Вступ. Принципова складність розуміння квантової теорії

Складно уявити, як виглядала б наша цивілізація без класичної фізики і математики. Поняття про абсолютну «об'єктивної реальності, яка існує незалежно від нашої свідомості», про тривимірному евклідовому просторі і рівномірно поточний час настільки глибоко вкоренилися у свідомості, що ми не помічаємо їх. А головне, відмовляємося помічати, що застосовні вони лише в деяких рутинних ситуаціях і для пояснення будови Всесвіту виявляються просто невірні.

Хоча щось подібне вже століття тому висловлювалося східними філософами і містиками, в західній науці вперше про це заговорив Ейнштейн. Це була революція, яку наша свідомість не прийняло. З поблажливістю ми повторюємо: «все відносно», «час і простір єдині», - завжди тримаючи в розумі, що це припущення, наукова абстракція, що має мало спільного з нашою звичною стійкою дійсністю. Насправді ж саме наші уявлення слабо співвідносяться з дійсністю - дивовижної і неймовірною.

Мова математики суворий, але мало співвідноситься з нашим безпосереднім сприйняттям

Після того як в загальних рисах було відкрито будова атома і запропонована його «планетарна» модель, вчені зіткнулися з безліччю парадоксів, для пояснення яких з'явився цілий розділ фізики - квантова механіка. Вона швидко розвивалася і далеко просунулася в поясненні Всесвіту. Але пояснення ці настільки складні для сприйняття, що до сих пір мало хто може усвідомити їх хоча б в загальних рисах.

Дійсно, більшість досягнень квантової механіки супроводжуються настільки складним математичним апаратом, що він просто не перекладається ні на один з людських мов. Математика, як і музика, предмет вкрай абстрактний, і над адекватним виразом сенсу, наприклад, згортання функцій або багатовимірних рядів Фур'є вчені б'ються до сих пір. Мова математики суворий, але мало співвідноситься з нашим безпосереднім сприйняттям.

Крім того, Ейнштейн математично довів, що наші поняття часу і простору ілюзорні. Насправді простір і час нероздільні і утворюють єдиний чотиривимірний континуум. Уявити його навряд чи можливо, адже ми звикли мати справу тільки з трьома вимірами.

З нашим тривимірним розумом навряд чи можливо уявити чотиривимірний континуум простору-часу

Планетарна теорія. Хвиля або частка

До кінця XIX століття атоми вважалися неподільними «елементами». Відкриття радіації дозволило Резерфорда проникнути під «оболонку» атома і сформулювати планетарну теорію його будови: основна маса атома зосереджена в ядрі. Позитивний заряд ядра компенсується негативно зарядженими електронами, розміри яких настільки малі, що їх масою можна знехтувати. Електрони обертаються навколо ядра по орбітах, подібно обертанню планет навколо Сонця. Теорія дуже вродлива, але виникає ряд протиріч.

По-перше, чому негативно заряджені електрони не «падають» на позитивне ядро? По-друге, в природі атоми стикаються мільйони разів в секунду, що нітрохи не шкодить їм - чим пояснити дивну міцність всієї системи? Говорячи словами одного з «батьків» квантової механіки Гейзенберга, «ніяка планетна система, яка підпорядковується законам механіки Ньютона, ніколи після зіткнення з іншою подібною системою не повернеться в свій початковий стан». Крім того, розміри ядра, в якому зібрана практично вся маса, в порівнянні з цілим атомом надзвичайно малі. Можна сказати, що атом - порожнеча, в якій з шаленою швидкістю обертаються електрони. При цьому такий «порожній» атом постає як досить тверда частинка. Пояснення цьому явищу виходить за рамки класичного розуміння. Насправді на субатомному рівні швидкість частинки зростає тим більше, чим більше обмежується простір, в якому вона рухається. Так що чим ближче електрон притягається до ядра, тим швидше він рухається і тим більше відштовхується від нього. Швидкість руху настільки велика, що «з боку» атом «виглядає твердим», як виглядають диском лопаті обертового вентилятора.

Дані, погано укладаються в рамки класичного підходу, з'явилися задовго до Ейнштейна. Вперше подібна «дуель» відбулася між Ньютоном і Гюйгенсом, які намагалися пояснити властивості світла. Ньютон стверджував, що це потік частинок, Гюйгенс вважав світло хвилею. В рамках класичної фізики примирити їх позиції неможливо. Адже для неї хвиля - це передається збудження частинок середовища, поняття, яке застосовується лише для безлічі об'єктів. Жодна з вільних частинок не може переміщатися по хвилеподібною траєкторії. Але ось в глибокому вакуумі рухається електрон, і його переміщення описуються законами руху хвиль. Що тут порушується, якщо немає ніякої середовища? Квантова фізика пропонує соломонове рішення: світло є одночасно і часткою, і хвилею.

