1. Лицо в окне

1. Лицо в окне

Когда вы стоите перед окном, самое потрясающее открытие в истории науки — то, что все происходящее в конечном счете не имеет никакой причины, — буквально таращится на вас

Всякая трудность есть свет. Трудность непреодолимая — солнце.

Поль Валери[3]

Нет прогресса без парадокса.

Джон Уилер, 1985[4]

Поздний вечер. Идет дождь. Вы мечтательно смотрите из окна на огни большого города. Сквозь сбегающие струйки воды вы видите проезжающие по улице машины и собственное размытое отражение. Хотите верьте, хотите нет, но это простое наблюдение сообщает вам нечто очень важное — потрясающе важное! — о фундаментальных основах окружающей вас реальности. Оно говорит о том, что Вселенная — на глубинном уровне — случайна и непредсказуема, как небрежный бросок игральных костей; о том, что все, происходящее в этом мире, не имеет на то никакой причины.

Причина того, что вы видите городские огни за окном и одновременно с этим легкое отображение собственного лица, взирающего на вас, заключается в том, что сквозь стекло проходит 95 процентов света, а 5 процентов — отражаются. Это легко понять, если представить свет в виде волн, подобных ряби на воде, — уж рябь-то всякий видел. Вообразите себе несущийся по озеру катер. От носа катера разбегаются волны. На их пути встречается подтопленное бревно. Большинство волн побегут дальше, словно не встретив никакого препятствия, но малая часть откатится назад. Так и со светом: большая часть волн проникнет сквозь окно, а меньшая — отразится.

Это очень простое объяснение того, почему вы видите в оконном стекле свою собственную персону. Оно явно не подразумевает ничего такого, что имело бы отношение к фундаментальным основам реальности. Однако впечатление обманчиво. Свет — совсем не то, что нам кажется. У него в запасе имеется хитрость, которая опрокидывает эту простую картинку и ставит все с ног на голову. В двадцатом веке физики обнаружили ряд эффектов, из которых следовало, что свет распространяется не как рябь по воде, а как поток частиц, летящих подобно пулям. Взять хотя бы эффект Комптона, выявивший нечто странное в том, как свет отскакивает от электрона — или, иначе говоря, «рассеивается» на нем. Электрон был открыт в 1897 году кембриджским физиком Джозефом Джоном («Джей-Джей») Томсоном. Эта крохотная частица оказалась намного меньше атома и, по сути, представляла собой его ключевую составляющую.

В 1920 году американский физик Артур Комптон решил разобраться, что же происходит со светом, когда он попадает на электрон. Комптон исходил из того, что световая волна должна отскакивать от электрона, подобно тому как волна на реке отражается от буйка. Если вы это видели, то знаете, что в этом случае размер волны — или ее «длина» — остается неизменным. Иными словами, расстояние между соседними гребнями одно и то же как для набежавшей волны, так и для отраженной.

Однако в эксперименте Комптона все было совсем не так. После того как световая волна отражалась от электрона, ее длина увеличивалась. И чем сильнее изменялось направление движения света в результате столкновения, тем больше менялась длина волны. Получалось, что простой «отскок» волны от электрона волшебным образом превращал голубой свет, характеризующийся короткой длиной волны, в красный, у которого длина волны больше [5]. Выходит, длинные — «вялые» — волны обладают меньшей энергией, чем короткие — «буйные». Эксперимент словно бы говорил Комптону: когда свет «отскакивает» от электрона, он каким-то образом теряет энергию.

Комптон мысленно рисовал картины того, что происходит со светом и электроном, и эти картины были абсолютно противоестественные. Свет в его опытах вел себя как угодно, но только не так, как ведет себя волна, отразившаяся от буйка. Чем больше Комптон думал об этом, тем больше осознавал, что свет ведет себя как бильярдный шар, столкнувшийся с другим бильярдным шаром. Когда по шару ударяет биток, шар отскакивает, унося с собой некоторую часть энергии битка. При этом биток неизбежно теряет энергию. В те времена считалось, что электроны похожи на крохотные бильярдные шары, а свет — это нечто вроде ряби, распространяющейся в пространстве, подобно тому как волны бегут по воде. Однако опыты Комптона говорили ясно и четко: вопреки свидетельствам, копившимся столетиями, свет тоже должен состоять из частичек, похожих на крошечные бильярдные шары. За свою революционную работу, установившую корпускулярно-волновую природу света, Комптон в 1927 году получил Нобелевскую премию по физике.

Еще одно доказательство того, что свет ведет себя, как поток частиц, — это фотоэффект, знакомый каждому, кто видит, как двери в супермаркете, если к ним приблизиться, расступаются, словно воды Красного моря перед Моисеем. Двери расходятся по той причине, что нога входящего пересекает луч света. Этот луч постоянно освещает фотоэлемент — устройство, в котором содержится некий металл, способный с легкостью разбрызгивать вокруг электроны, когда на него попадает свет. Это происходит потому, что в таком металле электроны не так уж крепко держатся за свои атомы и энергии света оказывается достаточно, чтобы они пустились в свободный полет. Когда какой-то предмет перекрывает луч света, фотоэлемент оказывается в тени, и атомы перестают брызгать электронами. Система налажена таким образом, что, стоит потоку электронов прерваться, дверь открывается.

