Глава 17. Все плавает в пустоте

в которой мы узнаем о древнегреческой концепции атомизма

Из чего состоит бесчисленное множество вещей в мире с их разнообразными формами, текстурами и цветами? Почему страница книги, горсть песка, огонь или порыв холодного ветра кажутся нам разными на ощупь? Почему вещества изменяются под влиянием различных температур и почему эти изменения различаются в зависимости от вещества? До какой степени мы можем изменять материю, подгоняя ее под свои цели и потребности? Существует ли абсолютная пустота?

Всеми этими вопросами люди задаются уже давно. В первой части данной книги мы познакомились с философами-досократиками, которые первыми задумались о материальной природе космоса. Мы знаем, что Фалес и его последователи из ионийской школы, действовавшие во времена зарождения западной философии, еще в 600 году до н. э. предложили общую теорию Природы, в соответствии с которой все природные объекты считались проявлениями первичной субстанции, вечно изменяющегося воплощения реальности. Для ионийцев сутью реальности было время. Парменид и приверженцы его идей, наоборот, полагали, что природа реальности состоит не в переменчивости, а в стабильности. То, что существует, не может измениться, а изменяясь, превращается в несуществующее. Они говорили, что истина не может быть эфемерной, и полагали вневременность основной реальности. Итак, всего в течение 100 лет философия сумела предложить человечеству два взаимоисключающих подхода к открытию природных секретов – путь существования и путь становления.

Через два века после Фалеса эта дихотомия была блестяще разрешена в работах Левкиппа и его ученика Демокрита. Вместо того чтобы рассматривать бытие и становление как два совершенно разных способа видения реальности, они предложили свое видение реальности как палки о двух концах. Согласно Левкиппу и Демокриту, все сущее состоит из крошечных, невидимых глазу частиц материи. Такую частицу они назвали атомом (в переводе с греческого – «неделимый»). Атомы неизменны, поэтому они – воплощение сущего. Они движутся в пустоте, в среде, абсолютно свободной от материи. Для атомистов и атомы и пустота были одинаково важны при описании Природы. Парменид мог бы ответить им, что пустота нереальна, ведь то, чего не существует, не может быть реальностью. Если вы говорите: «Пустота существует», вы заявляете о ее реальности, а если пустота реальна, она не может быть пустотой.

Если бы атомисты могли поучаствовать в споре с Парменидом, они, скорее всего, просто пожали бы плечами и продолжили настаивать на том, что атомы движутся в пустоте. За счет комбинирования и механических перестановок атомы принимают различные формы, что объясняет разнообразие материальных объектов, видимых нами в Природе. Изменения происходят из-за перемещения неизменных атомов, как в конструкторе «Лего». Бытие и становление соединяются в единое целое, и перед нами возникает еще одна универсальная теория Природы. Несмотря на возможность трансформации и разложения, у всего сущего имеется основа, суть, остающаяся неизменной. Вода, текущая в реке, превращается в облако на небе, а затем снова проливается дождем. Желудь, растущий на дубе, сам становится деревом, на нем появляются другие желуди, и цикл повторяется. Миры разрушаются, и из их праха восстают новые. Движение атомов отражает постоянную переменчивость Природы. Укрепившись в своих представлениях, Демокрит пошел еще дальше и предположил, что наше восприятие мира объясняется влиянием атомов на органы чувств: «Цвет, сладость или горечь – лишь условность, в реальности представляющая собой только атомы в пустоте». В своих многочисленных работах Демокрит предлагает мощный инструмент объяснения, основанный исключительно на материалистическом описании реальности. Тем не менее он был достаточно мудр, чтобы предостеречь читателей от иллюзии окончательности знания: «На деле мы не знаем ничего, ибо истина скрыта в глубине».

В 300 году до н. э. Эпикур с удвоенной энергией обратился к идеям атомизма и уточнил некоторые расплывчатые теории своих предшественников. В частности, он указал на то, что атомы должны всегда быть невидимыми и что из их комбинаций можно собрать огромное количество различных форм (аналогов того, что мы сегодня называем молекулами): «Кроме того, неделимые твердые частицы материи, из которых формируются и на которые распадаются все составные тела, существуют в таком множестве форм, что человеческий ум не может постичь их количество».

Кроме того, Эпикур расширил понятие множества вселенных (kosmoi), которое ввели до него Левкипп и Демокрит, предположив, что они разделены в пространстве четкими границами: «Количество миров, как подобных нашему, так и отличных от него, также бесконечно». Можно возразить, что под kosmoi Эпикур подразумевал другие планеты, но он специально уточняет, что речь идет о вселенных или по крайней мере о том, что мы сегодня знаем как галактики, разделенные пространственными границами: «Мир (kosmos) – это ограниченная часть вселенной, содержащая в себе звезды, и землю, и другие видимые вещи, отрезанная от бесконечности, имеющая законченную форму (круглую, треугольную или иную) и покоящаяся или вращающаяся». Итак, понятие островной вселенной или, возможно, даже Мультивселенной появилось гораздо раньше, чем нам казалось.

Хотя представление об атомах древнегреческих ученых отличалось их от их современного понимания, идея о том, что материя составлена из неделимых блоков, с тех пор остается основной в физике микромира. Несмотря на свой текущий триумф, атомизм знал времена взлетов и падений, а в Средние века на Западе о нем и вовсе почти забыли. Ситуация начала изменяться только в эпоху раннего Ренессанса, когда древние атомистические тексты (в первую очередь поэма «О природе вещей» Лукреция) были вытащены с пыльных полок удаленных европейских монастырей и частных коллекций. Как пишет Стивен Гринблатт в своей блестящей книге The Swerve, мы обязаны возрождением атомизма и материализма в целом бесстрашному охотнику за манускриптами XV века Поджо Браччолини, который обнаружил копию поэмы Лукреция в груде полузабытых свитков в одном немецком монастыре.

Разумеется, существовали и другие люди, которые незаметно поддерживали жизнь в атомистических теориях, пусть и не в форме убедительной древнегреческой традиции, а посредством активной практики. Они пытались заставить материю выдать им свои тайны путем постоянного смешивания и дистилляции веществ. Ни один рассказ о попытках человечества познать Природу не будет полным без истории алхимии и ее огромном влиянии на патриархов современной науки, таких как Роберт Бойль или Исаак Ньютон. В широком смысле алхимия представляет собой мост между старым и новым миром, практическое выражение философских и духовных верований в форме научных экспериментов. Алхимики верили, что очищение материи и духа – это совместный процесс и что то, что вверху, подчиняется тем же правилам, каким подчиняется то, что внизу. Эти принципы вдохновляли лучшие умы своего времени (и вместе с ними множество мошенников) на исследование характера и состава материи и ее многочисленных трансформаций. Каждый современный ученый, который стремится расширить свои познания о фундаментальных свойствах материи и о нашей связи с космосом, идет по пути, проложенному алхимиками много веков назад.

 

Глава 18. Восхитительная сила и воздействие природы и искусства

в которой мы погрузимся в мир алхимии – изучения скрытых сил материи с помощью научных методик и духовных практик

Трансформирующая сила Природы очевидна любому наблюдателю. Нагревание, охлаждение и смешение стихий ведет к формированию новых веществ и очистке уже существующих. Об этом было известно еще жителям Древнего Египта, хотя подобные знания наверняка появились гораздо раньше. Можно ли подчинить себе эти природные силы и использовать их для познания сути предметов и веществ? Вообще, алхимия представляет собой попытку воспроизвести возможности Природы и расширить их с помощью экспериментальных практик. Эти практики включали в себя процедуры, которые позже станут основными элементами химического анализа: дистилляцию, сублимацию, смешивание различных веществ и составов. Такой набор лабораторных технологий алхимики скромно именовали искусством.

Многие ассоциируют алхимию с черной магией и эзотерическими учениями, но их направленность в большинстве случаев не совпадает с ее истинными целями – совершенствованием металлов и человеческого духа. Несмотря на то что восточные, иудейские, мусульманские и христианские алхимики дополняли свой поиск смысла специфическими религиозными постулатами и черпали в них силу для стремления к своим целям, их практики объединяет один общий признак – вера в то, что человек, имея в распоряжении лабораторию, может исследовать природные силы и осуществлять трансформацию материи. Косвенным (а иногда и вполне прямым) результатом обладания такими способностями являлось приравнивание человека к божеству. Умелый алхимик был уже не просто человеком, и даже если он был не равен Богу, то, по крайней мере, ему были ведомы пути Творца. Многие алхимики верили, что «эликсир» – вещество, способное очищать металлы, превращая их в золото, – также продлял жизнь, давал человеку невосприимчивость ко всем болезням и останавливал процесс старения.

У алхимиков не было установленного набора практик, так как их знания различались в зависимости от времени жизни и региона. Тем не менее основным источником изменений всегда был огонь с его способностью к трансформации материи. Если внутренний жар Земли смог превратить материю в отдельные вещества, а их разделить на чистые или почти чистые металлы, то и человек, обладающий достаточным терпением и правильной методикой, мог достичь того же с помощью собственного очага. Потенциально алхимик мог бы зайти еще дальше и завершить работу Природы по трансформации всех металлов в идеальное вещество – золото. Блестящий алхимик, монах ордена францисканцев и натурфилософ XIV века Роджер Бэкон писал: «Кроме того, я говорю, что природа всегда имеет своей целью и беспрестанно стремится достичь совершенства, то есть золота. Но вследствие различных случайностей, мешающих ее работе, происходит разнообразие металлов».

Вскоре после того, как люди приручили огонь для приготовления пищи, обогрева жилищ и отпугивания хищников, они начали замечать и другие, менее очевидные его свойства, например, способность превращать некоторые минералы в металл. Огонь превратился в волшебный инструмент для извлечения чистой эссенции материи и раскрытия секретов, таящихся в ее глубинах.

Уже пять тысяч лет назад жители Ближнего Востока сжигали в кострах куски зеленого минерала малахита для получения меди. От момента ее открытия прошло примерно в два раза больше времени – вероятно, это произошло ненамного позже появления первых сельскохозяйственных поселений. Люди, наблюдавшие за «высвобождением» металла из горящего минерала, должны были воспринимать огонь как спасителя, открывающего ворота темницы для духа породы. Так как медь имеет довольно низкую температуру плавления – 1083 градуса по Цельсию, – ремесленники научились делать из нее чаши, украшения, плуги и другие полезные вещи. Но вот для оружия им требовалось что-то более твердое.

Потребность в военном превосходстве была основной движущей силой в поисках более прочных металлов, способных выдерживать удары и сохранять свою форму при затачивании. Об этом пишет Джаред Даймонд в своей книге «Ружья, микробы и сталь». В те времена, как и сегодня, войны выигрывали те, кто владел наиболее развитыми технологиями. Первым ответом на запросы военной отрасли стала бронза – соединение (сплав) меди и еще более мягкого олова, обычно в пропорции 88 к 12 %, хотя встречались и другие рецепты. Мы не знаем, как была открыта бронза, но, скорее всего, это происходило методом проб и ошибок. Наверняка людям того времени казалось загадкой, как соединение двух мягких металлов может привести к возникновению чего-то гораздо более твердого. К 3000 году до н. э., то есть к началу бронзового века, бронзовые артефакты и оружие встречались уже во многих районах Ближнего Востока. В Китае искусство работы с бронзой достигло невероятных высот, особенно во времена династии Шан (около 1500 года до н. э.). К тому моменту огонь уже был одним из главных союзников людей, инструментом для познания скрытых трансформационных сил Природы.

Опасности этого союза описываются во многих историях, но самой известной из них является греческий миф о Прометее – титане, который сделал людей из глины, а затем подарил им украденный у богов огонь. Разгневавшийся Зевс приказал навечно приковать Прометея к скале. Кроме того, каждый день к нему прилетал орел и клевал его печень. Так как печень бессмертного титана восстанавливалась за ночь, эта пытка продолжалась бесконечно. Должно быть, огонь действительно был важной тайной, раз бедный Прометей был обречен за его похищение на такие муки. Контроль над огнем был привилегией богов, посягательств на которую они не могли простить. Подобный смысл несет и изложенная в Книге Бытия история падения Адама и Евы. Вкусив плода с древа познания добра и зла, они стали смертными и были изгнаны из рая. Детали повествования могут отличаться в зависимости от религии, но суть одна: избыток знаний о скрытых силах Природы может быть опасен.

От бронзы человечество перешло к железу, и бронзовый век сменился железным. Первые образцы железа получались из метеоритов, богатых железом и никелем. Температура плавления железа примерно на 250 градусов выше, чем у меди, но зато и найти его проще. К 1300 году до н. э. выплавкой и ковкой железа занимались в Анатолии (Турция), в Индии, на Балканах и на Кавказе. Чем сложнее становились поиски олова, тем быстрее железо захватывало мир. Вскоре люди научились добавлять к железу немного углерода (обычно менее 2 %) и получать сталь – самый прочный из металлических сплавов.

Создание различных сплавов привело к появлению зачатков научной методики. Для того чтобы получить положительные результаты, требовалось подробно изучить свойства различных металлов и их сочетаний, причем всегда в присутствии огня. Кроме того, люди понимали, что повторяющиеся действия ведут к одинаковым результатам, то есть что Природе присуща регулярность. Пускай никто специально не занимался поиском естественных причин, вызывающих трансформацию материи в горне или при ковке, люди постепенно приходили к пониманию того, что они могут использовать природные силы, чтобы манипулировать материей и обращать ее себе на службу. Подобные знания часто считались священными, а тех, кто ими обладал, наделяли божественным статусом. Алхимия родилась из союза священного и практического, из мечты о том, что познание тайн Природы может приблизить человека к Божественной мудрости.

Из трех основных направлений алхимии – китайского, индийского и западного – нам больше всего известно о последнем. Нет смысла напоминать читателям о захватывающей ранней истории алхимии в Европе. Я бы хотел остановиться лишь на ее связи с корпускулярной теорией и ключевой роли в возникновении современной науки. Главным действующим лицом в этом процессе был Джабир ибн Хайян, придворный алхимик аббасидского халифа Харуна ар-Рашида, проживавший в тогдашнем центре мусульманского мира – Багдаде. Джабир (также известный под латинизированным именем Гебер), судя по всему, первым начал использовать кристаллизацию для очистки веществ, а также выделил несколько кислот: лимонную, винную, уксусную, хлористо-водородную и азотную. Возможно, он даже соединил две последние в «царскую водку», или aqua regia, – крайне агрессивное едкое вещество, которое называется так за свою способность растворять «царские» металлы золото и платину.

Отличительной чертой Джабира было его внимание к деталям и методикам – признак зарождающегося научного подхода. Он писал: «Самое важное в химии – это практическая работа и проведение опытов, ибо тот, кто не работает практически и не проводит опыты, никогда не достигнет даже низшего уровня мастерства». Несмотря на то что его труды, как и работы большинства алхимиков, наполнены запутанным символизмом и мистическими образами (существует даже версия, что английское слово gibberish – «чепуха, белиберда» – происходит от имени Гебер), Джабиру приписывают использование и, возможно, изобретение большей части стандартного оборудования химических лабораторий, например перегонного куба и разнообразных реторт для дистилляции. Его огромный труд, оказавший большое влияние на средневековых алхимиков, включает в себя текст знаменитой Изумрудной скрижали – загадочной и, как считается, древней алхимической книги, авторство которой приписывают легендарному Гермесу Трисмегисту (Гермесу Триждывеличайшему – божеству, сочетающему в себе черты египетского бога мудрости и покровителя наук Тота и греческого бога-посланника Гермеса).

Изумрудная скрижаль имеет значимость не только как главный священный текст алхимии, но и как документ, постулирующий единство космоса в качестве фундаментального алхимического принципа («как на Земле, так и в небесах»). Она состоит из 13 туманных строк, которые, как считается, скрывают в себе все секреты и задачи алхимии. Об огромном влиянии этого документа на науку говорит тот факт, что его перевод был найден в многочисленных алхимических записях Ньютона. В частности, Ньютон перевел вторую строку скрижали так: «То, что снизу, равно тому, что сверху, а то, что сверху, – тому, что снизу, и вместе они чудесным образом составляют единство». Ньютоновская теория гравитации, вводящая одинаковые законы притяжения массы как на Земле, так и в небесах, была практическим выражением этого алхимического принципа (об этом я уже упоминал в первой части книги). Объединение работает в две стороны: небеса становятся ближе к Земле, а Земля – к небесам. Те, кто понимает это, приближаются к божественному сознанию. Недавние работы Бетти Джо Титер Доббс и других историков науки, посвященные жизни и трудам Ньютона, не оставляют сомнений в том, что именно это и было его основной мотивацией.

Как многие из вас знают, главной целью алхимии является превращение «нечистых» металлов в чистейший из них – золото, «металл, который не ржавеет». «Итак, алхимия – это наука, которая учит нас, как создать и составить некое лекарство, называемое “эликсиром”, которое при соприкосновении с металлами или несовершенными телами делает их идеальными во всех отношениях», – писал Роджер Бэкон в своем «Зеркале алхимии». «Философский камень», или эликсир (это слово происходит от арабского al-iksir, «эффективный рецепт»), считался активным катализатором, способным устранить все недостатки и завершить прерванную работу Природы. Согласно Бэкону, который, в свою очередь, следовал инструкциям Джабира, двумя «принципалами» среди металлов были ртуть и сера: «Из чистоты и нечистоты вышеупомянутых принципалов, ртути и серы, рождаются чистые и нечистые металлы, а именно золото, серебро, сталь, свинец, медь и железо». Сера – это загрязнитель, горючий и переменный, а ртуть – очиститель, плотный и постоянный. Большая или меньшая степень чистоты металла зависит от их соотношения.

В некоторых традициях эликсир также мог влиять на самого алхимика. Философский камень очищал не только металлы, но и души, вознося человека над двумя величайшими скорбями – болезнью и смертью. Лабораторная процедура химической очистки требовала терпения, отдачи и постоянного повторения и таким образом очищала и человеческую душу. Только чистые сердцем могли рассчитывать на успех в своих поисках.

Наука – это корпус знаний, полученных в результате методического изучения природных процессов. Если придерживаться этого определения, то мы можем видеть, как алхимики (или мошенники, притворявшиеся ими) пытались использовать науку своего времени для того, чтобы поднять все человечество (или хотя бы самих себя и своих покровителей) над болезнями и бедностью. Врач и алхимик немецко-швейцарского происхождения Парацельс, живший в начале XVI века и ставший основателем токсикологии, служит прекрасным примером связи между оккультными и научными практиками. В алхимии заметна тенденция, которая жива и в современных научных исследованиях: стремление к богатству и избавлению от болезней за счет честного использования природных ресурсов или нечестного манипулирования ими. Одной из задач науки является прекращение человеческого страдания, и корни этой задачи уходят в древние алхимические практики.

Описывая природные трансформации, Аристотель наделял каждую из четырех основных стихий определенными качествами, которыми они могли обмениваться. Земля была сухой и холодной, вода – влажной и холодной, воздух – влажным и теплым, а огонь – сухим и теплым. Изменения материи происходили за счет смешения стихий и их качеств. По словам историка науки Уильяма Р. Ньюмена, Джабир перенес Аристотелевы понятия влажности и сухости на два базовых элемента – серу (сухую) и ртуть (влажную). Соответственно алхимические практики были направлены на изменение соотношений этих качеств, которые проявлялись в различных металлах в разных пропорциях. Когда Псевдо-Гебер написал в XIII веке свой влиятельный труд Summa Perfectionis («Сумма совершенств»), он приписал выделенные Джабиром качества корпускулам серы и ртути, которые могут иметь различные размеры, чистоту и соотношение. В соответствии с греческой атомистической традицией корпускулы считались неизменными и сохраняющими свои свойства в различных химических процессах, а также состоящими из еще более мелких частиц четырех основных стихий. «Соответственно, ртуть и сера сами по себе формируют вторичные частицы большего размера, чем их элементарные составляющие, и эти вторичные частицы благодаря своему прочному строению имеют полупостоянное существование», – отмечал Ньютон в своих заметках к трудам Псевдо-Гебера. Эта картина поразительным образом схожа с современными представлениями о фундаментальных частицах (электронах, протонах и нейтронах), из которых состоят атомы разных элементов (или об атомах, составляющих молекулы).

Подобные идеи, представленные в трудах Псевдо-Гебера, указывают на то, что корпускулярная теория была популярна среди алхимиков. Она повлияла не на кого иного, как на Роберта Бойля, натурфилософа XVII века, который считается родоначальником современной химии и у которого Исаак Ньютон учился алхимии. В то время наука еще не отделилась окончательно от своих прародителей. Механическая философия Бойля, изображавшая материю состоящей из частиц с определенным размером, формой, движением и текстурой, зародилась из средневековой алхимии.

Ньютон надеялся узнать у Бойля секреты алхимии, но тот, судя по всему, рассказал своему ученику не слишком много. Бойлю удалось синтезировать одно из веществ, о котором мечтали алхимики, – так называемую красную землю; она считалась последним этапом работы перед получением философского камня и якобы тоже могла превращать свинец в золото, пускай и не так эффективно. Ньютону удалось получить образец «красной земли» только после смерти Бойля в 1691 году благодаря его душеприказчику, философу-эмпирику (и алхимику) Джону Локку.

Еще одним желанным результатом алхимических опытов была философская ртуть – жидкая форма ртути, способная медленно растворять золото, а значит, являющаяся очередным шагом на пути к заветной цели. Лоуренс Принсип, химик и историк науки из Университета Джонса Хопкинса, после множества неудачных попыток сумел получить философскую ртуть по рецепту Бойля. В лучших алхимических традициях Принсип смешал ее с золотом и поместил в плотно закрытое стеклянное яйцо. Впоследствии он рассказывал научной журналистке Джейн Босвельд, что смесь начала подниматься, «как заквашенное тесто». После этого она стала вязкой, затем жидкой, а после нескольких дней нагревания превратилась в «древовидный фрактал»: «Металлическое дерево, вроде тех, которые шахтеры находят под землей, только состоящее из золота и ртути».