Імовірнісні електронні хмари. Будова ядра і ядерні частинки

Поступово ставало все ясніше: обертання електронів по орбітах навколо ядра атома зовсім не схоже на обертання планет навколо зірки. Володіючи хвильової природою, електрони описуються в термінах ймовірності. Ми не можемо сказати про електрон, що він знаходиться в такій точці простору, ми можемо тільки описати приблизно, в яких областях він може перебувати і з якою ймовірністю. Навколо ядра електрони формують «хмари» таких ймовірностей від найпростішої кулястої до вельми химерних форм, схожих на фотографії привидів.

Для електрона ми можемо лише приблизно описати, в яких областях він може перебувати, і з якою ймовірністю

Але той, хто хоче остаточно зрозуміти пристрій атома, повинен звернутися до його основі, до будови ядра. Складові його великі елементарні частинки - позитивно заряджені протони і нейтральні нейтрони - також мають квантової природою, а значить, рухаються тим швидше, чим в менший обсяг вони укладені. Оскільки розміри ядра надзвичайно малі навіть в порівнянні з атомом, ці елементарні частинки носяться з цілком пристойними швидкостями, близькими до швидкості світла. Для остаточного пояснення їх будови і поведінки нам знадобиться «схрестити» квантову теорію з теорією відносності. На жаль, така теорія досі не створена і нам доведеться обмежитися декількома загальноприйнятими моделями.

Теорія відносності показала (а проведені експерименти довели), що маса є лише однією з форм енергії. Енергія - величина динамічна, пов'язана з процесами або роботою. Тому елементарну частинку слід сприймати як вірогідну динамічну функцію, як взаємодії, пов'язані з безперервним перетворенням енергії. Це дає несподіваний відповідь на питання, наскільки елементарні елементарні частинки, чи можна розділити їх на «ще більш прості» блоки. Якщо розігнати дві частки в прискорювачі, і потім зіштовхнути, ми отримаємо не дві, а три частки, причому абсолютно однакові. Третя просто виникне з енергії їх зіткнення - таким чином, вони і розділяться, і не розділяться одночасно!

Якщо розігнати дві частки в прискорювачі, і потім зіштовхнути, ми отримаємо не дві, а три частки, причому абсолютно однакові - третя виникне з енергії їх зіткнення

Учасник замість спостерігача

У світі, де поняття порожнього простору, ізольованою матерії втрачають сенс, частка описується тільки через її взаємодії. Для того щоб сказати щось про неї, нам доведеться «вирвати» її з первинних взаємодій і, підготувавши, піддати іншому взаємодії - виміру. Так що ми міряємо в результаті? І наскільки правомірні наші вимірювання взагалі, якщо наше втручання змінює взаємодії, в яких бере участь частка, - а значить, змінює і її саму?

У сучасній фізиці елементарних частинок все більше питань викликає фігура вченого-спостерігача. Правомірніше було б називати його «учасником»

У сучасній фізиці елементарних частинок все більше нарікань викликає ... сама фігура вченого-спостерігача. Правомірніше було б називати його «учасником».

Спостерігач-учасник необхідний не тільки для вимірювання властивостей субатомной частки, але і для того, щоб визначити ці самі властивості, адже і про них можна говорити лише в контексті взаємодії з спостерігачем. Варто йому вибрати спосіб, яким він буде проводити вимірювання, і в залежності від цього реалізуються можливі властивості частинки. Варто змінити спостерігає систему, і властивості об'єкта, що спостерігається також зміняться.

Цей важливий момент розкриває глибинну єдність всіх речей і явищ. Самі частинки, безперервно переходячи одна в іншу і в інші форми енергії, не мають постійних або точних характеристик - ці характеристики залежать від способу, яким ми вирішили їх бачити. Якщо знадобиться виміряти одну властивість частки, інше неодмінно зміниться. Таке обмеження не пов'язано з недосконалістю приладів або іншими цілком виправними речами. Це характеристика дійсності. Спробуйте точно виміряти положення частинки, і ви нічого не зможете сказати про напрямок і швидкість її руху - просто тому, що у неї їх не буде. Опишіть точно рух частинки - ви не знайдете її в просторі. Так сучасна фізика ставить перед нами проблеми вже зовсім метафізичного властивості.

