Квантовая теория – способ описания реальности или наших знаний о ней? Квантовое поле.

А главное, отказываемся замечать, что применимы они лишь в некоторых рутинных ситуациях и для объяснения устройства Вселенной оказываются попросту неверны.

Хотя нечто подобное уже столетия назад высказывалось восточными философами и мистиками, в западной науке впервые об этом заговорил Эйнштейн. Это была революция, которую наше сознание не приняло. Со снисходительностью мы повторяем: «все относительно», «время и пространство едины», - всегда держа в уме, что это допущение, научная абстракция, имеющая мало общего с нашей привычной устойчивой действительностью. На самом же деле как раз наши представления слабо соотносятся с действительностью - удивительной и невероятной.

После того как в общих чертах было открыто строение атома и предложена его «планетарная» модель, ученые столкнулись с множеством парадоксов, для объяснения которых появился целый раздел физики - квантовая механика. Она быстро развивалась и далеко продвинулась в объяснении Вселенной. Но объяснения эти настолько сложны для восприятия, что до сих пор мало кто может осознать их хотя бы в общих чертах.

Действительно, большинство достижений квантовой механики сопровождаются настолько сложным математическим аппаратом, что он попросту не переводится ни на один из человеческих языков. Математика, как и музыка, предмет крайне абстрактный, и над адекватным выражением смысла, к примеру, свертывания функций или многомерных рядов Фурье ученые бьются до сих пор. Язык математики строг, но мало соотносится с нашим непосредственным восприятием.

Кроме того, Эйнштейн математически показал, что наши понятия времени и пространства иллюзорны. В действительности пространство и время нераздельны и образуют единый четырехмерный континуум. Представить его вряд ли возможно, ведь мы привыкли иметь дело только с тремя измерениями.

Планетарная теория. Волна или частица

До конца XIX века атомы считались неделимыми «элементами». Открытие радиации позволило Резерфорду проникнуть под «оболочку» атома и сформулировать планетарную теорию его строения: основная масса атома сосредоточена в ядре. Положительный заряд ядра компенсируется отрицательно заряженными электронами, размеры которых настолько малы, что их массой можно пренебречь. Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, подобно вращению планет вокруг Солнца. Теория весьма красивая, но возникает ряд противоречий.

Во-первых, почему отрицательно заряженные электроны не «падают» на положительное ядро? Во-вторых, в природе атомы сталкиваются миллионы раз в секунду, что ничуть не вредит им - чем объяснить удивительную прочность всей системы? Говоря словами одного из «отцов» квантовой механики Гейзенберга, «никакая планетная система, которая подчиняется законам механики Ньютона, никогда после столкновения с другой подобной системой не возвратится в свое исходное состояние».

Кроме того, размеры ядра, в котором собрана практически вся масса, в сравнении с целым атомом чрезвычайно малы. Можно сказать, что атом - пустота, в которой с бешеной скоростью вращаются электроны. При этом такой «пустой» атом предстает как весьма твердая частица. Объяснение этому явлению выходит за рамки классического понимания. На самом деле, на субатомном уровне скорость частицы возрастает тем больше, чем больше ограничивается пространство, в котором она движется. Так что чем ближе электрон притягивается к ядру, тем быстрее он движется и тем больше отталкивается от него. Скорость движения настолько велика, что «со стороны» атом «выглядит твердым», как выглядят диском лопасти вращающегося вентилятора.

Данные, плохо укладывающиеся в рамки классического подхода, появились задолго до Эйнштейна. Впервые подобная «дуэль» состоялась между Ньютоном и Гюйгенсом, которые пытались объяснить свойства света. Ньютон утверждал, что это поток частиц, Гюйгенс считал свет волной. В рамках классической физики примирить их позиции невозможно. Ведь для нее волна - это передающееся возбуждение частиц среды, понятие, применимое лишь для множества объектов. Ни одна из свободных частиц не может перемещаться по волнообразной траектории. Но вот в глубоком вакууме движется электрон, и его перемещения описываются законами движения волн. Что здесь возбуждается, если нет никакой среды? Квантовая физика предлагает соломоново решение: свет является одновременно и частицей, и волной.

Вероятностные электронные облака. Строение ядра и ядерные частицы

Постепенно становилось все более ясно: вращение электронов по орбитам вокруг ядра атома совершенно не похоже на вращение планет вокруг звезды. Обладая волновой природой, электроны описываются в терминах вероятности. Мы не можем сказать об электроне, что он находится в такой-то точке пространства, мы можем только описать примерно, в каких областях он может находиться и с какой вероятностью. Вокруг ядра электроны формируют «облака» таких вероятностей от простейшей шарообразной до весьма причудливых форм, похожих на фотографии привидений.

Но тот, кто хочет окончательно понять устройство атома, должен обратиться к его основе, к строению ядра. Составляющие его крупные элементарные частицы - положительно заряженные протоны и нейтральные нейтроны - также обладают квантовой природой, а значит, движутся тем быстрее, чем в меньший объем они заключены. Поскольку размеры ядра чрезвычайно малы даже в сравнении с атомом, эти элементарные частицы носятся со вполне приличными скоростями, близкими к скорости света. Для окончательного объяснения их строения и поведения нам понадобится «скрестить» квантовую теорию с теорией относительности. К сожалению, такая теория до сих пор не создана и нам придется ограничиться несколькими общепринятыми моделями.

Теория относительности показала (а проведенные эксперименты доказали), что масса является лишь одной из форм энергии. Энергия - величина динамическая, связанная с процессами или работой. Поэтому элементарную частицу следует воспринимать как вероятностную динамическую функцию, как взаимодействия, связанные с непрерывным превращением энергии. Это дает неожиданный ответ на вопрос, насколько элементарны элементарные частицы, можно ли разделить их на «еще более простые» блоки. Если разогнать две частицы в ускорителе, и затем столкнуть, мы получим не две, а три частицы, причем совершенно одинаковые. Третья просто возникнет из энергии их столкновения - таким образом, они и разделятся, и не разделятся одновременно!

Участник вместо наблюдателя

В мире, где понятия пустого пространства, изолированной материи теряют смысл, частица описывается только через ее взаимодействия. Для того чтобы сказать что-то о ней, нам придется «вырвать» ее из первоначальных взаимодействий и, подготовив, подвергнуть другому взаимодействию - измерению. Так что мы меряем в итоге? И насколько правомерны наши измерения вообще, если наше вмешательство меняет взаимодействия, в которых участвует частица, - а значит, меняет и ее саму?

В современной физике элементарных частиц все больше нареканий вызывает... сама фигура ученого-наблюдателя. Правомернее было бы называть его «участником».

Наблюдатель-участник необходим не только для измерения свойств субатомной частицы, но и для того, чтобы определить эти самые свойства, ведь и о них можно говорить лишь в контексте взаимодействия с наблюдателем. Стоит ему выбрать способ, каким он будет проводить измерения, и в зависимости от этого реализуются возможные свойства частицы. Стоит сменить наблюдающую систему, и свойства наблюдаемого объекта также изменятся.

Этот важный момент раскрывает глубинное единство всех вещей и явлений. Сами частицы, непрерывно переходя одна в другую и в иные формы энергии, не имеют постоянных или точных характеристик - эти характеристики зависят от способа, каким мы решили их видеть. Если понадобится измерить одно свойство частицы, другое непременно изменится. Такое ограничение не связано с несовершенством приборов или другими вполне исправимыми вещами. Это характеристика действительности. Попробуйте точно измерить положение частицы, и вы ничего не сможете сказать о направлении и скорости ее движения - просто потому, что у нее их не будет. Опишите точно движение частицы - вы не найдете ее в пространстве. Так современная физика ставит перед нами проблемы уже совершенно метафизического свойства.

Принцип неопределенности. Место или импульс, энергия или время

Мы уже говорили, что разговор о субатомных частицах нельзя вести в привычных нам точных терминах, в квантовом мире нам остается лишь вероятность. Это, конечно, не та вероятность, о которой говорят, делая ставки на скачках, а фундаментальное свойство элементарных частиц. Они не то чтобы существуют, но скорее - могут существовать. Они не то чтобы обладают характеристиками, а скорее - могут ими обладать. Научно выражаясь, частица является динамической вероятностной схемой, и все ее свойства находятся в постоянном подвижном равновесии, балансируют, как Инь и Ян на древнем китайском символе тайцзи.

Недаром нобелевский лауреат Нильс Бор, возведенный в дворянское звание, для своего герба выбрал именно этот знак и девиз: «Противоположности дополняют друг друга». Математически распределение вероятности представляет собой неравномерные волновые колебания. Чем больше амплитуда волны в определенном месте, тем выше вероятность существования частицы в нем. При этом длина ее непостоянна - расстояния между соседними гребнями неодинаковы, и чем выше амплитуда волны, тем сильнее разница между ними. В то время как амплитуда соответствует положению частицы в пространстве, длина волны связана с импульсом частицы, то есть с направлением и скоростью ее движения. Чем больше амплитуда (чем точнее можно локализовать частицу в пространстве), тем более неопределенной становится длина волны (тем меньше можно сказать об импульсе частицы). Если мы сможем установить положение частицы с предельной точностью, у нее вообще не будет никакого определенного импульса.

Это фундаментальное свойство математически выводится из свойств волны и называется принципом неопределенности. Принцип касается и других характеристик элементарных частиц. Еще одна такая взаимосвязанная пара - это энергия и время протекания квантовых процессов. Чем быстрее проходит процесс, тем более неопределенно количество энергии, задействованной в нем, и наоборот - точно охарактеризовать энергию можно только для процесса достаточной продолжительности.

Итак, мы поняли: о частице нельзя сказать ничего определенного. Она движется туда, или не туда, а верней, ни туда и ни сюда. Ее характеристики такие или сякие, а точнее – и не такие, и не сякие. Она находится здесь, но может быть и там, а может и не быть нигде. Так существует ли она вообще?

Глава из книги Игоря Гарина "Квантовая физика и квантовое сознание". Примечания и цитирования даны в тексте книги.

Кто не остался в шоке от квантовой теории, тот ее не понял.
Нильс Бор

Сама попытка вообразить картину элементарных частиц и думать о них визуально - значит иметь абсолютно неверное представление о них.
Вернер Гейзенберг

