Физика веры - Татьяна Тихоплав

В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщем корпускулярно-волновом дуализме, по которой не только фотоны, но и все “обыкновенные частицы” (протоны, нейтроны, электроны и т. д.) также обладают волновыми свойствами. Позднее эта гипотеза была подтверждена экспериментально, Австрийский физик Э. Шредингер в 1926 году вывел уравнение, описывающее поведение таких “волн” во внешних силовых полях. Так возникла волнован механика, а уравнение Шредингера явилось основным уравнением нерелятивистской квантовой механики. А в основу релятивистской квантовой механики легло релятивистское уравнение, описывающее движение электрона во внешнем силовом поле, полученное английским физиком П. Дираком двумя годами позже.

Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории произошло после появления работ В. Гейзенберга о принципе неопределенности и Н. Бора о принципе дополнительности.

Принцип неопределенности утверждает, что “любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные точные значения” (18, с. 465). Что это значит?

Существенной чертой микроскопических объектов является их корпускулярно-волновая природа. Состояние частицы полностью определяется волновой функцией. Частица может быть обнаружена в любой точке пространства, в которой волновая функция отлична от нуля- Поэтому результаты экспериментов по определению, например, координаты, имеют вероятностный характер, Это означает, что при проведении серии одинаковых опытов над одинаковыми системами каждый раз будут получаться разные результаты. Однако некоторые значения будут более вероятными, чем другие, то есть будут появляться чаще. Причем, чем точнее будет определена координата, тем менее точным будет значение импульса.

Таким образом, квантовые “законы” не имеют абсолютной природы законов Ньютона, вся квантовая теория строится на вероятности. И если классическая физика может предсказать точные результаты еще до эксперимента, то квантовая физика может предсказать только вероятности.

К принципу дополнительности, сформулированному Н. Бором, физики пришли, когда обнаружили, что при экспериментах с элементарными частицами исследователь сам же с помощью своих собственных действии себе мешает. Принцип Бора гласит: получение в эксперименте информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к данным (69, с. 71).

Об элементарных частицах мы что-то узнаем обычно по результатам их встреч с другими частицами, играющими роль зондов. В квантовом мире такие встречи частиц изменяют их свойства. А приборы, в которых мы регистрируем частицы, по своей природе всегда — объекты макроскопические. Прибор искажает то, что исследует. Сам акт наблюдения изменяет наблюдаемое. Объективная реальность зависит от прибора, то есть в конечном счете, от произвола наблюдателя. Последний Превращался, таким образом, из зрителя в действующее лицо. Поэтому один из "отцов" квантовой механики Бор считал, что натуралист познает не саму реальность, а лишь собственный контакт с ней (35, с. 4).

Некоторые физики, например Е, Вагнер, начали изучать вопрос о влиянии сознания наблюдателя на результаты измерений квантовой физики (50, с, 220). В результате всей этой неопределенности, вероятности и дополнительности Нильс Бор дал так называемую “копенгагенскую” интерпретацию сути квантовой теории: “Раньше было принято считать, что физика описывает Вселенную. Теперь мы знаем, что физика описывает лишь то, что мы можем сказать о Вселенной” (94, с. 81). Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что “компенгагенизм” постулирует Вселенную, которая магически создается человеческой мыслью.

По этому поводу Эйнштейн как-то сказал, что если, согласно квантовой теории, наблюдатель создает или частично создает наблюдаемое, то мышь может переделать Вселенную, просто посмотрев на нее. Поскольку это кажется абсурдом, Эйнштейн заключил, что в квантовой физике содержится какой-то большой нераспознанный изъян.

Как же в таком случае следует расценивать фундаментальную неопределенность (индетерминизм) в квантовой теории?

Можно предположить, что индетерминизм лежит в основе Мира, а обсуждаемая особенность квантовой теории есть адекватное отображение этого Мира. Именно этой точки зрения придерживались Бор, Гейзенберг, Борн, Дирак, Паули и многие другие.

