Александр Никонов
Квантовая механика и парадоксы сознания
А если звезд нет?
Если наша воображаемая вселенная абсолютно пуста? Как тогда засечь вращение? Как определить, вращается наше тело или нет, если вокруг ничего, никаких зацепок? В этом случае утверждение про вращение просто не будет иметь смысла! В этом случае вращение просто неотличимо от невращения. И значит, вода в нашем ведре выгибаться не будет (оно же не вращается, по сути), а если это наше тело в скафандре, наши раскинутые руки не будет растаскивать центробежная сила в разные стороны.
А это значит, по мнению Маха, что центробежная сила образуется не пустым пространством, относительно которого мы вращаемся, а всей материей вселенной, всеми теми миллиардами звезд вселенной, которые гравитируют и относительно которых вращается наша масса.
Это была богатая идея! Мах отказался от ненаблюдаемой и неощущаемой координатной сетки пространства, связав пространство с материей в один неразрывный комплекс. Он убрал недвижный мифический Абсолют и заменил его относительностью вселенской материи, заявив: «А если бы во вселенной была всего одна звезда, вода в нашем ведре выгнулась бы совсем-совсем-совсем чуть-чуть, ничтожно мало!»
– Елки-палки! – от неожиданности крякнули тогда физики всего мира и Ленин. И крепко задумались. Идея всем понравилась (кроме Ленина). Она очень понравилась и Эйнштейну.
– Что-то в этом есть, – подумал тогда молодой и смелый работник патентного бюро в Берне. Результат его раздумий нам всем теперь известен и многократно подтвержден экспериментально: две теории относительности как с куста! А началось все с антиленинских идей Маха (что конкретно не понравилось Ленину во взглядах австрийского физика, мы увидим далее).
В дальнейшем уже сам Эйнштейн предложил несколько удивительных мысленных экспериментов, которые сломали физикам головы, причем, один их них был через много лет экспериментально проверен, что самому Эйнштейну представлялось невозможным.
И если Мах связал пространство с материей, то Эйнштейн позже эту связь углубил и показал, как именно они связаны (через искривление пространства массой), а также связал пространство со временем в один пространственно-временной континуум, вслед за Махом раскачав ломом относительности божественный абсолютизм Ньютона. Но это оказались только цветочки. Квантовые ягодки были впереди! Именно квантовая механика демонтировала фатализм ньютоновской механики и отодвинула в сторону бога, определив, что запросто можно обойтись и без него, а заодно поставила вопрос о самом существовании физической реальности.
Глава 2
Сплошное волнение
Вы хорошо представили себе этот мир ньютоновской механики, похожий на неумолимые часы с шестеренками? До боли представили? До ужаса? Мир, в котором ничего нельзя изменить, в котором все происходит с механической предопределенностью, а из причины следует однозначное неизменяемое следствие…
Откуда бы взялся этот мир, столь законченный, завершенный и совершенный, как заведенный брегет с крышкой, забытый на каминной полке? И зачем в таком мире сознание, если и так произойдет все, что должно произойти – с убийственной неизбежностью механической шестерни? В таком мире сознание просто бы не возникло за ненадобностью. Впрочем, о сознании мы еще поговорим…
Все, что окружало Ньютона и физиков его эпохи, – это твердые тела, а также жидкости и газ, также состоящие из атомов, то есть опять-таки твердых неделимых частичек, подчиняющихся законам механики. Две только вещи были непонятными в этом механическом мире: притягивание бумажек натертым о шерсть янтарем и свет.
Свет – это вообще что такое?
Вопрос, конечно, интересный для XVII века. Ньютон считал, что свет – это корпускулы, то есть крохотные частички, испускаемые источником света. Если весь мир состоит из частичек, то почему бы и свету ими не быть? Отражение света от зеркала (угол падения равен углу отражения) – это упругий отскок частичек. Причем частички эти разного размера, полагал Ньютон. Те, что побольше, воспринимаются нами как красный цвет (свет); те, что поменьше – иных цветов радуги. Самые маленькие – голубой и фиолетовый. А смесь разнокалиберных частичек в равной пропорции дает белый цвет (свет). Гениально! И практически в точку даже по размерам.
