Революция, заговор или и то и другое: к 100-летию квантовой механики
Теория научного вуайеризма
Недоумение при знакомстве с квантовой физикой возникает с самого начала. С кошачьего парадокса, который на самом деле яйца вылизанного не стоит.
Когда-то учёные годами ставили эксперименты, зачастую расплачиваясь здоровьем и жизнью. Луи Пастер прививал себе опасные вакцины. Мария Кюри погибла от излучения, которому посвятила всю карьеру. Джордано Бруно за свои убеждения оказался на костре католической инквизиции.
А теперь — вот она, вершина современной научной мысли: взрослые дядьки на умных щах десятилетиями ведут дебаты: пока мы не посмотрим, умер кот или нет — он как бы и жив, и мёртв одновременно. И подобный трёп преподносится как философские озарения, достойные премий, симпозиумов и документальных фильмов BBC.
Конечно, в квантовой механике присутствуют и громоздкие формулы, и глобальные вопросы. Но складывается впечатление, что многие из них – всё то же псевдоинтеллектуальное мяуканье около закрытой коробки.
Квантовые парадоксы перестройки
Помните, с какой настойчивостью нас убеждали в девяностые:
Зачем производить жигули, если можно купить мерседесы?
Зачем производить в принципе, если весь цивилизованный мир живёт за счёт сферы услуг?
Зачем вообще работать, если можно получить кредит и потратить — а чтобы его вернуть, достаточно получить новый?
Зачем бесплатное здравоохранение, если существует платная медицина?
Странно, что из ниоткуда возникшие олигархи не побрезговали взять на себя неблагодарную миссию — завладеть убыточными металлургическими комбинатами, отсталыми ферросплавными заводами и неконкурентоспособным АвтоВАЗом.
Поскольку всё в мире взаимосвязано, напрашиваются некоторые выводы. Тогда проповедовали отказ от промышленности. Сейчас — отречься от классической энергетики в пользу сомнительной и, кажется, убыточной зелёной.
И всё время где-то рядом — авангардные научные идеи перепост-модернизма на фоне глобального потупления.
«К чему это? — воскликнет иной разгневанный читатель, — как можно сравнивать круглое с красным, а красное с кислым?»
Можно.
Ступайте на рынок и купите две банки маринованных помидоров у двух разных бабушек. И сравните: эти более круглые, чем красные — а те более красные, чем кислые. Слопали?
Фиолетовый луч и цветная революция
С конца XIX века в среде профессоров, лаборантов и прочих диссидентов зазвучало: классическая физика, а заодно и классическая геометрия, напрочь отказываются работать на сверхмалых масштабах. Да и на самых больших тоже.
Один из первых прецедентов — ультрафиолетовая катастрофа: якобы физический парадокс конца XIX века, послуживший одним из спусковых крючков квантовой революции.
Вульгарная (с латыни — обычная; с точки зрения квантовых гениев — безнадёжно отсталая) физика предполагала, что энергия излучения чёрного тела нарастает с увеличением частоты излучения. То есть якобы при высоких, в частности ультрафиолетовых частотах энергия должна стремиться к бесконечности. Хотя по закону сохранения энергии это невозможно.
Нужно было разобраться и найти ошибку — как, к примеру, в знаменитом софизме про Ахиллеса и черепаху, тоже выглядящем вполне убедительно.
Но к чему заморачиваться с расчётами и экспериментами? Появился Макс Планк, предложил идею квантования энергии: чем выше частота — тем меньше излучения. Пока не кончится совсем.
Эйнштейн тут как тут: понеслась звезда по кочкам. То искривление пространства, то замедление времени.
Врата разверзлись, и псевдонаучные миражи и просто досужие домыслы обрушились стремительным домкратом.
И Планк не друг, и премия дороже
Неугомонный Эйнштейн и сам наколомутил будь здоров: к примеру, заявил, что гравитация вовсе не сила, а искривление пространства-времени. При этом изначально упрекал коллегу Гейзенберга: какие, мол, случайности, если Вселенная должна быть детерминированной и подчиняться строгим законам!
