Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

ЭПР-парадокс оспаривали многие исследователи, в том числе и Бор. Другие выдающиеся ученые, в том числе Луи де Бройль и Дэвид Бом, подобно Эйнштейну, предпочли бы восстановить детерминизм. Дискуссия длилась долго и носила философский оттенок. В 1964 году Джон Белл смог сделать ее более конкретной и показал, что детерминистическая физика, даже со скрытым детерминизмом, должна включать в себя некоторые доступные измерению неравенства, которые противоречат обычной форме квантовой механики.

Неравенства Белла были проверены Аленом Аспе и его сотрудниками в Париже в 1982 году. Они воспроизвели ситуацию, аналогичную описанной в предыдущем параграфе. Очевидно, ученые использовали не кота и собаку, – поскольку, как мы уже показали, квантовая механика неприменима к макроскопическим объектам, – а фотоны, поляризация которых (то есть направление колебаний электрического поля) может иметь два взаимно ортогональных направления, подобно тому как кошка и собака могут находиться в двух равновероятных состояниях (живом и мертвом). Исследовали намеревались обнаружить корреляцию между поляризациями фотонов. И это лишь одна из многочисленных трудностей эксперимента. Другая сложность была связана с тем, что фотоны двигаются с огромной скоростью, а за время их перемещения следует успеть сделать очень многое. В конечном итоге опыты Аспе привели к выводу, что неравенства Белла не могут быть проверены на достоверность. Таким образом, квантовая механика, изложенная в учебниках, является правильной и не может быть заменена или дополнена теорией скрытых параметров. Опыт Аспе превратил мысленный эксперимент (Gedenkenexperiment, как говорят немцы) Эйнштейна, Подольского и Розена в эксперимент реальный.

Таким образом, ЭПР-парадокс приобрел свою реальную жизнь. Квантовая физика, а с ней и микроскопический мир парадоксальны.

Глава 23

Физика, геометрия и красота

В предыдущей главе мы задавались вопросом об отсутствии в квантово-механическом описании мира детерминизма и о том, как это влияет на наше мировоззрение. Теперь отложим философские вопросы и обратимся к природе. Как не изумляться ее творениям? Эмоции переполняют нас при виде совершенной симметрии кристаллов (см. главу 9) или разнообразия фигур Хладни.

Ученые не остаются равнодушными к красоте природы. Луи де Бройль говорил о «таинственной красоте обличий, принимаемых электрическим разрядом» (речь, посвященная Жану Перрену, 1962). Гейзенберг, который выступил с докладом о «Значении красоты в точных науках» (Die Bedeutung Schönen in der exakten Naturwissenschaft), также писал: «Внутренние связи [атомов в квантовой теории] в математических абстрациях демонстрируют невероятную степень простоты и красоты, – дар, который нам остается только смиренно принять. Даже Платон не мог представить подобную красоту. Она не могла быть придумана, она существует с момента сотворения мира». А вот что полагал Эйнштейн: «Что же до простоты и красоты [природы], я отдаю должное эстетическим аспектам ‹…› Я преклоняюсь перед простотой и красотой математических моделей, созданных природой».

Следуя за великими физиками, заглянем в микромир и восхитимся некоторыми художественными творениями природы. В них задействован очень распространенный элемент – углерод.

Метаморфозы углерода

Итальянский писатель и химик Примо Леви (1919–1987), известный автобиографическими произведениями о своем пребывании в Освенциме, говорил об углероде: «Углерод – особый элемент, единственный, способный соединяться сам с собой и образовывать без большого расхода энергии длинные устойчивые цепи, а для жизни на Земле (той единственной формы жизни, которая нам известна) нужны как раз длинные цепи. Потому-то углерод и является ключевым элементом в создании жизни»[29]. Эти длинные углеродные цепи, к которым присоединяются атомы водорода, а иногда и кислород, азот и фосфор, являются основой молекул, составляющих химию живого мира. Например, белки и сахара (см. главу 17, «Белки, цепочки аминокислот» и главу 18, «Сахара, крахмал и углеводы») или же такая совершенная молекулярная структура, как ДНК (илл. 1).

1. Двойная спираль молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), которая кодирует генетическую информацию. Структура ДНК была выявлена с помощью рентгеновской дифракции (см. главу 9, «Дифракция рентгеновских лучей на кристаллах»). Молекула состоит из четырех типов нуклеотидов, которые комплементарно собраны на каждой нити, что дает ей возможность реплицироваться