Томас Хертог – О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга (страница 25)

Пожалуй, наиболее ясно сформулировал эту ключевую особенность квантовой теории австрийский физик Эрвин Шрёдингер. В 1925 году Шрёдингер вывел свое замечательное уравнение, которое описывает частицы не как мельчайшие точечные объекты, но как протяженные волнообразные сущности. Но – и это критически важно – волны, которые оно описывает, не являются физическими волнами. Шрёдингер не имел в виду, что физические частицы в каком-то смысле размазаны в пространстве. Волны квантовой теории чуть более абстрактны. Они больше напоминают «волны вероятности», которые описывают различные возможные положения точечных частиц. Формализм Шрёдингера учитывает квантовую неопределенность так: положения, в которых значения его волны велики, и есть как раз те положения, где частица скорее всего и находится; положения, где значения волны малы, есть те положения, где нахождение частицы маловероятно. Так что квантовые волны чем-то похожи на волны преступности: приход волны преступности в ваш район означает, что вероятность совершения преступлений по соседству с вашим жилищем возрастает. Точно так же, если волновая функция электрона в вашем устройстве достигает пика, значит, электрон, скорее всего, будет устройством зарегистрирован[97].

Если задан волнообразный профиль частицы на определенный момент времени – физики называют его волновой функцией, – уравнение Шрёдингера позволяет предсказать, как он будет эволюционировать с течением времени, возрастая в некоторых точках и падая во всех остальных. Таким образом, квантовая теория следует дуалистической схеме предсказания, которую я обрисовал выше: имеющая вид закона динамика в сочетании с заданными граничными условиями. Уравнение Шрёдингера есть закон эволюции и нуждается в начальном условии, имеющем форму волновой функции частицы на данный момент – она определяет, что именно претерпевает эволюцию. Ключевое отличие от классической механики Ньютона и Эйнштейна в том, что квантовая теория предсказывает только вероятности наступления определенных событий в предстоящие моменты времени, а не строго определенные значения. Но дуалистическая, двойственная природа самих рамок, в которых делаются предсказания, остается неизменной.

Так как волновые функции есть волны вероятности, мы можем получать о них только косвенные сведения. Квантовые волны Шрёдингера в некотором роде описывают мир на уровне предсуществования. Пока мы не измерили положения частицы, нет смысла даже спрашивать, где она находится. Она не имеет определенного положения – только потенциальные положения, описываемые волной вероятности, в которой закодирована степень достоверности того, что если бы мы стали ее искать, то нашли бы в той или иной точке. Это выглядит так, как будто мы вынуждаем частицы принимать то или иное положение, глядя на них; как будто осязаемая физическая реальность существует только в той степени, в которой мы взаимодействуем с миром путем наблюдения и экспериментирования. Как однажды сказал об этой ситуации Уилер: «Нет вопроса – нет ответа!»

Туманную, волновую природу квантового мира живо иллюстрирует знаменитый эксперимент с двойной щелью. Схема этого опыта представлена на рис. 20. Электронная пушка обстреливает электронами барьер, в котором имеются две узких параллельных щели; за барьером установлен экран, и когда в него попадает электрон, в этой точке экрана регистрируется слабая вспышка. Допустим, мы настроили пушку так, что она стреляет одиночными электронами, скажем, раз в несколько секунд. Тогда мы увидим, что каждый электрон, который проходит сквозь щель в барьере, попадает в определенную точку на экране и производит вспышку. То есть индивидуальные электроны не рассеиваются, и в этом нет ничего удивительного – такова природа электронов как частиц. Однако, если мы будем продолжать этот эксперимент в течение некоторого времени, накапливая информацию о положениях точек попадания в экран многих электронов, на экране постепенно появится интерференционная картина: система ярких и темных полос, напоминающая ту, которую мы видим при наложении участков двух волн (см. рис. 20). Подобные интерференционные узоры в эксперименте с двойной щелью наблюдались и с участием других частиц: фотонов, атомов и даже молекул.

КВАНТОВЫЕ ВОЛНЫ ЧЕМ-ТО ПОХОЖИ НА ВОЛНЫ ПРЕСТУПНОСТИ: ПРИХОД ВОЛНЫ ПРЕСТУПНОСТИ В ВАШ РАЙОН ОЗНАЧАЕТ, ЧТО ВЕРОЯТНОСТЬ СОВЕРШЕНИЯ ПРЕСТУПЛЕНИЙ ПО СОСЕДСТВУ С ВАШИМ ЖИЛИЩЕМ ВОЗРАСТАЕТ.

