Текст книги "Высший замысел"

Кварки. Представление о кварках – крайне важный элемент теорий фундаментальной физики, несмотря на то, что наблюдать отдельные кварки невозможно.

Моделезависимый реализм может стать основой для обсуждения вопросов, подобных следующему: если мир был создан конечное время назад, что происходило до этого? Раннехристианский философ Блаженный Августин (354–430) говорил, что ответ заключается не в том, что Бог готовил ад для тех, кто задает подобные вопросы, а в том, что время – это свойство мира, созданного Богом, и оно не существовало до сотворения мира, которое, по мнению философа, произошло не так давно. Это одна из возможных моделей, которую предпочитают те, кто придерживается той точки зрения, что хронология, приведенная в Книге Бытия, буквально соответствует действительности, несмотря на то что в мире встречаются ископаемые останки и другие свидетельства того, что наш мир должен быть гораздо старше. (Их подбросили, чтобы ввести нас в заблуждение?) Кто-то может предпочесть другую модель, в которой время течет уже 13,7 млрд лет, начиная с Большого взрыва. Эта модель, объясняющая большинство современных наблюдений, включая исторические и геологические находки, является наиболее удачным из представлений о прошлом, имеющихся в нашем распоряжении. Она способна объяснить наличие ископаемых останков и данные радиоуглеродного анализа, а также тот факт, что мы видим свет далеких галактик, находящихся на расстоянии миллионов световых лет от нас. Поэтому данная модель – теория Большого взрыва – более полезна, чем первая. И все же нельзя сказать, что одна из моделей более реальна, чем другая.

Некоторые люди являются сторонниками модели, в которой время существовало и до Большого взрыва. Пока неясно, способна ли она лучше объяснить современные наблюдения, поскольку законы эволюции Вселенной, по-видимому, могут нарушаться в момент ее начала. Если это так, бессмысленно создавать модель, включающую в себя время до этого момента, поскольку то, что существовало до него, не будет иметь наблюдаемых последствий в настоящее время. Поэтому мы с тем же успехом можем придерживаться мысли, что Большой взрыв был моментом сотворения мира.

Модель хороша, если она:

а) изящна;

б) содержит мало произвольных или подстраиваемых элементов;

в) согласуется со всеми существующими наблюдениями и объясняет их;

г) позволяет подробно предсказывать результаты будущих наблюдений, которые могут опровергнуть модель (доказать ее ложность), если предсказания, сделанные на основе этой модели, не подтвердятся.

Например, теория Аристотеля о том, что мир состоит из четырех элементов (земли, воздуха, огня и воды) и что объекты ведут себя так, чтобы выполнить свое предназначение, была изящна и не содержала подстраиваемых элементов. Но во многих случаях она не позволяла давать четкие прогнозы, а когда это удавалось, то предсказания не всегда совпадали с наблюдениями. Одно из таких предсказаний заключалось в том, что более тяжелые объекты должны падать быстрее, поскольку их предназначение – падать. До Галилея никто не считал нужным проверить эту гипотезу. По преданию, для проверки он бросал грузы с «падающей» Пизанской башни. Сомнительно, что все было именно так, но мы точно знаем, что он скатывал различные грузы по наклонной плоскости и заметил, что вопреки предсказанию Аристотеля все они ускорялись одинаково.

Разумеется, приведенные выше критерии субъективны. Например, изящество не так-то просто измерить, но оно очень высоко ценится среди ученых, поскольку законы природы призваны эффективно «сжать» множество частных случаев в одну простую формулу. Изящество характеризует форму теории, и оно тесно связано с количеством подгоняемых элементов, так как теория, перегруженная «настроечными» параметрами, не будет особо изящной. Перефразируя Эйнштейна, можно сказать, что теория должна быть настолько простой, насколько это возможно, но не проще. Птолемей добавил к круговым орбитам небесных тел эпициклы, чтобы его модель точно описывала их движение. Эту модель можно было бы сделать еще более точной, добавив эпициклы к эпициклам или даже еще один ряд эпициклов. Усложнение может сделать модель более точной, однако ученые считают схему, которая была искажена, чтобы соответствовать конкретному набору наблюдений, неудовлетворительной, больше похожей на каталог данных, чем на теорию, которая содержит в себе какой-либо полезный принцип.

