Читать книгу "О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга - Томас Хертог"

его, вообще говоря, не будет каждый раз одним и тем же.

Возможно, первым человеком, мимоходом столкнувшимся с фундаментальным индетерминизмом, вплетенным в процессы, действующие в микромире, был Резерфорд. В 1899 году, изучая внутреннее строение атомов, Резерфорд воспользовался радиоактивным источником – кажется, урановым, – чтобы бомбардировать альфа-частицами тонкую золотую фольгу. Наблюдая возникающие вследствие этой бомбардировки вспышки света, Резерфорд скоро понял, что направления и времена прихода излучаемых альфа-частиц случайны. Согласно квантовой механике, это объясняется тем, что, хотя для уранового ядра существует определенная вычисляемая вероятность того, что за некоторое фиксированное время оно распадется, знать наперед, когда именно распадется данное ядро, невозможно. Квантовая механика предсказывает только вероятности различных времен прихода и траекторий движения излучаемых при радиоактивном распаде альфа-частиц, но не существует никакого тайного знания – и нет никакой надежды его отыскать, – при помощи которого мы могли бы предсказать точный момент прихода конкретной альфа-частицы или направление, в котором она будет двигаться. Сила квантовой теории – и одновременно ее странность – именно в том, что она включает в себя неустранимые неопределенность и случайность, пропитывающие микромир и составляющие основание его математического описания. Да, законы квантовой механики сводятся к бросанию костей, а не к предсказаниям определенных исходов наблюдений; они требуют от нас признать, что самое большее, что мы можем сделать, – это предсказать вероятность того или иного результата.

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

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

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

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

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

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

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