Читать онлайн Это всё квантовая физика! Непочтительное руководство по фундаментальной природе всего бесплатно
Введение
Квантовая механика – это поразительная наука о микромире. Она описывает поведение крошечных частиц, вроде атомов и молекул, которые способны вытворять трюки, отрицающие всякую логику: то они находятся в нескольких местах одновременно, то вращаются сразу в двух противоположных направлениях. Квантовая механика – словно водоворот, в котором перемешано все на свете, от сознания и параллельных вселенных до вечной жизни и свободы воли. При этом только она дает нам научную основу, которая позволяет понять, что представляет собой человек на фундаментальном уровне.
Странная это наука, и занимаются ей странные люди. И иногда эти странные люди собираются потусоваться.
Как-то раз, еще в 2014 году, я попал на тусовку, которую устроил один чудаковатый и крайне авторитетный квантовый физик. Назовем его Боб, поскольку так его и звали.
В физике есть свои рок-звезды, и Боб был одной из них. К тому времени, как я начал работать в его лаборатории, он написал учебник-бестселлер, сделал несколько важных открытий в теории лазеров и провел знаменитые эксперименты по изучению квантовых свойств света. Он даже стал лауреатом профессиональной премии, названной в честь одного прусского аристократа, а эта премия, по крайней мере в физике, – надежный показатель, что ты и правда чего-то стоишь.
Не стану скрывать, что Боб научил меня кое-чему по физике, когда я был в аспирантуре. Но на той тусовке мы поменялись ролями.
Вокруг меня столпились Боб, еще кое-кто из рок-звезд и с полдесятка патлатых аспирантов, и все они пристально смотрели на лежавший передо мной листок бумаги, совершенно завороженные тем, что я на нем только что намалевал. А были это человечки в стиле «ручки-ножки-огуречик» – таких кособоких еще свет не видывал.
– Вот и все, – сказал я. – Вот почему некоторые считают, что квантовая механика делает возможным существование параллельных вселенных.
Без ложной скромности скажу, что зрители были потрясены.
– В этом… гораздо больше смысла, чем я ожидал, – сказал один из них. – Надо же, мне еще никто такого не говорил! Эта теория вовсе не такая уж безумная.
Даже Боб и тот был огорошен.
В последующие месяцы я наблюдал, как многие мои коллеги из лаборатории начинали воспринимать идею параллельных вселенных серьезнее, хотя раньше отмахивались от нее, считая чистой научной фантастикой. Некоторые даже решили, что теперь это будет их любимый подход к толкованию квантовой механики. О этот пыл неофита!
Так как же получилось, что мы живем в мире, где даже у самых блестящих физиков после двадцатиминутного разговора с мелюзгой вроде меня плавятся мозги? Как эти великие ученые дожили до того, что их хрупкое мировоззрение готово пошатнуться из-за парочки человечков, накарябанных на бумажке подвыпившим вчерашним подростком?
Думаю, ответ на этот вопрос имеет некоторое отношение к тому, почему папа римский вряд ли хорошо знаком с сайентологией. Когда думаешь, будто уже знаешь истину, обычно не ищешь других вариантов, да еще и преисполняешься уверенности, что искать их и не нужно. Вот почему у римских пап есть мученики, у сайентологов – Том Круз, а у разных трактовок квантовой теории – свои ревностные приверженцы.
Впрочем, это не должно удивлять. У квантовой механики и правда много общего с религией. Она рассказывает нам о вселенной, о ее появлении, о том, куда она движется, о том, кто мы и что мы, и – хотите верьте, хотите нет – даже о том, что с нами будет после смерти.
А еще, подобно любой религии, квантовая механика не избавлена от противоречий. Да, это дико успешная теория, однако я своими глазами видел, как физики буквально брызжут слюной, споря о том, что именно квантовая физика говорит нам об устройстве вселенной. Одни утверждают, что она рисует картину бесконечного множества параллельных вселенных, другие – что она оставляет в законах физики место сознанию, а третьи – что она описывает вселенную с предопределенным будущим, в которой судьба каждого из нас была раз и навсегда предначертана с момента Большого взрыва.
