Розділ без назви (18)

Тож не відкидайте відваги своєї,

бо має велику нагороду вона.

До Євреїв 10:35

Широким загалом поширена думка, що фізики обожнюють винаходити божевільні езотеричні штуки для пояснення все­світу навколо нас тому, що або ми не маємо чого робити, або ми якісь дивакуваті збоченці. Проте, як свідчить відкриття квантового світу, почасти сама природа, незважаючи на всі наші брикання й зойки, тягне нас, науковців, геть від безпечного світу знайомих речей.

Зрештою, було б глибоко помилково стверджувати, що першопрохідцям, які торували нам шлях до квантового світу, бракувало впевненості. Подорож, яку ми здійснили, не мала ні прецедентів, ані дороговказів. Вони входили у світ, що супе­речив усілякому здоровому глузду та класичній логіці, і на кожному повороті мали бути готові до зміни правил.

Уявіть, що ви подорожуєте автівкою до іншої країни, усі мешканці якої спілкуються іноземною мовою, а закони ґрунтуються на засадах, абсолютно непорівнюваних з усім, з чим ви стикалися у своєму житті. Ба більше, уявіть, що світлофори там приховані й пересуваються з місця на місце. Отоді ви відчуєте, куди направлялися юні шибайголови, які в першій половині ХХ століття поставили наше розуміння природи догори дриґом.

Аналогія між дослідженням дивних нових квантових світів та мандрівкою незнайомим ландшафтом може здатися притягнутою за вуха, проте саме такий взаємозв’язок знайшов відображення в житті нікого іншого як Вернера Гайзенберга, одного із засновників квантової механіки, який одного разу поділився спогадами про той літній вечір 1925 року на острові Гельголанд, чарівній оазі в Північному морі, коли він збагнув, що відкрив квантову теорію: «Була майже третя ранку, коли я нарешті отримав кінцевий результат своїх обрахунків. Закон збереження енергії справдився для всіх членів рівняння, і в мене більше не було підстав сумніватися в математичній узгодженості та зв’язності різновиду квантової механіки, на який указували мої обрахунки. Спершу я глибоко стривожився. У мене було відчуття, ніби я дивлюся крізь поверхню атомного феномену на дивовижно прекрасний внутрішній світ, і я ледь не запаморочився від думки, що тепер маю вивчити це розмаїття математичних структур, настільки щедро розкладених переді мною природою. Я був занадто збуджений для сну, тож, поки навколо займався світанок нового дня, вирушив на південний край острова, до скелі, що видавалася в море, яку мені давно вже кортіло підкорити. Того ранку я зробив це без особливих зусиль і чекав там на схід сонця».

Щойно отримавши докторський ступінь, Гайзенберг переїхав до поважного німецького Геттінгенського університету, щоби працювати разом із Максом Борном, намагаючись розробити узгоджену теорію квантової механіки (цей термін уперше вжив Борн 1924 року у своїй статті «Про квантову механіку»). Проте Гайзенберга підкосила сінна лихоманка, тож він проміняв зелені поля на море. Саме там він відполірував ідеї щодо квантової поведінки атомів та відіслав роботу Борну, який подав її до друку.

Можливо, вам знайоме ім’я Гайзенберга, і не в останню чергу завдяки пов’язаному з ним відомому принципу. Принцип невизначеності Гайзенберга набув нью-ейджевої аури, надавши численним шарлатанам засіб одурманення людей, яким здавалося, що квантова механіка дає надію на існування світу, де може справдитися будь-яка, навіть найхимерніша мрія.

Кожен з інших, чиї імена напевне вам знайомі — Бор, Шрьодінґер, Дірак, а пізніше Фейнман і Дайсон, — також зробили великі стрибки в невідоме. Проте вони були не самі. Фізика — командна дисципліна. Надто часто наукові оповіді написано так, наче їхні герої пережили раптове «Ага!» — прозріння наодинці глупої ночі. Гайзенберг упродовж кількох років працював над квантовою механікою разом із науковим керівником своєї дисертації, блискучим німецьким науковцем Арнольдом Зоммерфельдом (чиї чотири студенти й три аси­стенти-постдокторанти здобули Нобелівські премії), а пізніше з Борном (урешті відзначеним Нобелівською премією майже тридцять років по тому), а також із молодим колегою Паскуалем Жорданом.

