Нереальная реальность. Путешествие по квантовой петле

Однако Эйнштейн не верит в то, что говорят ему собственные уравнения. Он даже допускает нелепую физическую ошибку (не понимает, что предложенное им решение является неустойчивым), лишь бы избежать принятия того, что предсказывает его теория: Вселенная либо сжимается, либо расширяется. Он модифицирует свои уравнения, пытаясь избежать вывода о расширении Вселенной. Именно с этой целью он добавляет в приведенное выше уравнение член Λg_ab. Но это новая ошибка: сам добавленный член корректен, но он не меняет того факта, что уравнение предсказывает расширение Вселенной. При всей смелости гению Эйнштейна не хватает храбрости поверить в собственные уравнения.

Спустя несколько лет Эйнштейн вынужден сдаться: верна его теория, а не его сомнения относительно нее. Астрономы обнаруживают, что все галактики действительно удаляются от нас – Вселенная расширяется, в точности как предсказывают уравнения. Около 14 миллиардов лет назад[67] Вселенная была сконцентрирована в одной безумно горячей точке. Из нее Вселенная расширилась в колоссальном космическом взрыве. И здесь слово «космический» употреблено не риторически, а в буквальном смысле – это взрыв самого космоса, Большой взрыв.

Сегодня мы знаем, что расширение Вселенной – реальность. Убедительное подтверждение сценария, предсказанного уравнениями Эйнштейна, было получено в 1964 году, когда двое американских радиоастрономов, Арно Пензиас и Роберт Уилсон, случайно открыли излучение, заполняющее Вселенную; это излучение оказалось остатком того самого невероятного жара, который царил в молодой Вселенной. И снова теория оказалась верна в своих самых удивительных предсказаниях.

С тех пор как мы обнаружили, что Земля круглая и вертится, как безумный волчок, мы поняли, что реальность не такая, какой она окажется: всякий раз, когда мы схватываем новый ее аспект, мы испытываем глубокое эмоциональное переживание. Еще одна пелена спадает с наших глаз. Но шаг, сделанный Эйнштейном, беспрецедентен: пространство-время – это поле; мир состоит из полей и частиц; пространство и время – это не что-то иное, отличное от всей остальной природы, а просто одно из полей среди других (рис. 3.17).

Рис. 3.17. Эйнштейновский мир: частицы и поля, которые движутся по другим полям

В 1953 году ученик начальной школы пишет Альберту Эйнштейну: «Наш класс изучает Вселенную. Меня очень интересует пространство. Я хотел бы поблагодарить Вас за все, что Вы сделали, чтобы мы могли его понять»[68].

Я полностью разделяю эти чувства.

4 Кванты

Трудно вообразить что-то более различающееся, чем два столпа физики XX столетия – общая теория относительности и квантовая механика. Теория относительности – это маленький драгоценный камень, ухваченный мыслью одного человека и основанный на соединении предшествующих теорий. Это простая и согласованная картина гравитации, пространства и времени. Квантовая механика, или квантовая теория, напротив, возникает из экспериментов в ходе долгого, четвертьвекового созревания, в которое многие внесли свой вклад; она демонстрирует беспрецедентный успех в эксперименте и ведет к практическим реализациям, которые меняют нашу повседневную жизнь (таким, например, как компьютер, за которым я это пишу); но даже спустя столетие после своего рождения она все еще окутана завесой неясности и непостижимости.

В этой главе описывается странная физика этой теории, рассказывается о том, как она появилась на свет и о трех аспектах реальности, которые она раскрыла: зернистости, неопределенности и реляционности.

Снова Альберт

Я говорил, что квантовая механика родилась в 1900 году, фактически возвестив начало столетия мозгового штурма. В 1900 году немецкий физик Макс Планк попытался рассчитать количество электромагнитных волн, находящихся в равновесии с горячей оболочкой. Чтобы получить формулу, соответствующую экспериментальным результатам, он в конце концов использовал прием, который, казалось бы, не имел смысла: он предположил, что энергия электрического поля распространяется квантами, то есть маленькими пакетами, небольшими порциями энергии. Размер пакетов, согласно его предположению, зависит от частоты (то есть от цвета) электромагнитных волн. Для частоты ν каждый квант, или каждый пакет, обладает энергией

E = hν.

Это первая формула квантовой механики; буква h – это новая константа, которую сегодня мы называем постоянной Планка. Она определяет, сколько энергии содержится в каждом энергетическом пакете для излучения с частотой (цветом) ν. Постоянная h определяет масштаб всех квантовых явлений.