Текст книги "Квантовые миры и возникновение пространства-времени"

Столь простая смена перспективы подсказывает, что на проблему измерения можно взглянуть под новым углом. Позиция АКМ такова, что процесс измерения не должен восприниматься как нечто мистическое или даже описываемое собственным набором правил; камера и электрон просто взаимодействуют друг с другом согласно законам физики, точно так же как камень и Земля.

Квантовое состояние описывает системы как суперпозиции всех возможных результатов измерений. В принципе, исходным состоянием электрона является суперпозиция различных его положений – всех мест, где мы могли бы его увидеть, если бы посмотрели на него. Исходная волновая функция камеры может выглядеть сложно, но в целом сводится к следующему: «Это камера, еще не пронаблюдавшая электрон». Но затем электрон наблюдается через камеру, и между ними происходит физическое взаимодействие, подчиняющееся уравнению Шрёдингера. Причем после такого взаимодействия можно ожидать, что сама камера окажется в суперпозиции со всеми возможными результатами измерений, которые могла наблюдать: она зафиксировала электрон в этой точке или в той и так далее.

Если бы на этом все и заканчивалось, то АКМ была бы ни на что не годной мешаниной. Электроны в суперпозициях, камеры в суперпозициях – и близко не напоминает надежный, близкий к классическому восприятию мир, который мы видим вокруг.

К счастью, можно обратиться к еще одному поразительному свойству квантовой механики: если у нас есть два разных объекта (например, электрон и камера), то они описываются не разными волновыми функциями, а одной общей волновой функцией, характеризующей всю интересующую нас систему, и так вплоть до «волновой функции всей Вселенной», если не мелочиться. В рассматриваемом здесь случае есть волновая функция, описывающая систему, которая состоит из электрона и камеры. Итак, на практике мы имеем суперпозицию всех возможных сочетаний «где мог оказаться электрон» плюс «где его могла пронаблюдать камера».

Хотя такая суперпозиция в принципе учитывает все возможности, большинству из вероятных исходов в квантовом состоянии присваивается нулевой вес. Облако вероятностей обнуляется для большинства возможных комбинаций расположений камеры и электрона. В частности, не может быть такого, чтобы электрон находился в одном месте, а камера зафиксировала его в другом (если, конечно, ваша камера относительно исправна).

Такой квантовый феномен называется запутанностью. Существует единая волновая функция для комбинированной системы «электрон – камера», состоящая из суперпозиции различных возможностей вида «электрон был в данной точке, и камера пронаблюдала его именно в данной точке». Мы говорим не о том, что электрон у нас сам по себе, а камера сама по себе, – между этими системами есть связь.

Теперь заменим в вышеизложенной дискуссии камеру на вас. Мы (позволим себе это) вообразим, что не делаем снимки оптическим устройством, а обладаем настолько острым зрением, что можем рассмотреть отдельные электроны. В остальном ничего не меняется. Согласно уравнению Шрёдингера, исходная ситуация, в которой еще отсутствует запутанность – электрон находится в суперпозиции различных возможных местоположений, и вы на него еще не посмотрели, – гладко преобразуется в запутанное состояние, где есть электрон, находящийся в суперпозиции всех возможных местоположений, и вы, увидевшие его в каждом из этих мест.

Именно это и диктовали бы нам правила квантовой механики, если бы мы не заморачивались насчет всех этих дополнительных досадных деталей, касающихся процесса измерения. Может быть, все эти дополнительные правила были выдуманы напрасно. В АКМ та история, которую мы только что изложили – о постепенном запутывании между вами и электроном в суперпозицию, – это вся история. В измерении нет ничего особенного; оно просто происходит, когда две системы взаимодействуют соответствующим образом. И после этого вы и система, с которой вы взаимодействовали, оказываетесь в состоянии суперпозиции, в каждой части которой вы видели электрон в несколько ином месте.

Но проблема в том, что эта история все еще не совпадает с тем, что вы фактически испытываете, наблюдая квантовую систему. Вы никогда не почувствуете, что в результате развития ситуации превратились в суперпозицию различных возможных результатов эксперимента; вам покажется, что вы просто увидели определенный результат, который можно спрогнозировать с определенной вероятностью. Именно поэтому с самого начала и были добавлены все эти дополнительные правила измерений. В остальном у вас есть, казалось бы, очень симпатичный и аккуратный формализм (квантовые состояния, гладкая эволюция), который просто не согласуется с реальностью.

