Исполинский ум: Джон Уилер

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.