовжують науковий пошук. Що ж таке квантова теорія за століття після народження? Надглибоке занурення в природу реальності? Рух навпомацки, що призводить до випадкових результатів? Частинка незібраного пазла? Чи дороговказ до чогось важливого у структурі світу, який ми досі не можемо правильно зрозуміти?

Коли Ейнштейн помер, його багаторічний суперник Бор знайшов для нього слова, сповнені зворушливого захвату. Коли за кілька років помер Бор, хтось сфотографував дошку в його кабінеті – на ній був малюнок «наповненої світлом коробки» з ейнштейнівського уявного експеримента.

До останнього прагніть випробувати самих себе, щоб зрозуміти більше. До останнього сумнівайтесь.

У першій половині ХХ століття Ейнштейн описав механізм простору і часу, Нільс Бор та його молоді послідовники описали за допомогою рівнянь дивну квантову природу матерії. У другій половині ХХ століття фізики використовували ці два фундаменти для вивчення широкого спектру явищ: від макрокосмічної структури Всесвіту до мікрокосму елементарних частинок. Про перше зі згаданого я буду говорити в цьому уроці, а про друге – в наступному.

Цей урок складається переважно з простих малюнків. Причина така: до всіх експериментів, до виникнення вимірювання, математики та строгої дедукції, наука – перш за все бачення. Наука починається з візуального сприйняття. Наукова думка живиться здатністю бачити речі інакше, ніж вони вже були побачені (у повсякденні). Пропоную коротенький скромний начерк подорожі між баченнями.

На малюнку 1 зображено, що концепція космосу являла собою протягом тисячоліть: Земля – внизу, небо – вгорі. Перша велика наукова революція була здійснена двадцять шість віків тому Анаксімандром, коли він спробував зобразити, як Сонце, Місяць і зорі обертаються навколо нас, що змінило картинку космосу: небо навколо Землі, а не тільки над нею (мал. 2). Антична Земля – величезний камінь, що плаває, зависаючи в космосі. Скоро хтось (чи то Парменід, чи то Піфагор) усвідомив, що сфера – найбільш зручна форма для цієї Землі, яка літає і для якої всі напрямки однакові.

Мал. 1