Алексей Семихатов – Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе (страница 1)

Алексей Семихатов

Сто лет недосказанности: Квантовая механика для всех в 25 эссе

Научный редактор: Алексей Цвелик, канд. физ. – мат. наук

Редактор: Петр Фаворов

Иллюстрации: Нюся Красовицкая

Издатель: Павел Подкосов

Руководитель проекта: Александра Шувалова

Художественное оформление и макет: Юрий Буга

Корректоры: Ольга Смирнова, Наталья Федоровская

Верстка: Андрей Фоминов

Иллюстрация на обложке: Нюся Красовицкая

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

© Семихатов А., 2024

© Красовицкая А., иллюстрации, 2024

© ООО «Альпина нон-фикшн», 2024

Большинство из них даже не видят, в какую рискованную игру с реальностью они играют – с реальностью как чем-то, что не зависит от установленного.

Несмотря на беспрецедентный эмпирический успех квантовой теории, само предположение, что она может быть буквально верным описанием природы, до сих пор встречается с глубоким недоверием, непониманием и даже гневом.

Почему квантовая физика меня интересует: именно потому, что она ломает ограничения наших обычных представлений о реальности. [И] она постоянно подвержена этой псевдоспиритуалистской опасности.

Что в книге

Квантовая механика – самое удивительное, что когда-либо было изобретено людьми: она дает лучшее возможное описание невидимых и даже непредставимых объектов, но оставляет не вполне понятным, каким образом это ей удается.

Квантовая природа лежит в основе всего существующего, а знания о ней – в основе многих современных технологий. Каждый раз, когда нам удается использовать в наших целях квантовые эффекты, они оказываются самым близким приближением к чудесам, какое вообще возможно без нарушения законов природы.

Согласно квантовым законам и только лишь благодаря квантовым законам существуют атомы, из которых состоим и мы сами, и почти все на планете Земля; благодаря квантовым законам горит Солнце; квантовые процессы определяют взаимодействие света и вещества; весь наш мир собран из квантовых объектов. Но фундаментальная квантовая природа в глубине мира остается в основном незаметной из-за мельтешения огромного числа мельчайших участников. По отдельности они ведут себя квантово и взаимодействуют друг с другом тоже по квантовым правилам, но все вместе образуют привычный нам наблюдаемый, и почти ничем не квантовый, мир. Будучи его обитателем, я не проваливаюсь сквозь пол, вижу свет, греюсь в лучах Солнца и вообще являюсь продуктом и воплощением сложной химии, не особенно задумываясь, что не-квантовые правила (законы классической физики) не в состоянии ничего из этого обеспечить! Парадоксальным образом привычные свойства окружающего мира основаны на чуждых ему квантовых явлениях.

Чуждых – потому что лежащие в основании мира квантовые объекты не являются «горошинами, только очень маленькими», и на пути от нас к ним происходит качественный переход, фундаментальным образом меняющий правила игры и вообще понятия:

На очень малом масштабе вещи ведут себя иначе – не похоже ни на что из вашего непосредственного опыта. Они не ведут себя как волны, они не ведут себя как частицы; они не ведут себя ни как облака, ни как бильярдные шары, ни как грузики на пружинах – ни как что бы то ни было из того, что вам приходилось видеть.

Свою главную задачу в этой книге я вижу в том, чтобы сконцентрироваться на квантовых принципах и на логике квантовой механики, по возможности не жертвуя при этом доступностью. Принципы определяют и характер изложения.

О дисциплине, в течение почти ста лет максимально успешно описывающей мир, можно наконец перестать рассказывать извинительно-индуктивно, «выводя» ее основные положения из нескольких характерных опытных фактов, организованных в условно-историческую последовательность. Вполне возможно вместо этого начать с заявления основных ее принципов – руководствуясь идеей, что, сколь бы необычными они ни казались, ста лет их повсеместного использования достаточно для их валидации и в дополнительных «оправданиях» никакой нужды нет. В индуктивном изложении квантовой механики, кстати, скачок при переходе от ранних экспериментов к развитому формализму все равно никуда не исчезает; историческая же канва, приводимая «для поддержки», часто оказывается искаженной ретроспективным взглядом именно с высоты осознанных позднее принципов, что и историю лишает историчности, и принципы разбавляет конкретикой частных случаев.

