Затем всего за пару лет, с 1925 по 1927 годы, было раскрыто множество секретов атомов. Современная история не знала случаев, чтобы прорывы такого масштаба были совершены за столь краткий промежуток 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 электроны 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 австрийский физик Эрвин Шрёдингер предложил уравнение (знаменитое уравнение Шрёдингера), которое в точности описывало движение волны, сопровождающей электрон. Эта волна, обозначаемая греческой буквой с ошеломительной точностью прогнозировала поведение атомов, что стало первой искрой, от которой вспыхнул пожар революции в физике. Внезапно, основываясь на самом элементарном 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 физики скоро сведут всю химию к простой инженерии. Он заявил: «Основополагающие физические законы, составляющие математическую базу большей части физики и всей химической науки, уже известны. Единственная трудность состоит в том, что применение этих законов приводит к получению слишком сложных и не поддающихся решению уравнений». Как ни была внушительна эта |/-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 электрона 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 атомная физика могла быть сведена к волнам вероятности нахождения электрона «там» или «тут» и если электрон, по-видимому, мог находиться 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 находится 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 космос, а это значит, что существует малая вероятность того, что человек окажется на Луне. (По сути, волновая функция человека распространяется по всей Вселенной.)
Это также означает, что волновая функция дерева может сообщить вам информацию о вероятности того, стоит ли оно или падает, но она не может определенно ответить вам на вопрос, в каком же состоянии 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 одновременно.
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 волшебным образом «коллапсирует» и электрон впадает в определенное состояние — то есть, посмотрев на дерево, мы видим, что оно действительно 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 находится в определенном состоянии и больше нет нужды в волновых функциях.
Итак, постулаты копенгагенской школы Бора можно суммировать 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 вероятность 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 состоянии 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 реальную определенность. Волновая функция служит своей цели: она дает нам точную вероятность обнаружения данного объекта в конкретном состоянии.
Детерминизм или неопределенность?Квантовая теория является самой успешной физической теорией всех времен. Совершенной формулировкой квантовой теории является Стандартная модель, в которой представлены плоды десятилетий экспериментов с ускорителями частиц. Некоторые части этой теории были проверены с точностью до миллиардных долей. Если включить сюда массу нейтрино, то Стандартная модель соответствует всем экспериментам с субатомными частицами без исключения.
Но независимо от того, насколько успешна квантовая теория, экспериментально она основана на постулатах, вызвавших целую бурю философских и теологических споров на протяжении последних 80 лет. В частности, второй постулат вызвал гнев церкви, поскольку в нем содержится вопрос о том, кто решает наши судьбы. На протяжении веков философов, теологов и ученых волновало будущее, а также вопрос, возможно ли каким-либо образом узнать об ожидающих нас судьбах. В шекспировском «Макбете» Банко, отчаявшись приподнять завесу, скрывающую будущее, произносит памятные строки:
Когда ваш взор, в посев времен проникнув,Грядущих всходов зерна различит.Скажите мне!(Акт 1, Сцена 3)
Шекспир написал эти слова в 1606 году. 80 лет спустя еще один англичанин, Исаак Ньютон, имел дерзость заявить, что ему известен ответ на этот древний вопрос. И Ньютон, и Эйнштейн верили в концепцию, называемую детерминизмом, которая утверждает, что все грядущие события могут быть определены в принципе. С точки зрения Ньютона, Вселенная представляла собой гигантские часы, которые Бог завел в начале времен. С тех пор они тикают, подчиняясь трем законам механики самым предсказуемым образом. Французский математик Пьер Симон де Лаплас, который был ученым советником Наполеона, писал, что, используя законы Ньютона, можно предсказать будущее с той же точностью, с которой мы рассматриваем наше прошлое. Он написал, что если бы существо могло знать положение и скорость всех частиц во Вселенной, то «для такого интеллекта ничто не было бы неопределенным и будущее, как и наше прошлое, предстало бы перед нашими глазами». Когда Лаплас подарил Наполеону экземпляр своего шедевра, «Небесной механики», император заметил: «Вы написали эту огромную работу о небесах и ни разу не упомянули Бога». Лаплас отвечал: «Сир, у меня не было нужды в этой гипотезе».
Для Ньютона и Эйнштейна понятие свободной воли, того, что мы хозяева собственной судьбы, было лишь иллюзией. Это банальное понятие реальности, где конкретные объекты, до которых мы можем дотронуться, реальны и существуют в определенных состояниях, Эйнштейн назвал «объективной реальностью». Он в высшей степени ясно изложил свою позицию в нижеследующем отрывке:
Я детерминист, вынужденный действовать таким образом, будто свободная воля существует, поскольку если я хочу жить в цивилизованном обществе, то мне необходимо действовать соответственно. Я знаю, что с философской точки зрения на убийце не лежит ответственность за его преступления, но я бы не стал распивать с ним чай. Мою карьеру определили различные силы, над которыми я не властен, в первую очередь те загадочные железы, в которых природа готовит самую сущность жизни. Генри Форд может назвать это своим Внутренним Голосом, Сократ определил это как своего демона: каждый человек по-своему объясняет тот факт, что человеческая воля не свободна… Все определено… силами, над которыми мы не властны… в равной степени для насекомого и для звезды. Человеческие существа, овощи или космическая пыль — все мы танцуем под загадочное время, модулируемое где-то невидимым исполнителем.