Представление о том, что металлы растут под землей, как ветви деревьев, добавляет к алхимии Ньютона и Бойля органическую составляющую. Лаборатория была координатором, местом, где алхимик мог воспроизвести действия Природы, а если повезет – то и ускорить их с помощью тщательно подобранных методов. Ньютон написал огромный труд по алхимии (больше миллиона слов), но, желая оставить свои открытия в секрете, зашифровал его так, что мы не можем прочесть его до сих пор. Тем не менее некоторые из его алхимических точек зрения (включая органические и атомистические взгляды) проявляются и в его чисто научных работах, например в «Началах» или «Оптике». В частности, в конце третьей книги «Начал» он пишет:

Пары, производимые Солнцем, неподвижными звездами и кометными хвостами, могут от своего тяготения падать в атмосферы планет, здесь сгущаться и превращаться в воду и влажные спирты и затем от медленного нагревания постепенно переходить в соли, в серы, в тинктуры, в ил, в тину, в глину, в песок, в камни, в кораллы и другие земные вещества. [101]

Этот пассаж ярко иллюстрирует веру алхимиков в то, что Природа путем медленного нагревания превращает первичную космическую субстанцию в различные вещества. Тем не менее в предисловии к «Началам» Ньютон пишет о своей вере в атомистический состав материи: «Ибо многое заставляет меня предполагать, что все эти явления обусловливаются некоторыми силами, с которыми частицы тел вследствие причин, покуда неизвестных, или стремятся друг к другу и сцепляются в правильные фигуры, или же взаимно отталкиваются и удаляются друг от друга».

«Многое», заставляющее Ньютона «предполагать», очевидно, было результатом его алхимических экспериментов, а выражение «все эти явления обусловливаются некоторыми силами» указывало на его веру в единство Природы, в которой несколько сил могли объяснить огромный спектр явлений. Наконец, описание притяжения и отталкивания «частиц тел», которые «сцепляются в правильные фигуры» кажется смелой попыткой проникнуть в тайны образования атомов и формирования из них молекул с определенной симметрией.

В «Оптике» Ньютон, что называется, дал себе волю более свободно рассуждать о природе материи и света. При этом интуиция часто приводила его к невероятно точным выводам: «Разве все неподвижные Тела, нагретые выше определенного градуса, не излучают Свет и сияние и разве не является это Излучением, производимым вибрирующими движениями их частиц?» Это абсолютно точное описание того, что происходит, когда нагретое тело испускает электромагнитное излучение (иногда в форме видимого света) в результате внутренней вибрации своей твердой структуры и скачков электронов между атомными орбитами (о чем мы подробно поговорим чуть позже).

Согласно Ньютону, свет тоже состоит из корпускул: «Все Тела состоят из твердых частиц, иначе Жидкости не застывали бы… Даже Лучи Света кажутся твердыми телами… Соответственно, Твердость можно считать Свойством всей чистой Материи». Довольно интересное замечание, особенно если учесть все то, что мы сегодня знаем о свойствах света. Ньютон даже рассуждает о возможном переходе света в материю и наоборот: «И почему среди всех ее разнообразных и странных трансмутаций Природа не превращает Тела в Свет и Свет в Тела?» Именно эта трансформация лежит в основе теории относительности Эйнштейна и воплощена в формуле Е = mc2. Разве это не удивительно?

 

Глава 19. Загадочная природа тепла

в которой мы узнаем о флогистоне и теплороде, странных веществах, введенных для объяснения природы тепла, и о том, как впоследствии эти объяснения были опровергнуты

Начало науки скрыто в ртутном тумане, который клубится над тиглем алхимика, вдохновленного видениями небесного совершенства. Но, совершив резкий поворот к новой эре, наука начала стыдиться своего мистического прошлого. В научных трактатах больше не упоминали Бога, а при описании природных явлений не использовали религиозную терминологию – она уступила место точному механическому стилю, облеченному в строгие одежды математики. Ньютоновская теория природы, описывающая, как большие и малые материальные объекты реагируют на силы притяжения и отталкивания, возникающие между ними, стала путеводной звездой Просвещения. Несмотря на всю свою сложность, мир мог быть методически изучен путем разбиения на мельчайшие частицы, поведение которых определяется суммой воздействующих на них сил. Ньютоновская физика запустила стремительный процесс научного редукционизма.

Изменения продолжали набирать скорость. Если частицы материи удерживались вместе силами, то для преодоления их хватки требовались бо́льшие силы. Как и в алхимии, ключевым элементом в данном случае считалось тепло. При нагревании лед превращался в воду, а вода – в пар. Большинство веществ так или иначе реагировали на тепло: газы расширялись и увеличивались в объеме, твердые вещества (даже самые прочные металлы) таяли и становились жидкими. Уже в 1662 году Роберт Бойль доказал, что давление определенного количества газа при постоянной температуре обратно пропорционально его объему. Иными словами, если поместить газ в сосуд и сжать поршнем, давление газа увеличится настолько же, насколько уменьшится его объем. Три главные макроскопические переменные – давление, объем и температура, – будучи напрямую измеримыми, позволяли проводить количественное изучение газов и их свойств. При сохранении объема газа и повышении температуры давление увеличивалось пропорционально. И наоборот, если давление оставалось постоянным, а температура повышалась, рос объем газа.

Важно отметить, что такая пропорция верна для любого газа. Именно так появляются физические законы: на основании нескольких примеров определяется тенденция, а затем она переносится на целый класс веществ или объектов. Такая генерализация проверяется экспериментально в максимально широком ряде опытов до тех пор, пока не перестанет быть применимой. Например, в случае газов это может случиться при достижении экстремальных условий, ведущем к изменению обстоятельств и самого закона. При очень высоком давлении газы могут принимать жидкую или даже твердую форму. Но очевидно, что такое общее поведение и исключения из него должны определяться составом газа.

Ответ на этот вопрос был обнаружен в начале XVIII века, забыт, повторно найден век спустя, отклонен и наконец через несколько десятков лет снова принят, хотя и не без сомнений. Нужно сказать, что такие отклонения и сомнения не были полностью безосновательными, ведь предлагаемый ответ создавал опасный прецедент. Физическое объяснение свойств газа строилось на предположении о существовании невидимой реальности, недоступной ни нашим органам чувств, ни даже измерительным приборам. Можно ли использовать нечто, что мы не можем увидеть и в существовании чего мы даже не уверены, для объяснения результатов измерений? Если да, то как провести границу между невидимой и недоступной реальностью и фантазиями? Грубо говоря, если мы не можем увидеть ни атомы, ни фей, почему мы считаем, что атомы существуют, а феи – нет?

В 1738 году блестящий голландский математик Даниил Бернулли, действуя в истинном духе атомизма, предположил, что газы состоят из множества крошечных молекул, движущихся случайным образом и периодически сталкивающихся друг с другом без значительной потери энергии в процессе. Основываясь на своей атомистической гипотезе, Бернулли доказал, что давление газа возникает в результате ударов молекул о стенки сосуда. Согласно закону Бойля, если уменьшить объем сосуда с газом вдвое, сохранив при этом неизменную температуру, давление увеличится в два раза. Бернулли объяснял это тем, что при уменьшении объема молекулы имеют меньше простора для движения и потому чаще сталкиваются со стенками. Макроскопическим эффектом таких постоянных столкновений становится увеличение давления газа. Иными словами, Бернулли попытался объяснить макроскопическое свойство газа (давление) с помощью невидимых глазу микроскопических объектов. Значило ли это, что атомизм наконец-то превратился в точную науку?

До 1845 года в этой области не происходило ничего серьезного, но затем британский физик Джон Джеймс Уотерстоун подал в Королевское научное общество заявление о том, что он сумел связать температуру и давление газа с его крошечными молекулярными составляющими. Он доказал, что температура газа пропорциональна квадрату средней скорости его молекул, а давление – плотности молекул, умноженной на квадрат их средней скорости. Это была беспрецедентная попытка связать температуру с движением. Еще более удивительной ее делал тот факт, что речь шла о движении невидимых объектов.

В течение многих столетий ученые пытались познать природу тепла, изобретая хитроумные объяснения и часто путая тепло и горение. Первым таким объяснением был флогистон – магическое вещество, из-за которого предметы могли гореть. Предположение о его существовании высказал немецкий врач и алхимик Иоганн Иоахим Бехер в 1667 году. Он заявлял, что языки пламени появляются, когда горючее вещество испускает флогистон. «Дефлогистированное» вещество, наоборот, будет несгораемым. Сомнения в гипотезе о флогистоне возникли, когда было доказано, что масса металлов увеличивается при сгорании. Это привело к возникновению совершенно диких теорий, например, о том, что флогистон имеет отрицательный вес или что он легче воздуха. Такое часто случается в науке: когда убедительная идея ставится под сомнение, на ее спасение бросаются все силы, пусть такие меры и кажутся отчаянными. Идея флогистона была окончательно отброшена только в 1783 году, когда Антуан Лоран Лавуазье с помощью ряда революционных экспериментов доказал, что для горения требуется газ, имеющий массу (кислород), и что в каждой химической реакции, включая горение, общая масса реактивов остается одинаковой.

Объяснив процесс горения, но все еще не поняв до конца природу тепла, Лавуазье предположил существование нового вещества – теплорода. Согласно его теории, передача тепла от горячего объекта к холодному осуществлялась в форме потока теплорода. Учитывая, что общая масса на входе и на выходе любой реакции остается неизменной, Лавуазье заключил, что теплород не имеет массы, а его общее количество в Природе является константой. За этой теорией последовало множество объяснений разнообразных явлений с участием тепла. Несмотря на кажущуюся логичность, все они были ложными. К примеру, горячий чай якобы остывает, потому что теплород, имеющий более высокую концентрацию в теплом воздухе, медленно оттекает из более теплых областей пространства в более холодные (то есть из горячей жидкости в более прохладный воздух вокруг чашки). Теплород был своего рода эфиром, способным двигаться, не имеющим веса, но удобным для объяснения многих природных явлений.

Первым человеком, поставившим под сомнение гипотезу о теплороде, был граф Румфорд, лоялист из Нью-Гемпшира, по биографии которого можно было бы снять неплохой эпический фильм. После отъезда из Соединенных Штатов он занимал множество должностей, и в том числе был специалистом по артиллерийским боеприпасам в Баварии. В его обязанности входило надзирать за тем, как создаются пушки. Когда в цилиндрической металлической заготовке огромным сверлом проделывалось дуло, для уменьшения жара от трения использовалась вода. Румфорд заметил, что в процессе сверления тепло никогда не оттекало от металла, а вода постоянно кипела. В 1798 году он записал: «Если изолированное тело или система тел может создавать нечто без ограничений, это нечто не является материальной субстанцией». Далее он предположил, что тепло возникает не из-за потока теплорода, но из-за трения между сверлом и металлом. Итак, заключил он, тепло – это производная движения, а не вещество. Несмотря на то что научное сообщество не сразу приняло его идеи, эксперимент Румфорда посеял зерно сомнений. Возможно, тепло действительно было не веществом, а свойством вещества.

Второму и куда более опасному испытанию гипотеза о теплороде подверглась со стороны Джеймса Прескотта Джоуля, который в 1840-х годах провел серию детально проработанных экспериментов, чтобы определить, как механическая работа может приводить к повышению температуры. Джоуль опустил в бочку с водой вращающиеся лопасти, чтобы точно определить количество механической работы, необходимой для того, чтобы поднять температуру воды на 1 градус по Фаренгейту. С помощью полученных результатов он смог объяснить процесс сохранения и передачи энергии, ответственный за нагревание и охлаждение веществ. По мере того как лопасти заставляют воду двигаться, ее молекулы разгоняются и набирают скорость. Увеличение скорости ведет к повышению температуры, как и предполагал Уотерстоун. Джоуль был знаком с работами Джона Херэпэта и Джеймса Уотерстоуна о микроскопической теории газов, а его учителем был сам Джон Дальтон, главный приверженец атомистической теории, который еще в начале XIX века предположил, что химические реакции происходят в результате обмена атомами между веществами. Например, олово могло соединиться с одним или двумя атомами кислорода и массы полученных смесей отражали бы количество кислорода в каждой из них. Дальтон считал, что каждый элемент имеет собственные атомы, которые не распадаются в ходе химических реакций. Кроме того, атомы различных элементов могли связываться друг с другом, образуя комплексы, которые мы сегодня называем молекулами.

В период между зарождением микроскопической теории газов и атомистическим объяснением химических реакций, разработанным Дальтоном, представление о том, что материя имеет корпускулярную структуру, постепенно набирало вес. Взлет и падение флогистона и теплорода в качестве объяснений процесса горения и тепла ярко иллюстрируют процессы, происходящие в науке. По мере того как ученые пытаются объяснить природные явления, они создают все новые и новые гипотезы и готовы яростно их защищать. Так и должно быть, учитывая, что чем более убедительной является идея, тем больше чувств она вызывает у своих создателей и последователей. Однако научные гипотезы должны постоянно подвергаться эмпирической проверке, поэтому они остаются в силе ровно до тех пор, пока не будут опровергнуты или ограничены. Объяснение может казаться достаточным для описания данных («сохранения фактов», как говорил Платон), даже если по сути оно неверно. Эпициклы были совершенно искусственным понятием, но описывали движение небесных светил с достаточной точностью. Флогистон и теплород были далеки от реальной физики, но хорошо объясняли горение и существование тепла. Способность науки добиваться все более и более точных описаний физической реальности основывается на нашем умении проверять верность предположений со все возрастающей точностью. Если движение к большей точности блокируется или прерывается, научный прогресс останавливается. Исследования расширяют границы Острова знаний (а иногда и, наоборот, отодвигают их назад). То, что в океане неведомого вокруг него нет ни одного маяка, чтобы указать нам путь, делает научный поиск одновременно и сложнее, и интереснее. И нет лучшего примера этого поиска, чем изучение света и его туманной природы.

 

Глава 20. Таинственный свет

в которой мы узнаем, как загадочные свойства света стали причиной целых двух научных революций в начале ХХ века

Мы создания света, этого таинственного и странного явления, которое и сегодня остается загадкой для многих из нас.

Свет, который мы получаем от Солнца, представляет собой совокупность множества электромагнитных волн, каждая из которых имеет свою длину. Небольшая видимая часть этого множества, спектр от красного до фиолетового цвета, состоит из волн длиной от 400 до 650 миллиардных долей метра (нанометров). Длина волны – это расстояние между двумя ее последовательно идущими гребнями. Соответственно, когда мы говорим о коротких волнах, мы имеем в виду, что их гребни расположены плотно. В длинных же волнах дистанция между двумя гребнями больше.

По сути, все мы продукты эволюции, происходившей на нашей планете в течение четырех миллиардов лет под ярким солнечным светом. Солнце, поверхность которого имеет температуру около 5500 градусов Цельсия, в соответствии с неформальной классификацией звезд считается желтым карликом и испускает большую часть света в желто-зеленом спектре. На самом деле поверхность Солнца белая, а желтоватый цвет, который мы видим с Земли, объясняется рассеиванием синих частот при прохождении солнечного света через атмосферу. В дневные часы Солнце кажется нам очень ярким, потому что свет отражается от молекул азота и кислорода в воздухе. Этим же объясняется и голубой цвет неба: воздух гораздо эффективнее рассеивает короткие волны, чем длинные, а синий имеет меньшую длину волны, чем красный или желтый. Если посмотреть на небо в сторону от Солнца, мы увидим ту часть солнечного света, которая рассеивается лучше всего, то есть синий и немного белого цвета. Учитывая, что размеры молекул воздуха в тысячи раз меньше стандартной длины волны, можно понять, почему синий цвет рассеивается лучше всего. Желтый и красный цвета с большой длиной волны прокатываются по воздуху, как волны по каменистому берегу, не замечая мелких преград на своем пути. На закате солнечный свет падает на Землю по касательной, и ему требуется больше времени на прохождение через атмосферу. Поэтому большая часть синего цвета рассеивается еще до того, как свет достигнет низкой высоты. В результате мы видим больше красного и оранжевого, чем синего и зеленого. В пасмурные дни капли воды и кристаллики льда, из которых состоят облака, рассеивают все волны, из которых состоит солнечный свет, равномерно, и в результате он приобретает белесый цвет.

Вопреки нашим наивным предположениям, свет, который воспринимают наши глаза, составляет менее половины всего излучения, которое Земля получает от Солнца. Без научных приборов, регистрирующих то, что невидимо для глаз, наши знания о физической реальности были бы крайне ограниченны. Но, даже располагая необходимыми инструментами, мы должны помнить, что их возможности имеют границы, и обзор с нашего Острова знаний обладает своим горизонтом. Чем больше мы видим, тем к большему стремимся.

Видимый свет составляет всего 40 % от всего солнечного излучения, попадающего в верхние слои нашей атмосферы. Оставшаяся часть – это 50 % инфракрасного и 10 % ультрафиолетового излучения. Благодаря защите атмосферы лишь 3 % ультрафиолетовых лучей достигают поверхности планеты, а объем видимого света увеличивается до 44 %. В случае с Солнцем (как и во многих других случаях) то, что мы видим, и то, что мы получаем, – это совсем не одно и то же. Наши органы чувств были сформированы естественным отбором так, чтобы повысить наши шансы на выживание на этой планете. Жители других планет с другим атмосферным составом и большим или меньшим количеством звездного света могли бы развить у себя чувствительность к другим частям электромагнитного спектра. Даже на Земле ночные животные, пещерные и глубоководные существа имеют разные механизмы адаптации (вспомните, например, об эхолокации у летучих мышей и о свечении глубоководных рыб).

Все приведенные выше объяснения стали возможными в результате триумфа физики XIX века – описания света как вибрации электромагнитных полей. Каждый источник электромагнитного излучения можно свести к осциллирующим, или ускоряющимся, электрическим зарядам. В 1861–1862 годах шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, работавший в лондонском Кингс-колледже (моей альма-матер), доказал существование связи между электричеством и магнетизмом, что позволило ему совершенно по-новому описать взаимодействие материальных объектов. До этого подобные описания строились на понятии сил – например, силы притяжения Ньютона или силы, которую мы прилагаем к педалям велосипеда, когда едем в гору. Вдохновленный идеями Майкла Фарадея, Максвелл предложил свою знаменитую теорию электромагнитного поля. С тех пор именно она применяется в физике для объяснения взаимодействия самых разных объектов, от электронов до звезд. Сила – это производная поля.

Данная концепция стала настолько всеобъемлющей, что применяется уже не только к взаимодействиям между объектами. Мы можем говорить о температурном поле в помещении (то есть о том, как температура меняется от точки к точке) и о поле скорости воды в реке или ветра в атмосфере. Электрический заряд создает вокруг себя электрическое поле, представляющее собой его пространственное проявление. Другой заряд, приближающийся к первому, сможет почувствовать его присутствие на расстоянии, причем чем ближе будет первый заряд, тем выше окажется значение поля. Одинаковые заряды притягиваются, а противоположные отталкиваются. То же самое происходит и с магнитами. Вы можете провести быстрый эксперимент: снимите два магнита с холодильника и попытайтесь соединить их. В какой-то момент они начнут сопротивляться вашим действиям. Судя по всему, пространство вокруг магнитов наполнено чем-то, что заставляет их отталкиваться друг от друга. Это что-то называется магнитным полем. Точно так же и масса вашего тела создает вокруг вас гравитационное поле. Другие массы чувствуют его присутствие и притягиваются к нему с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния до вас.

При колебании электрического заряда поле колеблется вместе с ним. Чтобы понять, как это происходит, представьте себе пробку, болтающуюся на поверхности воды. По воде от нее расходятся двухмерные круги. Колеблющийся заряд точно так же испускает электрические волны, но в трех измерениях. По мере колебания его скорости также возникает магнитное поле, которое начинает колебаться вместе с электрическим. Одно поле цепляется за другое, и оба они постепенно удаляются от заряда. Отличие от кругов на воде только в том, что эти поля направлены перпендикулярно друг другу, как концы креста. Если заряд колеблется вверх и вниз, магнитное поле будет двигаться вправо и влево и волны будут перемещаться в направлении, перпендикулярном кресту (мы говорим об электромагнитных волнах, что они поперечны).

Итак, движущийся заряд создает колеблющиеся электрические и магнитные поля, которые расходятся в пространстве. Максвелл показал, что в вакууме скорость такого их распространения равняется скорости света. Это подтолкнуло его к потрясающему выводу: свет представляет собой электромагнитное излучение, электрические и магнитные поля, распространяющиеся в форме волн. Единственное различие между, например, красным и фиолетовым цветом состоит в том, что длина волны у первого больше, чем у второго. Между короткими и длинными волнами в электромагнитном спектре находятся и другие типы излучения: радиоволны, микроволны, инфракрасные волны, видимое излучение, ультрафиолетовые волны, рентгеновские и гамма-лучи (самые короткие и обладающие наибольшей энергией).

Если свет (как уже упоминалось ранее, этим словом я обозначаю все виды электромагнитного излучения) – это волна, то в чем он распространяется? Другие, более привычные нам волны представляют собой колебания среды: волны могут возникать на поверхности воды, звуковые волны – это изменения давления воздуха, а если взять веревку за один конец и хорошенько встряхнуть, по ней тоже пойдут волнообразные движения. Так в чем же появляются волны света? Это одна из множества связанных с ним загадок. Сегодня мы знаем, что свету не нужна материальная среда для распространения. Он может двигаться в вакууме, и для этого ему нужно всего лишь содействие электрических и магнитных полей. Разумеется, свет может проходить и через материальную среду. Каждый из нас хотя бы раз открывал глаза под водой или смотрел через стекло. В результате движения в среде свет теряет часть своей скорости, так как световые волны заставляют электрические заряды, из которых состоит материальная среда, колебаться вместе с ними.

