Квантовый ум. Грань между физикой и психологией

Существует много разных мнений относительно того, что значит объяснять что-либо. Согласно одному из них: «Объяснять – значит давать описание полей в терминах опыта». Согласно другому: «Объяснять – значит относиться к спрашивающему в терминах его первичного процесса, его общепринятой реальности, его личной идентичности». Согласно третьему: «Объяснять означает использовать понятие, согласующееся с остальным опытом человека». Многие из моих студентов соглашаются с этим третьим мнением, говоря, что личный опыт и идентичность большинства людей основываются на том, что у вещей должны быть причины.

Как мы можем видеть, то, что объясняет что-либо одному человеку, может не объяснять это другому человеку. До сих пор физике удавалось обходиться использованием, главным образом, таких понятий общепринятой реальности, как частица, энергия, работа, время, пространство, материя и число, которые имеют определенное значение для большинства людей. Детальное изучение этих терминов показывает, что они не слишком точны, что все они взаимосвязаны и являются в большей степени процессуально-ориентированными, нежели постоянными и разделимыми. Тем не менее, чтобы вещи оставались понятным, физика продолжала использовать этот язык.

Очевидно, что общепринятым считается объяснение, описывающее события в терминах общепринятой реальности. Например, если все люди соглашаются говорить о переживаниях в терминах химии мозга и сновидений, мне нужно говорить на этом языке, чтобы понимать их и объяснять им нечто новое. Я не знаю, что такое химия мозга или сновидения, но это не так важно, как тот факт, что для некоторых людей эти переживания имеют смысл.

Коллективно принимаемые объяснения имеют дело с терминами и понятиями общепринятой реальности. В настоящее время использование инопланетных существ для объяснения того, что происходит у нас в умах не было бы принятым объяснением для ученых, в то время как химия мозга вполне подходит на эту роль.

То же самое справедливо для физики. Сейчас, в начале нового столетия причинность и частицы по-прежнему остаются более принятыми терминами, чем поля и действие на расстоянии. Таким образом, даже хотя частицы не существуют, они «объясняют» людям различные вещи. Понятие частицы позволяет нам соотноситься с событием и даже разрабатывать полезные теории, которые могут быть проверены и позднее использованы для развития технологии. Возможно, в другом столетии более общепринятую роль, чем частицы, будут играть духи. Тогда мы будем говорить о духах или о чем угодно еще, что будет приемлемым в общепринятой реальности.

Сегодня предпочитаемые объяснения содержат причинные элементы. Например, одна воображаемая частица сталкивается с другой видимой частицей, заставляя ее двигаться. В физике объяснения не только должны формулироваться в коллективно приемлемых терминах; на них также налагают ограничения экспериментальные результаты. Единственно приемлемые объяснения – это те, что содержат части, допускающие проверку.

В случае «виртуальных» частиц, их сами невозможно измерит, однако можно измерять другие вещи, связанные с понятием виртуальной частицы. Чтобы понятие виртуальной частицы было приемлемым в физике, оно должно соответствовать известным законам и принципам, например, теории относительности и квантовой механике, то есть закону Эйнштейна «Е = mc²» и принципу неопределенности Гейзенберга. Короче говоря, приемлемое объяснение в физике использует термины ОР, содержит элементы, поддающиеся проверке, и согласуется с другими известными законами физики.

Квантовая электродинамика

Физики решили объяснять поля в терминах частиц потому, что понятие частицы было приемлемым в физике. Физики объясняют поля с помощью квантовой электродинамики (КЭД) – одной из самых полезных и общепринятых физических теорий. Квантовая электродинамика представляет собой соединение квантовой механики, теории относительности и теории электрического поля. Она объясняет, что две заряженные частицы, например два электрона, отталкиваются друг от друга не из-за электрического «поля» между ними, а потому, что каждый электрон испускает «виртуальные» частицы, и эти виртуальные частицы отталкивают друг друга.