Но какое же отношение имеет фотоэффект к корпускулярной природе света? Если свет — это волна, то практически невозможно объяснить, как она может эффективным образом сообщать энергию крохотным, локализованным в пространстве электронам. Типичная световая волна, бегущая от источника излучения, должна взаимодействовать с большим количеством электронов, распределенных по поверхности металла. Неизбежно одни электроны будут «выбиты» позднее, чем другие. В сущности, вычисления показывают, что некоторые электроны покинут свои орбиты аж через десять минут после первых. Вообразите, что поток частиц формируется в фотоэлементе столько времени! Это означает, что посетители супермаркета будут десять минут толпиться перед закрытыми дверями.

Однако все обретает смысл, если представить, что свет состоит из крошечных частиц и каждая взаимодействует с конкретным электроном в металле. Вместо того чтобы постепенно распределять свою энергию среди большого количества электронов, свет, представленный этими частицами — «фотонами», — наносит точечные удары. Каждый фотон не только выбивает один электрон, но делает это сразу, а не после десятиминутной паузы. Именно благодаря корпускулярной природе света вы попадаете в супермаркет без всяких задержек.

Эйнштейн именно так и объяснил фотоэффект: как работу крошечных порций — «квантов» — света. За это он был удостоен Нобелевской премии по физике 1921 года. Многие нашли это странным. Они удивлялись, почему Эйнштейн не получил премию за свою «относительность» — теорию, которая сделала его знаменитым и навсегда изменила наши представления о пространстве и времени. Сам Эйнштейн, однако, считал «относительность» естественным и даже не слишком выдающимся продуктом физики XIX века [6]. А в «кванте», стоящем особняком среди его достижений, он видел единственную по-настоящему революционную идею своей жизни.

Эйнштейн опубликовал работу о существовании квантов в тот же «год чудес» — 1905-й, — когда он познакомил мир и со своей теорией относительности. Пятью годами раньше, в 1900 году, немецкий физик Макс Планк нашел способ объяснить загадку жара, исходящего от печи, предположив, что атомы могут колебаться («вибрировать») только на определенных — «разрешенных» — уровнях энергии и эти уровни в количественном смысле должны быть кратны какой-то базисной порции энергии — кванту. Сам Планк полагал эти кванты не более чем математическим трюком, не имеющим особого физического смысла. Эйнштейн оказался первым, кто увидел в квантах физическую реальность: они были летящим сквозь пространство потоком фотонов в луче света.

Спичечный коробок, проглотивший сорокатонный грузовик

Собственно говоря, сам факт того, что в определенных обстоятельствах свет ведет себя, как крошечные локализованные частицы, мы должны признать, взяв для примера самый обыденный из всех окружающих нас предметов: электрическую лампочку. Ее нить испускает свет, а наш глаз этот свет поглощает. Причина того и другого должна обнаружиться в том, из чего состоят нить накаливания и наша сетчатка. А они, как и все вещество во Вселенной, состоят из атомов.

Эта идея принадлежит греческому философу Демокриту. Примерно в 440 году до нашей эры он подобрал камень или ветку, а может, это был глиняный сосуд и спросил себя: «Если я разрежу эту штуку пополам, а затем каждую половинку разрежу тоже пополам, смогу ли я заниматься этим разрезанием до бесконечности?» И сам же себе ответил: нет, не смогу. Непостижимо, чтобы вещество можно было резать и резать без конца. Демокрит понял: рано или поздно дело должно дойти до такого зернышка вещества, которое уже невозможно разрезать пополам. По-гречески «неразрезаемый» — «а-томос», поэтому Демокритовы предельные зернышки вещества стали называть «атомами».

На самом деле Демокрит пошел дальше и объявил, что атомы бывают разных типов — сейчас сказали бы, что они вроде микроскопических кирпичиков «Лего», — и, составляя их по-всякому, можно получить, например, розу, или облако, или сверкающую в небе звезду. Главная мысль заключалась в том, что реальный мир в конечном счете зернист и состоит из крошечных твердых ядрышек вещества. Что уж говорить, эта идея, несомненно, выдержала проверку временем [7].

Атомы чрезвычайно малы. Внутри булавочной головки — «по линеечке» — их уместилось бы больше миллиона. Поэтому подтвердить существование атомов оказалось нелегко. В научную эпоху было собрано множество косвенных доказательств. Тем не менее удивительно, что до 1980 года никто так и не умудрился «увидеть» атомы — для этого понадобилось устройство, названное сканирующим туннельным микроскопом (СТМ), которое изобрели два физика из лаборатории «Ай-Би-Эм» в Цюрихе.

СТМ принес Герду Биннигу и Генриху Рореру Нобелевскую премию по физике за 1986 год. По существу, принцип действия устройства таков: микроскоп ведет микроскопическим «пальцем» по поверхности материала, ощущая крохотные подвижки этого «пальца», когда он проходит над атомами, так же, как слепой чувствует неровности чужого лица, когда касается его пальцами. И так же, как слепой рисует в воображении ощупываемое им лицо, СТМ рисует на дисплее компьютера атомный пейзаж, по которому он путешествует.

С помощью СТМ Бинниг и Рорер стали первыми людьми в истории, которые, подобно богам, взглянули сверху вниз на микроскопический мир атомов. И то изображение, что проплывало перед их глазами на экране, было именно тем, что представлялось в воображении Демокриту 2500 лет назад. Атомы походили на крохотные теннисные мячи. Они были точь-в-точь как яблоки, сложенные в коробке. В истории науки нет иного примера, чтобы кто-то сделал предсказание столь задолго до экспериментального подтверждения. Если бы только у Биннига и Рорера была машина времени… Они переместили бы Демокрита в свою лабораторию в Цюрихе, поставили бы его перед этим поразительным изображением и сказали: «Смотри, ты был прав». Как художники, умершие в безвестности, никогда не узнают, что их слава достигла заоблачных высот, а полотна продаются за десятки миллионов фунтов стерлингов, так и ученые могут не дожить до той поры, когда их идеи встретят ошеломляющий успех.

