Чего не знает современная наука - Сборник статей

Но вот пришел век XX, и казавшееся столь прочным здание научного знания зашаталось и потребовало существенной перестройки.

В самом деле, классическая физика позволила единым образом объяснить движение тел на Земле и планет в космосе, тепловые явления, связала воедино магнетизм и электричество, навела порядок в оптике. Оставалось разобраться в законах излучения света: наблюдаемые эффекты никак не удавалось объяснить с классических позиций. Для спасения физики Макс Планк в 1900 году предположил, что электромагнитные волны (свет) излучаются порциями, он назвал их квантами. Так родилась одна из самых удивительных физических теорий – квантовая физика. Ее непривычность и странность превратилась в своего рода профессиональную легенду физиков: до сих пор остается актуальным высказывание Р. Фейнмана: «Квантовую механику нельзя понять, к ней можно только привыкнуть».

На начальном этапе реформ физика предстает этаким странным монстром: для создания моделей атома привлекалась ньютонова механика, но она всячески подправлялась не свойственными ей идеями квантования. Характерным примером такого полуклассического-полуквантового «кентавра» является планетарная модель простейшего атома водорода, предложенная Нильсом Бором. Она не могла, в частности, объяснить, как движется электрон при переходе с одной орбиты на другую, и не годилась для объяснения поведения более сложных атомов, даже атома гелия, отличающегося от водорода наличием двух электронов, движущихся вокруг ядра (атом водорода имеет только один электрон на орбите). Об исследованиях в области атомной физики Альберт Эйнштейн писал: «…все мои попытки объяснить эти новые явления были абсолютно безуспешны. Это напоминало ситуацию, когда почва уходит из-под ног, и не на что опереться».

Дальнейшие исследования показали, что даже движение частиц атома нельзя описывать в классических понятиях траектории (орбиты). Необходимость принципиально новой идеи стала ясна физикам. Но результирующая теория, соединившая непротиворечивым образом все наблюдаемые факты, была далеко не проста. Но что такое простота, как не приверженность привычке? Возможно, что и наши потомки с недоумением будут пожимать плечами, удивляясь нашему пристрастию к моделям классической науки.

Физическая картина мира состоит из нескольких частей. Во-первых, это экспериментальные данные. Во-вторых, математическая теория, которая формальным образом связывает условия и результаты наблюдения. И, наконец, третья часть – интерпретация, соединяющая эти эксперименты и теоретические построения в единую картину. Для квантовой картины мира эта интерпретация оказалась чрезвычайно непривычной. Может быть, с этим связано существование нескольких интерпретаций квантовой механики.

Наиболее принятой в научном мире является так называемая копенгагенская интерпретация, связанная с именами Н. Бора и В. Гейзенберга. В соответствии с ней физический мир делится на две части – наблюдаемую и наблюдающую. Наблюдаемая часть является «истинно квантовой», ее примером могут служить атом, электрон и т. п. Наблюдающая система состоит из экспериментального оборудования и из одного или нескольких людей-наблюдателей. Свойства квантовых объектов проявляются только через показания классических приборов – только их мы можем интерпретировать в привычных нашему разуму понятиях. Квантовая реальность принципиально отлична от классической: в микромире многие привычные нам представления оказываются неверными. Чтобы хоть как-то прояснить для себя свойства квантового мира, нам приходится принимать, что приписываемые квантовой реальности классические свойства ведут себя странно. Например, мы говорим: «Электрон до измерения не имеет никакого положения» – и представляем его в образе волны: волна протяженна, она не имеет определенной координаты. Однако, взаимодействуя с «классическим» экраном, электрон оставляет след в виде точки – мы склонны интерпретировать это как обретение им физической характеристики, координаты. Но что произойдет с самим электроном в результате этого «измерения», неизвестно.

Итак, все сказанное выше приводит нас к мысли, что в основе наблюдаемой реальности лежит «невидимая» квантовая реальность, которая становится «видимой» в ходе взаимодействия наблюдаемой и наблюдающей частей рассматриваемой системы. Однако в реальных ситуациях эта система едина, ее разделение на «квантовую» и «классическую» весьма условно.