Но была и другая точка зрения на такое загадочное и вместе с тем обыденное явление, как свет. Некоторые физики небезосновательно думали, что свет – это волна. Эту точку зрения разделял Гюйгенс.
Мысль смелая, поскольку весь механистический ньютоновский мир состоит из частичек, и в нем наблюдается такое явление, как волны, состоящие из коллективного согласованного движения частичек среды, то почему бы свету не быть такими волнами, а? Волны на море – лучший пример согласованного движения частичек среды. Звуковые волны – тоже неплохой. Разница между ними только в том, что морские волны – поперечные, а звуковые – продольные, но это непринципиальное отличие. Главное, что математическая теория волновых колебаний у физиков была. Физики – народ ушлый, они изучали и отдельные физические тела, упруго сталкивающиеся, и их коллективное поведение, которое удобнее было описывать волновыми уравнениями.
Но вопрос тем не менее оставался: все-таки свет – это поток отдельных частиц, летящих прямо, как горошины, или это волновые колебания некоей упругой среды, состоящей из частиц, наподобие звуковых волн в воздухе? И что это за среда?.. А среда, полагал Гюйгенс, это некий все собой заполняющий мировой эфир, который подозрительно напоминал ньютоновское пространство, только был не пустым местом.[5] Может, этот гипотетический мировой эфир и есть та самая абсолютная система координат?
Пока в среде физиков шли эти терки, мимо прокрался Томас Юнг и в 1801 году, в наполеоновскую эпоху, с помощью простейших опытов доказал:
– Ребята! Свет – это волны. Теперь, что хотите, то и делайте! – И сатанински расхохотался.
Пусть читатель извинит меня за мою прямоту, но я рассказываю все, как было. Пусть также искушенный читатель извинит меня за дальнейшие всем известные еще со школьной скамьи подробности, которые излагаются во многих научно-популярных книгах по физике и даже мною в разных книгах были изложены неоднократно. Я имею в виду описания легендарных двухщелевых экспериментов, которые мне снова придется описать и в этой книге тоже. Я же не могу отсылать читателя к другим источникам прямо в середине интересного рассказа. Наверняка есть люди, для которых это внове, ибо они плохо учились в школе, поэтому здесь я еще раз изложу ситуацию с самых азов – так, чтобы поняли даже девочки и двоечники. Мне это удастся легко! Потому что автор обладает редким талантом излагать сложные вещи простым языком. Так что следите за мыслью!..
Двухщелевые эксперименты стали самыми известными экспериментами в физике. Именно они перевернули мир…
Волны, как и любая физическая реальность, имеют свойства, присущие только им… Вообще, давайте разберемся, в чем принципиальное отличие волн от других физических штук типа табуретки или Луны. Луна и табуретка – это физические тела, то есть объекты. Если их швырнуть, они полетят по какой-то траектории. Луну даже швырять не надо, она и так летает вокруг Земли по эллипсовидной орбите.
А волна – это не объект. Волна – это процесс. Процесс согласованного движения мириадов частиц среды, в результате которого по среде бегут те самые волны сгущений или разряжений (в случае продольных волн) или пиков и впадин (в случае волн поперечных).
И процесс распространения волны имеет свои свойства. Волны обладают свойствами рефракции, дифракции и интерференции. То есть они могут огибать препятствия и складываться друг с другом. Там, где складываются горбушки волн, получается волна удвоенной амплитуды (высоты), а если горб встречается с впадинкой – они компенсируют друг друга. И волна гаснет. Ну, и еще, как всякому известно, волны характеризуются частотой (число колебаний в единицу времени) и длиной волны (расстояние между соседними горбами).
Понятно, что у объектов всего этого нет: ни частоты, ни длины волны, ни интерференции – две табуретки не начнут складываться, чтобы при встрече друг с другом образовать табуретку вдвое большего размера.
Хитрый, как сто чертей, Томас Юнг пропустил луч света через две расположенные рядом прорези в светонепроницаемой шторке, и на экране за шторкой образовалась чудесная интерференционная картина.
Если бы свет был частицами, картина на экране была такой.
Рис. 3
А она – вот такая. Волны интерферируют, образуя интерференционную картинку.