Однако атомы, как стало ясно уже довольно давно, — вовсе не предельные зернышки вещества. Их составляют более мелкие частицы. Тем не менее идея Демокрита о том, что материя не бесконечна в своей делимости и в пределе состоит из зернышек, по сей день жива и здравствует, только ныне в мантию неделимых зерен природы облачились «кварки» и «лептоны». И все же, как выясняется, кварки не столь уж важны, когда дело доходит до встречи света с материей в нашему глазу или в лампе накаливания. Когда свет испускается или поглощается, то испускают или поглощают его именно атомы. И здесь скрывается большая проблема.

Согласно нашей теории материи, атомы — это мельчайшие, локализованные в пространстве штучки, похожие на крошечные бильярдные шары. Свет же — это совсем другая штука: он размыт, распределен в пространстве, как рябь на поверхности пруда. Возьмем видимый свет. Удобная мера для определения его «величины» — это длина волны: расстояние между двумя ближайшими точками волны, находящимися в одинаковой фазе колебания — это если говорить строго, — или по-простому — расстояние между двумя соседними гребнями. Длина волны видимого света примерно в пять тысяч раз больше атома. Представьте, что у вас есть коробок спичек. Вы открываете его, и из него на вас выезжает сорокатонный грузовик. Или же сорокатонный грузовик проезжает мимо, вы открываете коробок, и грузовик исчезает внутри. Смешно? Но это в точности тот самый парадокс, который происходит на границе, где свет встречается с материей.

Как атом в нашем глазу может поглотить нечто, в пять тысяч раз большее, чем он сам? Как атом в нити накаливания электрической лампочки может выдавить из себя нечто, в пять тысяч раз превышающее его размеры? В одной из своих телепрограмм Рэй Мирс, британский путешественник, писатель и эксперт по выживанию в условиях дикой природы, сказал: «Ничто не входит в змею так хорошо, как другая змея». Применим эту логику к границе между светом и материей. Если свету суждено «войти» в маленький, конкретно расположенный атом, то он сам должен быть маленьким и конкретным. Проблема в том, что существуют тысячи примеров (самый известный — это эксперимент Томаса Юнга[8] с двумя прорезями), когда свет проявляет себя как распространяющаяся волна.

Вот в первые десятилетия двадцатого века физики и нарезали круги вокруг этой проблемы, отчаянно пытаясь разрешить парадоксы подобного рода. Как писал немецкий ученый Вернер Гейзенберг: «Я вспоминаю многие дискуссии с Бором, длившиеся до ночи и приводившие нас почти в отчаяние. И когда я после таких обсуждений предпринимал прогулку в соседний парк, передо мною снова и снова возникал вопрос, действительно ли природа может быть такой абсурдной, какой она предстает перед нами в этих атомных экспериментах»[9].

Парадокс, возникающий, когда некая теория предсказывает при определенных обстоятельствах один результат, а другая теория при тех же условиях диктует нечто совершенно иное, зачастую бывает весьма и весьма плодотворен. Он показывает, что по крайней мере одна теория ошибочна. И чем крупнее, чем обоснованнее теории, которые вступают в драку, тем революционнее последствия такой схватки. Вот случай, когда свет испускается лампочкой или поглощается вашим глазом: на этот счет есть две теории, которые предсказывают прямо противоположные вещи, — волновая теория света и атомная теория строения вещества. И это две крупнейшие и наиболее обоснованные теории из всех известных.

Какая же из них ошибочна? Физики пришли к совершенно невероятному заключению: ошибочны — обе. А можно сказать и так: не ошибается ни та, ни другая. Свет — это одновременно и волна, и частица. Или, скорее, это некая сущность, для описания которой у нас просто нет слов, и в окружающем нас мире нет ничего, с чем его можно было бы сравнить. Свет принципиально непостижим — как для существ, скованных двухмерным миром листа бумаги, непостижим трехмерный объект: у этих существ нет понятий «вверх»/«над» или «вниз»/ «под». Все, что они могут познать, — это «тень» объекта, однако «двухмерники» никогда не постигнут трехмерный предмет во всей его полноте. Таким же образом и свет — не волна и не частица, а «нечто иное», чего нам никогда не постичь полностью. Все, что мы видим, — не более чем «тени» света; в одних обстоятельствах этот «объект» поворачивается к нам волновой гранью, в других — корпускулярной.

Совершенно очевидно: атомы испускают свет. Но столь же очевидно, что видимый свет в тысячи раз больше атомов, которые его испускают. Оба факта неопровержимы. Таким образом, единственный способ разрешить сей парадокс — это принять нечто, что звучит как чистейшее безумие: свет одновременно в тысячи раз больше атома и меньше его. Он одновременно рассеян в пространстве и локализован в нем. Он одновременно и волна, и частица. Когда свет несется в пространстве, он ведет себя как рябь на поверхности пруда. Однако же когда свет поглощается или испускается атомами, он ведет себя, как очередь крошечных пулек, выпущенных из микроскопического автомата. Вообразите, что вы стоите возле пожарного гидранта на нью-йоркской Таймс-сквер и одновременно, подобно туману, растекаетесь по Манхэттену. Смешно? Да. Тем не менее свет именно таков.

Картина волновой природы света оказалась верна. Однако и картина корпускулярной природы света тоже оказалась верна. Как ни парадоксально, но свет — это и волна, и частица.