В главе 5 мы увидим, что многие считают неизящной стандартную модель, описывающую взаимодействия элементарных частиц. Но эта модель куда удачнее эпициклов Птолемея. На ее основе удалось предсказать существование нескольких новых частиц до того, как они были обнаружены экспериментально; она с высокой точностью описывала результаты множества экспериментов на протяжении нескольких десятилетий. Но она содержит десятки подгоночных параметров, значения которых не задаются самой теорией, а должны быть фиксированы, чтобы соответствовать наблюдениям.

Что касается четвертого пункта, ученых всегда впечатляет, когда новые ошеломляющие предсказания оказываются точными. С другой стороны, когда выясняется, что модель не соответствует наблюдениям, они обычно заявляют, что эксперимент не удался. И даже если это не так, они все равно зачастую не отказываются от модели, а пытаются сохранить ее путем модификаций. Хотя физики проявляют завидное упорство, пытаясь спасти теории, которыми восхищаются, стремление модифицировать модель ослабевает по мере того, как изменения становятся все более неестественными или громоздкими, то есть неизящными.

Если изменения, необходимые для подгонки теории к новым наблюдениям, становятся слишком причудливыми, это означает, что пора заменить ее. Одним из примеров старой модели, которая уступила под натиском новых наблюдений, является модель статической Вселенной. В 1920-х годах большинство физиков считали, что Вселенная статична, то есть размер ее не меняется. Затем, в 1929 году, Эдвин Хаббл опубликовал свои наблюдения, показывающие, что Вселенная расширяется. Но Хаббл не наблюдал расширение Вселенной непосредственно – он наблюдал свет от галактик. Этот свет обладает характерной особенностью (спектром), которая связана с составом каждой галактики. Одна из характеристик спектра изменяется на известную величину, если галактика движется относительно нас. Поэтому, анализируя спектры далеких галактик, Хаббл смог определить их скорости. Он рассчитывал обнаружить равное число галактик, удаляющихся от нас и приближающихся к нам. Но оказалось, что почти все галактики удаляются от нас и чем дальше они находятся, тем быстрее движутся. Хаббл сделал вывод, что Вселенная расширяется, но другие ученые, стараясь сохранить старую модель, пытались объяснить его наблюдения в контексте модели статической Вселенной. Например, физик из Калифорнийского технологического института Фриц Цвикки предположил, что по неизвестной пока причине свет при перемещении на большие расстояния может медленно терять энергию. Это уменьшение энергии, возможно, соответствует изменению его спектра, что, по предположению Цвикки, могло отразиться на наблюдениях Хаббла. В течение десятилетий после открытия Хаббла многие ученые продолжали придерживаться теории статичной Вселенной. Но наиболее естественной моделью была предложенная Хабблом модель расширяющейся Вселенной, которая и стала общепринятой.

В поисках законов, управляющих Вселенной, люди сформулировали множество теорий (моделей), таких как теория четырех элементов, модель Птолемея, теория флогистона, теория Большого Взрыва и т. д. С каждой теорией, или моделью, наши представления о реальности и фундаментальных компонентах Вселенной менялись. Например, рассмотрим теорию света.

Ньютон считал, что свет состоит из мельчайших частиц – корпускул. Это объясняло, почему свет распространяется прямолинейно. Ньютон также использовал эту гипотезу, чтобы объяснить, почему свет преломляется (испытывает рефракцию), переходя из одной среды в другую, например из воздуха в стекло или в воду.

Рефракция. Предложенная Ньютоном модель света могла объяснить, почему свет преломляется, переходя из одной среды в другую, но не могла объяснить другое явление, которое мы сегодня называем кольцами Ньютона.

Однако корпускулярная теория не могла использоваться для объяснения явления, которое наблюдал Ньютон и которое сегодня называют кольцами Ньютона. Поместите линзу на плоскую отражающую поверхность и осветите ее монохромным светом, например от натриевой лампы. Если смотреть сверху вниз, можно увидеть последовательность светлых и темных колец с центром в точке соприкосновения линзы с поверхностью. Это явление трудно объяснить с помощью корпускулярной теории света, но его можно объяснить с точки зрения волновой теории.