О квантовой механике иногда говорят как о самой таинственной науке, созданной человеком. Это не просто правда - это констатация глубинной связи между разными ветвями древа человеческой мудрости, питаемого нашей фантазией, нашей глубинной связью с бытием, бесконечными возможностями нашего сознания. Квантовую теорию создавали гениальные мыслители, которые не просто шаг за шагом преодолевали беспрецедентные трудности, стоявшие на их пути, но - мудрецы, сознательно или бессознательно чувствовавшие единство всего существующего, необходимость увязать разные слои реальности, микро- и макромир, многолистный мир и сознание человека. Квантовая теория - это не только новая физика, это совершенно новый взгляд на природу, на человека, на сознание и познание.
Всё, что сказано ранее о «нормальной» науке, в известной мере относится и к квантовой теории - я имею в виду, прежде всего, ее гениальную «придуманность» и непрерывно продолжающиеся модификации и интерпретации. От квантовой механики, возникшей в первой половине ХХ века (я имею в виду, прежде всего, так называемую копенгагенскую интерпретацию), ныне сохранились «рожки и ножки», в лучшем случае - «скелет», «костяк», тогда как все моменты, первоначально включенные в квантовую теорию из классической, ныне полностью пересмотрены в новых версиях и интерпретациях. Более того я убежден в том, что грядет вторая или даже третья волна «квантовой революции», которая приведет к качественно новому и более глубокому пониманию окружающего мира *. (* Современному состоянию и концептуальным вопросам квантовой теории посвящен обзор W. H. Zurek, «Decoherence, einselection, and the quantum origins of the classical», Rev. Mod. Phys. 75, 715 (2003), http://xxx.lanl.gov/abs/quant-ph/0105127).
Здесь следует иметь в виду, что физика давно преодолела позитивистский подход о признании лишь тех фактов, которые могут быть подтверждены экспериментально: согласно современной теории, на каждом этапе познания возникают новые знания, подтвердить которые с помощью экспериментов невозможно, то есть умозрение в науке не менее важно, чем эксперимент.
Первоначальная (копенгагенская) интерпретация квантовой теории * (* Копенгагенскую интерпретацию квантовой механики также именуют стандартной или минималистской) сегодня действительно устарела и считается непоследовательной, поскольку в ней сделана попытка совместить в единой теории классический и квантовый миры, подчиняющиеся разным законам. Отсюда - каламбур! - берет свое начало огромная путаница не с одними только перепутанными состояниями (см. далее).
Физики действительно любят шутить, и остроумный Джон Уилер заметил, что в копенгагенской интерпретации «ни один квантовый феномен не является феноменом до тех пор, пока не станет наблюдаемым (зарегистрированным) феноменом».
А. Садбери в учебнике квантовой механики, предназначенном для математиков, критикует копенгагенскую интерпретацию за то, что она не дает единой картины мира. Фактически к квантовой механике здесь предъявляются те же требования, что и к любой классической физической теории: «…Нельзя считать правильным, что единственная цель научной теории состоит в предсказании результатов экспериментов… Предсказания результатов экспериментов не цель теории; эксперименты лишь позволяют проверить, верна ли теория. Цель теории - познать окружающий нас физический мир *. (* А. Садбери. Квантовая механика и физика элементарных частиц. М., 1989. С. 294).
Рассматривая возможные варианты интерпретации квантовой механики, А. Садбери показал что на современном этапе физики выбрать один из вариантов не представляется возможным, но при этом очевидно, что копенгагенский вариант выбран не будет.
Говоря на языке физики, копенгагенская интерпретация описывает не собственно квантовый мир, а только то, что мы можем сказать о нем, используя классический измерительный прибор, то есть классическую физику или изменение квантового состояния под влиянием внешней среды.
«Квантовая» картина мира претерпевает настолько быстрые и радикальные изменения, что даже специалисты, работающие в этой области, не всегда успевают за ними проследить. Современная квантовая теория настолько меняет всю систему наших взглядов на мир, что ее желательно изучать буквально с чистого листа, дабы не попасть в тенета детерминизма, двойственности, причинности, локальности, материальности, пространства-времени и иных поверженных канонов классической науки.
Комментируя достижения квантовой физики на заре ее создания, А. Эйнштейн признавался: «Тогда ощущение было такое, словно почва ушла из-под ног и нигде не видно никакой тверди, на которой можно было бы что-то построить». По словам С. Хокинга, сказанным уже в наши дни, квантовая механика является теорией того, что мы не знаем и не можем предсказать.
Описание реальности на декартовском языке «здравого смысла» с позиции квантовой теории выглядит наивным и плоским, как космология мира, выстроенная на слонах и черепахе. Впрочем, это не препятствует многим ученым и сегодня зарабатывать хлеб, почти ничего не зная о вновь открытых реальностях квантового мира.
Можно без преувеличение сказать, что квантовая теория - глубокий прорыв науки в запредельное, в «высшую реальность», хотя это не означает, что при этом следует говорить о последнем слове науки. Я убежден в том, что это именно - прорыв, потому что основательное освоение непроявленной или виртуальной реальности все еще только впереди. «Наше знание неполно, и наше пророчество неполно; а когда придет совершенство, неполное упразднится» (1 Коринфянам 13:9).
Исследования по квантовой теории на всех этапах ее развития были столь значимы, что все без исключения ее творцы, создатели новой картины мира, получили Нобелевские премии, и, судя по всему, это будет продолжаться и далее.
В развитии квантовой теории можно выделить два основных этапа: после своего создания почти весь ХХ век она отрабатывала и совершенствовала методы изучения плотной материи в классическом или полуклассическом ее рассмотрении, а на переходном этапе развила идеи квантовой запутанности и инакомирия *, (* См. далее, а также мою книгу «Иные миры»), и наконец, ворвалась в ХХI век с готовым инструментарием изучения чисто квантовых «тонких миров». Можно без преувеличения сказать, что ХХ век, особенно его конец, стал переломным в науке, и причина такого перелома - огромный прогресс в применении квантовомеханического подхода к огромному классу физических процессов, в том числе - к тем, которые не имеют аналогов в классической физике.
Во второй половине ХХ века квантовая теория, шаг за шагом охватывая весь проявленный и непроявленный миры, непрерывно ветвилась на множество самостоятельных научных дисциплин, хотя и заметно разделенных между собой, но связанных единой нитью - от квантовой теории поля, возникшей одновременно с самой квантовой механикой, до квантовой теории процессов сознания.
Без преувеличения можно сказать, что именно квантовая теория стала основой для вхождения науки в «иные миры», ранее числившиеся за мистикой (тонкие уровни реальности, выходящие за пределы материального мира и не существующие с классической точки зрения). Можно смело утверждать (и я постараюсь показать это в настоящей книге), что встреча науки и мистики произошла именно благодаря новейшим открытиям квантовой теории, полностью совместимым с великолепными пророчествами мудрецов прошлого (эту совместимость я рассмотрю в отдельном разделе этой книги). Кстати, именно мыслители древности указали не необходимость величайшей осторожности в присвоении «тонким мирам» атрибутов, выраженных в понятиях повседневной жизни. Ныне уже многие физики заговорили о том, что объяснить природу вещей может лишь М-теория или теория-мистика, теория-тайна. Чем глубже мы познаем природу вещей, тем с большим количеством чудес встречаемся. Я глубоко убежден в том, что вообще нет противоречий между физикой и мистикой, полем и биополем, фактом и чудом - этому единству, собственно, и посвящена настоящая книга.
Квантовый подход - это принципиальной иной способ описания реальности, не имеющий аналогов в классической физике. Развитие самой квантовой теории буквально следовало принципу пролиферации П. Фейерабенда - она отказалась от идеалов классической механики, шаг за шагом преодолевая программу «нормальной» или классической науки Лапласа-Гельмгольца и всех их инвариантов.
В последние десятилетия в квантовой теории осуществлен грандиозный прорыв: полуклассическая копенгагенская интерпретация квантовой механики, в которой квантовые представления сосуществовали с классическими, уступила место чисто квантовому подходу, в котором уже не осталось места материалистическим уступкам. Квантовая теория больше не требует половинчатости и становится самодостаточной и внутренне согласованной теорией, построенной из единых общих принципов, больше не нуждающихся в «религиозных догматах» материализма.
Законы чисто квантовых систем радикально отличаются от законов классической физики, и поэтому редукция квантового состояния в классическое (скажем, вектора состояния в реально наблюдаемой объект) неизбежно сопровождается утратой огромной информации. Это означает, что представление о действительной сущности квантовой частицы мы неизбежно получаем в искаженном виде, или, иными словами, сам процесс измерения ведет к изменению параметров (в том числе размеров) квантовых объектов.
Квантовая теория меняет также классические представления о соотношении между частью и целым, реальным и нереальным, локальным и нелокальным. В частности, она допускает выделение части из целого и рассмотрение свойств частей, тогда как обратный путь - от части к целому - считает тупиковым, не способным привести к пониманию фундаментальных физических законов. В частности, квантовая теория свидетельствует о неприменимости понятий «индивидуальная вещь» или «материальный объект» в области микромира.
Квантовая теория кардинально меняет представления о самой физической реальности: понятия физических характеристик здесь заменены более фундаментальным и первичным понятием «состояний» системы. При этом любые физические величины, характеризующие систему, являются вторичными проявлениями, зависящими от состояний как микрочастиц, так и Вселенной в целом.
Квантовая теория, особенно ее последние достижения, меняют не только физические представления о мироустройстве, но и общечеловеческие подходы к реальности и сознанию - может быть, даже всю систему жизненных ценностей и устремлений человека. По словам С. И. Доронина, автора книги «Квантовая магия», основной вывод, этой теории можно сформулировать следующим образом: «Материя, то есть вещество и все известные физические поля, не являются основой окружающего мира, а составляют лишь незначительную часть совокупной Квантовой Реальности». Этот вывод «таит в себе самые глубокие и далеко идущие последствия, которые сегодня невозможно даже представить».
Грегори Бейтсон утверждает, что мышление на языке субстанции является серьезной методологической и логической ошибкой, потому что на самом деле мы имеем дело не с объектами, а с их сенсорными и ментальными преобразованиями в смысле теории Альфреда Коржибски. «Информация, различение, форма и паттерн, составляющие наше знание о мире, являются лишенными размерности сущностями, которые нельзя локализовать в пространстве или во времени» *. (* Автор цитирует С. Грофа).
Действительно, квантовые процессы невозможно представить с непосредственностью и «здравомыслием», с какими мы ориентируемся в макроскопическом материальном мире. Квантовый мир представляет собой настоящую Страну Чудес, в которой даже говорить приходится на ином, «неклассическом» и непривычном языке. Здесь нам придется отказаться от всего, к чему мы привыкли в повседневной жизни. Объекты здесь расплываются и исчезают, а пространство и время теряют смысл. Как мы увидим, именно здесь, в квантовом непроявленном и нелокальном мире, происходит встреча новейшей науки с мистическим опытом тысячелетий.
