Это всё квантовая физика! Непочтительное руководство по фундаментальной природе всего

Иногда частицы друг с другом сталкиваются. Тогда они соблюдают простые законы Ньютона, которые заставляют часть из них объединиться в более сложные структуры. Эти сложные структуры тоже иногда объединяются в еще более сложные структуры, что в итоге порождает интересные объекты – камни, арахис, людей. Но какими бы сложными ни были эти объекты, они по-прежнему фундаментально состоят из частиц, подчиняющихся простым, на сто процентов предсказуемым законам движения.

У этой предсказуемости были далеко идущие последствия. Если сделать моментальный снимок вселенной, который позволит точно определить, где находится каждая частица во вселенной и куда она в этот момент направляется, – можно при помощи ньютоновских законов со стопроцентной уверенностью предсказать, что будет делать каждая из этих частиц в любой момент в будущем. Ньютоновская механика теоретически дала нам возможность предсказывать будущее, превратила в расу облаченных в белые халаты и потенциально всеведущих властителей вселенной.

Но если будущее можно точно предсказать, значит, оно высечено в камне. Значит, события во вселенной разворачиваются словно бы по сценарию, прописанному в законах ньютоновской механики. Философы называют такой подход детерминистическим – поскольку любое событие в будущем полностью детерминировано событиями в прошлом, а еще потому, что им платили за количество слогов.

Если и в самом деле мы просто созданы из атомов, которые следуют предсказуемым законам движения, значит, мне суждено было написать эту книгу, вам суждено было ее прочитать, и так обстоит дело с любыми решениями, что нам еще предстоит принять. Вряд ли удастся усмотреть здесь простор для божественного вмешательства, свободы воли или идеи о душе.

На этом поэтичный путь человечества к самопознанию мог бы и завершиться. Много тысяч лет мы постепенно убеждались, что какой-либо душой, сознанием и свободой воли наделено все меньше и меньше сущностей: сначала отказались от анимизма в пользу политеизма, затем от политеизма в пользу монотеизма. Разве не логично было бы обнаружить, что всего этого нет вообще ни у кого, даже у людей?

Однако нет такого закона, по которому реальность обязана быть поэтичной.

Ньютоновское мировоззрение развалилось, словно карточный домик на гладкой поверхности, – сначала потихоньку расползалось, а потом рухнуло все разом.

Несколько нестыковок

Ньютоновская механика впечатляла. Она давала поразительно точные прогнозы и позволяла сотворить невероятно полезные штуки, с помощью которых мы строили железные дороги, лечили болезни, изобретали целые отрасли промышленности и создавали глобальные империи.

Оставалось лишь несколько неприятных помех, которые никак не удавалось устранить.

Например, помните, я упомянул об эллиптической орбите Меркурия и о том, что ньютоновская механика позволяла рассчитывать ее с точностью до 0,01 градуса?

Так вот, люди делятся на два типа:

1. «Ничего себе, как круто! Ньютон – красавчик! Давайте скорее соберем паровой двигатель, изобретем лампочку или еще что-нибудь».

2. «А почему это наши лучшие расчеты дают такую здоровенную погрешность – 0,01 градуса? Что-то тут неладно!»

Первый тип называется «инженеры», второй – «физики».

С одной-двумя капризными орбитами физики еще смирились бы, но астрономией вопросы не ограничивались. Была еще проблемка под названием «ультрафиолетовая катастрофа».

Вы же замечали, что спираль в электроплитке при нагревании светится красным? Так вот, физики XIX века обожали наблюдать за подобной ерундой и потратили кучу времени на изучение связи между температурой горячего предмета и цветом его излучения. Но беда в том, что предсказывать цвет раскаленного металла им удавалось из рук вон плохо, особенно ближе к ультрафиолетовому (самому горячему) концу цветового спектра. Настолько плохо, что ситуация вполне заслуживала названия катастрофической.

Меркурий, раскаленный металл и еще кое-какие экспериментальные данные, которые почему-то не вписывались в ньютоновскую картину мира, натолкнули ученых на мысль, что с современной физикой что-то капитально не так.

И ученые стали думать. Думали они, думали, и в конце концов усатому скалолазу-пианисту Максу Планку пришла в голову блестящая мысль.

И разразилась квантовая революция.

Квантовые раздумья

Максу Планку хотелось всего-навсего понять, как побороть эту самую ультрафиолетовую катастрофу. «Дерзновеннейшая цель моей жизни, – должно быть, думал он, – научиться точнее предсказывать цвет раскаленной спирали. Вот за что меня будут помнить благодарные потомки!»

Тогда ему было невдомек, что решение задачи о цвете горячего металла станет ящиком Пандоры. Чтобы разобраться почему, поговорим немного о воде.

При комнатной температуре вода ощущается непрерывным веществом. Не чувствуется, что она состоит из частичек воды, это единая текучая субстанция. Но на самом-то деле она совершенно точно состоит из частичек воды, и эти частички называются молекулами воды. Мы их не замечаем лишь потому, что они очень маленькие, вот у нас и возникает иллюзия непрерывного вещества.