Но существовало и другое мнение, а именно: в основе природы лежит какая-то разновидность детерминизма (определенности), например, статистического характера в духе скрытых параметров, которая пока ускользает из поля зрения исследователей. Такой точки зрения придерживались Планк, Эйнштейн, Де Бройль, Шредингер. Лоренц, которые с самого начала отвергали “копенгагенизм”, настаивая на том, что в конце концов будет найден способ утвердить “реальность” даже в квантовом мире (109, с. 20).

В частности, Эйнштейн считал, что квантовая теория в существующем виде просто является незаконченной. То есть, то, что мы пока не можем избавиться от неопределенности, не свидетельствует об ограниченных возможностях научного метода, как утверждал Бор, а говорит лишь о незавершенности квантовой механики- В конце концов, аргумент Эйнштейна вырос в гипотезу о существовании так называемой скрытой переменной.

Можно только поражаться титанической интуиции Эйнштейна, более 30 лет боровшегося с тем направлением развития, которое приняла квантовая физика при его жизни: “...Я беспрестанно искал другой путь для решения квантовой загадки... Эти поиски обусловлены глубокой, принципиального характера неприязнью, которую мне внушают основы статистической квантовой теории” (79, с. 435), Эйнштейн выступал против принципа неопределенности, за детерминизм, против той роли, которую в квантовой механике отводят акту наблюдения (влиянию измерительного прибора). Он полагал, что квантовая теория может стать более совершенной на пути расширения общего принципа относительности (26, ч. 2, с. 48).

Внешнюю, открытую борьбу Эйнштейн вел долго и упорно. Он шел с открытым забралом на защиту своих интересов, придумывал все новые, самые изощренные аргументы и опыты — экспериментальные и логические — для доказательства своей правоты. Потом Н. Бор не раз отмечал, насколько важной и плодотворной для развития квантовой механики стала эта длительная дуэль с Эйнштейном. Признавая себя побежденным в каждом бою, Эйнштейн продолжал верить, что истина все же на его стороне, и страстно продолжал искать ее. Потому что истина была для него дороже всего.

В 1947 году Эйнштейн писал Максу Борну, одному из основоположников квантовой механики: “В наших научных взглядах мы развились в антиподы. Ты веришь в играющего в кости Бога, а я — в полную закономерность объективно сущего... В чем я твердо убежден, так это в том, что в конце концов остановятся на теории, в которой закономерно связанными будут не вероятности, но факты” (79, с. 435). Как показало дальнейшее развитие науки, Эйнштейн оказался прав.

Однако существование двух принципиально различных направлений в подходе к квантовой физике характеризует кризис в понимании физической реальности, который длится вот уже более полувека. Буквально до последнего времени дискуссии подлежали следующие вопросы (26. ч. 1, с, 9).

1. Что такое волновая функция в уравнениях Шредингера и Дирака, то есть какое физическое поле она представляет?

2. Существуют ли детерминизм и причинность в области микромира?

3. Каков образ квантовой частицы?

4. Полна ли квантовая механика?

На все эти вопросы удалось найти ответ только в последнее десятилетие уходящего века.

В 1965 году доктор Джон С. Белл опубликовал работу, которую физики кратко называют "теоремой Белла” (94,с.181).

Теорема Белла утверждает: если некоторая объективная Вселенная существует и если уравнения квантовой механики структурно подобны этой Вселенной, то между двумя частицами, когда-либо входившими в контакт, существует некоторый вид нелокальной связи.

Стоит напомнить, что классический тип нелокальной связи — это “магическая” связь.

Все доквантовые модели мира, включая теорию относительности Эйнштейна, предполагали, что любые корреляции (взаимозависимости) требуют связей. В ньютоновской физике — связь механическая и детерминистская; в термодинамике — механическая и статистическая; в электромагнетизме эта связь выступает как пересечение или взаимодействие полей; в теории относительности — как результат искривления пространства, но в любом случае корреляция предполагает некоторую связь. В качестве простой модели мира все физики доквантовой эпохи принимали биллиардный стол. Если лежащий на нем шар приходит в движение, причина лежит в механике (удар другого шара), полях (воздействие электромагнитного поля толкает шар в определенном направлении) или геометрии (стол наклонен). Но без причины шар двигаться не будет(36,с.12).