В. Паули часто подчеркивал, что в квантовом мире причинность терпит крах и события происходят «нипочему», то есть приблизительно так, как это чувствовали еще индийские мистики и еврейские каббалисты на заре человеческой мудрости. Согласно В. Паули, свобода в поведении индивидуальной частицы, есть наиболее важный урок квантовой теории.
Если в рамках картезианско-лапласовской парадигмы казалось бесспорным, что причинно-следственные связи, выраженные в виде законов движения, позволяют точно предсказать и объяснить любое явление, то даже на ранней стадии развития квантовой теории пришлось вводить понятия вероятности и неопределенности, ставящие под сомнение детерминизм классической физики. Оказалось, что многие точные вычисления, скажем времени распада единичного радиоактивного атома, принципиально невозможны, а результаты соответствующих квантовых измерений зависят от присутствия или отсутствия наблюдателя.
Здесь надо иметь в виду, что понятие вероятности входит в квантовую физику совсем не так, как в классической теории вероятности: оно является не результатом нашего незнания, а сущностным свойством мироустройства. Описывающая вероятность волновая функция представляет реальность не в актуальном виде, а в виде возможности, причем только акт наблюдения дает этой возможности реализоваться. Согласно В. Гейзенбергу, это является возрождением аристотелевского представления о потенции, развитого в «Метафизике» *. (* См. В. Гейзенберг, Физика и философия, М., 1963, с. 32, 153).
Проблема (парадокс) квантового измерения заключается в том, что наличие в измерении прибора или сознания наблюдателя разрушает квантовое состояние: выбор одного из множе¬ства альтернативных результатов измерения оказывается для квантовой механики чужеродным, оперирующим только классическими образами. Такая ситуация носит название редукции состояния, селекции альтернатив или коллапса волновой функции. Фактически это означает, что из реальной квантовой суперпозиции состояний сознание наблюдателя после измерения сохраняет лишь одну компоненту суперпозиции, соответствующую некоторому конкретному результату измерения. Или по-иному: свойства квантовой системы, обнаруженные при измерении, могут не существовать до измерения, сознание локализует нелокальное. Выбор сознанием наблюдателя единственного варианта из квантовой суперпозиции альтернатив означает, что возникающие здесь проблемы принципиально неразрешимы без включения в рассмотрение созна¬ния наблюдателя.
Разные интерпретации квантовой теории фактически сводятся к попытке решить указанную проблему селекции альтернатив и методологического уточнения содержания теории. В некоторых из них явно фигурирует сознание наблюдателя.
А. Н. Паршин, размышляя над теоремой Курта Гёделя *, (* См. А. Н. Паршин, Вопросы философии, 2000, № 6, С. 92-109) также заключил, что редукция волновой функции в квантовой механике аналогична вспышке сознания, акту спонтанного приобретения нового. Более того, согласно Герману Вейлю, имеется глубокая аналогия между гёделевскими представлениями и актом расширения физической системы, который существует в квантовой механике. Здесь надо иметь в виду, что еще сам Нильс Бор, один из наиболее философски мыслящих физиков ХХ века, размышляя о проблеме связи измерения с наблюдателем, сделал вывод, что граница между объектом и субъектом всегда неопределенна и способна смещаться в зависимости от сознания. Этот процесс смещения границы и расширения системы во многом аналогичен расширению в теореме Гёделя. Хотя это осознано еще в первой половине ХХ века, окончательного понимания всей глубины связи между теоремой Гёделя и квантовой механикой не достигнуто и поныне.
«Рассматривая теорему Гёделя именно с такой точки зрения, не как вынужденное ограничение, а как фундаментальный философский факт, можно прийти к намного более глубокому развитию психологии, логики и многих других наук, которые изучают человека, чем используя ту ограниченную точку зрения, которая доминирует до сих пор в научном сообществе».
Принято считать, что сама квантовая теория могла возникнуть лишь благодаря большому влиянию на Нильса Бора великого датского мыслителя Серена Киркегора: речь идет даже не об экзистенциальных мотивах его творчества - идея о квантовых скачках обязана киркегоровским и мистическим идеям о скачках в сознании, каковыми являются состояния пророческого экстаза, обращения (метанойи), просветления, острого духовного кризиса, или, на языке современной трансперсональной психологии, - любых измененных состояний сознания.
Все знают Нильса Бора как одного из творцов квантовой теории, но мало кому известен лейтмотив его жизни как ученого: жгучий интерес к проблеме реальности и загадкам человеческого сознания-бытия. По Бору и Пригожину, наука неотделима от проблем человеческого существования, в том числе от человеческих ошибок и страстей.
Кстати, сегодня уже никто не скрывает, что Нильс Бор в ХХ веке был так же привержен философскими и метафизическими включениями во внутрифизический дискурс, как Пьер Луи де Мопертюи в ХVIII-м. Возможно, именно «метафизика» помогла становлению новой физики, потому что метафизическая нагруженность облегчила творцу квантовой теории преодолеть «незыблемые принципы» классической физики, сковывающие смелость других творцов зарождающейся парадигмы.
Когда Нильсу Бору было пожаловано дворянское достоинство, он взял символом своего герба китайский тайцзы, выражающий мистическое соотношение между противопоставленными началами инь и ян. Посетив Китай в 37-м году, автор концепции дополнительности узнал об этой основе китайской мистики, и это обстоятельство оказало на него сильное воздействие. С тех пор интерес Н. Бора к восточной культуре никогда не угасал.
Возможно, прекрасное знание мистической литературы позволило создателям квантовой механики отказаться от постулата «здравого смысла» - очевидной предметности видимой материальной реальности и осознать возможность существования «иных миров», новых срезов реальности, а также - большую роль в эксперименте сознания самого наблюдателя и используемого им инструмента.
Не удивительно, что именно квантовая физика привела к картине мира, вполне согласующейся с природой человеческого сознания, с одной стороны, и мистических представлений, - с другой.
Надо признать, что квантовая теория была создана взыскующими умами и по сути неотделима от процессов, идущих на высших уровнях сознания и имеющих место в мистических откровениях. Поэтому и полученные результаты столь ошеломляюще схожи. Все творцы квантовой теории были великолепно знакомы с высшими достижениями совокупной человеческой культуры и были настоящими идеалистами в лучшем понимании этого слова.
Квантовая теория свидетельствует, что многослойная реальность подчиняется более сложной логике, чем аристотелева. И здесь очень важно то, что высшее сознание также действует совсем не по той логике, по которой мы мыслим дискурсивно. Это одно из самых поразительных достижений науки, означающее, что построение наглядной и полной картины мира в принципе невозможно - наглядность для человека может быть реализована лишь в рамках его собственной логики или системы мышления. Но построение квантовой картины мира теоретической мыслью означает, что мы способны понять мир, живущий по законам иной логики, то есть, что наше бесконечное как мир сознание шире и богаче нашей куцей дискурсивной мысли.
Физики до сих пор продолжают описывать микромир макроскопическими понятиями только по причине консерватизма науки. Не умея наблюдать квантовый мир иначе как посредством использования макроскопических приборов и пользуясь в обыденной жизни аристотелевой логикой, мы так или иначе продолжаем применять к квантовому миру неадекватные средства и устаревший язык. Некоторые физики-неофобы, сторонники «древлего благочестия», и сегодня считают, что квантовой теории должно придать детерминированный вид классической механики, исключив из нее всю «мистическую муть» вероятностей, неопределенностей, нелокальностей, отсутствия причинно-следственных связей и даже пространства-времени.
Классическую науку многие годы строили на декартовском дуализме (разделении и противопоставлении субъекта и объекта, лучше сказать - материи и сознания). Я написал отдельную книгу «Сознание-бытие», дабы окончательно положить конец этому заблуждению, причем речь идет не просто о философии, а о новой парадигме, новом мировоззрении, в котором холизм распространен на основы бытия и, следовательно, на научный подход к нему. К такому выводу о единстве сознания и бытия сначала вела совокупная человеческая мудрость и мистика, затем - психология и, наконец, современная квантовая теория в физике.
Здесь всё начиналось с квантового дуализма частица-волна (В. Гейзенберг, М. Борн, П. Иордан, Э. Шредингер, П. Дирак, В. Паули, Дж. фон Нейман), «принципа неопределенности» В. Гейзенберга, «статистической интерпретации волновой функции» М. Борна, «принципа дополнительности» Н. Бора, теории измерений Дж. фон Неймана, а кончилось суперсовременными идеями струн, нематериальной реальности и эвереттовского многомирия.
В физике принято делить объекты наблюдения и их состояния на классические и квантовые. Надо иметь в виду, что чисто квантовое состояние (см. далее в этой книге) является состоянием непроявленным, нелокальным, суперпозиционным, индетерминистическим, акаузальным и внепространственно-вневременным. «Объект» такого состояния как бы свободен, он находится «везде и нигде», и это - его главное отличие от макроскопических, классических, локальных объектов. Чем сильнее взаимодействие объекта с окружающей средой, тем лучше проявляется его локальность, классичность. Макроскопические объекты совмещают в себе оба состояния: они локальны и классичны, находясь перед наблюдателем, и с позиции чисто квантовой системы пребывают в локальном (свободном и изолированном) состоянии.
Кстати, Нильс Бор уже на ранних стадиях развития квантовой теории прекрасно понимал, сколь важно взаимодействие квантовых объектов с внешней средой: «Поведение атомных объектов невозможно резко отграничить от их взаимодействия с измерительными приборами» *. (* Н. Бор. Собр. научн. трудов. Т. 2. М., 1971).
При копенгагенской интерпретации квантовой теории измерительный прибор всегда оказывается классическим локальным объектом, иначе процедура измерения не определена. Иными словами, порвать с классической физикой здесь принципиально невозможно. Классическая процедура измерения и наличие наблюдателя фактически являются связующим мостиками между двумя реальностями - классической (материалистической) и квантовой (дематериализованной).
К вопросу о дуализме. Основной квантовый дуализм - не редуцирующий дуализм «волна-частица», а квантовый дуализм «локальность-нелокальность», или дуализм проявленной и непроявленной реальностей. В применении к человеку это означает, что как тело он локален и материален, а как дух - нелокален и непроявлен, то есть присутствует «всегда и везде».
Любопытно, что с позиции квантовой теории вся Вселенная, мир в целом, является чисто квантовой системой, потому что нет внешних объектов, способных с ней взаимодействовать. Это означает, что если бы сторонний наблюдатель мог все же существовать, не взаимодействуя со Вселенной, то он не увидел бы в этой системе ничего. И совершенно ошеломляющим является заявление легендарного мистика, автора «Изумрудной скрижали» Гермеса Трисмегиста, много тысячелетий тому назад заявившего: «Мир является невидимым в своей целостности». Меня просто разрывает любопытство: что же этот получеловек-полубог имел в виду, говоря слова, ставшие понятными физикам только через много тысячелетий?
Разделение единой и целостной квантовой системы на отдельные части неизменно ведет к переходу от «квантовости» и нелокальности к «классичности» и локальности, но при этом не следует забывать, что у них есть единый скрытый источник - вся квантовая система в совокупности, также существующая «везде и нигде». При переходе от физики к мистике можно сказать, что понятие квантовой теории «единый квантовый источник классических корреляций» (Единый Источник Совокупной Реальности) тождественно теологическому понятию «Бог».

