Жизнь проста. Как бритва Оккама освободила науку и стала ключом к познанию тайн Вселенной

Рис. 34. Орбита Венеры в гелиоцентрической (слева) и геоцентрической (справа) системах за 32 года. В центре гелиоцентрической орбиты находится Солнце, орбита представляет собой идеальную окружность, как видно на рисунке слева. В центре геоцентрической орбиты находится Земля

Очень многое в физике, и в науке в целом, связано с поиском правильного ракурса или перспективы, которая позволила бы проще взглянуть на мир. Специальной теории относительности удалось это сделать, представив время и пространство как единое целое, и тем самым рассеять первое облако лорда Кельвина. Следующее изменение ракурса позволило избавиться от второго облака, и мир стал проще, но вместе с тем и загадочней.

17 Квант простоты

Человек – это квант…

Уильям Оккам (ок. 1320)[423]

В 1874 году двадцатилетний абитуриент Макс Планк (1858–1947) приезжает в Мюнхенский университет, чтобы обсудить перспективы карьеры в области теоретической физики. Профессор Филипп фон Жолли (1809–1884) пытается отговорить его от этого намерения, утверждая, что в физике уже все открыто и ему лучше выбрать другое направление. Однако это не останавливает Планка, и он поступает в университет, а в 1877 году переезжает в Берлин и работает над докторской диссертацией в Университете Фридриха Вильгельма[424], где он начинает интересоваться термодинамикой. В 1900 году Планк получает должность профессора теоретической физики в области термодинамики в Берлинском университете и решает заняться проблемой, которую Кельвин назвал одним из облаков на небосклоне науки, а именно спектром светового излучения атомов внутри абсолютно черного тела, который не могла объяснить теория термодинамики. Планк предложил формулу, которая точно описывала наблюдаемый спектр излучения, однако последствия этого открытия оказались ошеломляющими. В основе термодинамики лежит принцип теплового движения – хаотичного движения атомов с разной скоростью. Когда атомы замедляются, предполагается, что они должны излучать свет в непрерывном диапазоне частот. Однако уравнение Планка подразумевает, что энергия излучения абсолютно черного тела высвобождается не сплошным потоком, а дискретно, отдельными порциями. Планк назвал эти порции энергии квантами (от лат. quantum – «сколько»), обозначающими часть от общего количества.

Конечно же, я повторюсь, сказав, что о квантовой механике написано много книг и что невозможно отдать должное этой фундаментальной физической теории XX века, посвятив ей всего несколько страниц моей книги. По этой причине я остановлюсь лишь на нескольких аспектах квантовой механики, которые наглядно показывают роль упрощения, и, по моему мнению, уместнее всего будет начать разговор об этой странной науке с позиции союзника теории бритвы Оккама – номинализма. Вы, наверное, помните, что основополагающий принцип номинализма Оккама заключается в том, что абстрактные понятия, такие как, например, отцовство, существуют в нашем сознании в форме слов или мыслей, то есть как нечто придуманное, а не реально существующее. Поскольку у них нет эквивалентов в мире конкретных предметов, Оккам предлагал избавляться от них в философии и науке.

Однако что считать конкретным и абстрактным в науке? Мы уже убедились в том, что некоторые понятия, например движение, относительны: один и тот же предмет можно рассматривать как движущийся в одной системе координат и как неподвижный в другой. Исходя из этого, Оккам утверждал, что движение, или импетус, не обладает свойством вещности. Следуя этой логике, даже гравитация – это не более чем фикция в общей теории относительности. Так что же тогда реально?

Представьте, что вы стоите у бортика катка и собираетесь точно определить местоположение вашей подруги Алисы, которая сейчас находится где-то на катке. Чтобы усложнить задачу, представьте, что свет на катке выключен и вы не видите вашу подругу. К счастью, вы захватили с собой светящиеся мячи-прыгуны и наугад бросаете их в темноту. Большинство из них летит в пустоту, падая где-то на просторах катка, но некоторые мячики возвращаются обратно, по всей видимости отскочив от вашей подруги, и вам удается их поймать. Зная положение, откуда вы бросали мячики, направление броска и в какой точке вы их поймали, вы можете точно определить в темноте местоположение Алисы, применив принцип триангуляции.

Однако, следуя теории Ньютона, каждое действие должно вызывать равное противодействие. Когда мячик касается Алисы, он сообщает ее телу какое-то количество (квант) импульса, и ее тело слегка отклоняется назад. Таким образом, ее положение до и после эксперимента не будет одинаковым. В макроскопическом мире найти решение этой загадки легко – надо просто включить свет, и вы увидите, где находится Алиса.