hppd enjoyer

Невозможно одновременно знать и скорость, и координаты субатомной частицы

2023-01-28T17:23:10.693Z

Это принцип неопределенности Гейзенберга, на данный момент – самый противоречивый аспект теории, и в то же время на протяжении полувека он упрямо сопротивлялся любым попыткам проверить его в лабораторных условиях. Известных экспериментальных отклонений от этого правила не существует.

Принцип неопределенности означает, что мы никогда не знаем наверняка, где находится электрон или какова его скорость. Самое большее, что можно сделать, – рассчитать вероятность появления электрона с конкретной скоростью в конкретном месте. Но ситуация не столь безнадежна, как кажется, так как мы можем математически строго вычислить вероятность обнаружения этого электрона. Несмотря на то что электрон – точечная частица, ее сопровождает волна, подчиняющаяся определенному выражению – волновому уравнению Шрёдингера. Грубо говоря, чем больше волна, тем выше вероятность нахождения электрона в этой точке.

Таким образом, благодаря квантовой теории концепции частицы и волны сливаются в милую сердцу диалектику: основные физические объекты природы – частицы, но вероятность нахождения частицы в любой конкретной точке пространства и времени дается волной вероятности. В свою очередь, эта волна подчиняется строго определенному математическому уравнению, выведенному Шрёдингером.

Одна беда: к этим непостижимым вероятностям квантовая теория сводит буквально все. Мы можем с большой точностью предсказать, сколько электронов пучка будут рассеяны при прохождении сквозь экран с отверстиями в нем. Но не знаем наверняка, какие электроны подвергнутся рассеиванию и в каком направлении. И неточность приборов тут ни при чем: согласно Гейзенбергу таков закон природы.

Разумеется, скрытый философский смысл этой формулировки не может не вызывать тревоги. Согласно представлениям Ньютона, Вселенная – подобие великанских часов, заведенных в начале времен и с тех пор тикающих потому, что они подчиняются трем ньютоновским законам движения; теперь же этот образ Вселенной вытеснили неопределенность и случайность. Квантовая теория раз и навсегда уничтожила ньютоновскую мечту о математическом предсказании движения всех частиц Вселенной.

Если квантовая теория и противоречит нашему здравому смыслу, то лишь потому, что природе, похоже, до нашего здравого смысла нет никакого дела. Какими бы чуждыми и шокирующими ни казались нам эти идеи, подтверждение им можно легко получить в лабораторных условиях. В этом можно убедиться на примере известного эксперимента с двумя щелями – опыта Юнга. Представьте, что мы направляем пучок электронов на экран с двумя маленькими щелями. За экраном помещена чувствительная фотобумага. Согласно классической физике XIX в. пучки электронов должны оставить на фотобумаге два крошечных пятнышка за щелями. Но когда этот эксперимент провели в лаборатории, то на бумаге обнаружилась картина интерференции (чередование светлых и темных полос), которую принято ассоциировать с поведением, свойственным волне, а не частице (рис. 5.1). (Простейший способ создать такую интерферограмму – вызвать волны в ванной ритмичным похлопыванием по поверхности воды. Похожий на паутину рисунок волн, пересекающихся на поверхности воды, – это и есть результат интерференции, созданной столкновением многочисленных волновых фронтов.) Рисунок на фотобумаге соответствует волне, которая проникла сквозь обе щели одновременно, а затем интерферировала сама с собой за экраном. Поскольку интерференционная картина получилась вследствие коллективного движения множества отдельных электронов и волна прошла сквозь обе щели одновременно, мы наивно приходим к абсурдному выводу, что электроны способны каким-то образом одновременно проникать в обе щели. Но как может электрон быть в одно и то же время в двух местах? Согласно квантовой теории электрон – действительно точечная частица, способная пройти сквозь одну или другую щель, но электрон как волновая функция, распределенная в пространстве, проходит сквозь обе щели, а затем взаимодействует сам с собой. При всем недоверии к этой теории она была неоднократно подтверждена опытами. Как сказал однажды физик Джеймс Джинс, «вероятно, обсуждать, сколько места занимает электрон, так же бессмысленно, как обсуждать, сколько места занимает страх, тревога или неопределенность»{43}. (Однажды в Германии я увидел на бампере наклейку, которая предельно лаконично выражала вышесказанное. Она гласила: «Возможно, здесь ночевал Гейзенберг».)

Воссоздание Большого взрыва

2023-01-12T10:00:34.759Z

В таком же духе Айзек Азимов строил догадки о том, как отреагируют на окончательную гибель Вселенной разумные существа. В рассказе «Последний вопрос» (Last Question) Азимов задается давним вопросом о том, неизбежна ли смерть Вселенной и что будет со всей разумной жизнью, когда наступит Судный день. Однако Азимов полагает, что Вселенная погибнет во льдах, а не в огне, поскольку звезды перестанут сжигать водород и температура резко упадет до абсолютного нуля.

