О происхождении времени. Последняя теория Стивена Хокинга

Упоминание квантовой механики, второго краеугольного камня современной физики, уже не впервые встречается на этих страницах. Она возникла из неожиданных результатов экспериментов с атомами и светом в самом начале XX века. Эти результаты нельзя было объяснить никаким расширением классической механики Ньютона. Создание теории квантов в бурные годы начала XX века остается одним из лучших примеров международного сотрудничества в человеческой истории. С тех времен на протяжении всего столетия квантовая механика шла от одного триумфа к другому, сделавшись самой мощной и с наибольшей точностью протестированной научной теорией всех времен. Она применима ко всем известным видам частиц. Идет ли речь о мелких деталях взаимодействия элементарных частиц или о механизме синтеза атомов в недрах далеких звезд – предсказания квантовой механики всегда идеально соответствуют экспериментальным данным. И как созданная Максвеллом классическая теория электромагнетизма заложила основы второй промышленной революции, так и принципы квантовой теории стали фундаментом сегодняшних технологий. А ведь мы, возможно, видим сейчас только верхушку айсберга – квантовые технологии обещают дать гораздо больше. В недалеком будущем физики и инженеры надеются использовать внутреннюю неопределенность микромира для хранения и обработки информации совершенно новыми способами: манипулируя индивидуальными квантовыми битами, или кубитами, и прокладывая тем самым путь к эпохе квантовых компьютеров.

Квантовая революция началась в 1900 году, когда немецкий физик Макс Планк предположил, что любые виды нагретых тел излучают энергию в виде малых дискретных порций, названных им квантами. Планк пытался объяснить, какое количество света каждого цвета излучает горячее тело. Из классической теории Максвелла он знал, что свет состоит из электромагнитных волн с различными частотами колебаний, соответствующими разным цветам. Трудность была в том, что классическая физика предсказывала: энергия, излучаемая нагретым телом, должна быть равномерно распределена между волнами всех частот. Так как в теории Максвелла рассматривались электромагнитные волны неограниченно высоких частот, получалось, что общая излученная энергия, просуммированная по всем частотам, должна быть бесконечной – результат очевидно невозможный. Это и было второй «тучкой» из двух замеченных лордом Кельвином на безоблачном горизонте классической физики. Сложившаяся ситуация получила название «ультрафиолетовой катастрофы» – так как самые высокие частоты видимого света соответствуют фиолетовому цвету, термин «ультрафиолет» относится к еще более высоким частотам.

Тогда Планк совершил то, что он впоследствии описал как «акт отчаяния». Он выдвинул предположение невероятной смелости и новизны: что свет, как и все другие электромагнитные волны, может излучаться только в виде дискретных квантов и что энергия каждого кванта тем выше, чем больше частота этих волн. Квантовая гипотеза Планка резко уменьшила излучение высокочастотных волн, тем самым устранив ультрафиолетовую катастрофу. В 1905 году Эйнштейн пошел еще дальше: он показал, что электроны, движущиеся в металлах, тоже поглощают свет только в виде дискретных квантов, которые он описал как крохотные частицы – фотоны. Так что получалась любопытная ситуация: в первых же идеях квантовой физики свет представал как нечто, имеющее свойства не только волн, но и частиц. Это вносило некоторую неразбериху.

Смятение еще усилилось, когда подобно тому, что Планк сделал в отношении света, датский физик Нильс Бор использовал идею квантов для объяснения существования устойчивых атомов – еще одного очевидного свойства физического мира. Бор, в честь которого даже назван химический элемент борий[93], учился в Манчестере у британского физика Эрнеста Резерфорда, который экспериментально установил, что внутренняя структура атома представляет собой в основном пустоту с крохотным ядром посредине. Резерфорд представлял себе атомы в виде миниатюрных планетных систем, в которых отрицательно заряженные электроны обращаются по орбитам вокруг плотного центрального ядра, несущего положительный заряд. Так как противоположные заряды притягиваются, электроны удерживаются на орбитах вокруг ядра. Но незадача была в том, что, согласно максвелловской классической теории электромагнетизма, движущийся по орбите электрон излучает энергию, что должно заставить его двигаться по спирали к ядру и в конце концов столкнуться с ним. Значит, все атомы во Вселенной должны были очень быстро коллапсировать, и нас бы не существовало. Чтобы разрешить это очевидное несоответствие реальности, Бор предположил, что электроны не могут обращаться вокруг ядра по орбитам любого радиуса, а только на определенных расстояниях. Другими словами, Бор квантовал возможные электронные орбиты. Теперь электроны уже не должны были падать на ядра по спирали, атомы были спасены от быстрого – теоретического – коллапса, a Бор в 1922 году получил за свое открытие Нобелевскую премию.