Согласно волновой теории света светлые и темные кольца вызваны явлением, которое называется интерференцией. Световые волны, как и волны на воде, состоят из последовательности гребней и впадин. Если при столкновении волн эти гребни и впадины совпадают, они усиливают друг друга, и образуется более крупная волна. Это называется конструктивной интерференцией. В этом случае говорят, что волны находятся в фазе. В другом предельном случае при столкновении гребни одной волны совпадают с впадинами другой. При этом волны гасят друг друга. Тогда говорят, что волны находятся в противофазе. Такая ситуация называется деструктивной интерференцией.

Светлые кольца Ньютона расположены на таких расстояниях от центра, где промежутки между линзой и отражающей пластиной таковы, что волна, отраженная от линзы, отличается от волны, отраженной от пластины, на целое число (1, 2, 3…) длин волн, создавая картину конструктивной интерференции. (Длина волны – это расстояние между соседними гребнями или впадинами.) Что касается темных колец, они расположены на таких расстояниях от центра, где промежуток между двумя отраженными волнами равен полуцелому числу (1/2, 11/2, 21/2…) длин волн, создавая картину деструктивной интерференции – волна, отраженная от линзы, гасит волну, отраженную от пластины.

Интерференция. Подобно людям, волны при встрече могут как усиливать, так и ослаблять друг друга.

В XIX в. это было воспринято как подтверждение волновой теории света и свидетельство того, что корпускулярная теория неверна. Однако в начале XX в. Эйнштейн показал, что фотоэлектрический эффект (используемый в настоящее время в телевизорах и цифровых фотоаппаратах) можно объяснить тем, что частица (квант света) ударяет по атому и выбивает из него электрон. Таким образом, свет ведет себя и как частица, и как волна.

Интерференция в луже. В повседневной жизни явление интерференции наблюдается в любых водоемах, от луж до океанов.

Представление о волнах появилось в человеческом сознании, возможно, потому, что люди бросали камешки в океан или лужу и наблюдали за поверхностью воды. Действительно, если вы хоть однажды бросали в лужу два камешка, вы, вероятно, наблюдали картину интерференции, похожую на ту, что представлена на приведенном выше рисунке. Аналогичные явления наблюдались и в других жидкостях, пожалуй, за исключением вина, если его выпито слишком много. Представление о частицах было знакомо людям по камням, гальке и песку. А потому эта двойственность (волна-частица) – идея о том, что объект может описываться и как частица, и как волна, – является столь же чуждой нашему повседневному опыту, как и идея о том, что можно выпить кусок песчаника.

Такие двойственности – ситуации, в которых две очень разные теории точно описывают одно и то же явление, – согласуются с концепцией моделезависимого реализма. Каждая теория может описать и объяснить определенные свойства, и ни про какую из них нельзя сказать, что она лучше или реальнее, чем другая. Относительно законов, управляющих Вселенной, мы можем сказать следующее: по-видимому, не существует единственной математической модели или теории, способной описать все ее особенности. Вместо этого, как упоминалось в первой главе, вероятно, существует система законов, называемая M-теорией. Каждая теория в этой системе хорошо описывает явления, относящиеся к определенному диапазону. Когда диапазоны перекрываются, разные теории системы согласуются друг с другом, поэтому их можно назвать компонентами одной теории. Но ни одна из теорий системы не может описать все аспекты существования Вселенной – все силы, существующие в природе, все частицы, на которые эти силы действуют, а также среду пространства и времени, в которой все происходит. Такое положение дел отдаляет от осуществления классической мечты многих физиков – создания единой универсальной теории, однако оно является приемлемым в рамках моделезависимого реализма.

Мы продолжим обсуждение двойственности и M-теории в главе 5, но перед этим рассмотрим фундаментальный принцип, лежащий в основе современного взгляда на природу: квантовую теорию и, в частности, тот подход к ней, который исходит из альтернативных историй. С этой точки зрения Вселенная имеет не единственную конфигурацию, или историю, а все возможные версии Вселенной существуют одновременно в так называемой квантовой суперпозиции. Это может звучать столь же странно, как то, что стол исчезает, когда мы выходим из комнаты. Однако теория альтернативных историй Вселенной выдержала все экспериментальные проверки, которым когда-либо подвергалась.

