Гельголанд. Красивая и странная квантовая физика

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). Уединился дома и целый месяц изучал ее. Купил себе еще несколько книг³⁷, прочел и изучил их тоже.

Это был один из лучших месяцев в моей жизни.

Тогда у меня появились вопросы, которые преследовали меня всю жизнь и которые спустя годы, после множества прочитанных книг, обсуждений и сомнений, привели меня к решению написать эти строки.

В этой главе расскажу подробнее о странностях квантов. Опишу конкретное явление, в котором проявляются их необычные свойства, – явление, которое имел возможность наблюдать собственными глазами. Это тонкий эффект, но в нем проявляется самое главное. Затем перечислю некоторые наиболее обсуждаемые идеи, чтобы разъяснить эту странность.

Идею, которая мне кажется наиболее убедительной, излагаю в следующей главе. Если хотите сейчас же перейти к ней, то можете пропустить остаток этой.

* * *

Что же такого странного в квантовых явлениях? То, что электроны находятся на фиксированных орбитах и совершают переходы между ними, еще не конец света…

Странности квантовой механики – это следствия явления под названием «квантовая суперпозиция». Это когда мы в некотором смысле имеем дело одновременно с двумя противоречащими друг другу свойствами. Например, объект может находиться здесь и одновременно там. В этом состоит идея Гейзенберга, когда он говорит, что «у электрона больше нет конкретной траектории»: электрон не находится ни в одном, ни в каком-то другом месте. В определенном смысле он находится в обоих местах сразу. У него нет одного определенного положения. У него как будто одновременно несколько положений. Физики говорят, что объект может быть в состоянии «суперпозиции» двух положений. Дирак называл эту странность «принципом суперпозиции» и считал ее концептуальной основой квантовой теории.

Что значит, что объект находится в двух положениях?

Учтите, это не то, что мы непосредственно видим «квантовую суперпозицию». Электрон никогда не виден в двух местах. «Квантовая суперпозиция» не видна непосредственно. Она лишь косвенным образом порождает некие наблюдаемые проявления. Мы видим тонкие следствия того, что частица в определенном смысле может находиться одновременно в разных местах. Эти проявления называются «квантовой интерференцией». Мы наблюдаем именно интерференцию, а не «суперпозицию». Посмотрим, что это такое.