Обычное становится аномальным

 

Под влиянием квантовой физики и теории относительности на наши традиционные представления о пространстве и времени мир приобрел неопределенность и субъективность, противоречащие его повседневной обычности. Представление об обычности возникает вследствие крайней ограниченности нашего опыта. В повседневной жизни нам не приходится двигаться с достаточно большими скоростями, которые сделали бы заметными эффекты замедления времени и сокращения пространства, и большинству из нас не приходится вторгаться в неясный и туманный мир атома. И все же рациональный, упорядоченный, основанный на здравом смысле и повседневном опыте мир обманчив. За ним скрывается сумеречная и парадоксальная картина таинственного существования и зыбких перспектив.

Кажущаяся потусторонность новой физики особенно проявляется, когда речь заходит о веществе. Незыблемость скалы вселяет в нас уверенность в реальном существовании объектов внешнего мира. Но и в этом случае при более тщательном рассмотрении рушатся привычные представления. Под микроскопом горная порода выглядит мозаикой из кристаллов. Электронный микроскоп позволяет нам различить отдельные атомы, образующие правильную решетку и разделенные большими промежутками. Исследуя сами атомы, мы обнаруживаем, что они представляют собой в основном пустое пространство. Крохотное ядро занимает всего лишь одну триллионную (10^-12) часть объема атома. Остальное пространство заполняет облако 'эфемерных электронов, расположенных “ни тут, ни там”, — ничтожно малых островков твердого вещества в океанах пустоты. Даже ядро при близком рассмотрении оказывается пульсирующим сгустком мимолетных частиц. Представление о незыблемости материи, сложившееся на основе повседневного опыта, уступает место неустойчивому миру квантов энергии.

Не подлежит сомнению, что новая физика несет на себе весьма сильный отпечаток таинственности. Старое представление о Вселенной как часовом механизме, неукоснительно следующем по предначертанному пути и помещенном в абсолютное пространство-время, было сметено. На смену ему пришли представления, каждое из которых отражает один из аспектов повседневного опыта, но которые не укладываются в единую стройную картину. Что такое электрон — волна или частица? Каждое из этих представлений соответствует ясному мысленному образу, но их нельзя связать в единое целее, которое было бы “и тем и другим”. Столь же трудно представить себе искривленное или расширяющееся пространство. Дело в том, что пространство обычно ассоциируется с пустотой, а представить себе искривление пустоты по силам лишь немногим.

Таинственный ореол современной физики привлек к ней внимание людей, склонных к философии и мистике, увидевших в ее открытиях конец безликому материальному миру, сложившемуся в сознании людей современного технологического общества. Необычность эффектов замедления времени и сокращения пространства питает убеждения в том, что существует реальность, выходящая за пределы доступного созерцанию. Особенно привлекательно присущее новой физике целостное восприятие мира. Разочарование в естественных науках, возникшее в недавнем прошлом, в значительной степени является реакцией на традиционный научный “редукционизм”, приверженцы которого хладнокровно разлагают окружающий мир на простейшие составные части.

Убеждение в возможности объяснить все путем разложения на составные части оказывало сильное влияние на научное мышление на протяжении нескольких столетий. Ньютон считал, что сложные движения можно объяснить, рассматривая простые тела небольших размеров, на которые действуют силы со стороны других подобных же тел. Хотя падение листа с дерева может быть чрезвычайно сложным, движения отдельных частиц должны в принципе подчиняться простым математическим законам.

Ньютоновский редукционизм достиг своего апогея в знаменитом высказывании Пьера Лапласа:

Разумное существо, которое в данный момент знало бы все движущие силы природы и взаимное расположение образующих ее тел, могло бы — если бы его разум был достаточно обширен для того, чтобы проанализировать эти данные, — выразить одним уравнением движение и самых больших тел во Вселенной, и мельчайших атомов. Ничто не осталось бы сокрытым от него — оно могло бы охватить единым взглядом как будущее, так и прошлое.

Итак, будь известны точные положения и скорости всех частиц во Вселенной, тогда в принципе можно было бы определить поведение любого тела в прошлом и будущем. Представление о том, что поведение всего жестко предопределено, опровергает идею свободы волн и создает образ безжизненного и бессмысленного космоса. Такое представление становится еще более неприемлемым, если обратиться к живым существам: попытка свести все живое лишь к движению мириадов атомов, подчиняющемуся воле слепого случая, более чем что либо порождает взгляд на науку как на бездушное, негуманное занятие.

