Всё ещё неизвестная Вселенная. Мысли о физике, искусстве и кризисе науке

Первым серьезным испытанием стал вызов, брошенный привычным физическим понятиям, сложившимся к 1900 г. Были частицы (атомы, а затем электроны и атомные ядра), и были поля — они заполняют в пространстве целые области, из-за чего там действуют электрические, магнитные и гравитационные силы. Световые волны были признаны самоподдерживающимися колебаниями электрического и магнитного полей. Однако для того, чтобы описать излучение, испускаемое нагретыми телами, Альберт Эйнштейн в 1905 г. посчитал необходимым представить световые волны в виде потоков безмассовых частиц, позже названных фотонами. Затем в 1920-е гг., благодаря теориям Луи де Бройля и Эрвина Шрёдингера, выяснилось, что электроны, которые всегда считались частицами, при определенных условиях ведут себя как волны. Для того чтобы описать энергетически стабильные состояния атомов, физикам пришлось отказаться от представления об электронах в атомах как о маленьких ньютоновских планетах, вращающихся по орбитам вокруг атомных ядер. Электроны в атомах скорее подобны волнам, окружающим ядро, — как звуковые волны окружают органную трубу[90]. В фундаментальных понятиях началась путаница.

Еще хуже то, что электронные волны — это не волны «электронной материи», подобные океанским, являющимся волнами воды. Как показал Макс Борн, электронные волны — это скорее волны вероятности. Когда свободный электрон сталкивается с атомом, мы принципиально не можем указать, в каком направлении он отскочит. Электронная волна после столкновения с атомом распространится во всех направлениях, как морская волна, ударившаяся о риф. Как пояснил Борн, это не означает, что сам электрон разбегается во все стороны. Наоборот, неделимый электрон движется в некотором одном направлении, которое невозможно точно предсказать. Вероятнее всего, электрон отправится в том направлении, где амплитуда волны выше, но тем не менее его движение возможно в любом направлении.

Вероятности не были чем-то неизвестным для физиков 1920-х гг., однако всегда считалось, что они отражают несовершенство наших знаний об исследуемом процессе, а вовсе не случайность в рамках физического закона, которому этот процесс подчиняется. Ньютоновские теории движения и гравитации установили стандарт детерминистских законов. Зная с достаточной степенью точности положение и скорость каждого тела в Солнечной системе в некоторый момент времени, с помощью законов Ньютона можно с хорошей точностью определить местоположение этих тел в любой момент времени в будущем. В ньютоновской физике вероятности возникают только тогда, когда наше знание несовершенно, например когда мы не имеем точных данных о том, как совершается бросок пары игровых костей. Но в новой квантовой механике, казалось, потерян сам детерминизм законов физики.

Все казалось очень странным. В своем письме Борну, написанном в 1926 г., Эйнштейн жаловался: «Квантовая механика очень впечатляет. Но внутренний голос говорит мне, что это не есть что-то реальное. Теория дает хорошие результаты, но вряд ли она приблизит нас к разгадке секрета Бога. Я абсолютно убежден, что Он не играет в кости»[91]. Еще в 1964 г. в своих Мессенджеровских лекциях

[92], прочитанных в Корнеллском университете, Ричард Фейнман сокрушался: «Я думаю, с уверенностью могу сказать, что никто не понимает квантовую механику»[93]

. С появлением квантовой механики разрыв с прошлым был столь резким, что все прежние физические теории стали называться «классическими».

Для большинства задач странность квантовой механики не имеет значения. Физики научились использовать ее для выполнения все более точных расчетов энергетических уровней атомов и для расчета вероятностей рассеяния частиц при столкновениях. Лоуренс Краусс назвал квантово-механический расчет некоторого эффекта в спектре атома водорода «лучшим, самым точным предсказанием во всей науке»[94]. Физик Джино Сегре составил список задач, которые были решены с помощью квантовой механики на ранних этапах ее развития. В этот список вошли задачи о связи атомов в молекулах, о радиоактивном распаде атомного ядра, об электрической проводимости, магнетизме и электромагнитном излучении[95]. Позже приложения квантовой механики распространились на теоретическое описание полупроводников и сверхпроводимости, нейтронных звезд и белых карликов, ядерных сил и элементарных частиц. Даже самые оригинальные и смелые современные теории, например теория струн или хаотическая теория инфляции, укладываются в рамки квантовой механики.