В 1799 году Джозеф Бэнкс, президент Королевского общества в Лондоне, основал новое учреждение, Королевский институт Великобритании, имевший целью внедрение «полезных механических изобретений и усовершенствований», а также «чтение [широкой публике] курсов философских наук и экспериментов». С тех самых пор институт организует открытые лекции и мероприятия, в том числе Пятничные вечерние дискуссии в лекционном театре Фарадея, которые являются неотъемлемой частью его программы со времени их учреждения самим Майклом Фарадеем в 1826 году. Я имел честь читать две такие лекции, на последней, в 2013 году, я рассказывал как раз о квантовой механике.
Квантовую механику совершенно справедливо считают самой увлекательной и одновременно самой запутанной и непонятной научной теорией, порожденной человеческим разумом. На лекции в Королевском институте я обсуждал знаменитый «эксперимент с двумя щелями», который американский физик Ричард Фейнман назвал «главной тайной квантовой механики». Я описал, насколько поразительны оказались результаты этого эксперимента: субатомные частицы, которые одна за другой направляли на экран с двумя узкими щелями, вели себя так, как будто каждая проходила сквозь обе щели одновременно, и на втором экране возникала картина интерференции. Затем я бросил публике вызов: если кто-то может предложить логическое объяснение причин этого явления, им следует связаться со мной, ибо они, безусловно, достойны получения Нобелевской премии.
Я высказал это шутливое предложение, поскольку хорошо знал, что пока никто никогда не мог предложить простое объяснение этого классического эксперимента, несмотря на многолетние споры и хитроумные опыты, которые заставили физиков признать, что у этого явления нет простого, логического объяснения. Материя в квантовом мире ведет себя таким образом, и нам остается только это принять. Кроме того, когда я бросил аудитории этот вызов, я считал, что обращаюсь только к той паре сотен человек, которые сидели в зале в тот пятничный вечер. Однако Королевский институт публикует большую часть своих образовательных материалов в интернете, что произошло и с моей лекцией. С тех пор я получил уже сотни писем от ученых-самоучек со всего мира, где они утверждают, что раскрыли эту тайну, а физики до них просто забыли учесть тот или иной аспект или механизм.
Раньше я им отвечал, но, признаюсь, бросил это дело. Так что позвольте мне здесь загладить свою вину перед теми, кто продолжает биться над тайнами квантовой механики, и описать некоторые важнейшие ее особенности, не поддающиеся интуитивному пониманию. В этой главе мы бегло рассмотрим то, что этот второй столп современной физики говорит нам о микрокосме. Поскольку моя научная деятельность, которой пошел уже четвертый десяток лет, связана с изучением квантовой механики и ее применением сначала в ядерной физике, а затем в молекулярной биологии, вас не должно удивить, что я считаю ее самой мощной и важной теорией в науке вообще. В конце концов, именно на ее основе в большой степени строятся современные физика и химия, и она произвела революцию в нашем понимании того, как из мельчайших строительных блоков создается весь наш мир.
Азбука квантовой механики
К концу XIX века статус физики, как тогда казалось, окончательно определился. Уже были открыты механика Ньютона, электромагнетизм и термодинамика (о которой я расскажу в главе 6), и стало ясно, что все эти три области в совокупности прекрасно объясняют движение и поведение предметов обычного размера и практически все явления, которые мы наблюдаем вокруг, от пушечного ядра до часов, от грозы до паровоза, от магнита до мотора, от маятника до планет. Изучением всех этих объектов в совокупности занимается так называемая классическая физика, и это то, что нам в основном до сих пор преподают в школе. Однако классическая физика, как бы она ни была хороша, не дает нам полной картины. Когда ученые обратили внимание на микроскопические составляющие материи, атомы и молекулы, они открыли новые явления, которые не удавалось объяснить с помощью известной им физики. Казалось, что законы и уравнения, которыми они привыкли пользоваться, больше не работают. Физике предстояло испытать тектонический сдвиг.
