Маркус Чаун - Гравитация. Последнее искушение Эйнштейна

Это правило применимо не только к фотонам, но и ко всем прочим микроскопическим составляющим нашего мира, от электронов до кварков. Поведение каждой частицы фундаментально непредсказуемо.

Почему же тогда предсказуема наша повседневная реальность? Почему Солнце восходит каждое утро, а траекторию брошенного мяча можно проследить и поймать его? Одной рукой Природа даёт нам что-то, а другой — забирает. Пускай окружающий мир фундаментально непредсказуем, он предсказуемо непредсказуем . Инструментом для предсказания непредсказуемого выступает квантовая теория.

Осознание того, что вся Вселенная, по сути, основана на случайности, стало самым шокирующим за всю историю науки. И каждый раз, когда вы видите своё отражение в стекле, Вселенная напоминает вам об этом. Эта идея так не нравилась Эйнштейну, что он заявлял: «Бог не играет в кости». Пионер квантовой теории Нильс Бор отвечал ему на это: «Перестаньте указывать Богу, что делать с костями».

Эйнштейн сильно ошибался. Бог не просто играет в кости — если бы он этого не делал, не существовало бы Вселенной, или по крайней мере она не была бы достаточно сложной для того, чтобы в ней появились люди. [226] Если верить стандартной космологической модели, также известной как модель расширения, когда-то Вселенная была так мала, что не содержала практически никакой информации. Сегодня учёные полагают, что всё было наоборот: информации в ней было ровно столько, сколько требовалось, чтобы описать местоположение каждого атома во Вселенной. На вопрос, откуда взялась эта информация, отвечает квантовая теория, в которой информация является синонимом случайности. Каждое случайное квантовое событие, произошедшее с момента Большого взрыва, например распад радиоактивного атома, добавляет Вселенной информации и сложности. Когда Эйнштейн говорил, что Бог не играет в кости, он был абсолютно не прав. Если бы Бог не играл в кости, Вселенной вообще не было бы или по крайней мере, в ней бы не происходило ничего интересного. См. главу «Random Reality» в книге: Chown M. The Never-Ending Days of Being Dead. — London: Faber & Faber, 2007.

То, что мы видим своё отражение в стекле, объяснимо и если свет представляет собой волну, и если он является потоком частиц. На самом деле корпускулярно-волновой дуализм — это ключевая характеристика микроскопического мира атомов и субатомных частиц. [227] См. главу 7.

Кажется, что частицы, локализованные в пространстве, и волны, распространяющиеся по нему, фундаментально несовместимы. По крайней мере именно так считали физики 1920-х годов, которые поддерживали идеи Эйнштейна и Планка. «Я помню многочасовые споры, тянувшиеся до ночи и приводившие нас в отчаяние, — писал немецкий физик Вернер Гейзенберг. — После этого я отправлялся на прогулку в парк по соседству и постоянно прокручивал у себя в голове вопросы. Может ли природа действительно быть настолько абсурдной, какой она казалась нам в этих атомных экспериментах?» [228] Heisenberg W. Physics and Philosophy. — London: Penguin Classics, 2000.

Правильный ответ: может. Микромир атомов и субатомных частиц совершенно не похож на нашу повседневную реальность (хотя этого следовало ожидать, учитывая, что он в миллиарды раз меньше нашего). Фотоны и их соседи по микромиру — это и не частицы, и не волны, а нечто незнакомое нам, для чего в нашем словаре ещё нет слов. Они словно объекты, которые мы не можем увидеть, а лишь следим за игрой их теней. «Мы сумели создать математическую схему [квантовую теорию]… способную адекватно описывать процессы на атомном уровне, — писал Гейзенберг, — но для их визуализации нам приходится полагаться на две неполные их аналогии, волновую и корпускулярную».

Итак, базовые строительные блоки Вселенной ведут себя одновременно как частицы и как волны. Но эти волны довольно необычны. Это так называемые математические «волны вероятности», которые выражают вероятность обнаружения частицы в какой-либо точке или определённого её поведения. Волна вероятности распространяется по пространству, отражается от препятствий и интерферирует сама с собой. [229] Интерференция — это определяющая характеристика волн. Если две волны накладываются друг на друга и их пики совпадают, они усиливают друг друга и происходит конструктивная интерференция. Если же высшая точка одной из волн совпадает с нижней точкой другой волны, то они гасят друг друга и происходит деструктивная интерференция. Именно этот эффект продемонстрировал опыт Томаса Юнга в 1801 году (см. главу 5). Её распространение описывается уравнением, созданным австрийским физиком Эрвином Шрёдингером в 1925 году. В тех местах, где значение амплитуды волны велико, высок и шанс на обнаружение частицы, а при низкой амплитуде эта вероятность незначительна. [230] Строго говоря, вероятность обнаружения частицы в каком-либо месте равна квадрату волновой амплитуды в определённой точке. Вероятность всегда представляет собой число от 0 до 1, где 0 соответствует нулевой вероятности, а 1 — 100%-ной.