ударяются со стуком и разлетаются. Фактически же никакого «твердого контакта», никакого «касания» не происходит. Ведь что такое упругость и упругое соударение? Как взаимодействуют атомы твердых шаров?
Всего в физике известно четыре основных вида взаимодействия: сильное, слабое, гравитационное, электромагнитное. Передатчиками всех взаимодействий являются кванты, то есть «кусочки поля». Упругость — пример электромагнитного взаимодействия. Вообще, все, что мы с вами наблюдаем вокруг, кроме притяжения к Земле, это электромагнитные взаимодействия. Вся химия, вся биохимия, все видимые нами в быту явления — проявления электромагнитного взаимодействия. Вот сближаются атомы двух летящих навстречу друг другу бильярдных шаров. Как происходит касание атомов?
Никак. Атом — это положительно заряженное ядро, окруженное призрачной электромагнитной «шубой». Взаимодействие между «шубами» двух «сталкивающихся» атомов передается путем обмена виртуальными электромагнитными квантами. То есть на расстоянии. Электронные оболочки атомов двух шаров обменялись «мнениями», и шары разлетелись в разные стороны. Нам кажется, что произошло столкновение. Но это только потому, что масштаб дистанционного обмена виртуальными квантами чрезвычайно мал и глазу невидим.
Вы наверняка обратили внимание на слово «виртуальный». Да, кванты электромагнитного излучения, которыми обмениваются заряженные частицы, не совсем реальные. Собственно, в физике разделяют реальные фотоны, которые могут лететь на миллионы километров и, в зависимости от частоты, быть радиоволной или светом, и фотоны виртуальные. Последние существуют лишь «наполовину». Их свойства необычны, засечь их в принципе нельзя, поскольку они обязаны быстро поглотиться. Ну а поскольку непосредственно, приборно поймать виртуальные фотоны невозможно, вы праве считать их чисто теоретическим конструктом. Однако именно этот теоретический конструкт отвечает в физике за кучу самых разных явлений — силы Ван дер Вальса, излучения Хокинга и т. д.
Странности с этим загадочным микромиром начались для физиков, когда обнаружилось, что в микромире частицы могут вести себя как волны, а волны — как частицы. Мы привыкли, что электрон — частица, то есть как бы твердый шарик, который летит по определенной траектории. А у волны траектории нет, она распространяется широким фронтом. Волна — это процесс распространения колебаний в среде. А частица — это локализованный в пространстве один-единственный объект. Разве может объект, например, бильярдный шар, «размазаться» по пространству, став волной? Либо одно, либо другое — или крестик снять или трусы надеть.
Если поставить на пути катящегося шара шторку с дырками, шар может или стукнуться о шторку, или пролететь в дырку. А если на шторку надвигается параллельный фронт волны, часть фронта ударится о препятствие, а часть проникнет в дырки. И начнет за шторкой распространяться дальше — из каждой дырки расширяющимся конусом пойдет волна. То есть каждая дырка станет в области за шторкой как бы точечным источником волны. Причем конусы волн от двух расположенных неподалеку дырок вскоре наложатся друг на друга, интерферируя. Там, где пики колебаний волн совпадут, они будут удваиваться, а там, где волны наложатся друг на друга в противофазе, они будут гаситься. Возникнет «пятнистая» картина.
Так вот, выяснилось, что электрон, который раньше считали шариком (частицей), может одновременно пройти сквозь две расположенные рядом дырки, образовав за шторкой интерференционную картину. А электромагнитная волна — например, световая — порой ведет себя как поток отдельных частиц — фотонов. Удивительно. И непредставимо, поскольку в макромире нет схожих объектов для сравнения.
