banner Комфортабельное квантовое путешествие

Представьте себе, что на улице провинциального города, известного своими авиационными традициями (например, Самары), иностранец спрашивает прохожего на ломаном русском:

– Я хотеть подняться в небо.

– О, это замечательно, сэр! — радуется местный житель, который как раз является одним из главных энтузиастов здешнего аэроклуба. — Наш город исторически крепко связан с освоением небесных просторов. Я могу прямо сейчас отвезти вас на аэродром, где можно прокатиться на планере или двухместном самолете. Там есть даже списанный, но действующий реактивный истребитель.

– Да он, наверно, просто аэропорт ищет, — разочаровывает энтузиаста другой случайный прохожий.

Патриоту-авиатору ничего не остается, как объяснить иностранцу на каком городском транспорте можно добраться до аэропорта, где можно сесть в самый обычный пассажирский самолет, пристегнуться по напоминанию стюардессы ремнем, съесть нехитрый ланч с рыбой или курицей, подремать пару часов в не слишком просторном, но привычном кресле, после чего прибыть в пункт назначения точно по расписанию.

Что-то подобное в наши дни происходит с квантовой физикой. Времена, когда она казалась чем-то романтическим и даже мистическим, как-то неожиданно закончились. Те, чьё школьное детство пришлось на конец 1970-х — начало 1980-х годов (в том числе я), помнят ореол обожания, который окружал тогда эту отрасль науки. В то время казалось, что это какое-то элитное направление, к которому могут причаститься лишь самые умные. Если не чувствуешь в себе сил одолеть квантовые премудрости, придется ограничиться изучением «простой», «классической» физики. В дни, когда я пишу этот текст (апрель 2026 г.), всё уже совсем не так. Квантовые законы «тикают» почти в каждом бытовом приборе, не говоря о компьютерах и смартфонах. Наверно, проще назвать отрасли, куда практическое применение квантовой механики еще не добралось. Люди далекие от физики интересуются миром элементарных частиц уже не как экзотикой, а как чем-то, что стыдно не знать.

Вернемся к аналогии с авиацией. Есть несколько способов «подняться в небо»:

  1. на собственноручно изготовленном аэроплане, для чего придется сначала много лет изучать аэродинамику, инженерное дело и прочие сложные науки, а также организовать дорогостоящую мастерскую;
  2. купив экзотический тур, например, в Капподокию, где летают на воздушных шарах; «порулить» не получится, зато от путешествия останутся незабываемые впечатления, которыми можно похвастаться перед менее расторопными родственниками и знакомыми;
  3. купить билет на обычный самолет и без лишних приключений переместиться из пункта А в пункт Б

Применительно к изучению квантовой физики это значит:

  1. одолеть 9 томов «Фейнмановских лекций по физике», да не просто «пробежать глазами», а запомнить все формулы, решить все прилагающиеся задачи, восполняя на ходу пробелы в математических знаниях; такое поприще рассчитано на специалистов и… героев;
  2. прочитать несколько научно-популярных книг, в которых без серьезных теоретических выкладок приводятся основные положения современной физики (см., напр., Семихатов А. М. «Сто лет недосказанности». М., 2024); это путь честолюбцев, стремящихся «отличаться от других»;
  3. прочитать статью в энциклопедии — вот выбор «простого человека», который внезапно понял, что обладание знаниями по квантовой физике перестало быть делом вкуса, таким, как коллекционирование почтовых марок или разведение аквариумных рыбок; он просто не хочет больше оставаться невеждой.

Нижеследующий текст рассчитан на третью из перечисленных групп. Каждый, конечно, и сам может почитать Википедию, но ее авторы обязаны придерживаться при написании довольно строгих правил, поэтому тексты там живостью изложения не отличаются. Кто-то должен рассказать «простым смертным» вроде меня об азах квантовой физики так же кратко, обыденно и доходчиво, как стюардесса в самолете объясняет правила пользования спасательным жилетом. Я решил самостоятельно решить эту задачу и в случае успеха поделиться со всеми подобными страждущими.