Одно из свойств квантовой реальности, кажущееся парадоксальным с позиций классической физики, связано с тем, что уточнение одной из характеристик квантового объекта при взаимодействии его с классическим прибором, то есть при измерении, сопровождается потерей точности в значении некоторых других. Так, например, уточнение координаты частицы в процессе ее взаимодействия с классическим прибором делает ее импульс (произведение массы на скорость) менее определенным; таким же свойством обладает время наблюдения системы и ее энергия и др. Такое странное с классической точки зрения положение Бор сформулировал как принцип дополнительности. По-видимому, адекватное описание явлений микромира требует использования разных «языков», дополняющих друг друга. Так, описание микрочастицы как точечного объекта отражает лишь часть его свойств, проявляющихся, например, при бомбардировке атомов. В других условиях (например, при прохождении через набор щелей) микрочастица проявляет свои волновые свойства. В результате возникает представление о квантовой частице как о некоторой скрытой реальности, ведущей себя по-разному в зависимости от способов взаимодействия с наблюдателем. По словам Нильса Бора, «изолированные материальные частицы – это абстракции, свойства которых могут быть определены и зафиксированы только при их взаимодействии с другими системами». Наблюдения в этой ситуации становятся очень похожими на рассматривание «теней на стене пещеры», описанных Платоном в диалоге «Государство». Этот миф другими словами пересказывают физики XX века. Так, например, Дэвид Бом считает: «…неделимое квантовое единство всей Вселенной является наиболее фундаментальной реальностью, а эти относительно независимые составные части – только лишь частные единичные формы внутри этого единства».

Об этом же говорит и Дж. Уиллер, рассуждая о процессе наблюдения электрона как квантового объекта: «…в процессе измерения изменяется состояние самого электрона. После этого Вселенная никогда не станет такой, какой она была раньше. Чтобы описать то, что происходит, надо зачеркнуть слово „наблюдатель“ и написать слово „участник“».

Чем больше мы знаем об устройстве мира, тем больше у нас имеется возможностей его изменить. К XX веку эти возможности столь расширились, а вера человека в свое могущество столь укрепилась, что это привело к целому ряду серьезных проблем. Вмешательство человека в природные процессы оказалось столь значительным, что многие ученые говорят о необратимости вызванных этим вмешательством изменений. По мнению Фритьофа Капры, автора целого ряда научно-философских книг, посвященных фундаментальным вопросам бытия, проблемы экологии, демографии, экономики, политики и т. п. являются разными гранями единого кризиса – кризиса представлений: решение основных проблем нашего времени существует, однако для этого требуется радикальный сдвиг в наших представлениях, устремлениях, ценностях. Может ли в этом помочь наука?

Изучение квантовой реальности побудило физиков пересмотреть прежние знания. Титанические попытки свести к единой картине множество парадоксальных результатов привели к новому, более глубокому проникновению в природу материи и пониманию ее связи с человеческим сознанием.

Эстафету у физики переняли науки о живом. Целый ряд открытий в области генетики, молекулярной биологии, психологии и т. д. привел к необходимости рассмотрения понятия живого организма как сложной открытой системы, в которой единое целое превышает сумму своих составных частей – это свойство есть одно из проявлений нелинейности. Устойчивое существование сложных открытых нелинейных систем возможно в гармоническом равновесии между процессами разрушения и созидания. Подобные процессы формируют также и нашу планету, и общество. Подкрепленное математическими моделями нелинейной динамики, видение мира как целостности, пронизанной множеством взаимосвязей, породило в середине XX века новый подход, названный системным, или синергетическим, или холистическим – разные термины применяются различными научными школами, но по сути своей эти подходы идентичны. Изучение живых систем: организмов, частей организмов и сообществ организмов – и их связей с окружающей средой привело ученых к одному и тому же типу мышления, в основе которого лежат понятия связности, взаимоотношений и контекста.