Наука и богословие. Введение

Первый намек на квантовую теорию появился в 1900 году, когда Макс Планк понял, что досадный парадокс в поведении электромагнитной энергии (технически форма спектра излучения абсолютно черного тела) может быть успешно разрешен опытным путем, если предположить, что излучение испускается или поглощается импульсами, которые он назвал «квантами». В 1905 году Альберт Эйнштейн показал, что то, каким образом луч света выбивает электроны из металла (фотоэлектрический эффект), позволяет предположить, что эти кванты остаются стабильными после испускания (они скорее напоминают пули, выпущенные из ружья, чем капли из крана, которые потом сливаются в общую массу жидкости). Величайшая революция в физике со времен Ньютона была уже близка. Она завершилась в 1925 году блистательными и не зависимо друг от друга предложенными формулировками квантовой теории Вернера Гейзенберга и Эрвина Шредингера. Позднее важность их научного открытия была разъяснена Максом Борном и Полем Дираком под руководством Нильса Бора, бывшего тогда отцом–основателем этого направления физики.

Когда пыль улеглась, стали очевидными две вещи: на одном уровне существует абсолютно ясное формальное различие между классической физикой Ньютона и квантовой физикой Хайзенберга и Шредингера, на более же глубоком уровне интерпретация новой теории слишком туманна, какой и остается по сей день.

Принцип наложения/совмещения (суперпозиции)

На формальном уровне различие коренится в основном принципе квантовой теории, который Дирак назвал «принципом суперпозиции», или «принципом наложения». Он предполагает возможность совмещения состояний вещества, которые в классической физике никак не могут быть совмещены. Это положение можно проиллюстрировать важнейшим для квантовой теории экспериментом, получившим название «опыт двух отверстий». Как показано на рисунке, электроны (или любые другие квантовые частицы) испускаются источником S и сталкиваются с экраном, имеющим два отверстия: А и В. За первым экраном имеется второй, детекторный, экран D, на котором регистрируется столкновение с ним электронов. Для ясности предположим, что D — фотографическая пластинка, на которой каждый электрон оставляет след. Частота, с которой электроны испускаются источником S, подобрана таким образом, что электроны ударяются об экран D строго по одному, причем с достаточным интервалом. Если все действительно происходит так, то можно наблюдать, что метки, оставляемые электронами, накапливаются постепенно, одна за другой. Это означает, что электроны в данном случае ведут себя, как отдельные частицы. Однако когда меток становится достаточно много, они образуют некую «кривую распределения», которая характеризуется различной интенсивностью в разных своих частях. Она схематично изображена на рисунке. Эта «кривая распределения», интерференционная картина, как она называется в науке, имеет все характеристики волны. Это видно из того факта, что на некоторых участках D волна от А и волна от В будут «идти в ногу» (пик совпадает с пиком), давая увеличение пика, а на некоторых участках они будут «идти не в ногу» (пик совпадет со впадиной), давая понижение пика. Таким образом, данный эксперимент иллюстрирует знаменитый квантовый парадокс: один и тот же объект может обладать одновременно свойствами частицы и свойствами волны. А поскольку мы знаем, что частица есть нечто, сходное с пулей, а волна — нечто гибкое, колеблющееся и распространяющееся в пространстве, такое поведение совершенно необъяснимо в терминах классической механики.

Тот, кто задаст вопрос: «А через какое именно отверстие влетел электрон?», попадет «в яблочко». Действительно, если некий электрон влетел через отверстие А, то отверстие В для нас в данном случае не важно, и оно могло бы быть и закрытым. Но тогда электрон должен был бы попасть в D где–то в районе А¹, тогда как на самом деле он ударяется об экран D где–то в районе О. Таким образом, получается, что он не мог влететь через А. Но по той же логике он не мог влететь и через В. Единственное логичное решение этой дилеммы — предположить, что один и тот же неделимый электрон умудрился влететь одновременно через А и В! Другими словами, состояние его движения равно сумме «влет через А + влет через В». В терминах классической механики — это полная бессмыслица, но в терминах квантовой механики — это как раз то, что позволяет «принцип наложения». Вот тут мы и встретились на опыте с необъяснимой, с точки зрения повседневности, загадкой квантового мира.

Как ни странно, это физики более или менее понимают. Сложности начинаются, когда мы пытаемся проникнуть дальше в суть дела и ввести в эксперимент специальную аппаратуру, контролирующую, через какое же все–таки отверстие влетает тот или иной электрон. И тогда происходят следующие странные вещи. Во–первых, больше не удается зарегистрировать интерференционную картину на экране D. Во–вторых, электроны влетают либо через отверстие А, либо через отверстие В, причем, это происходит случайно и с абсолютно одинаковой степенью вероятности — 50/50.