Новая физика особенно резко контрастирует с подобным традиционно редукционистским подходом. Квантовый подход решительно отвергает лапласовскнй детерминизм, отрицая, что мир можно объяснить лишь как сумму его составных частей. В следующей главе мы увидим, что две изолированные частицы, разделенные большим расстоянием, тем не менее ведут себя согласованно. В самом общем случае при любом измерении или наблюдении в квантовой физике сущность субатомной частицы нельзя рассматривать в отрыве от ее окружения. В эксперименте Юнга с двумя щелями поведение столь крошечной частицы, как электрон, при прохождении сквозь экран, зависит от того, открыты ли одна или обе щели. Электрон каким-то таинственным способом получает информацию о сравнительно обширной окрестности и ведет себя соответствующим образом. Аналогично направление ориентации спина электрона неотделимо от выбранного экспериментатором способа измерения. Макромир и микромир оказываются тесно связанными. Не стоит надеяться, что полного понимании строения вещества удастся достичь, зная лишь свойства его составных частиц. Только подход к системе как целому дает возможность познания свойств микромира. Большое и малое сосуществуют. Одно не исчерпывает другого, как равным образом второе не “объясняет” полностью первого.

Один из сильнейших ударов по редукционистской концепции нанес разум. Пытаясь свести все системы к функционированию ее более простых компонентов, некоторые ученые пришли, к убеждению, что разум — это активность головного мозга, которая в свою очередь представляет собой не что иное, как серию электрохимических процессов, сводимых к движению электронов и ионов. Столь крайне упрощенный материалистический взгляд сводит мир человеческих мыслей, чувств и ощущений лишь к чисто внешнему проявлению.

В отличие от этого новая физика восстанавливает центральной положение разума в природе. Квантовая теория в обычной интерпретации приобретает смысл лишь с введением того или иного наблюдателя. Акт наблюдения в квантовой физике является не побочным обстоятельством, а средством получения информации, уже существующей во внешнем мире; наблюдатель весьма основательно вмешивается в микромир, и описание, содержащееся в уравнениях квантовой физики, явно включает акт наблюдения. Наблюдение вызывает определенное изменение в физической системе. Стоит только “взглянуть” на атом, как тот совершает характерный переход, не воспроизводимый обычным физическим взаимодействием. Здравый смысл, возможно, и сложил оружие перед лицом новой физики, но во Вселенной, какой рисуют ее последние достижения физической науки, снова нашлось место для человека.

 

Действительность и мир квантов

 

 

Лабиринт парадоксов

 

Летом 1982 г. в Парижском университете был проведен исторический эксперимент. Французский физик Ален Аспек и его сотрудники решили проверить, не удастся ли им “перехитрить” квант. На карту были поставлены не только наиболее плодотворная научная теория, но и сама основа того, что мы считаем физической реальностью.

Как и многие решающие эксперименты в физике, парижский эксперимент восходил к парадоксу, который озадачивал и интриговал физиков и философов на протяжении почти половины века. Речь идет об одной из принципиальных особенностей квантовой физики — о неопределенности. Знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга вынуждает вносить существенные поправки в простую, построенную на интуиции картину мира атомов, согласно которой частицы под действием сил движутся по вполне определенным траекториям. В действительности частица, например электрон, движется сложным, почти непредсказуемым образом, и проследить за ее движением в деталях или хотя бы дать его описание невозможно.

До появления квантовой теории физическую Вселенную рассматривали как огромный часовой механизм, ход которого до мельчайших деталей неукоснительно следовал безупречной логике причины и следствия, воплощенной в законах механики Ньютона, Разумеется, законы Ньютона и поныне справедливы для описания большинства явлений в окружающем нас мире. Они направляют пулю к цели и заставляют планеты двигаться точно по орбитам. Но, как мы теперь уже знаем, в масштабах атома многое обстоит совсем иначе. На смену знакомому упорядоченному движению макроскопических тел приходит беспорядок и хаос. Привычные твердые тела на поверку оказываются призрачной мозаикой, образованной всплесками энергии. Квантовая неопределенность убеждает нас, что невозможно всегда все знать о частице. Если, фигурально говоря, вы попытаетесь “пришпилить” частицу к определенному месту, она ускользнет от вас.