Для физика XIX века было очевидно, что свет отличается от других волн, так как для движения ему не требуется обычная среда. Тем не менее, по мнению Максвелла, что-то должно было выступать в ее роли. Он потратил много лет на создание все более и более странных механических моделей для объяснения распространения электромагнитных волн в пространстве. Например, он пытался ввести понятие новой среды, люминофорного эфира, предназначенной исключительно для переноса световых волн. За два века до этого Ньютон и голландский ученый Христиан Гюйгенс независимо друг от друга взялись за изучение природы света и пришли к противоположным выводам. Ньютон, преданный последователь атомизма, предположил, что свет состоит из крошечных корпускул, но не смог доказать, что все свойства света соответствуют этому утверждению. С пропусканием и отражением света (в форме прямых лучей) проблем не возникало. Гораздо сложнее было объяснить явления рефракции (изменения в направлении распространения луча при прохождении через разные среды) и дифракции (распределения волн при прохождении через узкую преграду). Гюйгенс, в свою очередь, считал, что свет – это волна, которая движется в среде, подобной эфиру.

Борьба между приверженцами корпускулярной и волновой теории продолжалась до начала XIX века, когда Томас Юнг и Огюстен Жан Френель независимо пришли к концепции света как поперечной волны. В частности, Юнг провел серию экспериментов, включающих в себя дифракцию, и убедительно доказал, что свет является волной. Янг прорезал в листе бумаги прямоугольное отверстие, поместил в него человеческий волос, а затем подсветил его свечой. В своих заметках от 1802 года он пишет: «Когда волос приблизился к краю свечи достаточно близко, чтобы на него падало достаточно света, начали появляться [чередующиеся черные и белые] полосы и легко было заметить, что их ширина была пропорциональна видимой ширине волоса, от которого они отходили». К тому моменту, как Максвелл доказал, что свет представляет собой поперечную электромагнитную волну, корпускулярная теория Ньютона была забыта. Эксперименты показывали, что свет при столкновении с препятствием ведет себя так же, как волны воды, и демонстрирует те же интерференционные узоры.

Однако чем больше внимания уделялось природе света, тем более странным казалось понятие эфира. Как и флогистон и теплород, он казался скорее не физическим, а магическим явлением. Чтобы заполнять собой все пространство, люминофорный эфир должен был быть жидкостью, подобной эфиру Аристотеля. Но при этом он одновременно должен был быть крепче стали (чтобы обеспечивать движение коротких волн) и прозрачнее стекла (иначе мы не могли бы видеть свет далеких звезд). Кроме того, у него не должно было быть ни массы, ни вязкости и он не должен был бы мешать орбитальному движению планет. Тот факт, что большая часть самых светлых научных умов того времени приняла подобную странную концепцию с полной уверенностью, показывает, как сложно отказаться от предубеждений, рожденных опытом. Волна должна была в чем-то распространяться. Ученому XIX века было гораздо проще поверить в эфир, чем предположить, что свет может двигаться в вакууме. Космос снова казался людям наполненным какой-то размытой субстанцией, недоступной для восприятия.

Для того чтобы эфир можно было признать полноправным физическим явлением, его следовало прямо или косвенно обнаружить. Учитывая его сверхъестественные свойства, первый вариант исключался, ведь для того, чтобы что-то можно было обнаружить, это что-то должно взаимодействовать с приборами. А какой детектор сможет засечь нечто неосязаемое и не имеющее вязкости? Итак, требовались косвенные доказательства, и найти их было не так-то просто.

В 1887 году Альберт Михельсон и Эдвард Морли провели блестящий эксперимент, чтобы измерить влияние эфира на распространение света. Они исходили из предположения о том, что если эфир действительно существует, то он представляет собой инертную среду в состоянии абсолютного покоя – что-то вроде воздуха в тихий ясный день. Максвелл доказал, что электромагнитные волны движутся в неподвижном эфире со скоростью света. Но уже со времен Галилея ученым было известно, что скорости измеряются с использованием заданной точки отсчета. Например, если вы стоите у магазина, а мимо вас проезжает машина, вы измеряете ее скорость относительно вашего состояния покоя. Но если вы не стоите, а едете на велосипеде в том же направлении, то скорость машины относительно вас будет меньше. Введение абсолютной системы координат не соответствовало понятию относительности, так как в таком случае все скорости можно было бы измерять относительно эфира. Каким бы радикальным ни казалось это объяснение, альтернатива, то есть движение света в вакууме, выглядела еще хуже.

У Михельсона и Морли возникла хитроумная идея. Раз Земля движется вокруг Солнца, то ей навстречу должен дуть эфирный ветер. То же самое происходит, когда мы едем на велосипеде или в машине даже в самую безветренную погоду. Мы все равно чувствуем движение воздуха себе в лицо. Если пустить луч света в направлении, противоположном направлению эфирного ветра, скорость его движения должна будет замедлиться. И наоборот, луч, направленный по ходу вращения Земли вокруг Солнца, не должен встретить никаких препятствий. Научное сообщество было шокировано, когда Михельсон и Морли провели измерения в двух перпендикулярных направлениях и не обнаружили никакой разницы. Их эксперимент показал, что свет движется с одинаковой скоростью, в какую бы сторону он ни светил. Если эфир и существовал, то свет, очевидно, никак на него не реагировал, что лишало эфир всякого смысла.

Началась паника. Многие пытались придумать правдоподобные объяснения тому, почему эксперимент «провалился». К примеру, ирландский физик Джордж Фицджеральд и голландский ученый Хендрик Антон Лоренц независимо друг от друга предположили, что любой материальный объект, движущийся в направлении, противоположном эфиру, немного сжимается, включая и приборы для наблюдения. Чем быстрее движение, тем сильнее должно было быть сжатие. Если бы теория Фицджеральда и Лоренца была правдой, она бы объяснила, почему эксперимент не выявил никакой разницы: свет замедлился при движении против эфира, но ему пришлось пройти меньшее расстояние из-за уменьшения длины измерительного прибора. Соответственно, опыт Михельсона и Морли не показывал ровно ничего нового.

Хотя некоторых ученых эта теория успокоила, убедить она не смогла никого, потому что возникла на пустом месте. И даже если Фицджеральд и Лоренц были правы, оставался еще один базовый вопрос: почему в противоречие всей ньютоновской физике, в которой законы природы остаются неизменными для любой системы отсчета с постоянной скоростью, электромагнетизму требовалась универсальная система координат? Два кита классической научной картины мира, механика Ньютона и электромагнетизм Максвелла, с трудом соответствовали друг другу. Что-то, очевидно, шло не так. Но ответ уже был близок.

Эйнштейн начал свою знаменитую работу 1905 года о специальной теории относительности с замечания о том, что теории Максвелла требуется абсолютная система отсчета. Затем он отмечает, что в электромагнетизме, как и во всей физике, любое количество наблюдателей, движущихся с постоянной скоростью, должно получать одинаковые результаты наблюдений. Эйнштейн пишет, что «безуспешные попытки определить движение Земли относительно “световой среды” показывают, что электродинамические явления, равно как и механические, не имеют никаких свойств, соответствующих понятию абсолютного покоя». В его революционном труде говорится о том, что пространство сокращается по направлению движения, а ход часов (или в более широком смысле время) замедляется. Итак, идея Фицджеральда и Лоренца не была ошибочна. Неверной была лишь ее интерпретация, предполагающая существование универсальной инертной среды. Эйнштейн избавляется от идеи эфира и объясняет, что электромагнетизм Максвелла полностью согласуется с любой инерциальной системой отсчета (то есть движущейся с постоянной скоростью) до тех пор, пока действует новый постулат, сформулированный им следующим образом: «Свет всегда распространяется в вакууме с определенной скоростью с, которая не зависит от движения источника света».

Итак, вместо эфира как абсолютной (и несуществующей) системы отсчета вводилась другая постоянная – скорость света. Эйнштейн просто заменил одну константу другой! У него не было никаких доказательств своей правоты – он лишь руководствовался принципом о том, что физические законы должны оставаться неизменными в любой инерциальной системе отсчета, то есть что Природа должна проявлять свою фундаментальную симметрию. Какой смысл имела бы наука, если бы каждый наблюдатель руководствовался своими законами и получал отличные от других результаты? Таким образом, Эйнштейн поднял принцип относительности (то есть единообразия законов Природы в инерциальных системах отсчета) до уровня постулата.

Его второй постулат был еще более смелым. Почему свет отличается от всего остального? Почему он всегда движется с одной скоростью? Эйнштейн не знал, почему скорость света неизменно составляет 299 792 453 метра в секунду, но он предположил, что она постоянна, чтобы увязать электромагнетизм с принципом относительности. Постоянство скорости света было ценой, которую он готов был заплатить за восстановление порядка в физике. Отбросив идею эфира, Эйнштейн сделал свет еще более загадочным – волной, способной двигаться в пустоте с постоянной скоростью. И это было лишь начало.

Работа по специальной теории относительности была одним из четырех трудов, которые 26-летний Эйнштейн опубликовал в 1905 году, и первый из них казался ему самым революционным. Статья вышла под ничем не примечательным заголовком «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света». В начале работы Эйнштейн подчеркивает, что теория Максвелла о волновой природе света не соответствует общепринятым представлениям об атомах и электронах как составных элементах материи. Волны имеют продолжительность в пространстве, в то время как атомы дискретны. Затем он выдвигает свою «эвристическую точку зрения»: так же как и любая материя, свет состоит из крошечных частиц, «квантов, энергия которых рассчитывается как [h × f]». В этой формуле h – это постоянная Планка, природная константа, ассоциирующаяся со всеми квантовыми явлениями, а f – частота пучка света. Если свет не монохромен, то есть состоит из волн разной частоты, в нем имеется множество видов таких квантов, по одному для каждого типа волны. Если Эйнштейн был прав, он возродил корпускулярную теорию света. Представьте, как ликовал бы Ньютон!

Эйнштейн был достаточно осторожен в своих заявлениях, поэтому писал, что волновая гипотеза все еще оставалась в силе, до тех пор, пока она не применялась к «возникновению и превращению света». Иными словами, атомистическое и волновое поведение света дополняют друг друга, как две стороны одной медали. В зависимости от изучаемого физического явления свет можно рассматривать и как волну, и как частицу. Точно так же мы рассматриваем воду при комнатной температуре одновременно как жидкость и как взвесь отдельных молекул. То, чем является вода, зависит от контекста. То же самое верно и для света, хотя на самом деле он не частица и не волна.

Цель физики состоит не в том, чтобы наделять характеристики объектов реальности каким бы то ни было окончательным смыслом («вода/свет – это то-то и ничто иное»), а в том, чтобы объяснять результаты экспериментов. Концепции, которые создают ученые, – это инструменты объяснения, искусственные конструкции, придающие значение изменениям. Для физика не так важно, чем что-то является на самом деле. Куда важнее, насколько эффективно его объяснение. На самом деле чем дальше мы углубляемся в квантовый мир, тем меньше смысла остается в понятии бытия как перманентного состояния. Ни один объект здесь не то, чем кажется, и ничто не остается собой надолго. Материя и свет кружатся в танце постоянной трансформации. Эйнштейн со своей эвристической точкой зрения открыл дверь в мир непостоянства, и нет ничего удивительного, что путь ему освещал свет.

 

Глава 21. Научиться отпускать

в которой мы начинаем путешествие по миру квантовой физики и узнаем, как она ограничивает область наших знаний о мире

Всего за десять лет специальная теория относительности Эйнштейна и его гипотеза о квантовой природе света перевернули физику с ног на голову. Из тихих волн, распространяющихся по люминофорному эфиру, свет превратился в величайшую загадку – не только в самое быстрое явление в мире, но и такое, скорость которого не зависит от движения его источника; не просто в волну, а в волну, которая может двигаться в пустоте; в нечто, являющееся одновременно и волной, и частицей и не соответствующее нашим представлениям о том, что эти варианты исключают друг друга. Скорость света не просто самая большая в мире – это граничная скорость, установленный Природой максимум. Никакая информация не может попасть к нам раньше, чем свет. Изучая ближние и дальние уголки Вселенной, физики и астрономы поняли, что свет сам по себе является информацией. Собранные данные о разнообразных типах электромагнитного излучения помогают им изучать объекты, расположенные на большом расстоянии от Земли, и формировать картину нашего мира. Из этой книги мы узнали, как существование граничной скорости приводит к возникновению космического горизонта, информация из-за которого нам недоступна.

Еще более удивителен тот факт, что свет способен двигаться со своей скоростью, потому что он не имеет массы. Крошечные частицы света, которые позже были названы фотонами, представляют собой безмассовые сгустки энергии. Итак, физика утверждает, что что-то может существовать без массы, что объект может быть реальным, не будучи при этом материальным. Все сущее определяет физическую реальность, следовательно, новая физика постулирует, что реальность может быть нематериальной. Энергия более фундаментальна, более важна, чем масса. Для более глубокого понимания Природы требовался новый взгляд на нее. Физики должны были научиться отпускать прошлое.

В своей четвертой публикации, вышедшей в 1905 году и занимавшей всего несколько страниц, Эйнштейн вывел свою знаменитую формулу E = mc2. Он писал: «Если тело испускает энергию L в форме излучения, то его масса изменяется как L/c2». «Соответственно, – заключил Эйнштейн, – масса тела является показателем содержащейся в нем энергии». Итак, говоря об объектах, мы можем ссылаться только на их энергию (энергию в них). Энергия объединяет массу и излучение, потенциально превращая одно в другое. В конце своей работы Эйнштейн предположил: «Существует вероятность, что эту теорию можно успешно проверить на телах, содержание энергии в которых существенно варьируется (например, на радиевых солях)». И он был абсолютно прав! Радиевые соли, о которых говорит Эйнштейн, представляют собой радиоактивные ядра, которые по мере распада испускают либо более мелкие частицы, либо чистое излучение. Как и предсказывал Эйнштейн, излучение распада, состоящее из фотонов гамма-лучей, имеет энергию, прямо пропорциональную массе, утрачиваемой ядром (умноженной на скорость света в квадрате).

За следующие 25 лет в науке произошел настоящий взрыв. Квантовая революция изменила не только наше видение мира, но и жизнь в нем. Запущенные ею процессы идут и сейчас и будут продолжаться еще долгое время. Мы с вами обратим внимание на первый аспект квантовой революции – ее фундаментальный вклад в наше представление о реальности. Второй аспект связан с более прагматичными и технологическими сторонами квантовой физики, обусловливающими возникновение цифровой эры, в которую мы живем сейчас. Эти аспекты связаны между собой, но все же являются независимыми областями. Иногда мы будем упоминать об использовании цифровых технологий при сборе и анализе данных, но эта тема останется для нас вторичной.

Первый фундаментальный урок квантовой физики состоит в том, что практичный взгляд на мир, основанный на нашем чувственном восприятии реальности, то есть то, что мы часто называем классическим мировоззрением, является лишь приближением. Реальность сверху донизу, от большого до малого, строится на квантовой механике. Классические теории, такие как законы движения Ньютона или электромагнетизм Максвелла, работают потому, что квантовые эффекты слишком малы для больших систем и ими можно пренебречь. Люди такие же квантовые создания, как и электроны, но наша квантовая природа слишком размыта – настолько, что в большинстве случаев ее можно не учитывать. То же самое верно для деревьев, машин, лягушек и амеб, хотя чем меньше становится объект, тем сильнее размывается граница между классической и квантовой картиной мира. Урок очевиден: по мере спуска в микромир реальность все больше и больше отличается от той, к которой мы привыкли.

Первой проблемой, требовавшей решения, было строение атома. В 1911 году Эрнест Резерфорд доказал, что атом состоит из очень массивного и плотного ядра, имеющего положительный заряд и окруженного электронами с отрицательным зарядом. Иллюстрируя открытие Резерфорда, атом часто (и неверно) представляют в виде своеобразной Солнечной системы в миниатюре. Проблема в том, что электрические заряды – это не планеты. Электромагнетическая теория Максвелла говорит, что движущиеся с ускорением электрические заряды излучают энергию. Если это действительно так, каким образом электрон может двигаться по орбите вокруг ядра в течение длительного времени, не падая на него? Резерфорд не мог этого объяснить, но в своих результатах он был уверен.

В 1913 году датский физик Нильс Бор предложил ответ, который поначалу казался довольно странным. Возможно, электроны движутся вокруг ядра по устойчивым орбитам, идущим от центра как ступени лестницы. Как нельзя находиться между ступеньками, так и электрон не может оказаться между орбитами. Каждая из них имеет собственный уровень энергии, и чем выше орбита, тем большей энергией она обладает. Если вернуться к аналогии с лестницей, то для того, чтобы подняться на каждую последующую ступеньку, вам придется затратить больше энергии, чем для предыдущей. И наоборот, спуск требует все меньше и меньше энергетических затрат. Бор предположил (не имея на то никаких предварительных оснований), что, когда электрон опускается на самую низкую орбиту (ступеньку лестницы), он не может двигаться дальше. Эта конечная точка называется основным состоянием.

Бор никак не объяснял подобное положение дел. Преимущество его теории состояло в сочетании классического представления о циркулярных орбитах с идеями Планка и Эйнштейна о дискретных (квантовых) энергиях и частицах света для объяснения типов излучения, которое испускают атомы в возбужденном состоянии. Бор предположил, что для перехода на более высокую орбиту электрон должен поглотить входящий фотон, энергия которого примерно равна энергетической разнице между двумя орбитами. Когда мы поднимаемся по лестнице или едем на велосипеде в гору, нам нужна энергия. То же самое верно и для электрона. И наоборот, когда электрон спускается на более низкую орбиту, он испускает фотоны, энергия которых опять-таки равняется разности в энергетических значениях двух орбит. Так как различные атомы имеют разное количество протонов и электронов и, как следствие, разные орбиты (или уровни энергии), каждый из них обладает уникальным спектром излучения – совокупностью всех возможных прыжков, которые электроны могут совершить по мере движения вниз к основному состоянию. Эти спектральные характеристики из-за их уникальности часто сравнивают с отпечатками пальцев. Они являются ключевыми объектами изучения спектроскопии – хлеба насущного астрономии. Вместо того чтобы организовывать полет к далекой звезде или планете, можно исследовать ее свет и спектральные характеристики.

Совершенно очевидно, что теория Бора была гибридом, переходным звеном. Более подробное описание поведения электронов в атомах появилось лишь после Первой мировой войны, когда физики снова смогли вернуться к своей работе. В то время существовали две школы физической мысли, лидерами которых были Эйнштейн и Бор. Эйнштейн верил, что секреты квантовой физики можно постичь путем изучения дуалистичной корпускулярно-волновой природы света. Бор же, в свою очередь, концентрировался на скачках электронов между атомными орбитами.

В 1924 году Луи де Бройль, бывший историк, переключившийся на изучение физики, блестяще доказал, что ступенчатые орбиты электронов в боровской модели атома легко поддаются объяснению, если представить электрон в качестве стоячих волн вокруг ядра, аналогичных тем, что мы видим, когда дергаем веревку, закрепленную с одного конца. В случае с веревкой стоячая волна формируется в результате усиливающей и ослабляющей интерференции между волнами, движущимися по веревке в обе стороны. В электроне стоячие волны формируются аналогичным образом, только электронная волна замыкается сама на себя, как Уроборос – мифический змей, поглощающий собственный хвост. Чем сильнее мы трясем веревку, тем больше пиков волн можем наблюдать. Точно так же чем выше орбита электрона, тем больше пиков у волны.

При большой поддержке Эйнштейна де Бройль смело экстраполировал понятие корпускулярно-волнового дуализма со света на все движущиеся объекты. С волнами теперь ассоциировался не только свет, но и вообще любая материя. Де Бройль также предложил формулу расчета длины волны любой частицы материи массой m, движущейся со скоростью v (так называемой длиной волны де Бройля).

Бейсбольный мяч, движущийся со скоростью 70 километров в час, имеет длину волны де Бройля, равную 22 миллиардным долям триллионной доли триллионной доли сантиметра (2,2 × 10–32 сантиметра). Из-за такого крайне слабого волнения материи мы воспринимаем мяч как твердый объект. Электрон, движущийся с одной десятой скорости света, имеет длину волны, равную примерно половине размера атома водорода (точнее, половине наиболее вероятного расстояния между электроном в основном состоянии и ядром атома). Волновая природа движущегося мяча неважна для понимания его движения, а вот в случае с электроном она крайне релевантна.

Бор, со своей стороны, считал, что любые попытки представить электрон или любой другой квантовый объект в качестве частицы или волны были не так важны, как экспериментально подтверждаемые данные, например энергия атомных орбит и частота и интенсивность излучения, испускаемого атомами. В 1925 году Вернер Гейзенберг, а чуть позже – Макс Борн и Паскуаль Йордан предложили описание поведения атомов, строго соответствующее боровской философии.

Их теория, известная как матричная механика, оттесняла в сторону классические понятия, такие как детерминированное поведение частиц и волн, и фокусировалась на энергии между орбитами и излучении, поглощаемом и испускаемом электронами во время переходов. Матричная механика описывала необычный мир, в котором объекты, не имеющие строгой физической формы, осциллировали между различными состояниями с определенными вероятностями. Частота колебаний определялась разностью энергий между орбитами. Для того чтобы получить этот результат, Гейзенберг создал образ электрона как объекта, «размазанного» в пространстве и, соответственно, не имеющего ни конкретного местоположения, ни скорости (механического момента). Расчеты были сложными, но их результаты подтверждались экспериментально. Странная природа квантового мира потребовала от физиков совершенно нового способа описания физической реальности. В самом сердце материи было спрятано что-то нематериальное, по крайней мере, не являющееся таковым в общепринятом смысле. Атомизм прошел большой путь от Левкиппа, Демокрита, Бойля и Ньютона. Для того чтобы понять самую суть реальности, Природу нужно было открыть заново.

