Шрифт
Source Sans Pro
Размер шрифта
18
Цвет фона
Беспорядок бесконечно малых
В царстве бесконечно малых, на квантовом уровне вселенной, нашу способность предсказывать ограничивает принцип неопределенности.
Подумайте о странных, вечно занятых обитателях квантового мира – фермионах и бозонах. Прямо-таки зоопарк частиц. Среди фермионов значатся электроны, протоны, нейтроны, каждый протон и каждый нейтрон состоит из трех кварков-фермионов. А еще бозоны: фотоны (вестники электромагнитных сил), гравитоны (представители силы всемирного тяготения), глюоны (сильные взаимодействия), W и Z (слабые взаимодействия). Хотелось бы знать, где все эти господа и другие им подобные находятся, куда несутся и с какой скоростью. Возможно ли это установить?
Рис. 2.1. В резерфордовской модели ядра гелия электроны вращались вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Теперь мы знаем, что в силу принципа неопределенности орбиты планет нельзя прочертить так отчетливо, как в этой схеме.
На рисунке 2.1 изображен атом, каким его представил Эрнест Резерфорд в Лаборатории Кавендиша в начале ХХ века. На этом рисунке электроны кружат вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца. Теперь нам известно, что на квантовом уровне все происходит несколько иначе. Орбиты электронов нельзя представлять себе в виде планетарных орбит. Точнее было бы сказать, что они окружают ядро облаком или ульем. Почему эта картинка размыта?
Принцип неопределенности превращает жизнь на квантовом уровне в беспорядок и неопределенность – так живут не только электроны, но и все остальные частицы. Как бы внимательно мы ни наблюдали за ними, невозможно одновременно зафиксировать и положение частицы, и характер ее движения. Чем точнее мы измеряем движение, тем менее точно знаем положение частицы, и наоборот. Словно дети на качелях: когда точность одного параметра взмывает вверх, точность другого параметра идет на понижение. Чтобы сделать одно точное измерение, придется соглашаться с возрастающей неопределенностью другого.
Чтобы описать движение частицы, приходится рассмотреть все возможные варианты ее движения, а затем вычислить вероятность каждого из этих вариантов. Так мы вступаем в область вероятностей. С такой-то вероятностью частица движется туда, с такой-то вероятностью – сюда. И все же это весьма ценная информация.
Немного смахивает на попытки предсказать результаты выборов. Эксперты виртуозно работают с данными опросов. Обрабатывая достаточно большие числа, они получают статистические таблицы, позволяющие предсказать, кто и с каким отрывом победит на выборах, – при этом вовсе не требуется знать, как именно проголосует каждый избиратель. Так и квантовая физика: если рассмотреть множество вариантов движения частиц, то вероятность, что они движутся так-то и так или что находятся скорее в том месте, чем в этом, превращается в конкретную информацию.
Эксперты по выборам учитывают, что опрос может повлиять на голосование: отвечая на вопросы, избиратель начинает задумываться над последствиями своего решения. Такая же дилемма стоит и перед физиками, когда они проникают на квантовый уровень: их вмешательство отражается на полученных ими результатах.
До сих пор сравнение результатов выборов и жизни частиц работало, но дальше придется от него отказаться: в день выборов каждый гражданин подаст свой голос либо “за”, либо “против”. Его голос будет сохранен в тайне, и тем не менее это вполне конкретное решение. Если бы эксперты разместили в кабинках для голосования скрытые камеры (чудом избежав при этом ареста), они смогли бы узнать, как проголосовал каждый. В квантовой физике подобное невозможно. Физики изобретают хитроумнейшие способы проследить за частицами, но все напрасно. Мир элементарных частиц не просто кажется неопределенным, потому что мы не сумели придумать эффективный метод наблюдения, – этот мир действительно полон неопределенности. Не зря Хокинг в Лукасовской лекции назвал квантовую механику “теорией того, чего мы не знаем и не умеем предсказывать”.
Учтя это ограничение, физики по-новому сформулировали задачу науки: теория всего должна представлять собой набор законов, которые позволят предсказывать события в пределах, заданных принципом неопределенности, то есть в большинстве случаев нам придется удовлетвориться статистической вероятностью, без конкретных подробностей.
Об этой проблеме и ведет разговор Стивен Хокинг. На вопрос, предопределено ли все теорией всего (или Богом), он отвечает утвердительно: по его мнению, это так. “Но может быть, и не так, потому что мы никогда не сможем узнать, что предопределено. Если теория предопределяет кому-то смерть на виселице, значит, он не утонет, но до какой же степени нужно быть уверенным в судьбе, чтобы отважиться выйти в шторм в море на хлипкой лодчонке”. По этой причине Хокинг считает концепцию свободной воли “вполне удачной теорией, приблизительно описывающей поведение человека”.
