Под знаком кванта. - Леонид Иванович Пономарёв

Но там есть своя, квантовомеханическая причинность и свой закон — уравнение Шрёдингера. Закон этот более могуществен, чем уравнение Ньютона, поскольку улавливает и выделяет закономерности даже в хаосе случайных квантовых событий — подобно калейдоскопу, который в случайном сочетании стеклышек позволяет разглядеть фигуры, имеющие смысл и красоту.

Сочетания слов: «статистическая причинность», «вероятностная закономерность» — с непривычки режут слух своей несовместимостью. («Масляное масло» — плохо, но все же разумно, однако «немасляное масло» — это уж слишком.) Они в самом деле несовместимы. Но в квантовой физике мы вынуждены использовать их одновременно при объяснении особенностей квантовых явлений. В действительности никакого логического парадокса здесь нет: понятия «случайность» и «закономерность» — дополнительные понятия. В согласии с принципом дополнительности Бора оба они одновременно и равно необходимы, чтобы определить новое понятие «квантовомеханическая причинность», которая есть нечто большее, чем простая сумма понятий «закономерность» и «случайность». Точно так же, как «квантовый объект» — всегда нечто более сложное, чем бесхитростная сумма свойств «волны» и «частицы».

Случайность единичных квантовых событий — не результат действия неизвестных причин, а первичный элементарный закон, которому они подчиняются, это — отправная точка теории, а не факт, подлежащий объяснению. Вероятность — свойство и категория, присущие самой квантовой реальности, а не удобный математический прием, используемый для описания результатов эксперимента.

При всей логической красоте таких построений привыкнуть к ним и признать их естественными все-таки довольно трудно. Как всегда в квантовой физике, эти логические трудности объясняются особенностями нашего языка и нашего воспитания. Понятия «закономерность» и «случайность», «достоверность» и «вероятность» возникли задолго до квантовой механики, и смысл, который в них обычно вкладывают, не зависит от желания квантовых физиков.

Проблема вероятности — это проблема наблюдения: что произойдет, если мы проделаем нечто. В классической физике два одинаковых испытания при одинаковых начальных условиях всегда должны приводить к одному и тому же конечному результату. В этом суть классической причинности, или детерминизма. Своеобразие квантовомеханической причинности состоит в том, что даже при неизменных условиях она может указать лишь вероятность исхода отдельного испытания, но зато совершенно достоверно предсказывает распределение исходов при большом числе тех же самых испытаний. С квантовой точки зрения традиционная формулировка закона причинности — «зная точно настоящее, можно уверенно предсказать будущее» — содержит неверную предпосылку:

в силу соотношения неопределенностей мы в принципе не можем знать настоящее во всех деталях. Заключение же остается верным, если понимать его теперь по-новому.

Можно без конца жонглировать парадоксами «закономерная случайность», «достоверная вероятность», однако это ничего не прибавит к нашим знаниям об атоме. Суть не в этом. Просто нужно понять хотя бы однажды, что вероятностное описание атома — это не результат усреднения пока еще неизвестных субатомных явлений, а принципиальный предел возможностей нынешней науки: пока остается в силе соотношение неопределенностей Гейзенберга, мы не можем беспредельно уточнять наши сведения об индивидуальных квантовых объектах. По существу, нам это и не нужно: все тела в природе состоят из огромного числа атомов, а свойства таких систем квантовая механика предсказывает однозначно и без всякого произвола.

Понятие о вероятности завершило логическую схему квантовой механики. Только с его помощью удалось логически непротиворечиво осуществить высший синтез дополнительных пар понятий: волна — частица, непрерывность — дискретность, причинность — случайность, явление — наблюдение. Лишь после этого удалось, наконец, установить, что все эти понятия образуют неделимую систему и каждое из них зависит от контекста других. Точно так же, как нельзя объяснить, кто такой Геракл, не упоминая при этом Зевса, Атланта, Медузу Горгону, кентавра Хирона: только все вместе они образуют неповторимую ткань единого древнего мифа.

Ответы квантовой механики на вопросы, которые мы задаем природе, зависят от того, какую сторону атомного явления мы хотим изучить более пристально.

Изучая природу, мы всегда — сознательно или бессознательно — расчленяем ее на две части: на объект и наблюдателя. Разделение это неоднозначно и зависит от того, какое явление мы изучаем и что мы хотим о нем узнать. Если под явлением мы понимаем движение отдельной частицы, то это событие дискретно, случайно и большей частью ненаблюдаемо. Но если явлением мы называем результат наблюдения за движением многочисленных одинаковых квантовых объектов, то это событие непрерывно, закономерно и описывается волновой функцией.

Квантовая механика изучает только такие явления и объекты. Для них она дает достоверные и однозначные предсказания, которые до сих пор ни разу не были опровергнуты опытом.

ВОКРУГ КВАНТА

Люди, события, кванты

Результаты науки не зависят от психологии или желаний отдельных людей, в этой объективности — ее сила и ценность. Но наука — дело человеческое, и оттого ее история — это не только накопление новых фактов, создание и уточнение физических понятий и математических методов, но также история человеческих судеб. Рядом с их открытиями любая подробность жизни ученых выглядит значительной: мы всегда стремимся понять, как та или иная мелочь, из которых складывается повседневная жизнь и великих людей, повлияла на дела, их обессмертившие.

Квантовая физика родилась в лоне европейской культуры, а люди, ее создавшие,— лучшие ее представители. Эйнштейн, Борн, Гейзенберг, Эренфест, Лауэ были превосходными музыкантами, а Планк даже читал в университете лекции по теории музыки и в юности намеревался стать профессиональным пианистом. (Он руководил также хором, в котором пел молодой Отто Ган, тридцать лет спустя открывший деление урана.)

Гейзенберг, Паули, Лауэ, Шрёдингер владели древними языками, Луи де Бройль — по профессии историк, а Шрёдингер был глубоким знатоком философии и религии, особенно индийской, писал стихи и в конце жизни издал свой поэтический сборник.

Даже в научной переписке Планк и Зоммерфельд обменивались стихами.

История создания квантовой механики сохранила несколько живых воспоминаний, которые помогают представить ту обстановку напряжения и подъема, в которой люди разных национальностей, возрастов и темпераментов всего за три года построили современное здание квантовой механики.

Быть может, все началось в тот день, когда Зоммерфельд вошел в комнату, где занимался второкурсник Гейзенберг, запретил ему играть в шахматы, дал в руки фотопластинку с фотографией спектра излучения атома в магнитном поле и предложил найти закономерности в расположении спектральных линий. А может — тремя годами позже, в июне 1922 г., во время длительной прогулки Гейзенберга и Бора, который по приглашению Гёттингенского университета читал там цикл лекций по квантовой теории. Или, наконец, в конце мая 1925 г., когда ассистент Вернер Гейзенберг заболел сенной лихорадкой и по совету своего тогдашнего руководителя Макса Борна уехал отдыхать на