Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв

явление →образ→ понятие→ формула → опыт

принцип дополнительности сказывается прежде всего на системе понятий квантовой механики и на логике ее умозаключений. Дело в том, что среди основных положений формальной логики существует «правило исключенного третьего», которое гласит: из двух противоположных высказываний одно истинно, другое — ложно, а третьего быть не может. В классической физике не было случая усомниться в этом правиле, поскольку там понятия «волна» и «частица» действительно противоположны и несовместимы по существу. Оказалось, однако, что в квантовой физике оба они одинаково хорошо применимы для описания свойств одних и тех же объектов, причем для полного описания необходимо использовать их одновременно. Люди, воспитанные на традициях классической физики, восприняли эти требования как некое насилие над здравым смыслом и поговаривали даже о нарушении законов логики в атомной физике. Бор объяснил, что дело здесь вовсе не в законах логики, а в той беспечности, с которой без всяких оговорок используют классические понятия для объяснения квантовых явлений. А такие оговорки необходимы, и соотношение неопределенностей Гейзенберга

Δx·Δρ≥ℏ/2

— запись этого требования на языке формул.

Причина несовместимости дополнительных понятий в нашем сознании глубока, но объяснима. Дело в том, что познать атомный объект непосредственно, с помощью наших пяти чувств, мы не можем. Вместо них мы используем довольно сложные приборы, которые изобретены сравнительно недавно. Для объяснения результатов опытов нам нужны слова и понятия, а они появились задолго до квантовой механики и никоим образом к ней не приспособлены. Однако мы вынуждены ими пользоваться — у нас нет другого выхода: язык и все основные понятия мы усваиваем значительно раньше, чем узнаем о существовании физики.

Принцип дополнительности Бора — удавшаяся попытка примирить ограниченность устоявшейся системы понятий с прогрессом наших знаний о мире. Этот принцип расширил возможности нашего мышления, объяснив, что в квантовой физике меняются не только понятия, но и сама постановка вопросов о сущности физических явлений. (Паули одно время даже предлагал назвать квантовую механику «теорией дополнительности» — по аналогии с теорией относительности.) Но значение принципа дополнительности выходит далеко за пределы квантовой механики, где он возник первоначально. Лишь позже — при попытках распространить его на другие области науки — выяснилось его истинное значение для всей системы человеческих знаний. Можно спорить о правомерности такого расширения, но нельзя отрицать его плодотворности во многих случаях, даже далеких от физики.

Сам Бор любил приводить пример из биологии, связанный с жизнью клетки, роль которой вполне подобна значению атома в физике. Если атом — последняя частица вещества, еще сохраняющая его свойства, то клетка — это самая малая часть любого организма, которая все еще представляет жизнь в ее сложности и неповторимости. С точки зрения науки изучить жизнь клетки — значит узнать все элементарные процессы, в ней происходящие, и при этом понять, как их взаимодействие приводит к совершенно особому состоянию материи — к жизни.

При попытке выполнить эту программу оказывается, что одновременное сочетание такого анализа и синтеза неосуществимо. В самом деле, чтобы проникнуть в детали механизма жизнедеятельности клетки, мы рассматриваем ее в микроскоп — сначала обычный, затем электронный,— нагреваем клетку, пропускаем через нее электрический ток, облучаем, разлагаем на составные части... Но чем пристальнее мы станем изучать жизнь клетки, тем сильнее будем вмешиваться в ее функции и в ход естественных процессов, в ней протекающих. В конце концов мы ее разрушим и поэтому ничего не узнаем о ней как о целостном живом организме. Тем не менее ответ на вопрос «Что такое жизнь?» требует и анализа, и синтеза одновременно. Процессы эти несовместимы, но не противоречивы, а дополнительны, и необходимость учитывать их одновременно — лишь одна из причин, по которой до сих пор не существует ответа на вопрос о сущности жизни.

Как и в живом организме, в атоме важна целостность его свойств «волна — частица». Конечная делимость материи породила не только конечную делимость атомных явлений — она привела также к пределу делимости понятий, с помощью которых мы эти явления описываем.

Часто говорят, что правильно поставленный вопрос — уже половина ответа, и это не просто эффектный афоризм. Правильно поставленный вопрос — это вопрос о тех свойствах явления, которые у него действительно есть. Поэтому он уже содержит в себе все понятия, которые необходимо использовать в ответе. На идеально поставленный вопрос можно ответить коротко: «да» или «нет». Бор показал, что вопрос «волна или частица?» в применении к атомному объекту неправильно поставлен. Таких раздельных свойств у атома нет, и потому он не имеет однозначного ответа «да» или «нет». Точно так же, как нет ответа у вопроса «Что больше: метр или килограмм?» и у других подобных вопросов.

Квантовый объект — это не частица, и не волна, и даже ни то, ни другое одновременно. Квантовый объект — это нечто третье, не равное простой сумме свойств волны и частицы,— точно так же, как мелодия — больше, чем сумма составляющих ее звуков, а кентавр — не простая сумма коня и человека, а нечто качественно новое. Это квантовое «нечто» не дано нам в ощущении, и тем не менее оно, безусловно, реально. У нас нет образов и органов чувств, чтобы вполне представить себе свойства этой реальности. Однако сила нашего интеллекта, опираясь на опыт, позволяет все-таки ее познать. Два дополнительных свойства квантовой реальности нельзя разделить, не разрушив при этом полноту и единство явления природы, которое мы называем, например, атомом, точно так же, как невозможно разрезать на две части кентавра, сохранив при этом в живых и коня, и человека.

Когда Гейзенберг отбросил идеализацию классической физики — понятие «состояние физической системы, независимое от наблюдения», он тем самым предвосхитил одно из следствий принципа дополнительности, поскольку «состояние» и «наблюдение» — дополнительные понятия. Взятые по отдельности, они неполны и поэтому могут быть определены только совместно, друг через друга. Говоря строго, они вообще не существуют порознь: мы всегда наблюдаем не вообще нечто, а непременно какое-то состояние. И наоборот: всякое состояние — это вещь в себе до тех пор, пока мы не найдем способ его наблюдения.

Сами по себе понятия «волна» и «частица», «состояние» и «наблюдение системы» суть некие идеализации, равно необходимые для понимания квантового мира. Классические картины дополнительны в том смысле, что для полного описания сущности квантовых явлений необходимо их гармоническое сочетание. Однако в рамках привычной логики они могут сосуществовать без противоречий лишь в том случае, если области их применимости взаимно ограничены.

Много