Варто змінити спостерігає систему, і властивості об'єкта, що спостерігається також зміняться

Принцип невизначеності. Місце або імпульс, енергія або час

Ми вже говорили, що розмова про субатомних частинках можна вести в звичних нам точних термінах, в квантовому світі нам залишається лише ймовірність. Це, звичайно, не та ймовірність, про яку говорять, роблячи ставки на скачках, а фундаментальне властивість елементарних частинок. Вони не те щоб існують, але скоріше - можуть існувати. Вони не те щоб володіють характеристиками, а швидше - можуть ними володіти. Науково висловлюючись, частка є динамічною ймовірнісної схемою, і все її властивості знаходяться в постійному рухливому рівновазі, балансують, як Інь і Ян на древньому китайському символі тайцзи. Недарма нобелівський лауреат Нільс Бор, зведений у дворянське звання, для свого герба вибрав саме цей знак і девіз: «Протилежності доповнюють один одного». Математично розподіл ймовірності є нерівномірні хвильові коливання. Чим більше амплітуда хвилі в певному місці, тим вище ймовірність існування частинки в ньому. При цьому довжина її непостійна - відстані між сусідніми гребенями неоднакові, і чим вище амплітуда хвилі, тим сильніше різниця між ними. У той час як амплітуда відповідає положенню частинки в просторі, довжина хвилі пов'язана з імпульсом частинки, тобто з напрямком і швидкістю її руху. Чим більше амплітуда (чим точніше можна локалізувати частку в просторі), тим більш невизначеною стає довжина хвилі (тим менше можна сказати про імпульс частинки). Якщо ми зможемо встановити положення частинки з граничною точністю, у неї взагалі не буде ніякого певного імпульсу. При цьому довжина її непостійна - відстані між сусідніми гребенями неоднакові, і чим вище амплітуда хвилі, тим сильніше різниця між ними. У той час як амплітуда відповідає положенню частинки в просторі, довжина хвилі пов'язана з імпульсом частинки, тобто з напрямком і швидкістю її руху. Чим більше амплітуда (чим точніше можна локалізувати частку в просторі), тим більш невизначеною стає довжина хвилі (тим менше можна сказати про імпульс частинки). Якщо ми зможемо встановити положення частинки з граничною точністю, у неї взагалі не буде ніякого певного імпульсу. При цьому довжина її непостійна - відстані між сусідніми гребенями неоднакові, і чим вище амплітуда хвилі, тим сильніше різниця між ними. У той час як амплітуда відповідає положенню частинки в просторі, довжина хвилі пов'язана з імпульсом частинки, тобто з напрямком і швидкістю її руху. Чим більше амплітуда (чим точніше можна локалізувати частку в просторі), тим більш невизначеною стає довжина хвилі (тим менше можна сказати про імпульс частинки). Якщо ми зможемо встановити положення частинки з граничною точністю, у неї взагалі не буде ніякого певного імпульсу. Чим більше амплітуда (чим точніше можна локалізувати частку в просторі), тим більш невизначеною стає довжина хвилі (тим менше можна сказати про імпульс частинки). Якщо ми зможемо встановити положення частинки з граничною точністю, у неї взагалі не буде ніякого певного імпульсу. Чим більше амплітуда (чим точніше можна локалізувати частку в просторі), тим більш невизначеною стає довжина хвилі (тим менше можна сказати про імпульс частинки). Якщо ми зможемо встановити положення частинки з граничною точністю, у неї взагалі не буде ніякого певного імпульсу.

Чим швидше проходить процес, тим більше невизначено кількість енергії, задіяної в ньому, і навпаки

Це фундаментальне властивість математично виводиться з властивостей хвилі і називається принципом невизначеності. Принцип стосується і інших характеристик елементарних частинок. Ще одна така пара, яка взаємопов'язана - це енергія і час протікання квантових процесів. Чим швидше проходить процес, тим більше невизначено кількість енергії, задіяної в ньому, і навпаки - точно охарактеризувати енергію можна тільки для процесу достатньої тривалості.

Отже, ми зрозуміли: про частку не можна сказати нічого певного. Вона рухається туди, або не туди, а вірніше, ні туди і ні сюди. Її характеристики такі або сякі, а точніше - і не такі, і не сякі. Вона знаходиться тут, але може бути і там, а може і не бути ніде. Так чи існує вона взагалі?