Александр Никонов - За гранью реальности. Объяснение необъяснимого
Новый, квантовый мир совсем другой. В нем нет ничего Абсолютного. Он принципиально Относителен. В нем нет точных местоположений. В нем нет траекторий. В нем нет направлений. Этот мир принципиально непредсказуем. Неопределенен. В нем нет четких ответов. Одна причина в нем может породить тысячи разных следствий. Одно следствие в нем может быть вызвано тысячью разных причин. А главное – в этом мире нет реальности в том ее понимании, которое существовало в ньютоновском мире. В нем действуют нереальные (виртуальные) частицы. То есть этот мир отчасти нереален. Больше того – облик этого мира зависит от сознания. От того, смотрит кто-то на этот мир или нет. Этот мир требует введения в физические формулы наблюдателя. В этом смысле он един – в него на равных входят мертвая материя и Наблюдатель.
Подобная позиция выглядела слишком непривычно для позитивистского научного мышления. Поэтому, борясь с принципом неопределенности, Эйнштейн предложил остроумную схему. Вы говорите, ваш мир принципиально неопределенен? Что в нем нельзя одновременно точно узнать энергию частицы и момент времени, в который эта частица данной энергией обладает? Хм, это уже лазеечка для нарушения главнейшего закона Вселенной – закона сохранения массы-энергии, что уже само по себе – немалое преступление! Мы сейчас эту лазеечку в законе перекроем!.. Смотрите, в чем ваш прокол, господин рыцарь Хаоса: время я измерю непосредственно, а энергию определю взвешиванием! Я взвешиваю частицу и таким образом узнаю ее массу – по моей же формуле E = mc2! Вот и хана вашей неопределенности!.. Так сказал Эйнштейн.
Удар был силен. «На этот раз Бор был обеспокоен, и те, кто видел, как он провожал Эйнштейна в гостиницу, заметили, что Бор был сильно взволнован», – пишет Девис.
Однако, проведя бессонную ночь, на следующий день Бор нашел эйнштейновскую ошибку: согласно эйнштейновской же теории относительности, гравитация замедляет течение времени. А при взвешивании частицы без гравитации не обойтись, и эффект замедления времени внесет в эти измерения свои коррективы. В пользу неопределенности. Победа опять осталась за Бором.
Однако самый тяжелый и решающий бой между Тьмой кванта и Светом классики закончился все же вничью. Эйнштейн, как показалось тогда ему и многим, нанес почти смертельный удар Бору. Но могучий Бор выстоял. Он отразил удар. Не так успешно, как прежние выпады. И потому вопрос о победителе той битвы остался неразрешенным. До поры.
Что же сказал Бору Эйнштейн в той схватке, когда Мироздание зависло в точке равнодействия между Ночным и Дневным дозором?
Это случилось в 1935 году. И Эйнштейн был в той схватке не один. На его стороне сражались еще два рыцаря Истины – Борис Подольский и Натан Розен. Три простых еврейских рыцаря. Они предложили мысленный эксперимент, который с тех пор получил название «эффект Эйнштейна – Подольского – Розена» или попросту ЭПР-эффект.
Хитроумная схема трех рыцарей, общей дамой сердца коих была Объективная Истина, нацеливалась на основу основ теории неопределенности – может ли частица одновременно обладать определенным положением и определенным импульсом. То есть существовать в классическом смысле этого слова. Мир Тьмы, мир неопределенности, ставящий под сомнение самою физическую реальность, гласил: знать все невозможно! Потому что ничего определенного не существует! Все размыто, искажено. В частности, мы не можем совершенно точно одновременно узнать координаты и импульс элементарной частицы. Либо вы меряете с точностью, где находится частица, и тогда вы не знаете ничего об ее характеристиках (импульсе), либо вы точно узнаете свойство частицы, но не знаете, где она находится.
Это непредставимо для обычного мира. Если летит пуля, мы в любой момент знаем, где она находится и какова ее скорость. Странно, если бы узнав, где пуля, мы тем самым автоматически закрывали себе знание о ее скорости. И наоборот, узнав скорость, мы полностью теряли бы информацию о ее местоположении. Где ружейная пуля, чья скорость 800 м/с? Как где? На траектории полета!.. А вот и нет, а вот и нет! Нет у нее никакой траектории! И координаты нет. Теперь пуля вполне может оказаться в Антарктиде или на Луне. Возможен вариант: есть точная координата пули на траектории (в 30 см от ружейного ствола), но тогда нет точной скорости. То есть скорость может быть нулевой. Или бесконечной.
