Когда физики говорят, что электрон вращается вокруг атомного ядра по определенной орбите, это означает, что электрон чаще всего находится в ее точках, но с некоторой вероятностью его можно обнаружить и вдали от ядра. Представьте, что было бы, если бы так себя вели вращающиеся вокруг Солнца планеты! Аналогия между атомом и Солнечной системой на поверку оказывается весьма отдаленной.
Но что порождает такое различие? Ведь и планеты и электроны движутся в пустом пространстве. Почему же в одном случае движение происходит по точным траекториям, а в другом частицы, как пьяные, исполняют «броуновскую пляску» вокруг своих траекторий? Что является ее причиной?
Что размазывает траекторию
Физики пока не могут однозначно сказать, отчего это происходит. Можно думать, что причина этому — взаимодействия микрочастицы с окружающим ее фоном. Ведь частица никогда не бывает полностью изолированной, она постоянно испытывает случайные возмущающие воздействия неисчислимого количества других микрообъектов. Прежде всего атомов и молекул, из которых состоят окружающие тела. Если частица медленная и легкая, то возмущающие толчки резко изменяют ее скорость и этим, хотя бы отчасти, можно объяснить, почему, казалось бы, одни и те же начальные условия — одинаковые экраны, щели, каналы и так далее — приводят к различным последствиям. Дополнительные возмущения вносят атомы, из которых состоят регистрирующие приборы. Все эти толчки и пинки на атомном уровне размазывают движение частицы, делают его неконтролируемым.
Но самое главное возмущение происходит от частиц и античастиц, во множестве рождающихся и быстро аннигилирующих в окружающем вакууме.
Идея абсолютной пустоты, вакуума, пришла к нам из далекого прошлого. Само представление о мире часто ассоциируется у нас с образом безграничного пустого пространства с отдельными зернами материальных вкраплений. Мы привыкли к мысли, что пустота — это исходное, самое простое, не требующее никаких объяснений состояние окружающей природы, синоним полного «ничто». Однако квантовая теория говорит о том, что вокруг каждой точки кажущегося нам абсолютно пустым пространства непрерывно происходят сложнейшие материальные процессы. Если бы существовал микроскоп с увеличением в миллиарды раз, можно было бы увидеть, что пространство густо пропитано курящимся «смогом» микрочастиц, где все вибрирует, обменивается импульсами, распадается и вновь объединяется в новых комбинациях. В отличие от воздуха, этот смог нельзя вычерпать из пространства. Микрочастицы появляются из ничего и мгновенно обращаются в ничто.
Если бы был жив Ньютон, то всплески вещества в вакууме ему, наверное, показались бы похожими на привидения, которые неожиданно возникают и, прежде чем мы успеваем определить, материальны они или же всего только мираж, так же внезапно исчезают. Однако опыт убеждает нас, что это — вполне реальные процессы, а заполненный ими вакуум ведет себя, как некая материальная среда, не имеющая осязаемой плотности и не мешающая движению физических тел. Ньютон назвал бы ее всепроникающим эфиром.
Подобно частичкам взвеси в жидкости, движущаяся в пустом пространстве микрочастица все время испытывает толчки частиц вакуумного смога, и это сказывается на ее траектории.
Итак, микрочастица погружена в невообразимо сложное переплетение связей, на ее движение влияет огромное количество различных факторов. Можно думать, что это как раз и делает его «размазанным», вероятностным. Так же как нельзя построить точной теории, описывающей поведение всех частиц газа, невозможно создать и точную, основанную на ньютоновских законах теорию движения микрочастицы в вакууме. Но это только одна сторона дела.
