Самосознающая вселенная. Как сознание создает материальный мир

Одним из этих революционеров был Альберт Эйнштейн. В то время когда он опубликовал свою первую исследовательскую статью по квантовой теории, он работал клерком в патентном бюро в Цюрихе (1900). Подвергнув сомнению популярное в то время представление о волновой природе света, Эйнштейн выдвинул гипотезу, что свет существует в идее кванта — дискретного пучка энергии, — который мы теперь называем фотоном. Чем выше частота света, тем большую энергию имеет каждый пучок.

Еще большим революционером был датский физик Нильс Бор, который в 1913 г. использовал идею кванта света для формулировки гипотезы, согласно которой весь мир атома полон квантовых скачков. Нас всех учили, что атом похож на миниатюрную солнечную систему, что электроны вращаются вокруг ядра во многом подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Возможно, вам будет интересно узнать, что эта модель, предложенная английским физиком Эрнстом Резерфордом, имела решающий недостаток, который устраняла работа Бора.

Представьте себе рой движущихся по орбитам спутников, которые довольно регулярно запускают с Земли с помощью космических ракет. Эти спутники существуют не вечно. Вследствие столкновения с земной атмосферой, они теряют энергию и замедляют свое движение. Их орбиты сужаются, и, в конечном счете, они падают на Землю (рис. 2).

Рис. 2. Орбиты спутников, вращающихся вокруг Земли, неустойчивы. Так же ведут себя и орбиты электронов в модели атома Резерфорда

Согласно классической физике, электроны, окружающие атомное ядро, тоже должны были бы терять энергию вследствие непрерывного излучения света и в конце концов падать на ядро. Поэтому планетарная модель атома неустойчива. Однако Бор (который, предположительно, увидел планетарную систему атома во сне) создал устойчивую модель атома, применив идею квантового скачка.

Предположим, говорил Бор, что орбиты электронов дискретны, подобно квантам энергии Планка. Тогда орбиты можно представлять себе как образующие энергетическую лестницу (рис. 3). Они стационарны — величина их энергии остается неизменной. Находясь на этих квантованных орбитах, электроны не излучают света. Электрон испускает квант света, только когда перескакивает с орбиты с более высокой энергией на орбиту с более низкой (со ступени лестницы с более высокой энергией на более низкую ступень). Таким образом, если электрон находится на орбите с самой низкой энергией, у него нет более низкого уровня, куда бы он мог перескакивать. Эта конфигурация базового уровня устойчива, и у электрона нет никаких шансов упасть на ядро. Все физики встретили модель атома Бора вздохом облегчения.

Рис. 3. Орбита Бора и квантовый скачок: а — квантованные орбиты Бора. Атомы испускают свет, когда электроны перескакивают с орбиты на орбиту; б — для квантовых скачков по энергетической лестнице нет нужды проходить через промежуточное пространство между ступенями

Бор отсек голову Гидре неустойчивости, но на ее месте вырастала другая. Согласно Бору, электрон никогда не может занимать никакое положение между орбитами; таким образом, совершая скачок, он должен каким-то образом непосредственно переходить на другую орбиту. Это не орбитальный прыжок через пространство, а что-то радикально новое. Хотя, возможно, было бы соблазнительно изображать скачок электрона как прыжок с одной ступеньки лестницы на другую, однако электрон совершает скачок, не пересекая пространство между ступеньками. Вместо этого он как будто исчезает на одной ступеньке, снова появляясь на другой — без какого бы то ни было непрерывного перехода. Больше того, нельзя сказать, куда он собирается перескакивать, если существует больше одной более низкой ступени, между которыми он может выбирать. Можно давать лишь вероятностные предсказания.

Корпускулярно-волновой дуализм

Возможно, вы заметили в квантовой концепции света кое-что странное. Говорить, что свет существует в виде квантов, фотонов, — значит утверждать, что свет состоит из частиц, подобных песчинкам. Однако такое утверждение во многом противоречит повседневному опыту, который мы получаем, имея дело со светом.

Представьте себе, например, что вы смотрите на отдаленный уличный фонарь через ткань матерчатого зонтика. Вы не увидите непрерывный поток света, проходящий насквозь, как следовало бы ожидать, если бы свет состоял из крохотных частиц (насыпьте песка в решето, и вы увидите, что я имею в виду). Вместо этого вы увидите узор из чередующихся темных и светлых каемок, который технически называется интерференционной картиной. Свет изгибается в нитях ткани и вокруг них, создавая картину, которую могут образовывать только волны. Таким образом, даже наш повседневный опыт показывает, что свет ведет себя как волна.