Ну а когда Гейзенберг открыл принцип неопределенности, ситуация стала еще более туманной. Оказалось, что мы не можем одновременно точно узнать координаты и скорость частицы. Либо то, либо это. И чем точнее мы узнаем один параметр, тем неопределеннее другой. Неопределенность оказалась «вшитой» в структуру мира. Реальность в ее привычном физическом смысле поплыла…
Что же физики понимают под реальностью? То, что существует независимо от нас. А в микромире знание о частице оказалось включенным в формулы! В микромире не оказалось траекторий. И точных энергий. И скоростей. Формулы для предсказаний событий были, но они, в отличие от привычной механики или баллистики, не могли указать точно, куда шмякнется запущенная частица, а давали лишь вероятность ее попадания в то или иное место. У пули траектория есть, пуля летит с определенной скоростью, которую можно вычислить в любой точке траектории. Можно предсказать, куда пуля попадает, если мы знаем ее массу, скорость, силу притяжения планеты и направление выстрела. Ну, будут, конечно, какие-то неточности в измерениях, но в теории все абсолютно четко, а неточности непринципиальны и ни на что практически не влияют в силу ничтожности. А вот в микромире, то есть в мире «микропуль», эти неточности уже вылезают на первое место, становясь «больше пули». И мы можем, просчитав все по формулам, только указать вероятность того, что частица окажется здесь или там. От чего зависит, куда именно она вонзится? Ни от чего! Это принципиально непредсказуемо. Случайность имманентна нашему миру. Формула предсказывает только «размазанную» вероятность попадания.
Физикам это не нравилось. Они за столетия привыкли к тому, что мир фатален — по крайней мере в теории. И что у всего есть причины и следствия. Если частица воткнулась в левую стороны фотопластинки, значит, у этого есть одни причины, а если в правую — то другие. Видимо, разница в попадании возникла в силу каких-то нюансов, о которых мы просто не знаем. Какое-то время именно так и предпочитали думать: формулы позволяют получить вероятностные предсказания только в силу нашего незнания об истинных причинах поведения частицы. Вот узнаем, и будем предсказывать. Многие до сих пор надеются, что есть некая скрытая пока от нас физическая реальность, которую нужно постичь. Ну не может так быть, чтобы у частицы не было траектории, и, как утверждает копенгагенская школа Нильса Бора, электрон движется сразу по всем возможным траекториям. Такое ведь даже представить себе невозможно! Как один автомобиль может двигаться из Москвы в Питер сразу по всем дорогам, включая дорогу через Сочи?
Эйнштейн и Бор об этом спорили часами, прогуливаясь по улицам города. Но в конце концов победила точка зрения «копенгагенцев». Которая заключается в следующем…
Что описывают уравнения? Уравнения описывают вероятность нахождения электрона или фотона в данном месте, если мы вдруг захотим его в этом месте поискать. А если не захотим? Где тогда был электрон? И был ли он вообще в каком-то конкретном месте? Эйнштейн полагал, что был. Электрон спокойно летел себе по обычной физической траектории, просто мы не все еще знаем о мире, наши формулы не точны и могут пока предсказать только вероятность его пролета по той или иной траектории. Но на самом деле электрон от наших знаний о нем не зависит и летит себе спокойно там, где летит. Бор же говорил, что пока мы не вздумали поинтересоваться его местоположением, электрон нигде конкретно и не находился, а был размазан в пространстве. Но как только мы решили узнать, где он, вот в этот самый момент электрон и возникает в конкретном месте — например, засвечивая определенную точку на фотопластинке. И мы принципиально не можем предсказать, где именно эта точка окажется. Этого никто не знает, в том числе и сам электрон. Потому что это знание не существует до тех пор, пока не получено в результате опыта, то есть воздействия.
Чуете глубину?
Мы сами производим знание!.. С помощью измерения. Суть в том, что мы не измеряем нечто такое, что уже существует без нас, как это происходит в классической физике, — взяли железный цилиндрик и измерили микрометром. В квантовом мире мы создаем оцениваемое! Которого раньше не было. Создаем самим актом измерения. Иными словами, мы сами локализуем электрон, стягивая его из облачка в точку. Где находился электрон по время полета, мы не знаем, потому что он находился сразу везде. Это доказывается хотя бы тем, что один электрон проскакивает одновременно в две дырки, разнесенные на расстояние большее, чем диаметр «сколлапсировавшего» электрона. Кроме того, физиками были проведены эксперименты по проверке так называемых неравенств Белла, которые (эксперименты) доказали, что в квантовом мире измеряемые свойства действительно не существуют до измерения.
То есть ни о каком «физическом реализме» в мире квантов нет и речи. Электрон в полете размазан, но мы можем заставить его «материализоваться» в виде частицы с помощью определенного воздействия, которое называем измерением. В момент измерения электрон мгновенно собирается из огромной области пространства, «концентрируясь» в точку и становясь тем, что физики привыкли называть реальным объектом, описанным во всех физических справочниках — с размерами, массой и прочими привычными свойствами.