Глава 4
Альтернативные истории

В 1999 г. ГРУППА АВСТРИЙСКИХ ФИЗИКОВ провела эксперимент, обстреляв преграду серией молекул, имеющих форму футбольного мяча. Эти молекулы, каждая из которых состоит из шестидесяти атомов углерода, иногда называют бакиболами, или фуллеренами, в честь архитектора Бакминстера Фуллера, строившего здания такой формы. Геодезические купола Фуллера являются, пожалуй, самыми крупными во Вселенной объектами в форме футбольного мяча. А молекулы-бакиболы были мельчайшими. В преграде, на которую ученые направляли молекулы, было две щели, сквозь которые могли пролететь бакиболы. За преградой физики расположили некое подобие экрана для регистрации и подсчета пролетевших молекул.

Бакиболы. Бакиболы похожи на микроскопические футбольные мячи, состоящие из атомов углерода.

Если бы мы провели аналогичный эксперимент с настоящими футбольными мячами, нам бы потребовался не очень меткий футболист, способный бить по мячам с заданной скоростью. Мы бы поставили его перед стеной, в которой имеется два проема. За этой стеной, параллельно ей, мы бы поместили очень длинную сетку. Большинство мячей, по которым ударил футболист, отскочили бы от стены назад, но некоторые из них пролетели бы через один из проемов и попали бы в ворота. Если размер проемов будет лишь немного превышать размер мяча, то с другой стороны стены образуются два строго параллельных потока. Если проемы будут несколько шире, каждый поток будет немного расходиться, как показано на приведенном ниже рисунке.

Обратите внимание, что если закрыть один из проемов, соответствующий поток мячей не будет пролетать сквозь стену, но это не повлияет на второй поток. Если снова открыть проем, это приведет лишь к увеличению числа мячей, упавших на землю в любой заданной точке по другую сторону стены, поскольку там окажутся все мячи, пролетевшие через проем, остававшийся открытым, плюс мячи, пролетевшие через вновь открытый проем. Иными словами, то, что мы наблюдаем, когда открыты оба проема, – это сумма мячей, пролетевших, когда открыт каждый из проемов отдельно. Это реальность, хорошо знакомая из повседневного опыта. Но австрийские исследователи в эксперименте с молекулами наблюдали совершенно другую картину.

В эксперименте австрийских ученых при открытии второй щели число молекул, попадавших в определенные зоны экрана, действительно увеличивалось, но в других зонах число молекул уменьшалось, как показано на рисунке на стр. 77. На самом деле были участки экрана, куда не попадал ни один бакибол, когда были открыты обе щели, но куда бакиболы все-таки прилетали, если была открыта одна из щелей. Это казалось весьма странным. Почему открытие второй щели приводит к тому, что в определенные зоны экрана попадает меньше молекул?

Чтобы найти ключ к разгадке, изучим подробности. В этом эксперименте многие из молекул-мячей попадали в зону, расположенную посередине между теми зонами, куда они должны были попасть, пролетая через одну щель или другую. На участки, расположенные дальше от этой центральной зоны, попадало очень мало молекул, но еще дальше от центра были области, молекулы по неясными причинам концентрировались. Этот узор не является суммой узоров, получающихся при открытии каждой щели отдельно, но напоминает описанную в третьей главе схему, характерную для интерференции волн. Области, куда молекулы не попадают, соответствуют областям, в которые волны, исходящие из двух щелей, приходят в противофазе, создавая картину деструктивной интерференции. Области, куда попадает много молекул, соответствуют областям, куда волны приходят в фазе, создавая картину конструктивной интерференции.

Футбол через два проема. Когда футболист забивает мячи через проемы в стене, картина предсказуема.

Примерно в течение первых двух тысячелетий развития научной мысли основой для теоретических толкований служили повседневный опыт и интуиция. С развитием технологий и расширением диапазона явлений, доступных для наблюдения, мы начали понимать, что природные явления все больше противоречат нашему повседневному опыту и, следовательно, нашей интуиции, что продемонстрировал эксперимент с бакиболами. Этот эксперимент – типичный пример явлений, которые нельзя объяснить с точки зрения классической науки. Однако они описываются квантовой физикой. Кстати, Ричард Фейнман писал, что эксперимент с двумя щелями, подобный приведенному выше, «содержит в себе все тайны квантовой механики».