Вот почему, когда Эрвин Шрёдингер опубликовал собственную версию квантовой механики в 1926 году, научное сообщество восприняло ее как огромное достижение. В отличие от абстрактной матричной механики Гейзенберга, Борна и Йордана теория Шрёдингера строилась на волновом уравнении – гораздо более известном и легче трактуемом подходе, соответствующем философии Эйнштейна – де Бройля о дуалистичных частицах и волнах как основе квантового мира. Появилась надежда, что квантовая механика все-таки является детерминистской, то есть может быть сформулирована таким образом, чтобы будущие события напрямую вытекали из прошлых, как в ньютоновской механике, без участия вероятностей. Иными словами, если квантовый мир детерминирован, то, зная положение и скорость частицы в определенный момент времени, а также будучи осведомленными о том, какие силы на нее действуют, мы можем с уверенностью предсказать ее будущее. Восторг научного сообщества еще больше возрос, когда в своей четвертой и последней блестящей работе Шрёдингер доказал равенство своего подхода и теории Гейзенберга, продемонстрировав, что они просто описывали одно и то же явление с двух разных точек зрения. Волновое уравнение Шрёдингера открыло ученым дверь в мир квантовой механики, к физике атомов и молекул. Сегодня оно лежит в основе каждого курса по квантовой механике, в каком бы университете или стране его ни читали.

Энтузиазм, с которым было принято волновое уравнение Шрёдингера, объяснялся надеждой на то, что Бор и Гейзенберг были не правы и что странная природа квантовой физики являлась всего лишь заблуждением, проистекающим из ограниченности наших представлений о Природе. Эйнштейн, Планк, Шрёдингер и де Бройль верили, что за зыбким квантовым миром вероятностей и нестабильности стоит упорядоченная и полностью детерминированная реальность. Вот почему в письме Максу Борну от 4 декабря 1926 года Эйнштейн написал свои знаменитые строки: «Квантовая механика достойна всяческого уважения. Но внутренний голос говорит мне, что это еще не окончательное решение. Теория дает много, но не приближает нас к раскрытию тайн Старого Господина. В любом случае, я уверен, что Он не играет в кости». Вот почему на пятой Сольвеевской конференции в октябре 1927 года Бор посоветовал Эйнштейну: «Прекратите указывать Богу, что делать».

Но надежды Эйнштейна и других так называемых научных реалистов не оправдались. В 1927 году Гейзенберг доказал, что неопределенность является основой квантовой физики, в частности, в том, что касается позиции объекта и его механического момента (или скорости, по крайней мере, для движения на скоростях меньше скорости света). Даже лучшие инструменты не могли определить положение и скорость частицы с достаточно высокой точностью. Иными словами, мы не можем однозначно сказать, где частица находится и с какой скоростью движется, а ведь именно эти данные являются условиями для детерминистического определения ее поведения в будущем. Для света с его корпускулярно-волновым дуализмом это был вполне ожидаемый результат. Если нечто не является ни волной, ни частицей, но чем-то промежуточным (или совершенно иным), его положение и скорость выявить трудно. И чем меньше объект, тем с большими затруднениями мы сталкиваемся, что соответствует понятию длины волны де Бройля. Мы можем с достаточной точностью установить, что бейсбольный мяч имеет определенное положение в пространстве и скорость, но проделать то же самое с электронами или другими мелкими частицами невозможно.

Возможно, самым загадочным аспектом теории Гейзенберга является тот факт, что неопределенность, присущая квантовой физике, не является технологической проблемой, возникающей из-за ограниченной точности измерительных приборов. Квантовая неопределенность – это фундаментальное выражение того, как природные объекты взаимодействуют на малых дистанциях. Это характеристика мира, отличного от нашего. Мы не можем устранить его с помощью более совершенных технологий. Наоборот, так как измерения означают вмешательство, то чем больше мы стараемся, тем сильнее влияем на то, что пытаемся измерить, и тем быстрее оно от нас ускользает. Квантовый мир находится в постоянном движении, как школьная комната, полная первоклашек. Как бы мы ни старались, мы не сможем заставить его остановиться. Как писал австрийский физик Антон Цайлингер в своей книге Dance of the Photons, «многие века мы пытались проникнуть все глубже и глубже в поисках причин и объяснений, и внезапно, когда мы зашли слишком далеко, до поведения отдельных частиц и квантов, мы поняли, что поиск причин завершен. Причин не существует. Мне кажется, что эта фундаментальная недетерминированность еще не до конца осознана человечеством».

 

Глава 22. Сказка об отважном антропологе

в которой аллегорически объясняется роль наблюдателя в квантовой физике и то, как измерения влияют на измеряемое

Эта сказка поможет нам понять, как акт наблюдения влияет на его объект. Жил-был однажды отважный антрополог, который провел много лет в поисках затерянного племени в дебрях Амазонки. Об этом племени он узнал из случайного упоминания в письме малоизвестного португальского исследователя, написанном несколько столетий назад. Точное местонахождение племени в письме не указывалось, а сам исследователь пропал без следа. Коллеги потешались над нашим ученым, но отважный антрополог (допустим, его звали Вернером) не оставлял своих поисков. Он был уверен, что в джунглях Амазонки должны были проживать неизвестные племена – если даже не те, что упоминались в письме, так другие. «Если не искать, никогда не найдешь», – говорил Вернер своим сомневающимся коллегам.

После многих ошибок, поворотов не туда и долгих месяцев, проведенных в самых дальних уголках на северо-востоке амазонской сельвы, Вернер наконец наткнулся на небольшую прогалину в роще тропических деревьев. В ней, почти невидимая глазу, была спрятана деревня из 20 хижин. Несколько голых детей бегали по ней, пиная ногами какой-то круглый плод. Вернер улыбнулся: «Даже здесь играют в футбол». Понимая, что местные жители быстро его заметят, он огляделся в поисках укрытия. Наконец Вернер забрался на росшее неподалеку дерево, расстелил свой спальный мешок на широкой ветке и убедился, что рядом с ним не притаилась анаконда или еще какой-нибудь неприятный сосед – с него было достаточно и назойливых мошек. Пищи и воды ему должно было хватить на три дня.

Вернер достал бинокль и блокнот и начал свои наблюдения. Как и в других племенах, женщины проводили большую часть времени в деревне за плетением корзин, уходом за огородами и воспитанием детей. Мужчины и мальчики делали оружие и занимались охотой и рыболовством. Вся деревня действовала как единый организм, в котором каждый был чем-то занят. Люди постоянно сновали туда-сюда. Старейшина и его жена сидели в тени самой большой хижины и молча наблюдали за работой. «Вполне возможно, что все эти люди – одна семья или клан», – подумал Вернер. Он с восторгом осознал, что никто до него не наблюдал за жизнью этого племени в ее первозданном виде: «У них есть все, что может им понадобиться. Лес снабжает их всем необходимым. Невозможно провести границу между человеческой деревней и лесом – они находятся в полном слиянии друг с другом».

Мальчишка, на вид лет пяти, упал и сильно поцарапал ногу. Жена старейшины тут же поспешила к нему и втерла ему в рану немного мази. Мальчик улыбнулся и побежал играть дальше. Судя по всему, боли он больше не чувствовал. «Эта женщина, очевидно, врач племени, – записал Вернер в блокнот. – Нужно узнать, что за травы она использует в качестве анестетика».

Вечером, после того как мужчины и подростки вернулись с охоты, все племя собралось вокруг костра в центре деревни. Старейшина рассказывал им что-то, вероятно предания о давно ушедших днях, а в конце каждого его предложения все племя хором пело какую-то мантру, восхваляя подвиги своих далеких предков.

Когда все племя разошлось по хижинам, Вернер тоже начал готовиться ко сну. «Какая невероятная удача, – прошептал он. – Эти идиоты дома умрут от зависти!» Он чувствовал себя самым счастливым человеком на Земле. Вернер уже почти заснул, когда кто-то встряхнул его за плечи. Его обнаружили! Трое сильных мужчин стащили его с дерева и поволокли в палатку старейшины. Вокруг стояли крики, а жители деревни показывали на него пальцами. Вернера раздели догола и внимательно осмотрели его одежду и тело. Теперь не он изучал их, а они его! «Если я выживу, то сделаю все возможное, чтобы защитить эту деревню», – подумал Вернер. К его удивлению, жена старейшины поднесла ему чашу с горячим напитком и жестами предложила выпить его. Вернер сделал так, как ему было велено, и через несколько минут уже крепко спал.

Когда он проснулся, солнце уже было высоко. Местные жители соорудили для него хижину рядом с жилищем старейшин, ожидая, что он поселится в деревне вместе с ними. Вернер был в восторге. «Итак, я жив. Значит, я могу продолжать наблюдения», – решил он. Но через некоторое время он заметил, что жизнь в клане полностью изменилась. Он стал центром существования как для взрослых, так и для детей. Малыши ходили за ним по пятам, дергали его за бороду и предлагали поиграть вместе с ними с импровизированным мячом. Молодые женщины смотрели на него со страстью, размышляя, каково это – заняться любовью с белокожим мужчиной. Воины все время были начеку, каждую минуту ожидая от него нападения. «Они больше не такие, как прежде, и никогда не будут, – с грустью понял Вернер. – Мое присутствие изменило их поведение, и пути назад нет. Я уничтожил их представления о мире и дал им другие, которые навсегда останутся с ними». Но изменился и сам Вернер. Он уже не был уверен, что хочет домой.

Я рассказал вам историю Вернера, чтобы проиллюстрировать разницу между классическим и квантовым подходом к измерениям. До того, как племя обнаружило Вернера, он обладал «первозданной» информацией о его жизни, то есть факты, которыми он располагал, не были затронуты его присутствием. Это идеальная ситуация для наблюдателя, при которой он не влияет на объект наблюдения и между ними сохраняется дистанция. Наше восприятие реальности в значительной степени зависит от таких наблюдений, учитывая, что мы осознаем присутствие лишь крупных объектов, для которых квантовые эффекты, судя по всему, не имеют большого значения. Мы видим книги, сложенные на столе, машины, проезжающие по улице, мух, жужжащих вокруг нас, и наше наблюдение не влияет на их поведение. Разумеется, если вы сделаете движение в сторону машин или мух, они отреагируют соответствующим образом, но сейчас речь не об этом. Это классическое приближение, мир сенсорного восприятия, в котором квантовые эффекты себя не проявляют. Как мы увидим далее, изучая реалистичность такого приближения (даже если мы считаем ее самой собой разумеющейся, раз приближение строится на том, как мы воспринимаем мир), можно многое узнать о природе квантовой физики.

Вторая часть истории, в которой племя уже знает о присутствии Вернера, является иллюстрацией к пространству квантовых эффектов, в котором акт наблюдения влияет как на наблюдаемый объект, так и на наблюдателя и изменяет их необратимым образом. Ни племя, ни сам Вернер уже не были прежними после того, как его обнаружили. Вернер стал частью племени, а племя – частью Вернера. Они превратились в неразрывное целое. Знание о существовании друг друга повлияло на их истории, и ни Вернер, ни жители деревни уже не могли вернуться к независимому состоянию, которое предшествовало их знакомству. Они «запутались» друг в друге – именно этот термин в 1935 году предложил Шрёдингер для обозначения одной из основных характеристик квантовых систем.

 

Глава 23. Откуда в квантовом мире берутся волны

в которой мы рассмотрим странную интерпретацию квантовой механики, предложенную Максом Борном, и узнаем, как она усложняет наши представления о физической реальности

Давайте быстро повторим пройденное. За первые 25 лет ХХ века наши познания о физическом мире достигли небывалых высот благодаря теориям относительности Эйнштейна и квантовой механике Гейзенберга, Шрёдингера и их коллег.

Необычность квантовой механики никак не связана с ее эффективностью как физической теории. В принципе, это самое точное описание Природы, которым мы располагаем на сегодняшний день, включающее в себя мельчайшие свойства материалов, молекул, атомов и субатомных частиц. Трудность заключается в интерпретации, то есть в понимании того, что на самом деле происходит в квантовом мире. Мы уже видели, как объекты малого размера могут вести себя то как частицы, то как волны в зависимости от условий эксперимента, которому они подвергаются. Мы знаем, что такое дуалистичное поведение объясняется внутренней недетерминированностью природы, выраженной в принципе неопределенности Гейзенберга. Нам известно, что с учетом этого принципа мы не можем разделять наблюдателя и наблюдаемое, так как сам факт наблюдения влияет на его предмет – и не просто влияет, а, что очень важно, определяет его. Иными словами, если квантовая механика верна, а у нас нет указаний на обратное, наблюдатель определяет физическую природу наблюдаемого. Электрон – это не частица и не волна. Он становится частицей или волной в зависимости от метода наблюдения. При проведении опытов на коллайдере электрон ведет себя как частица, а при прохождении через две узкие прорези создает интерференционный узор как волна. В квантовом мире любое явление – это всего лишь вероятность, лотерея, результат которой зависит от того, кто (или что) вращает барабан.

Научный реалист мог бы возразить на это:

– Но ведь природный объект должен существовать в какой-то форме еще до начала наблюдений.

– Возможно, – ответил бы ему на это последователь квантовой механики. – Но мы ничего не можем сказать про эту форму, и она не имеет значения. Важно лишь то, что благодаря этой странной конструкции мы можем объяснить результаты своих наблюдений.

– То есть вы хотите сказать, что объекты существуют только тогда, когда мы на них смотрим? Электрона нет в природе, пока мы не начинаем с ним взаимодействовать?

– Да, именно это я и хочу сказать. Фактически электрон существует лишь тогда, когда мы измеряем его свойства.

– Но что насчет больших тел? В конце концов, и горы, и деревья, и люди состоят из атомов. Их тоже не существует, пока мы на них не посмотрим?

– Строго говоря, так и есть. Мы не можем знать, реально ли что-то, пока мы не вступим с ним во взаимодействие. Это верно и для макромира. Мы можем лишь предполагать, что крупные объекты существуют, потому что они существовали и до этого. Но пока мы не посмотрим на них, мы не можем быть уверены. На практике большинство людей считает, что существует некая разделительная черта или, еще лучше, переходная зона, после которой классическое описание реальности снова начинает работать. Для объяснения этого существует термин «декогерентность», к которому мы вернемся чуть позже.

– Хорошо. Но никто не знает, где эта переходная зона начинается и заканчивается, верно? Ничто не существует до тех пор, пока мы его не наблюдаем, по крайней мере в теории?

– Я знаю, звучит глупо. Вот почему мы не любим во все это углубляться. Мы используем квантовую механику по необходимости, проводим с ее помощью расчеты и расходимся по домам.

– Ну что ж, если вы не хотите познать истинную природу вещей, а просто используете свою теорию для расчетов, в этом нет ничего страшного. Но разве вы не хотите вырваться из этой тюрьмы практичности?

– Возможно, суть квантовой механики заключается в том, что мы не можем проникнуть в суть реальности, что нам нужно научиться жить с этим осознанием и принять ограниченность наших знаний. Мы должны научиться отпускать.

– Ну нет, так не пойдет. А что насчет всей Вселенной? Разве она не была маленькой до Большого взрыва? Если так, то не значит ли это, что она представляла собой квантовый объект? Но если так и если все вокруг подчиняется квантовой механике, выходит, Вселенная все еще им остается? Или в ней уже работают законы классической механики? Кто выступает в роли ее наблюдателя?

– Прости, дружище, мне пора домой.

– Esse est percipi – «Существовать – значит быть воспринимаемым». Так сказал епископ Джордж Беркли еще в 1710 году.

– Да, но Беркли использовал эту фразу как доказательство существования Бога, вечного наблюдателя, дающего жизнь всему. Не думаю, что это поможет нам понять квантовую механику.

– Но ведь в этом месте тайна всего сущего и природа реальности сходятся воедино и…

– Все, вот теперь я точно ухожу!

Странное квантовое поведение не ограничивается только микромиром. Все вокруг подчиняется квантовой механике, все движется, и ничто не остается стабильным. Разница лишь в том, что на малые объекты это движение оказывает огромное влияние, в то время как в больших телах квантовые колебания незаметны. Суть в том, что мир подчиняется законам не классической, а квантовой механики. Ньютоновское видение мира – это всего лишь удачное приближение, действующее для больших объектов, в отношении которых квантовыми эффектами можно безопасно пренебречь. Тем не менее это не больше чем приближение. Существуют разные способы определить, в какой момент квантовые эффекты перестают быть важны (например, при небольшой длине волны де Бройля по сравнению с параметрами системы, при высоких температурах или сильном внешнем воздействии), но тем не менее они могут оставаться релевантными и в достаточно больших масштабах. Неужели вся Вселенная живет по законам квантовой механики?

Когда Шрёдингер записал свое волновое уравнение, ему нужно было понять, что оно значит, найти подходящую интерпретацию. Что-то присутствовало во времени и пространстве, и в своем уравнении он назвал это что-то волновой функцией, то есть математической функцией пространства и времени ψ(t,x). Так как своей первой задачей Шрёдингер видел объяснение теории де Бройля об электронных волнах, движущихся вокруг ядра атома по разным орбитам, его первым порывом было приравнять волновую функцию к таким волнам. Когда это не сработало, он попробовал интерпретировать свое волновое уравнение как описание плотности заряда электрона. Уравнение представляло электрон чем-то вроде расходящейся от заряда волны и позволяло рассчитать его наиболее вероятное местоположение. В письме Хендрику Лоренцу от 6 июня 1926 года Шрёдингер подошел невероятно близко к правильному ответу, предположив, что в физической интерпретации должен учитываться квадрат волновой функции: «Физическое значение имеет не само число, а его квадратичная функция». Итак, знатоки соотносят количество с абсолютным квадратом ψ(t,x), так как это сложная функция.

Шрёдингер не собирался отказываться от мысли, что его уравнение описывало что-то конкретное. Ему оставался всего один шаг до верной интерпретации, но он не мог отойти от своего научного реализма. Через несколько дней после того, как Шрёдингер опубликовал свою работу, в которой попытался связать волновую функцию с плотностью заряда электрона, Макс Борн выступил с альтернативой, которая ужаснула Шрёдингера, де Бройля, Планка и Эйнштейна. Волновая функция не описывала ни электрон, ни плотность его заряда. Она вообще не была реальна. Борн заявил, что математическая функция, включенная в уравнение Шрёдингера, была всего лишь инструментом для расчета. Ее роль заключалась в том, чтобы указывать на нахождение электрона с определенной энергией в определенное время в определенном месте (так называемую амплитуду вероятности). Возведя ее в квадрат, можно получить плотность вероятности, то есть число от 0 до 1, указывающее на вероятность того, что при измерении позиции электрона он обнаружится неподалеку от определенной точки х.

Важно понимать, что волновая функция указывает амплитуду вероятности электрона на момент времени до начала измерений. После включения устройства, способного засечь электрон, и обнаружения электрона в точке х он продолжит в ней оставаться. Интерференция между устройством и частицей закрепит электрон на своем месте. Уравнение Шрёдингера указывает на вероятность того, что электрон будет где-то обнаружен, но как только это происходит, история заканчивается. Волновая функция коллапсирует в одной точке пространства (в пределах, обеспечиваемых точностью измерений). Каким-то непонятным образом обнаружение электрона устанавливает его местоположение. Волновая функция указывает на то, что его в принципе можно обнаружить в той или иной точке, но его фактическое местоположение неизвестно. Удивительно еще и то, что этот коллапс происходит мгновенно: как бы широко волновая функция ни была распространена в пространстве до начала измерений, в момент измерения она немедленно сжимается до области, окружающей точку нахождения электрона. Это противоречит понятию локальности, предусматривающему, что никакое физическое воздействие не может двигаться быстрее скорости света. Только факторы, у которых имелось достаточно времени для того, чтобы достичь объекта (то есть в узком смысле являющиеся локальными), могут влиять на его поведение. Как же волновая функция, «части» которой расположены на различных расстояниях друг от друга, может сколлапсировать целиком и одновременно?

Возможно, для объяснения лучше будет воспользоваться аналогией. Представьте, что Нильс делает ремонт в доме Вернера в пригороде Манауса, столицы штата Амазонас в Бразилии (после войны Вернер решил не возвращаться в Германию, но не жить же ему из-за этого в джунглях). Дом Вернера стоит на отшибе, окруженный густой растительностью. Нильс вышел из него на минутку, оставив окно открытым. За это время в дом вполз огромный бушмейстер – самая опасная из всех ядовитых змей Бразилии – и уснул, вытянувшись на ступеньках большой лестницы. Заметив открытое окно, Вернер почуял неладное, на цыпочках вышел из дома, заглянул внутрь и увидел спокойно спящего внутри монстра 10 футов длиной. Тяжело дыша, Вернер уже потянулся было за палкой, как вдруг услышал голос вернувшегося Нильса: «Эй, дружище, что происходит?» – «Тссс! Ты что, умереть захотел? Смотри!» Услышав их разговор, змея проснулась и стремительно свернулась в кольцо вокруг одной из ступенек лестницы. Во время сна она не находилась ни на какой конкретной ступеньке, а затем, после взаимодействия с голосом Нильса, сколлапсировала до одной. И, судя по всему, была этим очень недовольна.

Математическая часть квантовой механики описывает действия материи, не ссылаясь на нее напрямую. В уравнении учитываются силы, влияющие на электрон (или иную частицу или атом, который является предметом исследования), но не электрон сам по себе. Таким образом, в нем смешивается реальное (силы и энергия) и нереальное (волновая функция). Волновая функция содержит в себе всю статистическую информацию, которую мы можем получить из физической системы, но не представляет элементы такой системы. Если я брошу камень в пруд и составлю уравнение, описывающее распределение кругов по воде, такое уравнение, наоборот, будет представлять реальную волну. Между волной на поверхности воды и математической функцией будет иметься прямая корреляция, в то время как за волновой функцией в уравнении Шрёдингера не будет стоять реальная волна.

Необычная концептуальная структура уравнения Шрёдингера вызывает вопросы: какие именно объекты оно вообще описывает и где они находятся до измерения? В нашей аналогии бушмейстер растянут по всей поверхности лестницы, то есть одновременно присутствует везде. Но змея, даже будучи, в принципе, квантовым объектом, хорошо соответствует классической модели. Мы можем видеть ее до и после того, как она заметит нас. Кроме того, она не коллапсирует вокруг одной ступеньки мгновенно, а делает это в несколько последовательных этапов. Органы чувств воспринимают потенциальную добычу и запускают нервный импульс, который ведет к сокращению мышц и переводу всего организма в режим атаки. Реальны ли объекты квантового мира настолько же, насколько реальна змея? Возможно ли, что и я, и камень, и пруд состоим из несуществующих элементов? Вопрос реальности – это главный элемент нашего толкования квантовой механики.

