Страница 8 из 25
Успехи этого научного подхода, основанного на соединении опыта и логического вывода, были настолько впечатляющи, что породили иллюзию всемогущества человеческого разума. Наиболее яркое проявление самонадеянности человека видно в ответе П. Лапласа Наполеону – на вопрос императора, почему в его системе мира нет места Богу, он гордо заявил: «Я не нуждаюсь в этой гипотезе».
Однако открытия XX века показали, что ясность и отчетливость интерпретации опытных данных, основанные на логике и здравом смысле, не всегда могут быть достигнуты, если речь идет о таких явлениях природы, которые разыгрываются в масштабах, намного отличающихся от привычных для человека, – в мире явлений атомных или, наоборот, космических, охватывающих звезды, галактики и их скопления. Сейчас вновь на первый план выступают свойственные древней мудрости подходы, сформулированные еще в учениях Гераклита, Будды, Лао-цзы… Нынешняя эпоха развития знаний о природе и человеке имеет шансы стать временем возвращения к древней мудрости, временем, когда символический язык древних учений дополнится реальным содержанием научных исследований.
С точки зрения философии Нового времени основными инструментами познания являются разум и опыт. Роль их в научном познании признавали как рационалисты, так и эмпирики, разница была лишь в степени важности того или другого. Примирил эти крайние позиции Исаак Ньютон; его работы создали ощущение полной ясности законов Природы. Он дал новый метод, основанный на достоверных принципах, выводимых из опытов путем индукции, а не на гипотезах, которые кажутся правдоподобными или выдвигаются по аналогии с устройством других явлений и процессов. «Hypotheses non fingo» («Гипотез не измышляю») – эта фраза стала его девизом, научным кредо. И хотя сам Ньютон был автором гипотез: корпускулярной теории света, эфира, дальнодействия, – он считал их знанием второго плана, подчиненным природе явлений и в этом смысле «не вымышленным».
По словам американского физика Ричарда Фейнмана, классическая картина мира, созданная к началу XX века, рисовалась примерно так: есть трехмерная «сцена», называемая пространством, и все изменяется в среде, называемой временем. Элементы, выступающие на «сцене», – частицы (например, атомы); они обладают известными свойствами (например, инерцией: когда частица движется в какую-либо сторону, она делает это до тех пор, пока на нее не подействует сила). Сила – второй элемент; силы бывают двух сортов: взаимодействия (скрепляющая атомы в разных комбинациях) и силы, действующие на далеких расстояниях (например, тяготение). Закон, которым подчиняются силы и частицы, известен и довольно прост. Вопрос же о причинах такого поведения частиц и сил не задается – ответ на него неизвестен и находится вне сферы науки: она отвечает лишь на вопрос «как?», но не «почему?».
Но вот пришел век XX, и казавшееся столь прочным здание научного знания зашаталось и потребовало существенной перестройки.
В самом деле, классическая физика позволила единым образом объяснить движение тел на Земле и планет в космосе, тепловые явления, связала воедино магнетизм и электричество, навела порядок в оптике. Оставалось разобраться в законах излучения света: наблюдаемые эффекты никак не удавалось объяснить с классических позиций. Для спасения физики Макс Планк в 1900 году предположил, что электромагнитные волны (свет) излучаются порциями, он назвал их квантами. Так родилась одна из самых удивительных физических теорий – квантовая физика. Ее непривычность и странность превратилась в своего рода профессиональную легенду физиков: до сих пор остается актуальным высказывание Р. Фейнмана: «Квантовую механику нельзя понять, к ней можно только привыкнуть».
На начальном этапе реформ физика предстает этаким странным монстром: для создания моделей атома привлекалась ньютонова механика, но она всячески подправлялась не свойственными ей идеями квантования. Характерным примером такого полуклассического-полуквантового «кентавра» является планетарная модель простейшего атома водорода, предложенная Нильсом Бором. Она не могла, в частности, объяснить, как движется электрон при переходе с одной орбиты на другую, и не годилась для объяснения поведения более сложных атомов, даже атома гелия, отличающегося от водорода наличием двух электронов, движущихся вокруг ядра (атом водорода имеет только один электрон на орбите). Об исследованиях в области атомной физики Альберт Эйнштейн писал: «…все мои попытки объяснить эти новые явления были абсолютно безуспешны. Это напоминало ситуацию, когда почва уходит из-под ног, и не на что опереться».