Но, как ни крути, квантовая механика остается естественным продолжением того пути человечества к самопознанию, который начался десятки тысяч лет назад. И если думать о ней таким образом, как же мне не стыдно превращать ее в дешевый фокус на потеху подвыпившей компании?
Раз уж мы заговорили о тусовках для умников, расскажу, пожалуй, о другом сборище, где я побывал за несколько месяцев до того вечера у Боба.
Дело было в битком набитом лекционном зале на двести мест в физическом корпусе Торонтского университета. Но мы пришли туда не на научную лекцию. Мы пришли послушать одного физика-христианина, который бархатистым, как коньяк, баритоном рассказывал, почему наука вроде бы свидетельствует о существовании Бога. Назовем этого физика Кирк, опять же потому, что его так и зовут.
Должен заметить, что Кирк в параллельные вселенные не закапывался. Единственным разумным подходом к квантовой механике он считал тот, что опирается на человеческое сознание, а это очень удачно соответствовало религиозным представлениям докладчика. «Как удобно, – кипятился я про себя, – считать самой убедительной именно ту интерпретацию квантовой механики, которая льет воду на мельницу твоих давних убеждений!»
Домой после выступления Кирка я пришел взвинченный, меня тянуло поспорить, поэтому я начал рыться в учебниках и шерстить википедию в поисках контраргументов, которыми можно было бы сразить Кирка на каком-нибудь его следующем выступлении. Я падал все глубже и глубже то в одну кроличью нору, то в другую – и ни за что не мог ухватиться. Каждый раз, когда мне казалось, будто я что-то нащупал – неправильно употребленный термин, необоснованное утверждение, – стоило мне копнуть чуточку глубже, как находилось не такое уж ужасное обоснование. Так продолжалось час, потом другой, потом третий.
Вскоре моя девушка начала возмущаться. Пришлось признать поражение.
Эта история научила меня двум вещам. Во-первых, когда решаешь жить с кем-то вместе, надо учитывать, что время на бессмысленное копание в интернете у тебя будет резко ограничено, иначе придется спать на диване. Во-вторых, я понял, что у меня больше общего с папой римским, чем мне хотелось думать. Я льстил себе мыслью, что я трезвомыслящий физик, необычайно хорошо разбирающийся в разных подходах к квантовой механике. И вот пожалуйста: я совершенно выбит из колеи силой аргументации, которую списывал со счетов как нелепую только потому, что от нее возникало такое ощущение.
Поймите меня правильно, я не собираюсь втюхивать вам гипотезу квантового сознания. Но я не могу и отрицать, что идея сознания как фундаментального элемента физики совсем не настолько безумна, насколько думает большинство, в том числе большинство физиков.
Вот такая она, квантовая механика. Она заставляет нас всерьез рассматривать варианты, которые поначалу кажутся научной фантастикой. Она привела едва ли не к самому крупному крушению общепринятого мировоззрения в истории. И она обнажает наши предубеждения, наше самомнение и всю хаотичность процесса, при помощи которого мы убеждаем себя, что прекрасно понимаем, как устроена реальность.
Так что же говорит квантовая механика о мироустройстве? И почему то время, в котором мы с вами живем, самое восхитительное и самое неопределенное за всю человеческую историю с точки зрения понимания реальности?
Чтобы ответить на эти вопросы, нам придется поговорить об истории человеческого самопознания.
В начале был арахис
Когда вы в последний раз злились на арахис?
Если вы обычный человек, ответ, скорее всего, будет звучать так: «Никогда. Я люблю арахис. И признаться, недоумеваю, зачем было начинать книгу о квантовой механике с разговора о каком-то арахисе».