Физики сражаются с этим вопросом с самых первых дней ее существования. Эйнштейн, Шрёдингер и научные реалисты полагали, что текущее описание было всего лишь временным вариантом, который вскоре должно было заменить более сложное объяснение. Обратите внимание, как противопоставляются эти два термина – «объяснение» и «описание». Научный реализм предполагает, что наука должна объяснять реальность, что реальные объекты существуют на всех уровнях и что объяснения (если таковые имеются) распространяются на все из них. Эйнштейна больше всего смущала в квантовой физике не ее вероятностная природа, а именно это отрицание реальности в науке. Однажды во время прогулки по Принстону он в шутку спросил друга: «А что, Луны тоже не существует, когда я на нее не смотрю?»

Если оставить в стороне чувство юмора Эйнштейна (впрочем, скоро мы к нему вернемся), объяснение реальности может оказаться слишком сложной задачей даже для науки, в особенности если мы придаем своим объяснениям статус окончательности (что, как я уже говорил, несовместимо с научным прогрессом). Эфир, флогистон, теплород и модель атома Бора – все это описания природных явлений, и неважно, верны они или нет. Во время их создания они играли важную роль мостов между старыми и новыми представлениями. Очевидно, что с точки зрения научного реализма за ними не стояло никакой научной реальности. Для науки с ее постоянно меняющейся точкой зрения гораздо лучше было бы считать наши модели и теории описаниями тех частей реальности, которые мы можем измерить и осмыслить. Когда дело доходит до физической реальности, мы можем говорить не об окончательных объяснениях, а лишь о более или менее эффективных описаниях.

В качестве примера философии научного реализма можно привести теорию скрытой переменной де Бройля – Бома (подробно разработанную Бомом во время работы с Эйнштейном в Принстоне, а затем – в Сан-Паулу, куда Бом уехал в 1952 году, опасаясь преследований маккартистов), которая отражает ранние идеи де Бройля. Бом добавил в квантовую теорию еще один уровень объяснений для описания позиции электрона с большей точностью. Этот уровень он назвал пилотной волновой функцией. Уравнение Шрёдингера оставалось без изменений, просто у него появлялся «предшественник». Как дирижер управляет игрой различных секций оркестра во время исполнения симфонии, так и пилотная волновая функция определяет, каким именно образом волновая функция принимает одно из возможных состояний. Пилотная волна находится одновременно во всех точках пространства, как вездесущее божество. Это свойство физики называют нелокальностью. Иными словами, в соответствии с механикой де Бройля – Бома частицы оставались частицами, а их коллективное движение было детерминировано нелокальным действием пилотной волны. Частицы представляются чем-то вроде группы серферов, покоряющих одну волну, которая и определяет их движение в ту или иную сторону.

В теории де Бройля – Бома поведение электрона было совершенно предсказуемым, и его присутствие в той или иной точке можно было рассчитать с достаточной точностью. Скрытая переменная становилась связующим звеном между классическим видением реальности и зыбким миром квантовой неопределенности. Но для того, чтобы сделать квантовую механику детерминированной, физикам пришлось заплатить свою цену – ввести бесконечную сеть связей и влияний между всем сущим. По сути, вся Вселенная принимает участие в формировании результата того или иного эксперимента. Скорость и ускорение каждой частицы зависят от положения всех остальных частиц. Вселенная определяет условия среды, применимые к каждой подсистеме – от эксперимента с коллайдером до движения облаков в небе. Именно это физики и называют нелокальностью – но с определенной долей сарказма. Неудивительно, что книга Бома о философском основании его концепции называется «Целостность и имплицитный порядок», и неудивительно, что лишь немногие ученые поддержали его подход, хотя некоторые варианты теории де Бройля – Бома все еще являются предметом активных исследований. Одна из проблем состоит в том, что эта теория (по крайней мере, в большинстве своих версий) дает те же результаты, что и квантовая механика, и потому неотличима от нее. Скрытую переменную невозможно вычислить. Нам бы хотелось делать выбор между конкурирующими теориями на основании экспериментов. Если разные теории дают одинаковые экспериментальные результаты, почему бы не выбрать самую простую из них, то есть традиционную квантовую механику без дополнительных пилотных волн? Вот почему я на время оставлю скрытые переменные и сфокусируюсь на том, что именно квантовая механика говорит (или не говорит) нам о природе физической реальности.

 

Глава 24. Можем ли мы распознать реальность

в которой мы узнаем, как квантовая физика влияет на наше понимание реальности

Одним из самых удивительных выводов из квантовой физики является тот факт, что акт измерения оказывает влияние на измеряемое. По сути, он определяет измеряемое, придает ему физическую реальность. Между наблюдателем и наблюдаемым им объектом создается связь, которую сложно разорвать. Возможно, точнее всего это выразил Паскуаль Йордан, работавший над матричной механикой вместе с Гейзенбергом и Борном: «Наблюдения не просто беспокоят наблюдаемый объект, они создают его… Мы принуждаем [электрон] занять определенную позицию… Мы сами производим результаты измерений».

После возникновения связи исчезает разделение между вами как наблюдателем и оставшейся частью мира (такое разделение мы обычно называем объективностью). Как понять, где заканчиваетесь вы и начинается то, что вы измеряете? Если мы прочно связаны с «внешними объектами», то никаких «внешних объектов» не существует – есть лишь одно неделимое целое. Разделять больше нечего. Вы едины со всей остальной Вселенной. А вот еще один сложный вопрос: если вы связаны со всем миром, то в какой степени вы обладаете свободой? Возможно ли, что наша личная независимость – всего лишь иллюзия? Диктует ли влияние внешних сил наше поведение? Неужели мы подобны паукам, которые не могут существовать без своих паутин?

Здравомыслящий человек мог бы возразить: «Но ведь в реальной жизни все работает совсем не так. Просто оглянитесь вокруг, и вы увидите, что мы отделены от остального мира и существуем независимо от него. Я и стул, на котором я сижу, – это разные вещи. Стул существует самостоятельно, отдельно от меня. Это автономный объект, и в нем нет ничего квантового. Кроме того, не человек обнаруживает частицу – это делает специальное устройство, детектор. А ведь это тоже большой объект, подчиняющийся классическим законам. В заявлении о том, что акт измерения влияет на измеряемое, есть некоторая натяжка. Частица взаимодействует с материалами, из которых сделан детектор, и после достаточного увеличения это взаимодействие фиксируется счетчиком или отслеживающим устройством. За существованием такой частицы не стоите ни вы, ни другое сознание – всего лишь щелчки детектора. Задача квантовой механики – объяснить эти щелчки, и она прекрасно это делает, используя вероятности. Микроскопические объекты не существуют в том же смысле, что вы или я. Они всего лишь создания нашего разума, инструменты для описания того, что мы наблюдаем. К чему вся эта метафизика?»

В приведенном выше параграфе описывается так называемая ортодоксальная позиция, основанная на копенгагенской интерпретации квантовой механики, которую изначально разработали Гейзенберг и Бор для того, чтобы смягчить растерянность и отчаяние ученых, работающих в этой области. Преподаватели квантовой механики обычно не выходят за рамки копенгагенской интерпретации с ее прагматичным подходом к реальности. Эта позиция допустима, но ровно до того момента, пока нам не захочется углубиться в суть вещей. Когда же мы задумываемся о ней, начинает нарастать неприятное ощущение, которое становится все сильнее и сильнее по мере того, как мы продвигаемся дальше.

Несомненно, существование частицы обнаруживает детектор, а не человек. Но ученый и его направленность на предмет, то есть специально подобранная методика организации эксперимента, появляются раньше детектора. Детектор не существует без человека. Он не смог бы работать, если бы его кто-то не включил или не запрограммировал на определенные действия. Данные, полученные детектором, не имеют смысла без участия наблюдателя, который может объяснить скрывающиеся за ними закономерности. Электрон не существует без сознания, которое интерпретирует его существование. Иными словами, существование объекта, будь он квантовым или классическим, зависит от признающего его сознания. Вселенная без разума пуста, так как в ней нет существ, способных понять значение слова «существование». Сама концепция существования подразумевает наличие сознания, способного к высшим рассуждениям. Существование – это конструкция, которую изобрели мы сами, чтобы объяснить свое место в космосе.

Разумеется, это не означает, что Вселенная возникла лишь в тот момент, когда в ней появились сознательные наблюдатели (если только вы не согласны с епископом Беркли и его принципом Esse est percipi). Это произошло гораздо раньше. Люди, а также иные разумные существа, способные рассуждать о сущем, являются продуктами бесчисленных физических и химических реакций, которые не до конца понятным образом сумели породить сложных биологических существ. Для этого потребовалось время – пару миллиардов лет, достаточный срок для того, чтобы сменилось несколько поколений звезд и возникли более тяжелые элементы периодической таблицы, необходимые для появления жизни. Учитывая, что в начале времени не было разумных существ, мы должны заключить, что сознание не является обязательным условием для бытия Вселенной. Если верна гипотеза Мультивселенной, то вселенных может быть множество, и во многих из них нет ни следа жизни. А вот обратное утверждение наверняка будет неверным, ведь жизнь существует только в рамках вселенной. Если отбросить идею бестелесного вселенского Разума, жизнь – это сеть переплетенных между собой физических, химических и астрономических условий, действующих во времени и в пространстве. Вселенная прожила множество эпох своей истории, прежде чем у жизни появилась своя собственная.

Ключевой вопрос заключается не в том, порождает ли сознание Вселенную (эту точку зрения очень трудно научно обосновать), а в том, что происходит со Вселенной после зарождения сознания. Разумеется, от него можно отмахнуться, поверив вслед за Коперником, что во вселенском масштабе нами можно пренебречь, что мы – звездная пыль и в звездную пыль возвратимся. На это я могу ответить вам вот что: позиция Коперника строится на изначально неверном посыле. Неважно, представляем ли мы интерес для Вселенной (правильный ответ – нет). Важно лишь то, как мы вписываемся в нее после осознания своей уникальности как разумных существ. Эту позицию в своей книге A Tear at the Edge of the Universe я называю гуманоцентризмом. Если кратко, мы имеем значение, потому что такие, как мы, встречаются редко. Даже если в космосе есть другие существа, обладающие «сознанием», мы – уникальный эксперимент эволюции.

Какое отношение это имеет к основаниям квантовой физики и природе реальности? Начнем с того, что все, что мы знаем о реальности, проходит через наш мозг. Когда мы разрабатываем эксперимент, чтобы определить, является электрон частицей или волной, «мы» означает человеческий мозг и его способность к мышлению. Детекторы – это продолжения наших органов чувств, фиксирующие события, которые мы затем расшифровываем с помощью внимательного рационального анализа. Мы не вступаем в прямой контакт с электронами, атомами или иными объектами квантового мира. Все, что у нас есть, – это вспышки, щелчки, звонки, линии и потоки данных, которые мы пытаемся интерпретировать. Микромир четко показывает нам, насколько ограничены наши описания реальности. Вот только кроме них у нас ничего нет. Поэтому они на очень глубоком уровне отражают нашу человеческую суть, пути нашего стремления к знаниям и границы, за которые мы не можем зайти. Мы существа, ищущие смысла, и наука – это один из плодов нашего вечного стремления к пониманию реальности.

Несмотря на то что я много лет использовал квантовую механику в своих исследованиях, а также преподавал ее и теорию квантовых полей в университете, когда я взялся за изучение литературы о различных ее интерпретациях, меня заполнило ощущение потери. Неужели реальность может быть настолько туманной? Самым печальным было то, что у этого вопроса отсутствовал простой ответ, общепризнанный выход из ситуации. При расчете квантовых вероятностей мы все совершаем одни и те же действия, но при этом взгляды на то, как квантовая механика сочетается с реальностью, сильно расходятся. Возможно, правильного ответа вообще не существует, а есть лишь разные способы посмотреть на вопрос. Как мы увидим дальше, сложность состоит в том, что некоторые странные квантовые эффекты заставляют нас пересмотреть собственное отношение к Вселенной. Может ли быть такое, что мы и Вселенная – не отдельные сущности, а единое целое? Лишь тот, кого совершенно не привлекает интеллектуальный поиск, может оставаться равнодушным к очарованию квантового мира, к манящим тайнам, в которые погружено наше существование, навсегда заключенное в пределы Острова знаний. И лишь тот, кто равнодушен, не чувствует смеси ужаса и восхищения от того, что суть реальности непознаваема.

В 1935 году Эйнштейн совместно с Борисом Подольским и Натаном Розеном (далее мы будем сокращать эту троицу до ЭПР) опубликовал работу, в которой попытался указать на абсурдность квантовой механики. Вся суть работы отражена в ее заголовке: «Можно ли считать полным объяснение физической реальности, данное квантовой механикой?» У авторов не возникало никаких сомнений в верности самой теории: «Правильность теории определяется степенью соответствия между теоретическими заключениями и человеческим опытом. Опыт, который сам по себе позволяет нам делать выводы о реальности, в физике принимает форму измерений и экспериментов». Проблема, по их мнению, состояла в полноте квантового описания мира. Поэтому они предложили рабочий критерий для определения элементов воспринимаемой нами физической реальности – те физические величины, которые могут быть предсказаны с точностью (то есть с вероятностью, равной единице) без вмешательства в систему. Соответственно, должна существовать такая физическая реальность, которая совершенно не зависит от наших измерений. Например, ваш рост и вес – это элементы физической реальности, так как они могут быть точно измерены (с учетом погрешности измерительных приборов). В принципе, они также могут быть измерены одновременно без влияния друг на друга. Когда кто-то измеряет ваш рост, вы не прибавляете в весе и не худеете. В мире, которым управляют квантовые эффекты, такое четкое разделение невозможно для определенных важных пар значений, что отражается в принципе неопределенности Гейзенберга. ЭПР отказывались это терпеть.

Мы уже знаем, что отношение неопределенностей мешает нам одновременно узнать местоположение и скорость (точнее, механический момент) частицы. Это верно и для многих других пар «несовместимых» значений. Энергия и время также несовместимы, и между ними имеется такое же отношение неопределенностей, как между положением в пространстве и моментом. Еще одним примером является спин частицы – квантовое свойство, которое мы ассоциируем со своего рода внутренним вращением и визуализируем (пусть и не совсем верно) как обращение частицы вокруг своей оси. Квантовые частицы со спином похожи на вращающихся дервишей, только они никогда не останавливаются. Кроме того, вращение всегда происходит с одной и той же угловой скоростью, но при этом разные частицы могут иметь разные спины. Разнонаправленные спины (например, вращение слева направо или сверху вниз) несовместимы – мы не можем измерить их одновременно. В классической физике таких ограничений не существует, так как большинство значений совместимы друг с другом.

Если значения совместимы, вы можете получить их одновременно без каких-либо ограничений. В квантовой физике при несовместимости значений применяется принцип неопределенности, поэтому информация, которую мы можем получить о них обоих одновременно, ограниченна. Если мы знаем скорость частицы, но также хотим вычислить ее местоположение, измерение такого местоположения заставит ее переместиться в определенную точку, «сжимая» ее волновую функцию. Иными словами, измерение активно влияет на частицу и изменяет ее первоначальное состояние. Более того, о первоначальном местоположении вообще нельзя говорить, так как до начала измерения существовали лишь вероятности присутствия частицы тут или там.

Но давайте вернемся к публикации ЭПР. Мы видим, что несовместимые значения нарушают предложенный ими критерий принадлежности физической переменной к физической же реальности. Так как измерять свойства частицы означает влиять на нее, сам акт измерения не соответствует понятию реальности, независимой от наблюдателя. Измерение создает реальность, в которой частица находится в определенной точке в пространстве. ЭПР считали такое объяснение абсурдным. Реальность не должна зависеть от того, кто или что на нее смотрит.

ЭПР рассматривали пару идентичных частиц, движущихся с одинаковой скоростью в разных направлениях. Давайте назовем их частицами А и В. Их физические свойства были зафиксированы в момент их взаимодействия, после которого они разлетелись в разные стороны. Предположим, детектор определяет местоположение частицы А. Так как частицы имеют одинаковую скорость, мы также знаем, где в этот момент находится частица В. Если наш прибор сумеет измерить скорость частицы В в этой точке, мы будем знать и ее местоположение, и момент. Это противоречит принципу неопределенности Гейзенберга, который гласит, что невозможно одновременно получить информацию о скорости частицы и ее положении в пространстве. Кроме того, мы будем знать свойство частицы В (ее местоположение), не наблюдая ее. Согласно определению ЭПР, такое свойство является частью физической реальности. Даже если квантовая физика настаивает на том, что мы не можем узнать его до измерений, это, очевидно, не так. Соответственно, квантовая механика представляет собой неполную теорию физической реальности. В конце своей статьи ЭПР выразили надежду на появление лучшей, более полной теории, которая сможет вернуть физике реализм.

Бор ответил ЭПР всего через шесть недель, причем его работа вышла под тем же заголовком (не уверен, что это было бы возможно сегодня). В своей статье Бор ссылается на понятие комплементарности, которое предполагает, что в квантовом мире нельзя разделять детектор и то, что он наблюдает. Взаимодействие частицы с детектором вводит в состояние неопределенности не только частицу, но и сам детектор, так как они неразрывно связаны между собой. По сути, акт измерения устанавливает измеряемые свойства частицы и делает это непредсказуемым образом. Мы не можем сказать, имела ли она какие-либо свойства до измерения. Учитывая это, мы также не можем наделять эти свойства физической реальностью в том смысле, который подразумевали ЭПР: «Очевидно, что конечное взаимодействие между объектом и измерительными приборами… ведет… к необходимости отказаться от классического представления о причинно-следственных связях и радикально пересмотреть наш подход к вопросу физической реальности» (выделение авторское).

В своем классическом учебнике Дэвид Бом развивает эту мысль: «[Мы предполагаем, что] свойства заданной системы существуют в нестрогой, но определенной форме и что на более точном уровне они не выступают определенными свойствами, но лишь вероятностями, которые более точно проявляются в интеракциях с подходящими для этого классическими системами, например измерительными аппаратами». Бом завершает свою аргументацию ярким пассажем: «Итак, мы видим, что такие свойства, как местоположение и момент, не просто представляют собой не полностью определенные и противоположные вероятности. При высокоточном описании мы даже не можем считать, что они принадлежат только электрону, так как реализация этих вероятностей зависит от электрона в той же степени, что и от системы, с которой он взаимодействует».

Согласно Бору и его последователям, ЭПР строят свои рассуждения на традиционном классическом допущении о существовании реальности, независимой от измерений. От этого допущения необходимо было отказаться. Реальность – куда более странная штука, чем ее хотел видеть Эйнштейн. Все, что мы можем, – это исследовать ее с помощью наших измерительных приборов и толковать результаты, используя вероятностную интерпретацию, которую предлагает квантовая механика. Если за Природой и стоит что-то, это что-то непознаваемо. Гейзенберг писал: «То, что мы наблюдаем, – это не сама Природа, а Природа, которая выступает в том виде, в каком она представляется нам благодаря нашему способу постановки вопросов».

У ЭПР можно различить черты платоновского идеализма – представления о существовании конечной реальности, основы всего сущего, доступной для познания. Различие состоит в том, что для Платона эта реальность представлялась абстрактным миром идеальных форм, в то время как Эйнштейн и научные реалисты видели ее вполне конкретной, хоть и сложной для осознания. Столкновение этих взглядов с прагматичной Копенгагенской интерпретацией и с комплементарностью Бора было неизбежным.

Неужели Эйнштейн, Шрёдингер и научные реалисты всего лишь следовали за античной мечтой о полном понимании мира? Как далеко мы можем зайти в изучении базовой структуры Природы и не будет ли это изучение всего лишь разглядыванием теней на стене? Действительно ли основы сущего непознаваемы?

Шрёдингер отказывался в это верить. В 1935 году, вдохновленный работой ЭПР и ответом Бора, он написал собственную статью, критикующую квантовую физику, в которой и появился его знаменитый кот. Шрёдингер высмеивал теорию, которую сам же помогал создать, вернее, ее экстраполяцию на объекты макромира. И какой-то смысл в этом был.

Представьте себе кота, закрытого в ящике вместе с устройством, которое Шрёдингер назвал «адской машиной»: счетчиком Гейгера, прикрепленным к контейнеру с радиоактивными атомами и бутылке с цианидом. При распаде атом испускает частицу, счетчик Гейгера регистрирует ее и запускает механизм, который открывает бутылку с цианидом, убивающим кота. Если же атом не распадается, кот остается жив. Очевидно, что внешний наблюдатель не сможет сказать, жив кот или нет, до тех пор, пока не откроет коробку. Соответственно, пишет Шрёдингер, если верить квантовой механике, то до открытия коробки кот будет одновременно и жив и мертв. Волновая функция, описывающая всю систему, будет содержать равное количество элементов живого и мертвого кота (он будет находиться в суперпозиции к обоим состояниям).

Согласно копенгагенской интерпретации, сам факт наблюдения приведет к 50 %-ной вероятности смерти кота. Вот уж воистину убийственный взгляд! Но и это еще не все: если кот был либо жив, либо мертв до того, как вы открыли коробку, то это должно подтверждаться его прошлой историей. Он либо был отравлен, либо нет. Означает ли это, что акт наблюдения на самом деле определяет прошлое, то есть направлен во времени назад? Возможно, один взгляд не убивает кота, а воссоздает прошлое?

На это можно ответить, что в роли наблюдателя в данном случае выступает не человек, открывающий коробку, а счетчик Гейгера. Если атом распадается и счетчик это регистрирует, то это является актом наблюдения. В ответ вы могли бы заявить: так как мы не знаем, что на самом деле происходит внутри коробки, то и взаимоотношения между котом и счетчиком неважны. Значение имеет только взгляд, который мы бросаем в коробку, так как он вводит в эту историю наблюдателя.