Футбол с бакиболами. Когда ученые обстреливают молекулами-мячами преграду с двумя щелями, получающаяся картина отражает непривычные квантовые законы.

Принципы квантовой физики были разработаны в первые несколько десятилетий XX века – после того как было обнаружено, что теория Ньютона неточно описывает природные явления на атомном и субатомном уровнях. Фундаментальные физические законы определяют силы, существующие в природе, и то, как объекты на них реагируют. Классические теории, такие как теория Ньютона, сформулированы на основе повседневного опыта, согласно которому материальные объекты существуют индивидуально, могут занимать определенное место в пространстве, перемещаться по определенным траекториям и т. д. Квантовая механика дает основу для понимания того, как природа ведет себя на атомном и субатомном уровнях, но, как мы подробнее разберем позже, она диктует совершенно иной концептуальный подход, в котором положение объекта, его траектория и даже его прошлое и будущее точно не определены. Квантовые теории таких взаимодействий, как гравитационное или электромагнитное, построены в рамках такого подхода.

Могут ли теории, сформулированные на основе подхода, столь отличного от повседневного опыта, объяснять обыденные события так же точно, как их моделирует классическая физика? Оказывается, могут, поскольку и мы сами, и то, что нас окружает, – это сложные объекты, состоящие из невообразимо огромного числа атомов, превышающего количество звезд в обозримой части Вселенной. И хотя атомы, из которых все состоит, подчиняются принципам квантовой физики, можно показать, что их крупные совокупности, образующие футбольные мячи, овощи и гигантские авиалайнеры, а также нас самих, действительно смогут избежать дифракции при прохождении сквозь щели. Поэтому, хотя компоненты повседневных объектов руководствуются квантовыми законами, механика Ньютона – эффективная теория, которая с высокой точностью описывает поведение сложных единств, из которых состоит привычный нам мир.

Как ни странно, в науке есть много примеров, когда крупные совокупности объектов ведут себя иначе, чем их компоненты по отдельности. Реакции одного нейрона мало чем напоминают реакции человеческого мозга, а знание свойств молекулы воды вряд ли поможет нам много узнать о поведении озера. Так и в случае квантовой физики: ученые до сих пор работают над тем, чтобы во всех подробностях выяснить, как перейти из квантовой области к законам Ньютона. Нам известно, что компоненты всех объектов подчиняются законам квантовой физики и что законы Ньютона – это хороше приближение для описания поведения макроскопических объектов, состоящих из этих квантовых компонентов.

Таким образом, предсказания ньютоновской теории совпадают с представлениями о реальности, формирующимися у нас при освоении окружающего мира. Но поведение отдельных атомов и молекул кардинально отличается от того, с чем мы сталкиваемся в повседневной жизни. Квантовая механика – новая модель реальности, дающая нам картину Вселенной. В этой картине многие понятия, являющиеся фундаментальными с точки зрения нашего интуитивного восприятия реальности, больше не имеют значения.

Эксперимент с двумя щелями был впервые проведен в 1927 г. Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джермером, физиками-экспериментаторами из Лабораторий Белла, изучавшими взаимодействие пучка электронов (объектов, куда более простых, чем бакиболы) с кристаллом никеля. Тот факт, что частицы вещества, такие как электроны, ведут себя как волны на воде, оказался одним из тех поразительных результатов, который вдохновил ученых на создание квантовой механики. Поскольку такое поведение не наблюдается на макроскопических масштабах, ученые долгое время не могли понять, насколько крупным и сложным должен быть объект, чтобы проявлялись такие волновые свойства. Если бы удалось продемонстрировать этот эффект с участием людей или бегемотов, это стало бы настоящей сенсацией, но, как мы уже сказали, чем больше объект, тем, как правило, менее очевидными и устойчивыми становятся квантовые эффекты. Поэтому вряд ли какие-либо животные в зоопарке смогут подобно волне пройти сквозь прутья своей клетки. Тем не менее физики-экспериментаторы наблюдали волновые свойства у все более крупных частиц. Ученые надеются когда-нибудь повторить эксперимент, проведенный с бакиболами, используя вирус, который не только гораздо крупнее, но и считается некоторыми людьми живым существом.

