Исчезающая ложка

Они забывали, что свет может вести себя и как волна, а движение волн определяется другими законами. Во-первых, как можно узнать, где находится волна? Природа волны такова, что она одновременно распространяется во всех направлениях – а это сама неопределенность. Кроме того, в отличие от частиц, одни волны могут поглощать другие и объединяться друг с другом. Если бросить два камня в пруд, то самые большие волны возникнут там, где сойдутся круги от них. Ведь именно эта маленькая область будет получать энергию от волн, идущих с двух сторон одновременно.

В случае с лазером речь идет не о двух, а о триллионах триллионов «камней» (то есть электронов), запускающих волны света, которые постоянно смешиваются друг с другом. Важно понять, что принцип неопределенности неприменим к множествам частиц, а только к отдельно взятым частицам. В луче света, который как раз представляет собой множество частиц, мы не можем сказать, где находится любой отдельно взятый фотон. А при такой огромной неопределенности положения фотона внутри луча мы можем очень, очень точно направить его энергию, превращая свет в лазер. Такую лазейку очень сложно использовать, но, если овладеть ею, она дает человеку огромную силу. Именно поэтому журнал Time отметил заслуги Таунса, назвав его в 1960 году одним из «людей года» (в одном ряду с Полингом и Сегре). В 1964 году Таунс был удостоен Нобелевской премии по физике за свою работу над мазером.

Вскоре ученые осознали, что в эту лазейку вписываются не только фотоны. Поскольку для света характерен корпускулярноволновой дуализм, чем глубже вы проникаете в структуру протонов, электронов и других условно твердых частиц и анализируете их, тем более «рыхлыми» они становятся. Вещество на своем глубочайшем, самом загадочном квантовом уровне является неопределенным и волноподобным. А поскольку на такой глубине принцип неопределенности уже является математическим законом, определяющим, как должны пролегать границы между волнами, образующие их частицы также подчиняются принципу неопределенности.

∆х ∆р ≥ h/4π

Опять же, это уравнение справедливо только в микроскопических масштабах, где значение постоянной Планка (которая, как мы помним, в триллионы триллионов раз меньше единицы) не является пренебрежимо малым. Физики не любят, когда кто-то пытается экстраполировать такие принципы на человеческий макромир и утверждает, что, «согласно принципу неопределенности», мы действительно не можем наблюдать какой-либо предмет, не изменяя его при этом. Эвристически развив эту мысль, некоторые даже решаются утверждать, что объективной реальности не существует и что ученые лишь занимаются самообманом, считая, что «все знают». На самом деле, есть всего один пример того, как принцип неопределенности Гейзенберга, действующий на наноуровне, отражается в нашем макромире. Речь идет о том самом экзотическом состоянии вещества, о котором я обещал рассказать выше. Оно называется конденсатом Бозе – Эйнштейна (БЭК).

История открытия этого состояния вещества восходит к 1920-м, когда Шатьендранат Бозе, упитанный индийский физик в очках, допустил ошибку, разбирая на лекции уравнения квантовой механики. Это был грубый просчет, простительный разве что студенту, но именно он и пробудил в Бозе интерес к проблеме. Не догадываясь поначалу об ошибке, он довел вычисления до конца, с удивлением убедившись, что его «неправильные» ответы поразительно хорошо согласуются с наблюдаемыми свойствами фотонов – даже лучше, чем «верная» теория[154].

Бозе решил поступить именно так, как в течение многих веков до него поступали другие физики: предположил, что его ошибочный результат на самом деле является верным, но почему так происходит – непонятно. И написал об этом научную статью. Из-за кажущейся ошибки, а также из-за того, что многие редакторы считали его «неграмотным индусом», все ведущие европейские научные журналы отвергли эту статью. Бозе, не растерявшись, послал статью самому Альберту Эйнштейну. Эйнштейн внимательно ее изучил и пришел к выводу, что предложенное Бозе решение является очень проницательным. Гипотеза Бозе сводилась к тому, что фотоны могут плотно слипаться друг с другом до тех пор, пока отдельные частицы в этом «комке» не станут неразличимы. Эйнштейн подправил статью, перевел ее на немецкий, а потом расширил работу Бозе до новой статьи, в которой рассмотрел, как такой принцип «слипания» работает уже не с фотонами, а с целыми атомами. Воспользовавшись своим научным авторитетом, Эйнштейн добился, чтобы обе статьи были опубликованы рядом.