В основе этой задачки лежит парадокс, которого не существовало в классической физике. В квантовой физике троица, состоящая из наблюдателя, измерительного устройства и измеряемого объекта, формирует новую единицу реальности, которая измеряется волновой функцией. Как писал Шрёдингер, их индивидуальные волновые функции «запутаны». В принципе, при рассмотрении этой единицы мы можем учитывать всю Вселенную, так как на нас воздействуют различные ее силы: гравитация Юпитера, солнечная радиация, притяжение гигантской черной дыры в центре Млечного Пути и еще одной – в центре галактики Андромеды, пролетающая за окном птица, плывущие по небу облака, волны, набегающие на берег на пляже в Ипанеме, и т. д. Как эта связанная Вселенная соотносится с актом наблюдения, в котором наблюдатель должен быть отделен от наблюдаемого? Но если наблюдатель и наблюдаемое не разделены, то как понять, где заканчивается одно и начинается другое? Разве это разделение не лежит в основе измерений?

К счастью, большая часть наших измерений такова, что мелкими квантовыми эффектами, возникающими в результате взаимодействия между наблюдателем и его аппаратурой или наблюдателем и остальной Вселенной, можно пренебречь. Их чистое статистическое воздействие гораздо меньше, чем типичные экспериментальные ошибки, возникающие из-за ограниченности измерительных приборов. Поэтому мы вполне можем рассматривать наблюдателя и его устройство как два отдельных объекта, взаимодействующих исключительно в соответствии с классическими физическими законами. Кроме того, так как состояния измерительных приборов одинаковы для разных наблюдателей (мы слышим одни и те же щелчки счетчика Гейгера, видим одни и те же отклонения стрелки или следы в диффузионной камере и т. д.), мы считаем эти состояния не зависящими от факта наблюдения или характеристик наблюдателя. Наши измерения удобным образом сводятся к анализу данных, собранных классическим устройством, которое было разработано для восприятия и усиления сигналов в наблюдаемой системе. Такое описание верно до тех пор, пока мы четко разделяем шкалы измерений, так чтобы измерительное устройство вело себя в соответствии с классическими законами.

Это четкое разделение между наблюдаемым объектом и измерительным прибором, лежащее в основе принципа комплементарности Бора, имело смысл 60 лет назад, когда разница в масштабах действительно была велика. Однако многие современные эксперименты направлены на исследование мезомира – загадочной границы между классическими теориями и квантовой физикой. Размеры объектов мезомира измеряются в миллионных долях сантиметра (примерно такими параметрами обладают бактерии). Мы можем визуализировать отдельные атомы и, более того, манипулировать ими, как в знаменитом эксперименте IBM 1989 года, когда Дон Эйглер с помощью сканирующего туннельного микроскопа составил из 35 атомов аргона логотип компании. Нанотехнологии изучают состав устройств на мезоскопическом уровне и используют квантовые эффекты. Некоторые устройства настолько чувствительны, что могут улавливать колебания нулевой энергии квантовых гармонических осцилляторов, успешно обнаруживая энергию в вакууме. Туманность квантового мира больше не кажется недостатком. Она используется на практике для разработки новых технологий – от безопасных компьютерных систем до ультрачувствительных сенсоров и потенциально новых типов компьютеров.

В результате граница между квантовым и классическим миром утрачивает четкость. Во многих случаях ученые не могут больше прятаться за удобный и прагматичный постулат Бора о разделении квантовой системы и классического измерительного устройства. Они напрямую сталкиваются со странностью квантового мира. Это объясняет, почему сегодня над основами квантовой механики работает куда больше физиков, чем, например, 20 лет назад. Но мы так и не получили ответа на свой вопрос. Является странность квантового мира неизбежной частью Природы, или мы можем что-то с ней сделать? Для нас очень важно ответить на него, ведь, если странность квантовой механики доступна для объяснений, это будет означать дальнейший рост нашего Острова знаний, а если нет, нам придется признать, что значительная часть физической реальности не просто неизвестна нам, а непознаваема в принципе.

Критики задачи о коте Шрёдингера заявляли, что кот – это просто слишком большой объект для того, чтобы изолировать его от всего остального мира и поместить в суперпозицию по отношению к двум состояниям (жизни и смерти). Вся эта идея сама по себе непрактична и потому бессмысленна. На первый взгляд, так и есть. Но как провести четкую границу? Австрийский физик Антон Цайлингер с группой коллег провели несколько потрясающих экспериментов, заставляя все бо́льшие и бо́льшие объекты проходить через препятствия с двумя прорезями, чтобы проверить, будут ли они вызывать интерференционные узоры, как электроны и фотоны. В 1999 году они успешно провели интерференцию фуллеренов – крупных сферических молекул, похожих на футбольные мячи и состоящих из 60 атомов углерода. Недавно они включили в свои опыты крупные органические молекулы и планируют проверить, могут ли вирусы находиться в суперпозиции квантового состояния и интерферировать. По мере увеличения объекта и уменьшения его волны де Бройля становится все сложнее (а также все дороже) изолировать объект от внешнего влияния и поместить его в суперпозицию двух или более квантовых состояний. Если бы всего один фотон вырвался из коробки, отскочив от кота, и если бы мы зафиксировали его движение, мы смогли бы определить, стоит кот или лежит. Всего один фотон мог привести к коллапсу волновой функции кота. Придет день, и ученые, экспериментирующие с квантовой интерференцией, попытаются провести через препятствие с двумя отверстиями бактерию. Как жизнь отреагирует на квантовую суперпозицию? Предполагает ли она классическое состояние материи?

Шрёдингеру было известно об этих трудностях, и его задача была не экспериментальной, а умозрительной. Существует ли граница между странностью квантового мира и нашим, предположительно более разумным, восприятием реальности? На первый взгляд, мир не сделан из квантовых состояний в суперпозиции. Рассмотрев три знаменитые публикации 1935 года (работу ЭПР, ответ Бора и статью Шрёдингера), мы видим, почему большинство физиков предпочитают просто игнорировать происходящее и заниматься своим делом, со спокойной душой измеряя скорости переходов и квантовые суперпозиции. Но если вдуматься в то, что хотели сказать нам ЭПР, и посмотреть, как текущие эксперименты опровергают их утверждения (доказывая, например, возможность влияния на расстоянии со скоростью выше скорости света), невозможно относиться ко всей этой истории как к чисто философскому диспуту. Эйнштейн и Шрёдингер были уверены, что Природа пытается нам что-то сказать – может быть, нам стоит прислушаться? Этим-то мы и займемся дальше.

 

Глава 25. Кто боится квантовых призраков

в которой мы еще раз рассмотрим претензии Эйнштейна к квантовой физике и поймем, что они говорят нам о мире

Пока вы еще не окончательно приняли аргументы Бора против ЭПР и не стали приверженцем прагматического подхода в квантовой физике, давайте рассмотрим одну современную концепцию, которая была реализована экспериментально.

При поляризации света его сопряженная волна движется вверх и вниз в направлении поляризации, как человек, который едет верхом на лошади. Такое направление электрического поля характерно для электромагнитной волны. Фотоны поляризованного света тоже поляризуются. Неважно, как это происходит, – важно то, что у фотонов появляется такое свойство и его можно измерить.

Представьте себе, что в ходе эксперимента источник света испустил два поляризованных фотона, движущихся в разных направлениях, например направо и налево. Два физика, Элис и Боб, стоят слева и справа от источника на расстоянии 100 ярдов каждый. Так как фотоны движутся со скоростью света, детекторы Элис и Боба засекут их одновременно.

[ЭЛИС] – (ИСТОЧНИК) – [БОБ]

Теперь давайте представим, что детектор может идентифицировать два возможных варианта поляризации фотонов – вертикальную и горизонтальную. Источник света всегда испускает фотоны с одинаковой поляризацией. Ни Элис, ни Боб не знают, какова поляризация этой пары фотонов, пока они ее не измерят. Предположим, Элис узнает, что ее фотон имеет вертикальную поляризацию. Значит, и фотон Боба будет поляризован вертикально. То же самое верно и для горизонтальной поляризации. Несмотря на то что фотон с равной вероятностью может иметь любой из вариантов поляризации (они распределяются случайным образом), Элис и Боб всегда будут получать одинаковый результат: два фотона, испускаемые одним источником, связаны между собой. Они ведут себя как единое целое.

Элис решает немного приблизиться к источнику света. Ее детектор регистрирует фотон и определяет, что тот имеет вертикальную поляризацию. Она тут же понимает, что точно так же и будет поляризован фотон Боба, хотя тот еще даже не был зарегистрирован его детектором. Но, согласно квантовой механике, мы можем определить состояние чего-либо, только посмотрев на это. А так как двигаться быстрее скорости света невозможно, значит, Элис мгновенно (или, по крайней мере, со сверхсветовой скоростью) повлияла на фотон Боба, не взаимодействуя с ним!

Удивительно, но этот эффект не зависит от того, на каком расстоянии друг от друга находятся Элис и Боб. Неважно, разделяют их десять миль или множество световых лет, – результат будет тем же. Учитывая точность имеющихся у нас на сегодняшний день приборов, нам кажется, что все происходит мгновенно. Обратите внимание, что между двумя фотонами не произошла передача информации. Они не «говорили» (не взаимодействовали) друг с другом никаким (известным нам) способом. Они вели себя как единое целое, невосприимчивое к разделению в пространстве. Эйнштейн назвал это влияние на расстоянии загадочным и мистическим квантовым призраком. Учитывая, что он уже сделал с духом Ньютона (описав гравитацию как локальное воздействие, а не как влияние на расстоянии), можно понять, почему квантовый призрак тоже его заинтересовал. Эйнштейн умер в уверенности, что его следует изгнать. Но возможно ли это?

Такие связанные пары частиц создаются и анализируются во многих лабораториях по всему миру. Измерение одной частицы из двух мгновенно (или, по крайней мере, со сверхзвуковой скоростью) влияет на другую вне зависимости от расстояния до нее. Давайте рассмотрим этот эксперимент более подробно.

 

Глава 26. По ком звонит колокол

в которой обсуждается теорема Белла и показывается, как ее практическое применение превращает реальность в фантастику

Есть ли из всего этого выход? Может быть, физики упускают что-то важное и очевидное, какое-то правильное объяснение происходящего? Как показывает наш экскурс в историю, это был бы не первый подобный случай в научной практике. Может быть, то, что сделал Эйнштейн с ньютоновским действием на расстоянии, можно каким-то образом повторить и для квантового мира? Может быть, действие на расстоянии вовсе не мгновенно, а просто происходит быстрее скорости света? В конце концов, мы не можем измерить мгновенность действия, ведь это потребовало бы от наших приборов абсолютной точности, чего на практике добиться невозможно. «Мгновенность» и ее противоположность «вечность» – это концепции, которые не могут быть подтверждены экспериментально. Измерение не может быть ни достаточно коротким, чтобы считаться мгновенным, ни достаточно длинным, чтобы его можно было назвать вечным. Мы даже не можем быть уверены, что эти понятия являются частью физической реальности.

Мы уже знаем, что Бом предложил нелокальную теорию скрытых переменных, которая отвечала предсказаниям квантовой механики. Этот подход соответствовал утверждению из его учебника, опубликованного в 1951 году, всего за год до работы о переменных: «До тех пор, пока мы не найдем реального подтверждения неверности общего квантового описания, которое мы используем сегодня, поиск скрытых переменных кажется совершенно бессмысленным. Вместо этого следует считать законы вероятности фундаментальными, встроенными в самую структуру материи». Итак, любая теория скрытых переменных должна была повторить успех квантовой механики, а кроме того, дать «точное, рациональное и объективное описание индивидуальных систем с квантовым уровнем точности» (для чего Бом и разработал свою теорию).

В течение 12 лет после публикации работы Бома ситуация не сдвигалась с мертвой точки. Большинство физиков в духе широко распространенного научного консерватизма 1950-х годов не были готовы изменить успешную теорию из-за метафизической потребности в реализме, в особенности если эта теория опиралась на нелокальность – свойство, которое многим не хотелось допускать в физику. Прагматическая эффективность казалась важнее верного толкования. При этом физики 1950-х игнорировали то, что было на кону: либо новая теория о фундаментальных свойствах материи, соответствующая нашим наивным мечтам о познаваемости Природы и ее детерминированности, то есть управлении логическими законами, либо принятие странности квантовой механики как нерушимой преграды, мешающей нам познать истинную суть вещей. Иными словами, большинство ученых заняли сторону Бора и Гейзенберга и придерживались мнения о непознаваемости самой сути реальности (чем бы она ни была).

Лишь немногие заинтересовались идеей, которая наверняка привлекла бы внимание Эйнштейна, – локальной теорией скрытых переменных. Такая теория могла бы восстановить реализм квантовой физики, избавив ее от ужасного понятия нелокальности. Но стоило тратить свое время на поиск таких теорий или это было бессмысленно?

Ответ на этот вопрос появился в 1964 году, когда у ирландского физика Джона Белла родилась блестящая идея. Как он писал впоследствии, на нее его натолкнула теория скрытых переменных: «Я увидел, что невозможное возможно. Я прочел это в работах Дэвида Бома». Белл нашел способ экспериментальным путем найти различия между квантовой механикой и локальным действием скрытых переменных и, следовательно, установить, действительно ли традиционный формализм является неполным, как полагали Эйнштейн и его сторонники.

В то время Белл работал в ЦЕРН. Он воспользовался академическим отпуском, предоставленным ему в США, чтобы обдумать эту забытую философскую проблему. Однажды я даже встречался с Беллом лично. Это было в начале 1980-х, когда я только начинал учиться в аспирантуре лондонского Кингз-колледжа. Меня не очень привлекала область исследований, которую предлагал мой научный руководитель, поэтому я решил сменить интересы и переключиться на основания квантовой механики. Я мечтал об этом еще со студенческих лет, после того, как мне в руки попал знаменитый учебник «Фейнмановские лекции по физике». Дело было на конференции в Оксфорде. Я подошел к великому ученому после семинара, посвященного его знаменитому неравенству.

– Доктор Белл, меня зовут Марчело Глейзер, я работаю вместе с Джоном Тейлором над вопросами суперсимметрии.

– Отлично, это прекрасная тема для исследования.

– Да, но на самом деле я уже давно интересуюсь основаниями квантовой теории. Я даже писал Дэвиду Бому и просил его быть научным руководителем моей диссертации, но он сказал, что больше не курирует студентов.

В то время Бом работал в Биркбек-колледже, тоже в Лондоне. При упоминании Бома глаза Белла сверкнули.

– Что ж, ваши интересы делают вам честь, хотя они и редки для людей вашего возраста. Однако я бы порекомендовал вам не писать диссертацию на эту тему.

– Почему же? – спросил я, уже догадываясь, каким будет ответ.

– Сначала нужно поработать с чем-то основательным, с чем-то, что поддерживает научное сообщество. Пока у вас нет прочной репутации в физике, никто не захочет слушать ваших рассуждений о квантовой механике. Да и в этом случае тема останется довольно зыбкой, поверьте мне.

– Хорошо, я понял, – ответил я, пытаясь скрыть разочарование. – Может быть, я вернусь к этому позже.

– Ну я именно так и сделал.

Так завершился мой единственный разговор с Джоном Беллом. Я считаю эту книгу своей первой попыткой победить квантовый призрак и, будем надеяться, предисловием к новым, более техническим публикациям. В конце концов, с момента встречи с Беллом прошло 30 лет. Если и сейчас моя репутация недостаточно прочна, я уже никогда ее не укреплю.

Мы уже знаем, что с помощью своего эксперимента ЭПР исследовали взаимоотношение положения частицы в пространстве и момента, чтобы поставить под сомнение полноту квантовой механики. Бом упростил эту идею, использовав вместо двух свойств спин частицы. Это был умный ход, потому что он делал рассуждение более ясным, а также упрощал измерения. В отличие от положения свободно движущейся частицы в пространстве (свободной переменной, которая может принимать любое значение), спин имеет лишь несколько дискретных значений. Классический волчок, будь то игрушка или планета Земля, обращающаяся вокруг своей оси, может вращаться с любой (угловой) скоростью, в то время как квантовые частицы имеют лишь три возможных варианта: нулевой спин (как у бозона Хиггса), целый спин (как у фотона) или половинное значение квантовой единицы спина (как у электрона или кварка), то есть постоянная Планка h, разделенная на 2π (h / 2π). Изменить спин квантовой частицы невозможно – это ее неотъемлемая характеристика.

Для упрощения давайте обозначим квантовую единицу спина буквой s (s = h / 2π). Электроны, протоны и нейтроны имеют спин s / 2, а спин фотонов равняется s. Спин может быть по-разному ориентирован в пространстве, хотя на его направление можно влиять (например, с помощью магнитного поля). Давайте сфокусируемся на вертикальном направлении спина, перпендикулярном движению частицы, и обозначим его как ось z. Если ориентировать магнитное поле вертикально, электроны (или любые другие частицы со спином, равным s / 2) будут ориентированы в направлении поля или против него (проще говоря, вверх или вниз). Это значительно упрощает дело, потому что теперь мы можем говорить о частицах со спином +s / 2 и – s / 2. Вариантов остается всего два. Чтобы сделать наш эксперимент еще проще, давайте заменим эти значения на +1 и –1.

В своем мысленном эксперименте Белл представил источник, испускающий пару связанных частиц с половинным спином, совокупный спин которых равняется нулю. Соответственно, если одна из них направлена вверх (+1), вторая обязательно будет двигаться вниз (–1). Как и в эксперименте с Элис и Бобом, частицы разлетаются в разных направлениях и проходят сквозь детекторы, определяющие направление их спина. Пускай буквой П будет обозначен детектор справа, а Л – слева, как показано на схеме ниже.

Л – (ИСТОЧНИК) – П

Если все пары электронов и два детектора будут постоянно ориентированы вертикально, у нас получится четкая корреляция. Когда один исследуемый объект направится вверх, второй будет двигаться вниз, и наоборот. Удивительно то, что из нашего обсуждения поляризованных фотонов мы уже знаем: связанная пара действует как одно целое, в котором каждая частица всегда знает, куда направляется другая (разумеется, «знает» – это не самый правильный термин). Так как в квантовой механике частица приобретает определенное свойство только после измерения, электрон Элис окажется направленным вверх, когда она определит его ориентированность. Но как частица Боба узнает об этом так быстро? Как писал Сет Ллойд в своей книге о квантовой информации, эти частицы похожи на двух братьев-близнецов в разных барах: когда один заказывает пиво, другой тут же берет себе виски и когда первый говорит: «Виски», второй моментально произносит: «Пиво».

В дальнейшем Белл добавил в свой эксперимент еще один вариант. Предположим, что мы можем измерить спин частицы в любом направлении, а не только в вертикальном. Давайте установим два направления: вертикальное и с 30-градусным отклонением от вертикальной оси. Каждый детектор можно настроить таким образом, чтобы он измерил одно из двух возможных направлений. Обозначим вертикальное направление для детекторов как Л| и П|, а наклонное – как Л/ и П/. Итого два детектора могут быть ориентированы четырьмя возможными способами: (Л|; П|), (Л|; П/), (Л/; П|) или (Л/; П/). Так как электроны могут быть направлены по этим осям только вниз или вверх, детекторы могут показывать только два значения: +1 и –1. Следовательно, после установки детектора в нужном направлении каждое измерение будет давать нам пару возможных чисел: (+1; +1), (+1; –1), (–1; +1) или (–1; –1).

Обратите внимание, что для случаев (Л|; П|) и (Л/; П/), при которых оба детектора имеют одно направление, результаты определяются сохранением момента количества движения – фундаментальным законом природы, который говорит, что значение вращения в физической системе, не подвергающейся внешнему воздействию, остается неизменным. Если Л| = +1, то П| = –1, и наоборот. Если Л/ = +1, П/ = –1, и наоборот. В этом случае между двумя частицами наблюдается идеальная корреляция, как в случаях, которые мы обсуждали выше.

Четыре независимых результата становятся возможными, если мы предполагаем, что между разными направлениями спина частиц, попадающих на детекторы Л и П, отсутствует корреляция в соответствии с принципом локальности, который Эйнштейн и Шрёдингер так хотели увидеть воплощенным в Природе. Мы ожидаем, что со смешанными комбинациями (Л|; П/) и (Л/; П|) не произойдет ничего особенного.

Учитывая четыре возможных ориентации двух детекторов, экспериментатор может составить таблицу с результатами многочисленных повторений данного опыта и записывать в нее пары чисел для каждого измерения. Иными словами, каждое повторение опыта соответствует четырем отдельным измерениям, по одному для каждой схемы ориентации детекторов. Кроме того, экспериментатор может изучить соотношения между парами значений в каждом опыте. Его может заинтересовать следующее соотношение, которое мы назовем С:

C = ( Л | × П |) − ( Л / × П |) + ( Л | × П /) + ( Л / × П /) = ( Л | − Л /) × П | + ( Л | + Л /) × П /.

Последнее выражение было получено путем перестановки условий. Экспериментатор рассчитывает С для каждого опыта, включающего в себя четыре возможных способа ориентации детекторов и расчет спина обеих частиц. Если локальные теории верны, результаты будут таковы: так как Л| и Л/ могут принимать только значения +1 или –1, одно из двух условий в скобках пропадает, а второе принимает значение +2 или –2. Например, если Л| = +1, а Л/= –1, первое условие будет равно +2, а второе пропадет. Если же Л| = –1, а Л/ = +1, первое условие будет равняться –2, а второе можно будет вычеркнуть. Так как П| и П/ в каждом из опытов тоже принимают значения +1 или –1, общее значение С всегда будет составлять либо +2, либо –2.

