Виталий Антропов
«Увидеть» фотон и «разглядеть» фотон – это разные эпистемологические процедуры. Иллюстрация создана с помощью нейросети Kandinskiy 3.1.
…Се есть наглядное подтверждение устройства нашей вселенной, которая не из иного состоит, как из первичных тел, движущихся в пустоте… сей мир есть результат балета атомов…
Умберто Эко, «Остров накануне», 1995
Еще в 1940-е годы экспериментально было показано, что человек способен наблюдать от пяти до семи фотонов. В 2016 году физики из Австрии, США и Великобритании доказали возможность человеческого глаза напрямую наблюдать единичный фотон. Процедура и результаты этого исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.
Кратко. Специальный источник света излучал пары скоррелированных фотонов: один направлялся на глаз испытуемого человека, другой – на высокочувствительную камеру. В ходе 30 767 испытаний каждому из участников эксперимента предлагалось определить, какая из двух стимуляций содержала единичный фотон. Оказалось, что усредненная вероятность для каждого из участников заметить единичный фотон в большинстве случаев была заметно выше 50%.
«Словесный портрет» фотона
Сетчатка глаза – это изумительное по своей сложности и тонкости исполнения чувствилище мозга, вынесенное эволюцией на фронтир черепной коробки, она способна регистрировать отдельные кванты света.
Но «увидеть» и «разглядеть» – это разные эпистемологические процедуры. Именно вот это – разглядеть (пусть и с важными оговорками) единичный фотон и удалось исследователям из Университета Бирмингема.
Они впервые смогли определить точную форму отдельного фотона. Результаты этой работы опубликованы в журнале Physical Review Letters. Эксперты отмечают беспрецедентный уровень детализации природы фотонов и их взаимодействия с материей, которого удалось достичь английским физикам. «Наши вычисления позволили преобразовать, казалось бы, неразрешимую задачу в нечто, что можно вычислить. И, почти как побочный продукт модели, мы смогли создать это изображение фотона, чего раньше не было в физике, – заявляет руководитель исследования доктор Бенджамин Юэн в интервью phys.org. – Это изображение отражает вероятность обнаружения фотона в конкретной точке пространства после его излучения атомом, находящимся на поверхности наночастицы».
Другими словами, речь идет не об изображении в привычном для нас бытовом смысле, но о карте вероятностного распределения фотона в пространстве. Природа фотонов не позволяет измерить их непосредственно, так как процесс измерения… разрушает частицу. То есть частица до того, как мы ее наблюдаем, совершенно другая, чем после того, как мы на нее взглянем. Однако многократные повторные измерения дают статистическую картину, которая точно соответствует рассчитанному распределению интенсивности.
Что поделать – такова квантовая механика. Как заметил однажды российский физик-теоретик академик Валерий Рубаков, «когда вы попадаете в квантовый мир, то многие интуитивные понятия перестают работать».
Однако не перестают работать физики, экспериментируя со световыми эффектами. Что такое – создать «словесный портрет» фотона, хотя и предельно правдоподобный портрет? Условно говоря, это статика: «Остановись, мгновенье! Ты прекрасно»… А вот в лабораториях Университета Торонто группа ученых разработала технологию, позволяющую «увидеть» движение света. (Нам еще представится повод немного подробнее коснуться сути их экспериментов.)
Но достижения английских и канадских физиков имеют не только сугубо естественно-научное значение – хотя, подчеркнем еще раз, даже сами по себе экспериментальная техника и методология просто удивительны, – но и мировоззренческое, философское значение.
Перевести объекты в изображения – это онтологическая потребность физиков. Соответственно изобразить нечто, непредставимое в образах принципиально, считалось невозможным. Во всяком случае, эти изображения не могут нести никакого физического смысла и не соответствуют реальному физическому объекту. В общем, материя – это то, что поддается записи математическими формулами. И это давняя философская традиция. Иммануил Кант, например, считал, что «…в любом частном учении о природе можно найти науки в собственном смысле лишь столько, сколько имеется в ней математики».
«…Начиная с середины 1980-х годов некоторые наиболее интересные и значимые изображения в науке оказываются совершенно неадекватными тем объектам, которые они пытаются репрезентировать… репрезентируют скорее породившую их математику, чем любые изображаемые объекты в пространстве. В моем визуальном воображении нет ничего соответствующего бариону с его валентностью и морским кварком. Также я не имею ментального изображения электрона, даже оставляя в стороне дозволенные количества спиновых моментов импульсов», – пишет профессор Чикагского института искусств Джеймс Элкинс в эссе «Бесполезная визуализация квантовой механики» (2010).
