Чарльз Флауэрс - 10 ЗАПОВЕДЕЙ НЕСТАБИЛЬНОСТИ. ЗАМЕЧАТЕЛЬНЫЕ ИДЕИ XX ВЕКА
Некоторое понимание ситуации возникло лишь после появления еще одной гипотезы Бора, согласно которой электрон проявляет волновые или корпускулярные свойства в зависимости от того, какой тип детектора и принцип регистрации (волновой или корпускулярный соответственно) использует экспериментатор для определения параметров движения. Для изучения квантовых частиц можно и нужно применять оба типа детекторов, но при интерпретации полученных данных следует всегда учитывать дуальную природу изучаемых объектов. Гипотеза Бора, получившая название принципа дополнительности, не снимала основного противоречия теории, заключающегося в том, что при измерении параметров атомной системы мы изменяем значения этих параметров, т. е. получаем не точные значения, а лишь некоторые наборы вероятностей или потенциальных возможностей параметров.
В этой связи нельзя не вспомнить одну из самых знаменитых дискуссий в истории науки вообще между Бором и Эйнштейном о принципиальной неопределенности поведения квантовых систем. Многим кажется, что ученые слишком увлекаются своей работой и порой забывают или недостаточно глубоко размышляют о человеческой душе и религиозных проблемах, но приводимый ниже отрывок из переписки двух великих физиков доказывает обратное.
Эйнштейн – Бору Квантовая механика заслуживает самого глубокого уважения, но внутренний голос говорит мне, что она не является окончательным откровением. Эта теория содержит очень многое, но, похоже, мы не приближаемся к главному ответу. В любом случае, я не верю, что Бог играет в кости!
Бор – Эйнштейну: Не наше дело указывать Богу, как управлять миром!
Конечно, учет религиозных соображений и мотивов может лишь усложнить поиск научной истины (о чем и свидетельствует история Галилея, с которой начинается наша книга), однако процитированный диалог показывает, что ученые, подобно всем остальным людям, страстно жаждут найти смысл в кажущейся хаотичной сумятице повседневной жизни. Это обстоятельство во многом определяет непреходящий интерес к квантово-механическим парадоксам, поскольку никого не может оставить равнодушным следующая проблема: если миром управляют случайности, то совершенно непонятно, что скрывается за столь важными для нас понятиями, как смысл, значение, цель и т. д. Еще более показательна в этом смысле следующая фраза Эйнштейна: «Наука без религии – неполноценна, религия без науки – слепа». Разумеется, это не означает, что мы должны обратиться в религиозных ортодоксов и уподобиться известному теологу Карлу Эверетту, который считает, что динозавры никогда не существовали, поскольку о них не упоминает Библия.
Конечно, известна философская позиция, прекрасно выраженная поэтом Арчибальдом МакЛейшем: «Стихотворение должно просто существовать, а не выражать какие-то конкретные мысли и мнения!», хотя следует особо подчеркнуть, что для большинства религиозных и метафизических систем окружающий нас мир не просто «существует», но и «означает» что-то очень важное. Квантовая физика заставляет нас еще раз задуматься над этими важнейшими вопросами смысла человеческого существования.
В микромире можно наблюдать много других удивительных эффектов (электрон может одновременно находиться в двух разных точках, протон может проходить через потенциальный энергетический барьер и т. д.). Одно из самых странных предсказываемых явлений заключается в теоретической возможности непосредственного «общения» квантовых частиц на любых расстояниях, причем со скоростью, существенно превышающей скорость света (возможно, даже с бесконечной). Мы не знаем и не можем представить себе, о чем могут переговариваться элементарные частицы (возможно, они просто сообщают друг другу «сверни направо… меняй курс…измени направление спина»), однако сама возможность передачи информации со сверхсветовой скоростью заставляет задуматься о совершенно неизвестных нам физических законах и ограничениях. Электрон может не только выступать в качестве волны или частицы, но и даже выбирать форму своего существования. С другой стороны, он фактически как бы и не существует до того момента, пока мы не зарегистрировали его каким-то образом (например, прибором или следом в пластинке слюды). Некоторые физики даже считают, что конкретно воспринимаемый нами мир существует именно в результате нашего восприятия, т. е. могут существовать и множество других миров или реальностей, но все они исчезают в момент нашего восприятия одного конкретного мира.
