Машина знаний. Как неразумные идеи создали современную науку - Майкл Стревенс

Материя, говорит квантовая механика, находится в состоянии, называемом суперпозицией, когда за ней не наблюдают. Электрон в суперпозиции не занимает никакой конкретной точки в пространстве. Скорее, это своего рода некоторая «результирующая» пребывания во многих местах одновременно. Состав этих позиций не идеально сбалансирован: некоторые места представлены гораздо ярче, чем другие. Таким образом, суперпозиция конкретного электрона может быть почти полностью составлена из позиций вблизи ядра конкретного атома и лишь немного – из позиций в каких-то других местах. Это ближе всего к тому, что квантовая механика говорит о вращении электрона вокруг ядра.

Что же касается природы этой «смеси» – это загадка. Мы даем ей имя: суперпозиция. Но мы не можем дать ей никакого философского объяснения. Единственное, что мы можем сделать, – представить любую суперпозицию с помощью математической формулы, называемой «волновой функцией». Волновая функция электрона представляет его физическое состояние с той же точностью, с какой в ньютоновской физике его состояние было бы представлено числами, определяющими его точное положение и скорость. Возможно, вы слышали о «принципе неопределенности» квантовой механики, но сейчас забудьте о неопределенности: волновая функция – это полное описание, которое включает в себя все, что можно сказать о физическом состоянии электрона.

Итак, у нас есть математическое представление состояния любой конкретной частицы материи, но мы еще не сказали, как это состояние меняется во времени. Это задача уравнения Шредингера, которое является квантовым эквивалентом знаменитого второго закона Ньютона, F = ma, поскольку оно описывает, как силы любого рода – гравитационные, электрические и прочие – будут воздействовать на квантовую частицу. Согласно уравнению Шредингера, волновая функция будет вести себя образом, который физики сразу же назовут «волновым». Вот почему, согласно квантовой механике, даже такие частицы, как электроны, ведут себя так, как если бы они были волнами.

На заре квантовой механики Эрвин Шредингер, австрийский физик, сформулировавший это уравнение в 1926 году, и Луи де Бройль, французский физик – оба впоследствии станут лауреатами Нобелевской премии – задавались вопросом, могут ли волны, описываемые квантовой механикой, быть в прямом смысле волнами, пробегающими через море «квантового эфира», которое пронизывает нашу Вселенную. Затем они попытались понять квантовую механику, используя прежнюю модель жидкости. Это оказалось невозможным по поразительной причине: часто приходилось приписывать волновую функцию не отдельной частице, наподобие электрона, а целой системе частиц. Такая волновая функция определяется в пространстве, которое имеет три измерения для каждой частицы из числа составляющих систему: тогда для системы из двух частиц она имеет 6 измерений; для 10 частиц – 30 измерений. Если бы волна была реальной сущностью, состоящей из вибраций эфира, то, следовательно, должна была бы обтекать пространство в 6, 30 или даже больше измерений. Но наша Вселенная довольно скупо предоставляет нам всего три измерения. В квантовой механике, как вскоре поняли Шредингер и де Бройль, представление о веществе как о жидкости полностью несостоятельно.

В квантовой механике есть и еще один компонент. Он называется правилом Борна и говорит о том, что происходит, когда измеряется положение частицы или ее состояние. Предположим, что электрон находится в суперпозиции, смеси «везде и нигде». Вы используете соответствующие инструменты, чтобы взглянуть на него, и видите, что он занимает определенное положение. Правило Борна гласит, что положение зависит от случайности: вероятность того, что частица появится в определенном месте, пропорциональна степени, в которой это место представлено в смеси.

Как будто суперпозиция представляет собой чрезвычайно сложный коктейль, комбинацию различных количеств бесконечно многих ингредиентов, каждый из которых представляет собой нахождение электрона в определенном месте. Но попробуйте этот коктейль, и вместо бесконечно сложного вкуса вы, согласно правилу Борна, почувствуете вкус единственного ингредиента. Вероятность попробовать этот ингредиент пропорциональна количеству ингредиента, содержащегося в смеси, составляющей суперпозицию. Если состояние электрона в основном представляет собой смесь положений вблизи определенного атомного ядра, например, то, когда вы его наблюдаете, оно, скорее всего, появится рядом с ядром.

И еще одно: явно определенное положение наблюдаемой частицы – это не просто мимолетный проблеск чего-то более сложного. Как только вы видите частицу в определенном положении, она начинает вести себя так, как будто действительно находится в этом положении (пока не произойдет что-то, что изменит ее состояние). Если продолжать рассматривать суперпозицию как коктейль, то после того, как вы попробовали свой коктейль, каждый последующий глоток будет иметь тот же вкус, как если бы все содержимое стакана превратилось в простой раствор этого единственного ингредиента. Именно эта странная склонность материи при наблюдении замыкаться в определенном месте объясняет ее «частицеподобное» поведение.

Подводя итог, можно сказать, что квантовомеханическая материя – материя, из которой мы все состоим, – проводит почти все свое время в суперпозиции. Пока ее не наблюдают, суперпозиция и, следовательно, материя ведут себя как старомодная волна, образец текучести (хотя и в бесконечном числе измерений). Если же ее наблюдать, материя случайным образом перескакивает из своей суперпозиции в определенное положение, как старомодная частица, воплощение твердости.

Никто не может объяснить, что за субстанция эта квантово-механическая материя, которая ведет себя столь сверхъестественным образом. Кажется, что она способна быть то ли твердой и жидкой одновременно, то ли не быть ни тем, ни другим, но этим исчерпываются возможности, доступные нашему человеческому разуму. Таким образом, квантовая механика не дает того глубокого понимания устройства мира, к которому стремились философы от Аристотеля до Декарта. Но она тем не менее предоставляет точный математический аппарат для выведения следствий из их причин. Возьмем начальное состояние физической системы, представленное волновой функцией; примените уравнение Шредингера и, если уместно, правило Борна, и теория расскажет вам, как будет вести себя система (с вероятностным поворотом, если применяется правило Борна). Таким образом, квантовая теория объясняет, почему электроны иногда ведут себя как волны, почему фотоны (вещество света) иногда ведут себя как частицы и почему атомы имеют определенную структуру и взаимодействуют друг с другом определенным образом.

Таким образом, квантовая механика, возможно, не предлагает глубокого понимания, но она все же может объяснить наблюдаемые явления посредством поверхностного причинного объяснения, такого рода объяснения, которое декларирует Ньютон, которое заботится о железном правиле и использует его для контроля процедурного консенсуса современной науки. Теория была так легко принята в 1920-х и 1930-х годах, именно потому, что, несмотря на все философские разногласия, связанные с ее интерпретацией, она давала четко определенную систему поверхностных объяснений, не имевшую серьезных альтернатив. Если бы Ньютон, а не Бор обсуждал Эйнштейна на Сольвеевских конгрессах, он, возможно, провозгласил бы:

«Я еще не мог вывести из явлений природу квантовой суперпозиции и не выдумываю гипотез. Достаточно того, что суперпозиция действительно существует, действует по изложенным нами законам