Я вас прекрасно понимаю, но вот в чем дело: арахис – это машина для убийств. Хотя исследователи называют разные цифры, но так или иначе каждый год от аллергии на него погибают десятки, а то и сотни человек, в основном детей. Мало того, на арахисе легко поскользнуться, он оставляет трудновыводимые жирные пятна, а его кусочки могут застрять между зубами и испортить весь вечер.
При всем при том вы вряд ли когда-нибудь всерьез сердились на арахис. Как и я. Дело в том, что я сомневаюсь, способен ли арахис отвечать за свои поступки. Это совершенно невинный представитель семейства бобовых.
Сегодня почти все относятся к арахису точно так же, как мы с вами. Но так было не всегда.
Чтобы понять почему, представьте себе, что вас раздели догола и сбросили с самолета куда-то в самую чащобу богом забытых джунглей, стерев предварительно из вашей головы все знания о науке и технике. Никаких телефонов. Никаких ноутбуков. Никаких воспоминаний о цивилизации двадцать первого века.
Вы оглядываетесь вокруг и обнаруживаете, что не одни. Ваша новая среда обитания кишит жизнью: тут и плодородная почва, и пышная листва, и другие животные. Какие-то из этих животных, в основном птицы и грызуны, достаточно малы и сойдут за потенциальную пищу, но есть и другие, гораздо более крупные и зубастые, и они смотрят на вас так же, как вы – на птиц и грызунов. Ой.
Теперь у вас появилось кое-что общее с вашими первыми предками: вы угодили в самую середину местной пищевой цепочки. Вы больше не доминируете над всеми другими видами, вы не занимаете место бесспорного чемпиона в извечной игре в естественный отбор – вы полностью включены в структуру природы. Любое взаимодействие с окружающей средой может склонить чашу весов в ту или иную сторону, и шансов, что ты кем-то закусишь или кто-то закусит тобой, примерно поровну.
Наши предки насмотрелись на этот цирк первобытного существования с его бескомпромиссным «кто кого первым съест» и извлекли один очевидный урок: вероятно, люди не так уж сильно отличаются от грызунов, лишайников и саблезубых тигров (или арахиса). А может быть, задумался кто-то из них, мы с жуками, растениями и грязью находимся на одном уровне не только с точки зрения природы, но и с точки зрения духовности?
По крайней мере, именно так некоторые историки объясняют популярность анимизма – веры в то, что душа есть не только у людей, но и у всего помимо нас, то есть у животных, мест, растений и так далее. Эти представления распространились среди древних людей десятки тысяч лет назад.
А потом в какой-то момент люди начали массово строить хижины, деревни, а затем и города. Мы засевали поля тесными рядами пшеницы, заталкивали кур в курятники, заставляли волов таскать за нас тяжести. Мысль, что пшеница и волы, которыми мы так бесцеремонно распоряжаемся, могут обладать какой-то духовной сущностью, такой же, как у людей, начала нас… смущать.
Поэтому, согласно одной теории, на сцену вышел когнитивный диссонанс, и у некоторых наших предков в голове сложилась примерно такая логическая цепочка: «Только отъявленный негодяй способен обижать живое существо, наделенное духовной сущностью. Я не отъявленный негодяй, следовательно, у пшеницы и волов не может быть души».
Так и вышло, что представление об индивидуальной душе у каждого животного, камня и места кануло в Лету, сменившись, как утверждают некоторые историки, идеей богов-покровителей этих самых животных, камней и мест. Вместо мысли о том, что у каждого растения есть душа, появилось представление, что существует бог пшеницы или даже бог земледелия.
Боги – великое изобретение, ведь они служат посредниками между нами и всеми теми, кого мы едим или заставляем носить тяжести, так что мы могли сохранить и чистую совесть, и доступ к сверхъестественному. Вуаля! Мы изобрели политеизм.
Если эта теория об эволюции человеческих верований верна, стоит подчеркнуть, что большинство культур отказалось от анимизма не потому, что он оказался неправильным, а потому, что он стал неудобным. До поры до времени просто запомним эту мысль, поскольку мы вскоре убедимся, что анимизм – это дверь, которую, как ни странно, оставляет для нас открытой новая картина мира, основанная на квантовой механике.