Вспомнив всё, что знал по этой теме, посмотрев много видеороликов на Youtube, прочитав несколько научно-популярных текстов, побеседовав с искусственным интеллектом, я пришел к выводу, что исторический подход к усвоению идей квантовой физики — самый эффективный. Добытые при подготовке этого текста знания я свел в схему, на которой слева в хронологическом порядке приведен список физиков, который можно обозначить как must have, «стыдно не знать» и даже «джентльменский набор». Многие из них присутствуют на фото, размещенном вверху, но не всех ученых, которые там запечатлены, стоит запоминать обычному человеку. С другой стороны, не все, представленные на моей схеме, есть на фото. Для начала важно уяснить, что квантовая физика, в отличие от классической, созданной преимущественно «героями-одиночками», рождалась в сотрудничестве плюс-минус вот этих людей, хорошо знавших друг друга.

Схема интерактивна. При наведении мышкой на кружочек слева от той или иной фамилии появляется всплывающая подсказка о том, что этот человек сделал для квантовой физики. Кликнув на переключатель «показать / скрыть подробности», можно увидеть больше фамилий, событий и связей, но не делайте этого раньше времени, чтобы в очередной раз не растеряться от обилия информации.

Справа оранжевыми надписями и цветными дугами представлен «философский аспект» квантовой физики. Это как раз то, что мешает многим разобраться в ней. Люди приступают к изучению мира элементарных частиц не с начала (скажем, с опытов Томсона и Резерфорда, с изучения Эйнштейном фотоэффекта), а с конца, пытаясь ухватить суть Теории струн, концепции мультивселенных, дополнительных измерений и прочей экзотики. Это всё равно, что варить суп из одного только лаврового листа, который в кулинарии, вообще-то, приветствуется, но мясо и картошку не заменит. Я решил добавить эти оранжевые надписи на схему только потому, что философы тоже повлияли на зарождение квантовой теории, а в наши дни, напротив, её интерпретации возрождают давние философские традиции, наполняя их новым смыслом, стимулируя дальнейшие исследования. Например, в вышеупомянутой Теории струн физика окончательно превращается в чистую философию и математическую поэзию. Отказавшись от попыток что-то измерить здесь и сейчас, учёные решили сконструировать мир заново — из вибрирующих струн и скрытых измерений, которые мы никогда не увидим, но в которые очень хочется верить. Это уже на грани религии. В общем, на всём этом лучше не заморачиваться раньше времени. А вот левую колонку следует, по моему мнению, основательно зазубрить каждому, кто хочет ориентироваться в мэйнстриме квантовой физики.

Итак, начну свою экскурсию по «ленте времени» сверху вниз, причем с практической части, чтобы не напугать неподготовленного читателя теоретическими сложностями. Первый, о ком в этом смысле следует упомянуть — Дж. Дж. Томсон, в огромном научном наследии которого для нас интересны:

Кто-то, возможно, еще помнит громоздкие компьютерные мониторы 1990-х, в которых изображение «рисовалось» разогнанными пучками электронов. Подобные устройства умели делать уже в конце XIX в. Обстреливая вещество из таких «пушек» (катодных трубок), Томсон установил, что атом — вовсе не монолит. В нем скрыты крошечные отрицательно заряженные частицы — электроны. Чтобы атом оставался электрически нейтральным, Томсон предположил, что электроны в атомах распределены мелкими включениями, как «изюм» в круглой, положительно заряженной «булочке» (англоязычные ученые предпочитают называть эту модель «пудинг с изюмом»). Это представление, оказавшееся в конце концов неверным, позволило, тем не менее, перейти к уточняющим исследованиям.