⚪ ⚪ ⚪

Давайте немного пофилософствуем. Что именно означает «вы» в предыдущем разделе? Чтобы сформулировать научную теорию, недостаточно записать несколько уравнений; нужно также указать, как эти уравнения проецируются на окружающий мир. Когда речь заходит о нас с вами, нам кажется, что соотнести себя с каким-то элементом научного формализма достаточно просто. Определенно, в вышеизложенной истории, где наблюдатель измеряет координату электрона, складывается такое впечатление, будто этот человек переходит в запутанную суперпозицию различных возможных результатов измерения.

Но есть и альтернативная возможность. Перед актом измерения у нас был один электрон и один наблюдатель (или камера, если угодно: неважно, кто или что в этой ситуации взаимодействует с электроном, достаточно, чтобы он(о) был(о) большим, макроскопическим объектом). Однако после того как взаимодействие состоится, мы должны полагать, что в суперпозицию возможных состояний перешел не один наблюдатель, а что появилось множество возможных наблюдателей. Выбирая такую трактовку, мы, описывая состояние системы после измерения, полагаем, что у нас не один наблюдатель с множеством представлений о том, где он мог увидеть электрон, но много миров, в каждом из которых есть человек, совершенно точно представляющий, где он увидел электрон.

Открою большую тайну: концепция, которую мы описали под названием аскетичной квантовой механики, более известна как эвереттовская, или многомировая, интерпретация квантовой механики, впервые предложенная Хью Эвереттом в 1957 году. Эвереттовская интерпретация возникла из-за фундаментальной неудовлетворенности всеми этими специальными правилами о проведении измерений, которыми обставляется рецепт квантового опыта в стандартном учебнике; эвереттовская интерпретация, напротив, предполагает, что есть всего один вариант квантовой эволюции. Цена, которую приходится заплатить за то, что теоретический формализм сразу становится гораздо стройнее, – это предположение, что данная теория одновременно описывает множество копий известной нам «Вселенной», и каждая из этих копий немного отличается от прочих, но в определенном смысле реальна. По поводу того, стоит ли такой порядок заплаченной цены, у ученых нет единого мнения. (Да, стоит.)

Натолкнувшись на многомировую интерпретацию, мы ни в коем случае не берем обычную квантовую механику и не применяем ее ко всему множеству Вселенных. Потенциально эти Вселенные все время «где-то рядом» – у Вселенной есть волновая функция, которая может запросто описывать суперпозиции всевозможных вещей, в том числе суперпозиции целой Вселенной. Здесь мы всего лишь подчеркнули, что этот потенциал естественным образом актуализируется в ходе обычной квантовой эволюции. Признав, что электрон может быть в суперпозиции, находясь при этом в разных местах, мы заключаем, что и человек может быть в суперпозиции, учитывающей, в каких разных точках он мог увидеть электрон. И в самом деле, вся реальность может находиться в суперпозиции, и каждое слагаемое в этой суперпозиции допустимо трактовать как отдельный «мир». Мы ничего не добавили к квантовой механике, а просто признали то, с чем имели дело все это время.

Можно по праву назвать эвереттовский подход смелой формулировкой квантовой механики. Он воплощает философию, согласно которой следует всерьез воспринимать простейшую версию основополагающей реальности, учитывающую именно то, что мы видим, даже если такая реальность радикально отличается от нашего обыденного опыта. Хватит ли нам смелости принять ее?

⚪ ⚪ ⚪

После такого краткого введения в многомировую интерпретацию многие вопросы остаются без ответов. В какой именно момент волновая функция распадается на множество миров? Чем один мир отделен от другого? Сколько всего миров? На самом ли деле «реальны» эти другие миры? Как мы вообще узнаем, доступны ли они для наблюдения? (И можем ли узнать?) Как все это объясняет вероятность того, что мы окажемся в одном мире, а не в другом?

На все эти вопросы есть хорошие ответы – или как минимум правдоподобные, – и значительная часть этой книги посвящена им. Но мы должны быть готовы и к тому, что вся эта картина может оказаться неверной и нам потребуется что-то совершенно иное.

В каждой версии квантовой механики фигурируют две вещи: (1) волновая функция и (2) уравнение Шрёдингера, управляющее эволюцией волновых функций во времени. Эвереттовская формулировка в ее целостном виде постулирует, что, кроме двух этих вещей, больше ничего нет и что этих ингредиентов достаточно, чтобы составить полное, эмпирически адекватное представление мира. («Эмпирически адекватное» – так вычурно философы выражают мысль «согласуется с экспериментальными данными».) В любом другом подходе к квантовой механике приходится или что-то добавлять к этому голому формализму, или как-то его модифицировать.

Самым поразительным следствием чистой эвереттовской квантовой механики является предполагаемое существование множества миров, поэтому целесообразно называть ее многомировой. Однако суть теории в том, что реальность описывается гладко эволюционирующей волновой функцией – и на этом все. С этой философией связаны дополнительные трудности, особенно когда речь заходит о сопоставлении необычайной простоты формализма с богатым разнообразием мира, который мы наблюдаем. Но она выигрывает в ясности и проницательности. Обратившись к квантовой теории поля и квантовой гравитации, мы убедимся, что трактовка волновых функций как подлинных первоэлементов, не обремененных каким-либо балластом, оставшимся от нашего классического восприятия, исключительно полезна при попытках подступиться к глубинным проблемам современной физики.

Учитывая необходимость двух этих элементов (волновой функции и уравнения Шрёдингера), существует несколько альтернатив для многомировой интерпретации, которые стоят рассмотрения. Один из таких подходов – это добавление новых физических сущностей поверх волновой функции. Подобный подход приводит нас к моделям со скрытыми переменными, которые с самого начала были на уме у таких людей, как Эйнштейн. В настоящее время наиболее популярный из таких подходов называется теорией де Бройля – Бома или просто механикой Бома. Альтернативный подход – оставить волновую функцию как есть, но предположить изменения в уравнении Шрёдингера, например ввести в него реальные случайные коллапсы. Наконец, можно предположить, что волновая функция – это вообще не физическое явление, а просто способ описания того, что нам известно о реальности. Такие подходы известны под общим названием «эпистемологические модели», и в настоящее время среди них особенно популярен кьюбизм, он же – квантовое байесианство.

Все эти варианты – в том числе те, что не перечислены выше, – это поистине разные физические теории, а не просто «интерпретации» одной и той же базовой идеи. Существование множества несовместимых теорий, которые все как одна (по крайней мере, пока) выводят нас к наблюдаемым эффектам квантовой механики, – это путаница для любого, кто хотел бы поговорить об истинном смысле квантовой механики. В то время как практикующие ученые и философы пришли к единой трактовке квантового рецепта, нет общего понимания того, какова основополагающая реальность, то есть что именно означает каждый конкретный феномен.

Я отстаиваю конкретную трактовку этой реальности – многомировую интерпретацию квантовой механики, и на протяжении большей части книги я просто буду объяснять вещи в терминах этой интерпретации. Это не означает, что эвереттовская перспектива безусловно правильная. Но я надеюсь, что смогу объяснить суть этой теории и почему с высокой вероятностью разумно полагать, что она – наилучшее из имеющихся у нас представлений о реальности. Выводы делайте сами.

3
Как подобное могло кому-то прийти в голову?
Как возникла квантовая механика

«Иногда я еще до завтрака успевала поверить аж в шесть невозможных вещей», – говорит Белая Королева Алисе в книге «Алиса в Зазеркалье». Подобное умение может оказаться полезным, когда приходится разбираться с квантовой механикой вообще и многомировой интерпретацией в частности. К счастью, те, казалось бы, невозможные вещи, в которые мы должны поверить, – это не причудливые логические конструкции или взрывающие мозг дзеновские коаны; это свойства мира, к признанию которых нас подталкивает опыт. Как бы мы ни сопротивлялись, нас буквально тащат в этом направлении конкретные эксперименты. Мы не выбираем квантовую механику; мы лишь выбираем, признать ее или нет.

Физика стремится выяснить, из чего состоит мир, как его части естественным образом меняются с течением времени и взаимодействуют друг с другом. Я постоянно замечаю множество различных материалов вокруг себя: бумаги и книги на столе, компьютер, чашка с кофе, мусорная корзина, два кота (один из которых крайне заинтересован в содержимом корзины), не говоря уж о более эфемерных материях – воздухе, свете, звуках.

К концу XIX века ученым удалось разложить все подобные вещества до двух основных субстанций: частиц и полей. Частицы – это точечные объекты, находящиеся в определенном месте в пространстве, а поля (например, гравитационное поле) распределены в пространстве и в каждой точке пространства принимают конкретное значение. Когда поле колеблется в пространстве и времени, в нем возникает волна. Таким образом, когда кто-то противопоставляет частицы и волны, речь на самом деле идет о частицах и полях.

Квантовая механика в конечном итоге унифицировала частицы и поля в единую сущность – волновую функцию. И толчком к этому стали два фактора: изначально физики обнаружили, что те вещи, которые казались им волнами, например электрические и магнитные поля, обладают корпускулярными[5]5
  От слова «корпускула» – частица. – Примеч. науч. ред.


[Закрыть] свойствами, а затем выяснилось, что объекты, считающиеся частицами, например электроны, проявляют свойства, присущие полям. Чтобы решить эту головоломку, необходимо было признать, что на фундаментальном уровне мир подобен полю (речь о квантовой волновой функции), но когда мы смотрим на него, выполняя тщательное измерение, мир проявляет свойства частиц. На это потребовалось определенное время.

⚪ ⚪ ⚪

Кажется, что частицы – штуки совершенно незамысловатые; частица – это объект, расположенный в конкретной точке пространства.

Эта идея родилась еще во времена Древней Греции, когда члены небольшого философского кружка предположили, что материя состоит из точечных «атомов»; в переводе с греческого это слово означает «неделимый». По словам Демокрита, автора концепции атомизма, «сладкое только считается таким, горькое только считается таким, теплое только считается таким, холодное только считается таким, цвет только считается таким, в действительности же – атомы и пустота»[6]6
  Неточность автора. Автором концепции атомизма был Левкипп, учитель Демокрита. – Примеч. пер.


[Закрыть].

На тот момент не было серьезных доказательств в пользу такой гипотезы, поэтому она была отвергнута вплоть до начала XIX века, когда ученые приступили к экспериментам по количественному изучению химических реакций. Ключевую роль при этом сыграл оксид олова – соединение, состоящее из атомов олова и кислорода: выяснилось, что оно существует в двух разных формах. Английский ученый Джон Дальтон отметил, что количество олова в двух этих формах не отличается, зато количество кислорода в одной из них ровно вдвое больше, чем в другой. В 1803 году Дальтон дал возможное объяснение происходящему, предположив, что оба элемента состоят из дискретных частиц, которые он назвал древнегреческим словом «атомы». Необходимо было всего лишь представить, что в молекулах одной формы оксида олова один атом олова соединяется с одним атомом кислорода, а в другой форме на каждый атом олова приходится два атома кислорода. Дальтон предположил, что любой химический элемент состоит из атомов уникального сорта, и склонность атомов образовывать самые разные соединения – это суть всей химии. Обобщение простое, но способное впоследствии перевернуть мир.

Дальтон немного опережал события с такой номенклатурой. С точки зрения древних греков, суть атомов заключалась в их неделимости, в том, что они были фундаментальными первокирпичиками, из которых состоит все на свете. Но атомы Дальтона совсем не были неделимыми – они состояли из компактного ядра, вокруг которого, как планеты по орбитам, вращались электроны. Правда, чтобы осознать это, потребовалось еще более ста лет. Сначала, в 1897 году, английский физик Дж. Дж. Томсон открыл электрон. Оказалось, что эта частица совершенно нового вида в 1800 раз легче водорода, самого легкого атома, обладающая к тому же электрическим зарядом. В 1909 году Эрнест Резерфорд, бывший студент Томсона – новозеландец, перебравшийся в Англию благодаря своим успехам в учебе, – показал, что масса атома сосредоточена в центре, в ядре, тогда как общий размер атома зависит от диаметра орбит гораздо более легких электронов, вращающихся вокруг этого ядра. Предложенная Резерфордом модель атома известна нам по рисункам, где электроны вращаются вокруг ядра почти как планеты вокруг Солнца в нашей Солнечной системе. (Резерфорд ничего не знал о квантовой механике, так что эта картинка серьезно отличается от реальной структуры атома – в этом мы вскоре убедимся.)