Эта неуловимость квантовых частиц доставила немало хлопот физикам при построении квантовой теории. В 20-х годах нашего столетия новая квантовая механика выглядела лабиринтом парадоксов. Хотя Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер были главными строителями квантовой теории, ее интерпретацию предложили Макс Борн и особенно Нильс Бор. Датский физик Бор первым осознал во всей полноте, что квантовая теория в той же мере применима к веществу, как и к излучению, и в последующие годы стал ведущим авторитетом и лидером среди физиков в области концептуальных основ квантовой механики. Институт Бора в Копенгагене был центром исследований по квантовой физике на протяжении более чем десятилетия. Однажды Бор заметил своим коллегам: “Если у человека при первом знакомстве с квантовой механикой голова не идет кругом, то он не понимает в ней ничего”. В своей книге “Физика и философия” Гейзенберг вспоминает о первых мучительных сомнениях по поводу смысла новой квантовой механики:

Я вспоминаю дискуссии с Бором, длившиеся за полночь, которые приводили меня почти в отчаяние. И когда я после таких обсуждений отправлялся на прогулку в соседний парк, передо мной снова и снова возникал вопрос: действительно ли природа может быть столь абсурдной, какой она предстает перед нами в этих атомных экспериментах?

Самым крупным оппонентом квантовой механики был Эйнштейн. Хотя ему самому довелось приложить руку к формулировке квантовой теории, он никогда полностью не разделял ее идей, считая квантовую теорию либо ошибочной, либо в лучшем случае “истинной наполовину”. Известно его изречение: “Бог не играет в кости”. Эйнштейн был убежден, что за квантовым миром с его непредсказуемостью, неопределенностью и беспорядком скрывается привычный классический мир конкретной действительности, где объекты обладают четко определенными свойствами, такими, как положение и скорость, и детерминировано движутся в соответствии с причинно-следственными закономерностями. “Безумие” атомного мира по утверждению Эйнштейна, не является фундаментальным свойством. Это всего лишь фасад, за которым “безумие” уступает место безраздельному господству разума.

Эйнштейн пытался найти это фундаментальное свойство в нескончаемых дискуссиях с Бором — наиболее ярким выразителем взглядов той группы физиков, которые считали квантовую неопределенность неотъемлемой чертой природы, не сводимой к чему-либо другому. Эйнштейн с завидным упорством продолжал свои атаки на квантовую неопределенность, пытаясь придумать гипотетические (“мысленные”, как принято говорить) эксперименты, которые обнаружили бы логический изъян в официальной версии квантовой теории. Бор каждый раз отражал нападки Эйнштейна, опровергая его аргументы.

Особенно памятен один эпизод на конференции, на которой собрались многие ведущие физики Европы в надежде услышать о последних достижениях новой тогда квантовой теории. Эйнштейн направил свою критику против варианта принципа неопределенности, устанавливающего, с какой точностью можно определить энергию частицы и момент времени, когда частица ей обладает. Эйнштейн предложил необычайно остроумную схему, позволяющую обойти неопределенность энергии—времени. Его идея сводилась к точному намерению энергии с помощью взвешивания: знаменитая формула Эйнштейна E= mc2 сопоставляет энергию E и массу т, а массу можно измерить взвешиванием.

На этот раз Бор был обеспокоен, и те, кто видел, как он провожал Эйнштейна в гостиницу, заметили, что Бор был сильно взволнован. Но на следующий день Бор, проведший бессонную ночь за детальным анализом рассуждений Эйнштейна, торжествуя, обратился к участникам конференции. Развивая свои аргументы против квантовомеханической неопределенности, Эйнштейн упустил из виду один важный аспект созданной им самим теории относительности. Согласно этой теории, гравитация замедляет течение времени. А поскольку при взвешивании без гравитации не обойтись, эффектом замедления времени пренебречь нельзя. Бор продемонстрировал, что при надлежащем учете этого аффекта неопределенность восстанавливается на обычном уровне.