Высший замысел - Стивен Хокинг

«Если это действительно так, то все, что мы принимали за волну, на самом деле было частицей, а все, что мы принимали за частицу, было волной».

Согласно квантовой физике, независимо от того, сколько информации мы получаем или сколь велики наши вычислительные способности, результаты физических процессов не могут быть предсказаны однозначно, потому что они не имеют однозначной определенности. Наоборот, учитывая данное начальное состояние системы, Природа определяет свое будущее состояние посредством процесса, который существенно неоднозначен. Иными словами, Природа не диктует результат какого-либо процесса или эксперимента даже в простейших ситуациях. Скорее, она предоставляет много различных возможностей, каждая из которых может реализоваться с той или иной степенью вероятности. Это, перефразируя Эйнштейна, как если бы Бог бросал игральные кости, прежде чем решить, каким будет результат каждого физического процесса. Такая идея беспокоила Эйнштейна, и даже будучи одним из отцов квантовой физики, он впоследствии начал критиковать этот взгляд.

Может показаться, будто квантовая физика подрывает саму идею о том, что Природа управляется законами, но дело обстоит не так. Просто это ведет нас к принятию новой формы детерминизма: данное состояние системы в некоторый момент времени и законы природы определяют вероятности различных вариантов будущего и прошлого, но не определяют будущее и прошлое строго однозначно. Ученые, несмотря на то что кому-то это не по вкусу, должны придерживаться тех теорий, которые согласуются с экспериментом, а не с их собственными предвзятыми понятиями.

Возможность проверки — вот что должна требовать наука от теории. Если бы вероятностная природа предсказаний в квантовой физике означала, что подтвердить предсказания невозможно, то квантовые теории не считались бы правомерными. Но несмотря на вероятностную природу их предсказаний, мы все же можем выполнять проверку квантовых теорий. Например, мы можем повторить эксперимент много раз и подтвердить, что частота разных результатов совпадает с предсказанной вероятностью. Вернемся к опыту с бакиболами. Квантовая физика говорит нам, что никакой объект никогда не располагается в определенной точке, потому что, будь это так, неуверенность в импульсе равнялась бы бесконечности. Фактически, согласно квантовой физике, каждая частица имеет некоторую вероятность быть обнаруженной где угодно во Вселенной. Так что даже если шанс обнаружить данный электрон внутри двухщелевого устройства весьма высок, всегда будет сохраняться шанс, что этот электрон может оказаться на обратной стороне звезды альфа Центавра или внутри запеканки, приготовленной в столовой у вас на работе. В результате, если вы ударите по квантовому бакиболу, отправив его в полет, никакая ловкость и никакие знания не помогут вам заранее сказать, где точно он приземлится. Но если вы повторите этот эксперимент многократно, то полученные вами данные покажут вероятность нахождения «мяча» в разных местах и можно будет утверждать, что результаты проведенных опытов согласуются с предсказаниями теории.

Важно осознавать, что вероятности в квантовой физике не похожи на вероятности в Ньютоновой физике или в повседневной жизни. Мы можем понять это, сравнив узоры, созданные непрерывным потоком бакиболов, летящих к экрану, с узором из ямок, оставленных на мишени для игры в дартс дротиками, которыми игроки целились в «яблочко». Если игроки не перебрали пива, то шансы каждого дротика попасть в центр наибольшие, но они уменьшаются, если игрок отдаляется от мишени. Как и в случае с бакиболами, каждый дротик может попасть куда угодно, и через некоторое время на мишени появится узор из ямок, отображающий эту вероятность. В повседневной жизни про данную ситуацию мы могли бы сказать, что дротик имеет определенную вероятность попасть в разные точки; но если мы скажем так, то, в отличие от случая с бакиболами, лишь потому, что не полностью знаем условия в момент броска. Наше описание можно улучшить, если иметь точные сведения об особенностях того, как игрок бросает дротик: под каким углом, с каким вращением, скоростью и т. д. В принципе тогда мы могли бы с любой необходимой для нас точностью предсказать, куда попадет дротик. Поэтому использование нами вероятностных терминов для описания результатов событий, наблюдаемых в повседневной жизни, отражает не внутреннюю природу процесса, а только недостаток наших знаний о некоторых его аспектах.

