Читать онлайн Джим Аль-Халили - Квант

Jim Al-Khalili

Quantum. A Guide for the Perplexed

© Jim Al-Khalili, 2003

© Мамедьяров З. А., Фоменко Е. А., перевод на русский язык, 2017

© Издание на русском языке, оформление. ООО Группа Компаний «РИПОЛ классик», 2019

Эта книга посвящается моему отцу, которому я обязан в том числе и тем, что он первым рассказал мне о странной теории под названием «квантовая механика».

Будучи подростком, я зачитывался журналом «Необъясненное», который был полон свидетельств об НЛО, историй о Бермудском треугольнике и множестве других паранормальных явлений. Помню, как я с замиранием сердца открывал каждый новый номер, чтобы удостовериться, что мир полон странных и необъяснимых событий, которые никто не понимает. Больше всего мне нравились потрясающие фотографии, которые как будто были сделаны трясущимися руками на дешевую камеру в густом тумане темной ночью. Они якобы были свидетельствами того, что летающие тарелки, призраки и лох-несские чудовища действительно существуют. Особенно мне запомнился жуткий снимок отделенной от тела обугленной старушечьей ноги в мягком тапке, которая лежала рядом с кучей пепла в гостиной: только это и осталось от несчастной дамочки после случая «спонтанного человеческого самовозгорания».

Понятия не имею, выходит ли этот журнал до сих пор – лично я точно давным-давно его не видел, – но людей и сейчас очаровывают всевозможные паранормальные явления, которые до сих пор не классифицированы и не разложены по полочкам традиционной наукой. Такое впечатление, что многим нравится осознавать, что и по сей день в нашем мире существуют уголки, куда наука еще не проникла, где все еще живы магия и тайна, как будто присущие другому миру.

И это грустно. Мне кажется печальным, что все победы науки по объяснению и рационализации множества явлений нашей Вселенной порой считаются слишком обыденными, лишенными чуда. Это печалило и физика Ричарда Фейнмана, который в 1965 году стал лауреатом Нобелевской премии за свой вклад в наше понимание природы света. Он написал:

В наши дни, когда наука популяризируется в книгах, журналах, документальных фильмах и в Интернете, отношение к ней, как я полагаю, меняется. И все же остается одна область науки, которую невозможно полностью рационализировать, используя разговорный язык, или объяснить на пальцах. Я говорю не о спекулятивных, полусырых идеях, основанных на всяких псевдонаучных аргументах вроде экстрасенсорного восприятия или, еще того хуже, астрологии. Напротив, эта область знаний считается передовой сферой науки. На самом деле она столь вездесуща, столь фундаментальна для нашего понимания природы, что объединяет в себе значительную часть всех физических дисциплин. Она описывается теорией, открытие которой, вне всякого сомнения, стало самым важным научным прорывом двадцатого столетия. По удивительному совпадению, именно ей и посвящена настоящая книга.

Квантовая механика примечательна по двум, на первый взгляд, противоречивым причинам. С одной стороны, она столь фундаментальна для нашего понимания принципов работы этого мира, что лежит в сердце большинства технологических сдвигов последней половины XX века. С другой стороны, кажется, никто ее не понимает!

Когда речь заходит о мире кванта, мы ступаем на удивительную территорию. На территорию, где мы как будто вольны выбрать любое из множества объяснений наблюдаемых явлений, каждое из которых так поразительно, что в сравнении с ним логичными кажутся даже истории о похищении пришельцами.

Если бы только люди знали, насколько ужасно и в то же время волшебно необычен на самом деле квантовый мир, если бы они только догадывались, на каком загадочном, неописуемом фундаменте покоится наша знакомая и цельная реальность! Зачем нужны истории о Бермудском треугольнике и проделках полтергейстов, когда квантовые феномены гораздо удивительнее их? В то время как практически любой известный паранормальный инцидент можно объяснить, всего лишь обратившись к здравому смыслу, квантовую теорию тестируют, прощупывают и исследуют всеми возможными способами уже без малого сотню лет. Жаль, что ни одна из гипотез квантовой механики ни разу, насколько мне известно, не попала на страницы «Необъясненного».

Стоит сразу пояснить, что странной и нелогичной кажется не сама теория квантовой механики. Напротив, она представляет собой потрясающе точную и логичную математическую конструкцию, которая превосходно описывает Природу. На самом деле без квантовой механики мы не смогли бы понять основы современной химии, электроники и материаловедения. Без квантовой механики мы не изобрели бы ни кремниевый чип, ни лазер; не было бы ни телевизоров, ни компьютеров, ни микроволновых печей, ни CD – и DVD-плееров, ни мобильных телефонов, ни многих других устройств, которые мы в наш технологический век принимаем как должное.