Запускаем ракету. Какова ее скорость через секунду после старта? – Десять метров в секунду, товарищ полковник!.. – А где она? – А хрен ее знает! Квантовая механика, товарищ полковник. Теперь уже непонятно.
И прав ведь товарищ полковник в своем справедливом возмущении! Действительно, что это за дурь такая? Не может Родина стрелять вслепую. А как же баллистика? Есть же такая наука – баллистика! И этой науке все равно, какой массы пуля – хоть 9 граммов, хоть тонна, хоть с электрон размером. Подставь в формулы, получишь результат – где пуля и что с ней в данный момент происходит. Увы! В микромире баллистика работать перестает. Как же тогда рассчитывать прицел?
А по вероятности. Есть так называемая волновая функция – она описывает «размазанную в пространстве вероятность» того, что в данной точке может оказаться электрон, вздумай мы его здесь поискать. Это ключевое выражение – «вздумай мы его поискать»! Если бы мы поискать электрон не вздумали, он был бы... где? Вот в ответе на этот вопрос и разошлись Бор с Эйнштейном. Эйнштейн считал, что электрон где-то, в каком-то определенном месте да был бы. Просто мы пока не можем точно рассчитать это место. Поэтому и предсказываем вероятностно. Бор полагал по-другому. Он считал, что, пока мы не интересуемся, где находится электрон, он в определенном месте и не находится. Он действительно размазан в пространстве! И размазанность эта намного превышает диаметр самого электрона. Это как если бы пуля, вылетев из ствола, превращалась в летящее облачко тумана. Электрон как бы летит по всем траекториям сразу. Но! Но если мы проведем замер, то обнаружим частицу на вполне определенной траектории, в конкретной точке. То есть если под «туманную пулю» мы подставим мишень, то в момент удара по мишени пуля тут же локализуется, превращается в обычную твердую пулю, которая делает в мишени маленькую дырку.
Первая мысль от подобного поведения элементарных частиц именно эйнштейновская – на самом деле электрон летит по вполне конкретной траектории, как пуля, просто мы ее не знаем, а можем лишь примерно, вероятностно определить – таков наш пока несовершенный математический аппарат. Второе впечатление от дурного поведения элементарных частиц – головокружительное, и более всего кружится голова от дикости происходящего, когда знакомишься со знаменитым двущелевым экспериментом.
Сейчас я его вкратце опишу. Волны, как вам известно, умеют складываться – и морские, и звуковые, и электромагнитные. Если встречаются две волны в противофазе, они гасят друг друга. А если в одной фазе – усиливают: растет амплитуда волны. Представьте себе набегающую на берег широким фронтом волну. Мы ставим на ее пути плотину с двумя щелями, расположенными неподалеку друг от друга. Через плотину волна не проходит, а через щели – проходит, разбегаясь от щелей двумя конусами в сторону берега. Волновые конусы возле берега встречаются, перекрываясь. И в тех местах, где амплитуды волн получаются синфазными, они складываются, и о берег бьют удвоенные волны. А там, где волны гасят друг друга, берег спокоен.
Такой же эксперимент, проведенный со световой волной, дает на экране (который здесь заменяет берег) так называемую интерференционную картину, то есть картинку сложения волн. Где световые волны складываются, – там на экране яркие полосы света, а там, где вычитаются, – темные полосы тени. Световая зебра.
Такой же эксперимент проводили не только с волнами, но и с частицами – электронами. Если бы электроны были большими, как, например, шарики от подшипников, никакой интерференции не получилось бы: шарики не волны, там нечему складываться – барабанили бы просто в мишень, образуя два пятна попаданий – от каждой щели по одному.
Но в микромире, как вам опять-таки известно, все частицы обладают свойствами волн. И наоборот – волны обладают свойствами частиц. И если двухщелевой эксперимент проводить с электронами, на экране образуется интерференционная картина – электроны ведут себя как волны. Получается зебра.
Когда я учился в школе, я думал, что интерференция электронов получается оттого, что электронов много – одни пролетают через левую щель, другие через правую, а за щелью как-то там складываются, взаимодействуют, и на экране получается интерференционная картина.
Так многие думают. Но это не так. В эксперименте ученые запускали в установку по одному электрону. И наблюдали интерференционную картину! Что это значит? Это значит, что один электрон пролетал одновременно через две щели! И за экраном интерферировал – складывался сам с собой.