Мир, который противоречит здравому смыслу

А должны ли мы вообще удивляться, обнаружив, что свет принципиально отличается от всего остального в окружающем нас мире? Должны ли мы удивляться тому, что он не постижим во всей его полноте, что его свойства бросают вызов нашей интуиции и противоречат здравому смыслу? Пожалуй, здесь нелишне будет разобраться, что мы имеем в виду, говоря «интуиция» или «здравый смысл». В сущности, «здравый смысл» — это объем информации, которую мы накопили в поисках объяснений того, как работает окружающий нас мир. В эволюционном смысле мы нуждались в этой информации, чтобы выжить в африканской саванне посреди существ, которые были больше, быстрее и свирепее нас. Выживание зависело от того, обладаем ли мы зрением, достаточным для того, чтобы различать относительно большие объекты между собой и горизонтом, обладаем ли мы слухом, позволяющим распознавать сравнительно низкие звуки, и так далее. Для нашего выживания не было никакой эволюционной ценности в тех органах чувств, которые выводили бы нас за пределы мира, непосредственно нас окружавшего, — например, нам не нужны были глаза, способные различить микроскопическое царство атомов. Поэтому у нас и не развилось ни малейшей интуиции применительно к этой области. Таким образом, нас не должно удивлять, что, когда мы приступили к исследованию царства, неизмеримо меньшего, чем окружающий нас повседневный мир, мы обнаружили там вещи, которые идут вразрез с нашей интуицией. Атом примерно в 10 миллиардов раз меньше человека. Было бы странно, если бы он хоть в малой степени вел себя как футбольный мяч, или стол, или стул, или что бы то ни было еще, принадлежащее к миру, воспринимаемому нашими чувствами.

Первым человеком, который осознал, что фундаментальная реальность, служащая основой нашего повседневного мира, абсолютно на этот мир не похожа, был шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879), пожалуй, самый значительный физик в период между Ньютоном и Эйнштейном (прискорбный факт: Максвелл умер всего в 48 лет от рака желудка). Его величайшим триумфом — это было в 1860-е годы — стало то, что он свел все магнитные и электрические феномены к небольшому, аккуратному набору формул. «Уравнения Максвелла» настолько компактны, что вы смогли бы записать их на обороте почтовой марки (если, конечно, у вас достаточно мелкий почерк!).

До Максвелла физики выстраивали картину мира, оперируя образами вещей, которые они видели вокруг себя. К примеру, они рассуждали о Ньютоновой «часовой Вселенной», предполагая гигантский часовой механизм мироздания, который когда-то был заведен и продолжает тикать с абсолютной регулярностью. Поначалу Максвелл ничем не отличался от этих ученых. Например, пытаясь понять, как магнит дотягивается до кусочка металла, а затем приближает его к себе, он воображал, что пространство между магнитом и металлом заполнено невидимыми передаточными колесиками с зубчиками. Колесико, тесно прижатое к магниту, поворачивает своими зубчиками соседнее колесико, то поворачивает следующее, и так далее. Подобным образом сила передается от магнита к металлу. Когда эта картина не совпала с его наблюдениями магнитных явлений, Максвелл модифицировал ее, вообразив, что колесики сделаны из пружинистого материала и, вертясь, они немного прогибаются. Когда не сработало и это, ученый в отчаянии возвел к небу руки и распрощался с подобными «механическими» моделями. Он понял, что природа не сравнима ни с чем из того, что окружает нас в повседневной жизни.

Вместо невидимых крутящихся колесиков Максвелл вообразил нечто, не имеющее никаких аналогий в повседневном мире, — призрачные электрические и магнитные «силовые поля», пронизывающие пространство. Это был полный раскол с прежними представлениями — раскол, подобный сейсмическому разрыву. В долгосрочной перспективе прозрение Максвелла раскрепостит ученых, даст возможность Эйнштейну вообразить гравитацию как искривление четырехмерного пространства-времени и позволит физикам нашего времени сформулировать гипотезу о том, что фундаментальные структурные элементы материи — это крошечные струны массы-энергии, вибрирующие в невообразимом пространстве десяти измерений.

Однако потребовалось немалое время, чтобы физики усвоили серьезный урок Максвелла и осознали: в своих попытках понять фундаментальную реальность они должны обходиться без страховочной сетки житейской интуиции. По сути, этот урок еще не был усвоен, когда в первом десятилетии двадцатого века произошло титаническое столкновение между теориями света и материи — столкновение, которое породило корпускулярно-волновую теорию света.

Бог все-таки играет в кости

Представим себе, что свет ведет себя, как поток частиц (собственно, это его поведение и служит предметом нашего разговора в данной главе). Такое представление очень важно для того, чтобы понять, каким образом мы видим отражение собственного лица в оконном стекле. Почему же оно столь важно? А вот почему. Если свет — это волна (вспомним волну от катера, которая частично перекатывается через подтопленное бревно, а частично от него отражается), то объяснить отражение в окне не составляет никакого труда. Но если свет — это поток частиц, несущихся как пули, то объяснение феномена отражения превращается в дьявольски трудную задачу. Ведь все фотоны одинаковы. Однако если все они одинаковы, то и преграда в виде оконного стекла должна одинаково на них воздействовать. Либо все они проходят сквозь стекло, либо все — отражаются. Каким же образом проходят только 95 % фотонов, а 5 % все-таки отскакивают назад?

