Квантовая механика и магия: Алексей Семихатов о науке, ее популяризации и будущем
Как понять сложные концепции квантовой механики без физических формул и почему люди продолжают интересоваться этим «магическим» миром. О том, как изменения в законах физики могли бы изменить мир, и о будущем науки — читайте в эксклюзивном интервью. Начало — тут.
— О популяризации квантовой физики. Можно ли, вообще говоря, понять эти концепции, не углубляясь в сложные формулы, которые занимают целую доску? Без физического и математического образования? Вы объясняете это через метафоры: насколько это адекватно и корректно?
— Смотрите, мой собственный вывод из попыток объяснять сводится к следующему наблюдению. Мы воспринимаем привычный мир через абстракции, часто даже не осознавая, что это абстракции. Например, все тела движутся по траекториям. Это линии воображаемые, они в пространстве ничем не прочерчены, и, тем не менее, я представляю себе траекторию каждый раз, когда кидаю камень или мяч через забор. Орбиты планет — это тоже воображаемые линии, которые мы не видим в телескоп — но вспомним хотя бы знаменитый вопрос о повороте орбиты Меркурия (именно орбиты, а не планеты!).
Почти все абстракции, к которым мы привыкли, не переносимы в квантовую область. И это вызывает непонимание, когда по инерции мы продолжаем попытки воспринимать все в привычных понятиях.
Мы представляем себе очень маленькие вещи как уменьшенные копии больших, но это не так. Возьмем квант — предел деления материи, разделить который уже нельзя. Не потому, что он такой «твердый», а потому, что в нем просто нет никаких частей, вообще никакого наполнения кроме него самого. У кванта нет ни поверхности, ни объема — ничего, что можно было бы разрезать. Такие объекты существуют по другим правилам, чем те, к которым мы привыкли.
Очень много недоразумений и, откровенно говоря, глупостей возникает из-за того, что мы невольно проецируем на квантовую механику привычные идеи — о том, что каждая вещь где-то находится, что она движется по траектории, и что на все можно «посмотреть». Но на квантовом уровне все по-другому.
— Как тогда понять это?
— Ландау, как передает Лившиц в своей статье, написанной вскоре после смерти его учителя, говорил: «Величие человеческого гения состоит в том, что мы способны понять вещи, которые не можем себе представить». Это как раз тот случай. Здесь нет наглядных представлений, но есть логическая структура. И чтобы понять квантовую механику, нужно дисциплинировать свой ум, чтобы рассуждать в рамках этой структуры. Она может казаться противоестественной. Но внутри квантовой механики логических противоречий нет. Есть сложности того, что называется интерпретацией, но они не затрагивают главного — вычислительных средств квантовой механики, которые превосходно работают в количественном согласии с наблюдениями. Можно удивляться тому, что основной аппарат квантовой механики имеет дело с ненаблюдаемыми величинами и объектами (такими как волновая функция), но так или иначе правила обращения с ними приводят к проверяемым предсказаниям!
Абстракции квантовой механики — скорее математические. Но они работают, потому что дают численные результаты, проверяемые экспериментами. Они позволяют понять, как распадаются радиоактивные атомы, как горит Солнце и как работает квантовый компьютер.
— Если содержание квантовой механики так абстрактно и на неподготовленный взгляд может создать ощущение магии, даже посильнее, чем в сказках и мифах, то почему люди интересуются этим, как вы думаете?
— Хороший вопрос. Почему люди интересуются, не знаю. Рад, что интересуются.
Наука, даже абстрактная, постепенно становится частью культуры.
Возьмите, например, слова «ген» или «черная дыра». Слово «квант» тоже слышал каждый. Наши надежды на новые технологии и прорывы связаны именно с квантовыми открытиями. Самое тонкое управление материей происходит на ее квантовом уровне. Это именно те компоненты материи, с которыми человечество теперь стремится работать. Поэтому неудивительно, что концепты квантовой механики становятся модными, даже если кажутся «магическими».
И вот еще одна мысль. Возможно, для некоторых людей интерес к квантовой механике — это желание найти ответы на вопросы, которые они воспринимают как экзистенциально важные тайны. Искать такие ответы можно в разных местах — от философии до эзотерики. Но квантовая механика, в отличие от «эзотерических» учений, гораздо глубже и многообразнее, а из-за этого и интереснее. Она — вовсе не набор высказываний, каждое из которых при желании можно было бы заменить каким-то другим. Абстракции и логика квантовой механики были выбраны не потому, что кому-то понравились, а потому что дают численный успех: выводы из них подтверждаются экспериментами, причем ежесекундно и повсеместно. Не магия, конечно, но что-то за гранью того, что мы привыкли воспринимать в повседневной жизни.