Действие рассказа начинается в 2061 г., когда колоссальный компьютер решил энергетическую проблему Земли, сконструировав в космосе огромный солнечный спутник, направляющий энергию Солнца прямиком на Землю. Этот АК (аналоговый компьютер[161]) оказался настолько совершенным, что обслуживающие его специалисты лишь смутно догадывались о том, как он работает. Выпив и поспорив на пять долларов, два лаборанта задают компьютеру вопрос о том, можно ли избежать смерти Солнца, и если уж на то пошло, действительно ли неизбежна смерть Вселенной. Обдумав поставленный вопрос, АК отвечает: «Для осмысленного ответа недостаточно данных».

Через несколько столетий АК решил проблему путешествий в гиперпространстве, и люди принялись колонизировать тысячи звездных систем. Сам АК становится настолько громадным, что занимает несколько сотен квадратных миль на каждой планете, и таким сложным, что он сам ремонтирует и обслуживает себя. Молодая семья совершает полет в гиперпространстве, руководствуясь безошибочными инструкциями АК в поисках новой звездной системы для колонизации. Отец мимоходом упоминает, что звезды в конце концов умрут, и дети закатывают истерику. «Пожалуйста, не разрешай звездам умирать!» — умоляют они. Чтобы успокоить детей, отец спрашивает АК, можно ли обратить энтропию вспять. «Вот видите, — говорит отец, прочитав ответ. — АК все может». И добавляет, утешая детей: «Когда настанет время, АК обо всем позаботится». Отец скрывает от детей, что компьютер напечатал в ответ: «Для осмысленного ответа недостаточно Данных».

Через тысячу лет галактика колонизирована. АК решил проблему бессмертия и обуздал энергию галактики, но теперь возникла необходимость в колонизации новых галактик. АК настолько сложен, что время, когда хоть кто-нибудь понимал, как он работает, осталось в давнем прошлом. АК постоянно совершенствует и модифицирует сам себя. Два члена Галактического совета, возраст каждого из которых насчитывает сотни веков, обсуждают насущный вопрос о поиске новых галактических источников энергии и гадают, неужели ее запасы во Вселенной иссякают. Можно ли обратить энтропию вспять, спрашивают они. АК отвечает: «Для осмысленного ответа недостаточно данных».

Проходят миллионы лет, за которые человечество успевает расселиться по бесчисленным галактикам Вселенной. АК решил проблему отделения разума от тела, человеческий разум получил возможность исследовать миллионы обширных галактик, пока тело находится в безопасности на какой-нибудь давно забытой планете. Два разума случайно встречаются в космосе и ненароком задаются вопросом, какая из бесчисленного множества галактик — родина людей. В ответ АК, который стал настолько велик, что большей частью помещается в гиперпространстве, переносит оба разума в некую безвестную галактику. Оба разочарованы. Галактика заурядна, как миллионы прочих, звезда в ней давным-давно погасла. Обоих охватывает беспокойство, ведь миллиарды звезд в небе медленно приближаются к той же участи. И разумы задают вопрос: можно ли избежать смерти Вселенной? АК отвечает из гиперпространства: «Для осмысленного ответа недостаточно данных».

Проходят миллиарды лет, человечество исчисляется триллионами триллионов бессмертных тел, за каждым из которых ухаживают роботы. Коллективный человеческий разум, способный свободно перемещаться куда угодно во Вселенной, наконец становится единым разумом, а тот, в свою очередь, сливается с АК. Спрашивать АК, из чего тот сделан или где именно в гиперпространстве он находится, уже бесполезно. «Вселенная умирает», — думает Человек единым разумом. Одна за другой звезды и галактики прекращают вырабатывать энергию, температура повсюду во Вселенной приближается к абсолютному нулю. Человек в отчаянии спрашивает, неужели холод и тьма в конце концов окутают галактику, и это будет означать ее смерть. АК из гиперпространства отвечает: «Данных для осмысленного ответа все еще недостаточно».

На приказ Человека собрать недостающие данные, АК отвечает: «Я буду это делать, как уже делал сотни миллиардов лет. Моим предшественникам этот вопрос задавали много раз. Всех моих данных по-прежнему недостаточно».

Неизвестно, сколько времени проходит потом, но Вселенная погибает окончательно. АК в гиперпространстве целую вечность собирает данные и обдумывает последний вопрос. Наконец АК находит решение, хотя дать найденный ответ уже давно некому. АК старательно формулирует программу, а потом приступает к процессу создания порядка из хаоса. Он собирает холодный межзвездный газ и умершие звезды в один гигантский ком.

Покончив с этим делом, АК возвещает из гиперпространства: «Да будет свет!»

И стал свет.

А на седьмой день Он отдыхал.