Поэтому в этой книге нет ничего от учебника, от «краткого курса» физики. Равным образом не следует искать тут исторического изложения развития квантовой теории, хотя кое-какие отсылки к прошлому, разумеется, присутствуют, в том числе в привязке к некоторым фамилиям. (И еще я стараюсь избегать изобилия терминов, главным образом из опасения, что, один раз выпустив их на свободу, я не выдержу искушения и буду прятать за ними неполноту понимания и объяснений.) Зато в центре находятся главные положения квантовой механики и логические следствия из них, а также основные недосказанности квантовой механики. Эти последние определяются тем, что формальной (и на удивление хорошо работающей) схеме недостает привязки к физическим реалиям. Такое положение дел вызывает к жизни интерпретации – в широком смысле слова, попытки дополнить формальную схему квантовой механики более «смысловым», физическим содержанием. Развиваемые при этом рассуждения, как выясняется, доходят до вопросов о структуре реальности – приобретая тем самым даже философское измерение.

«Обычные» физические теории описывают какие-то конкретные аспекты физического мира, тогда как философские концепции оперируют более общими понятиями и в целом ведут независимое существование. Квантовая же механика уникальна сочетанием по крайней мере трех факторов: она, во-первых, дает количественное описание, во-вторых, имеет универсальную применимость и, в-третьих, затрагивает философские вопросы об устройстве реальности. Я хочу кратко прокомментировать каждое из этих положений.

Количественное описание. Квантовая теория с колоссальным отрывом лидирует среди всех областей человеческого знания по достигнутой точности совпадения теоретического результата и экспериментальных данных. Свойства электрона включают величину, которую можно (ценой значительных усилий) с высокой точностью вычислить теоретически, а кроме того (да, при большом старании), с высокой же точностью измерить в опыте. Эти две ничем не схожие стратегии действий дают фантастически близкие результаты (совпадают 12 значащих цифр):

вычислено = 1,00115965218161(24),

измерено = 1,00115965218059(13)

(в скобках указан размер неточности в двух последних знаках). Результат вычисления опирается на «всё», что есть в квантовой теории{1}, и, вне всякого сомнения, свидетельствует, что имеющаяся теория не может быть радикально неправильной, если выражаться самым сдержанным образом.

Универсальная применимость. Основные правила квантового мира представляют собой фундаментальные законы природы. С каким охватом и насколько фундаментальные? До какой степени мы в них уверены?

Ни одна физическая концепция не является «сакральным» знанием, и мы в целом готовы к тому, что при каких-то условиях концепции могут отказывать. Основополагающие принципы физики нельзя доказать в математическом смысле – они выражают собой обобщение наблюдений и не предполагают «доказательства»; опровергнуть же их, наоборот, можно даже единственным ясно выраженным контрпримером. В общем, мы пользуемся физическими теориями до тех пор, пока они соответствуют наблюдениям, а когда это перестает происходить, задумываемся о новых.

На фоне всех известных нам научных концепций квантовая механика дополнительно выделяется необычностью своего устройства. И тем не менее ни из одного угла Вселенной не поступает указаний, что базовые квантовые принципы требуют пересмотра. Вот характерное высказывание по этому поводу (заодно затрагивающее и следующую важную тему, правда, с использованием устрашающей терминологии):

Вполне возможно, что в один прекрасный день мы обнаружим расхождения квантовой теории с экспериментами. Однако данные на сегодняшний день подтверждают тот взгляд, что наша Вселенная является квантовой до самой сердцевины, и поэтому нам необходимо согласовать принцип суперпозиции, унитарность и их последствия – иллюстрируемые, например, нарушением неравенства Белла – с нашим восприятием и пониманием.