Экспериментатор рассчитывает и записывает С для каждого опыта. Предположим, что он делает это N раз. Затем он может рассчитать среднее значение С, Cср = (С1 + С2 +… + С N )/N, где С1 будет означать С для опыта 1, С2 – для опыта 2 и т. д. до последнего С N . Так как в каждом из случаев С может принимать только значения –2 или +2, Сср является числом в промежутке от –2 до +2. Мы можем записать это так: –2 ≤ Сср ≥ +2. Например, если после четырех попыток экспериментатор получит С1 = +2, С2 = –2, С3 = +2 и С4 = +2, он рассчитает Сср как Сср = (2–2 + 2 + 2) / 4 = 1.

Таким образом, локальные теории предсказывают, что среднее значение С всегда будет находиться в диапазоне от –2 до +2. Однако если мы проводим расчет С с использованием квантовой механики, мы можем найти более сильную корреляцию между разнонаправленными частицами и, соответственно, получить другой результат: измерения спина двух частиц, движущихся в различных направлениях, не полностью независимы друг от друга. В результате значение С может выходить за пределы диапазона от –2 до +2. При некотором угловом отклонении от вертикали квантовые корреляции между спинами частиц оказываются больше, чем предсказывают локальные теории. Иными словами, в квантовой механике неравенство –2 ≤ Сср ≥ +2 должно быть нарушено. Белл разработал однозначный экспериментальный способ обнаружить разницу между традиционной квантовой механикой и модификациями со скрытыми переменными, предполагающими локальность в смысле, установленном ЭПР.

Пока я писал эти строки, группа Цайлингера вместе с коллегами из других стран, включая Национальный институт стандартов и технологий США и специалистов из Германии, провела уникальный эксперимент со связанными фотонами, подтверждающий, что в Природе отсутствуют мистические «влияния на расстоянии».

Новизна этого опыта состояла в том, что в нем рассматривались одновременно все фотоны, участвующие в эксперименте, чего до сегодняшнего дня добиться было трудно (раньше какая-то часть фотонов не попадала на детектор и поэтому не учитывалась). Это очень важный аспект, так как он исключает возможную предвзятость в отношении как источника, так и улавливающего фотоны оборудования (желание принимать к рассмотрению только «важные» фотоны). Соответственно, результат становится более объективным. Эксперимент Цайлингера стал последним в длинном ряду опытов, которые начались еще в 1972 году, когда Джон Клоузер и Стюард Фридман из Университета Калифорнии в Беркли обнаружили случай нарушения неравенства Белла, соответствующий принципам квантовой механики. В начале 1980-х этим вопросом занялись Алейн Аспект и его команда, а в 1990-х эстафету перенял Цайлингер со своими коллегами. Результаты впечатляли: в каждом опыте неравенство Белла не просто нарушалось, нарушение полностью соответствовало квантовой механике.

Чистый результат этих экспериментов несколько сбивает с толку. Выходит, что надежда Эйнштейна на появление локальной теории, объясняющей происходящее и способной изгнать квантовый призрак (чего-то вроде его собственного дополнения ньютоновской теории притяжения), оказалась ложной. В совокупности эти эксперименты опровергают все локальные теории, в которых используются скрытые переменные для объяснения мгновенного действия на расстоянии. Нелокальность (или делимость, то есть взаимодействие между элементами связанной пары, разделенной в пространстве, на световых скоростях) – это вовсе не призрак. Реальность не просто удивительнее, чем мы предполагали, – она удивительнее, чем мы могли предположить.

Если вы прочли предыдущие абзацы и вас ничто в них не удивило, перечитайте их еще раз. Если же вы их пропустили, читайте дальше, но приготовьтесь – вы будете шокированы. Тот факт, что один объект может влиять на другой на расстоянии без привычного обмена информацией, кажется довольно пугающим. Да что там, он вообще не сочетается со здравым смыслом. Он добавляет к нашей реальности дополнительное измерение, совершенно не соответствующее нашему повседневному восприятию времени и пространства. Более того, в нем вообще нет ни времени, ни пространства, ведь оно действует мгновенно (или, по крайней мере, со сверхзвуковой скоростью) на любом расстоянии – насколько мы можем судить на основании наших измерений.

Что это значит для нашего восприятия реальности? Может быть, это какое-то проявление микромира, крошечный квантовый эффект, который мы не замечаем за более масштабными событиями нашей жизни? Или же он имеет значение для нашего взаимодействия с физической реальностью и друг с другом? Люди часто говорят о синхроничности, то есть о сверхъестественной способности (или вере в способность) чувствовать что-то или кого-то мгновенно, как бы вне времени: «Я знал, что ты сегодня сюда придешь!» или «Недавно мы ехали в машине с кузиной, и стоило мне сказать, что я люблю кленовый сироп, как мы увидели дорожный знак с его рекламой!». Можно ли списать все эти случаи исключительно на совпадения? На заблуждения людей, которые хотят во всем видеть связи? Или же существует какая-то более масштабная запутанность, связь между вещами, которую чувствует наш мозг?

Прямо сейчас мы балансируем на тонкой грани между серьезной наукой и безумными домыслами. Наука прочно стоит на своем: квантовая нелокальность существует и в ближайшее время никуда не денется. Рассуждения о том, как она влияет на события макромира, не имеют под собой оснований (по крайней мере, на данный момент). После неравенства Белла и экспериментального подтверждения эффекта нелокальности между двумя связанными частицами лишь немногие физики осмелятся утверждать, что квантовая механика неверна. Большая часть ее пробелов была заполнена экспериментами. Но когда мы задаемся вопросом, насколько глубоко в реальность проникают странные квантовые эффекты, начинаются споры и разногласия. Еще десять лет назад от них легко было отмахнуться и заявить, что они действуют лишь в малых масштабах, далеких от реальной жизни, но последние эксперименты резко изменили эту удобную позицию.

В апреле 2004 года венская группа Цайлингера использовала пару связанных фотонов для того, чтобы перевести пожертвование в размере 3000 евро от городской администрации в Банк Австрии. Для этого одному из двух фотонов пришлось преодолеть 1450 метров по оптоволоконному кабелю, не разрывая при этом связи со своим партнером. За год до этого Цайлингер успешно переправил связанные фотоны через Дунай (с крыш двух башен для сточных вод). Ставки росли, и в 2007 году Цайлингер отправил связанные фотоны на расстояние 144 километра, разделяющее испанские острова Тенерифе и Гран-Канария. Пара фотонов была сгенерирована лазером в обсерватории на Гран-Канарии, а затем принята оборудованием на Тенерифе. Смысл этого эксперимента состоял в том, чтобы показать, что связи между электронами сохраняются даже на больших расстояниях в открытом пространстве и не разрушаются под влиянием температуры или атмосферных колебаний. Цайлингер планирует повторить свой эксперимент в космосе, используя МКС в качестве источника фотонов. Предполагается, что частицы будут направлены на детекторы, расположенные на поверхности Земли далеко друг от друга. Предварительные тесты с использованием японского спутника оказались весьма многообещающими. Судя по всему, нелокальность – это гораздо более стабильное явление, чем нам казалось раньше. Но если так, почему мы не замечаем его вокруг себя? Или все же замечаем?

 

Глава 27. Сознание и квантовый мир

в которой рассматривается возможная роль сознания в мире квантовых эффектов

Я уже рассказывал вам о своей встрече с великим физиком Джоном Беллом, который посоветовал мне держаться подальше от исследований в области толкования квантовой механики в начале научной карьеры. Еще я говорил, что до встречи с Беллом писал Дэвиду Бому и тот ответил мне, что больше не курирует студентов. Как я ни старался, двери в мир квантовой механики закрывались одна за другой. Уже начав работать над докторской и опубликовав несколько работ по единым космологическим теориям с несколькими дополнительными измерениями, я сделал отчаянный шаг – обратился к человеку, чьи книги вдохновили меня в первый год учебы в университете, пускай даже в то время у меня уже возникали сомнения относительно его попыток связать воедино современную физику и восточный мистицизм. Звали этого человека Фритьоф Капра. Седьмого декабря 1984 года я отправил ему сердечное письмо, в котором жаловался, как мои взгляды на физику расходятся с принятым у большинства моих коллег принципом «заткнись и считай». Покоренный романтичным образом ученого-бунтаря, я мечтал поработать вместе с ним над вопросами связи между сознанием и квантовым миром. К счастью (как мне кажется теперь), я опоздал. На тот момент Капра еще имел кое-какие связи с лабораторией Лоуренса Беркли в Калифорнии, но не занимал постоянную университетскую должность и не работал со студентами. Несомненно, если бы Капра взял меня под крыло, моя карьера сложилась бы совершенно иначе. Но, оглядываясь назад, я радуюсь, что этого не произошло.

Мне было 25 лет, и я искал способы соединить рациональный научный подход, привитый мне в университете, с той глубокой духовностью, которую я воспитывал в себе с юности. Примерно в то же время я прочел «Философский камень» Колина Уилсона и задумался, действительно ли наш мозг может гораздо больше, чем то, ради чего мы его используем. Научно-фантастическая книга Уилсона прекрасно описывала, как электростимуляция неокортекса может переключить мозг человека в режим гениальности. Возможно ли, что у каждого из нас действительно имеется такой потенциал, ждущий, когда его откроют? Добавим к этому еще и факт, что за несколько лет до этого я, как и многие другие зрители по всему миру, был поражен выступлением израильского экстрасенса Ури Геллера и его умением гнуть ложки силой мысли. Как, черт побери, он это делал? Каким образом, следуя его инструкциям, люди запускали старые часы, просто взяв их в руки? Я лично вернул к жизни дедушкины наручные часы, которые были сломаны уже много лет. В то время работы блестящего фокусника и скептика Джеймса Рэнди, демонстрирующего, как проделывать такие трюки с помощью простой ловкости рук, еще не были так известны, как телевизионные выступления Геллера. Как здравый смысл мог противостоять притяжению магии?

В своем юношеском энтузиазме я был уверен, что я не одинок в своих попытках связать физику с потусторонним миром. Многие великие викторианские ученые переживали увлечение мистикой, включая даже некоторых нобелевских лауреатов: лорд Рэлей, объяснивший голубой цвет неба, Дж. Дж. Томсон, открывший существование электронов, Уильям Рэмзи, первооткрыватель благородных газов, сэр Уильям Крукс и сэр Оливер Лодж, выдающиеся физики своего времени. Все они, как и многие другие, практиковали оккультизм и искали доказательства существования телепатии, общения с мертвыми, психокинеза и иных чудесных и сверхъестественных явлений. Они считали пространство пронизанным невидимыми электромагнитными волнами, эфирными вибрациями, излучаемыми живой и мертвой материей. Гильермо Маркони довел до совершенства прием и передачу радиоволн – звуков и голосов из воздуха. Что еще могло скрываться незамеченным в этом зыбком мире?

Новая наука постоянно играет с границами возможного. Если наши ограниченные органы чувств не замечают столь многого, почему не предположить, что от них скрыто гораздо больше? Что, если существует душа, способная пережить материальное разложение тела? Современная наука в сочетании с исконным человеческим стремлением к вечной жизни могла бы открыть мир, населенный духами, а если бы нам были доступны правильные каналы коммуникации, духи могли бы ответить на наши отчаянные призывы. Крукс, Лодж и Томсон принимали участие в сотнях спиритических сеансов, каждый раз ожидая, что произойдет что-то невероятное. Еще недавно наука была настолько гибкой, что прощала даже самым блестящим своим представителям подобные устремления. Неудивительно, что я решил отправиться для написания своей докторской диссертации в Англию. Я втайне надеялся найти связь между нашим миром и волшебной невидимой реальностью, которая иногда показывалась из тени возможного.

Викторианские джентльмены от науки пытались найти мост между миром материи и миром духа. Эту же попытку, хотя и в более формальном выражении, предприняли и основатели квантовой механики, изучавшие связь между квантовой физикой и ролью наблюдателя. Квантовая физика образовалась на месте столкновения реального и невозможного, рутинного повседневного опыта и альтернативного мира, в котором необычность является нормой. Какую позицию нам занять? Нужно ли бороться со странностями и вслед за Эйнштейном настаивать, что реальность должна быть рациональна по своей сути? Или нам следует сойти со старого пути реалистичности и углубиться в новый мир квантовых эффектов, приняв его отклонение от нормы за новый мировой порядок?

Если мы выбираем второй вариант, возникает следующий вопрос: как далеко мы готовы зайти? Так как различные интерпретации квантовой механики не так-то легко поддаются экспериментальному подтверждению, большинство физиков предпочитает не иметь с ними дела. Неважно, что, по-вашему, квантовая механика говорит нам о мире – значение имеют лишь данные на наших детекторах. Давайте исследовать реальность, не поддаваясь на субъективные интерпретации. В конце концов, разве суть науки не состоит в независимости от субъективного выбора?

Подобная слепота к тайнам и загадкам квантовой физики шокирует ученых из другого лагеря. «Как вы можете спокойно спать по ночам, зная, что мы ничего не понимаем в самой сути реальности? – вопрошают они. – Нелокальность уничтожает пространственное разделение между классическими (большими) и квантовыми (малыми) явлениями. Закрывать глаза на это – значит быть подобными церковникам, которые отказывались посмотреть в телескоп Галилея».

Из этого тупика нет выхода. Вот как Максимиллиан Шлоссхауэр, Йоханн Кофлер и Антон Цайлингер резюмировали ситуацию после проведения опроса среди участников конференции «Квантовая физика и природа реальности», прошедшей в июле 2011 года в Австрии:

Квантовая теория основывается на четкой математической базе, имеет огромное значение для естественных наук, позволяет делать потрясающе точные предсказания и играет ключевую роль в современном технологическом развитии. Тем не менее за 90 лет с момента ее создания научное сообщество так и не пришло к единому мнению относительно толкования ее базовых единиц. Наш опрос призван напомнить об этом необычном положении дел. [152]

Существуют различные подходы к ситуации – от умеренных до радикальных. Начнем с первых. Старая добрая копенгагенская интерпретация задает правила игры: между квантовой системой и классическим измерительным устройством существует четкое разделение. Мы, наблюдатели, никогда не вступаем в прямой контакт с квантовой системой – за нас это делают детекторы. Мы лишь интерпретируем результаты взаимодействия между системой и измерительными приборами после того, как в результате усиления воздействия видим вспышки или следы или слышим щелчки на фотографическом или цифровом регистраторе. Волновая функция, фундаментальная единица квантовой физики, представляет собой математическое выражение возможностей – потенциальных результатов измерения. Это не физическая величина, так как она не имеет связи с физической реальностью. В отличие от классической физики, в которой уравнения движения напрямую ссылаются на конкретный движущийся объект (шар, волну или автомобиль), в квантовой физике уравнение описывает амплитуду вероятностей. Предположим, что мы хотим измерить местоположение частицы. До измерения ее волновая функция распространяется по всему пространству (или области движения частицы, если она ограничена), отражая различные вероятности ее нахождения здесь или там. Уравнение Шрёдингера описывает, как волновая функция развивается во времени с учетом всех возможных сил, влияющих на частицу. Когда мы проводим измерение и обнаруживаем частицу в определенном месте, волновая функция коллапсирует. Она перестает быть возможностью и превращается в реальность, мгновенно переходя от распространенности во всем пространстве к концентрации в одной точке. Строго говоря, акт измерения делает измеряемое реальностью, перенося его из зыбкого мира квантовых вероятностей в конкретный мир обнаружения и чувственного восприятия. Если говорить коротко, измерять – значит создавать.

Но если начать задавать вопросы об этом сценарии, он оказывается гораздо сложнее, чем на первый взгляд. Когда мы говорим: «Измерять – значит создавать» (как делал Паскуаль Йордан), кто или что создает реальность? Согласны ли мы наделять способностью к творению механическое измерительное устройство? Убивает ли счетчик Гейгера кота Шрёдингера, когда регистрирует частицу и выпускает яд? Или же для наблюдения нужен мыслящий наблюдатель, обладающий сознанием, намерением провести измерение и рациональной способностью интерпретировать его результаты? Если для создания реальности требуется мыслящий наблюдатель, как объяснить, что Вселенная существовала без него миллиарды лет? Означает ли это, что существует вездесущий Бог, как предполагал Джордж Беркли в XVIII веке? Возможно ли, что Вселенная «схлопнула» свою собственную волновую функцию при переходе из квантового состояния в начале времен к классической расширяющейся модели? Если да и если нелокальность существовала в течение всей истории космоса, значит ли это, что все может до сих пор оставаться связанным?

Лауреат Нобелевской премии Юджин Вигнер, изучавший роль математической симметрии в квантовой механике, прямо обращался к вопросу роли сознания в квантовой физике: «Когда область действия физической теории была расширена до микроскопических явлений… понятие сознания снова вышло на передний план. Законы квантовой механики невозможно было сформулировать полно и последовательно, не ссылаясь на сознание». Говоря «снова», Вигнер имеет в виду Рене Декарта с его афоризмом Cogito ergo sum («Мыслю, значит существую»), признающим верховенство мысли. Вигнер, как и Гейзенберг до него, понимал, что любому измерению требуется сознание, которое его истолкует. От наблюдаемого объекта к детектору и от него к сознанию наблюдателя простирается единый континуум. В классической физике разумный наблюдатель тоже необходим – для разработки эксперимента и толкования его результатов, – но разница состоит в том, что в квантовом мире измерение делает измеряемое реальностью. Без сознания реальности не существует. Задача, которую Джон Белл называл центральной проблемой квантовой механики, состоит в том, чтобы найти границу между реальным классическим «внешним» миром и связанным с ним «внутренним» квантовым уровнем реальности.

Для того чтобы проиллюстрировать эту проблему, используется метафора «друга Вигнера». Представим себе, что друг Вигнера, физик-экспериментатор, создал аппарат для измерения спина электрона. Он может быть направлен вверх или вниз, и до начала измерений, когда электрон находится в суперпозиции, вероятность каждого из этих результатов составляет 50 %. Начав опыт, друг Вигнера обнаружит спин, направленный либо вверх, либо вниз. После того как измерение проведено, не существует ни суперпозиции, ни вероятностей. Допустим, Вигнер знает об этом эксперименте, но спрашивает о результатах только после его завершения. Другу Вигнера результат уже известен, то есть волновая функция уже сколлапсировала в одно из двух возможных состояний. Однако для самого Вигнера электрон остается в суперпозиции до тех пор, пока его друг не ответит на вопрос о результатах опыта. «Подобная дуалистичность совершенно бессмысленна», – писал реальный Вигнер. Ведь из сложившейся ситуации можно сделать вывод, что до тех пор, пока Вигнер не задаст своему другу вопрос, сам друг будет находиться в суперпозиции («состоянии заморозки»), соответствующей двум возможным результатам измерений. Все мы помним, чем это закончилось для кота Шрёдингера. Вигнер заключает: «Соответственно, мыслящее существо должно играть в квантовой механике иную роль, нежели неодушевленный вычислительный прибор». Если точнее, «сознание неизбежно и неизменно входит в [квантовую] теорию».

Физик Джон Уилер из Принстона развил идеи Вигнера в своей концепции «соучастной Вселенной». Он заявил, что акт измерения представляет собой нечто большее, чем просто наблюдение: он определяет, как Вселенная будет развиваться во времени с момента измерения (и даже в обратном направлении!). Как только экспериментатор решает измерить свойства электрона определенным образом (например, с помощью детектора частиц, а не волнового интерферометра), будущее Вселенной изменяется. «Изменяется самим экспериментатором. Нужно слово “наблюдатель” и заменить его словом “участник”», – заявлял Уилер на конференции в Оксфорде в 1974 году.

Для того чтобы прояснить свою точку зрения, Уилер предложил мысленный эксперимент. Предположим, что ученый устанавливает источник фотонов, которые должны преодолеть препятствие с двумя прорезями, как в обычных опытах с квантовой интерференцией. Источник можно настроить таким образом, чтобы за определенный промежуток времени он испускал только один фотон. За препятствием установлен экран, на котором должен отображаться ожидаемый экспериментатором интерференционный узор из черных и белых полос. Этот экран имеет колесики, которые позволяют ученому двигать его вдоль траектории движения фотонов после прохождения через препятствие. За экраном имеются два детектора, каждый из которых ориентирован на одну из прорезей в препятствии.

Диаграмма эксперимента Уилера с отложенным выбором

Таким образом, если экран сдвинут, детектор может уловить, через какую прорезь двигался фотон. Существует два возможных варианта развития событий: или экран находится на месте и экспериментатор видит на нем интерференционный узор, или экран сдвинут в сторону и тогда наблюдатель знает, через какую прорезь прошел фотон. Но вот в чем хитрость: экспериментатор может решить, сдвигать экран или нет, только после прохождения фотона через прорези.

Уилер предположил, что фотон будет реагировать на выбранное устройство наблюдения. Он назвал свой опыт экспериментом с отложенным выбором. Свободный выбор экспериментатора определяет физическое состояние фотона (волна он или частица) и, судя по всему, этот выбор направлен назад в прошлое. Уилер объяснял эту идею так: «Прошлое не существует иным образом, кроме как в виде зафиксированного результата в настоящем… Вселенная не находится где-то вовне, независимая от наших наблюдений. Вместо этого мы имеем дело со своего рода соучастной Вселенной». Позже он отмечал в описании аналогичного эксперимента с использованием космического источника света: «Мы решаем, что фотон должен был сделать, после того, как он уже это сделал». Наш выбор вмешивается в прошлое частицы. Уилер экстраполирует свою идею на Вселенную в целом: наблюдатель «дает миру возможность воплотиться в реальности за счет придания ему смысла». «Если говорить кратко, – пишет он, – без сознания нет коммуницирующего общества для создания смыслов, а без них нет и мира… Вселенная порождает сознание, а сознание придает Вселенной смысл».

Выводы Уилера кажутся несколько натянутыми, но, как ни удивительно, его концепция отложенного выбора недавно была подтверждена экспериментально, по крайней мере для квантовых систем. В 2007 году Венсан Жак и его коллеги (среди которых был и Алейн Аспект, который, как вы помните, продемонстрировал наличие нарушений в неравенстве Белла) провели эксперимент, описанный Уилером, в точности следуя его инструкциям и обеспечив невозможность коммуникации на скоростях вплоть до световой. Таким образом, фотон не мог «знать», как именно он будет измеряться. В конце своего труда Жак и соавторы цитируют Уилера: «Мы наблюдаем странную инверсию нормального движения времени. Передвигая зеркало, мы неизбежно оказываем влияние на то, что мы можем сказать о прошлом наблюдаемого фотона».