Рис. 4
Все! Баста! Разговор окончен! Таким вот простым способом была неопровержимо доказана волновая природа света. Расходимся…
Позже выяснилось, что свет – это электромагнитная волна. И теперь в каждом школьном классе висит чудесная цветная шкала электромагнитных колебаний, начиная от радиоволн и заканчивая жестким гамма-излучением. И примерно в середине этой шкалы есть маленький участок оптического диапазона. Тот самый свет.
Опыт Юнга был поставлен в 1801 году, и весь долгий девятнадцатый век наука знала: свет – это волны. Наверное, колебания некоего светоносного эфира, который мы раньше считали пустотой. Максвелл разработал теорию электромагнетизма, расписав формулы, которые нынче учат в школах и институтах. И все было прекрасно и удивительно в науке физике, которая, базируясь на ньютоновской механике, включала в себя также электродинамику и термодинамику (науку о распространении тепла).
Все было просто превосходно – до тех пор пока не случилась та самая катастрофа.
Вы, скорее всего, даже вспомните ее название из школьного курса. Поскольку то, что случилось, воспринималось именно как крах, физики отразили свои переживания в самом названии проблемы – «ультрафиолетовая катастрофа». Под зданием физики рванула настоящая бомба!
Поначалу не все физики поняли масштабы бедствия. Ньютонианская картина мира, дополненная теорией электромагнетизма Максвелла и термодинамикой Больцмана энд К0, была столь прекрасна, величественна и непротиворечива, что в храме физики к началу XX века заиграла органная музыка и воцарилось чинное благолепие. Что подчеркивается следующим историческим диалогом, который приводят многие авторы научно-популярных книг по физике (и я не исключение, потому вновь прошу прощения у тех, кто знает, о чем пойдет речь).
Диалог этот состоялся в 1874 году в стенах Мюнхенского университета между молодым человеком, выбиравшим свою жизненную стезю, и профессором физики Филиппом Жоли. Юноша колебался, какой путь выбрать – стать физиком или музыкантом. Он писал музыкальные пьесы, отлично играл на рояле и имел хороший голос. Но физика его интересовала тоже, и в математике парень разбирался отлично. Старенький профессор окинул взглядом студента и сказал:
– Молодой человек! Физика как наука кончилась: она практически завершена. Осталось сделать пару мелких уточнений, на которые вам, наверное, не стоит тратить жизнь.
– Да я в мировые звезды и не рвусь. – Ответил юноша. – Меня устраивают мелочи. Сделаю пару уточнений!
Звали этого молодого человека Макс Планк. В 1947 году «Нью-Йорк Таймс» назвала его одним из самых величайших гигантов мысли в истории цивилизации наряду с Эйнштейном и Архимедом. На надгробии этого человека вместо дат рождения и смерти выбито число, которое в физике называется «постоянная Планка». Это главная константа квантового мира…
Кстати, став физиком, Планк играть на рояле не перестал, и порой они с Эйнштейном, который приносил с собой скрипку, зажигали на пару. Думаю, музыка много потеряла…
Сам Планк был человеком трагической судьбы. Две его дочери умерли молодыми в родах. Старший сын пал на Первой мировой войне в знаменитой Верденской битве, известной как «Верденская мясорубка», где погибло тогда более миллиона человек. Младший сын был казнен в январе 1945 года за участие в покушении на Гитлера, которое организовал полковник фон Штауфенберг. В конце войны дом Планка был разбомблен, и старый уже к тому времени Макс Планк пошел со своей женой, оставшись без всего в этой жизни, куда глаза глядят.
А главной научной трагедией Планка было то, что этот человек, положивший начало квантовой механике и придумавший само слово «квант», так и не поверил в существование квантов. Он-то полагал, что его формулы – это всего лишь паллиатив, костыль, временное вспомогательное решение проблемы, пока физика не придумает что-то посущественнее и пореальнее его квантов. Но все дело в том, что он сам и был – физика! Планк стоял в самом ее передовом ряду и не было никого первее.
Так что же за проблемы возникли у физики в конце XIX века? Какая малая дырочка оказалась столь влиятельной, что разрушила плотину, через которую в физику хлынул целый новый мир, ранее не замечаемый?
Дырочек было две. Первая – несоответствие фактического положения Меркурия его теоретическому положению, просчитанному по ньютоновской механике. Вторая закавыка – та самая ультрафиолетовая катастрофа, которая заключалась в том, что как-то неправильно излучало абсолютно черное тело.
