За исключением разве что Эйнштейна и Бора, никто не вел более горячей борьбы с нелепостями и успешными моментами кванто- вой теории, чем Джон Уилер. Является ли физическая реальность всего лишь иллюзией? Существуют ли параллельные квантовые вселенные? В прошлом, не вдаваясь в подробности этих упрямых квантовых парадоксов, Уилер применял эти вероятности для кон- струирования атомной и водородной бомб, а также был пионером в изучении черных дыр. Джон Уилер был последним из гигантов, или, как когда-то назвал их его студент Ричард Фейнман, «исполинских умов», который и до сих пор борется с безумными следствиями квантовой теории. Именно Уилер предложил термин «черная дыра» в 1967 году в Нью-Йорке на конференции в Институте космических исследова- ний им. Годдарда, NASA, после открытия первых пульсаров. Уилер родился в 1911 году в Джексонвилле (штат Флорида). Его отец был библиотекарем, но инженерия были в крови у членов семьи. Три его дяди были горными инженерами и в своей работе часто ис- пользовали взрывчатые вещества. Сама идея использования дина- мита глубоко захватила Джона, он обожал наблюдать за взрывами. (Однажды он неосторожно экспериментировал с куском динамита и тот случайно взорвался прямо у него в руке, оторвав один палец и фа- лангу другого. По случайному совпадению, когда Эйнштейн учился в школе, с ним произошел подобный случай: из-за его неосторожности
взрыв произошел прямо у него в руке, и потребовалось наложить не- сколько швов.) В детстве Уилер был развит не по годам, он овладел основами математики и глотал все книги, какие ему только удавалось найти, по новой теории, о которой не переставая говорили его друзья, — кван- товой механике. Прямо на его глазах новая теория переживала свое становление в Европе, ее разработкой занимались Нильс Бор, Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер, внезапно раскрьшший секреты ато- ма. Всего лишь несколько лет назад последователи философа Эрнста Маха поднимали на смех саму идею существования атомов, утверж- дая, что никогда еще атомы не удавалось наблюдать в лабораторных условиях и что вообще они наверняка были всего лишь выдумкой. Чего нельзя увидеть, то и существовать наверняка не может, утверж- дали они. Великий немецкий физик Людвиг Больцман, заложивший основы термодинамики, покончил жизнь самоубийством в 1906 году отчасти из-за постоянных насмешек, с которыми ему приходилось иметь дело, проводя в жизнь концепцию атомов. Затем всего за пару лет, с 1925 по 1927 годы, было раскрыто мно- жество секретов атомов. Современная история не знала случаев, что- бы прорывы такого масштаба были совершены за столь краткий про- межуток времени (за исключением работы Эйнштейна в 1905 году). Уилер хотел принять участие в этом перевороте. Но он понимал, что Соединенные Штаты оставались за бортом достижений в области физики: в пределах страны не было ни единого физика мирового масштаба. Подобно Дж. Роберту Оппенгеймеру до него, Уилер уехал из Соединенных Штатов и отправился в Копенгаген, чтобы учиться у самого Маэстро — Нильса Бора. Эксперименты по изучению электронов показали, что электро- ны действуют и как частицы, и как волны. Секрет этой странной двойственности был в конце концов раскрыт квантовыми физиками: совершая свой танец вокруг атома, электрон виделся частицей, но эту частицу сопровождала загадочная волна. В 1925 году австрий- ский физик Эрвин Шрёдингер предложил уравнение (знаменитое уравнение Шрёдингера), которое в точности описывало движение волны, сопровождающей электрон. Эта волна, обозначаемая гре- ческой буквой ψ, с ошеломительной точностью прогнозировала поведение атомов, что стало первой искрой, от которой вспыхнул