Нелокальность поражает нас, заставляя пересмотреть глубоко укоренившиеся в нашем сознании концепции, например причинно-следственную связь. Может ли настоящее действительно определять прошлое? Возможно ли перенести эти странные отношения с хрупких квантовых систем на более крупные объекты или даже на всю Вселенную целиком, как предлагал Уилер? «Может ли понятие Большого взрыва быть лишь упрощенным описанием совокупного влияния миллиардов и миллиардов элементарных действий соучастного наблюдения, направленных в прошлое?» Уилер поступает мудро, разделяя сознание и акт наблюдения, который он понимал как своего рода регистрацию явления. Смысл, то есть то, как сознание толкует эту регистрацию, – это уже «отдельная история». Объяснения Уилера звучат неоднозначно, потому что он не знает правильного ответа. Как и никто другой.

Может ли реальность строиться на миллиардах миллиардов актов соучастного наблюдения? Сегодня мы все еще бесконечно далеки от понимания глубинного строения вселенной, чтобы ответить на этот вопрос. Чем больше деталей мы замечаем, тем меньше узнаем обо всем плане в целом. Тот факт, что мы способны задавать такие странные вопросы, показывает, насколько мы не уверены в своем понимании оснований квантового мира и следствий из них. [161]

Неудивительно, что, столкнувшись с этой странностью, большинство физиков прекращают попытки объяснить квантовую физику и принимают копенгагенскую интерпретацию. До появления однозначного экспериментального теста интерпретация представляет собой личный выбор. Еще один подход, не менее странный, чем предыдущие, но удивительным образом привлекающий множество физиков, называется многомировой интерпретацией (MWI). Впервые она была предложена Шрёдингером на лекции в Дублине как «безумная идея», а затем в 1957 году ее развил в своей докторской работе ученик Уилера физик Хью Эверетт. В 1960–1970-х многомировую интерпретацию расширил Брайс Девитт, превратив ее в поистине радикальную концепцию. Многомировая интерпретация утверждает, что при измерении не происходит коллапса волновой функции. Все возможные результаты измерений (все вероятности) реализуются одновременно в параллельных мирах (вселенных). Если верить MWI, все варианты развития истории сосуществуют в своего рода Мультивселенной, и их количество увеличивается при каждом измерении. Кот Шрёдингера жив в одной вселенной и мертв в другой, спин электрона направлен вверх в одном мире и вниз – в параллельном ему, фотон является частицей в одном месте и волной в другом. Создавая бесчисленное количество вариантов результата, реализуемое в бесконечном множестве миров, MWI устраняет парадоксы квантовой механики.

У Хорхе Луиса Борхеса есть рассказ «Сад расходящихся тропок», в котором описан лабиринт, существующий во времени, а не в пространстве, и каждая развилка означает два альтернативных продолжения истории. Точно так же и в многомировой интерпретации различные возможные истории существуют бок о бок, пускай каждый из вариантов недоступен для другого. Ключевым положением теории является утверждение о том, что волновая функция – это не просто математический термин, а реальное явление, направляющее параллельное развитие истории. MWI – это попытка вернуть физике реальность, пусть и за счет предположения о существовании постоянно растущей Мультивселенной с постоянно разветвляющейся альтернативной историей. Главным сторонником MWI является теоретик квантовой информации Дэвид Дойч из Оксфордского университета. В своей последней книге «Начало бесконечности» он, не стесняясь, называет копенгагенскую интерпретацию «плохой философией», которая «не только неверна, но и активно препятствует дальнейшему росту знаний». Дойч пишет: «Идея состоит в том, что квантовая физика подрывает самые устои разумного: частицы имеют взаимоисключающие свойства (будучи и частицами, и волнами одновременно), точка. Любые попытки критиков оказываются неэффективными, так как в них используется “классический язык” вне области его применения». По словам Дойча, вся «расплывчатость», возникающая из-за нелокальности, коллапса волновой функции и принципа зависимости реальности от наблюдателя, исчезает после принятия реальности волновой функции и многомировой Мультивселенной. Однако для большинства физиков этот выбор все же не так очевиден.

Никто не может (и не должен) с уверенностью заявить, что многомировая интерпретация решает проблему измерений в квантовой механике. Как и в случае с теорией Бома о нелокальности и скрытых переменных, нам предлагается странная альтернатива коллапсу волновой функции (которая в этом случае вообще не коллапсирует). Одновременно с этим вводится новый уровень сложности – параллельное существование бесчисленных разветвляющихся миров, отделенных друг от друга и никогда не контактирующих. Где находятся эти миры, реальные, не недоступные для нас? Когда именно в процессе измерения происходит разветвление? Кроме того, не существует убедительных экспериментальных данных, которые могли бы проиллюстрировать разницу между теорией Бома и MWI или утвердить точку зрения сторонников MWI как жизнеспособную альтернативу копенгагенской интерпретации (пускай некоторые физики и утверждают, что если возможна интерференция с крупными объектами вроде кота Шрёдингера, то могут существовать и разные, различающиеся в мелочах варианты истории). До тех пор пока не будет проведен конкретный практический эксперимент, идея о существовании параллельных не взаимодействующих между собой вселенных говорит нам ровно столько же об измерениях и природе реальности, сколько теория мультиверса – о том, почему мы существуем в этом мире (см. часть I книги).

Значительным шагом вперед (хотя и неоднозначным как решение для проблемы измерений) является концепция квантовой декогерентности, которая устраняет («декогерирует») проблему квантовой интерференции между различными возможными результатами экспериментов за счет взаимодействия между квантовой системой и окружающей ее средой. В соответствии с этой концепцией классическая физика появляется в результате утраты квантовой интерференции. Классический мир крупных неквантовых объектов возникает тогда, когда мы принимаем в расчет взаимодействие со средой. Некоторые физики представляют декогерентность как естественное продолжение копенгагенской интерпретации с учетом того, что процесс измерений полностью уничтожает какую бы то ни было квантовую когерентность в волновой функции. Другие считают декогерентность продолжением многомировой интерпретации Эверетта, в которой она является причиной расхождения альтернативных миров и историй. Вариация концепции квантовой декогерентности, известная как «декогерентный исторический формализм» или «согласующиеся истории», была предложена Робертом Гриффитсом в 1984 году и независимо от него разработана Роланом Омне, а затем повторно открыта и применена в квантовой космологии Марри Гелл-Маном и Джеймсом Хартлом в 1990 году. Этот вариант предлагает рассматривать всю Вселенную в качестве квантовой системы. Трудность в том, что, так как Вселенная считается «закрытой системой», в ней отсутствуют внешние наблюдатели или среда для декогеренции глобальной волновой функции. Переход от квантовой Вселенной к классической произошел в процессе ее собственной эволюции, так как различные варианты истории, каждый из которых включает в себя свой набор вероятностей, развиваются независимо друг от друга (то есть декогерентно по отношению к целому). Конкретные акты декогеренции случаются в результате конкретных событий (взаимодействий между частицами), которые происходят в рамках определенной временной линии. Мы живем в одном сегменте этой постоянно разветвляющейся истории, и в нем же находится Вселенная со свойствами, которые мы регистрируем в ходе измерений. К сожалению, мы не знаем механизма, согласно которому предпочтение отдается именно нашей Вселенной (если таковой вообще существует).

Концепция декогерентности разделяет традиционный взгляд о том, что измерение заставляет волновую функцию коллапсировать, отраженный в копенгагенской интерпретации. Измерение – это событие, вызывающее резкую декогеренцию, приближение, в котором декогеренция представляется в идеальном виде как мгновенное точное действие. Существуют и другие виды «измерений», которые не так резки, но тоже влияют на эволюцию волновой функции. Физик Джон Хартл писал: «Вероятности можно присвоить различным положениям Луны в небе или колебаниям плотности материи после Большого взрыва… вне зависимости от того, участвуют ли эти события в ситуации измерения и существует ли наблюдатель, регистрирующий их значения». Иными словами, условия ранней Вселенной определяют разветвления ее будущей истории, включая появление людей как неизбежный результат взаимодействия между такими условиями и непоследовательностью, присущей квантовой физике. Согласно этой концепции, участники не влияют на прошлую историю Вселенной.

Декогерентный подход четко демонстрирует искусственность разделения между классическим наблюдателем или детектором и квантовой системой. Он показывает, что классический мир, который мы воспринимаем своими органами чувств, представляет собой следствие из свойств материи, результат взаимодействия многокомпонентных квантовых систем друг с другом и с окружающей средой. Чем больше система, тем больше волновых функций требуется для описания всех ее элементов и тем сложнее привести их в когерентные состояния, отображающие квантовую суперпозицию. Системы в квантовой суперпозиции очень хрупки и коллапсируют даже под самым минимальным внешним влиянием, будь то фотон солнечного света, космический луч или колебание гравитационного поля от проезжающего мимо грузовика. Декогеренция позволяет понять, как классический мир возникает из квантового, существующего за пределами нашего восприятия, хотя и не объясняет, где именно находится граница между классической и квантовой физикой. Джон Белл писал об этом так:

Проблема [квантовой механики] формулируется следующим образом: как именно разделить мир на аппаратную часть… которую мы можем обсуждать… и не подлежащую обсуждению квантовую систему? Сколько электронов, атомов или молекул составляют «аппарат»? Математика обычной теории требует такого разделения, но не объясняет, как оно происходит. [164]

Что еще важнее, декогеренция не разрешает проблему измерения по той простой причине, что его результаты продолжают оставаться случайными, а не определяются каким-то скрытым порядком. Например, до первого измерения мы не можем предсказать, будет фотон иметь горизонтальную или вертикальную поляризацию. Несмотря на некоторые разъяснения, которые дает нам концепция декогерентности (теперь нам не нужно задумываться, жив кот Шрёдингера или нет либо куда девается Луна, пока мы на нее не смотрим), борьба с квантовым призраком нелокальности и с нашей неспособностью объяснить основы физической реальности еще не закончена. Кроме того, мы до сих пор не понимаем, какую роль в определении этой реальности играет сознание – и играет ли вообще.

 

Глава 28. Назад к истокам

в которой мы пытаемся разгадать квантовую загадку

Квантовая механика напрямую сталкивает нас с неизвестным и заставляет многих физиков чувствовать себя неуютно. «Неизвестное» – это приговор для науки, которая создана для того, чтобы иметь дело с непознанным и постепенно устранять его. Эйнштейн, Шрёдингер и научные реалисты отрицали саму возможность того, что некоторые секреты Природы могут так и остаться нераскрытыми. Они признавали, что наши знания об окружающем мире ограниченны и как минимум, неполны, но считали, что это объясняется нашим собственным несовершенством, а не какими-то скрытыми глубокими мотивами. Они надеялись, что вероятностный характер квантовых систем является не фундаментальным, а оперативным. В конце концов, вероятности используются и в другой успешной теории – статистической механике, описывающей поведение газов и систем с множеством частиц, – но в этом случае она лишь отражает практическую неспособность отследить поведение каждой отдельной частицы среди триллионов точно таких же. Вместо этого мы описываем среднее общее поведение частиц и рассматриваем любые отклонения от него как статистические погрешности. Реалисты надеялись, что что-то подобное произойдет и в квантовой механике, и таким образом вероятностное поведение станет не внутренним свойством, присущим системам малого размера, а лишь продуктом нашего ограниченного понимания истинной природы микромира.

Точно такие же ожидания слышатся в словах некоторых физиков, которые заявляют, будто знают, как объяснить происхождение Вселенной с помощью квантовой механики и общей теории относительности. Разумеется, этого не знает никто, и до настоящего времени у нас имелись лишь очень упрощенные модели, основанные на множестве неподтвержденных предположений. Эти ожидания не просто беспомощно наивны, но и философски недопустимы. Ведь любую модель в физических науках поддерживают идеализированные концепции, такие как пространство, время, энергия и закон ее сохранения. Происхождение Вселенной включает в себя появление всех этих понятий. Но откуда же они взялись? Кроме того, модели формулируются с помощью так называемых граничных условий, которые предполагают четкое разделение между предметом исследования и его окружением. Очевидно, что такие границы сложно провести, если предметом исследования является вся Вселенная целиком, даже с учетом особенностей геометрии кривых.

Пытаясь объяснить происхождение Вселенной с помощью физических моделей, мы можем надеяться максимум на создание жизнеспособного описания первых мгновений космической истории в соответствии с данными, которые мы можем получить. Это масштабное и крайне волнующее предприятие, но нельзя приравнивать его к объяснению всего сущего. Для этого нам пришлось бы начать с поиска источников физических законов, в соответствии с которыми работает Вселенная, а эта тема находится вне юрисдикции современных физических теорий, включая те, которые предполагают существование Мультивселенной (где законы физики могут отличаться от наших). В части I книги мы уже обсуждали, что любые теории о различающихся законах в разных вселенных лишь дополнительно сбивают ученых с толку. Более того, если мы хотим добиться хоть какого-то прогресса в понимании квантовой природы происхождения Вселенной, нужно уточнить, какую роль в ней играет нелокальность – что возвращает нас к дискуссии о запутанности и декогерентности.

К счастью, 40 лет ярких экспериментов принесли свои плоды. Мы уже знаем, что можно исключить расширения квантовой теории, в которых используются скрытые переменные, ведь, если такие расширения и существуют, они все равно не являются локальными и, соответственно, не помогают изгнать призрак «воздействия на расстоянии», которого так боялся Эйнштейн. Нелокальность – это неотъемлемая характеристика запутанности, а запутанность – неотъемлемая часть квантовой механики. Почему она кажется нам такой странной? Потому что так и есть! Запутанность настолько хрупка и нестабильна, что ее сложно поддерживать в течение длительного времени и на больших расстояниях. Экспериментальные физики идут на разнообразные ухищрения, чтобы продлить срок ее существования. Она подвергается многочисленным воздействиям со стороны окружающей среды – термальным, вибрационным, гравитационным, даже взаимодействиям между ее собственными колеблющимися атомами. Луна не может одновременно находиться в нескольких местах на своей орбите, потому что она не является изолированной системой. На нее постоянно попадают фотоны солнечного света (поэтому-то мы можем ее видеть) и космические лучи, она состоит из мириадов атомов, подвергается влиянию гравитационных сил от Солнца, Земли, нас с вами и т. д. Все эти факторы уничтожают возможные суперпозиции «Луна там» и «Луна тут». Более крупные объекты трудно отделить от декогерирующего влияния внешнего мира. Наша классическая реальность выступает из декогерированных теней квантового мира.

Связь между классической и квантовой физикой очень зыбкая. Некоторые системы могут проявлять типично квантовое поведение на удивительно больших расстояниях и в длительные сроки. Цайлингеру удалось идентифицировать связанные фотоны через сотни километров; кристаллы и крупные молекулы могут оказываться в суперпозиции и демонстрировать интерференционные узоры, как фотоны и электроны. При правильном подходе связанность можно сохранить. Однако не следует забывать, что это происходит в искусственных лабораторных условиях под тщательным надзором экспериментаторов. Я не сомневаюсь, что эти достижения будут совершенствоваться и в ближайшие десятилетия окажутся реализованы при создании первых рабочих квантовых компьютеров, приведут к распространению квантовой криптографии и иному практическому использованию спутанности и случайности квантовых систем.

Эти случаи практического применения, основанные на странных свойствах квантового мира, заставляют нас задаться интересным вопросом: можем ли мы поднять суперпозицию и запутанность до уровня макроскопических объектов, возможно, даже живых организмов? Зависит все просто от достаточного финансирования научной работы (как однажды заявил Цайлингер) или существуют более фундаментальные препятствия, мешающие экстраполяции квантовых эффектов на системы с высоким уровнем сложности? Если мы сумеем создать для бактерии состояние квантовой суперпозиции и провести ее через две прорези в препятствии, что это будет значить? Может ли жизнь существовать при квантовой интерференции? Возможно, этот вопрос представляет собой переформулированную проблему квантовой механики, о которой говорил Белл, – проблему существования разрыва между двумя мирами. Декогерентность может объяснить, почему классическая и квантовая реальность кажутся нам настолько отличными друг от друга. Но можем ли мы создавать квантовые эффекты самостоятельно и увеличивать их до масштабов нашего мира? Иными словами, если квантовые эффекты лежат в самой основе реальности, можем ли мы превратить их из щелчков и вспышек на экранах приборов в объекты прямого наблюдения? И если да, поможет ли это нам познать истинное значение вещей?

Не уверен, что хоть кто-то знает ответ на этот вопрос. Лично я думаю, что это невозможно, и проблема здесь заключается не только в экспериментальной ограниченности, но и в тех аспектах квантовой физики, которые мы знаем на сегодняшний день. Эксперименты, связанные с ЭПР, показали, что случайность – неотъемлемая часть природы. Когда Элис и Боб измеряют спин или поляризацию связанных частиц, они не знают, какой результат получат. Ни одна из наших теорий не может предсказать результаты разового квантового измерения. Что еще хуже, после исключения локальных скрытых переменных эта теория кажется в принципе невозможной. Так что, если «истинное значение вещей» предполагает традиционную надежду реалистов на абсолютное познание Природы, у нас ничего не выйдет. Наш подход к знаниям требует пересмотра в свете открытий квантовой механики. Некоторые аспекты реальности навсегда останутся скрытыми от нас. Остров знаний вечно будет окружен океаном не просто непознанного, но непознаваемого.

В этом утверждении нет никакого пораженчества. Цель науки состоит в том, чтобы в меру своих возможностей выяснить, как работает Вселенная. Наука не предназначена для того, чтобы отвечать на все вопросы. Надеяться на это бессмысленно, особенно когда мы сталкиваемся с природой знаний, о которой говорится в этой книге: постоянно расширяющейся, постоянно изменяющейся, четко отражающей наш подход к миру и вопросы, которые мы задаем (можем задать) ему в тот или иной момент времени. Знания, которыми мы обладаем, определяют знания, которыми мы можем обладать. Тем не менее, как сказал бы физик, именно таковы наши исходные данные: после нескольких первых шагов ситуация становится непредсказуемой, а финал – открытым. По мере изменения наших знаний мы начинаем задавать новые вопросы, которых не могли предвидеть ранее.

Сегодня мы знаем, что нелокальность следует принять как часть физической реальности и что существуют долговременные квантовые эффекты, которые, судя по всему, преодолевают границы пространства и времени. Новый рубеж, открывшийся перед нами, будет продвигаться все дальше и дальше вглубь запутанности, в том числе изучать возможность ее применения к более масштабным системам и адаптации к сильному влиянию среды. Нам неизбежно придется задуматься о роли квантовых эффектов в мозгу и об их потенциальном влиянии на мозг, причем зайти в этих исследованиях гораздо дальше Вигнера. Может ли соучастная вселенная Уилера оказывать влияние на Вселенную в целом? Судя по всему, информация является ключевым элементом в определении физической природы квантовых объектов. Условия эксперимента, которые мы устанавливаем, и вопросы, которые мы задаем, задают характеристики этих объектов при обнаружении: если у нас нет данных о пути квантового объекта, возникает интерференция, а если есть, интерференция отсутствует. Реальность зависит от того, как мы с ней взаимодействуем, по крайней мере в квантовых системах.

И здесь мы сталкиваемся с понятием намерения, с выбором способа взаимодействия. Пускай волновую функцию обнаруживают и «схлопывают» детекторы, но устанавливают их люди. Без сознания с определенным уровнем сложности, способного к толкованию наблюдений, реальности вообще не существует. В нашем случае такое сознание генерируется человеческим мозгом, поэтому естественно было бы задаться вопросом: сам мозг является классическим или квантовым объектом? Или, если говорить более научным языком, в какой степени квантовые эффекты имеют отношение к функционированию мозга?

Несмотря на то что идеи Роджера Пенроуза и Стюарта Хамероффа, например, об изучении квантовой когерентности в микротрубочках, были опровергнуты экспериментами и теоретическими расчетами, подобные темы столь сложны, а наши текущие знания настолько примитивны, что многие вопросы остаются без ответов. Возможно, квантовые эффекты проявляют себя в межсинаптических щелях, например, когда ионы, движущиеся от одного синапса к другому, рассеиваются при прохождении через приемочные ворота. А возможно, происходит нечто совершенно иное. Мы знаем, что квантовые эффекты играют большую роль в фотосинтезе, оптимизируя и ускоряя процесс поиска наилучших энергетических путей. Такие же эффекты могут наблюдаться и в мозгу и отвечать за эффективность нашей обработки информации и, соответственно, за существование различных уровней сознания. Пускай существующие предположения о роли квантовых эффектов в человеческом сознании кажутся невероятными, можно с уверенностью сказать, что этот вопрос остается открытым.

Мы покидаем атомный век и вступаем в эпоху информации. Метафоры, которыми мы пользуемся и которые строятся на наших знаниях, меняются. От ужаса холодной войны и угрозы взаимного уничтожения, нависавшей над нами в 1960–1970-е годы, мы перешли к миру, в котором с беспрецедентной скоростью пересекаются культурные барьеры, а значительная часть населения планеты пользуется одними и теми же продуктами и услугами. Для работы с новыми знаниями и их потенциалом возникают новые дисциплины: квантовая информация и квантовые вычисления, теория сетей, анализ данных и его практическое применение, теория сложности и т. д. В их основе лежит понимание того, что информация – это ключ к знаниям. Мы должны изучать информацию, свое взаимодействие с ней и способы, с помощью которых она определяет наши знания. Разумеется, в ходе такого изучения мы обнаружим, что количество информации, которую мы можем извлечь из мира с помощью наших технологий, будь то математика или информатика, строго ограничено. Гораздо удивительнее то, что эти границы могут многое сказать о том, кто мы такие, и о нашем поиске смыслов в век науки.