Восторг и ужас Вселенной: Как квантовая физика перевернула мир и почему она наводит жуть

Вот вам ещё один хлёсткий ответ на случай, если вам скажут, что все велосипеды в наш век уже изобретены. Однажды в конце XIX века юный студент Мюнхенского университета окончательно оставил занятия музыкой и сказал своему преподавателю, что намерен сосредоточиться только на теоретической физике и, конечно, математике, потому что без неё никак.

— В этой области почти всё уже открыто, и всё, что остаётся, — заделать некоторые не очень важные пробелы, — сказал тогда молодому человеку уважаемый учёный, автор очень серьёзных научных работ.

Так вот, того учёного звали Филипп фон Жолли, но этого имени при всём уважении практически никто не знает. Зато спустя десяток лет на всю планету прогремело и до сих пор не перестаёт греметь имя студента, который спокойно ответил тогда, что, в общем-то, и не страдает амбициями насчёт революционных открытий. Макс Планк.

Горячие угли считают удачной наглядной иллюстрацией того, как всё это началось. Дело в том, что с точки зрения физики тлеющий уголёк — абсолютно чёрное тело. Это значит, что он должен поглощать абсолютно всё падающее на него излучение. В холодном виде он, собственно, так и делает. Но стоит его раскалить, начинаются проблемы. Получается, что он не только весь свет поглощает, но и сам одновременно его излучает. Не отражает, а именно сам излучает. И это как-то связано с температурой. Учёные предлагали этому свои объяснения, но они работали лишь частично: одна формула подходит для излучения коротких волн, другая — для длинных. Но излучение-то идёт во всём диапазоне. И Макс Планк понял: вся загвоздка в том, что излучаемая энергия в предложенных формулах подаётся как некий непрерывный поток. Как он потом вспоминал, ему просто очень хотелось создать идеально красивую формулу, в которой бы всё сошлось. И для этого достаточно было применить один небольшой трюк: допустить (чисто теоретически), что энергия излучается не СПЛОШЬ, а некими порциями. Понемножку, по "сколько-то". А "сколько" по-латыни — quantum.

— Это была чисто формальная гипотеза... чтобы любой ценой получился положительный результат, — рассказывал Планк.

И он получился. Гипотеза была изложена в докладе под названием "К теории распределения энергии излучения в нормальном спектре", который Макс Планк зачитал в Берлине на заседании Немецкого физического общества 14 декабря 1900 года. Он считал, что совершает "отчаянный шаг", потому что на тот момент подняться на подобную трибуну с выступлением о неких "шариках-квантах" было действительно, мягко говоря, смело.

Среди слушателей в аудитории был человек, для которого этот доклад станет одним из важнейших событий в жизни. Альберт Эйнштейн.

— Это выглядело так, точно из-под ног ушла земля и нигде не было видно твёрдой почвы, на которой можно было бы строить, — вспоминал он.

Эйнштейну понадобилось пять лет, чтобы соотнести эти чисто теоретические кванты с тем фактом, что падающий на какую-то поверхность свет выбивает из неё электроны, и притом скорость их вылетания абсолютно не зависит от интенсивности света, а зависит только от частоты. Это называется фотоэффектом. В 1905 году Эйнштейн обнаружил, что на самом деле свет не просто излучается дозами, порциями — он ЯВЛЯЕТСЯ этими порциями, этими квантами.

Дальше эту мысль продолжил не менее великий Нильс Бор: в 1913-м он предположил, что электроны кружатся вокруг атомных ядер по таким орбитам, где они, так сказать, живут спокойно: ничего не излучают и ничего не поглощают. А вот стоит их потревожить и сместить с комфортной позиции, как они немедленно начинают что-то поглощать или излучать. Это и есть очень вкратце суть теории атома Бора.

А потом в 1924 году француз Луи де Бройль довёл науку до заключения, которое, честно говоря, до сих пор воспринимается как нечто либо волшебное, либо просто-напросто жуткое (а может быть, и то и другое): что не только электрон или фотон, но и вообще ЛЮБАЯ ЧАСТИЦА одновременно является волной. То есть словосочетание "корпускулярно-волновой дуализм" само по себе несколько холодит душу, но, если попытаться вдуматься в его смысл, становится ещё хуже.

И ещё через три года этому последовало вящее доказательство. Вот пожалуйста. Пучок электронов пропущен через некое препятствие, в котором два просвета. И попал на этот экран. Но почему-то на экране в итоге получается вот такое нечто, которое рисуется только при распространении волн.

А хотите заглянем ещё чуть подальше? Вот в этом научно-популярном фильме физик Джим Аль-Халили объясняет, что будет, если из особой пушки через такое же препятствие с двумя просветами стрельнуть всего лишь ОДНИМ-единственным электроном. И будет примерно следующее: в полёте этот самый электрон ОДНОВРЕМЕННО проходит через оба просвета, и приборы при этом фиксируют распространение волн, которые накладываются друг на друга (интерференция). Но как только сие непонятно что сталкивается с беспросветным препятствием — превращается в добропорядочную частичку.

А дальше — со всеми остановками. За эти сотню с лишним лет после "отчаянного" выступления Планка человечество погрузилось в бездну неизвестности уже довольно глубоко. Выяснилось, что кванты могут состоять в непостижимых отношениях, как некоторые люди: у одного в далёкой дали что-то меняется, другой немедленно это ощущает и тоже начинает вести себя по-другому. Так называемая квантовая запутанность.

Выяснилось, что эти частицы одновременно могут находиться в разных состояниях, отсюда — кот Шрёдингера: суть мысленного эксперимента в том, что кот сидит в коробке, и механизм его убийства сработает в случае распада одного атома, а поскольку квантовые частицы в этом атоме одновременно находятся в разных состояниях, выходит, что кот одновременно и жив, и мёртв.

Выяснилось, что кванты проходят через препятствия. Что они самопроизвольно появляются и исчезают. Что ими кишит даже то, что принято считать абсолютным вакуумом. И как прикажете ощущать себя и окружающий мир в такой реальности?