Для понимания идей, которые будут обсуждаться в следующих главах, достаточно знать лишь о нескольких аспектах квантовой механики. Одной из ключевых особенностей является корпускулярно-волновой дуализм частиц. То, что частицы вещества ведут себя как волны, удивило всех. То, что свет ведет себя как волна, уже не удивляет никого. Волновое поведение света кажется нам естественным и считается общепризнанным фактом уже почти два столетия. Если направить луч света на две щели в описанном выше эксперименте, то появятся две волны, которые встретятся на экране. В некоторых точках их гребни или впадины совпадут, образовав яркое пятно; в других точках гребни одного луча совпадут со впадинами другого, компенсировав друг друга и образовав темный участок. Английский физик Томас Юнг провел этот эксперимент в начале XIX в., убедив людей, что свет – это волна, а не поток частиц, как считал Ньютон.

Кто-то может решить, что Ньютон был не прав, утверждая, что свет – не волна, однако он был прав, когда говорил, что свет может действовать так, как если бы он состоял из частиц. Сегодня мы называем эти частицы фотонами. Мы состоим из огромного числа атомов, так и свет, который мы видим в повседневной жизни, состоит из великого множества фотонов. Даже одноваттный ночник излучает миллиард миллиардов фотонов в секунду. Одиночные фотоны обычно незаметны, но в лаборатории мы можем создать слабый луч света, состоящий из потока одиночных фотонов, которые можно регистрировать индивидуально, как отдельные электроны или бакиболы. И мы можем повторить эксперимент Юнга, используя достаточно разреженный луч, чтобы фотоны достигали преграды по одному с интервалом в несколько секунд. Если мы это сделаем, а затем сложим все отдельные попадания, зафиксированные на экране, расположенном за преградой, то обнаружим, что в совокупности они образуют такую же интерференционную картину, какая получилась бы в опыте Дэвиссона – Джермера, если бы мы обстреливали экран одиночными электронами (или бакиболами). Для физиков это стало потрясающим открытием: если отдельные частицы интерферируют сами с собой, тогда волновая природа света является свойством не только луча или большой совокупности фотонов, но и отдельных частиц.

Эксперимент Юнга. Узор, образующийся в эксперименте с бакиболами, был известен из волновой теории света.

Еще одним из основных принципов квантовой физики является принцип неопределенности, сформулированный Вернером Гейзенбергом в 1926 году. Этот принцип гласит, что наша способность одновременно измерять определенные величины, такие как положение и скорость частицы, ограничена. Например, согласно принципу неопределенности, если умножить погрешность определения положения частицы на погрешность определения ее импульса (произведения массы на скорость), то результат не может быть меньше определенной фиксированной величины, называемой постоянной Планка. Звучит запутанно, но суть можно выразить просто: чем точнее вы измеряете скорость, тем менее точно можете измерить положение, и наоборот. Например, если вы в два раза точнее измеряете положение, придется вдвое увеличить погрешность измерения скорости. Важно также отметить, что по сравнению с обычными единицами измерения, такими как метры, килограммы и секунды, постоянная Планка очень мала. Действительно, если выразить ее в этих единицах измерения, ее значение будет ⁶/_{10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000}. Поэтому если вы определяете положение макроскопического объекта, например футбольного мяча массой в одну треть килограмма, с точностью до 1 миллиметра в каждом направлении, мы все еще можем измерить его скорость с точностью куда большей, чем даже одна миллиардная миллиардной от одной миллиардной доли километра в час. Это связано с тем, что при измерении в этих единицах, футбольный мяч имеет массу ¹/₃, а погрешность определения его положения составляет ¹/₁₀₀₀. Ни того, ни другого недостаточно, чтобы отвечать за все нули в постоянной Планка, так что за них отвечает погрешность определения скорости. Но в тех же единицах электрон имеет массу 0,000000000000000000000000000001, поэтому для электронов дело обстоит совершенно иначе. Если мы измеряем положение электрона с точностью, приблизительно соответствующей размеру атома, принцип неопределенности гласит, что мы не можем узнать скорость электрона точнее, чем с погрешностью ± 1000 километров в секунду, что трудно назвать очень точным измерением.