Монотеизм от Авраама до Заратустры
Монотеизм – это вера в то, что существует только один бог. Когда большинство из нас думает о монотеизме, первыми на ум приходят авраамические религии – иудаизм, христианство и ислам. Хотя это самые успешные эксперименты человечества с монотеизмом (если считать по количеству верующих), они однозначно не единственные и, вероятно, даже не первые.
В какой-то момент между 1500 и 1000 годами до нашей эры один тридцатилетний перс сидел себе на бережку после бурной (на древний манер) ночки. Там ему предстало видение, которое вдохновило его создать новую монотеистическую религию, сохранившуюся по сей день. Звали перса Заратустра, а на греческий манер Зороастр, поэтому и основанную им религию назвали зороастризмом. Зороастризм, примерно как современное христианство и ислам, постулирует, что существует душа, свобода воли и некий высший, божественный план бытия. В сущности, зороастрийские представления о душах и свободе воли, вероятно, сыграли важную роль в формировании последующих авраамических религий.
Впрочем, все первые монотеистические верования, будь то разновидности иудаизма, зороастризма или чего-то совершенно иного, по большей части опирались на относительно одинаковые принципы: люди – особые существа, наделенные свободой воли, душой и допуском высшего уровня в некую загробную жизнь. Сотни лет в университетах шли дебаты, в ходе которых все это обсуждали люди с очень суровыми лицами, очень длинными бородами и в очень смешных париках. В целом они мало чего добились, не считая того, что перемешали старые идеи в кашу и добавили щепотку спекуляций для вкуса.
Тем больше поражает, что открытия в области квантовой механики, зародившейся всего сто лет назад, полностью перевернули наши представления о человеке и его месте во вселенной, всколыхнув многовековое философское болото. Сегодня квантовая механика – важнейший ингредиент в любом споре о природе человека, жизни и вселенной. И так уж вышло, что она стала самой мощной разрушительной силой для нашего самовосприятия за последние тысячу с лишним лет!
Но я забегаю вперед. Прежде чем мы перейдем к квантовой механике и тому, что она означает для вас, вашей свободной воли и вашей бессмертной души, нужно поговорить о последней революции в человеческом мировоззрении – об эпохе Просвещения.
От одного к ни единому
Пока что мы проследили за ходом рассуждений человечества при переходе от систем убеждений, в которых священно все сущее, к системам, где священно многое сущее, а затем к системам, в которых священна лишь одна-единственная сущность[1].
По крайней мере на Западе каждая следующая революция в миропонимании оставляла нам все меньше богов и все меньше духов. И этот тренд продолжался до следующей остановки на нашем пути.
Что подводит нас к 5 июля 1687 года, когда Королевское общество опубликовало труд под названием Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica. Непроизносимое название, слабая проработка персонажей – вряд ли сегодня на «Амазоне» такая книга получила бы больше четырех звезд. Но недостатки стиля и легкости чтения восполняло содержание: в книге было показано, что любой объект в нашей вселенной движется в соответствии с простыми законами, а его движение можно предсказать математически. Кстати, вы, должно быть, слышали о ее авторе – его звали Исаак Ньютон.
Вам, наверное, интересно, почему ньютоновская математическая картина вселенной произвела такую сенсацию. А дело вот в чем: до Ньютона, если бы восьмилетний ребенок спросил родителя, к примеру, почему яблоко упало на землю, совершенно приемлемым ответом было бы развести руками и сказать «На то была воля Божья!», после чего отправить ребенка обратно пахать поле, вычесывать вшей или чем там занимались маленькие дети в XVII веке.