Это классический случай физического парадокса — ситуации, когда некая теория — в данном случае корпускулярная теория света — предсказывает одно, а здравый смысл говорит нам нечто противоположное. Наш опыт, несомненно, заслуживает доверия — мы и в самом деле можем видеть как пейзаж за окном, так и размытое отражение собственного лица в оконном стекле. Следовательно, что-то не так с нашим представлением о фотонах.

Существует только одна логическая возможность: у каждого фотона есть 95 шансов из 100 проскочить сквозь стекло и пять шансов — отразиться. Это обстоятельство кажется совершенно безвредным, однако на самом деле оно — настоящая бомба, сброшенная в самое сердце физики. Потому что если нам известны только шансы (правильнее говорить — «вероятность») фотона пройти сквозь окно или отскочить от стекла, то это означает только одно: мы теряем всякую надежду узнать в точности, что произойдет с отдельным фотоном на самом деле. Как заметил Эйнштейн — по иронии судьбы первый ученый, предположивший существование фотона, — это катастрофа для физики. Поведение фотона никак не совмещалось с тем, что наука говорила ранее. Ведь физика была рецептом для абсолютно точного предсказания будущего. Если в полночь Луна вот в этой точке небосвода, то, опираясь на Ньютонов закон тяготения, мы со стопроцентной уверенностью можем предсказать, что завтра в это же время она будет вон в той точке. Однако возьмем фотон, ударяющийся об оконное стекло. Мы никогда не сможем с уверенностью предсказать, как он себя поведет. Проскочит фотон или отразится — вопрос чистой, ничем не омраченной случайности, его взаимоотношения со стеклом определяются исключительно капризами шансов.

Случайность такого рода вовсе не похожа на случайность при броске игральных костей или вращении колеса рулетки. Она куда более фундаментальна и куда более… зловеща. Если бы мы знали все мириады сил, воздействующих на игральные кости, то любой физик, который обладает мощным компьютером и которому не занимать настойчивости и терпения, мог бы предсказать результат, основываясь просто-напросто на законах механики Ньютона. Проблема в том, что на траекторию движения костей воздействует слишком много факторов — импульс, сообщенный игроком, потоки воздуха в окружающем пространстве, шероховатости стола и так далее. Никто не в состоянии учесть все эти факторы, чтобы точно предсказать результат броска костей.

Однако вот в чем мы должны отдавать себе отчет: наше незнание всех факторов, воздействующих на вращение костей, — всего лишь вопрос практики. Нет ничего невероятного в том, что когда-нибудь в будущем некий упорный человек (понятно, что он должен будет располагать немалым временем) сумеет с требуемой точностью определить все силы, воздействующие на кости. Штука в том, что исход броска костей не непредсказуем по существу. Он непредсказуем лишь на практике.

Вернемся к нашему фотону. Как он поведет себя, столкнувшись с оконным стеклом, предсказать абсолютно невозможно — и не только на практике, но в принципе. Причем совершенно не важно, знаем мы или не знаем все факторы, воздействующие на его поведение. Тут просто нет факторов, которых мы можем не знать. Фотон проходит сквозь оконное стекло или отскакивает от него исключительно в силу собственной извращенности — без всякой на то причины.

В нашей повседневной жизни каждое событие порождается каким-либо другим событием. Следствию всегда предшествует причина. Число, выпавшее на игральных костях, — результат воздействия множества сил. Вы идете по улице и вдруг спотыкаетесь, потому что одна из плиток, которыми вымощен тротуар, расшаталась и ваша подошва задела за выступ. Однако тому, что происходит с фотоном при встрече с окном, не предшествуют никакие события. Это следствие без причины. Вероятность выпадения «шестерки» на игральной кости может быть определена в принципе, но с фотоном все иначе: вообще нет никакого события, из которого может быть выведена вероятность его прохождения сквозь стекло, тут не существует никакого скрытого механизма, жужжащего под оболочкой реальности. Это фундаментальная основа природы, ее нижний этаж. Глубже ничего нет. По какой-то таинственной причине Вселенная просто так устроена [10].

Тот род непредсказуемости, который характерен для поведения фотонов, когда они встречаются с оконным стеклом, характерен для их поведения и во всех остальных мыслимых обстоятельствах. В сущности, это типично для поведения не только фотонов, но и всех остальных обитателей микроскопического мира атомов и их составных частей — фундаментальных кирпичиков реальности. Атом радия может расщепиться или «распасться». Его ядро при этом взорвется подобно маленькой гранате. Однако нет абсолютно никакой возможности точно предсказать, когда именно самоуничтожится ядро отдельно взятого атома радия; есть лишь вероятность того, что это произойдет в течение определенного периода.

Непредсказуемость микроскопического мира не похожа ни на что из того, с чем люди сталкивались когда-либо ранее. Это нечто совершенно новое под солнцем. Вот почему Эйнштейн получил Нобелевскую премию по физике за то, что, исследовав фотоэффект, пришел к выводу о корпускулярной природе света, а вовсе не за теорию относительности. Он — а вместе с ним и Нобелевский комитет — понимал, что это по-настоящему революционное открытие.

Признание того, что микроскопический мир подчиняется неумолимой, неодолимой случайности и управляется шансами, стало, пожалуй, самым поразительным открытием в истории науки. Это настолько испугало Эйнштейна, что он произнес свое знаменитое: «Бог не играет в кости со Вселенной». (Великий физик Нильс Бор, один из первопроходцев квантового мира, ответил: «Перестаньте говорить Богу, что ему делать со своими игральными костями».) Эйнштейн упорно отказывался верить, что на фундаментальном уровне Вселенной события происходят просто так, без всякой причины. Горькая ирония, не ускользнувшая от Эйнштейна, заключалась в том, что именно он оказался человеком, который, утвердив существование фотона, нечаянным образом впустил джинна случайности в самое сердце физики [11].

