Уставы небес, 16 глав о науке и вере
Шрифт:
Важно подчеркнуть, что в тех случаях, когда квантовая механика "соглашается" отвечать на тот или иной вопрос, ее ответы неизменно подтверждались всеми до сих пор выполненными экспериментами. Например, она способна вполне успешно рассчитывать характеристики различных спектральных линий в атомах, молекулах и твердых телах, расстояния между атомами в молекулах, и т. д., и до сих пор физики нигде не столкнулись с ее неадекватностью. Разумеется, в каждом конкретном расчете приходится делать какие-то дополнительные приближения, которые приходится контролировать отдельно, но в ряде случаев мы имеем точное решение задачи, например, для спектра атома водорода. При этом никаких расхождений между результатами экспериментов и предсказаниями квантовой механики обнаружить не удается. В то же время, на ряд вопросов, традиционно считавшихся вполне допустимыми (например, о значении координаты и скорости электрона в данный момент времени) она ответа не дает. В такой
Квантовая механика заслуживает всяческого уважения, но внутренний голос подсказывает мне, что это не настоящий Иаков. Теория дает много, но к таинствам Старого она не подводит нас ближе. Во всяком случае, я убежден, что Он не играет в кости (из письма А. Эйнштейна М. Борну 4.12.26, Эйнштейновский сборник 1972, М.: Наука, 1974, с. 7).
Очевидно, никогда в прошлом не была развита теория, которая, подобно квантовой, дала бы ключ к интерпретации и расчету группы столь разнообразных явлений. Несмотря на это, я все-таки думаю, что в наших поисках единого фундамента физики эта теория может привести нас к ошибке: она дает, по-моему, неполное представление о реальности, хотя и является единственной, которую можно построить на основе фундаментальных понятий силы и материальных точек... Неполнота представления является результатом статистической природы (неполноты) законов (А. Эйнштейн, Собр. научн. трудов, т. 4, с. 220)
(отметим здесь ссылку на понятия силы и материальной точки: Эйнштейн полагал, что дальнейшее углубление понимания должно базироваться на понятии поля; подробнее об этом см. в главе 11).
Целью теории является определение вероятности результатов измерений в системе в заданный момент времени. С другой стороны, она не пытается дать математическое представление того, что действительно имеет место, или того, что происходит в пространстве и времени. В этом пункте современная квантовая теория радикально отличается от всех предшествующих физических теорий как механических, так и полевых. Вместо того, чтобы дать модель для изображения реальных пространственно-временных событий, она дает распределения вероятности для возможных измерений как функций времени... Некоторые физики, и в том числе и я сам, не могут поверить, что мы раз и навсегда должны отказаться от идеи прямого изображения физической реальности в пространстве и времени или что мы должны согласиться с мнением, будто явления в природе подобны азартным играм (там же, с. 238, 239).
Наиболее глубокий анализ причин этих затруднений концептуального характера был дан Н. Бором в ходе разработки его знаменитого "принципа дополнительности":
...Решающим является признание следующего основного положения: как бы далеко ни выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться с помощью классических понятий.
Обоснование этого состоит просто в констатации точного значения слова "эксперимент". Словом "эксперимент" мы указываем на такую ситуацию, когда мы можем сообщить другим, что именно мы сделали и что именно мы узнали. Поэтому экспериментальная установка и результаты наблюдений должны описываться однозначным образом на языке классической физики.
Из этого основного положения... можно сделать следующий вывод. Поведение атомных объектов невозможно резко отграничить от их взаимодействия с измерительными приборами, фиксирующими условия, при которых происходят явления... Вследствие этого данные, полученные при разных условиях, не могут быть охвачены одной-единственной картиной; эти данные должны скорее рассматриваться как дополнительные в том смысле, что только совокупность разных явлений может дать более полное представление о свойствах объекта (Н. Бор, Собр. научн. трудов, т. 2, с. 406-407).