Следующий шаг в экспериментах по выявлению структуры атома сделал Э. Резерфорд. Он тоже бомбардировал вещество из «пушки», стреляющей элементарными частицами, но в качестве «пуль» выбрал не электроны, а положительно-заряженные альфа-частицы, испускаемые радиоактивными металлами. Мишенью стал сверхтонкий лист золота. Такой материал — сусальное, т. е. раскатанное в тончайшую пленку золото — не экзотика. Его используют для украшения бытовых предметов с давних времен. Есть даже «съедобные» варианты такой фольги. Вот Резерфорд и взял для своего эксперимента что-то подобное. Ведь атомы золота, как свидетельствовала давно открытая к тому времени таблица Менделеева, довольно крупные, в них проще попасть из радиоактивной «пушки», причем о природе своих «пуль» Резерфорд не слишком сильно задумывался. А. М. Семихатов так описывает обстоятельства эксперимента:

Сейчас мы хорошо знаем, что производятся они ⟨альфа-частицы⟩ благодаря непростому механизму, который включает в себя то, что Резерфорду только предстояло открыть, но Резерфорд и не думал загонять себя в логический круг, пытаясь объяснить еще и происхождение альфа-частиц. Он просто воспользовался эмпирически накопленными данными о радиоактивности, т. е. о вылетании, среди прочего, заряженных частиц из атомов, и взял в качестве источника альфа-частиц атомы радия.

Такие человечные нюансы очень важны для понимания квантовой физики. Они позволяют преодолеть вредный образ напыщенного мудреца, вооруженного необъятным интеллектом и несокрушимым авторитетом. Интеллекта физикам рубежа XIX и XX вв. было, конечно, не занимать, но иногда они были больше похожи на прапорщика из анекдота: «Что тут думать? Тут трясти надо!» Упорство и удача были в те времена столь же неизменными спутниками исследователей, как и твердые теоретические знания.

В результате опытов Резерфорда на смену «булке с изюмом» в 1911 г. пришла планетарная модель атома. Некоторые альфа-частицы отскакивали от мишени не просто в рассыпную, а практически назад, в сторону пушки — словно вы выстрелили в лист бумаги, а пуля срикошетила вам в лоб. Значит, электроны не просто рассыпаны в мягком «тесте», а летают вокруг компактных и сверхплотных центров — ядер, в которых сосредоточен весь положительный заряд и почти вся масса атома.

Современникам, узнавшим об этом открытии, не могла не прийти на ум аналогия с Солнечной системой. Например, русский поэт-символист Валерий Брюсов писал:

Быть может, эти электроны —
Миры, где пять материков,
Искусства, знанья, войны, троны
И память сорока веков!
Еще, быть может, каждый атом —
Вселенная, где сто планет;
Там всё, что здесь, в объеме сжатом,
Но также то, чего здесь нет.

К сожалению или к счастью, никаких населенных микрочеловечками планеток-электронов, вращающихся вокруг солнышек-ядрышек в атомах не оказалось. Эту иллюзию в 1913 г. начал разрушать Нильс Бор, оттолкнувшись от выдвинутой еще в 1900 г. идеи Макса Планка о том, что в мире элементарных частиц все процессы происходят не плавно, а строго ступенчато, в соответствии с определенными энергетическими порциями — квантами.

Бору не давала покоя проблема нарушения закона сохранения энергии в атомах. Ведь вращаясь, электроны излучают электромагнитные волны, тратят энергию, а значит, очень быстро должны бы «упасть» на свои ядра, однако этого почему-то не происходит. Пришлось превращать это «нарушение» в физический закон: не атомы ведут себя аномально с точки зрения ньютоновской механики, а наоборот, более крупные структуры «макромира» нужно описывать с учетом вновь обнаруженных правил.

Обратите внимание на даты. Планк выдвинул идею в 1900 г., Бор применил ее к устройству открытого Резерфордом «планетарного» атома в 1913-м, а Валерию Брюсову всё еще было удобнее представлять себе атом в виде Солнечной системы даже в 1922-м! Это говорит о не о том, что этот поэт был глупым, а о том, насколько медленно распространялись в то время идеи в среде интеллектуальной элиты и насколько непривычны они были*.

*   Поэту простительно, а вот некто Вл. Ильинъ (Ленин), взявшийся писать в 1908 г. книгу «Материализм и эмпириокритицизм», мог бы и получше ознакомиться с состоянием современной ему физики, раз уж взялся в своем «главном философском труде» поучать заслуженных физиков.

