В книге "Сто лет недосказанности. Квантовая механика для всех в 25 эссе" Алексей Семихатов предпринял попытку доступно рассказать о принципах и логике квантовой механики. В 25 главах-эссе читатель познакомится с особенностями квантового мира, поймет, по каким правилам развиваются квантовые системы, а также узнает некоторые исторические этапы в становлении фундаментальной физической теории.
Так, еще в самом начале своего существования квантовая теория встретила серьезного соперника в лице Альберта Эйнштейна. Физик-теоретик был категорически не согласен с тем, как квантовая механика объясняла поведение отдельных частиц: законы микромира противоречили постулатам теории относительности — работы всей жизни Эйнштейна.
Оппозицию ему составил датский физик-теоретик Нильс Бор, один из основоположников квантовой механики. О том, как спорили великие ученые и почему у Эйнштейна так и не получилось опровергнуть квантовую теорию, читайте во фрагменте книги ниже.
Развитию новых взглядов очень поспособствовала "вторая квантовая формула". Она появилась в 1905 г. в статье Эйнштейна, посвященной совсем другой задаче. Там Эйнштейн предположил существование "световых квантов" — минимальных порций света, несущих определенную энергию, зависящую от длины волны этого света. Они понадобились для объяснения иначе никак не объясняемых экспериментальных фактов о том, что происходит, когда свет, падая на поверхность, выбивает из материала электроны. Эта работа была удостоена Нобелевской премии за 1921 г. (присуждена в 1922-м).
В 1907 г. Эйнштейн использовал зарождающиеся квантовые идеи (в том числе формулу Планка) для объяснения того, как твердые тела откликаются на нагревание (см. с. 62). Эта модель была много лучше всего предыдущего, хотя и оказалась не очень точной. Наряду с основной идеей о квантовом характере распределения энергии по колебательным системам она включала некоторое количество упрощающих предположений. Модель действительно описывала резкое уменьшение теплоемкости при уменьшении температуры, но при очень низких температурах предсказывала слишком малую теплоемкость. Она стала шагом на пути к улучшенной модели, которую предложил Дебай в 1913 г., использовав несколько иные предположения, и которая прекрасно описывает теплоемкость твердых тел при очень низких температурах. Важность первой модели Эйнштейна была в указании направления мысли: первые догадки о новом устройстве вещей чрезвычайно ценны, потому что стимулируют следующие версии и часто определяют, в каких терминах следует думать о задаче.
В 1916–1917 гг. Эйнштейн применил идею квантов света, формулу Планка и представления о дискретных уровнях энергии в атоме (эмпирический факт, в то время еще не объясненный) для построения простой и элегантной теории. Она говорила, каким образом и при каких условиях свет, проходящий через вещество, может заставить атомы вещества, получившие перед тем дополнительную энергию, излучать новые фотоны, которые по всем своим характеристикам, включая частоту и направление распространения, согласованы с фотонами падающего света. Эта теория лежит в основе работы мазеров и лазеров, впервые созданных соответственно в 1953 и 1960 гг. и впоследствии отмеченных Нобелевской премией.
Вклад Эйнштейна в развитие квантовой теории на ее раннем этапе неоспорим. Но этим дело не ограничилось. В 1924-м, буквально накануне открытия квантовой механики, на глаза Эйнштейну попался ответ на давно занимавший его вопрос, касавшийся тех самых порций света, которые он же в свое время и ввел: как описывать их свойства, когда этих порций очень много? Это позволило ему сделать следующий важный шаг. Пожалуй, я процитирую Нобелевский комитет — сообщение для прессы в связи с премией по физике 2001 (!) г.: "В 1924 г. индийский физик Бозе выполнил важные теоретические расчеты, касающиеся частиц света. Он отправил свои результаты Эйнштейну, который распространил теорию на атомы определенного типа и предположил, что если газ, состоящий из таких атомов, охладить до очень низкой температуры, то все атомы внезапно соберутся в состояние с наименьшей возможной энергией".
Эйнштейн предсказал явление "конденсации", но не обычной, а квантовой, причем невиданно радикальной, когда частицы (атомы) "определенного типа" ведут себя способом, в точности противоположным обычному: не "делают что хотят", каждый без оглядки на остальных, а, наоборот, массово делают одно и то же — причем в очень строгом смысле одно и то же. Макроскопически большое количество частиц, принципиально неотличимых друг от друга, приобретают в точности одинаковые характеристики, причем все возможные характеристики. Потребовалось 70 лет развития технологий, чтобы воспроизвести это явление в лаборатории (за это и была вручена только что упомянутая Нобелевская премия). Сейчас бозе-эйнштейновский конденсат считается отдельным (так называемым пятым) состоянием вещества с выраженными квантовыми свойствами. Знаменательно, что Эйнштейн сделал это предсказание не после и не вследствие изобретения квантовой механики; наоборот, его идеи предшествовали ее появлению (и даже, вместе с идеями де Бройля, повлияли на Шредингера, вскоре после того создавшего свое фундаментальное уравнение).
Но когда полноценная квантовая механика наконец появилась (1925–1926), Эйнштейн предъявил к ней значительные претензии. Сначала он просто подозревал предложенную схему во внутренней непоследовательности и изобретал такие ситуации, когда применение внутренней логики самой квантовой механики должно было по его замыслу привести к противоречию. Такой способ действий стали называть мысленным экспериментом. Мысленные эксперименты — логический анализ того, как теория, претендующая на описание мира, может справиться с различными ситуациями, которые в принципе возможны, — сыграли большую роль в развитии квантовой теории.
Задачу оппонирования Эйнштейну взял на себя Бор — который в немалой степени был вдохновителем Гайзенберга при изобретении квантовой теории, а попутно развивал систему взглядов для "объяснения" квантовой механики и вообще физического взгляда на мир. Хорошие личные отношения Эйнштейна и Бора не исключали долгих, глубоких, снова и снова возобновляемых споров. Изобретательность Эйнштейна несколько раз ставила Бора перед вроде бы неустраняемыми противоречиями — но только временно; внимательное рассмотрение показывало, что противоречия каждый раз возникали из-за протаскивания в квантовую область предположений, которые верны в классическом мире и к которым мы привыкли настолько, что можем даже не замечать, в какой момент рассуждений они используются. Бор обнаруживал неявное использование таких предположений, и Эйнштейн подтверждал, что противоречие исчезло. Такие "проверки на прочность" с помощью мысленных экспериментов укрепляли убежденность, что квантовая механика сама по себе лишена логических изъянов, и Эйнштейн с этим согласился.
Но он определенно не хотел соглашаться с той интерпретацией — "объяснением смысла" всей схемы, — которую продвигал Бор. В фокусе обсуждения была несовместимость некоторых свойств друг с другом ("вражда", если использовать язык этой книги). Уже было известно, что в зависимости от постановки эксперимента из него можно было извлечь или одни, или другие свойства квантовой системы. Но что представляет собой данная квантовая система в реальности, без ссылок на какие бы то ни было эксперименты? Вещи ведь существуют независимо от того, какими из их свойств мы решим поинтересоваться? Разве нет?
Несогласие между Эйнштейном и Бором (по часто высказываемому мнению — между Эйнштейном и "всеми остальными", что не буквально точно, но в целом скорее верно, чем нет) оказалось несогласием по поводу структуры реальности. Эйнштейн был уверен, что мир и его свойства существуют независимо от нас, наблюдателей, и независимо от того, какие средства мы выбрали, чтобы узнать об этих свойствах; он считал, что наблюдение над объектом выявляет те свойства, которыми этот объект обладал до наблюдения. Физика, по мысли Эйнштейна, имеет своей задачей определение объективных свойств вещей и явлений.
Бор же был склонен отвергать идею объективно существующей реальности. Раз мы имеем дело только с результатами опыта, не следует сверх того предполагать "реальность" и наделять ее какими-то качествами.
Взгляды Бора во многом опирались на важное обстоятельство, с которым мы мельком уже сталкивались. "Наблюдение" — без сомнения, плохой термин. Он в значительной мере ассоциируется с пассивностью: зритель, наблюдающий футбольный матч, не влияет на то, как этот матч развивается, — совсем никак, если сидит перед телевизором, и в небольшой и отчасти спорной степени, если находится на стадионе (где воздействие теоретически ограничено криками).