Дальнейшая работа, начатая Резерфордом и подхваченная другими физиками, показала, что сами ядра не являются элементарными частицами, а состоят из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Электрические заряды электронов и протонов равны по величине, но противоположны по знаку, поэтому атом, в котором протонов и электронов поровну (а нейтронов может быть сколько угодно) будет электрически нейтрален. Только с наступлением 1960–1970-х физики установили, что протоны и нейтроны, в свою очередь, состоят из более мелких частиц, именуемых кварками, которые удерживаются вместе благодаря глюонам – особым частицам, переносчикам сильного взаимодействия.

Можно сказать, что вся суть химии – в электронах. В ядре содержится основная масса атома, однако само ядро обычно ни в чем не участвует, не считая редких актов радиоактивного распада, реакций деления ядра или термоядерного синтеза. С другой стороны, электроны, вращающиеся вокруг ядра, – легкие и прыгучие, и именно благодаря тому, что им не сидится на месте, жизнь наша получается такой интересной. Два или более атомов могут делиться электронами, что приводит к образованию химических связей. Если правильно подобрать условия, то электрон может «передумать», в каком атоме ему находиться, – и в таких случаях происходят химические реакции. Электрон может даже вообще вырваться из заточения в атоме, пустившись в свободный полет в окружающей среде, – так возникает явление под названием «электричество». Если же встряхнуть электрон, то он инициирует вибрацию в окружающих электрических и магнитных полях, порождая таким образом свет и другие формы электромагнитного излучения.

Чтобы подчеркнуть идею о том, что частица это действительно точечный, а не просто крайне малый объект с ненулевым размером, проводится различие между «элементарными» частицами, находящимися в конкретных точках пространства, и «составными», которые на самом деле образуются из еще более мелких составляющих. Насколько известно в настоящее время, электроны – это подлинно элементарные частицы. Теперь понятно, почему в дискуссиях о квантовой механике постоянно говорят об электронах и приводят их в качестве примеров: это простейшие фундаментальные частицы, которые можно получить, а затем манипулировать ими, и они же играют центральную роль в поведении всей материи, из которой состоим и мы, и все, что нас окружает.

⚪ ⚪ ⚪

К огорчению Демокрита и его друзей, физики XIX века объясняли мир в терминах не одних только частиц. Вместо этого они предположили, что нужны две фундаментальные разновидности материи: частицы и поля.

Можно считать, что поля противоположны частицам, как минимум в контексте классической механики. Определяющее свойство частицы заключается в том, что она расположена в конкретной точке пространства и нигде более. Определяющее свойство поля заключается в том, что оно находится повсюду. Поле – это сущность, обладающая некоторым значением практически в любой точке пространства. Частицам нужно как-то взаимодействовать друг с другом, и это происходит благодаря воздействию полей.

Рассмотрим магнитное поле. Оно является векторным, то есть в любой точке пространства оно подобно маленькой стрелке с некоторой длиной (которая характеризует напряженность поля: она может быть больше или меньше, или даже точно равна нулю), а также направлением (стрелка направлена вдоль некоторой конкретной оси). Можно измерить, в каком направлении ориентировано магнитное поле – для этого достаточно взять обычный компас и посмотреть, куда указывает его стрелка. (В большинстве мест на Земле она будет указывать примерно на север, если, конечно, поблизости нет другого магнита.) В данном случае важнее всего то, что магнитное поле незримо пронизывает все пространство, даже когда мы его не наблюдаем. То же касается и всех прочих полей.

Еще существует электрическое поле, также являющееся векторным и обладающее величиной и направлением в любой точке пространства. Если магнитное поле можно зафиксировать с помощью компаса, то, чтобы обнаружить электрическое поле, нужно взять электрон в состоянии покоя и посмотреть, будет ли он ускоряться. Чем больше будет его ускорение, тем сильнее электрическое поле[7]7
  Досадно, что электрон ускоряется в направлении, прямо противоположном направлению электрического поля, тогда как в науке принято считать заряд электрона «отрицательным», а заряд протона «положительным». За это можно «винить» Бенджамина Франклина, жившего в XVIII веке. Он ничего не знал об электронах и протонах, но пришел к заключению, что существует универсальный феномен, который он назвал «электрическим зарядом». Когда он решил произвольно обозначить, какие вещества заряжены положительно, а какие – отрицательно, ему пришлось выбирать, и знак «плюс» он присвоил состоянию, которое мы бы сегодня обозначили «в атоме меньше электронов, чем следовало бы». Так и повелось.