Что такое абсолютно черное тело?
Еще в 1860-х годах один из учителей Планка, Густав Кирхгоф, придумал модельный объект для мысленных экспериментов по термодинамике – абсолютно черное тело (АЧТ). По определению, АЧТ – это такое тело, которое поглощает абсолютно все излучение, падающее на него, и ничего не отражает. Кирхгоф показал, что АЧТ – это еще и лучший излучатель из всех возможных. Ведь тот факт, что абсолютно черное тело поглощает все излучение, говорит о том, что оно нагревается, а значит, излучает тепло (и свет при сильном нагреве)!
Самой распространенной моделью черного тела, которую приводят в пример школьникам, является сфера с внутренней зеркальной или черно-сажевой поверхностью и дырочкой, как на рисунке. Луч света, залетев в дырочку, попадает в ловушку и поглощается сажей или начинает бесконечно отражаться от стенок, потому что вероятность вырваться обратно у него очень мала.
Модель абсолютно черного тела. АЧТ – это не вся сфера, а только дырочка, в которую попадает свет и оттуда уже не вылетает.
Рис. 5
Естественно, как любой нагретый объект, черное тело излучает в широком диапазоне длин волн, причем, по мере нагрева пик излучения смещается в коротковолновую (высокочастотную) область. Ближайший аналог АЧТ – нагретый до красноты или белого каления кусок металла: чем выше температура куска металла, тем белее его свечение.
Так вот, расчеты, проведенные в соответствии с классической физикой, давали очень хорошее совпадение с экспериментом в области длинноволнового излучения (для не сильно нагретых тел), но для тел, нагретых сильно, то есть излучающих в области коротковолновой, классическая физика давала абсурдный результат – тело должно было излучать бесконечно большую энергию!
Это было крайне неприятно – увидеть такое в расчетах!
Зависимость энергии, излучаемой АЧТ, от длины излучаемых волн и температуры его нагрева. Крайняя правая линия, улетающая в бесконечность, – результат теоретического предсказания классической теории для тела, нагретого до температуры 5000 К. Прочие линии – результат эксперимента.
Рис. 6
Эту нелепицу устранил Макс Планк, сделав допущение, что энергия из АЧТ не льется сплошным волновым потоком, а излучается «поштучно», порционно – квантами. Квант есть маленькая неделимая порция. Причем энергия кванта пропорциональна его частоте, а коэффициентом пропорциональности служит некая величина, которую потом назвали «постоянной Планка».
Оформив это свое предположение математически, Планк внес поправки в формулы, и они дали прекрасное совпадение с экспериментом.
Сам Планк в свое предположение о квантах не верил. Ему казалось, что когда-нибудь его вынужденное допущение будет устранено. Однажды Планк гулял со своим сыном-подростком (которого через много лет казнил Гитлер) и на вопрос мальчика, чем отец занимается, ответил, что он или сделал открытие на уровне Исаака Ньютона, или занимается какой-то странной нелепицей.
В общем, Макс Планк, стоявший у истоков квантовой физики, человек, с которого кантовая физика началась! – в кванты не верил.
Вторым человеком, заложившим краеугольный камень в квантовую физику, был Эйнштейн со своей работой по фотоэффекту. И ему квантовая физика жутко не нравилась! Но он, как и Планк, был вынужден строить ее здание – сама природа заставила.
В двух словах напомню историю с фотоэффектом. Дело было так.
В XIX веке открыли явление фотоэффекта – при облучении металла светом из металла начинают выбиваться электроны. Картинка ниже наверняка покажется вам знакомой, и немудрено – вы видели ее на уроках физики.
Световой поток вышибает электроны из катода лампы, и под действием электрического поля они устремляются к аноду, замыкая цепь.
Рис. 7
Как рассуждали представители классической физики эпохи стимпанка? Ну, если свет – это волна, то поливая световым потоком металл, как из шланга, мы постепенно накачиваем электроны энергией, и когда электрон накопит энергию, достаточную для того, чтобы оторваться от ядра атома, он вылетит. Стало быть, чем интенсивнее мы «поливаем» электроны, тем больше будет фотоэффект. А от цвета света, то есть от частоты излучения, эффект зависеть не должен. Однако результат эксперимента оказался полностью противоположным. Оказалось, энергия вылетающих электронов связана не с интенсивностью света (ярче, темнее), а почему-то с его частотой. И при достижении какой-то критически низкой частоты, электроны переставали выбиваться даже при высочайшей интенсивности светового потока.
Почему?
Эйнштейн, занявшийся этой проблемой, закрыл вопрос со свойственной ему гениальностью. Он, взяв на вооружение идею Планка о том, что излучение и поглощение энергии происходит порциями, квантами энергии, заявил:
– Ребят! Свет – не волна! То, как он себя ведет при выбивании электронов, говорит о том, что так вести себя могут только частицы. И чем они энергичнее, тем больше энергия выбитого электрона. А энергия световых частиц зависит от их частоты. То есть влияет не количество частиц (интенсивность света), а их качество (частота). Слабенькими частицами хоть уполивайся, у них недостаточно энергии для того, чтобы вырвать электрон из металла. А вот даже одной энергичной частицы достаточно, чтобы вырвать один электрон, то есть реденького потока энергичных частиц света вполне хватит для начала фотоэффекта. Бинго, друзья!
Частицы эти позже назвали фотонами.
И во всем этом была двойная странность. Во-первых, о каких частицах речь, если свет – это волна, что доказано опытным путем!? Во-вторых, если Эйнштейн говорит о частицах, то, черт возьми, какая у частиц может быть частота? Ведь частица – это объект, а не процесс!
Молекула воды – объект. А волны на море – синхронизированный процесс колебания молекул воды – вверх-вниз, вверх-вниз…
Пружина – объект. Колебания пружины – процесс…
По-моему, тут все ясно. Есть же разница между ногами и ходьбой, верно? Ну, какая может быть частота (длина волны) у табуретки?
Однако Эйнштейн был прав, что и подтвердили бесконечные опыты с фотоэффектом. Десять лет некто Роберт Милликен проводил опыты с фотоэффектом, пуляя кванты света на катод. И он был такой не один. После чего физический мир согласился с правотой Эйнштейна. А Милликен, который на основании этих опытов вычислил постоянную Планка и написал: «Я потратил десять лет своей жизни на проверку этого эйнштейновского уравнения 1905 г. и, вопреки всем своим ожиданиям, был вынужден в 1915 г. безоговорочно признать, что его уравнение экспериментально подтверждено, несмотря на всю его несуразность. Ведь это противоречит всему, что мы знаем…»[6]
Таким образом квантовая природа света была доказана: свет – это частицы. Что было доказано с той же неопровержимостью, с которой ранее в опытах с интерференцией было доказано, что свет – это волна.
Свет оказался и волной, и частицей. И объектом, и процессом одновременно.
И тогда физики махнули рукой и решили: а пускай! Пусть будет противоречие. Назовем это корпускулярно-волновым дуализмом. Как только непонятную вещь как-нибудь называешь, она сразу как бы становится понятнее… И будем отныне говорить так: свет – это материальный объект, который можно описать и как частицу, и как волну в зависимости от способа описания и приборного парка. Хотите описать свет как волну – устраивайте эксперименты по дифракции и интерференции. А если хотите описать свет как частицы – фотоэффект вам в руки! Применение двух взаимоисключающих моделей для описания одного природного явления назвали принципом дополнительности.
Но на этом история не закончилась. Вслед за Эйнштейном на сцену выскочил Луи де Бройль со своим номером. Ему пришло в голову удивить публику следующим трюком:
– Так! Идея следующая. Там, в этом микромире, где все такое маленькое и непонятное, световые волны оказались частицами. Так может быть, и частицы тоже обладают свойствами волн, а? Как тебе такое, Макс Планк?
Тоже ведь гениальная идея, согласитесь. Если фотоны обладают свойствами волн и частиц одновременно, почему бы и частицам, электронам, например, не иметь частоты и длины волны?
Позже был проведен аналог двухщелевого эксперимента с пучком электронов. И они исправно нарисовали на экране интерференционную картину. В точности как свет. Хотя всем в ту пору было известно, что электроны – это маленькие отрицательно заряженные шарики, которые кружатся вокруг положительного заряженного ядра атома.