Потом квантовые теоретики примирились и увязали одно с другим.
Либо оба осознали — либо Эйнштейн убедил немца, что лучше всё-таки каждому по гранту, чем обоим ничего.
Надо ли (пожалуй, надо) подчеркнуть, что почти половина всех Нобелевских премий по физике (1 млн долларов штука) связана с квантовыми и прочими неклассическими представлениями о пространстве, времени и материи?
При этом именно традиционная «физика здорового человека» по-прежнему позволяет создавать многоэтажки, телевизоры и швейцарские часы.
Есть подозрения, что Фейнман, Швингер, Вайнберг, Вильчек и прочие квантовые лауреаты не брезговали земными благами, изготовленными исключительно при помощи классической науки. Автомобиль с магнитолой, костюм с отливом и особняк с прислугой.
И когда они являлись в кассу за гонорарами — наверняка требовали деньги здесь и сейчас, в осязаемых купюрах. А не в состоянии суперпозиции или квантовой неопределённости.
Только Гриша Перельман из Питера отказался от миллиона долларов — но его работа основывалась на обычной математике.
Кстати, давеча слушал беседу одного учёного с одним теософом — и они тоже достигли единения: в загадке происхождения Вселенной квантовое объяснение цифрами совпадает с библейским объяснением метафорами. И наоборот.
Разумеется, с появлением новейших компьютеров, алгоритмов и мощного оборудования возможности погрузиться в микро- и макромир стали несравнимо больше. Соответственно, увеличилось и количество новых вопросов, белых пятен и чёрных дыр. И учёные-трудяги, действующие истинно научными методами познания, претензий не вызывают.
Действительно что-то там копошатся, где-то там гоняют БАК (не команду КВН, а Большой адронный коллайдер (не «андронный», как почему-то до сих пор говорят некоторые телеведущие, а от слова адроны, то есть частицы)).
Вызывают претензии умозрительные псевдонаучные теории и цифры. О которых и поговорим далее.
Довелось пообщаться с настоящим седым профессором физики из провинциального вуза. Как бы вам сказать... Знакомый паренёк, увлечённый Кастанедой, более убедительно объясняет строение Вселенной, чем этот профессор, на старости лет уверовавший во все тяжкие (в смысле во все квантовые).
Первоначальное очарование квантовыми идеями постепенно сменяется насторожённостью и сомнениями. Обычный путь паломника.
Тут вот какое дело.
Что-то действительно невозможно наблюдать, измерять и вообще постигать — из-за слишком малых (или слишком больших) размеров и временных отрезков.
Что-то ещё в учебниках физики 70–80-х годов без всякой квантовщины объяснялось и легко демонстрировалось прямо в классе — к примеру, что свет ведёт себя и как волна, и как поток заряженных частиц.
Однако гляньте, к чему нынче пришли проедатели бюджетов и соросовских грантов.
За первую долю секунды — а именно 5,39⋅10−44 секунды — произошёл первый этап возникновения Вселенной. Все четыре фундаментальные силы (гравитационная, электромагнитная, слабое и сильное ядерные взаимодействия) были объединены в одну.
Десять в минус сорок четвёртой степени... как бы сказать... одна триллионно-триллионно-триллионно-триллионная доля секунды.
Так говорят учёные. И это при том, что всё это произошло целых четырнадцать миллиардов лет назад.
А даже сейчас максимум, что можно измерить — это десять в минус пятнадцатой степени секунды.
Они в один голос твердят, что квантовый мир всё ещё крайне мало познаваем — и тут же выдают сверхточные цифры.
Этот сверхмалый отрезок называется «Планковское время», по имени Макса Планка — разумеется, теоретика квантовой механики и нобелевского лауреата.
Как это проверить?
Давайте на спор: не получится ли у кого создать Вселенную быстрее. Хотя бы за 5,38⋅10−44. То-то утрём нос грантоедам.