Согласно Бору, коренная причина наших затруднений состоит в том, что в действительности все термины "волна", "частица" и т.п., которые мы используем для описания свойств микрообъектов, например, электрона - это слова обычного языка, сформировавшегося в процессе освоения окружающего нас мира макрообъектов. Электрон не похож ни на волну, ни на частицу и, строго говоря, не имеет аналогов в мире нашего повседневного опыта - но мы вынуждены тем не менее описывать его в соответствующих
терминах. Ситуация с определением сущности (истинного имени) электрона несколько напоминает трудности с определением истинного имени кота (singular Name) в стихах Элиота в эпиграфе. Приведем также перевод С. Степанова: Однако есть имя, двух первых помимо Лишь КОТ ЕГО ЗНАЕТ, а нам не дано. И как бы нам ни было невыносимо, Его не откроет он нам все равно. И если в раздумье застали кота вы, Что сел, словно Будда, у всех на виду, То не сомневайтесь (и будете правы!) Он думает, думает, думает, ду... Об Имени Мыслимо-мысле-немыслимом, Что писано было коту на роду."Двух первых помимо" - это как раз и есть - помимо названий "частица" и "волна".
Впрочем, подобная ситуация возникает в науке и философии не впервые. Как пишет А. Лосев, несмотря на абсолютный объективизм философии Платона, изложенная в "Тимее" космология строится исключительно на понятии вероятности. В этом диалоге мы при желании можем найти предвосхищение ряда идей квантовой механики.
...О том, что лишь воспроизводит первообраз и являет собой лишь подобие настоящего образа, и говорить можно не более как правдоподобно. Ведь как бытие относится к рождению, так истина относится к вере. А потому не удивляйся, Сократ, если мы, рассматривая во многих отношениях много вещей, таких, как боги и рождение Вселенной, не достигнем в наших рассуждениях полной точности и непротиворечивости (29 с-d) ...Наше исследование должно идти таким образом, чтобы добиться наибольшей степени вероятности (44 d).
...Я намерен и здесь придерживаться того, что обещал в самом начале, а именно пределов вероятного, и попытаюсь, идя от начала, сказать обо всем в отдельности и обо всем в месте такое слово, которое было бы не менее, а более правдоподобно, нежели любое иное... Прежде достаточно было говорить о двух вещах: во-первых, об основополагающем первообразе, который обладает мыслимым и тождественным бытием, а во-вторых о подражании этому первообразу, которое имеет рождение и зримо... Теперь мне сдается, что сам ход наших рассуждений принуждает нас попытаться пролить свет на тот [третий] вид, который темен и труден для понимания... Это - восприемница и как бы кормилица всякого рождения. Нелегко сказать о каждом из них [четырех элементах], что в самом деле лучше назвать водой чем огнем, и не правильнее ли к чему-то одному приложить какое-нибудь из наименований, чем все наименования, вместе взятые, к каждому, ведь надо употреблять слова в их надежном и достоверном смысле... Положим, некто, отлив из золота всевозможные фигуры, бросает их в переливку, превращая каждую во все остальные; если указать на одну из фигур и спросить, что же это такое, то будет куда осмотрительнее и ближе к истине, если он ответит "золото" и не станет говорить о треугольнике и прочих рождающихся фигурах как о чем-то сущем, ибо в то мгновение, когда их именуют (!), они уже готовы перейти во что-то иное, и надо быть довольным, если хотя бы с некоторой долей уверенности (!) можно допустить выражение "такое" (48d-50b)... Здесь-то мы и полагаем начало огня и всех прочих тел, следуя в этом вероятности, соединенной с необходимостью; те же начала, что лежат еще ближе к истоку, ведает Бог, а из людей разве что тот, кто друг Богу (53 d).
У физика, профессионально занимающемся основами квантовой механики, слова Платона "...в то мгновение, когда их именуют, они уже готовы перейти во что-то иное" могут вызвать ассоциации с известным понятием "коллапса волновой функции" в процессе измерения (именования!) и с описывающей этот процесс квантовой теорией измерений, построенной крупнейшим математиком Дж. фон Нейманом. Эта теория представляет собой "конструктивную" математическую форму Боровского принципа дополнительности. Согласно теории фон Неймана, состояние квантовой системы может изменяться двумя способами: либо в процессе "плавной" эволюции в соответствии с основным уравнением квантовой механики - уравнением Шредингера, либо скачком, в процессе измерения. Отметим для будущего обсуждения природы времени (гл. 15), что лишь второй тип изменений приводит к необратимости.
Итак, согласно принципу дополнительности, любая попытка конкретизовать описание реальности приводит к его неполноте и к сужению самого понятия реальности. "Волна" и "частица" - мы обречены интерпретировать реальность в этих терминах, позаимствованных из мира макрообъектов, а остальное "ведает Бог, а из людей разве что тот, кто друг Богу". Стало почти общим местом говорить о параллелях между принципом дополнительности и восточными религиозными и философскими системами, в частности, даосизмом: