Стивен Вайнберг - Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Как и большинство физиков, в целом я был удовлетворен использованием квантовой механики в своих прошлых работах и не особенно переживал насчет противоречий. Однако в 2012 г. в процессе написания учебника по квантовой механике я решил, что должен заняться этими проблемами, чтобы можно было изложить их студентам старших курсов и аспирантам.

Я прочел приличный объем того, что было написано физиками, всерьез интересовавшимися фундаментальными основами квантовой механики, но почувствовал некоторое смущение от того, что не могу выбрать ни одну из их интерпретаций квантовой механики, которая казалась бы мне совершенно удовлетворительной. Мое смятение усилилось, когда в 2015 г. я столкнулся с той же проблемой при подготовке второго издания своего учебника.

Примерно тогда я задумался о том, чтобы описать проблемы вокруг квантовой механики в научно-популярной статье. Эта идея получила развитие, когда меня пригласили выступить со специальной лекцией — четвертой ежегодной Патруской лекцией Совета по развитию научного писательства на встрече, проходившей в октябре 2016 г. в Сан-Антонио. Предложение было заманчивым, поскольку давало мне возможность узнать, смогу ли я понятно рассказать о квантовой механике не физикам.

Я посчитал, что мое выступление прошло довольно хорошо, поэтому записал его для журнала The New York Review of Books . Статья вышла в номере от 19 января 2017 г. Эта публикация стала моей последней статьей, написанной в сотрудничестве с выдающимся редактором журнала Робертом Сильверсом, который скончался 20 марта 2017 г.

«Сотрудничество» — подходящее слово. Время от времени Боб включал в Review статьи о фундаментальной науке, но он понимал всю сложность перевода идей с языка физики на язык обычного читателя. Это стало отдельной проблемой при написании статьи о квантовой механике, идеи которой настолько далеки от интуитивно понятных, что почти невыразимы на любом языке, кроме математического. Боб указал на множество непонятных мест в первом варианте текста и без устали заставлял меня их прояснять. Даже если в этой статье остались сложные куски, ни один редактор не смог бы сделать ее более понятной.

Развитие квантовой механики в первые десятилетия XX в. повергло в шок многих физиков. Сегодня, несмотря на ее огромные успехи, споры о ее значении и будущем продолжаются.

Первым серьезным испытанием стал вызов, брошенный привычным физическим понятиям, сложившимся к 1900 г. Были частицы (атомы, а затем электроны и атомные ядра), и были поля — они заполняют в пространстве целые области, из-за чего там действуют электрические, магнитные и гравитационные силы. Световые волны были признаны самоподдерживающимися колебаниями электрического и магнитного полей. Однако для того, чтобы описать излучение, испускаемое нагретыми телами, Альберт Эйнштейн в 1905 г. посчитал необходимым представить световые волны в виде потоков безмассовых частиц, позже названных фотонами. Затем в 1920-е гг., благодаря теориям Луи де Бройля и Эрвина Шрёдингера, выяснилось, что электроны, которые всегда считались частицами, при определенных условиях ведут себя как волны. Для того чтобы описать энергетически стабильные состояния атомов, физикам пришлось отказаться от представления об электронах в атомах как о маленьких ньютоновских планетах, вращающихся по орбитам вокруг атомных ядер. Электроны в атомах скорее подобны волнам, окружающим ядро, — как звуковые волны окружают органную трубу [90] Ограничения, накладываемые на звуковые волны вблизи закрытых или открытых концов органных труб, требуют, чтобы на длине трубы укладывалось нечетное число четвертей длины волны, или четное или нечетное число полудлин волны. Таким образом возникают ограничения на то, какие именно ноты могут быть исполнены с помощью этой трубы. В атоме волновая функция должна отвечать условию непрерывности и ограниченности вблизи ядра и вдали от него, что ограничивает возможные значения энергии для состояний атома. . В фундаментальных понятиях началась путаница.

Еще хуже то, что электронные волны — это не волны «электронной материи», подобные океанским, являющимся волнами воды. Как показал Макс Борн, электронные волны — это скорее волны вероятности. Когда свободный электрон сталкивается с атомом, мы принципиально не можем указать, в каком направлении он отскочит. Электронная волна после столкновения с атомом распространится во всех направлениях, как морская волна, ударившаяся о риф. Как пояснил Борн, это не означает, что сам электрон разбегается во все стороны. Наоборот, неделимый электрон движется в некотором одном направлении, которое невозможно точно предсказать. Вероятнее всего, электрон отправится в том направлении, где амплитуда волны выше, но тем не менее его движение возможно в любом направлении.