В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики - Питер Эткинс

прямая линия в первой среде, которая затем ломается и переходит в другую прямую линию во второй среде. После проведения вычислений оказывается, что «путь выживания», где соседи не стараются тебя погасить, – это в точности тот путь, который соответствует условию наименьшего времени прохождения и который описывается законом Снеллиуса. Анархия – мать оптики.

Здесь я должен вставить важное замечание. Уничтожение волн на соседних с данной волной путях тем более эффективно, чем короче длина волны или чем выше частота излучения. Когда длина волны очень мала, даже крохотные отклонения путей друг от друга дают очень разные относительные положения гребней и провалов, и взаимное уничтожение волн оказывается практически полным. Зато когда волны имеют большую длину, ситуация смягчается – тогда даже довольно серьезные отклонения путей друг от друга не обязательно приводят к взаимному гашению волн. В геометрической оптике, о которой я говорил, световые волны считаются настолько короткими, что даже бесконечно малые различия между путями оказываются роковыми. В результате получается, что свет способен распространяться только вдоль участков геометрически точных прямых. На практике длины световых волн не бесконечно малы, и геометрическая оптика оказывается неидеальным приближением. Те малые отклонения от прямых линий, которые в результате приходится разрешить, наблюдаются в виде аберраций линз и в виде других оптических явлений. Длины радиоволн достигают нескольких метров, а то и больше, поэтому для этих волн геометрическая оптика – плохое приближение. Даже большие объекты не могут преграждать путь таким волнам. Радиоволнам стены не помеха.

Хотя звуковые волны не являются электромагнитными (это волнообразное распространение перепадов давления), они следуют тем же правилам распространения, что и свет. Однако здесь типичные длины волн порядка метров (длина волны «до» первой октавы 1,3 метра). Поэтому «геометрическая акустика» была бы очень плохим приближением в мире, заполненном объектами размером с человека. Вот почему и для звуков стены – не преграда.

* * *

Вы можете с полным правом возразить: закон, который я выбрал, чтобы продемонстрировать, как анархия ограничивает сама себя, достаточно тривиальный – какой-то детский «внезакон». Однако дальше в этой главе вы увидите, что дело обстоит ровно наоборот – у этого закона невероятно богатое содержание. В нашем обсуждении распространения света на деле заключен гораздо более глубокий смысл, чем кажется на первый взгляд. Та же самая анархия, которая самим отсутствием каких-либо ограничений сковывает свет по рукам и ногам, подобным же образом сковывает и всю материю. Эта идея объясняет квантовую механику, а если распространить ее дальше, то и механику классическую.

Ключевая концепция, которая мне нужна, чтобы сделать этот переход, заключается в том, что частицы похожи на волны. И тут мне придется погрузить вас в самую суть еще одной из великих научных революций, которые поставили на место здравого смысла нечто такое, что во многих отношениях оказывается гораздо проще него, – хоть и может выглядеть на первый взгляд шокирующе непохожим на правду. Как я уже отмечал в главе 1, классическая физика аккуратно разделяла частицы и волны, рассуждая о тех и о других по-разному. Их природа и характеристики выглядели совершенно непохожими. Частицы были точечными сущностями, строго локализованными в пространстве; волны – вечно колеблющимися и растягивающимися в пространстве чуть ли не до бесконечности. Можно ли представить себе что-то более различное? И кто мог бы их спутать?

Природа. Сначала до ученых дошло, что некоторые эксперименты с легчайшими из известных на тот момент частиц, электронами, показали, что те ведут себя так, как будто они волны. Я уже рассказывал о воображаемом завтраке Джей-Джей Томсона и его сына Джорджа, который проходит в ледяном молчании. Джей-Джей абсолютно неопровержимо доказал, что электрон, открытый им в 1897 году, – это частица с определенными массой и зарядом. Но его сын тоже не сидел сложа руки и в 1927 году точно так же убедительно показал, что электрон – волна. Примерно в то же время к тому же выводу пришли Клинтон Дэвисон (1881–1958) и Лестер Джермер (1896–1951), которые установили, что электроны демонстрируют точно такую же картину дифракции волн, что и свет[20].

Были и другие несообразности, вызывающие беспокойство. Все знали, что свет – это волна (в настоящей главе я уже воспользовался этим представлением), и это подтверждалось множеством опытов на протяжении десятилетий. Но тут появились двое вредных надоедал. Первым был немецко-швейцарско-австрийско-американский патентный клерк Альберт Эйнштейн. В 1905 году он показал, что физический эффект, заключавшийся в испускании электронов металлом, который облучают ультрафиолетовым светом (я говорю о так называемом фотоэлектрическом эффектe) легко объяснить, если считать световые лучи потоком частиц. (Это объяснение в 1921 году принесло Эйнштейну Нобелевскую премию; теория относительности, гораздо более интеллектуально мощное и далеко идущее его достижение, в то время еще выглядела слишком подозрительной.) Со временем эти частицы света стали называть фотонами. Другим надоедой был американский физик Артур Комптон (1892–1962). Он в 1922 году доказал, что для того, чтобы объяснить, как свет отскакивает от электронов, его необходимо рассматривать как поток фотонов, которые ведут себя как микроскопические пули. (В 1927 году Комптон тоже получил Нобелевскую премию.) Физика оказалась в затруднительном положении: то, что было частицами, вело себя как волны, а волны, наоборот, успешно притворялись частицами. И никто не мог понять – что, черт побери, происходит?

Именно из осознания двойственной природы электрона и фотона, а позже – всего вещества и излучения, и возникла концепция дуализма. Все субъекты физики демонстрировали свойства как частиц, так и волн, в зависимости от того, какого рода эксперименты с ними проводились. Дуализм стал одной из основ квантовой механики, которая была делом рук (точнее, конечно, мозга) Вернера Гейзенберга, в то время отрезанного от остального мира на уединенном острове, Эрвина Шредингера, уединившегося в горах с женщиной, и Поля Дирака (1902–1984), вообще всегда жившего в своем собственном мире. Все трое, каждый по-своему, пришли к идеям квантовой механики в 1925–1927 годах. Квантовая механика и ее причудливые ответвления, такие как квантовая электродинамика, обеспечивали количественные предсказания экспериментов с невероятной точностью. Они были подвергнуты исчерпывающим проверкам до…надцатых десятичных знаков и ни разу не обнаружили каких-либо отклонений от реальности. Другими словами, квантовая механика, основанная на концепции дуализма, вполне могла оказаться верной.

Теперь, когда мы установили эту отправную точку и осознали дуализм вещества и излучения, пришло время взглянуть, как эта концепция открывает дорогу пониманию природы законов, которые управляют движением частиц. Коль скоро частицы ведут себя как волны, вы уже можете предположить, какой ответ мы должны дать на вопрос о правилах для них: правил не существует. Волны распространяются между