По ту сторону кванта - Пономарев Леонид Иванович

Ещё не найдено «соотношение неопределённостей» для процесса познания, которое укажет равновесие между «количеством» и «качеством» необходимых человеку знаний и строго определит границы возможного при выборе предмета и способа его изучения. Но одно бесспорно: верхоглядство не приносит ни пользы, ни удовольствия. Все мы так или иначе поражены логической красотой и могуществом науки, однако салонные разговоры о ней носят печать какой-то особой пустоты, если за ними не стоит знание точных фактов и чётких понятий.

В продолжение всего рассказа о квантовой механике мы стремились использовать только такие факты и только такие понятия. Конечно, даже усвоив их, вы не сможете сконструировать лазер или рассчитать атомный котёл. Но ведь и в музыкальный лекторий вы ходите не затем, чтобы научиться играть на скрипке.

Мы подошли к концу нашего рассказа. Можем ли мы теперь осмысленно ответить на два основных вопроса, которые задали в самом начале?

ЧТО ТАКОЕ КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА? ЧТО ТАКОЕ АТОМ?

Оказывается, ответ на эти вопросы существует, хотя и выглядит несколько своеобразно.

Наш рассказ о квантовой механике мы начали с определения: «Квантовая механика — это наука о строении и свойствах атомных объектов и явлений». Мы его тут же оставили, поскольку бесполезность его очевидна до тех пор, пока не определено само понятие «атомный объект». Мы обратились к анализу опытов, в которых проявляются свойства атома, и к анализу формул, которые позволяют предсказать результаты этих опытов.

Постепенно выяснилась поразительная вещь: все формулы, которые описывают свойства атомных объектов, непременно содержат постоянную Планка h. И теперь, если физик видит уравнение, в которое входит квант действия h, он безошибочно заключает, что перед ним уравнение квантовой механики.

На этом основании квантовую механику можно было бы определить как систему уравнений, в которых обязательно присутствует постоянная Планка h. Однако такое определение может лишь успокоить наше стремление к однозначности и формальной строгости, но ничего не может дать по существу — определение науки должно указывать на предмет её изучения, а не только на метод, которым эта цель достигается.

После наших многочисленных попыток ответить на вопросы о сущности атома мы могли бы сказать просто: «Атом — это всё то, что мы теперь о нём знаем». Но, конечно, это опять не определение, а благовидный предлог его избежать.

Какими словами коротко и без разночтений можно определить понятие «атом»?

Мы неоднократно убеждались, что всё многообразие и сложность этого понятия не в состоянии вместить какое-нибудь одно слово нашей речи. Тогда мы обратились к уравнениям квантовой механики и с помощью формул, минуя слова и строгие определения, построили для себя образ атома. При этом мы сознательно следовали методу современной физики.

В чём суть этого метода? Прежде всего он запрещает говорить о явлениях самих по себе, независимо от способа их наблюдения. Понятия «явление» и «наблюдение» существуют независимо только в нашем сознании, да и то с ограниченной точностью. Для физика оба эти понятия — две стороны одной и той же физической реальности, которую он изучает и в объективное существование которой, безусловно, верит.

Понятия «явление» и «наблюдение» — дополнительные в смысле Бора. Они несовместимы: наблюдение разрушает первозданное явление. Но они равно необходимы: без наблюдения мы вообще ничего не узнаем о явлении. Их сложное единство и взаимодействие не позволяют нам постигнуть суть явления самого по себе, но они помогают нам раскрыть связи между явлениями.

Эти связи мы можем записать с помощью формул и рассказать о них словами. Однако слова эти повисают в воздухе, если рядом с ними не написаны формулы. А формулы мертвы до тех пор, пока мы не нашли способа объяснить, что они на самом деле означают. Для полного объяснения «явления — наблюдения» необходимо гармоничное сочетание понятий и формул. Лишь после этого можно создать для себя удовлетворительный образ физического явления.

На этом этапе цепочка познания новой физики

ещё раз видоизменяется, усложняется и приобретает вид: >

В продолжение всех попыток определить понятие «атом» мы бессознательно стремились к этой схеме. Нынешние физики начинают своё обучение с формул. Наверное, это разумно: при изучении любого иностранного языка лучше сразу учиться говорить, а не выяснять каждый раз, почему-то или иное слово пишется так, а не иначе.

Вслед за формулами физики усваивают слова, которые необходимо произносить и без которых вообще невозможно общение между людьми. Однако формулы не имеют точных словесных эквивалентов. Поэтому обучение современной физике состоит в том, чтобы излагать непривычные вещи привычными словами, но каждый раз немного с новой точки зрения. Тем самым добиваются погружения новых понятий из сферы логической и сознательной в сферу интуитивную и подсознательную — условие, необходимое для всякого творчества.

Такой способ обучения физиков неуловимо деформирует систему их образов, понятий и даже систему ассоциаций. Как всякого человека, хорошо владеющего языком, физиков коробят безукоризненно правильные словесные конструкции большинства научно-популярных книг: в них они безошибочно различают еле уловимый чужеродный акцент. Невозможно передать смысл иностранной фразы, не разрушив при этом её первоначальную структуру. Язык, на котором общаются между собой физики, зачастую только по названию и отдельным словам русский, английский или ещё какой-то. В действительности это особый язык, словарь и грамматические конструкции которого приводят в отчаяние литературных редакторов. Но при всякой попытке «причесать» корявую физическую фразу по нормам литературного языка она что-то теряет — как иностранные стихи даже в хорошем переводе.

Непричёсанная физическая правда состоит в том, что:

атомный объект — это физическая реальность, свойства которой можно описать с помощью уравнений квантовой механики;

квантовая механика — это система формул, понятий и образов, которая позволяет представить, объяснить и предсказать наблюдаемые свойства атомных объектов.

Два приведённых определения, поставленные рядом, выглядят как насмешка над здравым смыслом. Однако они совершенно естественны в рамках принципа дополнительности. Дело в том, что понятия «атомный объект» и «квантовая механика» — дополнительные в смысле Бора. Точно так же, как понятия: «координата» и «импульс», «волна» и «частица», «явление» и «наблюдение», «вероятность» и «достоверность», «причинность» и «случайность». Они не могут заменить одно другое, и любое из них нельзя определить полностью без учёта другого, дополнительного ему. К этому необходимо привыкнуть, с этим необходимо сжиться — такова судьба всех действительно глубоких понятий.

Нильс Бор до конца жизни не уставал это повторять. Он предложил даже способ отличить глубокое утверждение от тривиального: нужно построить противоположное утверждение, и если окажется, что оно абсурдно, то первоначальное — тривиально. И приводил примеры. Утверждение «бог существует» — глубоко, поскольку противоположное ему «бога нет» — столь же глубоко. А утверждение «все люди смертны» — тривиально, так как противоположное ему «все люди бессмертны» — абсурдно.

Умение мыслить в соответствии с принципом дополнительности Бора необходимо в себе развивать, как и любую другую способность, данную нам от природы лишь в зародыше. Для этого недостаточно усвоить формальные правила построения понятий. Нужно ещё представлять себе, откуда они возникли. Поэтому-то мы так долго и тщательно знакомились с опытами, из которых впоследствии выкристаллизовалось понятие «атомный объект». Само по себе, в отрыве от этих опытов, оно ничего не значит; оно лишь закрепляет на языке формальной логики тот интуитивный образ, который постепенно формировался в нашем сознании во многом помимо нашей воли.