А Ньютон дал совсем другой ответ. Вместо того чтобы апеллировать к божественному вмешательству, дабы объяснить, почему яблоки падают, он предположил, что ответ вполне можно получить при помощи непротиворечивого набора математических законов. Математическая теория Ньютона стала буфером между нами и Господом Богом, научным барьером, который отодвинул земное от небесного на немыслимое прежде понятийное расстояние. А это проложило путь к новому направлению агностической науки, которая в итоге стала определяющей чертой эпохи Просвещения.
Сразу скажу, что Ньютон был человеком очень верующим. С его точки зрения, Бог не напрямую отвечал за падение яблок с деревьев, однако это Он создал математические законы, вынуждающие яблоки падать с деревьев.
В последующие десятилетия и века ученые все лучше и лучше расшифровывали математические законы вселенной. И чем дальше, тем меньше им приходилось опираться в своих теориях непосредственно на Бога. А поскольку люди строят свои системы убеждений на удобстве, привычке и своекорыстии, а не на здравом смысле (см. гипотезу о переходе от анимизма к политеизму), очень многим пришла в голову вот какая мысль: «Возможно, концепция Бога нам вообще ни к чему».
А знаете, кто навел их на эту мысль? Наполеон, вот кто.
В промежутке между вторжениями в половину стран Европы и проведением революционных реформ образования Наполеон умудрился найти время поговорить с легендарным французским физиком Пьером-Симоном Лапласом, который недавно разработал новую теорию устройства Солнечной системы. Наполеон начал беседу с того, что спросил у Лапласа, почему в его теории нигде не упоминается Господь. «Я не нуждаюсь в этой гипотезе», – ответил Лаплас с самодовольством человека, сумевшего собрать стул из магазина «ИКЕА», хотя в комплекте не хватало винтика.
То, что Лапласу удалось составить полное физическое описание всей Солнечной системы, ни разу не сославшись на Бога и не упомянув о вмешательстве свыше, было большим достижением. Научная революция оттеснила Бога на обочину, и не потому, что научные открытия сделали веру в Бога неправдоподобной, а потому, что с ними она стала менее необходимой.
Затишье перед бурей
К концу XIX века физики нарисовали четкую и ясную картину вселенной. Мы научились строить паровые двигатели, рассчитывать вращение Меркурия по эллиптической орбите с погрешностью в 0,01 градуса и объяснять поведение жидкостей и газов с феноменальной точностью. Поговаривали, что в целом мы вывели все нужные для понимания вселенной законы и теперь остается лишь создавать с их помощью всякие интересные и полезные штуки.
Или, как выразился лорд Кельвин в 1900 году: «В физике больше нечего открывать. Остается лишь повышать точность измерений».
В физических законах того времени блистают своим отсутствием любые упоминания о богах, душе, свободе воли и сознании. Напротив, физики XIX века описывали вселенную как огромное, вероятно, даже бесконечное пространство, содержащее совершенно неимоверное количество до нелепости крошечных частиц наподобие бильярдных шаров, которые так и носятся по космосу, в остальном пустому.
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.
Планк осознал, что энергия, которую мы подаем на спираль для разогрева, подобна воде: она не течет непрерывно, а поступает в виде отдельных порций – своего рода «молекул» энергии. Как и молекулы воды, эти дискретные порции энергии так малы, что их столетиями никто не замечал!
Достижение было крайне важным, поскольку тогда все считали, что энергия как раз и представляет собой непрерывную текучую субстанцию, которая пронизывает пространство, словно волна. Планк поставил под сомнение многовековую научную догму – и все ради задачки о предсказании цвета раскаленной спирали, что не давала ему покоя.
И он будет не последним – вскоре на сцену вышла целая плеяда зануд (самым знаменитым был Эйнштейн), решившая доказать: то, что мы считали волной, на самом деле состоит из отдельных частиц.
Хуже того, появилась другая плеяда зануд и показала: то, что мы считали частицами, при определенных условиях ведет себя как волна. Возникла математическая неразбериха, поскольку все кинулись выверять, что есть «частицы», а что «волны».
