Стивен Хокинг. Жизнь среди звезд

Когда Эйнштейн все это сопоставил, у него получилось, что, если умножить импульс фотона на длину связанной с ним волны, результат всегда один и тот же. Эту величину теперь называют постоянной Планка в честь Макса Планка, еще одного первооткрывателя квантовой теории. Постоянная Планка, которую принято обозначать латинской буквой h

, вскоре оказалась одной из самых фундаментальных величин в физике наряду со скоростью света c

. В частности, она входит в уравнения, выведенные в первые десятилетия века для описания того, как электроны удерживаются на орбитах вокруг атомов. Непонятный дуализм природы света очень донимал ученых, однако настоящий переполох начался в 1920-е годы, когда французский ученый Луи де Бройль предложил применять корпускулярно-волновое уравнение в обратную сторону. Вместо того чтобы взять длину волны (света) и на ее основании рассчитать импульс соответствующей частицы (фотона), можно взять импульс частицы (например, электрона) и на его основании вычислить длину соответствующей волны!

Воодушевленные этой мыслью экспериментаторы тут же провели опыты, показавшие, что при правильных условиях электроны и правда ведут себя как волны. В квантовом мире (в мире очень малых величин – на уровне атома и меньше) частицы и волны – попросту две стороны всего сущего. Волны могут вести себя как частицы, частицы – как волны. В английском языке даже появился новый термин «wavicle» – «волночастица». Дуалистическое понимание волн как частиц и частиц как волн оказалось ключом к квантовому миру и привело к созданию приемлемой теории, объясняющей поведение атомов, частиц и света. Но в самой сердцевине этой теории заложена глубочайшая тайна.

Поскольку у всех квантовых сущностей есть волновой аспект, их местоположение в пространстве нельзя определить точно. Ведь волны по самой своей природе растянуты в пространстве. Поэтому мы не можем судить, где именно находится электрон; как выяснилось, неопределенность – неотъемлемая черта квантового мира. Немецкий физик Вернер Гейзенберг в 1920-е годы установил, что все наблюдаемые величины на квантовом масштабе подвержены случайным вариациям и величина этих вариаций определяется постоянной Планка. Это и есть знаменитый «принцип неопределенности» Гейзенберга. Он означает, что все качества объекта вроде электрона невозможно определить точно: мы можем лишь приписывать им вероятности, очень точно выводимые из уравнений квантовой механики, например, вероятность, с которой электрон окажется в том или ином месте в то или иное время.

Более того, неопределенная, вероятностная природа квантового мира означает, что, если с двумя идентичными волнами-частицами обойтись идентичным образом (например, столкнуть их с волной-частицей другого типа), они не обязательно отреагируют идентично. То есть результаты экспериментов на квантовом уровне тоже неопределенны, и их нужно описывать только в терминах вероятностей. Электроны и атомы – вовсе не крошечные бильярдные шарики, отскакивающие друг от друга в соответствии с законами Ньютона.

На масштабе нашей повседневной реальности все это никак не проявляется, и тела вроде бильярдных шаров действительно отскакивают друг от друга предсказуемо, детерминистически, в соответствии с ньютоновой механикой. Дело в том, что постоянная Планка очень мала: в стандартных единицах, принятых у физиков, она составляет всего 6 x 10^–34 (то есть 33 нуля и 6 после запятой) джоуль-секунд. А джоуль – весьма осязаемая единица энергии в повседневной жизни: шестидесятиваттная лампочка излучает 60 джоулей энергии каждую секунду. Привычные нам тела – бильярдные шары или мы сами – не подчиняются постоянной Планка, поскольку из-за ее малого размера волна, связанная с телом, так мала, что ей можно пренебречь. Но связанная квантовая волна есть и у вас, и у бильярдного шара, хотя она становится настолько большой, что влияет на взаимодействие тел, лишь для очень маленьких тел вроде электронов с очень маленьким импульсом.