В квантовой физике вероятности не таковы. В квантовой физике они отражают фундаментальную неупорядоченность природы. Квантовая модель природы содержит в себе принципы, противоречащие не только нашему повседневному опыту, но и нашему интуитивному пониманию реальности. Те, кто считает данные принципы фантастическими и для кого в них трудно поверить, попали в хорошую компанию, оказавшись вместе с такими великими физиками, как Эйнштейн и даже Фейнман, чье описание квантовой теории мы представим далее. Действительно, Фейнман однажды написал: «Думаю, я могу с уверенностью сказать, что квантовую механику не понимает никго». Но квантовая физика согласуется с наблюдениями. Она всегда выдерживала проверки, а проверяли ее больше, чем любую другую научную теорию.

В 1940-х годах американского физика Ричарда Фейнмана осенила потрясающая догадка относительно разницы между квантовым и Ньютоновым мирами. Фейнман заинтересовался, как появляется интерференционный узор в эксперименте с двухщелевой преградой. Напомним, что узор, который образуется, когда мы стреляем молекулами при обеих открытых щелях, не является суммой узоров, возникающей, если эксперимент провести дважды: открыв первый раз одну из щелей, а второй раз другую. Вместо этого при обеих открытых щелях мы обнаруживаем чередование светлых и темных полос. Темные полосы — это области, куда частицы вообще не попадают. Значит, частицы, которые попали бы в это место, если открыта, скажем, только левая щель, не попадают туда, если открыты обе щели. Похоже, будто в неком месте на пути от источника к экрану частицы получают информацию об обеих щелях. Такое поведение частиц резко отличается от поведения предметов в повседневной жизни, когда мяч пролетел бы через одну из щелей независимо от того, открыта вторая или нет.

Согласно Ньютоновой физике (и согласно тому, как выглядел бы эксперимент, выполненный с футбольными мячами, а не с молекулами), каждая частица следует от источника к экрану по единственному, строго определенному маршруту. Эта картина лишена «объезда», при котором частица на пути к цели могла бы посетить окрестности каждой из щелей. Согласно же квантовой модели, частица считается не имеющей определенного положения в течение времени, пока она находится между начальной и конечной точками. Фейнман понял, что не нужно интерпретировать это так, будто частицы не имеют маршрута при своем перемещении от источника до экрана. Напротив, это может означать, что частицы следуют по всем возможным траекториям, соединяющим эти точки. Вот это, заявил Фейнман, и отличает квантовую физику от Ньютоновой. Состояние обеих щелей имеет значение, потому что частицы летят не по единственной определенной траектории, а по всем возможным траекториям и делают это одновременно! Звучит как научная фантастика, но это вовсе не фантастика. Фейнман сформулировал математическое выражение (фейнмановскую сумму по историям), отражающее эту идею и воспроизводящее все законы квантовой физики. В теории Фейнмана математическая и физическая картины отличаются от первоначальной формулировки квантовой физики, но предсказания остаются теми же.

Применительно к двухщелевому эксперименту идеи Фейнмана означают, что частицы движутся по траекториям, проходящим только через левую щель или только через правую щель; что частицы, пролетевшие сквозь левую щель, возвращаются через правую, а потом снова пролетают через левую; что по пути домой они посещают ресторан, где подают замечательные креветки с карри, а потом делают несколько оборотов вокруг Юпитера; что траектории частиц могут далее пролегать туда и обратно через всю Вселенную. По мнению Фейнмана, это объясняет, как частица получает информацию о том, которая из двух щелей открыта, — если щель открыта, частица проходит через нее. Когда открыты обе щели, траектории, по которым частица движется сквозь одну щель, могут накладываться на траектории, по которым она движется сквозь другую щель, что и вызывает интерференцию. Это может показаться безумием, но для задач современной фундаментальной физики (как и для задач этой книги) формулировка Фейнмана оказалась более подходящей, чем первоначальная.

Фейнмановский взгляд на квантовую реальность крайне важен для понимания теорий, которые мы представим далее, поэтому стоит потратить немного времени, чтобы ощутить, как все это работает. Представьте себе простой процесс, в котором частица начинает свой путь в какой-то точке А и свободно движется. В Ньютоновой модели эта частица будет двигаться по прямой.