«Если это так, то все, что мы считали волной, на самом деле является частицей, а все, что мы считали частицей, на самом деле является волной».

В соответствии с принципами квантовой механики независимо от того, сколько информации мы получаем или сколь велики наши вычислительные мощности, результаты физических процессов невозможно предсказать абсолютно точно, поскольку они не определены с абсолютной точностью. При заданном начальном состоянии системы природа определяет ее состояние в будущем посредством процесса, который по существу является неопределенным. Другими словами, природа не диктует результат какого-либо процесса или эксперимента даже в простейших ситуациях. Наоборот, она допускает множество возможных вариантов, каждый из которых может реализоваться с некоторой вероятностью. Это как если бы Бог бросал игральные кости, прежде чем решить, каким будет результат каждого физического процесса, чему так противился Эйнштейн Эта мысль смущала его, и хотя он был одним из основателей квантовой механики, впоследствии он стал относиться к ней критически.

Может показаться, что квантовая механика разрушает идею о том, что природа подчиняется физическим законам, но это не так. Квантовая механика ведет нас к принятию новой формы детерминизма: если известно состояние системы в некоторый момент времени, законы природы определяют вероятности различных будущих и прошлых состояний, но не определяют будущее и прошлое с абсолютной точностью. Кому-то это может не понравиться, однако ученые должны признавать теории, согласующиеся с экспериментальными данными, а не с их собственными предубеждениями.

Чего наука действительно требует от теории, так это того, чтобы можно было ее проверить. Если бы вероятностная природа предсказаний квантовой физики означала, что их нельзя проверить, то квантовые теории не могли бы считаться верными. Но несмотря на их вероятностную суть, мы все же можем их проверить. Например, мы можем многократно повторить эксперимент и убедиться, что частота разных результатов соответствует предсказанным вероятностям. Рассмотрим эксперимент с бакиболами. Квантовая механика говорит нам, что никакой объект никогда не может располагаться в определенной точке, поскольку в противном случае погрешность определения импульса должна быть бесконечна. На самом деле в соответствии с квантовыми законами каждая частица может быть обнаружена в любой точке Вселенной с некоторой вероятностью. Поэтому даже если шансы найти данный электрон в приборе с двумя щелями очень высоки, всегда существует ненулевая вероятность обнаружить его на обратной стороне звездной системы альфы Центавра или в пироге, который подается в кафе у вас на работе. Поэтому если вы запустите квантовый бакибол, никакие знания и умения не помогут вам определить заранее, где он приземлится. Но если вы повторите этот эксперимент много раз, полученные данные будут отражать вероятность обнаружить бакибол в самых разных местах. И экспериментаторы подтвердили, что результаты таких испытаний совпадают с предсказаниями теории.

Важно понимать, что вероятности в квантовой механике не похожи на вероятности в физике Ньютона или повседневной жизни. Мы можем понять это, сравнив узор, образованный непрерывным потоком запущенных к экрану бакиболов с узором отверстий в мишени для игры в дартс, образовавшихся, когда игроки старались попасть в «яблочко». Если игроки не выпили слишком много пива, то шансы попасть дротиком в центральную область являются самыми высокими и снижаются по мере удаления от центра. Как и в случае с бакиболами, каждый дротик может попасть куда угодно, и с течением времени образуется узор, отражающий соответствующие вероятности. В повседневной жизни мы могли описать эту ситуацию так: дротик с некоторой вероятностью может попасть в разные точки; но если мы это скажем, то, в отличие от случая с бакиболами, лишь потому, что не владеем полной информацией об условиях в момент броска. Мы могли бы улучшить описание, если бы точно знали, как игрок бросает дротик, под каким углом, с каким вращением, скоростью и т. п. Тогда, в принципе, мы могли бы с желаемой точностью предсказать, куда попадет дротик. Когда мы используем вероятностную терминологию для описания результатов событий в повседневной жизни, это отражает не внутреннюю природу процесса, а лишь недостаток наших знаний о некоторых его аспектах.