Ситуация была ужасно запутанной, и ушло добрых два-три десятилетия, прежде чем пыль осела и над пестрым коллажем великих идей и нелепых предположений, который мы могли бы назвать «квантовая механика 1.0», взошло солнце.
Подобно разрекламированной марке сиропа от кашля, квантовая механика 1.0 оставляла у многих противное послевкусие, зато работала довольно хорошо – объясняла ультрафиолетовую катастрофу и позволяла рассчитывать отношение массы к заряду у элементарных частиц с поразительной точностью.
Но все равно что-то не сходилось.
Квантовая механика 1.0 ставила под удар фундаментальное допущение ньютоновского подхода – идею, что можно сказать что-то о системах, за которыми мы не наблюдаем.
В ньютоновском мире, если положить атом в уголок и уйти, можно быть совершенно уверенным, что по возвращении найдешь его в точности на том же месте. А следовательно, можно рассказать связную (хотя довольно скучную) историю о том, чем занимался этот атом, пока тебя не было.
Квантовая механика 1.0 намекала, что истории, которые мы рассказываем себе о ненаблюдаемых атомах, – не более чем утешительная выдумка. В реальности же, как она показывала, физически невозможно, чтобы твой атом сидел смирно, пока тебя не было. Хуже того, невозможно рассказать и единственную историю о том, чем занимался этот атом между моментом, когда ты оставил его в уголке, и моментом, когда вернулся на него посмотреть. С такой точки зрения момент «наблюдения» был редким проблеском согласованности в истории вселенной, поскольку в остальном эта история непоследовательна и запутанна.
Мысль, что атомы могут вести себя по-разному, когда за ними наблюдают и когда не наблюдают, вызывала некоторые вопросы. Откуда арахис или частица вообще знают, что за ними наблюдают? Кто считается «наблюдателем»? Что считается «наблюдением»? Можно ли сказать, будто что-то обладает способностью наблюдать, а что-то нет? Имеет ли наблюдение какое-то отношение к сознанию?
Одни ученые восприняли эти вопросы всерьез, а другие решили, что квантовая механика 1.0 – лютый бред, который срочно необходимо пересмотреть.
Так или иначе, приход квантовой механики перечеркнул тысячелетия растущей философской уверенности в себе. Нам понадобились столетия, чтобы отказаться от анимизма и политеизма, а затем оттеснить на задний план то единственное божество, которое нам осталось. Сначала мы считали себя едиными с природой, затем – едиными с Богом, а потом перешли к представлению о себе как о лишенных души скоплениях атомов, сцепленных законами природы, коим на нас абсолютно плевать.
Квантовая революция вынудила нас взглянуть на мир по-новому. Все от анимизма до бездушного детерминизма снова приобрело актуальность – наряду с совершенно новыми перспективами, о которых мы раньше и не задумывались. Параллельные вселенные, вселенское сознание, дуализм разума и тела – все это вернулось в меню.
Моя книга – об этом самом меню и о том, что оно значит для нас: для меня, для вас и остального человечества. Но еще она об исследователях, шарлатанах и академической индустрии, которая формирует это меню и определяет, что мы с вами думаем о себе и о своем месте во вселенной.
Мне бы хотелось избежать излишнего пафоса, но ставки очень высоки, так что давайте постараемся разложить все по полочкам. Эти идеи – из тех, что формируют самоощущение, а в конечном итоге определяют, какое общество мы решаем выстроить.
Ну и на тусовках сможете произвести впечатление.
Глава 1
Вниз по кроличьей норе
Как физики поняли, что квантовый мир – такое странное место?
В ответе всего одно слово: эксперименты. Физики провели кучу экспериментов и получили настолько дикие и абсолютно непонятные результаты, что осмыслить их можно было только одним способом – допустить, что сама природа играет на квантовом уровне по очень странным правилам. И когда ученые это наконец сделали, они открыли ящик Пандоры, и это перевернуло наши представления о реальности как таковой. А чтобы выяснить, что же было в этом ящике Пандоры, нужно основательно разобраться в экспериментах, которые нас к нему подвели.