Проблема заключается не в том, что мы не можем найти разумные ответы на столь важные вопросы, а в возможном отсутствии таких ответов вообще. Разница в характере стоящих перед нами двух типов тайн и неизвестностей настолько существенна, что мне хочется рассмотреть ее отдельно. Действительно, мы часто сталкиваемся с двумя принципиально разными типами задач. Например, астрономы давно бьются над загадкой того, что яркость полной Луны почему-то примерно в 10 раз превышает яркость полумесяца. У них есть несколько теорий на этот счет, однако практически никто из ученых не сомневается (и это имеет принципиальное значение для обсуждаемого вопроса), что какое-то физическое объяснение этого странного эффекта существует и рано или поздно будет найдено. Такие загадки очень распространены не только в науке, но и в обычной жизни (я, например, не знаю точно, почему метеорологи обычно присваивают ураганам и штормам красивые женские имена, но уверен, что какое-то разумное объяснение этой закономерности существует). В отличие от таких «принципиально разрешимых» загадок, квантовая механика предлагает нам задачи с принципиально неоднозначными решениями, вследствие чего мы не можем больше полагаться даже на прямые измерения, наблюдения или факты, поскольку все вокруг нас содержит «кванты неопределенности».
Восприятие и осознание этой ситуации подвергает серьезному испытанию разум и чувства многих исследователей. Квантовая физика утверждает, что окружающая нас Вселенная иррациональна и представляет собой набор неопределенностей и потенциальных вероятностей, а вовсе не материальные объекты, подчиняющиеся строгим и постоянным законам. Гейзенберг установил, что мы не можем точно измерить координату и импульс частицы, но квантовая реальность оказалась значительно сложнее для восприятия, так как две эти величины одновременно не могут иметь точных значений в принципе (независимо от того, измеряет ли кто-то эти значения или нет) и это сбивает с толку любого физика. Вообще говоря, невозможно представить себе, что целая Вселенная, построенная из микрочастиц-кирпичиков с иррациональным поведением, может развиваться в соответствии хоть с каким-либо божественным или своим собственным предназначением. С другой стороны, отсутствие какого-либо общего плана означает невозможность детерминированных действий и поступков, поскольку в такой модели судьбы Вселенной на всех уровнях (галактики, планеты, белковые молекулы или отдельные нейроны в нервной системе человека) определяются лишь случайными сочетаниями и коллапсами волновых функций.
Идея о недетерминированности последствий физических актов или наших поступков имеет огромное значение для науки, философии и метафизики, независимо от возможных дополнительных толкований или замечаний. Новые идеи и модная терминология сумели «заразить» даже некоторые сферы литературы и поведения, не говоря уже о досужих вымыслах не очень умных популяризаторов науки. Собственно говоря, принцип дополнительности не имеет особого значения для нормальной человеческой жизни (не считая каких-то искусственных ситуаций, когда человек, например, пытается создать себе алиби или устроить глупый розыгрыш). Открытая Гейзенбергом квантовая неопределенность, о которой шла речь, относится к разряду «внутреннего распорядка физики» и описывает только поведение микроскопических объектов.
***Существует известный эксперимент с рассеянием фотонов на двух параллельных щелях (он почти всегда входит в практикум студентов-физиков старших курсов), который используют для демонстрации волновых свойств света, поскольку рассеянные фотоны образуют интерференционную картину, характерную для любых волновых процессов. Дело в том, что при интерференции волн происходит их взаимное усиление или ослабление, создающее светлые и темные полосы на экране (именуемые на физическом языке отрицательным или положительным наложением), так что этот эксперимент совершенно ясен и понятен.
Однако обычно бедным студентам-физикам тут же демонстрируют еще один, очень похожий эксперимент, который представляется совершенно непонятным и ненаглядным. Пропуская единичные фотоны (т. е. заведомые частицы) через одну-единственную щель, студент естественно ожидает получить картину рассеяния разрозненных частиц, но вместо этого неожиданно вновь видит интерференционную картину! Электроны как бы «знают», что они являются в действительности волнами, и, соответственно, «выбирают» нужные траектории, соответствующие их волновой природе. В некотором смысле это означает также, что при рассеянии на двух щелях электроны одновременно проходят через обе щели.