Людям так не хотелось расставаться с привычкой представлять себе элементарные частицы в виде малюсеньких шариков, что попытки наделить электроны свойствами частицы стали предприниматься почти сразу же. В 1924 г. Луи де Бройль сформулировал концепцию корпускулярно-волнового дуализма, мол, электроны и прочие объекты квантового мира представляют собой одновременно и частицу, и волну. От этой идеи не смогли полностью отказаться даже в 1950-х, когда вполне солидный физик Дэвид Бом в очередной раз попытался вернуть в науку корпускулярно-волновой дуализм. Он снова захотел сделать мир детерминированным (предсказуемым) и стремился доказать, что у каждой частицы есть четкая траектория, просто она «спрятана», представлена некой «волной-пилотом».

В наши дни так уже почти никто не думает. Волна-частица осталась лишь в школьном преподавании как «костыль», с помощью которого учителям, часто самим не понимающим в чем дело, удобнее объяснять материал о квантовых эффектах. Не пора ли избавиться от этой методики и следовать совету Ричарда Фейнмана, который строго-настрого завещал всем заинтересованным лицам представлять себе квантовые объекты как какие-либо обыденные предметы? Элементарная частица — не шарик, не облачко, не волна, не частица. Её невозможно визуализировать, не теряя при этом чего-то важного, без чего квантовая теория не будет работать как надо. Попытки сравнения квантового объекта с чем-либо из макромира напоминают прапорщика из ещё одного советского анекдота, который утверждал, что вообще-то крокодилы летают, но «тихЭнько-тихЭнько, низЭнько-низЭнько». Крокодилы не летают. Электрон не шарик. Точка.

Итак, Н. Бор, не проводя никаких опытов, чисто теоретически, опираясь на результаты работ своих предшественников пришел к выводу, что мир элементарных частиц устроен не так, как привычный нам «большой», «ньютоновский» мир. По его расчетам получалось, что электроны могут находиться в атоме не на произвольных «орбитах», а на строго определенных, ступенчатых энергетических уровнях.

Здесь самое время упомянуть многогранного А. Эйнштейна, который тоже интересовался микромиром и пришел к аналогичным выводам о его квантовой природе. В 1905 г., когда он исследовал фотоэффект, выяснилось, что даже ослепительно яркий прожектор не выбьет из металла ни одного электрона, если свет «не того цвета». Но стоит посветить тусклым, но правильно подобранным ультрафиолетом — и электроны охотно посыплются в открытое пространство. Дело не в суммарной силе, а в энергии каждого отдельного фотона.

В те времена, чтобы развеять все сомнения, любям очень хотелось рассмотреть атомы в какой-нибудь мощный микроскоп. Это оказалось невозможным: длина любой световой волны намного больше, чем диаметр даже самого крупного атома, т. е. свету в микромире просто не от чего отражаться. Поэтому в 1920-е годы вся тяжесть работы по накоплению знаний об устройстве элементарных частиц, перелегла с плеч экспериментаторов на плечи теоретиков. Метод прапорщика («Трясти надо!») уже не подходил, тут действительно надо было много думать.

Теоретические исследования продолжались до середины десятилетия, пока Э. Шрёдингер и В. Гейзенберг не придумали, как можно математически описать все эти невообразимые (в прямом смысле слова) «волны-частицы».

Отправившись на рубеже 1925 и 1926 г. в какой-то санаторий лечить астму, Э. Шрёдингер составил там свое знаменитое волновое уравнение, на котором до сих пор базируется квантовая механика. Это, а не мысленный эксперимент с запертым в коробке несчастным котом, является его основной научной заслугой. Правда, волновое уравнение сразу раскритиковал его коллега Гейзенберг, который придумал свои матрицы на полгода раньше, сбежав по иронии судьбы на пустынный остров Гельголанд от жуткой сенной лихорадки (аллергии на пыльцу). Физики-аксакалы шутят, что квантовая механика буквально «вычихана» этими двумя одновременно заболевшими теоретиками. Если же говорить серьезно, Гейзенберг считал, что раз мы не видим электрон, то и рисовать «волны» не имеем права — нужно просто заполнять данными специальные таблицы. Шрёдингер же доказал, что его уравнение и таблицы Гейзенберга — это одно и то же, просто на разных математических языках. Финальную точку в этом споре поставил М. Борн (не путать с Н. Бором). Он объяснил: уравнение Шрёдингера описывает не «размазанный в пространстве» электрон, а волну вероятности. Она показывает лишь шансы найти частицу в конкретном месте, если мы решим туда заглянуть.