Хотя точной теории движения всех частиц в облаке газа создать нельзя, к ней, в принципе, можно приблизиться как угодно близко: сначала построить теорию для двух частиц, потом для трех и так далее. Трудности здесь только технические, и, если бы мы располагали сверхмощной ЭВМ, задача была бы решена. В микромире положение принципиально иное. Постепенно наращивая число учитываемых связей, можно надеяться объяснить «броуновскую пляску» микрочастицы, но факт прохождения ее сразу через две щели и интерференцию с уже исчезнувшими и еще неродившимися частицами объяснить не удастся, сколько бы связей мы ни учли. Для этого нужны какие-то совершенно новые законы, выходящие за рамки ньютоновской физики. В квантовой механике факт интерференции не объясняется, он просто берется из опыта и считается постулатом, таким же, например, как аксиомы геометрии. Только они кажутся нам совершенно очевидными, мы ежеминутно встречаем подтверждение им в повседневной жизни, а постулат квантовой теории нам совершенно непривычен, требуется детальное знакомство со свойствами микропроцессов, чтобы с ним согласиться.
Было предпринято много попыток построить «всем понятную» теорию микропроцессов, в которой вероятностные законы квантовой механики получались бы в результате постепенного усложнения «заквантовой» теории с точными траекториями частиц. Этой проблемой занимались многие выдающиеся ученые. В частности, Эйнштейн до конца своей жизни был убежден в том, что такая «заквантовая» теория обязательно должна существовать. В своих статьях он писал, что квантовая механика — это всего лишь временная постройка, некое приближенное, размытое изображение истинной, скрытой пока от нас картины явлений. И пока она не найдена, задача физики микромира, по мнению Эйнштейна, остается невыполненной. Но все попытки оказались безуспешными. Опыт показывает, что, чем глубже в недра микромира мы уходим, тем более важными становятся там вероятностные законы. Сегодня большинство физиков уверены в том, что любая «заквантовая» теория будет основана на законах вероятности. Так уж устроен мир. Но почему он так устроен? Ведь должно же быть какое-то объяснение этому…
С течением времени, по мере того как накапливаются знания, любой постулат переходит в разряд теорем и выводится из более глубоких принципов. Когда-нибудь так будет и с постулатами квантовой механики. У них тоже должна быть какая-то причина. Но сегодня, научившись хорошо пользоваться квантовой механикой, физики еще не могут объяснить происхождение ее удивительных законов. Энергию электронов в атоме квантовая механика рассчитывает с точностью до миллиардных долей процента, но вот что размазывает орбиты электронов в атоме, каков конкретный механизм этой размазки — на эти вопросы она ответить не может. В то же время опыт хорошо подтверждает все ее выводы. Несмотря на все старания физиков, никаких отклонений от ее вероятностных законов не обнаружено.
Тем не менее у неуязвимой квантовой механики все же есть ахиллесова пята, которая, возможно, послужит отправным пунктом для построения «заквантовой» теории. И вот тут мы подходим к самому трудному и «темному» месту теории, вокруг которого уже более полувека, с тех пор как была создана квантовая механика, не утихают споры физиков и философов.
Как выглядит частица, когда на нее никто не смотрит?
Казалось бы, ответ очевиден — так же, как и в случае, когда ее наблюдают. Ведь частица существует сама по себе, независимо от того, смотрят на нее или нет. В физике, основанной на законах Ньютона, это действительно так, а вот в квантовой механике дело сложнее.
Чтобы подчеркнуть независимость от нашей личной точки зрения какого-нибудь утверждения, мы часто говорим, что это — экспериментальный факт, то есть непосредственный результат наблюдения, так сказать, «кусок» независящего от нас внешнего мира. Мы часто повторяем, что «факт есть факт», что «факты — это упрямая вещь». Однако в действительности совершенно «чистых», независящих от нас фактов не бывает. Наблюдая явления природы, наш мозг, наше сознание всякий раз имеет дело не с внешним миром самим по себе, а с его воздействием на наши органы чувств и их продолжения — физические приборы. Другими словами, мы всегда имеем дело как бы с отдельными «проекциями» внешнего мира. Слух дает нам его звуковую проекцию, зрение — его изображение в световых лучах. Физические приборы предоставляют нам еще более детальные и разносторонние срезы окружающей нас действительности. Однако, имея дело с проекциями, мы неизбежно искажаем и огрубляем наблюдаемое явление, чем-то пренебрегаем, что-то домысливаем. Каждый человек воспринимает мир по-своему. Бывает, что для одного происходящие явления — совершенно независимые между собой факты, а другой сразу усматривает их взаимозависимость.