Кожен визначний тріумф, відзначений іменем та премією, супроводжується легіоном працьовитих, часто менш сла­ветних особистостей, кожна з яких потроху просувала вперед лінію зіткнення. Непевні дитячі крочки — норма, а не виняток.

Найвидатніші стрибки в невідоме зазвичай дістають належну оцінку навіть від своїх розробників, лише значно пізніше. Тому, приміром, Ейнштейн не настільки довіряв своїй чудовій загальній теорії відносності, аби повірити її передбаченню, що всесвіт не може бути статичним і має або розширюватися, або стискатися, аж доки спостереження не засвідчили розширення. І коли вийшла друком стаття Гайзенберга, світ догори дриґом не став. На думку приятеля й сучасника Гайзенберга, блискучого й запального фізика Вольфганга Паулі (ще одного асистента Зоммерфельда, який пізніше отримав Нобелівську премію), ця робота була, по суті, математичною мастурбацією, на що Гайзенберг жартівливо відповів: «Ви має­те погодитися, що, хай там як, ми не маємо на меті зруйнувати фізику, виходячи зі злого умислу. Коли ви сварите нас, що ми такі повні осли, що не привнесли у фізику нічого нового, ви, не виключено, маєте рацію. Проте в такому випадку ви не менший осел, адже також досі цього не зробили… Не тримайте на мене зла й усього вам найкращого».

Фізика не розвивається лінійно, як це описують підручники. У реальному житті, як і в багатьох гарних детективах, на кожному кроці трапляються оманливі сліди, хибні тлумачення та повороти не туди. В історії розвитку квантової механіки таких повно. Але я хочу одразу перейти до суті, тож пропущу Нільса Бора, чиї ідеї заклали основу перших фундаментальних атомних правил квантового світу, а також значною мірою підвалини сучасної хімії. Ми також пропустимо Ервіна Шрьодінґера, напрочуд колоритного персонажа, який прижив щонайменше трьох дітей від різних коханок і чиє хвильове рівняння є найвідомішою іконою квантової механіки.

Натомість я зосереджуся спершу на Гайзенбергу, точніше, не на самому науковцеві, а на його досягненні, яке уславило його ім’я, — на принципі невизначеності Гайзенберга. Його часто інтерпретують у такому ключі, що спостереження за квантовими системами впливають на їхні властивості — і це яскраво проявилося в розглянутих вище прикладах з електронами чи фотонами, які проходять крізь дві щілини й зіштовхуються з екраном позаду них.

На жаль, це справляє хибне враження, що якимось чином спостерігачі, зокрема спостерігачі-люди, відіграють ключову роль у квантовій механіці — непорозуміння, яким скористався мій «Твіттер»-супротивник Діпак Чопра, який у своїх численних плутаних висловлюваннях, схоже, чомусь виходить із того, що всесвіт не існував би за відсутності нашої свідомості, яка визначає його властивості відносно своєї системи відліку. На щастя, вік усесвіту перевищує час існування свідомості Чопри, і він досить непогано почувався задовго до виникнення хоч якогось життя на Землі.

Проте за своєю суттю принцип невизначеності Гайзенберга жодним чином не стосується спостерігачів, хоча дійсно обмежує їхню здатність здійснювати вимірювання. Натомість він являє собою фундаментальну властивість квантових систем і може бути відносно прямолінійно й математично виведений із хвильових властивостей цих систем.

Розглянемо для прикладу просте хвилеподібне збурення з єдиною частотою (довжиною хвилі), яке коливається, рухаю­чись уздовж осі х:

Як уже було зазначено вище, у квантовій механіці частинки мають хвилеподібну природу. Завдяки Максу Борну ми знаємо, що квадрат амплітуди хвилі, пов’язаної з частинкою в довільній точці, — услід за Шрьодінґером ми називаємо це хвильовою функцією частинки, — визначає ймовірність виявлення частинки в цій точці. Оскільки амплітуда наведеної вище коливної хвилі більш-менш однакова на всіх піках, така хвиля, якщо вона відповідає ймовірнісній амплітуді виявлення електрона, означатиме більш-менш однорідно розподілену ймовірність виявлення електрона будь-де на її шляху.

Тепер поглянемо, як виглядатиме збурення, якщо воно є сумою двох хвиль із дещо різними частотами (довжинами хвилі), що рухаються вздовж осі х: