Если физики изобретут фундаментальную теорию, она подскажет, какие явления природы представляют собой ее непосредственные следствия (как симметричная форма снежинок обусловлена структурой молекул воды), а какие – результат стечения обстоятельств (как отличительные особенности снежинок).
Наша Вселенная может оказаться всего лишь случайностью и относиться к необычной подгруппе, в которой космические силы по счастливой случайности способствовали усложнению и, в конечном счете, возникновению сознания. Кажущаяся ее продуманность или тонкая настройка перестанут быть загадкой. Вероятно, к концу этого столетия мы сможем с уверенностью сказать, живем ли мы во множественной Вселенной и какую степень разнообразия проявляют составляющие ее миры. Ответ на этот вопрос, я думаю, достоверно покажет, в какой степени «дружественна» по отношению к нам Вселенная, в которой мы живем (и делим с инопланетными созданиями, которых можем однажды повстречать).
Возможно, некоторых физиков разочарует, что какие-то из ключевых явлений, которые они пытаются объяснить, окажутся просто стечением обстоятельств, не более универсальным, чем параметры орбиты Земли вокруг Солнца. Но это разочарование наверняка уйдет, когда станет ясно, что физическая реальность гораздо значительнее и богаче, чем ранее предполагалось.
Фотоны Эйнштейна
Антон Цайлингер
Физик, директор по науке Института квантовой оптики и информации Австрийской академии наук; автор книги Dance of the Photons: From Einstein to Quantum Teleportation («Танцующие фотоны: от Эйнштейна к квантовой телепортации»)
Мое любимое глубокое, элегантное и красивое объяснение – предположение Альберта Эйнштейна, сделанное в 1905 году, о том, что свет состоит из квантов энергии, сегодня называемых фотонами. Мало что известно, и даже физикам, о том, как Эйнштейн пришел к такому выводу. Часто полагают, что он придумал эту концепцию, чтобы объяснить фотоэлектрический эффект. Безусловно, этому посвящена часть публикации Эйнштейна 1905 года, но только финальная часть. Сама по себе идея гораздо глубже, элегантнее – и да, красивее.
Представьте себе закрытый контейнер, стены которого нагреты до высокой температуры. Раскаленные стены испускают и поглощают излучение. По прошествии некоторого времени внутри контейнера установится равновесное распределение излучения. Это было хорошо известно до Эйнштейна. Макс Планк предложил идею квантования, которая объясняла распределение энергии излучения в подобном объеме. Эйнштейн пошел дальше. Он изучил, насколько упорядочено распределение энергии излучения в таком контейнере.
Для физиков энтропия – это мера беспорядка. Австрийский физик Людвиг Больцман показал, что энтропия системы служит мерой вероятности ее состояния. Простым примером могут послужить книги, заметки, фотографии, ручки, карандаши и т. д., которые, скорее всего, разбросаны по поверхности моего рабочего стола, а не образуют аккуратные стопки. Если мы рассмотрим миллионы атомов внутри контейнера, то гораздо вероятнее, что они равномерно распределены по всему контейнеру, а не находятся в одном углу. Первое состояние менее упорядочено, и если атомы займут больший объем, их энтропии еще увеличится.
Эйнштейн понимал, что энтропия излучения (в том числе света) меняется вместе с объемом, который оно занимает, подчиняясь тому же математическому принципу, что и атомы. В обоих случаях энтропия увеличивается как логарифм объема. Для Эйнштейна это не могло быть простым совпадением. Если можно объяснить энтропию газа тем, что он состоит из атомов, значит, излучение тоже состоит из частиц, которые Эйнштейн назвал квантами энергии, или фотонами.
Эйнштейн немедленно, и с успехом, применил эту идею к фотоэффекту. Но он прекрасно понимал фундаментальное противоречие идеи квантов энергии с наблюдаемым и хорошо изученным явлением интерференции.
Как объяснить интерференционную картину от двух щелевых источников света? Это явление, согласно Ричарду Фейнману, представляло собой «единственную загадку» квантовой физики. А разгадка очень проста. Направив пучок фотонов на пластину с двумя открытыми щелями, мы получаем на экране за пластиной светлые и темные полосы. Когда открыта одна щель, интерференционная картина не наблюдается, а вместо нее мы видим широкое распределение фотонов. Результат легко объяснить в соответствии с волновой теорией света. Волны проходят через обе щели, подавляя или усиливая друг друга. Вот почему мы видим светлые и темные полосы на экране.