Итак, поговорим об экспериментах. Не стану скрывать: экспериментальная физика скучна до одури. Да, она предполагает изучение фундаментальных вопросов о природе вселенной. Но на самом-то деле почти всегда заранее знаешь, какие ответы получишь.
А значит, если результат эксперимента тебя удивил, одно из двух:
1. Тысячи ученых, столетиями трудившиеся не покладая рук, неверно понимали, как устроена природа, а ты – аспирант на минимальном окладе – случайно умудрился подковырнуть вселенную именно таким образом, чтобы доказать их неправоту.
2. Ты запорол эксперимент.
Мозг среднестатистического аспиранта работает на дошираке, дешевом пиве и четырехчасовом сне, поэтому обычно второй вариант предпочтительнее первого. В сущности, примерно единственный расклад, при котором может случиться первый вариант, – это если у тебя накоплено столько соответствующих научных знаний, что ты способен поставить под сомнение коллективные представления всех своих коллег-ученых.
В наши дни это стало бы громким заявлением. Однако в начале XIX века такое было в принципе возможно, и по крайней мере одному человеку сие удалось. Звали его Томас Юнг, и он был не только врачом, лингвистом, музыкантом-теоретиком и египтологом, расшифровывавшим Розеттский камень, но и одним из величайших научных умов своего времени. Знания Юнга были настолько широки и глубоки, что его биография, опубликованная в 2006 году, носит название «Последний человек, который знал все», а в его профиле на LinkedIn можно было бы запутаться напрочь.
В 1801 году Томас Юнг провел эксперимент, который впервые продемонстрировал одну из главных загадок квантовой механики, хотя сам Юнг тогда об этом не подозревал. Его простой эксперимент имел колоссальные последствия для понимания мироустройства и противоречил здравому смыслу. И хотя Юнг провел его более двухсот лет назад, он заложил экспериментальную основу для теорий, которые впоследствии послужили физикам для предсказания существования параллельных вселенных, дуализма разума и тела и много чего еще более спорного и до одури увлекательного.
Вот что сделал Юнг.
Как проделать дырочки в классической физике
Для начала Юнг взял непрозрачный экран и проделал в нем две щелочки:
Затем он направил на экран пучок света. Пучок был достаточно широким, чтобы пройти сквозь обе щели:
После этого Юнг закрыл левую щель, так что свет проходил только через правую.
И наконец, он поставил за непрозрачным экраном-ширмой второй экран, проекционный, чтобы посмотреть, как выглядит свет после прохождения через щель (рис. вверху).
Результат отнюдь не поражал: Юнг увидел на проекционном экране одно яркое пятно именно там, куда и должен был попасть свет после прохождения через правую щель. И тот же результат Юнг получил, когда перекрыл, наоборот, правую щель: опять яркое пятно именно там, где его следовало ожидать, раз он прошел через левую щель (рис. внизу).
Пока что вывод получался незатейливый: свет может проходить только сквозь отверстия в непрозрачном материале. Так себе интригующая завязка.
Зато дальше начались… странности. На последнем этапе Юнг открыл обе щели, так чтобы свет попадал на проекционный экран и через щель 1, и через щель 2. Как вы думаете, что он увидел?
Дайте угадаю. Скорее всего, вы думаете: «Какая чушь. Я получаю яркое пятно справа на проекционном экране, если открыта правая щель, и яркое пятно слева на проекционном экране, если открыта левая щель. Значит, если открыты обе, ясно, что я увижу два ярких пятна, одно справа и одно слева».
Как бы не так! Получается совсем другое – по крайней мере, если щели у вас достаточно малы и расположены достаточно близко друг к другу, а пучок света подается аккуратно. Вместо одного яркого пятна от правой щели и другого яркого пятна от левой Юнг увидел очень странный и сложный узор. Раньше он с таким не сталкивался.
