Космос Эйнштейна. Как открытия Альберта Эйнштейна изменили наши представления о пространстве и времени - [46]

Вскоре физики во всех институтах планеты принялись зубрить странные и красивые строки уравнений Шрёдингера и Дирака. Однако, несмотря на все неоспоримые успехи, квантовая физика по-прежнему не могла одолеть волнительный философский вопрос: если вещество есть волна, то что именно колеблется? Этот же вопрос в свое время не давал покоя волновой теории света, породившей ошибочную теорию эфира. Волна Шрёдингера подобна океанской волне; предоставленная сама себе, – постепенно разбегается. Если дать ей достаточно времени, волновая функция рассеется по всей Вселенной. Однако это противоречило всему, что физики знали об электронах. Элементарные частицы считались точечными объектами, оставлявшими за собой вполне определенный след, напоминающий инверсионный след самолета, который можно сфотографировать на пленку. Таким образом, хотя квантовые волны чудесным образом описывали атом водорода, казалось невозможным, чтобы волна Шрёдингера могла описать электрон, движущийся в свободном пространстве. Более того, если бы волна Шрёдингера действительно представляла электрон, то он медленно распределился бы по пространству, а Вселенная – растворилась.

Что-то было не так. В конце концов, давний друг Эйнштейна Макс Борн предложил одно из самых противоречивых решений этой загадки. В 1926 г. Борн сделал к тому решительный шаг, предположив, что волновая функция Шрёдингера описывает вовсе не электрон, но лишь вероятность нахождения электрона. Он заявил, что «движение частиц подчиняется законам вероятности, но вероятность и сама подчиняется законам причинности». В этой новой картине вещество действительно состояло из частиц, а не волн. Следы, запечатленные на фотопластинках, оставлены точечными частицами, а не волнами. Но шанс на нахождение частицы в любой заданной точке задается волновой функцией. (Точнее, квадрат абсолютного значения волновой функции Шрёдингера представляет вероятность нахождения частицы в конкретной точке пространства и времени.) Таким образом, не важно, расползается ли волна Шрёдингера со временем. Это расползание означает всего лишь, что, если оставить электрон в покое, со временем он начнет блуждать в пространстве, и вы не сможете точно сказать, где он находится. Вот теперь все парадоксы были решены: получилось, что волновая функция Шрёдингера – это не сама частица; функция всего лишь представляет шанс ее обнаружения.

Тогда Вернер Гейзенберг сделал еще один шаг. Вместе с Нильсом Бором он без конца мучился над загадкой вероятностей, наполнявших новую теорию, и часто вступал со старшим коллегой в горячие споры. Однажды после бессонной ночи и очередных мучительных попыток разобраться с этим вопросом он вышел на долгую прогулку в Феллед-парк за университетом. Вернер непрерывно задавал себе вопрос: как так может быть, что никто не знает точное положение электрона в пространстве. Как может положение электрона быть неопределенным, по утверждению Борна, если его можно попросту измерить?

Затем его внезапно осенило. Все стало ясно. Чтобы узнать, где находится электрон, вы должны взглянуть на него. Это означает направить на него луч света. Но фотоны светового луча будут сталкиваться с электроном, делая его положение неопределенным. Иными словами, акт наблюдения непременно вводит в ситуацию неопределенность. Он переформулировал этот вопрос в новый принцип физики – принцип неопределенности, согласно которому невозможно определить одновременно положение и скорость частицы. (Точнее, произведение неопределенностей положения и импульса должно быть больше или равно постоянной Планка, деленной на 4π.) И это не просто результат несовершенства наших инструментов; это фундаментальный закон природы. Даже Бог не мог бы установить для электрона одновременно точное положение в пространстве и импульс.

Это был решительный момент: квантовая теория погрузилась в совершенно не изведанные глубины. До этого момента можно было утверждать, что квантовые эффекты носят статистический характер, представляя усредненное движение триллионов электронов. Теперь же оказывалось, что даже движение одного-единственного электрона точно определить невозможно.

Эйнштейн пришел в ужас. Узнав, что его добрый друг Макс Борн отказывается от детерминизма – одной из самых почитаемых идей в классической физике, он почувствовал себя едва ли не преданным. Детерминизм, по существу, утверждает, что, зная все о настоящем, можно определить будущее. Так, великий вклад Ньютона в физику состоял в том, что он научился, зная текущее состояние Солнечной системы, предсказывать движение комет, планет и спутников при помощи своих законов движения. На протяжении нескольких столетий физики поражались точности ньютоновых законов, позволявших предсказать положение небесных тел, в принципе, на миллионы лет вперед. Фактически до того момента вся наука основывалась на детерминизме, то есть ученый, зная положение и скорости всех частиц, всегда мог предсказать результат эксперимента. Последователи Ньютона подытожили это убеждение, сравнив Вселенную с гигантскими часами. Бог завел эти часы в начале времен, и они равномерно тикают с тех самых пор, подчиняясь законам движения Ньютона. Если бы вы знали положение и скорость каждого атома во Вселенной, то могли бы, воспользовавшись ньютоновыми законами движения, рассчитать дальнейшую эволюцию Вселенной с бесконечной точностью. Однако принцип неопределенности перечеркнул все это; оказалось, что предсказать будущее состояние Вселенной невозможно. Для атома урана, к примеру, невозможно рассчитать момент распада, но только вероятность этого события. Мало того, даже Бог или любое божество не знает, когда распадется данный конкретный атом урана.