И действительно, в современных университетских учебных пособиях можно прочитать, что «…атомы лежат за пределами нашего восприятия, их нельзя ни увидеть, ни услышать. Атомистические представления не могут возникнуть и из мифа, поскольку миф всегда использует наглядные образы» (Б.В. Булюбаш. История естествознания. От античности до Ньютона. Н. Новгород, 2007). Все так...
Однако сказано: события имеют свойство притягиваться друг к другу, группироваться. Как раз 4 ноября 2010 года английская The Daily Telegraph сообщила: «Japanese scientists photograph hydrogen atom for first time» («Японские ученые впервые сфотографировали отдельный атом водорода»).
По существу, физики из Токийского университета сфотографировали… пустоту. Даже – если переходить с научного наречия на язык метафор, а по-иному, без метафор, здесь не обойтись – квант пустоты. То есть, конечно, японские физики так не говорят. В информационных сообщениях все выглядит вполне сдержанно и строго научно: «Группа специалистов Токийского университета сумела впервые в истории сфотографировать отдельный атом водорода – самый легкий и самый маленький из всех атомов».
Проще атома водорода вроде бы природа ничего не создала. Ядро, роль которого играет положительно заряженная элементарная частица – протон, а вокруг «размыт» по орбите отрицательно заряженный электрон. Всё. Но дело в том, что атом водорода на 99,99% состоит из «пустоты». Диаметр атома водорода примерно 10–8 см, размеры ядра – 10–13 см. Существует очень красивая аналогия, чтобы почувствовать, что собой представляет эта конструкция. Представьте себе, что электрон вращается вокруг шпиля Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова с диаметром орбиты вращения 1 км. Тогда размеры ядра атома на шпиле – не более горошины. Что объяснимо: протон и электрон в атоме водорода притягиваются с силой, которая составляет всего лишь 4 х 10–40 от силы их электростатического притяжения.
И вот японцы смогли сфотографировать (визуализировать) эту самую пустоту. ТАСС цитировало слова руководителя исследовательской группы профессора Юити Икухары: «Теперь мы можем увидеть все атомы, из которых состоит наш мир. Это прорыв к новым формам производства, когда в будущем можно будет принимать решения на уровне отдельных атомов и молекул».
Теперь мы можем выдохнуть: атом водорода существует! В эпистемологический паспорт атома водорода вклеена его фотография. Но детали продолжают уточняться.
В декабре 2019 года журнал Nature сообщил, что исследователи из Университета штата Северная Каролина (США) уточнили радиус протона. «Биометрия» ядра атома водорода выглядит гиперреалистично: его радиус – 0,831 фемтометра (0,831 х 10–15 м).
Единственное, что несколько «нервирует» физиков, это то, что экспериментально распад протона пока не зафиксирован. А он должен распадаться. Но не распадается. «…К большому сожалению. Почему к сожалению? Потому что, во-первых, он предсказывался. А во-вторых, конечно, посмотреть, как распадается протон, было бы очень интересно, это нам рассказало бы о физике на самых-самых малых расстояниях, далеко за пределами ускорительной физики. Но повторяю, к сожалению, этого нет. Хотя ученые ищут», – сокрушался академик Валерий Рубаков по поводу ненаблюдаемого до сих пор распада протона.
И эта грусть физика объяснима. Протон живет очень долго; если он вообще распадается, то он живет дольше, чем 1033 лет – это много больше времени жизни Вселенной. Если про все остальное в этом сущем мире можно сказать, что это только пыль под солнцем – от атома и молекулы до метагалактики и Вселенной, – то увидеть пыль протона не успеет даже само это сущее.
|
|
Физики сумели не просто «сфотографировать» фотон, но даже отследить движение фотонного луча. Иллюстрация создана с помощью нейросети Kandinskiy 3.1. |
И еще раз: события имеют свойство притягиваться, группироваться. Вот и с электронами интересная получается картинка…
В 2011 году физики из Имперского колледжа Лондона сообщили, что им удалось определить форму электрона с беспрецедентной точностью. Подготовка и проведение эксперимента заняли около 10 лет. С помощью лазерной системы ученые измеряли малейшие колебания, которые совершали находящиеся в молекулах фторида иттербия электроны. В итоге было установлено, что отклонения от идеальной сферической формы в электроне не превышают 10–28 см. Опять же для наглядности: если увеличить размер электрона до размеров Солнечной системы, то размер отклонений окажется меньше толщины человеческого волоса.