Рис. 20. Знаменитый эксперимент с двойной щелью, впервые выполненный с электронами в 1927 году в лаборатории компании «Белл», продемонстрировал, что электрон – частица, имеющая и волновые свойства. Квантовая механика объясняет появление интерференционной картины на экране, описывая каждый индивидуальный электрон как распространяющуюся в пространстве волновую функцию, которая расщепляется на щелях. Затем, распространяясь по другую сторону щелей, ее участки накладываются друг на друга и создают на экране картину распределения высоких и низких вероятностей попадания.

Интерференционные картины свидетельствует о том, что каждая индивидуальная частица обладает некими глубоко волновыми свойствами, которые позволяют ей «знать» о существовании обеих щелей. Именно эти свойства и отражает волновая функция частицы. Описывая электроны не как движущиеся частицы, но как распространяющиеся волны вероятности, уравнение Шрёдингера предсказывает, что, совсем как интерферирующие волны на поверхности пруда, участки волновой функции электрона, выходящие из щелей, будут накладываться и переплетаться, образуя в результате картину высоких и низких значений, которые соответствуют высоким и низким вероятностям попадания каждого индивидуального электрона в ту или иную точку экрана. Там, куда волновые фрагменты, выходящие из обеих щелей, прибывают синхронно друг с другом, они усиливают друг друга; там, куда они прибывают в противофазе, они взаимно гасятся. Когда пушка выстреливает одну частицу за другой, накопленное распределение положений точек их попадания в экран соответствует вероятностному профилю, закодированному в волновой функции каждой индивидуальной частицы, в результате чего и возникает наблюдаемая интерференционная картина. Получается, что каждая индивидуальная частица «знает» о существовании обеих щелей именно на этом глубоком уровне своей волны вероятности.

Вероятностные предсказания квантовой теории согласуются с результатами всех когда-либо выполнявшихся экспериментов с частицами. Но здравому смыслу эти квантовые правила противоречат. Квантовое описание частиц как абстрактных волновых наложений взаимно противоречивых реалий расходится с нашим ежедневным опытом, согласно которому объект находится в каком-то определенном месте – либо в одном, либо в другом. И конечно, это – по крайней мере иногда – беспокоило отцов-основателей теории квантов. По словам Эрвина Шрёдингера, квантовая Вселенная «даже не является мыслимой», ведь «как мы ни думаем о ней, получается нелепость; возможно, не настолько бессмысленная, как “треугольный круг”, но в гораздо большей степени, чем “крылатый лев”»[98].

Спустя два десятилетия контринтуитивная природа квантовой механики не давала покоя и Ричарду Фейнману. Ученик визионера Уилера, Фейнман стал одним из самых влиятельных физиков XX века, он внес огромный вклад во многие области знания, от физики частиц до теории тяготения и до науки о вычислениях. Всемирная слава пришла к Фейнману, когда, будучи членом Президентской комиссии Роджерса, расследовавшей катастрофу «Челленджера», он в ходе телевизионных слушаний в прямом эфире продемонстрировал роковой дефект уплотнительных колец шаттла. Позже в отчете комиссии он специально подчеркнул: «Чтобы техника работала успешно, реальность надо ставить выше благоприятного публичного освещения – ведь природу вокруг пальца не обведешь».

Если Уилер был мечтателем, то Фейнман – человеком действия. Уилер размышлял о глубоком прошлом и отдаленном будущем, об основаниях физической реальности и фундаментальной природе научного поиска. Фейнман стремился заставить физику работать здесь и сейчас. «Все, что меня интересует, – это попытаться найти систему правил, с помощью которых можно делать предсказания, доступные экспериментaльной проверке, и не заходить чересчур далеко за пределы этой системы», – говорил он[99]. В таком духе в конце 1940-х Фейнман приступил к разработке более интуитивного и практического подхода к квантовым частицам и их волновым функциям. Идея Фейнмана состояла в том, чтобы представить частицы в виде локализованных объектов, но таких, которые, двигаясь из одной точки в другую, следуют сквозь пространство-время всеми возможными путями (см. рис. 21). Классическая механика полагает, что объекты выбирают в пространстве-времени единственную траекторию. Следовательно, классическая система имеет уникальную и четко определенную историю. Квантовая же механика, утверждал Фейнман, предполагает более широкий взгляд на историю системы: она исходит из того, что все возможные пути реализуются одновременно, хотя некоторые из них более вероятны, чем другие.

Рис. 21. Классическая механика Ньютона требует, чтобы частицы перемещались между двумя точками A и B в пространстве-времени единственным путем. Квантовая механика говорит, что частица выбирает все возможные траектории. Теория квантов предсказывает только вероятность прибытия частицы в точку B по траектории, представляющей собой взвешенное среднее всех путей между A и B.