Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик

«Скажем так: красота – это просто средство, помогающее найти успешные теории, – говорит Вайнберг. – Когда ваше восприятие красоты меняется, теории тем не менее могут остаться верными». Он приводит пример: «Полагаю, Максвелл мог чувствовать, что по-настоящему удовлетворительной теорией электромагнетизма была бы та, что включала бы в себя напряжения в среде, подверженной вибрациям, и это объяснило бы колебания электрического и магнитного полей, наблюдаемые в луче света. Благодаря работам Максвелла и других ученых, включая Хевисайда, мы стали думать об электрическом и магнитном полях как просто о пронизывающих пустое пространство, а колебания – это попросту колебания самих полей, а не среды. Однако уравнения, разработанные Максвеллом, до сих пор хороши. Теория Максвелла живет, несмотря на то что его концепция, почему теория должна быть верна, изменилась».

Вайнберг продолжает: «Очень часто меняются не сами физические теории, а наше восприятие того, что они значат, почему должны быть верны. Поэтому я и не думаю, что ниспровергается все, хотя могут ниспровергаться прежние эстетические критерии. А что выживает – так это теории, порожденные прежними эстетическими критериями. Если эти теории успешны, каковыми они могут и не быть».

Он встает и выходит из кабинета.

Квантовая механика – это магия

Странна не только квантовая механика сама по себе, но и вся эта область исследований. В физике элементарных частиц у нас есть теория, эксперимент и – посередке – феноменология. Феноменологи – это те, кто (как Горди Кейн) вытягивают из теорий предсказания, обычно упрощая математику и выясняя, что может быть измерено, с какой точностью и как (а нередко еще и кем).

В других областях физики исследователи не разделяются по этим трем категориям так четко, как в физике элементарных частиц. Но во всех областях есть феноменологи. Даже в квантовой гравитации, где нет экспериментов, феноменологи есть. Иное дело – квантовая механика. Тут на одной стороне эксперимент, куча экспериментов. А на другой – много суеты из-за интерпретации. Серединка же практически пуста.

Поизучав все эти интерпретации и попытавшись оценить степень безобразности каждой из них, я решаю поговорить с кем-то из «несуетливого» лагеря, для кого все эти квантовые дела – каждодневная рутина. Мой выбор пал на Чеда Орзела.

Чед – профессор физики в Юнион-колледже в Скенектади (штат Нью-Йорк). Он больше известен как тот, кто обучал свою собаку квантовой физике и написал об этом книгу ¹⁰⁹. Еще Чед ведет научно-популярный блог «Неопределенные принципы» (Uncertain Principles), в котором раскрывает тайны квантовой механики. Я вызываю его на сеанс видеосвязи, чтобы спросить, что он думает обо всех интерпретациях квантовой механики.

«Чед, – начинаю я, – напомните, чем вы занимаетесь».

«Я специализируюсь на физике лазерного охлаждения и холодного атома», – отвечает Чед. После того как Чед получил ученую степень, он работал над конденсатом Бозе – Эйнштейна, облаком атомов, охлажденных до столь низких температур, что становятся сильны квантовые эффекты.

«Для своей диссертации я наблюдал за столкновениями ультрахолодных атомов ксенона, – говорит Чед. – Их относительные скорости лежат в диапазоне сантиметров или миллиметров в секунду, и при таких скоростях атомы двигаются настолько медленно, что вы начинаете видеть при столкновениях квантовые эффекты».

«У ксенона много изотопов[76], – объясняет Чед. – Некоторые являются составными бозонами, а некоторые – составными фермионами. И если вы их поляризуете, а они фермионы, то столкновения станут невозможны, поскольку получатся два симметричных состояния, что запрещено».

Эта блокировка – пример страшного индивидуализма фермионов, обсуждавшегося в первой главе. Вы просто не в силах заставить два фермиона делать одно и то же в одном и том же месте.

Чед продолжает: «Мы формируем облако из атомов ксенона, и если они сталкиваются, то обмениваются большим количеством энергии – и образуется ион. Мы просто считаем ионы в двух случаях – когда атомы поляризованы и когда не поляризованы, и это говорит нам, сколько атомов участвовало в столкновениях. Сигнал очень четкий. А по частоте столкновений мы видим разницу: бозоны охотно сталкиваются, а фермионы нет. Это чистый квантовый эффект».

«А что атомы делают, если не сталкиваются?» – спрашиваю я.

«Просто проходят друг мимо друга, – отвечает Чед и пожимает плечами. – На защите диссертации кто-то задал мне такой вопрос: “Что произойдет, если вы выстроите эти атомы в ряд, – как они смогут не сталкиваться?” Ну я и сказал в шутку: “Квантовая механика – это магия”. Более серьезный ответ: не стоит думать об атомах как о маленьких бильярдных шариках, которые можно идеально выстроить в линеечку, о них нужно думать как о больших размытых объектах, способных проходить друг сквозь друга. Я повернулся тогда к моему научному руководителю, только что получившему Нобелевскую премию[77], и спросил: “Вы согласны? Это так?” И он ответил: “Да, квантовая механика – это магия”».