У каждого свой Бог. Но станет вскоре
понятно всем (и мне - в их хоре),
что в бесконечном разговоре,
наитьях, плаче, строгом споре,
в явленном бытии-просторе
единый волен Бог волной *. (* Автор цитирует стихи Р. М. Рильке)

Иными словами, чисто квантовые корреляции в системе, рассматриваемой в целом (Бог), являются источником классических корреляций между частями системы, рассматриваемыми по отдельности (Мир). Или еще по-иному: для квантовой теории то, что мы называем реальностью, является «проявлением» локальных объектов из целостной системы, где эти объекты находятся в нелокальном виде (идеи, формы, образы, эйдосы Платона, энтелехии Аристотеля, монады Лейбница, мыслеформы, эгрегоры, Пустота и т. п.).
Следует однако иметь в виду, что некоторые квантовые состояния оказываются более устойчивыми, и именно такие когерентные состояния реализуются в макромире.
Задачу перехода от микрообъектов к макрообъектам, взаимодействующим с окружением, некогда поставил Р. Фейнман. В. Цурек, А. Леггетт и другие выяснили, что взаимодействие с окружением разрушает квантовую интерференцию, превращая тем самым квантовую систему в классическую, причем тем быстрее, чем больше масса системы. Иными словами, чем крупнее система, тем труднее ее долго удерживать в квантовом состоянии.
С точки зрения квантовой физики следует различать изолированные и неизолированные системы. Чисто квантовыми могут быть только полностью изолированные системы, строго подчиняющиеся принципу суперпозиции состояний (см. далее). Сами классические системы (в том числе измерительные приборы) существуют потому, что они взаимодействуют с окружающим миром. В этом заключается проблематичность многих квантовых измерений - а именно, нестабильность чисто квантовых состояний, разрушаемых взаимодействием с окружением. Согласно одной из интерпретаций квантового принципа дополнительности, не прибор влияет на мир, а квантовая система «портит» прибор, дематериализуя его, порождая иллюзию и мираж.
Многочисленные попытки преодолеть индетерминизм и иные непривычные обыденному уму особенности квантовой теории или обнаружить факты, опровергающие ее, неизменно терпят крах. Я не хочу сказать, что эта теория неопровержима, я хочу сказать, что все дальнейшие теории уже не помогут возвратиться к миру, взыскуемому Альбертом Эйнштейном: «иные миры» никогда уже не будут предсказуемыми причинно-следственными мирами Лапласа.
Я полностью солидарен с известным науковедом и социологом науки М. Моравчиком в том, что ожидания концептуального упрощения теории в ее «окончательно сложившемся» виде больше не оправдываются *. (* M. Y. Moravcsik. The limits of science and the scientific method // Current Contents. 1990. Vol. 30. № 3. P. 7-12).
Физики до сих пор ищут альтернативы квантовой теории, позволяющие вернуть утраченный фундамент «здравого смысла» и единообразно объяснить разницу в поведении макроскопических и микроскопических систем *. (См., например, интереснейшую во всех отношениях работу G. С. Ghirardi, A. Rimini, Т. Weber Unified dynamics for microscopic and macroscopic systems // Phys. Rev. 1986. D34. P. 470–491). Естественно, вполне реалистичны попытки создать квантовую онтологию, которая приведет к обычным представлениям на макроскопическом уровне. Было бы весьма опрометчивым, придерживаясь идеи парадигмальности науки, априори отрицать возможности нового понимания. Но каким бы оно ни было, мне трудно себе представить редукцию сложного к простому - уйти от принципа неопределенности, вероятности и непроявленной реальности в микромире уже вряд ли удастся.
Сегодня же мощный математико-физический формализм квантовой теории изобилует многими догадками, фантастическими толкованиями, изощренными моделями и загадочными формулами, которые, вопреки пресловутому здравому смыслу, работают и открывают совершенно ошеломляющие перспективы.
Более того, транзисторы, лазеры, компьютеры, большая часть современной техники созданы именно благодаря развитию принципов квантовой теории. Чтобы осмыслить масштабы приложений квантовой теории, достаточно сказать, что 30% национального продукта Соединенных Штатов Америки базируется именно на изобретениях, использующих квантовые эффекты.
Квантовая теория изобилует многими фактами, несовместимыми с принципами построения «нормальной» науки.
- Знаменитое уравнение Шредингера представляет собой некое откровение - мировую загадку, которую начали усердно разгадывать его последователи.
- Квантовый объект может вести себя как волна и как частица. В силу этого в квантовой механике и возник термин «дуализм», подчеркивающий необходимость взаимодополняющего описания изучаемых объектов, но частично несущий на себе «пережитки» классического подхода.
- Волновая или материальная природа объектов определяются способом наблюдения объекта. Понятие «дуализм» волна-частица больше относится к наблюдению, состоянию, взаимодополняющим описаниям, чем к природе квантовых объектов.
- Луи де Бройль ввел в употребление понятие «волн вероятности» и высказал предположение о корпускулярно-волновой двойственности микрообъектов (1923). Не только фотоны, но электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными (энергия, импульс) обладают также волновыми свойствами (частота, длина волны). «Волны вероятности» связаны с любыми объектами и отражают их квантовую природу. Длина волны де Бройля тем меньше, чем больше масса частицы и ее скорость. Подтверждение гипотезы де Бройля было получено в 1927 году в опытах Д. Томпсона, К. Дэвиссона и Л. Джермера.
- Подтвержденная опытным путем идея де Бройля о двойственной природе микрочастиц - корпускулярно-волновом дуализме - принципиально изменила представления об облике микромира. Возникла потребность в такой теории, в которой волновые и корпускулярные свойства материи выступали бы не как исключающие, а как взаимно дополняющие друг друга. В основу такой теории - волновой, или квантовой, механики - и легла концепция де Бройля. Это отражается в названии «волновая функция» для величины, описывающей в этой теории состояние системы. Квадрат модуля волновой функции определяет вероятность состояния системы, и поэтому о волнах де Бройля часто говорят как о волнах вероятности (точнее, амплитудах вероятности).
- По словам Макса Борна, «нельзя вывести волновое уравнение строго логически; формальные шаги, ведущие к нему, являются, в сущности, лишь остроумными догадками» *. (* М. Борн. Атомная физика. Наука, М., 1981).
- Тот же Макс Борн нашел решения уравнения Шредингера с помощью статистической интерпретации волновой функции, но при этом квантовая механика окончательно приобрела «мистический» вид.
- Р. Фейнман в Нобелевской лекции провозгласил совершенно новый подход к созданию науки: «…Наверное, наилучший способ создания новой теории - угадывать уравнения, не обращая внимания на физические модели или физическое объяснение».
- В. Гейзенберг открыл новый вариант формализма квантовой механики: с помощью матричного исчисления и так называемого «соотношения неопределенностей», споры и страсти вокруг которого не утихают по сей день.
В отличие от принципов классической науки, приведенных в начале этой книги, квантовая теория и новая физика строятся на новой парадигме, характеризуемой следующими идеями:
- идея холизма - единства и целостности всего существующего, в том числе единства и целостности сознания и бытия;
- идея ахронизма квантового мира;
- многоуровневость реальности и сознания;
- наличие запутанных состояний и нелокальных связей;
- наличие акаузальных связей, индетерминизм;
- возможность дематериализации и рематериализации изучаемых объектов или, лучше сказать, состояний;
- принципы дополнительности и неопределенности;
- личностность и конвенциальность знания;
- влияние сознания наблюдателя на результаты наблюдения.
Природа статистичности квантовой теории имеет несколько объяснений:
- Согласно Луи де Бройлю, статистические законы могут быть сведены к динамическим;
- А. Эйнштейн и М. Борн ввели для учета статистичности концепцию квантовых ансамблей;
- В Копенгагенской интерпретации Нильса Бора статистичность рассматривается как фундаментальное свойство объектов микромира. Последняя концепция получила наибольшее распространенной среди физиков.
Принцип неопределенности, лежащий в основе квантовой теории, в корне подорвал веру в рост «объективности» и «точности» физических измерений. Важнейший вывод из квантовой теории заключается в принципиальной неопределенности результатов измерения и, следовательно, невозможности строгого и однозначного предвидения будущего.
Обращаю внимание на то, что соотношение неопределенности В. Гейзенберга заодно ставит под сомнение классическое понятие причинности. Действительно, мы можем определить координату квантового объекта с абсолютной точностью, но в тот момент, когда это происходит, импульс принимает совершенно произвольное значение. Это означает, что объект, положение которого нам удалось измерить абсолютно точно, тотчас же перемещается сколь угодно далеко. Локализация утрачивает смысл: понятия, составляющие самую основу классической механики, при переходе к квантовой теории претерпевают глубокие изменения. Квантовый мир вообще не знает времени и скорости, здесь всё происходит мгновенно и одновременно!
Под действием внешних сил квантовый объект движется не по определенной траектории в соответствии с ньютоновской механикой, а с определенными вероятностями по всем возможным траекториям сразу. На ином языке ему доступны «все пути». При этом бессмысленно говорить о значении параметров движения электрона в данной точке пространства, поскольку он движется одновременно всеми способами. Не отсюда ли великолепная иудейская интуиция: «Бог ведает все пути, Богу следует служить всеми дорогами?». Действительно, квантовые системы в каком-то смысле свободны от выбора, или точнее - выбирают все возможности сразу.
Уравнения квантовой теории в равной мере применимы к микро- и макрообъектам. Принцип дополнительности Бора более широк, чем это толкуют в учебниках физики: он характеризует не только поведение квантовых объектов, но и реальное познание многослойного мира. О его всеобщности свидетельствует то, что само существование квантовой теории возможно лишь в меру существования классических объектов. Согласно обобщенному принципу дополнительности и обобщенной теореме Гёделя, одна реальность обязательно дополняет другую реальность или любая попытка конкретизировать описание реальности приводит к неполноте и к сужению самого понятия «реальность».
Проблема Копенгагенской интерпретации квантовой механики заключается в том, что она соединяет чистую квантовость объектов с классичностью приборов наблюдения, то есть такая интерпретация является полуклассическим приближением. Очень ясно об этом пишет В. А. Фок: «Само понятие состояния трактуется… так, как если бы оно принадлежало атомному объекту самому по себе, в отрыве от средств наблюдения. Такая абсолютизация понятия „квантовое состояние“ приводит, как известно, к парадоксам. Эти парадоксы были разъяснены Нильсом Бором на основе представления о том, что необходимым посредником при изучении атомных объектов являются средства наблюдения (приборы), которые должны описываться классически» *. (* Предисловие В. А. Фока к книге П. Дирака «Принципы квантовой механики»).
При нынешнем состоянии квантовой теории реверансы в сторону классической физики больше не требуются и это ведет к плодотворным «безумным идеям», без которых невозможно развитие науки. Нельзя ставить бесконечные заплаты, наливая новое вино в дряхлые мехи - отсюда эвереттика и другие новые интерпретации квантовой теории (см. далее).
Надо отдавать себе отчет в том, что полный отказ от классических представлений старой физики ведет к кардинальной смене мировоззрения - к принятию новой парадигмы существования квантовых запутанных состояний, невозможных и «противоестественных» с точки зрения классической физики, попросту говоря - нематериальных. Причем такие состояния - не теоретические абстракции или математические символы, а элементы новой «запредельной» реальности, не имеющей ничего общего с классическими телами. Здесь следует подчеркнуть очень точное лингвистическое понятие «тела» как сущности, локализованной в пространстве и времени, в то время как истинно квантовые объекты во всех смыслах «бестелесны»!
Правильно ли интерпретировать квантовый мир как объективно существующий? Хотя на этот вопрос еще нет однозначного ответа, всё большее количество физиков склоняются к положительному ответу. Более того, физики-модернисты считают, что классический мир возникает лишь после того, как сознание выбирает его как единственный или один из возможных параллельных миров.
В этом случае «классическая реальность» оказывается только проекцией многомерного образования, выбранной сознанием наблюдателя, и представляет собой взгляд на квантовый мир с одной из возможных точек зрения. В квантовом мире все альтернативы объективно сосуществуют.
Мне трудно согласиться с мнением о субъективности «физической реальности» на квантовом уровне, где различные «альтернативные возможности» сосуществуют, образуя в теории суммы со странными комплексными весами. Можно, конечно, впасть в отчаяние от такой квантовой реальности, можно расценить квантовую теорию исключительно как вычислительную процедуру для расчета вероятностей, но я придерживаюсь принципиально иной точки зрения: разные уровни реальности не просто подчиняются разным теориям, но являются несопоставимыми уровнями реальности.
Я тщательно избегаю здесь понятия «объективной реальности», потому что квантовая реальность, как мне кажется, выходит за пределы смыслов, вложенных в несуществующую «объективность» - не существующую по причине ее абсолютной запредельности, идеальности, бестелесности, божественности. Ведь говорить об «объективности» можно только с позиции Бога - точно так же, как говорить об «истинности», на обладание которой обычно притязает тоталитарный разум.
Отказ от объективности не только не ведет к релятивизму, но, наоборот открывает для изучения грандиозные новые миры, включающие чисто квантовые системы, находящиеся в нелокальном состоянии, иные уровни реальности и многочисленные явления, числящиеся за мистикой, эзотерикой и магией. Кстати, отказ от последних также присущ все тому же тоталитарному разуму.
Квантовое расширение реальности, как и мистическое расширение сознания, взаимно дополняют одно другое, раздвигая горизонты познания, включая квантовые состояния в реальность и делая их объектами научного подхода. Таковыми постепенно становятся также многочисленные феномены просветления, ясновидения, экстрасенсорики, телепатии, материализации и дематериализации, плацебо, молитвенной терапии, духовных или эзотерических практик.
После краткого вводного описания основополагающих принципов квантовой реальности перейдем к некоторым деталям ее «внутреннего обустройства».

Демонстрация, опровергнувшая предположения великого Исаака Ньютона о природе света, была ошеломляюще проста. Это «можно с легкостью повторить, где бы ни сияло солнце», - заявил английский физик Томас Юнг в ноябре 1803 года членам Королевского общества в Лондоне, описывая то, что сейчас известно, как эксперимент на двух щелях, или опыт Юнга. Юнг не искал сложных путей и не сделал из своего опыта фиглярское шоу. Он просто придумал элегантный и решительный эксперимент, демонстрирующий волновую природу света на примере обычных подручных материалов, и тем самым опроверг теорию Ньютона о том, что свет сделан из корпускул или частиц.

Опыт Юнга.

Опыт Юнга (эксперимент на двух щелях) - эксперимент, проведенный Томасом Юнгом и ставший экспериментальным доказательством волновой теории света.

В опыте пучок монохроматического света направляется на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого устанавливается проекционный экран. Ширина прорезей приблизительно равна длине волны излучаемого света. На проекционном экране получается целый ряд чередующихся интерференционных полос. Интерференция света доказывает справедливость волновой теории.