Хокусы-покусы квантовой шизофрении
Мультивселенная Эверетта: при каждом измерении рождаются новые Вселенные. В одной — кот жив, в другой — мёртв. Параллельные миры растут, как грибы после дождя. Опоздал на работу? Так и пиши в объяснительной: зато, дескать, в другой реальности план перевыполнил.
В Голливуде, понимаешь, нехватка сценарных идей — а тут эвона сколько добра пропадает.
Это ж сколько Вселенных наплодил Менделеев, выверяя формулу водки? Наверняка появилась и такая, где пиво бесплатное, как мечтал Афанасий Борщов — тоже, получается, квантовый физик.
Принцип неопределённости Гейзенберга
Нельзя одновременно точно знать, где находится частица и как быстро она движется. Чем точнее мы узнаем одно — тем более размытым становится другое.
Что ж, удобно: если не можешь измерить — значит, так и надо. Кто бы мог подумать, что природа сама по себе такая расплывчатая, и не потому, что приборы несовершенные или лень возиться с измерениями.
Квантовая суперпозиция
Частица может находиться в нескольких состояниях одновременно — пока мы на неё не взглянули.
По сути, это научный способ сказать: «мы не уверены, так что пусть будет всё сразу». Звучит как шизофрения материи — и ничего, нас уверяют, что это работает!
Я тоже, понимаешь, могу быть обаятельным, богатым и красивым — до тех пор, пока никто на меня не смотрит.
Коллапс волновой функции
Как только мы наблюдаем систему — она «выбирает» одно из состояний. До этого момента всё висит в тумане вероятностей.
То есть, реальность стесняется? Ждёт, пока мы войдём в комнату, прежде чем определиться, что происходит? Очень вежливая реальность.
Парадокс Вигнера
Сознание наблюдателя играет ключевую роль в определении состояния квантовой частицы. То есть частица «определяется» не прибором, а сознанием. Это противоречит и логике, и физике, согласно которым физические явления существуют независимо от того, наблюдаем ли мы их или нет.
Сознание вызывает материю? Выходит, квантовая физика — это уже не наука, а спиритизм?
Квантовая запутанность
Феномен, при котором два или более квантовых объекта (например, электроны или фотонные пары) оказываются связанными таким образом, что их состояния не могут быть описаны независимо друг от друга, даже если они разделены на большие расстояния. Это означает, что изменение состояния одного объекта моментально влияет на состояние другого, независимо от того, насколько далеко они находятся.
Проблема в том, что экспериментально это не доказано. То есть пальцем в небо. А ведь если бы можно было передавать информацию на таких скоростях, это, наверное, объяснило бы, почему мы до сих пор не получили письма от инопланетян.
Ну, к примеру, две частицы — это муж и жена. Взаимосвязаны они правовыми и имущественными отношениями согласно Семейному и Гражданскому кодексу, что подтверждается той самой церемонией в ЗАГСе.
Кстати, насчёт парней и даже взрослых мужчин у меня никаких вопросов нет — они на росписи в таком стрессе, что мало что понимают. Вопрос к женщинам: ну хоть вы-то в курсе, что церемония потому и называется роспись, что молодожёнам дают подписать некую бумажку, а именно Актовую запись о заключении брака. ЗАГС (запись актов гражданского состояния) поэтому так и называется. Что интересно: сама бумажка, которую подписывают, не читая — не отдаётся на руки и хранится в секретных архивах учреждения.
Извините, увлёкся. Возвращаемся к нашим баранам. Супруг и супруга — две взаимосвязанные частицы, верно? И вот как бывает: жена за тридевять земель на курорте, а у мужа прямо на совещании начинают пробиваться рога. Это что, квантовая запутанность? Так себе отговорка, честно говоря.
Туннельный эффект
Частица может «просочиться» сквозь энергетический барьер, который по законам классической физики преодолеть не способна. Разумеется, частица на это способна не всегда, и мы не знаем, когда именно. А называется это «ненулевая вероятность». Спасибо, объяснили.
