Краткие ответы на большие вопросы

Прошло некоторое время, пока обратили внимание на значение этого квантового поведения для детерминизма. Только в 1927 году другой немецкий физик, Вернер Гейзенберг, указал, что невозможно одновременно точно определить положение и скорость частицы. Чтобы увидеть, где частица находится, на неё надо направить луч света. Но, согласно теории Планка, нельзя использовать произвольно малое количество света. Необходимо использовать как минимум один квант. Он окажет влияние на частицу и изменит её скорость непредсказуемым образом. Для точного определения положения частицы нужен свет с короткой длиной волны — например, ультрафиолет, рентгеновские или гамма-лучи. Но опять, согласно Планку, кванты этих форм света обладают большей энергией, чем кванты света видимого спектра. Поэтому они сильнее будут влиять на скорость частицы. Возникает патовая ситуация: чем точнее ты пытаешься определить положение частицы, тем с меньшей точностью можешь узнать её скорость и наоборот. Это и отражено в сформулированном Гейзенбергом принципе неопределённости: неопределённость положения частицы, умноженная на неопределённость её скорости, всегда больше, чем величина постоянной Планка, поделённая на удвоенную массу частицы.

Научный детерминизм Лапласа подразумевает точное определение положения и скорости частиц во Вселенной в любой конкретный момент времени. Принцип неопределённости Гейзенберга сильно подрывает эту теорию. Как можно предсказывать будущее, если невозможно одновременно точно измерить положение и скорость частиц даже в настоящее время? Каким бы мощным ни был ваш компьютер, если вы заложите в него некачественные данные, вы получите некачественные предсказания.

Эйнштейну крайне не нравилась эта неопределённость в природе. Своё отношение к этому он выразил в знаменитой фразе: «Бог не играет в кости». Похоже, ему казалось, что неопределённость эта условная и что существует фундаментальная реальность, в которой частицы обладают чётко определённым положением и скоростью согласно детерминистским законам в духе Лапласа. Эта реальность может быть известна Богу, но квантовая природа света не даёт нам возможности увидеть её, кроме как сквозь мутное стекло.

Позиция Эйнштейна соответствует тому, что позже получило название «теории скрытых параметров».

Теории скрытых параметров кажутся наиболее очевидным способом примирить принцип неопределённости с физикой как наукой. Они образуют основу мысленной картины Вселенной, которой придерживаются многие учёные и почти все философы науки. Но они ошибочны. Британский физик Джон Белл доказал, что можно провести эксперимент, подтверждающий ложность теорий скрытых параметров. Если эксперимент проводить достаточно тщательно, результаты окажутся несовместимы со скрытыми параметрами. Таким образом, получается, что даже Бог подчиняется принципу неопределённости и не может знать одновременно положение и скорость частицы. Всё свидетельствует о том, что Бог — закоренелый игрок, бросающий кости при каждом удобном случае.

Другие учёные оказались более, чем Эйнштейн, готовы модифицировать взгляды XIX века на детерминизм. Вернер Гейзенберг, австриец Эрвин Шрёдингер и британский физик Поль Дирак выдвинули теорию квантовой механики. Дирак был одним из моих предшественников на должности Лукасовского профессора в Кембридже. Квантовая механика существует уже более семидесяти лет, но до сих пор не получила широкого понимания и поддержки — даже у тех, кто пользуется ею для своих расчётов. Однако она имеет отношение ко всем нам, поскольку принципиально отличается от классической картины физической Вселенной и самой реальности. В квантовой механике частицы не обладают чётко определёнными положением и скоростью. Они представлены в виде так называемой волновой функции. Это — число в каждой точке пространства. Значение волновой функции указывает на вероятность нахождения частицы в конкретном месте. Интенсивность, с которой значение волновой функции варьируется от точки к точке, даёт скорость частицы. Есть ситуация, при которой волновая функция имеет чётко выраженные пики в небольшой области. Это будет означать, что неопределённость положения мала. Но волновая функция очень быстро варьируется близ пика — идя вверх с одной стороны и вниз — с другой. В таком случае будет очень велика неопределённость скорости. Аналогичным образом, могут быть волновые функции, при которых неопределённость скорости мала, а неопределённость положения — велика.

Волновая функция содержит всё, что можно знать о частицах в плане их положения и скорости. Если известна волновая функция в конкретный момент времени, тогда её значения в другие моменты времени определяются с помощью уравнения Шрёдингера. Оно обладает известной степенью детерминизма, но это не тот детерминизм, который представлял себе Лаплас. Мы не можем предсказать положение и скорость частиц; мы можем предсказать только волновую функцию. Это означает, что мы в состоянии предсказать лишь половину того, что могли бы в соответствии с классическими представлениями XIX века.