Дело осложнялось тем, что в первой четверти XX в. всё большее влияние приобретала другая «модная» ветвь фундаментальной физики — Теория относительности. Она развивалась, по большому счету, независимо от квантовой механики и тоже требовала пересмотра представлений, выработанных «классической» наукой. Физикам хотелось объединить эти две отрасли, чтобы описать поведение элементарных частиц более полно, но при попытках сделать это возникали непреодолимые теоретические проблемы. Решить задачу смог Поль Дирак. Он предложил нечто такое, что не укладывалось в головах даже видавших виды теоретиков. Для объяснения своей картины мира Дираку понадобились… античастицы. То есть у электрона с отрицательным зарядом предполагался положительно-заряженный «близнец». Это решение привело Дирака к представлению о всемирном суперплотном «супе» из электронов, в котором изредка встречаются плавающие в нем положительно заряженные «дырки». Через многие годы его идеи, несмотря на кажущуюся абсурдность, подтвердились. Вышеупомянутый «брат» электрона — позитрон — был обнаружен в 1932 г. в космических лучах, превратив Дирака из «математического баламута» в пророка, а идея о «дырках» привела к изобретению полупроводниковых транзисторов, на которых базируется вся современная электроника.

1930-е годы стали для квантовой физики кризисными. Слишком много накопилось необычных идей, которые ученым предстояло осмыслить, прежде чем двигаться дальше. Зато в это десятилетие прозвучали самые запоминающиеся и известные широкой публике парадоксы. Эйнштейн изрёк свое знаменитое «Бог не играет в кости», а Шрёдингер придумал эксперимент с котом в коробке, который любят вспоминать всякий раз, когда речь заходит о необычности мира элементарных частиц. Эти курьезы помогают понять квантовую физику, но она легко могла бы обойтись и без них, так что не стоит обращать на всё это слишком серьезного внимания в ущерб пониманию более важных вещей.

Политическая нестабильность 1930-х и 1940-х годов не способствовала развитию квантовой теории. С другой стороны, создание атомной бомбы подхлестнуло её экспериментальное направление. Пока Эйнштейн и Бор вели бесконечные споры о том, «реальна ли Луна, когда на нее не смотрят», а сердобольные обыватели обвиняли Шрёдингера в жестоком обращении с животными, их коллеги в пустыне Лос-Аламоса доказали, что реальность атома более чем осязаема. Манхэттенский проект, приведший к взрывам над Хиросимой и Нагасаки, закончил эпоху «физики в мелу» и начал эпоху «физики в бетоне». Технические и исторические подробности создания американской атомной бомбы подробно и доходчиво изложил в серии видео Марк Солонин.

Как бы то ни было, следующий этап развития теории начинается лишь в 1948 г. с выходом на сцену Ричарда Фейнмана, который привнес в «копилку» фундаментальной физики две мощные идеи:

*   Здесь следует отметить некоторую несправедливость. Фейнману в момент открытия квантовой электродинамики было всего 30 лет. Можно было бы подумать, что именно это стало причиной того, почему его великолепная теория была отмечена Нобелевской премией с большим запозданием, лишь в 1965 году, но 30 лет в мире квантовых исследований — это почти «пенсия». Гейзенберг придумал матрицы в 24, Дирак предсказал позитрон в 26. Запоздание премии было связано скорее с тем, что КЭД была слишком сложной. Научному сообществу потребовалось 15 лет, чтобы убедиться: расчеты Фейнмана действительно совпадают с реальностью до 10-го знака после запятой.

Квантовая электродинамика — теория-рекордсмен. Она с невероятной точностью объясняет всё, что мы видим вокруг: от того, почему зеркало отражает свет, до того, почему твердые предметы не проваливаются друг сквозь друга. Фактически, это полная инструкция по эксплуатации света и электричества. Но она была бы неполна без знаменитых «схем-стрелочек», которые позволили Фейнману и его коллегам облегчить восприятие мира элементарных частиц. Да, выше было сказано, что было бы ошибкой представлять себе электрон в виде шарика, но поведение его и других подобных обитателей микромира изображать ничто не запрещает. «Схемы-стрелочки» подходят для этого как нельзя лучше хотя бы потому, что их всего три вида:

Комбинирование таких стрелок позволяет легко и наглядно описывать сложные квантовые явления. Фейнман фактически разрешил физикам рисовать вместо того, чтобы считать. Пока другие мучились с путаными уравнениями, он просто соединял линии и получал самые точные ответы в истории науки. Коллеги и современники Фейнмана — Швингер и Томонаги — пришли к идеям, аналогичным КЭД, одновременно с ним, но применили при этом столь пугающие формулы, что ни о какой популяризации их взглядов не могло быть и речи, тогда как Фейнман, напротив, всегда стремился к тому, чтобы сделать физику понятной для как можно более широкого круга людей.

Следующее открытие Фейнмана тоже поначалу выглядело как какое-то шаманство. Он заметил, что при математических вычислениях выявляется очень много «мусора», т. е. бесконечностей, решений, которые никогда не проявятся в реальности. Физики очень не любят такие ситуации, но игнорировать их «не имеют права», что повышает трудоемкость расчетов. Тогда Фейнман просто предложил переместить «начало координат» как в случае с высотой горы: можно считать её от подножия, а можно от уровня моря. Такой подход назвали калибровкой, а чтобы математика окончательно «сошлась», Фейнману пришлось ввести в расчеты ещё и «духов» (ghosts) — математические частицы-призраки, которые существуют только на бумаге, чтобы «съесть» лишние ошибки и исчезнуть в финальном ответе. Это выглядело как некое жульничество, но оказалось фундаментальным правилом игры: природа сама выбирает только те взаимодействия, которые не зависят от нашей точки отсчета. Если вы меняете «точку отсчета» в одном месте (например, фазу электрона), поле (фотон) обязано «подстроиться», чтобы физический результат остался прежним. Это трудно понять без подготовки, но рассказ о заслугах Фейнмана лишний раз демонстрирует, что квантовая физика — область дерзаний и нестандартного мышления, приводящего к ценнейшим практическим результатам.

На этом я заканчиваю свой «краткий курс», поскольку продолжение текста превратило бы его в очередное научно-популярное произведение, которое невозможно прочитать от начала до конца за один присест. Возможно, я вернусь к работе над этим текстом спустя некоторое время, когда сам буду поувереннее ориентироваться в материале, но изначальной задачей было поделиться с читателями азами квантовой физики, которые мне самому удалось худо-бедно усвоить. Тот, кто добрался до Фейнмана (только по-честному, с пониманием всех предыдущих событий), сможет самостоятельно продолжить изучение темы, углубившись в освоение «второго эшелона» — открытий не менее впечатляющих и важных, просто временно скрытых здесь с всё той же целью — не отвлекаться от основ.

Для того, чтобы увидеть более полный список достижений квантовой физики, следует переключить галочку «показать / скрыть подробности» над схемой. Так здесь реализован переход от уровня «не хочу оставаться невеждой» к уровню «хочу уверенно щеголять знаниями». Можно спорить о том, какие фамилии и события более достойны быть включенными в «первый эшелон», какие во «второй», это дело вкуса. Главное — заложить познавательный «фундамент». Теперь, когда вы знаете правила игры, установленные Планком, Бором и Фейнманом, квантовый мир перестает быть территорией слепого страха перед формулами. Пусть наиболее любознательные сами выбирают путь.