Дальнейшие исследования показали, что даже движение частиц атома нельзя описывать в классических понятиях траектории (орбиты). Необходимость принципиально новой идеи стала ясна физикам. Но результирующая теория, соединившая непротиворечивым образом все наблюдаемые факты, была далеко не проста. Но что такое простота, как не приверженность привычке? Возможно, что и наши потомки с недоумением будут пожимать плечами, удивляясь нашему пристрастию к моделям классической науки.
Физическая картина мира состоит из нескольких частей. Во-первых, это экспериментальные данные. Во-вторых, математическая теория, которая формальным образом связывает условия и результаты наблюдения. И, наконец, третья часть – интерпретация, соединяющая эти эксперименты и теоретические построения в единую картину. Для квантовой картины мира эта интерпретация оказалась чрезвычайно непривычной. Может быть, с этим связано существование нескольких интерпретаций квантовой механики.
Наиболее принятой в научном мире является так называемая копенгагенская интерпретация, связанная с именами Н. Бора и В. Гейзенберга. В соответствии с ней физический мир делится на две части – наблюдаемую и наблюдающую. Наблюдаемая часть является «истинно квантовой», ее примером могут служить атом, электрон и т. п. Наблюдающая система состоит из экспериментального оборудования и из одного или нескольких людей-наблюдателей. Свойства квантовых объектов проявляются только через показания классических приборов – только их мы можем интерпретировать в привычных нашему разуму понятиях. Квантовая реальность принципиально отлична от классической: в микромире многие привычные нам представления оказываются неверными. Чтобы хоть как-то прояснить для себя свойства квантового мира, нам приходится принимать, что приписываемые квантовой реальности классические свойства ведут себя странно. Например, мы говорим: «Электрон до измерения не имеет никакого положения» – и представляем его в образе волны: волна протяженна, она не имеет определенной координаты. Однако, взаимодействуя с «классическим» экраном, электрон оставляет след в виде точки – мы склонны интерпретировать это как обретение им физической характеристики, координаты. Но что произойдет с самим электроном в результате этого «измерения», неизвестно.
Итак, все сказанное выше приводит нас к мысли, что в основе наблюдаемой реальности лежит «невидимая» квантовая реальность, которая становится «видимой» в ходе взаимодействия наблюдаемой и наблюдающей частей рассматриваемой системы. Однако в реальных ситуациях эта система едина, ее разделение на «квантовую» и «классическую» весьма условно.
Одно из свойств квантовой реальности, кажущееся парадоксальным с позиций классической физики, связано с тем, что уточнение одной из характеристик квантового объекта при взаимодействии его с классическим прибором, то есть при измерении, сопровождается потерей точности в значении некоторых других. Так, например, уточнение координаты частицы в процессе ее взаимодействия с классическим прибором делает ее импульс (произведение массы на скорость) менее определенным; таким же свойством обладает время наблюдения системы и ее энергия и др. Такое странное с классической точки зрения положение Бор сформулировал как принцип дополнительности. По-видимому, адекватное описание явлений микромира требует использования разных «языков», дополняющих друг друга. Так, описание микрочастицы как точечного объекта отражает лишь часть его свойств, проявляющихся, например, при бомбардировке атомов. В других условиях (например, при прохождении через набор щелей) микрочастица проявляет свои волновые свойства. В результате возникает представление о квантовой частице как о некоторой скрытой реальности, ведущей себя по-разному в зависимости от способов взаимодействия с наблюдателем. По словам Нильса Бора, «изолированные материальные частицы – это абстракции, свойства которых могут быть определены и зафиксированы только при их взаимодействии с другими системами». Наблюдения в этой ситуации становятся очень похожими на рассматривание «теней на стене пещеры», описанных Платоном в диалоге «Государство». Этот миф другими словами пересказывают физики XX века. Так, например, Дэвид Бом считает: «…неделимое квантовое единство всей Вселенной является наиболее фундаментальной реальностью, а эти относительно независимые составные части – только лишь частные единичные формы внутри этого единства».