Но рождение квантовой физики в начале 1900-х годов дало понимание, что свет сделан из крошечных, неделимых единиц или квантов энергии, которую мы называем фотонами. Эксперимент Юнга, демонстрировавший одиночные фотоны или даже отдельные частицы материи, такие как электроны и нейтроны, заставил человечество задуматься о природе самой реальности. Некоторые даже использовали этот эксперимент для утверждения тезиса, что на квантовый мир влияет человеческое сознание, давая умам пищу для размышления о нашем месте в онтологии Вселенной. Но действительно ли простой эксперимент может вызвать такие изменения в мировоззрении всех и каждого?

Сомнительное понятие измерения

В современной интерпретации опыта пучок монохроматического света направляется на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого устанавливается проекционный экран. Он регистрирует попадание частиц, прошедших сквозь прорези. В случае фотонов это фотопластинка. По логике вещей, следовало бы ожидать, что фотоны должны пройти через одну щель или другую и накапливаться за ними.

Но это не так. Они идут в определенные части экрана, а другие просто избегают, создавая чередующиеся полосы света и темноты - так называемые интерференционные полосы. Они получаются, когда два набора волн перекрывают друг друга. Там, где волны окажутся в одной фазе, из амплитуды сложится и получится усиливающая интерференция - светлые полосы. Когда волны находятся в противофазе, возникает ослабляющая интерференция - темные полосы.

Но есть только один фотон, который пройдет через обе щели. Это похоже на то, что фотон проходит через обе щели сразу и интерферирует сам себя. Это не вписывается в классическую картинку.

С математической точки зрения, фотон, проходящий через обе щели, - это не физическая частица или физическая волна, а нечто, называемое волновой функцией - абстрактная математическая функция, которая представляет состояние фотона (в данном случае его положение). Волновая функция ведет себя как волна. Она попадает в обе щели и новые волны исходят из каждой, распространяясь и в конечном итоге сталкиваясь друг с другом. Комбинированную волновую функцию можно использовать для расчета вероятности того, где будет находиться фотон.

Джейкоб Биамонте, Сколтех, - о том, что квантовые компьютеры могут уже сейчас

Фотон с большой вероятностью будет там, где две волновые функции создают усиливающую интерференцию, и вряд ли окажется в областях ослабляющей интерференции. Измерение - в этом случае взаимодействие волновой функции с фотопластиной - называется «коллапсом» волновой функции или редукцией фон Неймана. Этот процесс происходит во время измерения в одном из тех мест, где фотон материализуется.

Редукция фон Неймана (редукция или коллапс волновой функции) - мгновенное изменение описания квантового состояния (волновой функции) объекта, происходящее при измерении. Поскольку данный процесс существенно нелокален, а из мгновенности изменения следует распространение взаимодействий быстрее скорости света, то считается, что он является не физическим процессом, а математическим приемом описания.

Не существует того, что не наблюдает человек

Этот кажущийся странным коллапс волновой функции является источником многих трудностей в квантовой механике. Перед прохождением света нельзя сказать с уверенностью, где окажется отдельно взятый фотон. Он может появиться в любом месте с ненулевой вероятностью. Невозможно нарисовать траекторию фотона от источника до точки на экране. Траекторию фотона невозможно предугадать, это вам не самолет, летающий по одному и тому же маршруту из Сан-Франциско в Нью-Йорк.

Вернер Гейзенберг, как и другие ученые, постулировал, что реальность с математической точки зрения не существует, пока отсутствует наблюдатель.

«Идея объективного реального мира, чьи части существуют так же, как и камни или деревья, и независимы от того, наблюдаем мы их или нет, невозможна», - писал он. Джон Уилер также использовал вариант эксперимента с двумя щелями, чтобы утверждать, что «ни одно элементарное квантовое явление не является таковым до тех пор, пока оно не будет засвидетельствовано окружающими («наблюдаемым», «наглядным»).

Вернер Карл Гейзенберг является автором ряда фундаментальных трудов в квантовой теории: он заложил основы матричной механики, сформулировал соотношение неопределенностей, применил формализм квантовой механики к проблемам ферромагнетизма, аномального эффекта Зеемана и прочим.

В дальнейшем активно участвовал в развитии квантовой электродинамики (теория Гейзенберга - Паули) и квантовой теории поля (теория S-матрицы), в последние десятилетия жизни предпринимал попытки создания единой теории поля. Гейзенбергу принадлежит одна из первых квантовомеханических теорий ядерных сил. Во время Второй мировой войны он был ведущим теоретиком немецкого ядерного проекта.

Джон Арчибальд Уилер ввел несколько терминов (квантовая пена, замедление нейтронов), включая два впоследствии широко распространившихся в науке и научной фантастике - черная дыра и кротовая нора.

Но квантовая теория совершенно не формулирует, что должно представлять собой «измерение». Она просто постулирует, что измерительное устройство должно быть классическим, не определяя, где эта тонкая грань между классическим и ложным измерением. Это порождает появление сторонников идеи, что человеческое сознание и вызывает коллапс волновой функции. В мае 2018 года Генри Стапп и его коллеги утверждали: эксперимент с двумя щелями и его современные варианты свидетельствуют о том, что «сознательный наблюдатель может быть незаменим» для осмысления квантовой теории и идеи того, что разум каждого человека лежит в основе материального мира.

Но эти эксперименты не являются эмпирическими доказательствами. В эксперименте с двумя щелями все, что можно сделать - это просчитать вероятность. Если вероятность проявляется у десятков тысяч идентичных фотонов при прохождении эксперимента, можно утверждать, что происходит коллапс волновой функции - благодаря сомнительному процессу, называемому измерением. Это все, что можно сделать.

Вне зависимости от человека

Кроме того, существуют другие способы интерпретации эксперимента Юнга. Например, теория де Бройля - Бома , которая утверждает, что реальность - это и волна, и частица. А фотон направляется к двойной щели с определенным начальным положением всегда и проходит через одну щель или другую. Поэтому каждый фотон имеет траекторию. Это называется распространением волны-пилота, которая проходит через обе щели, происходит интерференция, а затем волна-пилот направляет фотон в область усиливающей интерференции.

Бомовские траектории для электрона, прошедшего через две щели. Аналогичная картина была также экстраполирована из слабых измерений одиночных фотонов. Изображение: thequantumphysics

В дополнение к волновой функции на пространстве всех возможных конфигураций теория де Бройля - Бома постулирует реальную конфигурацию, которая существует, даже не будучи измеряемой. В ней волновая функция определяется для обеих щелей, но каждая частица имеет четко определенную траекторию, которая проходит точно через одну щель. Итоговое положение частицы на детекторном экране и щель, через которую она проходит, определяется начальным положением частицы. Такое исходное положение непознаваемо или неуправляемо со стороны экспериментатора, так что есть видимость случайности в закономерности детектирования.

В 1979 году Крис Дьюдни и его коллеги из колледжа Бирбека смоделировали теоретические варианты траекторий частиц, проходящих через две щели. В последнее десятилетие экспериментаторы убедились, что существуют такие траектории, хотя и с использованием достаточно спорного метода, так называемого слабого измерения. Несмотря на противоречия, эксперименты показывают, что теория де Бройля - Бома объясняет поведение квантового мира.

Биркбек (Лондонский университет) - исследовательское и образовательное учреждение с вечерней формой обучения, специализирующееся в предоставлении высшего образования. Является составной частью Лондонского университета.

Существенным в этих измерениях является то, что теории не нужны наблюдатели, измерения или человеческое участие.

Так называемые теории коллапса утверждают, что коллапс волновых функций происходит случайным образом. Чем больше частиц в квантовой системе, тем вероятнее он. Наблюдатели просто фиксируют результат. Команда Маркуса Арндта в Венском университете проверяла эти теории, отправляя все большие и большие частицы через щели. Теории коллапса гласят, что когда частицы материи становятся более массивными, чем определенный показатель, они не могут оставаться в квантовом поле, проходящем через обе щели одновременно, это разрушит интерференционную картину. Команда Арндта послала частицу с более чем 800 атомами через щели, и перераспределение интенсивности света все же произошло. Поиск критического значения продолжается.

У Роджера Пенроуза есть своя версия теории коллапса: чем выше масса объекта в квантовом поле, тем быстрее он перейдет из одного состояния в другое из-за гравитационной неустойчивости. Опять же, это теория, не требующая вмешательства человека. Сознание здесь ни при чем. Дирк Боумистер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре тестирует идею Пенроуза с помощью эксперимента Юнга.

По сути, идея состоит в том, чтобы не просто заставить фотон пройти через обе щели, но и поставить одну из прорезей в суперпозицию - в двух местах одновременно. По словам Пенроуза, смещенная щель будет либо оставаться в суперпозиции, либо приведет к коллапсу, пока проходит фотон, что приведет к разным типам интерференционных картин. Коллапс будет зависеть от размера щелей. Боумистер работает над этим экспериментом в течение целого десятилетия и вскоре сможет подтвердить или опровергнуть заявления Пенроуза.

Квантовый компьютер раскроет загадки генетики

Если не произойдет что-либо революционное, эти эксперименты покажут, что мы пока не можем претендовать на абсолютное познание природы реальности. Даже если попытки мотивированы математически или философски. И выводы нейробиологов и философов, не согласных с природой квантовой теории и утверждающих, что коллапс волновых функций имеет место быть, в лучшем случае преждевременны, а в худшем - ошибочны и лишь вводят всех в заблуждение.

Физика дает нам объективное понимание окружающего мира, а ее законы абсолютны и действуют на всех людей без исключения, невзирая на социальный статус и лица.

Но такое понимание указанной науки было не всегда. В конце XIX столетия были сделаны первые несостоятельные шаги к созданию теории излучения черного физического тела на основе законов классической физики. Из законов данной теории следовало, что вещество обязано отдавать определенные электромагнитные волны при любой температуре, снижать амплитуду до абсолютного нуля и терять свои свойства. Другими словами, тепловое равновесие между излучением и конкретным элементом было невозможно. Однако такое утверждение находилось в противоречии с реальным повседневным опытом.

Более детализировано и понятно квантовую физику можно пояснить следующим образом. Существует определение абсолютно черного тела, которое способно поглощать электромагнитное излучение любого спектра волны. Длина его излучения определяется только его температурой. В природе не может быть абсолютно черных тел, которые соответствуют непрозрачному замкнутому веществу с отверстием. Любой кусок элемента при нагревании начинает светиться светится, а при дальнейшем повышении градуса окрашивается сначала красным, а затем - белым. Цвет от свойств вещества практически не зависит, для абсолютно черного тела он характеризуется исключительно его температурой.

Замечание 1

Следующим этапом в развитии квантовой концепции было учение А. Эйнштейна, которое известно под гипотезой Планка.

Данная теория дала возможность ученому объяснить все закономерности уникального фотоэффекта, не укладывающиеся в пределы классической физики. Сущность указанного процесса заключается в исчезновении вещества под воздействием быстрых электронов электромагнитного излучения. Энергия испускаемых элементов не зависит от коэффициента поглощаемого излучения и определяется его характеристиками. Однако от насыщенности лучей зависит количество испускаемых электронов

Многократные эксперименты вскоре подтвердили учение Эйнштейна, причем не только с фотоэффектом и светом, но и с рентгеновскими и гамма-лучами. Эффект А. Комптона, который был найден в 1923 году, представил общественности новые факты существования неких фотонов посредством расположения упругого рассеяния электромагнитных излучений на свободных, малых электронах, сопровождаемые повышением диапазона и длины волны.

Квантовая теория поля

Данное учение позволяет определить процесс внедрения квантовых систем в рамки, называемых в науке степеней свободы, предполагающих определенное количество независимых координат, которые крайне важны для обозначения общего движения механической концепции.

Простыми словами, эти показатели являются основными характеристиками движения. Стоит отметить, что интересные открытия в сфере гармоничного взаимодействия элементарных частиц сделал исследователь Стивен Вайнберг, который открыл нейтральный ток, а именно принцип взаимосвязи между лептонами и кварками. За свое открытие в 1979-ом году физик стал лауреатом Нобелевской премии.