– А вдруг, – пришла в чью-то голову свежая идея, – поток электрончиков, пролетающих в эти щели, синхронно колеблется? Вдруг согласованное движение электронов образует волны в электронном потоке? Ну, так же как образуется звуковая волна в воздухе? И в результате мы видим интерференционную картину? Ась?
Хм. Как это проверить? Да очень просто! Надо запускать в установку электроны по одному. И если после тысяч простреленных через две щели электронов на экране постепенно образуются две засвеченные полосы напротив щелей, тогда электроны – однозначно частицы! А если постепенно, отдельными точечками, нашлепается на экране та же интерференционная картина, значит, они – волны! Точнее, в полете ведут себя как волны, а точками (частицами) становятся, уже ударившись в экран.
Так ведут себя волны. Каждая щель является вторичным источником волн, которые складываются-вычитаются с волнами из соседней щели, образуя красивый интерференционный узор.
Рис. 8
Этот эксперимент был проведен. Электроны пуляли по одному. Они пролетали через установку, шлепались в экран, оставляя каждый после себя точечный след, и постепенно-постепенно на экране нарисовалась интерференционная картина.
Вот тут уже надо было крякнуть, сесть на табуретку, перекрутить портянки, достать кисет с махоркой и вдумчиво перекурить. Что вообще произошло?
Это ведь не просто означало, что электроны в свободном полете вели себя как волны! Их же пускали по одному! И после пролета через щелевую часть установки электроны хлопались на экран, уже проинтерферировав сами с собой, то есть волны складывались и вычитались горбушками и впадинками, оставляя на экране светлые и темные полосы. Но чтобы такой интерференционный рисунок получить с водяными или световыми волнами, нужно, чтобы каждая щель была вторичным источником волн, которые в пространстве за щелевым экраном будут между собой складываться и вычитаться (см. картинку).
Вы еще не поняли?
Еще раз: электроны-то запускали через две щели по одному! Это значит, что один электрон пролетал через обе щели сразу, после каждый щели образовывалось два фронта волны, которые и интерферировали между собой.
Бузу трешь! – как сказал бы дед Щукарь из бессмертного романа Шолохова. (Шутка.)
Но все-таки… Как один электрон одновременно мог пролететь через две щели? Как одну табуретку можно одновременно привезти на девятый этаж сразу на двух лифтах?
Естественно, у физиков возникла идея: а если закрыть одну щель, будет образовываться интерференционная картинка? Закрыли. Не образовывалась. Просто на экране напротив открытой щели, куда пролетали электроны, накапливалась жирная полоса засветки.
А если мы поставим детектор за щелью, чтобы подсмотреть, в какую же из них пролетел электрон на самом деле? Так и сделали. После чего «самое дело» изменилось. Реальность изменилась: интерференционная картинка образовываться перестала. Неужели само по себе наблюдение меняло реальность?
Нет, конечно, с облегчением вздохнули физики! Просто для того, чтобы крошку-электрончик пронаблюдать, его надо как-то засечь, например, облучить квантами. Но это уже физическое воздействие! Оно и меняет картину, превращая электрон как волну, в электрон как частицу. И волновая картинка на экране пропадает.
Фу-ух! Пока что от мистики с наблюдателем, влияющим на вселенную одним фактом наблюдения, удалось избавиться. Но ненадолго.
Ведь оставался необъясненным еще один удивительный момент, когда детектор, установленный только возле одной из щелей, НЕ регистрировал пролетевший в эту щель электрон, то есть электрон пролетал в другую щель, интерференционная картинка пропадала тоже! Но ведь электрон в этом случае не обстреливался детектирующими фотонами, поскольку на второй щели, куда он юркнул, детектора не было! Иными словами, сам факт регистрации как-то превращал электрон-волну в электрон-частицу, словно бы электронное облачко знало, что там, за щелевым экраном, его секут, и потому непредсказуемый волк заранее превращался в послушную овечку. Но как он узнал, что его будут детектировать?
На этот хитрый вопрос ответ нашелся быстро: да никак не узнал! Электронное облако ведь пролетает через две щели одновременно! И поскольку на часть этого облака возле одной щели воздействовали детектирующие фотоны, они и схлопывали волновую функцию, превращая волну в частицу, которая с вероятностью 1/2 проявляла себя или пролетом через правую щель (регистрируем пролет) или пролетом через левую щель (не регистрируем пролет на этой щели). Вот и все!