пожар революции в физике. Внезапно, основываясь на самом эле- ментарном знании, стало возможно вглядеться в атом и вычислить, сколько электронов танцуют на своих орбитах, совершая переходы и соединяя атомы в молекулы. Квантовый физик Поль Дирак хвастливо пообещал, что фи- зики скоро сведут всю химию к простой инженерии. Он заявил: «Основополагающие физические законы, составляющие математи- ческую базу большей части физики и всей химической науки, уже из- вестны. Единственная трудность состоит в том, что применение этих законов приводит к получению слишком сложных и не поддающихся решению уравнений». Как ни была внушительна эта ψ-функция, до сих пор оставалось загадкой, что же именно она представляла. В конце концов в 1928 году Макс Борн выдвинул идею о том, что эта волновая функция представляла вероятность обнаружения элек- трона в любой заданной точке. Иными словами, вы никогда не могли быть точно уверены, где находится электрон; максимум того, что вы могли сделать, — это вычислить его волновую функцию, которая давала вероятность его нахождения именно «там». Итак, если атом- ная физика могла быть сведена к волнам вероятности нахождения электрона «там» или «тут» и если электрон, по-видимому, мог на- ходиться в двух местах одновременно, то как же нам в конце концов определить, где он действительно находится? Бор и Гейзенберг в конце концов сформулировали полный набор рецептов в кулинарной книге физики, которые сработали в атомных экспериментах с потрясающей точностью. Волновая функция дает информацию только о вероятности того, что электрон находится «тут» или «там». Если для какой-то точки волновая функция велика, то это означает высокую вероятность того, что электрон находится именно там. (Если она мала, то маловероятно, что электрон находит- ся там.) Например, если бы мы могли «видеть» волновую функцию человека, то она выглядела бы очень похожей на этого человека. Однако волновая функция также плавно распространяется и на кос- мос, а это значит, что существует малая вероятность того, что человек окажется на Луне. (По сути, волновая функция человека распростра- няется по всей Вселенной.) Это также означает, что волновая функция дерева может сооб- щить вам информацию о вероятности того, стоит ли оно или падает,
но она не может определенно ответить вам на вопрос, в каком же со- стоянии оно действительно находится. Но здравый смысл говорит нам, что объекты находятся в каком-то определенном состоянии. Когда вы смотрите на дерево, оно определенно находится перед вами — либо стоит, либо падает, но не делает и того, и другого одно- временно. Чтобы разрешить несовпадения между волнами вероятности и представлением о существовании, диктуемым нашим здравым смыслом, Бор и Гейзенберг предположили, что после измерения, совершенного далеким наблюдателем, волновая функция волшеб- ным образом «коллапсирует» и электрон впадает в определенное состояние — то есть, посмотрев на дерево, мы видим, что оно дей- ствительно стоит. Иными словами, процесс наблюдения определяет конечное состояние электрона. Наблюдение жизненно необходимо для существования. После того как мы взглянем на электрон, его волновая функция коллапсирует; таким образом, он теперь нахо- дится в определенном состоянии и больше нет нужды в волновых функциях. Итак, постулаты копенгагенской школы Бора можно суммиро- вать приблизительно в следующем виде: 1. Вся энергия встречается в виде отдельных пучков энергии, называемых квантами. (Например, квантом света является фотон. Кванты слабого взаимодействия называются W- и Z-бозонами, квантом сильного взаимодействия является глю- он, а квант гравитации называется гравитоном, который нам еще предстоит увидеть в лабораториях.) 2. Вещество представлено точечными частицами, но вероят- ность обнаружения этой частицы определяется волной. Сама волна, в свою очередь, подчиняется определенному волновому уравнению (такому, как волновое уравнение Шрёдингера). 3. Перед наблюдением объект существует во всех возможных состояниях одновременно. Чтобы определить, в каком состоя- нии находится объект, нам необходимо провести наблюдение, в результате которого волновая функция «коллапсирует» и объект входит в определенное состояние. Сам акт наблюдения уничтожает волновую функцию, и объект приобретает реаль-
ную определенность. Волновая функция служит своей цели: она дает нам точную вероятность обнаружения данного объ- екта в конкретном состоянии.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Исполинский ум: Джон Уилер» з дисципліни «Загальна астрономія»