В квантовой теории атом состоит из ядра и конкретного облака электронов. Основа данного элемента включает в себя практически всю массу самого атома - более 95 процентов. Ядро обладает исключительно положительным зарядом, определяющий химический элемент, частью которого является сам атом. Самым необычным в строение атома является то, что ядро хоть и составляет почти всю его массу, но содержит всего одну десятитысячную его объема. Из этого следует, что плотного вещества в атоме действительно очень мало, а все остальное пространство занимает электронное облако.

Интерпретации квантовой теории - принцип дополнительности

Стремительное развитие квантовой теории привело к кардинальному изменению классических представлений о таких элементах:

• структуре материи;
• движении элементарных частиц;
• причинности;
• пространстве;
• времени;
• характере познания.

Такие перемены в сознании людей способствовали коренной трансформации картины мира в более четкое понятие. Для классической интерпретации материальной частицы было свойственно внезапное выделение из окружающей среды, наличие собственного движения и конкретное месторасположение в пространстве.

В квантовой теории элементарная частица стала представляться как важнейшая часть системы, в которую она была включена, однако при этом не имела собственных координат и импульса. В классическом познании движения предлагался перенос элементов, которые оставались тождественными сами себе, по заранее спланированной траектории.

Неоднозначный характер деления частицы обусловил надобность отказа от такого видения движения. Классический детерминизм уступил лидирующую позицию статистическому направлению. Если ранее все целое в элементе воспринималось как общее количество составляющих частей, то квантовая теория определила зависимость отдельных свойств атома от системы.

Классическое понимание интеллектуального процесса было напрямую связано с пониманием материального предмета как полноценно существующего самого по себе.

Квантовая теория продемонстрировала:

• зависимость знания об объекте;
• самостоятельность исследовательских процедур;
• завершенность действий на ряде гипотез.

Замечание 2

Смысл этих концепций изначально был далеко не ясен, а поэтому основные положения квантовой теории всегда получали разное истолкование, а также разнообразные интерпретации.

Квантовая статистика

Параллельно с развитием квантовой и волновой механики стремительно развивались другие составные элементы квантовой теории - статистика и статистическая физика квантовых систем, которые включали в себя огромное количество частиц. На базе классических методов движения конкретных элементов была создана теория поведения их целостности- классическая статистика.

В квантовой статистике полностью отсутствует вероятность различить две частицы одинаковой природы, так как два состояния этой нестабильной концепции отличаются друг от друга только перестановкой частиц идентичной мощности влияний на сам принцип тождественности. Этим квантовые системы в основном и отличаются от классических научных систем.

Важным итогом в открытии квантовой статистики считается положение о том, что каждая частица, которая входит в какую-либо систему, не тождественна такому же элементу. Отсюда следует значимость задачи определения специфики материального предмета в конкретном сегменте систем.

Отличие квантовой физики от классической

Итак, постепенный отход квантовой физики от классической состоит в отказе от того, чтобы объяснять происходящие во времени и пространстве индивидуальные события, и применении статистического способа с его волнами вероятности.

Замечание 3

Целью классической физики является описание отдельных объектов в определенной сфере и формирование законов, управляющих изменением этих предметов во времени.

Квантовая физика в глобальном понимании физических идей занимает особое место в науке. К числу самых запоминающихся созданий человеческого ума относится теория относительности – общая и специальная, которая представляет собой абсолютно новую концепцию направлений, объединяющую электродинамику, механику и теорию тяготения.

Квантовая теория смогла окончательно разорвать связи с классическими традициями, создав новый, универсальный язык и необычный стиль мышления, позволяющий ученым проникнуть в микромир с его энергетическими составляющими и дать его полное описание посредством введения специфик, отсутствовавших в классической физике. Все эти методы в конечном итоге позволили более детализировано понять сущность всех атомных процессов, и вместе с тем именно эта теория внесла в науку элемент случайности и непредсказуемости.

а) Предпосылки квантовой теории

В конце XIX века выявилась несостоятельность попыток создать теорию излучения черного тела на основе законов классической физики. Из законов классической физики следовало, что вещество должно излучать электромагнитные волны при любой температуре, терять энергию и понижать температуру до абсолютного нуля. Иными словами. тепловое равновесие между веществом и излучением было невозможно. Но это находилось в противоречии с повседневным опытом.

Более детально это можно пояснить следующим образом. Существует понятие абсолютно черного тела - тела, поглощающего электромагнитное излучение любой длины волны. Спектр его излучения определяется его температурой. В природе абсолютно черных тел нет. Наиболее точно абсолютно черному телу соответствует замкнутое непрозрачное полое тело с отверстием. Любой кусок вещества при нагревании светится и при дальнейшем повышении температуры становится сначала красным, а затем - белым. Цвет от вещества почти не зависит, для абсолютно черного тела он определяется исключительно его температурой. Представим такую замкнутую полость, которая поддерживается при постоянной температуре и которая содержит материальные тела, способные испускать и поглощать излучения. Если температура этих тел в начальный момент отличалась от температуры полости, то со временем система (полость плюс тела) будет стремиться к термодинамическому равновесию, которое характеризуется равновесием между поглощаемой и измеряемой в единицу времени энергией. Г.Кирхгоф установил, что это состояние равновесия характеризуется определенным спектральным распределением плотности энергии излучения, заключенного в полости, а также то, что функция, определяющая спектральное распределение (функция Кирхгофа), зависит от температуры полости и не зависит ни от размеров полости или ее форм, ни от свойств помещенных в нее материальных тел. Так как функция Кирхгофа универсальна, т.е. одинакова для любого черного тела, то возникло предположение, что ее вид определяется какими-то положениями термодинамики и электродинамики. Однако попытки такого рода оказались несостоятельными. Из закона Д.Рэлея следовало, что спектральная плотность энергии излучения должна монотонно возрастать с увеличением частоты, но эксперимент свидетельствовал об ином: вначале спектральная плотность с увеличением частоты возрастала, а затем падала. Решение проблемы излучения черного тела требовало принципиально нового подхода. Он был найден М.Планком.

Планк в 1900 г. сформулировал постулат, согласно которому вещество может испускать энергию излучения только конечными порциями, пропорциональными частоте этого излучения (см. раздел "Возникновение атомной и ядерной физики"). Данная концепция привела к изменению традиционных положений, лежащих в основе классической физики. Существование дискретности действия указывало на взаимосвязь между локализацией объекта в пространстве и времени и его динамическим состоянием. Л. де Бройль подчеркивал, что "с точки зрения классической физики эта связь представляется совершенно необъяснимой и гораздо более непонятной по следствиям, к которым она приводит, чем связь между пространственными переменными и временем, установленная теорией относительности." Квантовой концепции в развитии физики было суждено сыграть огромную роль.

Следующим шагом в развитии квантовой концепции было расширение А.Эйнштейном гипотезы Планка, что позволило ему объяснить закономерности фотоэффекта, не укладывающиеся в рамки классической теории. Сущность фотоэффекта заключается в испускании веществом быстрых электронов под действием электромагнитного излучения. Энергия испускаемых электронов при этом от интенсивности поглощаемого излучения не зависит и определяется его частотой и свойствами данного вещества, но от интенсивности излучения зависит число испускаемых электронов. Дать объяснение механизму освобождаемых электронов не удавалось, поскольку в соответствии с волновой теорией световая волна, падая на электрон, непрерывно передает ему энергию, причем ее количество в единицу времени должно быть пропорционально интенсивности волны, падающей на него. Эйнштейн в 1905 году высказал предположение о том, что фотоэффект свидетельствует о дискретном строении света, т.е. о том, что излучаемая электромагнитная энергия распространяется и поглощается подобно частице (названной затем фотоном). Интенсивность падающего света при этом определяется числом световых квантов, падающих на один квадратный сантиметр освещаемой плоскости в секунду. Отсюда число фотонов, которые испускаются единицей поверхности в единицу времени. должно быть пропорционально интенсивности освещения. Многократные опыты подтвердили это объяснение Эйнштейна, причем не только со светом, но и с рентгеновскими и гамма-лучами. Эффект А.Комптона, обнаруженный в 1923 году, дал новые доказательства существования фотонов - было обнаружено упругое рассеяние электромагнитного излучения малых длин волн (рентгеновского и гамма-излучения) на свободных электронах, которое сопровождается увеличением длины волны. Согласно классической теории, при таком рассеянии длина волны не должна меняться. Эффект Комптона подтвердил правильность квантовых представлений об электромагнитном излучении как о потоке фотонов - он может рассматриваться как упругое столкновение фотона и электрона, при котором фотон передает электрону часть своей энергии, а потому его частота уменьшается, а длина волны увеличивается.

Появились и другие подтверждения фотонной концепции. Особенно плодотворной оказалась теория атома Н.Бора (1913 г.), выявившая связь строения материи с существованием квантов и установившая, что энергия внутриатомных движений может меняться также лишь скачкообразно. Таким образом, признание дискретной природы света состоялось. Но ведь по сути своей это было возрождение отвергнутой ранее корпускулярной концепции света. Поэтому вполне естественно возникли проблемы: как совместить дискретность структуры света с волновой теорией (тем более, что волновая теория света подтверждалась целым рядом экспериментов), как совместить существование кванта света с явлением интерференции, как явления интерференции объяснить с позиции квантовой концепции? Таким образом, возникла потребность в концепции, которая увязывала бы корпускулярный и волновой аспекты излучения.

б) Принцип соответствия

Для устранения трудности, возникшей при использовании классической физики для обоснования устойчивости атомов (вспомним, что потеря энергии электроном приводит к его падению на ядро), Бор предположил, что атом в стационарном состоянии не излучает (см. предыдущий раздел). Это означало, что электромагнитная теория излучения для описания электронов, движущихся по стабильным орбитам, не годится. Но квантовая концепция атома, отказавшись от электромагнитной концепции, не могла объяснить свойства излучения. Возникла задача: попытаться установить определенное соответствие между квантовыми явлениями и уравнениями электродинамики с целью понять, почему классическая электромагнитная теория дает верное описание явлений большого масштаба. В классической теории движущийся в атоме электрон излучает непрерывно и одновременно свет разных частот. В квантовой же теории электрон, находящийся внутри атома на стационарной орбите, наоборот, не излучает - излучение кванта происходит лишь в момент перехода с одной орбиты на другую, т.е. излучение спектральных линий определенного элемента является дискретным процессом. Таким образом, налицо два совершенно различных представления. Можно ли их привести в соответствие и если да, то в какой форме?

Очевидно, что соответствие с классической картиной возможно лишь при одновременном испускании всех спектральных линий. В то же время очевидно, что с квантовой позиции излучение каждого кванта является актом индивидуальным, а поэтому для получения одновременного испускания всех спектральных линий необходимо рассматривать целый большой ансамбль атомов одинаковой природы, в котором осуществляются различные индивидуальные переходы, приводящие к испусканию различных спектральных линий конкретного элемента. В этом случае понятие интенсивности различных линий спектра необходимо представлять статистически. Для определения интенсивности индивидуального излучения кванта необходимо рассматривать ансамбль большого числа одинаковых атомов. Электромагнитная теория позволяет дать описание макроскопических явлений, а квантовая теория тех явлений, в которых важную роль играют множество квантов. Поэтому вполне вероятно, что результаты, полученные квантовой теорией, будут стремиться к классическим в области множества квантов. Согласование классической и квантовой теорий и следует искать в этой области. Для вычисления классических и квантовых частот необходимо выяснить, совпадают ли эти частоты для стационарных состояний, которые отвечают большим квантовым числам. Бор выдвинул предположение о том, что для приближенного вычисления реальной интенсивности и поляризации можно использовать классические оценки интенсивностей и поляризаций, экстраполируя на область малых квантовых чисел то соответствие, которое было установлено для больших квантовых чисел. Данный принцип соответствия нашел подтверждение: физические результаты квантовой теории при больших квантовых числах должны совпадать с результатами классической механики, а релятивистская механика при малых скоростях переходит в классическую механику. Обобщенная формулировка принципа соответствия может быть выражена как утверждение, согласно которому новая теория, которая претендует на более широкую область применимости по сравнению со старой, должна включать в себя последнюю как частный случай. Использование принципа соответствия и придание ему более точной формы способствовали созданию квантовой и волновой механики.

К концу первой половины XX века в исследованиях природы света сложились две концепции - волновая и корпускулярная, которые остались не в состоянии преодолеть разделяющий их разрыв. Возникла настоятельная потребность создать новую концепцию, в которой квантовые идеи должны лечь в ее основу, а не выступать в роли некого "довеска". Реализация этой потребности была осуществлена созданием волновой механики и квантовой механики, которые по сути составили единую новую квантовую теорию - различие заключалось в используемых математических языках. Квантовая теория как нерелятивистская теория движения микрочастиц явилась самой глубокой и широкой физической концепцией, объясняющей свойства макроскопических тел. В качестве ее основы были положены идея квантования Планка-Эйнштейна-Бора и гипотеза о волнах материи де Бройля.

в) Волновая механика

Ее основные идеи появились в 1923-1924 гг., когда Л. де Бройлем была высказана мысль о том, что электрон должен обладать и волновыми свойствами, навеянная аналогией со светом. К этому времени представления о дискретной природе излучения и существовании фотонов уже достаточно укрепились, поэтому для полного описания свойств излучения надо было поочередно представлять его то как частицу, то как волну. А поскольку Эйнштейн уже показал, что дуализм излучения связан с существованием квантов, то естественно было поставить вопрос о возможности обнаружения подобного дуализма и в поведении электрона (и вообще материальных частиц). Гипотеза де Бройля о волнах материи получила подтверждение обнаруженным в 1927 г. явлением дифракции электронов: оказалось, что пучок электронов дает дифракционную картину. (Позже будет обнаружена дифракция и у молекул.)

Исходя из идеи де Бройля о волнах материи, Э.Шредингер в 1926 г. вывел основное уравнение механики (которую он назвал волновой), позволяющее определить возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени. Уравнение содержало так называемую волновую функцию y (пси-функцию), описывающую волну (в абстрактном, конфигурационном пространстве). Шредингер дал общее правило преобразования данных классических уравнений в волновые, которые относятся к многомерному конфигурационному пространству, а не реальному трехмерному. Пси-функция определяла плотность вероятности нахождения частицы в данной точке. В рамках волновой механики атом можно было представить в виде ядра, окруженного своеобразным облаком вероятности. С помощью пси-функции определяется вероятность присутствия электрона в определенной области пространства.

г) Квантовая (матричная) механика.

Принцип неопределенности

В 1926 г. В.Гейзенберг разрабатывает свой вариант квантовой теории в виде матричной механики, отталкиваясь при этом от принципа соответствия. Столкнувшись с тем, что при переходе от классической точки зрения к квантовой нужно разложить все физические величины и свести их к набору отдельных элементов, соответствующих различным возможным переходам квантового атома, он пришел к тому, чтобы каждую физическую характеристику квантовой системы представлять таблицей чисел (матрицей). При этом он сознательно руководствовался целью построить феноменологическую концепцию, чтобы исключить из нее все, что невозможно наблюдать непосредственно. В этом случае нет никакой необходимости вводить в теорию положение, скорость или траекторию электронов в атоме, поскольку мы не можем ни измерять, ни наблюдать эти характеристики. В расчеты следует вводить лишь те величины, которые связаны с реально наблюдаемыми стационарными состояниями, переходами между ними и сопровождающими их излучениями. В матрицах элементы были расположены в строки и столбцы, причем каждый из них имел два индекса, один из которых соответствовал номеру столбца, а другой - номеру строки. Диагональные элементы (т.е. элементы, индексы которых совпадают) описывают стационарное состояние, а недиагональные (элементы с разными индексами) - описывают переходы из одного стационарного состояния в другое. Величина же этих элементов связывается с величинами, характеризующими излучение при данных переходах, полученными с помощью принципа соответствия. Именно таким способом Гейзенберг строил матричную теорию, все величины которой должны описывать лишь наблюдаемые явления. И хотя наличие в аппарате его теории матриц, изображающих координаты и импульсы электронов в атомах, оставляет сомнение в полном исключении ненаблюдаемых величин, Гейзенберту удалось создать новую квантовую концепцию, составившую новую ступень в развитии квантовой теории, суть которой состоит в замене физических величин, имеющих место в атомной теории, матрицам - таблицам чисел. Результаты, к которым приводили методы, используемые в волновой и матричной механике, оказались одинаковыми, поэтому обе концепции и входят в единую квантовую теорию как эквивалентные. Методы матричной механики, в силу своей большей компактности часто быстрее приводят к нужным результатам. Методы волновой механики, как считается, лучше согласуется с образом мышления физиков и их интуицией. Большинство физиков при расчетах пользуется волновым методом и использует волновые функции.

Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, в соответствии с которым координаты и импульс не могут одновременно принимать точные значения. Для предсказания положения и скорости частицы важно иметь возможность точно измерять ее положение и скорость. При этом чем точнее измеряется положение частицы (ее координаты), тем менее точными оказываются измерения скорости.

Хотя световое излучение состоит из волн, однако в соответствии с идеей Планка, свет ведет себя как частица, ибо излучение и поглощение его осуществляется в виде квантов. Принцип неопределенности же свидетельствует о том, что частицы могут вести себя как волны - они как бы "размазаны" в пространстве, поэтому можно говорить не об их точных координатах, а лишь о вероятности их обнаружения в определенном пространстве. Таким образом, квантовая механика фиксирует корпускулярно-волновой дуализм - в одних случаях удобнее частицы считать волнами, в других, наоборот, волны частицами. Между двумя волнами-частицами можно наблюдать явление интерференции. Если гребни одной волны совпадают с впадинами другой волны, то они гасят друг друга, а если гребни и впадины одной волны совпадают с гребнями и впадинами другой волны, то они усиливают друг друга.

д) Интерпретации квантовой теории.

Принцип дополнительности

Возникновение и развитие квантовой теории привело к изменению классических представлений о структуре материи, движении, причинности, пространстве, времени, характере познания и т.д., что способствовало коренному преобразованию картины мира. Для классического понимания материальной частицы было характерно резкое ее выделение из окружающей среды, обладание собственным движением и местом нахождения в пространстве. В квантовой теории частица стала представляться как функциональная часть системы, в которую она включена, не имеющая одновременно координат и импульса. В классической теории движение рассматривалось как перенос частицы, остающейся тождественно самой себе, по определенной траектории. Двойственный характер движения частицы обусловил необходимость отказа от такого представления движения. Классический (динамический) детермизм уступил место вероятностному (статистическому). Если ранее целое понималось как сумма составляющий частей, то квантовая теория выявила зависимость свойств частицы от системы, в которую она включена. Классическое понимание познавательного процесса было связано с познанием материального объекта как существующего самого по себе. Квантовая теория продемонстрировала зависимость знания об объекте от исследовательских процедур. Если классическая теория претендовала на завершенность, то квантовая теория с самого начала развертывалась как незавершенная, основывающаяся на ряде гипотез, смысл которых вначале был далеко не ясен, а поэтому ее основные положения получали разное истолкование, разные интерпретации.

Разногласия выявились прежде всего по поводу физического смысла двойственности микрочастиц. Де Бройль вначале выдвинул концепцию волны-пилота, в соответствии с которой волна и частица сосуществуют, волна ведет за собой частицу. Реальным материальным образованием, сохраняющим свою устойчивость, является частица, поскольку именно она обладает энергией и импульсом. Волна, несущая частицу, управляет характером движения частицы. Амплитуда волны в каждой точке пространства определяет вероятность локализации частицы рядом с этой точкой. Шредингер проблему двойственности частицы решает по сути путем ее снятия. Для него частица выступает как чисто волновое образование. Иначе говоря, частица есть место волны, в котором сосредоточена наибольшая энергия волны. Интерпретации де Бройля и Шредингера представляли собой по сути попытки создать наглядные модели в духе классической физики. Однако это оказалось невозможным.

Гейзенбергом была предложена интерпретация квантовой теории, исходя (как было показано ранее) из того, что физика должна пользоваться только понятиями и величинами, основанными на измерениях. Гейзенберг поэтому и отказался от наглядного представления движения электрона в атоме. Макроприборы не могут дать описание движения частицы с одновременной фиксацией импульса и координат (т.е. в классическом смысле) по причине принципиально неполной контролируемости взаимодействия прибора с частицей - в силу соотношения неопределенностей измерение импульса не дает возможности определить координаты и наоборот. Иначе говоря, по причине принципиальной неточности измерения предсказания теории могут иметь лишь вероятностный характер, причем вероятность является следствием принципиальной неполноты информации о движении частицы. Это обстоятельство привело к выводу о крушении принципа причинности в классическом смысле, предполагавшим предсказание точных значений импульса и координаты. В рамках квантовой теории, таким образом, речь идет не об ошибках наблюдения или эксперимента, а о принципиальном недостатке знаний, которые и выражаются с помощью функции вероятности.

Интерпретация квантовой теории, осуществленная Гейзенбергом, была развита Бором и получила название копенгагенской. В рамках данной интерпретации основным положением квантовой теории выступает принцип дополнительности, означающий требование применять для получения в процессе познания целостной картины изучаемого объекта взаимоисключающие классы понятий, приборов и исследовательских процедур, которые используются в своих специфических условиях и взаимозаполняют друг друга. Данный принцип напоминает соотношение неопределенностей Гейзенберга. Если речь идет об определении импульса и координаты как взаимоисключающих и взаимодополняющих исследовательских процедур, то для отождествления этих принципов есть основания. Однако смысл принципа дополнительности шире, чем соотношения неопределенностей. Для того, чтобы объяснить устойчивость атома, Бор соединил в одной модели классические и квантовые представления о движении электрона. Принцип дополнительности, таким образом, позволил классические представления дополнить квантовыми. Выявив противоположность волновых и корпускулярных свойств света и не найдя их единства, Бор склонился к мысли о двух, эквивалентных друг другу, способах описания - волновом и корпускулярном - с последующем их совмещением. Так что точнее говорить о том, что принцип дополнительности выступает развитием соотношения неопределенности, выражающих связи координаты и импульса.

Ряд ученых истолковали нарушение принципа классического детерминизма в рамках квантовой теории в пользу индетернизма. В действительности же здесь принцип детерминизма изменял свою форму. В рамках классической физики, если в начальный момент времени известны положения и состояние движения элементов системы, можно полностью предсказать ее положение в любой будущий момент времени. Все макроскопические системы были подчинены этому принципу. Даже в тех случаях, когда приходилось вводить вероятности, всегда предполагалось, что все элементарные процессы строго детернизированы и что только их большое число и беспорядочность поведения заставляет обращаться к статистическим методам. В квантовой теории ситуация принципиально иная. Для реализации принципов детернизации здесь необходимо знать координаты и импульсы, и это соотношением неопределенности запрещается. Использование вероятности здесь имеет иной смысл по сравнению со статистической механикой: если в статистической механике вероятности использовались для описания крупномасштабных явлений, то в квантовой теории вероятности, наоборот, вводятся для описания самих элементарных процессов. Все это означает, что в мире крупномасштабных тел действует динамический принцип причинности, а в микромире - вероятностный принцип причинности.

Копенгагенская интерпретация предполагает, с одной стороны, описание экспериментов в понятиях классической физики, а с другой - признание этих понятий неточно соответствующими действительному положению вещей. Именно эта противоречивость и обусловливает вероятность квантовой теории. Понятия классической физики составляют важную составную часть естественного языка. Если мы не будем использовать этих понятий для описания проводимых экспериментов, то мы не сможем понять друг друга.