[Закрыть]. Одним из триумфов физики XIX века стало объединение электричества и магнетизма в рамках единой теории, сформулированной Джеймсом Клерком Максвеллом. Он показал, что электрические и магнитные поля – это различные проявления единого электромагнитного поля.

Гравитационное поле – это еще один хорошо известный в XIX веке вид. Как учит нас Исаак Ньютон, гравитация действует даже на астрономических расстояниях. Планеты Солнечной системы испытывают гравитационное притяжение со стороны Солнца. Эта сила прямо пропорциональна массе Солнца и обратно пропорциональна квадрату расстояния до него. В 1783 году Пьер-Симон Лаплас показал, что ньютоновскую гравитацию можно описать как действие потенциального гравитационного поля, которое имеет определенное значение в каждой точке пространства (так же как электрические и магнитные поля).

⚪ ⚪ ⚪

К концу XIX века перед физиками появились четкие очертания теории, полностью описывавшей мир. Материя сделана из атомов, которые состоят из более мелких частиц; эти частицы взаимодействуют благодаря различным силам, передающимся через поля, и все это происходит по законам классической механики.

Из чего состоит мир (версия XIX века)

• Частицы (точечные, из них состоит материя).

• Поля (пронизывающие пространство, порождающие взаимодействия).

В течение XX века были обнаружены новые частицы и поля, но в 1899 году были все основания полагать, что базовая картина мира уже предельно понятна. Прямо за углом таилась квантовая революция, но о ней еще никто не подозревал.

Если вы уже что-то читали о квантовой механике, то, возможно, задавались вопросом: «Электрон – это частица или волна?» Ответ таков: «Это волна, но когда мы смотрим на нее (то есть измеряем эту волну), она выглядит как частица». В этом заключается фундаментальная новизна квантовой механики. Существует всего одна сущность – квантовая волновая функция, но когда мы наблюдаем ее в определенных условиях, она кажется нам частицей.

Из чего состоит мир (версия XX века и далее)

• Квантовая волновая функция.

Чтобы перейти от картины мира в представлении конца XIX века (классические частицы и классические поля) к синтезу, полученному в XX веке (единая квантовая волновая функция), необходимо было совершить несколько концептуальных прорывов. История о том, как частицы и поля оказались разными аспектами одной и той же базовой сущности, – одно из самых недооцененных свершений на пути к унификации физики.

Чтобы прийти к этому, ученые начала XX века должны были осознать две вещи: поля (например, электромагнитное) могут проявлять свойства частиц, а частицы (например, электроны) могут иметь волновые свойства.

Сначала было замечено, что поля могут проявлять свойства частиц. Любая частица, обладающая электрическим зарядом, например электрон, повсюду вокруг себя создает электрическое поле. Напряженность поля постепенно снижается по мере удаления от заряда. Если встряхнуть электрон, например в направлении вверх-вниз, то поле будет колебаться вместе с ним, образую своеобразную рябь, которая будет постепенно распространяться во все стороны. Это и есть электромагнитное излучение – «свет», если коротко. Всякий раз, нагрев вещество до нужной температуры, мы устраиваем в его атомах встряску электронам, и вещество начинает светиться. Такое явление называется излучением абсолютно черного тела, и любой объект, равномерно нагретый до определенной температуры, «испускает» ее в форме излучения абсолютно черного тела.

Красный свет соответствует медленно колеблющимся низкочастотным волнам, а синий – стремительно колеблющимся высокочастотным. Учитывая, что было известно физикам об атомах и электронах на рубеже XIX–XX веков, можно было вычислить, сколько излучения должно выдавать абсолютно черное тело на любой конкретной частоте – в так называемом спектре абсолютно черного тела. Расчеты физиков хорошо подтверждались на низких частотах, но становились все менее точными по мере перехода к более высоким; в конечном итоге прогнозы давали бесконечное количество излучения, которое должно испускать любое материальное тело. Позже такой феномен окрестили ультрафиолетовой катастрофой, имея в виду невидимые частоты электромагнитного излучения, даже более высокие, чем у синего и фиолетового света.

Наконец, в 1900 году немецкому физику Максу Планку удалось вывести формулу, которая точно согласовывалась с данными. Здесь важно отметить, какой прием помог Планку: он выдвинул радикальную идею, предположив, что при излучении свет всегда поступает в виде небольших порций – «квантов» энергии, величина которых определяется частотой света. Чем быстрее колеблется электромагнитное поле, тем больше энергии будет у каждого излученного кванта.