В 2015 году журнал Science опубликовал результаты исследования международной группы исследователей из России, Дании, Бельгии и Канады под руководством Ганса Якоба Вернера из Высшей технической школы в Цюрихе. Ученые смогли проследить движение электронов в молекуле с временным разрешением 100 аттосекунд и показали, что этими электронами можно управлять. (Приставка «атто» означает 10–18 с.)
Кембриджский физик-теоретик, космолог, член Лондонского королевского общества Джон Бэрроу прозорливо отмечал: «Иллюстрация – связь между фактом и мыслью… Людям нравятся изображения. Вообще это первое, что человек видит в жизни… Наши органы чувств взаимодействуют с окружающей средой, понимая и запоминая ее элементы как изображения» (2008).
Коллеги Бэрроу по всему миру в режиме 24/7 создают элементы этого пазла – изображения, по которым мы можем все более подробно идентифицировать фундаментальные основы Универсума. Вот краткая сводка того, что сделано в этой сфере только в 2024 году.
Специалисты из Лаборатории национального ускорителя Томаса Джефферсона, входящей в состав Министерства энергетики США, используя метод, связывающий гравитацию с взаимодействиями на микроскопическом уровне, впервые составили карту распределения сильного взаимодействия внутри протона. Гравитация, чье присутствие неоспоримо на всех масштабах наблюдаемой Вселенной, теперь обнаружена и на самых малых ее уровнях. Исследование, опубликованное в журнале Reviews of Modern Physics, «проливает свет на механические свойства протона, в частности на силу сдвига, которую сильное взаимодействие может оказывать на кварки, составляющие протон»...
Исследователи из Боннского университета в Германии и Бристольского университета в Великобритании впервые получили трехмерное изображение атомов при помощи квантового микроскопа. Их статья опубликована в журнале Американского физического общества Physical Review A…
Ученые из Принстонского университета впервые смогли задокументировать (то есть сфотографировать!) «одну из удивительных квантовых фаз материи», так называемый вигнеровский кристалл. 90 лет состоящий только из электронов кристалл существовал лишь в теории. Венгерско-американский физик-теоретик Юджин Вигнер в 1934 году предсказал, что электроны будут располагаться в регулярной решетке при низких температурах и высоких плотностях. «Визуализация этого кристалла позволяет не только наблюдать за его формированием и подтверждать многие его свойства, но также позволяет изучать его способами, которые ранее были невозможны», – отметил Али Яздани, ведущий автор исследования, которое опубликовано в журнале Nature…
Физики-теоретики из Лос-Аламосской национальной лаборатории и Университета Вашингтона (США) впервые полностью микроскопически охарактеризовали момент распада атома. Если некоторые модели предсказывали распыление квантовой случайности в процессе разрыва шейки, то группа ученых из американских исследовательских центров выявила четкую «складку» в плотности субатомных частиц, которая предшествует появлению точки деления. Полученную картинку представил журнал Physical Review Letters.
«Слепое зрение»
Итак, фотографию атома водорода мы уже давно имеем. Размер протона в очередной раз уточнен. Шарообразность электрона подтверждена с умопомрачительной точностью; само движение электрона отслежено с не менее обескураживающими подробностями.
Статус изображения (тем более – фотографического изображения) в качестве фундаментальной характеристики такого эпистемологического концепта, как объективность, в том числе – объективность полученного научного результата, никогда не ставился под сомнение. «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать» и пр., и пр.
Немецкий врач Эрвин Кристеллер однажды заметил: «Очевидно, что во многих случаях у рисунков и схем по сравнению с фотографией есть много преимуществ. Но в качестве инструмента доказательства и объективной документации в обосновании аргументации фотография гораздо лучше» (Atlas der Histotopographie gesunder und erkrankter Organe, 1927).
Объективность объектива – только средство выразить Нечто, невыразимое вполне. У фотографии как способе фиксации текучей субстанции этого Нечто всегда существует потенциальная склонность впасть в пасть банального гиперреализма. Но даже досконально «разглядеть» еще не означает «понять». Или, скажем осторожнее, правильно интерпретировать. Древние греки, которые не различали понятий «видеть» и «знать», в данном случае явно недоработали, не до-думали. Интересно, что даже вербализация «твердо» установленной истины (или хотя бы правильная интерпретация) наилучшим образом выражается через оптическое понятие, связанное со зрением: объективность. Но что такое объективность?