Тем не менее квантовая теория настаивает, что свет также ведет себя как пучок частиц, или фотонов. Наши глаза представляют собой такой замечательный инструмент, что мы можем сами наблюдать квантовую, зернистую природу света. В следующий раз, расставаясь с близким человеком в сумерках, обратите внимание на то, как вы видите удаляющуюся фигуру. Заметьте, что очертания удаляющегося объекта выглядят фрагментарными. Если бы световая энергия, отражающаяся от этого объекта и попадающая в оптические рецепторы вашей сетчатки, обладала волноподобной непрерывностью, то как минимум какой-то свет от каждой части объекта должен был бы всегда возбуждать ваши оптические рецепторы. Вы бы всегда видели полный образ. (Следует признать, что в слабом свете контраст между темным и светлым был бы не очень ясным, но это не влияло бы на четкость очертаний.) Однако вместо этого вы видите вовсе не четкие очертания, так как рецепторы ваших глаз реагируют на индивидуальные фотоны. В тусклом свете меньше фотонов, чем в ярком; поэтому в этой гипотетической сумеречной ситуации в любое данное время будут стимулироваться лишь немногие из ваших рецепторов — слишком немногие, чтобы определять очертания слабо освещенной фигуры. Следовательно, образ, который вы видите, будет фрагментарным.

Возможно, вам не дает покоя еще один вопрос: почему рецепторы не могут хранить данные бесконечно, пока мозг не соберет достаточно информации, чтобы собрать все фрагментарные картины в одно целое? К счастью для квантовых физиков, которые всегда отчаянно нуждаются в повседневных примерах квантовых явлений, оптические рецепторы могут хранить информацию лишь доли секунды. В тусклом свете в любой данный момент в ваших глазах будет возбуждаться недостаточно рецепторов для создания полного изображения. Когда в следующий раз в сумерках вы будете говорить «прощай» неясной удаляющейся фигуре любимого человека, не забудьте подумать о квантовой природе света; это, несомненно, уменьшит боль вашей разлуки [8] .

8

В действительности, этот пример не может служить иллюстрацией квантовой природы света, поскольку то, что мы видим, неявляется однозначным отображениемвнешнего мира (как следовало бы из так называемой «теории отражения»). Сами оптические рецепторы могут хранить данные дольше, чем доли секунды, и видимая фрагментарность удаляющегося объекта обусловлена не их свойствами, а свойствами мозга, частью которого является сетчатка глаза. Даже в почти полной темноте глаза улавливают избыточное,а не недостаточное количество фотонов, однако мозг командует сетчатке, что именноей следует воспринимать, вызывая торможениевсех нейронов сетчатки, кроме тех, что воспринимают ожидаемуюинформацию; в результате в зрительные отделы мозга в каждый данный момент поступает разностныйсигнал. Одним из обеспечивающих это механизмов является краевое торможение;поэтому для целостного восприятия объекта особенно важна четкая граница фигура-фон.Если эта граница становится размытой, изображение объекта распадается на фрагменты. — Прим. пер.

Когда свет рассматривается как волна, он оказывается способным одновременно быть в двух (или более местах) — как в случае, когда он проходит через отверстия ткани зонтика, и образует дифракционную картину; однако, когда мы улавливаем его на фотографической пленке, он проявляется дискретно, отдельными пятнышками, подобно потоку частиц. Таким образом, свет должен быть и волной, и частицей. Парадоксально, не так ли? Дело касается одного из бастионов старой физики: однозначного описания на естественном языке. Кроме того, на карту поставлена сама идея объективности: зависит ли природа света — то, чем является свет, — от того, как мы его наблюдаем?

И как если бы парадоксы, касающиеся света, были недостаточно вызывающими, неизбежно возникает еще один вопрос: может ли материальный объект, например электрон, быть и волной, и частицей? Может ли он обладать двойственностью, подобной двойственности света? Физиком, который впервые поставил этот вопрос и упорно давал на него положительный ответ, потрясший всех его коллег, был французский аристократ Луи Виктор де Бройль.

Волны материи

Когда де Бройль примерно в 1924 г. писал свою кандидатскую диссертацию, он провел параллель между дискретностью стационарных орбит атома Бора и дискретностью звуковых волн, производимых гитарой. Параллель оказалась плодотворной.

Представьте себе движение звуковой волны в некоторой среде (рис. 4). Вертикальное смещение частиц среды меняется от ноля до максимума (гребень), обратно до ноля, до отрицательного максимума (впадины), опять до ноля, и так далее с увеличением расстояния. Максимальное вертикальное смещение в одном направлении (от ноля до гребня или впадины) называется амплитудой. Отдельные частицы среды движутся взад и вперед относительно своего покоящегося положения. Однако волна, проходящая через среду, распространяется. Волна представляет собой распространяющееся возмущение. Число гребней, проходящих через данную точку за секунду, называется частотой волны, а расстояние от гребня до гребня — длиной волны.

Рис. 4. Графическое представление волны

Щипок гитарной струны приводит ее в движение, но возникающие колебания называются стационарными (стоячими волнами), поскольку они не распространяются за пределы струны. В любом данном месте струны смещение частиц струны меняется во времени: имеет место волнистость, но волны не распространяются в пространстве (рис. 5). Распространяющиеся волны, которые мы слышим, приводятся в движение стоячими волнами колеблющихся струн.