— Если говорить о России — за последний год или два, по вашему мнению, количество интересующихся наукой людей увеличилось или уменьшилось?
— У меня нет статистики, к сожалению. Есть один не слишком надежный показатель: количество никак не запланированных взаимодействий с людьми (на улице, в транспорте или в других общественных местах), когда мне говорят, что нас смотрят и то, что мы делаем, им интересно. Если опираться на такую «статистику», что интерес точно не уменьшился.
Еще я стал автором двух книг, последняя из них как раз о квантовой механике, и мой издатель определенно доволен тем, как она расходится; это тоже является косвенным подтверждением, что интерес есть.
— Вопрос от читателя. Если бы вы могли перепрограммировать один фундаментальный закон физики, чтобы сделать мир более интересным, какой бы вы выбрали и почему?
— О, замечательный вопрос. Он предлагает воспринимать наш мир как некую игру, в которой можно настроить какие-то параметры. Разумеется, с мало-мальски строгой точки зрения это вопрос некорректный, и любой ответ на него будет неполным. Это просто способ порассуждать о важнейших аспектах устройства нашей Вселенной, и это интересно.
Давайте для начала скажу, что было бы здорово изменить, не погружаясь в законы физики. Я бы посадил Марс на более близкую орбиту к Земле, чтобы путешествовать на него было быстро, и чтобы на нем были условия, более подобные земным. Кстати, законы физики говорят, что на слишком близких орбитах планеты не живут, потому что мешают друг другу своей собственной гравитацией, но есть важные исключения: резонансные орбиты. Находись Марс на какой-то такой орбите, да еще с условиями на нем хотя бы на уровне условий на вершине Эвереста, мы бы уже там обосновались, я думаю.
Что касается законов Вселенной, то можно было бы «подкрутить» скорость света. Правда, я не зря говорил о некорректности таких вопросов: скорость света входит далеко не только в формулы самой по себе Специальной теории относительности. Например, «сила» электромагнитного взаимодействия на фундаментальном уровне зависит от электрического заряда в комбинации с постоянной Планка и скоростью света, поэтому изменение скорости света повлияет на всю структуру Вселенной. Но из вещей, которые, так сказать, на поверхности: если бы скорость света была меньше, мы могли бы воспринимать релятивистские эффекты глазами. Сокращение продольных длин, кажущийся поворот пролетающих мимо тел, замедление времени в зависимости от скорости.
А если бы мы увеличили постоянную Планка, макроскопические объекты в нашей Вселенной стали бы по-настоящему квантовыми, и их поведение было бы совершенно другим. Например, вращение любого тела нельзя было бы регулировать плавно: раскручивать его можно было бы только ступенчато. Правда, “вращение” было бы не без странностей, потому что квантовые законы не позволяют существовать оси вращения (вот кстати пример абстракции, которая не переносится в квантовый мир).
При всей фантазийности попыток представить себе природу с другими физическими константами, задуматься об этом — интересное упражнение.
Мы адаптированы к уникальному набору условий нашей Вселенной. От них зависит наше собственное существование. Например, в ходе эволюции Вселенной как минимум требовалось создание элементов за пределами водорода и гелия, чтобы было из чего сложить и нас самих, и все привычное вокруг нас. Множество факторов, непосредственно определяемых действием физических законов, позволило возникнуть нашему миру.
Попутно стоит пояснить, что все сформулированные нами физические законы не являются абсолютной истиной. Они представляют собой хорошие приближения, которые позволят нам делать предсказания. А когда они перестают «работать», то есть описывать наблюдения, мы ищем более точные теории. Парадигмальный пример здесь — теория гравитации. Простая формула Ньютона прекрасно работала в широком диапазоне и привела к беспрецедентным успехам. Но у нее есть ограничения, выход за которые потребовал других формул — Общей теории относительности. Она уточняет Ньютона, отлично описывает множество явлений, но мы знаем, что и она не полна. Например, в центре черных дыр она не работает, и когда-нибудь, возможно, мы придем к улучшенной теории.
— И, наконец, что бы вы пожелали читателям, людям, которые интересуются наукой, в новом, 2026 году?
— Раз вы интересуетесь наукой — раз вы вообще интересуетесь — значит, получаете радость от узнавания нового. Хочу пожелать, чтобы этого нового было в достаточном количестве, чтобы вы делали и личные открытия, которые вас радуют.
Первую часть интервью читайте здесь.
Беседовала Елена Маслова
