Мир за гранью волшебства: к 100-летию квантовой механики

Увы, нам до сих пор и скорее всего никогда впредь не понять границы макромира — ни в пространстве, ни во времени. Есть ли у него пределы? Если да, то что находится за ними? Когда началась история Вселенной, и что существовало до этого? Если пустота, то даже она предполагает наличие пространства. А «не было ничего» — как это вообще осмыслить? Если не эволюция, а сотворение — где находился Всевышний до начала всего и чем всё это время занимался?

В последние десятилетия стало очевидно, что с микромиром всё не менее загадочно. Классическая модель Резерфорда-Бора, где электроны вращаются вокруг ядра, подходит лишь для самых общих представлений. А если копнуть глубже? 

Привычные абстракции перестают работать.

Электрон не вращается вокруг ядра, как планета вокруг Солнца. Если бы он действительно двигался по орбите, как нам это представлялось раньше, то потерял бы энергию из-за излучения — и через микро-микро-микросекунду упал бы на ядро.

Но если представить, что электрон просто застыл на месте, его бы тут же притянуло к ядру под действием электростатических сил.

Получается: он ни не движется, ни неподвижен. И вообще, непонятно, где он и что делает — и это не метафора, а официальная позиция квантовой механики.

Оказывается, никакие микроскопы не способны проникнуть вглубь микромира. Всё, что видно в микроскоп — безумно огромное по отношению к размеру атомного и субатомного мира. При сколь угодно сильном увеличении можно разглядеть только то, что имеет размеры не меньше длины волны используемого излучения. А за пределами этих измерений простирается удивительный мир. Он трудно познаваем, чрезвычайно сложен и существует по законам, которые бросают вызов привычной логике, интуиции и всей предыдущей науке.

Всё как в фильме: видишь электрон? И я не вижу... А он там есть!

Атомы — непредставимы. Форма, вкус, цвет, запах — все привычные характеристики отсутствуют. Всё, что мы знаем об элементарных частицах, построено на косвенных признаках. Как дедуктивный метод Шерлока Холмса.

Свои объяснения учёные дают путём логической реконструкции невидимого мира по видимым следам. При этом подчёркивая, что никакой традиционной логике этот мир не подчиняется.

Что ж, давайте попробуем разобраться с нетрадиционной.

Анекдот.

Полицейский останавливает Гейзенберга:

— Вы знаете, с какой скоростью ехали?

— Нет, зато я знаю, где нахожусь

— Вы ехали со скоростью 120 километров в час!

— Зашибись, теперь я потерялся

Это принцип неопределённости Гейзенберга. Он гласит: невозможно одновременно определить и положение частицы, и её скорость. Чем точнее мы засечём её координаты, тем более расплывчатыми будут данные о её импульсе и скорости — и наоборот. Это не проблема приборов, а фундаментальное свойство природы. Разумеется, если верить квантовой механике.

Более того, спустя сто лет после Гейзенберга учёные утверждают: электрон вообще не имеет определённой, а тем более предсказуемой траектории. То есть неясно, находится ли он где-то конкретно — или он вообще везде одновременно.

Странная получается картина. Как число Пи цифрами и прописью.

Видимый мир мы понимаем довольно точно. Вот, скажем, алмазная кромка стеклореза — самое твёрдое натуральное вещество. Мы можем рассчитать угол заточки, силу нажатия, направление движения. И внутрь алмаза можем заглянуть — но лишь до определённой глубины.

Мы знаем: микромир, как и макромир, на 99,99% состоит из пустоты. Даже алмаз. Человек на 80% состоит из воды, но ведь атомы воды — тоже из пустоты. И Пелевин, и Чапаев — пустота. Практически полностью, за исключением микрочастиц, разбросанных друг от друга на гигантских (для их микроскопического размера) расстояниях.

А из чего же состоят мельчайшие частицы? Это сгустки энергии? Почему эта энергия не перескакивает свободно из одного вещества в другое? Почему западноевропейские алхимики так и не научились делать золото из меди? Да, двести сортов колбасы из сои, воды и свиной шкурки научились. Но, согласитесь, это всё равно не колбаса. Как и порошковое пиво — не пиво вовсе.

А что, если наша Вселенная действительно магическая? И поэтому мы не можем проникнуть в суть микромира. Как можно препарировать волшебство?

Некоторые физики полагают, что квантовая неопределённость вовсе не загадка природы, а признак того, что теория не до конца понята либо ошибочна.

Эйнштейн говорил: «Бог не играет в кости» — подразумевая, что мир не может быть устроен случайным образом, как намекает квантовая механика.

Судя по всему, квантовая физика подобна сексу: крайне редко даёт практические результаты, но занимаются ею не для этого.

Учёные нас убеждают, что принцип неопределённости Гейзенберга играет первостепенную роль в таких современных технологиях, как полупроводники, лазеры, ядерная энергетика, магнитно-резонансная томография.

И мы им верим, хотя внятное объяснения причинно-следственных связей между квантовой неопределённостью и транзисторным приёмником установить трудно. Ах, презумпция наивности.

Понимаете, в чём интрига? Веками, а может и тысячелетиями, человеческий уклад не менялся. Люди использовали те же самые инструменты, создавая одно и то же. И чуть ли не каждый мог худо-бедно соорудить чуть ли не всё, на тот момент существовавшее. Выломать палку-копалку, сплести рыболовную сеть, собрать антенну для дециметровых волн или выстругать табурет. Разумеется, табурет мог получиться без прямых углов, но это был именно табурет, а не пирожок с вареньем или лошадиная подкова. И он работал!

И вот вдруг — бац! — появляются технологии, которые не просто невозможно воспроизвести на уроках труда и домоводства, а даже представить себе нельзя. Как так? Как в крошечном микрочипе размером со спичечную головку помещается вся библиотека имени Ленина? Что внутри смартфона? Признайтесь, когда вы последний раз из кусочка фольги и пластмассы сделали банковскую карту, которой можно было расплатиться хотя бы за кофе с сигаретами?

Вот к чему клоню. Учёные уверяют, что умеют управлять микромиром и использовать его в человеческих целях. Но что, если всё это — просто маскировка? Может, на самом деле микрочипы на Тайвань приносят эльфы, или какие-то сущности из параллельных измерений?

Не могут, видите ли, они, в своём Гарварде измерить одновременно траекторию и местоположение частицы. А как же Обнинская АЭС? Научились управлять и ядерными реакциями, и заряженные частицы направили по проводам. В известном направлении, с известной скоростью, не заморачивались квантовыми странностями. И всё это фурычит до сих пор и даёт реальный предсказуемый результат...

В следующей части продолжим. А может и закончим — пока что вопрос в состоянии суперпозиции. В любом случае, до 7 июля, дня рождения квантовой механики, успеем и разобраться, и запастись выпивкой и закуской.