В простом переводе: частица прошла туда, куда попасть не могла. Потому что квантовая магия. Тут уже хочется достать ладан и освятить ускоритель.
Всё это, конечно, весело. Но где эксперименты, где повторяемость, где хоть какие-то наблюдаемые доказательства? Пока что это похоже не на физику, а на жанр фэнтези, выданный за науку.
Обычная, не квантовая, а человеческая логика предлагает три основных объяснения этой вакханалии:
1. Микромир действительно непознаваем, потому что невозможно создать приборы, способные его наблюдать. Хотя, строго говоря, с макромиром та же беда: происхождение Вселенной учёные датируют с точностью до миллиардных долей секунды. Простите, а кто перепроверял? А если начало было не в 10⁻¹⁹ секунды, а в 10⁻¹⁵? Есть прибор, способный это различить? Нет? А это, между прочим, погрешность в миллион процентов.
2. Микро- и макромир — за пределами наблюдаемого — подчиняются магическим законам. И не поддаются познанию именно потому, что мы имеем дело с чем-то запредельным, возможно, потусторонним. Законы вроде есть — но совсем не наши.
А может быть, всё намного проще?
Третий вариант
Вместо того чтобы годами искать ответы на трудные вопросы, ловкачи из учёной тусовки придумали изящный ход: в любой непонятной ситуации заявлять, что всё не так однозначно. Тут — относительность, там — неопределённость, сям — пространственно-временной пенопласт с вероятностным каркасом.
Грешным делом подумалось: может быть обычная лень членов общества потребления позволяет появляться всяким экстрасенсам, приватизаторам и прочим квантовым деятелям.
«Как же так?! — восклицает гражданин, не желающий пролистать школьный учебник за шестой класс. — Почему пароход железный — а плавает? А самолёт — летает, хоть крыльями не машет?»
И вот уже будущий нобелевский лауреат, сам не зная ответа, выдвигает концепцию: мир пароходов непознаваем. Мы можем лишь предполагать, что некий пароход из Саутгемптона переместится в Нью-Йорк. И то с определённой долей вероятности — как всё в квантовых гаданиях.
Потому что учёный не настолько наивен. Он понимает: если начнёт разбирать учебники и вникать в водоизмещение (открытое, между прочим, Архимедом пару тысяч лет назад — без грантов и конференций) — кто же ему даст деньги на «исследования квантовой природы пароходов»?
И он спешит в министерство квантовой физики и получает щедрое финансирование с откатом 50%.
Современная мировая наука всё страньше и страньше, как говорила Алиса (не Кинчева, а Кэрролла). Общественно-политические дисциплины сплошь вакханалия, но и с точными науками не всё однозначно. Да и Нобелевская премия странная штуковина. Вот уж поистине непостижимая и непредсказуемая.
Касаемо вышеупомянутых Вайнсберга, Фейнмана, Швингера и прочих квантовых лауреатов… Человечество было бы более признательно, если б вместо страдания фигнёй за бюджетные деньги они сообща изобрели наконец удобную трёхлитровую банку.
Чтоб, когда допиваешь рассол, последний помидор не шмякался в физиономию, разбрызгивая всё на своей неквантовой траектории.
Приложение
Кванты — это минимальные «порции» чего-либо в микромире. Например, квант света — это фотон, а квант времени — это то самое «время Планка», то есть 5,39⋅10−44 секунды.
Кварки — самые маленькие «кирпичики», частицы (разумеется, невидимые), из которых состоят протоны и нейтроны.
Шкварки — минимальная единица удовольствия.
Ну и кто дочитал аж досюда — бонус. На самом деле фокус, который покус — действительно не фокус, а хокус.
Хокус-покус как имитация чуда не имеет ничего общего с оптическим фокусом и происходит от фразы из католической мессы hoc est corpus. Разные знахари и колдуны (квантовые учёные Средневековья), пытаясь подражать церковному чуду, но не понимая толком латыни, просто бубнили hocus-pocus, когда демонстрировали публике свои «чудеса».