Квантовая механика и парадоксы сознания
А криволинейное? А неравномерное?
Вот на этом-то Ньютон и выскочил из галилеевской относительности! Да, действительно, если человек сидит в закрытой вагонетке, он никакими экспериментами не сможет узнать, движется ли он равномерно и прямолинейно по рельсам или вагонетка стоит на месте. Никакими! А вот для того, чтобы узнать про ускоренное или криволинейное движение, ему даже экспериментов проводить не надо, он узнает об этом просто по своим внутренним ощущениям. Тело само подскажет: если вагонетка будет ускоряться, человека вдавит в кресло; если она затормозит, тело бросит вперед; а если начнет поворачивать или двигаться по окружности, его накренит и прижмет к поручням кресла.
Разве не странно? Ведь движение относительно, и, приняв за систему отсчета (систему координат) саму движущуюся вагонетку, мы с полным правом заявим, что она покоится. В теории! А на практике тело сразу скажет вам, что ни черта подобного, ишь как кидает и в кресло вжимает, не иначе мы на американских горках носимся!
Но почему? Куда вдруг делась относительность движения? Отчего движение с набором скорости или по кривой отличается от движения без изменения скорости и по прямой? Что делает ускоренное движение «абсолютным»?
Ньютон сел под яблоней и, не обращая более никакого внимания на хлопающие по макушке яблоки, поскольку всемирный закон тяготения был уже открыт, зажмурил глаза и представил себе ведро на веревке. И мы сейчас сделаем то же самое, немного напрягшись.
Итак, ведро. С водой. На веревке. Если ведро попридержать, а веревку закрутить вдоль оси, как резинку, приводящую в движение пропеллер фанерного самолетика, а потом отпустить, веревка начнет раскручивать ведро.
Сначала будет раскручиваться только само ведро, а уровень воды в нем будет горизонтальным. Потом стенки ведра постепенно приведут во вращение весь массив воды, и вскоре вода будет вращаться как единое целое с ведром, а ее угловая скорость сравняется со скоростью стенок ведра. При этом поверхность воды примет вогнутую форму. Вы примерно такую наблюдали, когда ложечкой сахар в чае размешивали, только здесь не ложка раскручивает воду, а стенки сосуда.
Ну, а затем произойдет понятный обратный процесс – веревка закрутится в другую сторону до предела, в какой-то момент ведро замрет на мгновение и начнет крутиться в другую сторону. Вода же по инерции будет еще некоторое время крутиться в прежнем направлении, сохраняя воронку на поверхности. Постепенно стенки ведра затормозят воду, по мере этого торможения поверхность воды будет терять свою вогнутость, в какой-то момент массив воды остановится, поверхность примет ровную горизонтальную форму, а затем, увлекаемая стенками, вода начнет крутиться в другом направлении вслед за ведром, а поверхность станет все больше выгибаться.
– Что все это значит? – задумался Ньютон. – Выгибание поверхности воды центробежными силами однозначно показывает нам: вода крутится. Но относительно чего она движется при этом? Относительно ведра? Нет! Когда скорости воды и ведра сравниваются, вода относительно ведра не движется, но имеет вогнутую форму. А вот когда скорости стенок ведра и воды максимально разнятся и вода движется относительно ведра, ее поверхность как раз гладкая и горизонтальная.
Значит, не в ведре дело. Не его нужно брать в качестве системы отсчета. Значит, истинное кручение воды, о котором однозначно свидетельствует образовавшаяся на поверхности воды воронка, происходит относительно чего-то другого. Чего? Что является той абсолютной системой координат, движение относительно которой выгибает воду в ведре?
Ньютон вздохнул, снял парик, почесал побитую яблоками макушку и решил, что та абсолютная и невидимая глазу координатная сетка, относительно которой крутится ведро и которая заставляет воду выгибаться, это пустое пространство.
– Пустое пространство есть абсолютная система невидимых божественных координат! – сказал Исаак наш Ньютон, как отрезал. – Это сцена, на которой материя разыгрывает свой спектакль!
Сильно. Но непонятно.
Что такое пустое пространство? Это же ничего! И как ничего может выгибать воду? Чем? Как пустое пространство воздействует на реальный материальный объект?
К тому же оставался неясным еще один вопрос: если пространство действительно существует как самостоятельная объективная сущность, почему оно воздействует силовым способом только на тела, изменяющие скорость, а на равномерно движущиеся не воздействует? Почему, если абсолютная неподвижная сетка координат, именуемая пространством, действительно существует в реальности, по ней нельзя засечь равномерное движение? Почему только ускоренное? Тут, уж извините, или трусы наденьте, или крестик снимите; или сетка есть, и мы относительно нее меряем скорость, или здесь какая-то натяжечка у вас произошла, дорогой Исаак!
– А может ли вообще существовать пространство без материи? Имеет ли оно вообще какой-то физический смысл отдельно от материи, как самостоятельная сущность? – задумался Мах. Не является ли пространство без материи такой же нелепостью, как алфавит без букв, шахматы без фигур или лед без воды?
И дальше Мах провел свой знаменитый мысленный эксперимент, который смелостью мысли потряс физиков той эпохи, заставив их разделиться на два лагеря.[4]
Представим себе, предположил Мах, что мы имеем некое тело – то же ведро с водой, например, висящее в безбрежном космосе, где вокруг только далекие звезды. И оно начинает вращаться. Как определить, относительно чего оно вращается? Да очень просто – относительно звезд! Если это тело не ведро, а человек, то он увидит, как вокруг него закружилась звездная сфера. И неважно, сколько там звезд – много или мало, да хоть бы всего одна, все равно мы увидим свое вращение.
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!