Принцип неопределенности

В 1925 году немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг обобщил беспорядочное на первый взгляд скопление наблюдений в сфере квантовой физики за предыдущие десятилетия, а через два года вывел свой знаменитый принцип неопределенности. Ученый заявил, что наблюдатель влияет на созерцаемую им реальность. Этот принцип и выводы, из него следующие, заставили недоумевать многих ученых, в том числе и Эйнштейна, который, протестуя, писал: «Мне хотелось бы думать, что Луна существует, даже если я на нее не смотрю».

Принцип неопределенности Гейзенберга утверждает, что невозможно знать точную скорость и точное положение электрона в один и тот же момент. Невозможно точно определить и его энергию в заданный промежуток времени. На квантовом уровне нарушаются все фундаментальные законы здравого смысла: электроны могут исчезать и вновь возникать в другом месте, а также находиться одновременно в нескольких местах.

Как правило, в повседневном быту мы не видим, как работают квантовые силы. На самом же деле они всюду. Известно, к примеру, что внутри атомы по большей части пусты, и по идее ничто не должно нам мешать проходить сквозь стены. Между ядром в центре атома и электронными оболочками ничего нет, там вакуум.

Но если мы с вами по большей части пусты, то почему мы не можем проходить сквозь стены? В фильме «Привидение» герой Патрика Суэйзи, превращается в призрак. Каждый раз, когда он пытается прикоснуться к своей невесте, которую играет Деми Мур, у него ничего не получается. Его руки проходят сквозь обычное вещество, он понимает что утратил вещественную составляющую и теперь просто плавает, не замечая твердых объектов.

И все же, почему мы не можем, подобно привидениям проходить сквозь твердые объекты? Ответ заключается в одном любопытном квантовом явлении. Принцип запрета Паули гласит, что в одной квантовой системе два электрона не могут существовать в одном и том же квантовом состоянии. Поэтому, при сближении, два почти идентичных электрона отталкиваются друг от друга. Именно поэтому объекты представляются нам твердыми, что, вообще говоря, иллюзия. Реальность заключается в том, что вещество по большей части пусто.

Как пишет Мичио Каку («Физика будущего»), «Квантовые силы не только не дают атомам сталкиваться друг с другом, но и связывают их в группы — молекулы. Представьте на мгновение, что атом похож на крохотную Солнечную систему с центральным светилом и обращающимися вокруг него планетами. При встрече двух таких систем планеты либо начнут сталкиваться между собой, либо разлетятся в разные стороны, а сами системы перестанут существовать. Солнечные системы не могут оставаться стабильными при столкновениях, так что по идее атомы при столкновениях друг с другом должны были бы прекращать существование.

На самом деле при сближении два атома либо упруго отскакивают друг от друга, либо соединяются в стабильную молекулу. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит: мы не можем точно определить, где находится электрон. Вместо того чтобы кружить маленькой планетой вокруг атомного ядра, он оказывается размазан по общей электронной оболочке двух атомов, что и удерживает их вместе».

Иными словами, если «отключить» квантовую теорию (точнее, квантовые законы), все молекулы рассыплются при столкновениях и любой объект (в том числе и человеческое тело) превратится в облако элементарных частиц. Именно квантовая теория объясняет, почему атомы могут существовать и сцепляться между собой, образуя твердое вещество, вместо того чтобы рассыпаться на отдельные частицы.

Некоторые ученые предполагают, что наша Солнечная система или даже Галактика на самом деле, возможно, является всего лишь атомом какой-то другой гигантской вселенной. Именно такой мир показан в финальной сцене фильма «Люди в черном»: вся Вселенная оказывается на самом деле лишь атомом шарика в руках у какого-то существа. Однако с точки зрения науки такая ситуация невозможна, потому что с изменением масштаба законы природы тоже меняются. Законы, которым подчиняются атомы, сильно отличаются от законов, которым подчиняются галактики.

Принципы квантовой теории гласят:

• невозможно знать одновременно скорость частицы и ее положение в пространстве — здесь всегда присутствует неопределенность;

• частицы могут в определенном смысле находиться в двух местах одновременно;

• вы можете исчезнуть здесь и появиться где-то в другом месте.

Все эти утверждения на первый взгляд звучат нелепо. Сам Эйнштейн однажды сказал: «Чем успешнее становится квантовая теория, тем глупее она выглядит». Никто не знает, откуда берутся такие странные законы. Ученые просто постулировали их — объявили истиной без всяких объяснений. Есть лишь одна вещь, которую можно сказать в оправдание квантовой теории: она верна. Ее верность измерена с точностью до одной десятимиллиардной, а это значит, что квантовая теория — самая точная и успешная физическая теория всех времен.

Попытка применить принцип неопределенности ко всей Вселенной в целом привела к понятию Мультивселенной. В концепции «множественных миров» Вселенная просто существует одновременно во множестве параллельных состояний, которые определяются главной волновой функцией, известной под названием волновая функция Вселенной. Согласно квантовой космологии, Вселенная возникла как квантовая флуктуация вакуума, т.е. как крошечный пузырек пространственно-временной пены.

Большинство новорожденных вселенных пространственно-временной пены переживает большой взрыв, а затем сразу — большое сжатие. Это означает, что даже в «пустоте» кипит непрекращающаяся активность, возникают и тут же пропадают крошечные вселенные, но масштаб этих событий слишком мал для современных приборов. Однажды по какой-то причине один из пузырьков пространственно-временной пены не схлопнулся обратно и не исчез в собственном Большом сжатии, а продолжал расширяться. Это и была наша Вселенная.

Согласно одной из теорий модели пульсирующей Вселенной — Космос не имеет ни начала, ни конца, мы находимся посреди бесконечного цикла космических смертей и перерождений, и никакая информация не сохраняется при переходе от одной пульсации к другой. Ни одна из галактик, звезд, планет, цивилизаций, возникших в прошлом «воплощении» Вселенной, не перетекает в нынешнюю реальность.

Предопределено ли всё во Вселенной? Случайно всё или закономерно? Ответ таков: из принципа неопределенности следует, что у Вселенной не одна-единственная история, а целое семейство возможных историй. Нам случилось жить в одной частной истории, имеющей свои свойства и детали. Но возможно существуют очень похожие разумные существа, живущие в другой истории. Таким образом, незначительные детали в нашей Вселенной возникают потому, что фундаментальные законы включают в себя квантовую механику с ее элементом неопределенности и случайности.