Эйнштейн был встревожен тем, что остальные физики 1920-х годов приняли квантовую идею как данность, а значит, приняли и то, что события могут происходить беспричинно. Однако интуиция Эйнштейна подсказала ему нечто важное. Если голую, неприкрытую случайность впустить в самое сердце мира, это неизбежно породит куда более ужасные последствия — последствия настолько устрашающие, считал он, что физики будут просто вынуждены расстаться с квантовой идеей. Эти мысли одолевали его вплоть до 1935 года, и наконец Эйнштейн нашел то, что искал. Работая с двумя другими физиками — Натаном Розеном и Борисом Подольским, — он пришел к следующему выводу: если квантовая теория верна, тогда два атома с неумолимостью должны будут оказывать мгновенное влияние друг на друга, даже если они находятся в разных концах Вселенной.

Чтобы понять, как Эйнштейн пришел к этому выводу, сделаем небольшое отступление. Эта глава началась с утверждения, что отражение лица в оконном стекле легко объяснить, если свет — это волна, подобная ряби на пруду. Однако нигде не было упомянуто, каким образом мы вообще заподозрили, что свет — это волна. Ведь в конце-то концов он вовсе не похож на волну.

Свет — это действительно волна

Ученым, который продемонстрировал волновую сущность света, был англичанин Томас Юнг. Человек энциклопедических знаний, он первым совершил прорыв в расшифровке египетских иероглифов на Розеттском камне, а также предположил, что в глазу должны существовать отдельные рецепторы для трех основных цветов — синего, зеленого и красного. Однако главным достижением Юнга было, бесспорно, раскрытие волновой природы света.

У Юнга было серьезное подозрение, что свет скорее похож на волну, чем на поток подобных пулям «корпускул», как то полагал Ньютон. В 1678 году голландский физик Христиан Гюйгенс догадался, что если представить свет как волну, бегущую в пространстве, то можно объяснить многие оптические явления — например, отражение света в зеркале либо изменение направления, или «преломление», луча света в плотной среде, такой, как стекло. Гюйгенсова волновая теория даже предсказала правильное преломление луча света, когда он попадает из воздуха в стеклянный блок, тогда как у теории Ньютона это не очень-то получалось (во всяком случае, требовались некоторые ухищрения). Однако Ньютон имел такую высокую репутацию — в науке он был уже почти богом, — что на теорию Гюйгенса не обратили особого внимания. Пока не появился Юнг.

Какова главная характеристика волнового движения? При наложении разных волн друг на друга они попеременно то усиливаются, то гасятся. Волны усиливаются, когда максимум одной волны совпадает с максимумом другой (это называется «усиливающая интерференция»), и они гасятся, когда максимум одной волны попадает на минимум другой («ослабляющая интерференция»). Эта «интерференция» действует просто гипнотически, если наблюдать за ней в луже, когда идет дождь. Концентрические круги от падающих капель расходятся, пересекаются, проходят друг через друга, и крохотные волны то усиливаются, то сходят на нет.

Юнг знал об этом эффекте. Ему также было известно, что подобное происходит со светом, но эту картину уже не увидишь невооруженным глазом, можно только понять, что гребни световых волн отделены друг от друга куда меньшими расстояниями, чем толщина человеческого волоса — одна из самых малых вещей, доступных человеческому зрению. Сделать интерференцию таких крошечных волн видимой было серьезнейшей задачей, настоящим вызовом природе, и это еще мало сказать. Но Юнг оказался на высоте.

Главное, понял он, — это создать два одинаковых источника концентрических волн, похожих на те, что расходятся от двух дождевых капель, проколовших тонкую поверхностную пленку пруда. Поскольку волны пересекаются, они должны интерферировать. Там, где будет ослабляющая интерференция, возникнет темнота; а в местах усиливающей интерференции возрастет яркость. Темные и светлые участки будут перемежаться. Чтобы увидеть их, достаточно поместить некое подобие белого экрана туда, где концентрические волны станут накладываться друг на друга. Там-то и обнаружится интерференция в виде чередующихся светлых и темных полос, как у зебры (мы бы сказали — как на штрихкоде, что можно увидеть на любом продукте в супермаркете).

Для успеха эксперимента Юнгу было очень важно, чтобы излучаемый свет был одного цвета или, во всяком случае, как можно ближе к одному цвету. Ныне известно, что различным цветам света соответствуют разные размеры волны, или «длины волны». Так, расстояние между гребнями у волны красного света примерно вдвое больше, чем у волны синего. Возможно, Юнг подозревал это. Для демонстрации интерференции требовалось полное усиление и полное ослабление накладывающихся друг на друга волн, а это было возможно только в том случае, если свет был одного цвета.

В 1801 году Юнг создал свои два источника концентрических волн, направив свет с одной стороны на непрозрачный экран с близко расположенными параллельными прорезями. С другой стороны экрана свет выходил из каждой прорези, распространялся дальше и проходил сквозь свет из соседней прорези. Там, где волны должны были наложиться друг на друга, Юнг поместил белый экран. И увидел на нем, к своей нескрываемой радости, чередование светлых и темных полос — верный признак интерференции. Вне всякого сомнения, свет оказался волной. Причина, по которой это не видно невооруженному глазу, заключалась в том, что световые волны слишком малы: всего лишь тысячная доля миллиметра от гребня до гребня [12]. Почему же нам важно знать про этот эксперимент начала XIX века, который продемонстрировал волновую природу света? Да потому, что эксперимент Юнга с двойными прорезями на этом не закончился. Никоим образом. В двадцатом веке он продолжился, но уже в новом воплощении. И вот что поразительно: в наше время этот эксперимент демонстрирует не волновой характер света, а нечто совершенно иное — нечто почти невероятное. Он демонстрирует, что одна, отдельно взятая микроскопическая сущность — фотон или атом — может находиться в двух местах одновременно.

Волна информирует частицы

Вспомним, что Юнг освещал одноцветным светом, или светом с одной длиной волны, непрозрачный экран, в котором были проделаны две близко расположенные параллельные прорези. Каждая прорезь служила источником вторичной световой волны для соседней прорези, так же как два упавших в пруд камня, «работая» совместно, становятся источниками двух наборов концентрических кругов. Волны от двух камней, проходя друг сквозь друга, попеременно усиливаются и ослабевают, и то же самое происходит со световыми волнами, исходящими из двух прорезей. Там, где они усиливаются, свет становится ярче; там, где они гасят друг друга, свет затухает, оставляя вместо себя темноту. Юнг поместил второй экран там, где волны накладываются друг на друга. И любой мог увидеть на экране перемежающиеся полосы света и темноты. Вне всякого сомнения, свет был волной.

Однако он также представляет собой поток частиц — и это опять-таки вне всякого сомнения. Артур Комптон доказал, что свет отскакивает от электронов, словно бы он состоял из крошечных биллиардных шаров, а кроме того, есть еще фотоэффект, при котором отдельные частицы света выбивают отдельные электроны из поверхности металла. И вот вопрос вопросов: как примирить это с экспериментом Юнга?

Подумаем о фотонах видимого света. Каждый несет очень мало энергии. Вот почему до Эйнштейна никто не замечал их существования. Если бы фотоны несли большое количество энергии, тогда при включения света с помощью светорегулятора яркость сразу поднималась бы резкими скачками до некоего минимального уровня, затем удваивалась бы, утраивалась бы, и так далее. Мы никогда не увидели бы, что лампочка разгорается медленно. А причина медленного разгорания лампочки в том, что отдельные фотоны несут очень мало энергии и скачки яркости — хотя они наличествуют — настолько мизерны, что неразличимы невооруженным глазом.

В эксперименте Юнга источник света также излучал триллионы триллионов крошечных фотонов. Хотя это объясняет, почему корпускулярная природа света не доступна глазу, мы тем не менее не получаем ясного ответа на вопрос, каким образом фотоны «сговариваются», чтобы выстроить интерференционный узор из темных и светлых полосок — явственный признак того, что перед нами волны, а не частицы. Один возможный ответ такой: когда наличествует много фотонов, их корпускулярная природа каким-то образом затушевывается, уступая место волновой природе, — словно бы фотоны теряют свою индивидуальность, как отдельный человек теряется в толпе болельщиков на футбольном матче. Но что, если мы заставим свет проявить его корпускулярную природу? Это можно сделать, использовав для эксперимента Юнга такой слабый источник света, что он будет испускать не триллионы триллионов фотонов, а очень немного, буквально единицы. Если источник света будет настолько слаб, что фотоны станут проходить сквозь прорези в экране по одному, да еще с большими интервалами, тогда не останется сомнений в том, что мы имеем дело с частицами.

Человеческий глаз не может разглядеть отдельные фотоны, так что их попадание на второй экран останется незамеченным. Однако это препятствие можно преодолеть, расположив на поверхности экрана множество чувствительных детекторов, способных регистрировать отдельные частицы света. Представим их как крошечные ведерки, которые ловят фотоны так же, как обыкновенные ведра собирают дождевые капли. Если фотонные ведерки подсоединить к компьютеру, то все, что в них поймалось, появится на экране, став таким образом видимым для человека.

Что же мы ожидали бы увидеть, доведись нам создать такую высокотехнологичную версию эксперимента Юнга? Ну, мы ведь знаем, что вся суть интерференции в том, что она берет две волны и смешивает их, заставляя «интерферировать» между собой. В случае с экспериментом Юнга два набора волн, подобно наборам концентрических кругов, появляются из двух прорезей в непрозрачном экране. Однако если фотоны появляются перед экраном по одному, с большими временными интервалами, то резонно предположить, что в единицу времени сквозь экран будет проходить только один фотон — он выскочит по ту сторону экрана либо из одной прорези, либо из другой. У такого одинокого фотона не будет пары, с которой он мог бы смешаться. Интерференция невозможна. Если такой эксперимент будет продолжаться довольно долго и через прорези пройдет весьма много фотонов, которые усеют второй экран, то рисунок на экране компьютера будет совсем прост: две параллельные яркие линии — отображение двух прорезей.

Однако в реальности происходит совсем не это.

Поначалу экран компьютера вроде как показывает, что фотоны дождем обрушиваются на весь второй экран, словно ими наобум палят из какого-нибудь пулемета. Однако по мере хода эксперимента образуется нечто поразительное. Медленно, но верно начинает вырисовываться некий узор — словно Лоуренс Аравийский появляется из песчаной бури: этот узор состоит из фотонов, перехваченных крошечными световыми ведерками (напомним: по одному в каждую единицу времени). И это не просто какой-то там узор. Это узор из перемежающихся темных и светлых полос — точь-в-точь та самая интерференционная картина, которую Юнг увидел в 1801 году. Но как такое возможно? Интерференция образуется при смешивании волн из двух источников. Здесь же свет настолько слабый, что легко доказать: он состоит именно из частиц — в конце концов, световые детекторы отщелкивают их по штуке в единицу времени, — и ни один фотон не имеет пары, с которой он мог бы смешаться.

Добро пожаловать в сумасшедший, потусторонний мир квантов! Когда мы видели, что поведение фотонов не имеет абсолютно никаких причин, это было лишь началом безумия.

Судя по всему, фотоны, даже тогда, когда их очень мало и они явно представляют собой частицы, каким-то образом «осведомлены» о своей волновой природе. В конце концов они попадают на втором экране ровно в те места, где волны, которые выбегали бы из прорезей, усиливали бы друг друга, и усердно избегают тех мест, где волны гасились бы. Такое впечатление, будто с каждым фотоном ассоциирована некая волна, которая каким-то образом указывает ему, куда именно ему нужно прилететь, чтобы занять место на экране.

Примерно такую картину — правильно это или нет — держат в уме большинство физиков. Существует некая волна, ассоциируемая с фотоном. Она сообщает ему, куда двигаться и что делать. Но вот какая причуда. Это не реальная физическая волна, которую можно увидеть или потрогать, как волну на воде. Вместо реальности перед нами — нечто абстрактное, чисто математического свойства. В своем воображении физики рисуют картину, как эта волна, часто именуемая «волновой функцией», простирается в пространстве. Если волна большая, если у нее высокие максимумы, там велика вероятность (больше шансов) обнаружить фотоны, а в тех «местах», где волна маленькая, довольно плоская, там вероятность обнаружить фотон весьма мала. Можно сказать несколько точнее: шансы на обнаружение частицы (вероятность ее нахождения) в некоем месте пространства определяются квадратом высоты квантовой волны в этом месте. Квантовые волны могут смешиваться и интерферироваться, и, когда это происходит, возникает интерференционный узор, который показывает, где скорее всего обнаружатся фотоны.

Такую картину трудно уложить в голове. Но во всяком случае, она дает нам намек на фундаментальную двойственность природы. Не только световые волны могут вести себя как частицы — фотоны, — но и фотоны могут вести себя как волны, пусть даже волны эти абстрактные, квантовые.

Как уже говорилось, последствия того, что волны ведут себя подобно частицам, просто сногсшибательны. Миром фотонов — и всех остальных частиц — в конечном итоге дирижирует случай, Его Величество шанс. Но получается, что последствия волнового поведения фотонов не менее сногсшибательны. Один-единственный фотон может быть в двух местах одновременно (или делать две разные вещи одновременно) — это все равно как если бы вы пребывали в Лондоне и Париже в одно и то же время. Но как такое может быть? Поясню. Если фотоны могут вести себя как волны, следовательно, они умеют делать все то же самое, что делают волны. А волна умеет делать одну интересную вещь, и, хотя последствия этой «вещи» в повседневной жизни большого мира самые что ни на есть обыденные, в микроскопическом мире те же последствия иначе как фантастическими не назовешь.

В двух местах одновременно

Представьте себе море в штормовую погоду. По поверхности несутся большие валы, гонимые ветром. А теперь представьте море на следующий день, когда шторм уже прошел. Поверхность воды ровная, спокойная, если не считать небольшой зыби, мелкой ряби, создаваемой легким бризом. Что ж, теперь можно вообразить и другую картину: большие валы, на которых рябит мелкая зыбь. Между прочим, это и есть общая черта всех волн на свете. Если возможны две различные волны, то всегда возможна и комбинация этих двух волн. В случае океанских волн последствия этого вряд ли достойны упоминания. Однако в случае квантовых волн, «привязанных» к фотонам и диктующих, где им быть и что делать, последствия просто удивительны.

Представьте себе квантовую волну по одну сторону оконного стекла, у нее высокий гребень, поэтому вероятность того, что она обнаружится именно по эту сторону стекла, весьма велика. Теперь представьте себе вторую квантовую волну по другую сторону стекла, также с высоким гребнем. Ничего из ряда вон выходящего пока здесь нет. Но! Поскольку обе волны, каждая сама по себе, возможны, то и комбинация обеих этих волн, или их «суперпозиция», также возможна. В сущности, просто необходимо, чтобы она, эта суперпозиция, существовала. Однако это соответствует тому, что фотон — один фотон! — одновременно пребывает по обе стороны окна. Фотон одновременно и проходит сквозь стекло, и отражается. Но ведь это невозможно?!

Вернемся к эксперименту Юнга с двумя прорезями. Вспомним: чтобы на экране получился интерференционный рисунок, то, что вылетает из одной прорези, должно смешаться с тем, что вылетает из второй прорези. Можно посмотреть на это явление с точки зрения волн. В этом случае квантовые волны, ассоциируемые с каждым фотоном, концентрическими кругами расходятся из прорезей в непрозрачном экране. Но можно посмотреть на то же самое с точки зрения частиц. В этом случае каждый фотон, «упершись» в непрозрачный экран, оказывается в двух разных местах в одно и то же время. Это дает ему возможность пройти сквозь две прорези одновременно и смешаться с самим собой.

Способность фотона совершать две вещи за один присест — прямой результат того обстоятельства, что если возможны две волны, то и комбинация этих двух волн также возможна. Но природа не остановилась только лишь на двух волнах. Если возможно любое количество волн — три, 99 или 6 миллионов, — то возможна и комбинация всех этих волн. Фотон может делать одновременно не только две вещи — он способен делать одновременно сколь угодно много вещей.