Во время работы над этой теорией Планку пришлось постулировать существование новой фундаментальной естественной константы, которая теперь известна под названием «постоянная Планка» и обозначается буквой h. Количество энергии, содержащейся в кванте света, пропорционально его частоте, и постоянная Планка задает эту пропорциональность: энергия равна частоте, умноженной на h. Зачастую более удобно использовать усовершенствованную разновидность этой константы, ħ, которая называется «приведенная постоянная Планка», – это попросту исходная постоянная Планка h, деленная на 2π. Если в выражении фигурирует постоянная Планка – это верный признак, что в нем задействована квантовая механика.

Открыв свою постоянную, Планк подсказал новый способ понимания таких физических величин, как энергия, масса, длина или время. Например, существуют единицы для измерения энергии – эрги, джоули или киловатт-часы, а частота измеряется в единицах 1/время, поскольку сообщает, сколько раз происходит то или иное событие за единицу времени. Соответственно, чтобы энергия получилась пропорциональной времени, постоянная Планка выражается в единицах, равных произведению энергии на время. Сам Планк осознал, что эту новую величину можно комбинировать с другими фундаментальными константами – G (ньютоновской гравитационной постоянной) и c – скоростью света, получая, таким образом, универсально определяемые единицы длины, времени и так далее. Планковская длина равна приблизительно 10^–33 сантиметрам, а планковское время – приблизительно 10^–43 секундам. Планковская длина – действительно очень короткое расстояние, но, предположительно, она приобретает физическую важность в тех масштабах, где одновременно действуют квантовая механика (h), гравитация (G) и специальная теория относительности (c).

Забавно, что Планк сразу же усмотрел в этом открытии потенциал для контакта с внеземными цивилизациями. Если мы когда-нибудь начнем общаться с инопланетянами с помощью межзвездных радиосигналов, то они не поймут, что мы имеем в виду, если скажем, что рост человека – около 2 метров. Но если инопланетяне ориентируются в физике не хуже нас с вами, то они должны знать планковские единицы. Данное предположение пока не довелось опробовать на практике, но в остальном постоянная Планка оказала на науку неизмеримое влияние.

Если задуматься, то идея о том, что свет излучается дискретными квантами, энергия которых зависит от их частоты, озадачивает. Учитывая, что мы знаем о свете, логичнее было бы предположить, что энергия света зависит от его яркости, а не от цвета. Но благодаря своей идее Планк вывел верную формулу, поэтому в каком-то отношении эта идея точно работала.

Альберту Эйнштейну оставалось лишь в присущей ему манере отбросить устоявшиеся взгляды и совершить драматический переход к новой парадигме мышления. В 1905 году Эйнштейн предположил, что свет излучается только с конкретными значениями энергии, так как в буквальном смысле состоит из дискретных «порций», а не является непрерывной волной. Свет состоит из частиц, иными словами фотонов, как мы называем их сегодня. Именно эта идея – что свет распространяется дискретными частицеподобными квантами энергии – ознаменовала истинное рождение квантовой механики, и именно за это открытие Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии в 1921 году. (Он заслужил еще как минимум одну Нобелевскую премию – за предложенную им теорию относительности, но так ее и не получил.) Эйнштейн был умен и понимал, что квантовая механика – это серьезно; как он сказал своему другу Конраду Хабихту, гипотеза о квантах света была «очень революционной».

Обратите внимание на тонкую разницу между предположениями Планка и Эйнштейна. Планк считал, что свет с фиксированной частотой излучается порциями с определенной энергией, тогда как Эйнштейн полагал, что так происходит именно потому, что свет – это и есть дискретные частицы. Есть разница в двух следующих утверждениях: 1) сказать, что эта кофемашина готовит ровно одну чашечку кофе за прогон, и 2) сказать, что весь кофе существует только в виде одночашечных порций. Это может иметь смысл, если мы рассуждаем о частицах материи, например об электронах и протонах, но всего несколькими десятилетиями ранее Максвелл триумфально объяснил, что свет – это волна, а не частица. Утверждение Эйнштейна грозило свести этот триумф на нет. Сам Планк не хотел принимать эту безумную идею, но она объясняла полученные экспериментальные данные. А это все-таки серьезное преимущество для безумной идеи, ищущей признания.