Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика - Карло Ровелли
Не пытайтесь постичь его смысл: по этому поводу до сих пор ожесточенно спорят ученые и философы. Позже я немного поговорю о содержании этого уравнения. Но сейчас просто приведу его, потому что это – сердце квантовой механики и без него нельзя завершить знакомство с этой теорией. Вот оно:
XP − PX = iℏ.
И это все. X означает положение частицы, а P – ее скорость, умноженную на массу (физики называют это «количеством движения»). Буква i – это математический символ, означающий квадратный корень из минус единицы, а ℏ, как мы уже знаем, – это постоянная Планка, деленная на 2π.
В некотором смысле Гейзенберг с компанией дополнили физику одним лишь этим простым уравнением, а все остальное – просто его следствие. Из этого уравнения вышли и квантовые компьютеры, и атомная бомба.
Но при невероятно простой форме уравнения смысл его оказался совершенно непонятным. Квантовая теория предсказывает дискретность, переходы, фотоны и все остальное через добавление к классической физике одного-единственного уравнения из восьми символов. Уравнения, которое гласит, что результат умножения положения на скорость отличается от результата умножения скорости на положение. Полный мрак. Похоже, Мурнау не просто так выбрал остров Гельголанд для съемки сцен «Носферату».
* * *В 1927 году Нильс Бор проводит на озере Комо конференцию, на которой излагает все, что он понял (или не понял) в новой квантовой теории, и объясняет, как эту теорию следует применять33. В 1930 году Дирак написал книгу с блестящим изложением формальной структуры новой теории34. Это и сейчас лучшее пособие для изучения квантовой механики. Через два года величайший математик того времени фон Ньюмен в своей великолепной работе по математической физике навел порядок в формальных аспектах теории35.
Создание теории было отмечено беспрецедентным количеством нобелевских премий – такого числа наград не удостаивалась ни одна другая теория. В 1921 году нобелевская премия была присуждена Эйнштейну за объяснение фотоэффекта посредством квантов света. В 1922 году премию получил Бор за найденные им закономерности строения атомов. Нобелевская премия де Бройлю была присуждена в 1929 году за гипотезу о волнах вещества. Гейзенберг удостоился нобелевской премии в 1932 году «за создание квантовой механики», Шредингер и Дирак в 1933 году – за «новые открытия» в атомной теории, Паули в 1945 году – за технический вклад в теорию, а Борн в 1954 году – за то, что понял роль вероятности (на самом деле он сделал много чего еще). Единственный, кого обошли вниманием, – это Паскуаль Йордан, несмотря на то, что Эйнштейн (совершенно справедливо) заявил, что считает его наряду с Гейзенбергом и Борном истинными творцами теории. Но Йордан показал себя слишком лояльным нацистской Германии, а люди не признают заслуги побежденных36.
Несмотря на все это признание, на оглушительный успех теории и порожденных ею технических достижений, квантовая механика остается жутко непонятной. Нильс Бор писал: «Квантового мира нет», а есть только «его абстрактное квантово-механическое описание. Неправильно думать, что физика служит для описания того, какова Природа. Физика занимается лишь тем, что мы можем сказать о Природе».
В соответствии с первоначальной догадкой Вернера Гейзенберга, теория ничего не говорит о положении любой частицы, пока мы на нее не смотрим. Она говорит нам лишь о том, чему равна вероятность обнаружения этой частицы в определенном месте в случае, если мы станем ее наблюдать.
Но откуда материальной частице знать, наблюдаем ли мы ее или нет? Самая мощная из когда бы то ни было придуманных человеком теорий остается покрытой тайной.
Часть вторая
II
Странный зверинец безумных идей,
в котором демонстрируются квантовые явления и рассказывается о том, как разные ученые и философы пытаются их понять каждый на свой лад
1. Суперпозиции
Я никак не мог выбрать, куда пойти учиться, и решение заняться физикой принял в последний возможный момент. Когда я собрался поступать в Болонский университет (тогда это еще нельзя было делать удаленно), очереди на подачу документов на разные факультеты были разной длины, а самой короткой оказалась на физический факультет, что и решило мой выбор.
Физика привлекала меня ощущением, что за занудством школьной программы, идиотскими задачами про пружины, рычаги и катящиеся шарики скрывается подлинный интерес к пониманию природы реальности. Этот интерес оказался созвучен моему юношескому любопытству, желанию испытать, прочесть, познать, увидеть все: все места, всех девочек, все книги, всю музыку, все переживания и все мысли…
Юность – это время постоянной перестройки нейронных сетей мозга. Все воспринимается очень остро и ярко, все влечет, все ставит в тупик. Я вышел из этого возраста полный смятения, мучимый вопросами. Я хотел проникнуть в природу вещей, понять, как наша мысль может познать эту природу. Что есть реальность? Что есть сознание? Что есть думающий я?
Именно это исключительно сильное и жгучее любопытство толкнуло меня сходить и проведать, что за свет дает нам наука – Великое Новое Знание нашей эпохи. Не то чтобы я ожидал получить правильные ответы, не говоря уже об окончательных… но как было пройти мимо того, что человечество узнало за прошедшие два столетия о тонкой структуре вещей?
* * *Изучение классической физики было довольно забавным, но при этом скучноватым. Она оказалась элегантной в своей краткости. Осмысленнее и последовательнее, чем те бессмысленные формулы, которыми меня пичкали в лицее. Изучение открытий Эйнштейна о пространстве и времени привело меня в восторг и изумление, у меня прямо-таки сильнее забилось сердце.
Но настоящий фейерверк в моем сознании разгорелся от изучения квантовой механики. Это было прикосновение к раскаленной материи реальности там, где эта реальность ставит под сомнение наши предвзятые представления о ней…
Мое знакомство с квантовой теорией было непосредственным. Лицом к лицу с книгой Дирака. Я слушал в Болонском университете курс математики профессора Фано под названием «Математические методы для физики». Это были «методы» для нас. В рамках этого курса каждый студент должен был самостоятельно изучить выбранную им тему и сделать по ней доклад перед сокурсниками. Я выбрал небольшой раздел математики, который сейчас входит в обязательную программу для получения диплома по физике, но в мое время студенты не обязаны были его изучать. Это «теория групп». Я спросил профессора Фано, что надо включить в доклад. Он ответил: «Основы теории групп и ее приложение к квантовой механике». В ответ на мое осторожное замечание, что еще не слушал курса квантовой механики… и нечего про нее не знаю, он сказал: «Ну и что? Так изучите ее!»
Он так пошутил.
Но я не понял, что это была шутка.
Я купил книгу Дирака – издание Борингьери в сером переплете. От нее замечательно пахло (я всегда нюхаю книги перед тем, как купить: запах имеет для меня решающее значение).