Благодаря, в основном, работам Ричарда Фейнмана, КЭД прекрасно объясняет, как действует химия, как электроны обмениваются виртуальными частицами, именуемыми фотонами. Эта теория не совершенна, но пока остается во многих отношениях наилучшей. Со временем в физике будут разработаны новые идеи, идущие дальше КЭД (например, теория суперструн), но этим новым теориям предстоит пройти долгий путь, прежде чем они смогут говорить нам так много о мире, как КЭД.

История развития идеи виртуальных частиц как воображаемых объяснений полей чрезвычайно интересна. Возьмем две заряженных частицы любого типа – отрицательно заряженные электроны или положительно заряженные протоны. Воображаемый ответ на вопрос, почему эти частицы отталкивают друг друга, состоит в том, что из ничего создаются виртуальные частицы. Согласно этому представлению, один из протонов испускает виртуальные частицы, ударяющиеся в другой протон. В левой части рис. 33.2 мы видим отталкивание «объясняемое» электрическим полем, которое в правой части заменяется ударами виртуальных частиц.

Рис. 33.2. Полевое и корпускулярное объяснение электрических полей

Заряженные частицы, показанные на рисунке справа, содержат в себе виртуальные частицы, и эти виртуальные частицы ударяются в другие заряженные частицы, тем самым вызывая отталкивание. Но откуда берутся эти виртуальные частицы?

В корпускулярной картине материи считается, что обычная материя, например, протон «содержит» в себе сгусток виртуальный частиц, наподобие маленьких частиц света, которые испускаются и тут же снова поглощаются основной частицей. В этой картине вещей, виртуальные частицы, как то мгновенно существующие фотоны света, выходят из большей заряженной частицы, например, протона, и снова поглощаются им, прежде чем их можно увидеть, измерить, или взвесить.

Ситуация заряженной частицы похожа на ситуацию человека, вроде меня или вас, который задумавшись идет по улице. Рисунок из комикса мог бы изображать человека, из головы которого выходит множество идей и всего прочего и тут же снова уходит обратно.

Физики представляют себе заряженную частицу наподобие такой головы, из которой выходит и тут же снова поглощается обратно масса всякой всячины. Их воображение предполагает, что когда две заряженные частицы сближаются, виртуальные частицы каждой из них не испускают заряды, а ударяются в другую заряженную частицу, тем самым ее отталкивая. Таков ответ квантовой электродинамики о том, как положительные или отрицательные заряды отталкивают друг друга.

В действительности, квантовая электродинамика даже еще шире, чем я сказал. Согласно КЭД, частицы обмена (как иногда называют виртуальные частицы) могут двигаться вперед и назад во времени. Мы не можем определить, какой из протонов первым испускает свою виртуальную частицу, сталкивающуюся с другим протоном. Мы только знаем, что в квантовом мире существуют неопределенности в отношении времени, пространства и измерения. Однако нам даже нет нужды беспокоится об измерении виртуальных частиц, поскольку мы не можем этого делать; они существуют слишком короткое время.

Как же физикам может сходить с рук такая дикая теория? Объяснения КЭД начинают звучать почти как психологические, поскольку психологи тоже придумывают воображаемые фигуры сновидений, чтобы объяснять человеческое поведение. Возможно, вы удивляетесь, как же дозволяются подобные психологические или физические теории? Идея виртуальных частиц, налетающих на реальные, дозволяется потому, что виртуальные частицы не могут быть измерены.

Виртуальные частицы движутся так быстро, что их защищает принцип неопределенности. Их невозможно измерить или увидеть. Реальные частицы тоже нельзя увидеть непосредственно. Помните квантовую теорию? Вы можете видеть частицы, например электроны, только когда они вызывают щелчки счетчиков электронов на экране, в который они попадают. Кроме того, можно прослеживать частицы в конденсационной камере, наблюдая следы, которые за ними остаются. Результаты частиц можно видеть, но сами частицы не поддаются непосредственному наблюдению.