Квант. Путеводитель для запутавшихся - Джим Аль-Халили
В то время революционное предложение Луи де Бройля показалось его коллегам-физикам слишком радикальным. Возникли даже сомнения, присуждать ли ему докторскую степень, но в последний момент в научный спор вмешался сам Эйнштейн, который ознакомился с работой де Бройля и убедил экзаменаторов в справедливости его выводов.
Вскоре после того как изыскания де Бройля получили известность, все начало происходить очень быстро. Физики по всей Европе принялись сводить воедино фрагменты нового математического аппарата и спорить о получаемых результатах. На место становились не только кусочки математической мозаики – ученые одновременно и независимо друг от друга совершали открытия, связь между которыми удалось установить лишь значительно позже.
В связи с этим я закончу эту историческую главу и перейду к описанию того, что квантовая механика сообщает нам о поведении природы, вместо того чтобы рассказывать, как физики пришли к тому или иному выводу. Квантовую механику можно объяснить несколькими способами, и следовать тому, как отцы-основатели этой области развивали свои идеи, вряд ли удобнее всего. Например, многие научно-популярные книги о квантовой механике построены на объяснении феноменов вроде «корпускулярно-волнового дуализма», которые называются фундаментальными идеями, лежащими в основе всей теории. Это часто путает читателей и сбивает их с толку. Избежать этого нелегко, но я все же попытаюсь.
Глава 3. Вероятность и случай
Вы верите в судьбу?
Для большинства из нас смысл этого вопроса вполне очевиден: подразумевается, что некоторым событиям суждено произойти, а двум людям предначертано встретиться. Но есть ли в этой идее хоть толика правды?
Может, вам по душе читать гороскопы – довольно неправдоподобная идея, что положение планет может влиять на то, как сложится для вас грядущая неделя, кажется вполне безобидной. Само собой, большинство из нас не воспринимает гороскопы всерьез, однако мысль, что будущее можно предсказать, весьма интересна. На самом деле до квантовой революции ученые почти не сомневались, что в принципе это возможно, предполагая, что, пусть мы и не можем их предсказать, все события будущего тем не менее предопределены и предначертаны.
Исаак Ньютон полагал, что каждая частица во Вселенной должна подчиняться простым законам движения в результате действия четко определенных сил. Это механистическое представление о мире – которое ученые повсеместно разделяют и сегодня, почти три века спустя, – утверждает, что, какими бы сложными ни были природные явления, все в итоге всегда можно свести к взаимодействию фундаментальных кирпичиков материи. Естественный процесс, такой как шторм на море или перемена погоды, может казаться случайным и непредсказуемым, но это просто следствие его сложности и огромного количества задействованных в нем атомов.
Но в принципе, если бы мы знали точное положение и характер движения каждой частицы в заданной системе, сколько бы их ни было задействовано, с помощью законов Ньютона мы могли бы предсказать, как эти частицы будут двигаться и взаимодействовать друг с другом, а следовательно, и как эта система будет выглядеть в любой конкретный момент будущего. Иными словами, точное знание настоящего должно позволять нам предсказывать будущее. Это привело к ньютонианской идее «механической» вселенной – такой вселенной, где вообще нет никаких сюрпризов, поскольку все, что может случиться, является результатом фундаментальных взаимодействий ее частей. Это учение получило название «детерминизм» (от лат. determinare – ограничивать, определять), поскольку будущее может быть полностью предопределено, если мы полностью знаем настоящее.
Само собой, на практике такой детерминизм возможен лишь в простейших системах. Мы прекрасно понимаем, что метеорологи не могут с полной уверенностью предсказать погоду на завтра. Мы даже не можем заранее узнать, выпадет орел или решка или куда закатится шарик рулетки. В современной физике есть отдельная область под названием теория хаоса, которая утверждает, что для определения будущей эволюции системы ее изначальное состояние необходимо знать с бесконечной точностью. Теория хаоса усложняет практическое применение детерминизма.
И правда, простые механические примеры вроде упомянутых выше меркнут в сравнении с тем, как нам необходимо разобраться в бесконечно сложном устройстве человеческого мозга, чтобы понять концепцию свободы воли. Но принцип всегда один: так как люди состоят из атомов, законы Ньютона должны быть применимы и к их мозгу. В связи с этим, когда мы делаем то, что считаем свободным выбором в отношении чего-то, на самом деле это лишь результат механических процессов и атомных взаимодействий в нашем сером веществе, которое подчиняется детерминистским законам, как и все остальное.
Хотя такой взгляд на вещи довольно печален, вам он может показаться вполне нормальным, поскольку мысль о том, чтобы обладать достаточной информацией, чтобы предсказывать будущее, и вовсе не укладывается в голове. Однако здесь возникает гипотеза: если бы у нас был достаточно мощный компьютер, снабженный достаточным объемом памяти, чтобы сохранить в нем сведения о положении и скорости каждой частицы во Вселенной, то он, вероятно, смог бы рассчитать, как Вселенная будет развиваться.
Одним из самых серьезных сдвигов в человеческом мышлении, произведенных квантовой революцией, стала идея индетерминизма – то есть исчезновения детерминизма вместе с концепцией механической вселенной. Поэтому, как ни жаль мне вам это сообщать, но еще три четверти века назад было доказано, что в качестве научной идеи «судьба» оказалась ложной.
Результат игры в пул
Представьте, как мы с помощью мощного компьютера пытаемся предсказать, что случится в игре в пул, делая предсказание в ту секунду, когда биток ударяется о пирамиду. Каждый шар на столе в этот момент начинает катиться в своем направлении, причем большая часть шаров претерпевает более одного столкновения и отталкивается от бортов. Само собой, компьютер должен знать точную силу первого удара битка и точный угол, под которым он сталкивается с первым шаром пирамиды. Но достаточно ли этого? Когда все шары наконец остановятся – а некоторые из них, возможно, даже закатятся в лузы, – насколько близким к реальности окажется предсказание компьютера? В то время как предсказать результат столкновения двух шаров вполне вероятно, учесть все сложные траектории движения множества шаров практически невозможно. Если хотя бы один шар покатится под немного иным углом, то другой шар, который он мог миновать в изначальной картине, теперь