Если вы похожи на обычного физика XVIII века, то, скорее всего, смотрите на последнюю картинку и спрашиваете себя: «Это еще что за чертовщина? Бессмыслица какая-то. Вот я открываю одну щель и получаю пятно на соответствующей стороне проекционного экрана – и это нормально. Но потом я открываю обе щели и вдруг получаю странную череду полос, расположенных через равные промежутки. Что происходит?!»
Изначально этот опыт получил название «эксперимент на двух щелях» и прославился именно потому, что вызвал у всех такую же реакцию, как только что у вас, – он дает странные результаты. Однако, как ни поразительно, Томас Юнг придумал им объяснение.
Когда открыты обе щели, мы ожидаем увидеть просто два пятна света. Но на деле видим гораздо более сложный узор. Юнг заключил, что такое возможно, только если свет из щели 1 смешивается со светом из щели 2 таким интересным образом, что на экране создается неожиданный узор.
Приведу аналогию. Помните классический школьный опыт, когда смешивают соду и уксус, чтобы получилась пена? Если бы вы не знали заранее, что сода с уксусом вступают в реакцию, вы бы ожидали, что смесь соды с уксусом будет выглядеть как скучная горка мокрого порошка. Буквально как сумма частей.
Но выходит иначе: смесь шипит и пузырится – и тоже получается непонятная фигня, совсем как на экране у Томаса Юнга. А раз вы видите отнюдь не горку мокрого порошка, значит, между двумя ингредиентами произошло какое-то взаимодействие. Точно так же непонятная фигня на проекционном экране Юнга подсказала ему, что произошло какое-то взаимодействие между светом из щели 1 и светом из щели 2.
Каким-то образом свет смешивался и порождал результат, который был больше суммы его частей – или по крайней мере отличался от этой суммы.
Физики не любят простые слова вроде «смешиваться», они предпочитают говорить, что свет из щели 1 «интерферирует» со светом из щели 2. Так что строго научный термин, обозначающий непонятную фигню на экране Юнга, – «интерференционная картина».
Поэтому утверждение «Я прорезал две дырки в экране, и напротив него получился вот такой глючный узор из непонятной фигни!» переводится на язык физики как «Профессор, я повторил эксперимент Юнга на двух щелях и смог получить на проекционном экране интерференционную картину. Можно мне диплом? Сил нет выплачивать долги за учебу».
Но Юнг на этом не остановился. Сообразив, что непонятная фигня на проекционном экране вызвана интерференцией между двумя щелями, он сумел еще и предсказать, какие узоры получатся от разных источников света и от разных щелей.
Точные результаты потребуют математики, в которую нам некогда углубляться, но пока скажем, что ведущие умы сочли опыт Юнга чертовски впечатляющим. И лет сто это был самый лучший ответ на вопрос «Откуда взялась эта непонятная фигня на моем проекционном экране?».
Но потом пришел Эйнштейн и все испортил.
Эйнштейн гордо объявил миру, что сделал крайне неприятное открытие: «Эй, ребята, помните, как Макс Планк доказал, что энергия состоит из отдельных порций и на самом деле не непрерывна? Жереми пишет про это в конце „Введения“. Так вот, я только что доказал, что свет тоже состоит из отдельных порций. И назвал их „фотоны“. Вот, собственно, и все, а теперь переписывайте свои учебники на здоровье, болваны».
На первый взгляд неочевидно, почему это подрывает объяснение, которое Юнг дает своему опыту с двумя щелями. Вероятно, вы думаете: «А что такого? Может, фотоны из щели 1 и фотоны из щели 2 смешиваются или отскакивают друг от дружки каким-то особым способом, вот и получается такой узор».
Но будь это так, узор исчезал бы, если бы мы пропускали сквозь щели по одному фотону за раз. Если фотоны не проходят сквозь обе щели одновременно, они не могут ни смешиваться, ни отскакивать друг от дружки, так что мы должны вернуться к простой картинке из двух пятен, которую исходно и ожидали увидеть. Верно ведь?