Вселенная. Происхождение жизни, смысл нашего существования и огромный космос

Другой важный вывод применим ко всем интерпретациям квантовой механики: наблюдаемая нами картина мира очень отличается от складывающегося у нас описания ненаблюдаемого мира. По мере того как на протяжении веков человек приобретал новые знания, мы были вынуждены радикально реорганизовывать наши планеты убеждений, чтобы соотнести их с новыми представлениями о физической Вселенной, и квантовая механика — определённо одна из таких переделок. В некотором смысле она является окончательной унификацией: оказывается, на глубочайшем уровне реальности не просто нет таких вещей, как «горы» и «океаны», — там нет даже «электронов» и «фотонов». Есть только квантовая волновая функция. Всё остальное — условные описания.

Глава 22 Базовая теория

Насколько нам сейчас известно, Вселенная устроена по законам квантовой механики. Но квантовая механика — это не конкретная теория для описания мира, а контекст, в рамках которого могут быть сформулированы те или иные теории. Точно так же, как классическая механика включает в себя теорию движения планет вокруг Солнца или теорию электричества и магнетизма, или даже эйнштейновскую общую теорию относительности, существует огромное число самостоятельных физических моделей, считающихся «квантовомеханическими». Если мы хотим знать, как именно устроен мир, то должны спросить: «Квантовомеханическая теория чего?».

Возможно, сразу захочется ответить: «Частиц и взаимодействий». Например, говоря об атоме, мы знаем, что его ядро — это совокупность частиц, которые называются протонами и нейтронами, а частицы, вращающиеся вокруг ядра, называются электронами. Протоны и нейтроны удерживаются вместе под действием силы ядерного взаимодействия, а электроны удерживаются вокруг ядра под действием другой силы (силы электромагнитного взаимодействия). Все физические тела притягиваются друг к другу под действием ещё одной силы (гравитационного взаимодействия). Логично предположить, что мир состоит именно из частиц и взаимодействий, и эту фундаментальную материю описывает квантовая теория реальности.

Почти так, но не совсем. Наша наилучшая теория мира — как минимум в той области применения, которая включает повседневный опыт, — делает ещё один шаг в сторону унификации и полагает, что и частицы, и взаимодействия возникают из полей. Поле в некотором отношении противоположно частице; частица занимает определённое место в пространстве, а поле простирается через всё пространство и в каждой точке пространства имеет конкретное значение. Согласно современной физике, все частицы и взаимодействия, благодаря которым образуются атомы, возникают из полей. Такая концепция называется квантовой теорией поля. Именно квантовая теория поля со всей определённостью свидетельствует о том, что нельзя согнуть ложку силой мысли и что нам известны все частички, из которых состоим я и вы.

А из чего состоят поля? Из ничего. Поля — это то, из чего образовано всё остальное. Конечно, может существовать и более глубокий уровень реальности, но он пока не найден.

* * *

Трудно не согласиться с тем, что все силы природы возникают из полей, заполняющих пространство. Наш старый знакомый Пьер-Симон Лаплас впервые показал, что ньютоновская теория тяготения может считаться описанием «поля гравитационных потенциалов», которое отталкивается и притягивается телами, движущимися во Вселенной. Теория электромагнетизма, сформулированная в XIX веке шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом и его современниками, даёт общее описание электрических и магнитных полей.

А что же частицы? Кажется, что частицы и поля диаметрально противоположны друг другу: частица находится в конкретном месте, а поле распределено повсюду. Мы же не будем утверждать, что такая частица, как электрон, возникает из некоего «электронного поля», заполняющего пространство?

Именно это мы и будем утверждать. Причём такую связь обеспечивает квантовая механика.

Фундаментальное свойство квантовой механики заключается в том, что, когда мы наблюдаем тот или иной феномен, он выглядит иначе, нежели в момент, когда мы его не наблюдаем. Когда мы измеряем энергию электрона, вращающегося вокруг ядра, мы получаем конкретный ответ, и этот ответ — один из некоторого множества допустимых вариантов. Однако когда мы не наблюдаем электрон, его состояние является суперпозицией всех этих возможных результатов.