Интересный и поучительный во всех смыслах исторический пример. Благодаря английскому генетику, историку науки и общественному деятелю Джулиану Хаксли, побывавшему в июне 1945 года в Москве, сохранилась стенограмма лекции Трофима Лысенко, на которой побывал Хаксли. Как пишет историк, профессор Университета Калифорнии (Санта Барбара, США) Елена Аронова, в своем выступлении «Лысенко раскритиковал менделевскую генетику за «механицистский» и «формальный» подход, сводивший организмы к комбинациям генов, которые никто не видел: «Некоторые говорят, что наследственность заключена в хромосомах. Некоторые говорят, что она в плазме. Нам это безразлично. Все это – метафизические постулаты, которые не имеют никакого отношения к жизни» (Елена Аронова. История как наука и политика: Эксперименты в историографии и Советский проект / пер. с англ. М.: НЛО, 2024).
Увы, фотографии генов и даже хромосом тогда еще не существовало. Впрочем, есть большие сомнения, что визуализация вещества наследственности могла бы как-то повлиять на взгляды Лысенко. И это все – именем объективности: «Наследственность заключена во всем теле организма. Нет отдельного органа наследственности. Нет наследственной материи, существующей отдельно от сомы. Органы размножения существуют, но органов наследственности нет. Наследственность – это свойство живой материи требовать подходящих для себя условий и пищи».
«Быть объективным – значит стремиться к знанию, которое не несет на себе следы познающего, – знанию, не отмеченному предрассудком или умением, фантазией или суждением, желанием или стремлением. Объективность – это слепое зрение, видение без умозаключения, интерпретации или рассуждения», – тонко подмечают парадокс объективности Лорейн Дастон и Питер Галисон, американские историки науки, в своем ставшим уже классическим труде «Объективность» (2010).
Если бы удалось строго соблюсти все перечисленные Дастоном и Галисоном ограничения, то мы с вами имели бы то, что называется «объективный взгляд». Но, увы (или, наоборот, к счастью), избавиться от наблюдателя практически невозможно. Мы наблюдаем природу не как таковую, а природу плюс воздействие наблюдателя. Иначе мы ничего и не могли бы сказать о природе. Квантовая механика вся исходит из этого ментально невозможного, но определяющего нашу реальность парадокса.
Сошлюсь еще раз на квалифицированное мнение специалиста (хотя и это только слабая попытка приблизиться к объективности) – академика Валерия Рубакова: «Такого рода вопросы, кстати говоря, когда вы начинаете заниматься вопросами типа «как начиналась Вселенная; что было в момент Большого взрыва», возникают постоянно. И возникают потому, что мы все, наблюдатели, находимся внутри этой системы, внутри этой Вселенной. А наблюдатель в квантовой механике – это сторонний объект. Когда наблюдатель сам по себе во Вселенной живет – это еще хлеще: что, он сам формирует эту Вселенную, что ли?»
Но вот на эволюционной сцене появляется почти субъект, наблюдатель за наблюдателем, которого человек создал сам (не скажу – по собственной воле; здесь не воля, а именно экзистенциальная неволя соблазняла человеческий разум), – искусственный интеллект (ИИ). И сегодня бремя интерпретации (как и генерации!) картинки берут на себя нейросети. (Которые, впрочем, тоже хотелось бы визуализировать.) Как ИИ будет влиять на поведение квантовой системы? Вроде бы не должен никак, ведь он сам – квантовая система.
Те же канадцы из Университета Торонто, упомянутые выше, сумели проследить (sic!) не просто световую вспышку, но путь светового луча. Но, формально говоря, они наделили такой способностью – видеть движение фотонов – сложный алгоритм искусственного интеллекта, способный моделировать поведение фотонов на невероятно коротких временных отрезках. Буквально – на квантах времени. В комментарии к этому сообщению автор ресурса iXBT.com резюмирует: «Разработка ученых из Университета Торонто – это важный шаг на пути к созданию технологий, которые раздвигают границы нашего восприятия реальности. Возможно, в скором времени мы сможем видеть мир в совершенно новом свете, открывая для себя невидимые грани реальности».
Но заметим, реальность эта создана нейросетью и адаптирована под наш зрительный аппарат.