Но в квантовом мире наблюдение за системой — это всегда вмешательство в систему (с "квантовым футболом" в этом смысле возникли бы большие проблемы). В качестве иллюстрации представьте себе, что вы желаете на ощупь убедиться в наличии каких-то неровностей на очень деликатной поверхности; сама эта процедура может изменить подробности — те самые, которые и были предметом интереса. А в отношении квантовых явлений посмотреть тоже означает "пощупать" — в том числе и светом. Любое наблюдение или измерение сопровождается там вмешательством. Слово "измерение" тоже не самое удачное — по выражению Белла, худшее в списке плохих слов из хороших книг. По историческим причинам тем не менее все его в основном и используют, и я тоже буду так делать, не каждый раз прибавляя, что измерение требует взаимодействия с системой, а потому представляет собой вмешательство в нее.
Одна и та же квантовая система по-разному откликается на измерения, выполняемые с помощью различных приборов. Это делает приборы особенно важными: с точки зрения Бора они необходимы ни много ни мало для придания смысла всей квантовой механике. Измерение выбранной физической величины (например, положения в пространстве или энергии) заставляет квантовую систему определиться с тем, каким окажется значение этой величины. Повторение того же измерения со строго идентичной системой вполне может дать другое значение — так работает индетерминизм, который мы обсуждали в предыдущей главе и который еще не раз нам встретится. Чтобы избежать при этом логического круга, пришлось наделить измерительные приборы особым статусом: по Бору, они не подчиняются квантовой механике. Такое свойство приписывается им декларативно, несмотря на то что каждый прибор состоит из электронов и всего остального (атомных ядер, образованных из протонов и нейтронов), что, разумеется, ведет себя квантовым образом.
А поскольку, согласно Бору, говорить о квантовых объектах "самих по себе" (безотносительно к измерению) достаточно бессмысленно, дело оборачивается таким образом, что для придания смысла квантовому миру необходим отдельный и отделенный от него классический мир. Квантовая реальность, определенно отличающаяся от классической, оказывалась доступной только через результаты измерения, сильно дальше которых предлагалось и не заглядывать.
Эйнштейн, однако, подозревал наличие более глубокой — и при этом "более обычной" — реальности. В частности, он был склонен думать, что невозможность одновременно обладать "враждебными" свойствами не идет от природы вещей, а является лишь чертой квантовой теории в том виде, в котором она была придумана на его глазах; и что эта теория просто недопридумана до конца: она неполная и не ухватывает какие-то более глубокие и более "детальные" свойства мира, где никаких неопределенностей уже нет. Как уже было сказано, эти свойства, существующие где-то в глубине реальности, получили название скрытых параметров.
Заодно, надеялся Эйнштейн, в "более глубокой реальности" нет и индетерминизма, а случайность появляется в квантовой механике только из-за того, что мы не все знаем. Не знаем каких-то неведомых подробностей про электрон и про радиоактивное атомное ядро, вообще про все. Возможно, эти подробности очень громоздкие и нам в конце концов будет удобнее остаться с вероятностным описанием — но как бы то ни было, случайность эта не "истинная и неделимая", ни к чему не сводимая, а просто является результатом действия трудно учитываемых факторов (как при подбрасывании монеты на футбольном поле, только много убедительнее).
Так полагал Эйнштейн, но прислушивались к нему не многие. Предлагаемые задним числом ответы "почему" всегда грешат предвзятостью. Факторов было несколько: и несомненный вычислительный успех квантовой механики уже в версии Гайзенберга, на волне которого предлагалось "раз и навсегда" отказаться от старых, до-квантовых представлений о реальности; и харизма Бора, который обладал незаурядной способностью воздействовать (в том числе давить) на собеседников, произнося при этом с трудом понимаемые, неясно сформулированные и неоднозначно интерпретируемые сентенции (запутанность своей словесной аргументации он возвел едва ли не в принцип); и, возможно, обретшая после Первой мировой войны особое влияние философия позитивизма.
По итогам дебатов о природе квантового, растянувшихся на несколько лет (с кульминацией в 1927–1930 гг.), победу с заметным преимуществом, по общему мнению, одержал лагерь, возглавляемый Бором.