Идеалом классической физики является полная объективность знания. Но в познании мы используем приборы, а тем самым, как говорит Гейнзерберг, в описание атомных процессов вводится субъективный элемент, поскольку прибор создан наблюдателем. "Мы должны помнить, что то, что мы наблюдаем, - это не сама природа, а природа, которая выступает в том виде, в каком она выявляется благодаря нашему способу постановки вопросов научная работа в физике состоит в том, чтобы ставить вопросы о природе на языке, которым мы пользуемся, и пытаться получить ответ в эксперименте, выполненном с помощью имеющихся у нас в распоряжении средств. При этом вспоминаются слова Бора о квантовой теории: если ищут гармонии в жизни, то никогда нельзя забывать, что в игре жизни мы одновременно и зрители, и участники. Понятно, что в нашем научном отношении к природе наша собственная деятельность становится важной там, где нам приходится иметь дело с областями природы, проникнуть в которые можно только благодаря важнейшим техническим средствам"

Классические представления пространства и времени также оказалось невозможным использовать для описания атомных явлений. Вот что писал по этому поводу другой создатель квантовой теории: "существование кванта действия обнаружило совершенно непредвиденную связь между геометрией и динамикой: оказывается, что возможность локализации физических процессов в геометрическом пространстве зависит от их динамического состояния. Общая теория относительности уже научила нас рассматривать локальные свойства пространства-времени в зависимости от распределения вещества во Вселенной. Однако существование квантов требует гораздо более глубокого преобразования и больше не позволяет нам представлять движение физического объекта вдоль определенной линии в пространстве-времени (мировой линии). Теперь нельзя определить состояние движения, исходя из кривой, изображающей последовательные положения объекта в пространстве с течением времени. Теперь нужно рассматривать динамическое состояние не как следствие пространственно-временной локализации, а как независимый и дополнительный аспект физической реальности"

Дискуссии по проблеме интерпретации квантовой теории обнажили вопрос о самом статусе квантовой теории - является ли она полной теорией движения микрочастицы. Впервые вопрос таким образом был сформулирован Энштейном. Его позиция получила выражение в концепции скрытых параметров. Эйнштейн исходил из понимания квантовой теории как статистической теории, которая описывает закономерности, относящиеся к поведению не отдельной частицы, а их ансамбля. Каждая частица всегда строго локализована, одновременно обладает определенными значениями импульса и координаты. Соотношение неопределенностей отражает не реальное устройство действительности на уровне микропроцессов, а неполноту квантовой теории - просто на ее уровне мы не имеем возможности одновременно измерять импульс и координату, хотя они в действительности существуют, но как скрытые параметры (скрытые в рамках квантовой теории). Описание состояния частицы с помощью волновой функции Эйнштейн считал неполным, а потому и квантовую теорию представлял в виде неполной теории движения микрочастицы.

Бор в данной дискуссии занял противоположную позицию, исходящую из признания объективной неопределенности динамических параметров микрочастицы как причины статистического характера квантовой теории. По его мнению, отрицание Энштейном существования объективно неопределенных величин оставляет необъясненным присущие микрочастице волновые черты. Возврат к классическим представлениям движения микрочастицы Бор считал невозможным.

В 50-х гг. ХХ века Д.Бом вернулся к концепции волны-пилота де Бройля, представив пси-волну в виде реального поля, связанного с частицей. Сторонники копенгагенской интерпретации квантовой теории и даже часть ее противников позицию Бома не поддержали, однако она способствовала более углубленной проработке концепции де Бройля: частица стала рассматриваться в виде особого образования, возникающего и движущегося в пси-поле, но сохраняющего свою индивидуальность. Работы П.Вижье, Л.Яноши, разрабатывавших данную концепцию, были оценены многими физиками как слишком "классичными".

В отечественной философской литературе советского периода копенгагенская интерпретация квантовой теории была подвергнута критике за "приверженность к позитивистским установкам" в трактовке процесса познания. Однако рядом авторов отстаивалась справедливость копенгагенской интерпретации квантовой теории. Смена классического идеала научного познания неклассическим сопровождалась пониманием того, что наблюдатель, пытаясь построить картину объекта, не может отвлечься от процедуры измерения, т.е. исследователь оказывается не в состоянии измерять параметры изучаемого объекта такими, какими они были до процедуры измерения. В.Гейзенберг, Э.Шредингер и П.Дирак положили принцип неопределенности в основу квантовой теории, в рамках которой частицы уже не имели определенных и не зависящих друг от друга импульса и координат. Квантовая теория, таким образом, внесла в науку элемент непредсказуемости, случайности. И хотя Эйнштейн не смог согласиться с этим, квантовая механика согласовывалась с экспериментом, а потому стала основой многих областей знания.

е) Квантовая статистика

Одновременно с развитием волновой и квантовой механики развивалась другая составная часть квантовой теории - квантовая статистика или статистическая физика квантовых систем, состоящих из большого числа частиц. На основе классических законов движения отдельных частиц была создана теория поведения их совокупности - классическая статистика. Аналогично этому на основе квантовых законов движения частиц была создана квантовая статистика, описывающая поведение макрообъектов в случаях когда законы классической механики не применимы для описания движения составляющих их микрочастиц - в данном случае квантовые свойства проявляются в свойствах макрообъектов. Важно иметь в виду, что под системой в данном случае понимаются лишь взаимодействующие друг с другом частицы. Квантовая система при этом не может рассматриваться как совокупность частиц, сохраняющих свою индивидуальность. Иными словами, квантовая статистика требует отказа от представления различимости частиц - это получило название принципа тождественности. В атомной физике две частицы одной природы считались тождественными. Однако эта тождественность не признавалась абсолютной. Так, две частицы одной природы можно было различать хотя бы мысленно.

В квантовой статистике возможность различить две частицы одинаковой природы полностью отсутствует. Квантовая статистика исходит из того, что два состояния системы, которые отличаются друг от друга лишь перестановкой двух частиц одинаковой природы, тождественны и неразличимы. Таким образом, основное положение квантовой статистики - принцип тождественности одинаковых частиц, входящих в квантовую систему. Этим квантовые системы отличаются от классических систем.

Во взаимодействии микрочасти важная роль принадлежит спину - собственному моменту количества движения микрочастицы. (В 1925 г. Д.Уленбеком и С.Гаудсмитом впервые было открыто существование спина у электрона). Спин д электронов, протонов, нейтронов, нейтрино и др. частиц выражается полуцелой величиной, у фотонов и пи-мезонов - целочисленной величиной (1 или 0). В зависимости от спина микрочастица подчиняется одному из двух разных типов статистики. Системы тождественных частиц с целым спином (бозоны) подчиняются квантовой статистике Бозе-Эйнштейна, характерной особенностью которой является то, что в каждом квантовом состоянии может находиться произвольное число частиц. Данный тип статистики был предложен в 1924 г. Ш.Бозе и затем усовершенствована Энштейном). В 1925 г. для частиц с полуцелым спином (фермионов) Э.Ферми и П.Дирак (независимо друг от друга) предложили другой тип квантовой статики, получивший имя Ферми-Дирака. Характерной особенностью этого типа статики является то, что в каждом квантовом состоянии может находиться произвольное число частиц. Это требование называется принципом запрета В.Паули, который был открыт в 1925 г. Статистика первого типа подтверждается при исследовании таких объектов, как абсолютно черное тело, второго типа - электронный газ в металлах, нуклоны в атомных ядрах и т.д.

Принцип Паули позволил объяснить закономерности заполнения электронами оболочек в многоэлектронных атомах, дать обоснование периодической системе элементов Менделеева. Этот принцип, выражает специфическое свойство частиц, которые ему подчиняются. И сейчас трудно понять, почему две тождественные частицы взаимно запрещают друг другу занимать одно и то же состояние. Подобного типа взаимодействия в классической механике не существует. Какова его физическая природа, каковы физические источники запрета - проблема, ждущая разрешения. Сегодня ясно одно: физическая интерпретация принципа запрета в рамках классической физики невозможна.

Важным выводом квантовой статистики является положение о том, что частица, входящая в какую-либо систему, не тождественна такой же частице, но входящей в систему другого типа или свободную. Отсюда следует важность задачи выявления специфики материального носителя определенного свойства систем.

ж) Квантовая теория поля

Квантовая теория поля представляет собой распространение квантовых принципов на описание физических полей в их взаимодействиях и взаимопревращениях. Квантовая механика имеет дело с описанием взаимодействий сравнительно малой энергии, при которых число взаимодействующих частиц сохраняется. При больших энергиях взаимодействия простейших частиц (электронов, протонов и т.д.) происходит их взаимопревращение, т.е. одни частицы исчезают, другие рождаются, причем число их меняется. Большинство элементарных частиц нестабильно, спонтанно распадается до тех пор, пока не образуются стабильные частицы - протоны, электроны, фотоны и нейтроны. При столкновениях элементарных частиц, если энергия взаимодействующих частиц достаточно велика, происходит множественное рождение частиц различного спектра. Поскольку квантовая теория поля предназначена для описания процессов при высоких энергиях, поэтому должна удовлетворять требованиям теории относительности.

Современная квантовая теория поля включает три типа взаимодействия элементарных частиц: слабые взаимодействия, обусловливающие главным образом распад неустойчивых частиц, сильные и электромагнитные, ответственные за превращение частиц при их столкновении.

Квантовая теория поля, описывающая превращение элементарных частиц, в отличие от квантовой механики, описывающей их движение, не является последовательной и завершенной, она полна трудностей и противоречий. Наиболее радикальным способом их преодоления считается создание единой теории поля, в основу которой должен быть положен единый закон взаимодействия первичной материи - из общего уравнения должен выводиться спектр масс и спинов всех элементарных частиц, а также значения зарядов частиц. Таким образом, можно сказать, что квантовая теория поля ставит задачу выработки более глубокого представления об элементарной частице, возникающей за счет поля системы других элементарных частиц.

Взаимодействие электромагнитного поля с заряженными частицами (главным образом электронами, позитронами, мюонами) изучается квантовой электродинамикой, в основе которой лежит представление о дискретности электромагнитного излучения. Электромагнитное поле состоит из фотонов, обладающих корпускулярно-волновыми свойствами. Взаимодействие электромагнитного излучения с заряженными частицами квантовая электродинамика рассматривает как поглощение и испускание частицами фотонов. Частица может испустить фотоны, а затем поглотить их.

Итак, отход квантовой физики от классической заключается в отказе от того, чтобы описывать индивидуальные события, происходящие в пространстве и времени, и использовании статистического метода с его волнами вероятности. Цель классической физики заключается в описании объектов в пространстве и времени и в формировании законов, которые управляют изменением этих объектов во времени. Квантовая физика, имеющая дело с радиоактивным распадом, дифракцией, испусканием спектральных линий и тому подобными явлениями, не может удовлетвориться классическим подходом. Суждение типа "такой-то объект имеет такое-то свойство", характерное для классической механики, в квантовой физике заменяется суждением типа "такой-то объект имеет такое-то свойство с такой-то степенью вероятности". Таким образом, в квантовой физике имеют место законы, управляющие изменениями вероятности во времени, в классической же физике мы имеем дело с законами, управляющими изменениями индивидуального объекта во времени. Разные реальности подчиняются различным по характеру законам.

Квантовая физика в развитии физических идей и вообще стиля мышления занимает особое место. К числу величайших созданий человеческого ума относится, несомненно и теория относительности - специальная и общая, представляющая собой новую систему идей, объединившую механику, электродинамику и теорию тяготения и давшую новое понимание пространства и времени. Но это была теория, которая в определенном смысле была завершением и синтезом физики XIX века, т.е. она не означала полного разрыва с классическими теориями. Квантовая же теория порывала с классическими традициями, она создала новый язык и новый стиль мышления, позволяющий проникать в микромир с его дискретными энергетическими состояниями и дать его описание с помощью введения характеристик, отсутствовавших в классической физике, что в конечном счете позволило понять сущность атомных процессов. Но вместе с тем квантовая теория внесла в науку элемент непредсказуемости, случайности, чем она отличалась от классической науки.