Квантовая механика невероятно точно предсказывает и объясняет поведение самих кирпичиков материи – не только атомов, но и частиц, из которых они состоят. Она дает нам очень точное и практически полное понимание того, как субатомные частицы взаимодействуют друг с другом и соединяются, чтобы формировать мир, который мы видим вокруг и частью которого являемся сами.

Таким образом, перед нами встает противоречие: как может научная теория столь успешно объяснять все эти «как» и «почему» и в то же время оставаться столь загадочной?

Большинство практикующих физиков, которые ежедневно применяют правила и математические формулы квантовой механики, скажут, что они не видят в этом проблемы. В конце концов, они знают, что она работает. Она помогла нам объяснить огромное количество природных явлений, ее математический аппарат и формулировка точны и понятны и, несмотря на многократные попытки сомневающихся в их правильности, блестяще выдержали все возможные экспериментальные проверки, которым их подвергли. И правда, физики нередко сетуют на тех своих коллег, которые до сих пор не могут смириться с парадоксальной и необычной природой субатомного мира, сообщаемого нам теорией. К тому же какое право мы имеем ожидать, что природа на уровне невообразимо крохотных атомов будет вести себя хоть сколько-нибудь знакомо, когда мы ежедневно видим лишь ее поведение на уровне людей, машин, деревьев и домов? Дело не в том, что квантовая механика представляет собой странное описание Природы, а в том, что сама Природа ведет себя необычным и парадоксальным образом. А если квантовая механика дает нам теоретические инструменты, чтобы понять все, что мы наблюдаем, у нас нет никакого права винить Природу – или теорию – за наши интеллектуальные несовершенства.

Многие физики нетерпимы к тем, кто пытается найти более наглядную интерпретацию квантовой механики. В моем понимании, их подход ненаучен. Они говорят: «Может, просто заткнетесь и начнете использовать квантовые инструменты, чтобы предсказывать результаты экспериментов? Искать полное понимание того, что невозможно проверить экспериментальным путем, – пустая трата времени».

На самом деле стандартная интерпретация квантовой механики – та самая, которой обычно обучают всех студентов-физиков, – вывела строгие правила и условия, которых физики должны придерживаться в отношении той информации, которую они извлекают из Природы в каждом конкретном эксперименте. Понимаю, на первых страницах книги это покажется неуместно туманным, однако вы с самого начала должны осознавать, что квантовая механика не похожа ни на одну другую теоретическую концепцию, созданную человеком за всю историю науки.

Как и большинство физиков, я много лет рассуждал о квантовой механике и с профессиональной позиции практикующего исследователя, и с позиции человека, заинтересованного в ее более глубоком значении – в области, известной как основы квантовой механики. Быть может, тех двадцати лет, которые я провел с квантовой механикой, еще недостаточно, чтобы «смириться» с ней. Но я полагаю, что слышал достаточно мнений (а спор, поверьте мне, еще далек от завершения, несмотря на оптимистичные и несколько неискренние заверения сторонников конкретной интерпретации в обратном), чтобы хотя бы взглянуть на нее со стороны. Надеюсь, большая часть вопросов, освещаемых в этой книге, не вызовет противоречий, а при описании того, «что происходит сейчас», я постараюсь занять нейтральную и объективную позицию. Я не поддерживаю какую-то конкретную интерпретацию квантовой механики, но понимаю их. Вы, само собой, вольны не соглашаться со мной, но я не сомневаюсь, что смогу склонить вас на свою сторону, если, конечно, вы не один из тех, кто вечно кричит «заткнись и считай», хотя в этом случае вам не стоит читать эту книгу, ведь у вас есть дела и поважнее!

Пока что я скажу лишь, что моя любимая версия интерпретации называется «заткнись, пока считаешь». Она позволяет мне не переживать о квантовой механике, пока я применяю ее на практике.

Но эта книга рассказывает не только о значении квантовой механики. Она также описывает ее успехи как в объяснении огромного количества феноменов, так и во множестве способов ее применения в нашей повседневной жизни в прошлом, настоящем и будущем. Таким образом, я вместе с вами отправлюсь в путешествие от философии, физики субатомных частиц и теорий больших размерностей к сегодняшнему технологичному миру лазеров и микрочипов и завтрашнему удивительному миру квантовой магии.

Однако, хоть я и надеюсь, что это звучит захватывающе, новичку в этой области вполне естественно спросить, к чему такая шумиха. Странную природу квантовой механики можно продемонстрировать разными способами – и на примерах из жизни, которые всем нам знакомы и которые мы воспринимаем как должное, и с помощью «мысленных экспериментов», то есть идеализированных опытов, которые нет необходимости проводить в лаборатории, чтобы получить результат. И нет ничего, что бы так прямолинейно и так прекрасно описывало таинственную сущность квантовой механики, как эксперимент с двумя прорезями. С него мы и начнем.