В. Гейзенберг

Отправной пункт копенгагенской интерпретации – разделение физического мира на наблюдаемую систему, объект: атом, субатомная частица, атомный процесс и наблюдающую систему: экспериментальное оборудование и наблюдатели. Здесь возникает парадокс: с помощью языка классической физики наблюдаемые системы не описываются. До сих пор нет общепризнанной языковой модели, которая соответствовала бы квантовой теории, хотя математическая модель неоднократно подвергалась экспериментальной проверке (Гейзенберг 1989: 19; Капра 1994: 110).

Квантовая теория описывает наблюдаемые системы вероятностно. Это значит, что мы никогда не можем с точностью утверждать, где находится частица, как происходит тот или иной атомный процесс, когда произойдёт распад частицы. Рассчитывается функция вероятности, описывающая не само течение событий, а тенденцию, возможность события. Статистические формулировки законов атомной физики не отражают нашего незнания, вероятность следует воспринимать как основополагающее свойство микромира (Гейзенберг 1989: 19-20; Капра 1994: 111-112).

В основу объяснения квантовых парадоксов был положен принцип неопределённости В. Гейзенберга. Физики повторяли: траекторию электрона в камере Вильсона можно наблюдать. Однако реально наблюдалась не она, а дискретные следы неточно определённых положений электрона. Ведь в камере Вильсона видны лишь отдельные капельки воды, которые намного протяжённее, чем электрон. Поэтому правильный вопрос должен гласить: можно ли в квантовой механике точно описать поведение электрона?

Можно говорить, как в механике Ньютона, о координате и скорости электрона. Эти величины можно и наблюдать и измерять. Но нельзя обе эти величины одновременно измерять с любой точностью. Точно описать поведение электрона нельзя, невозможно одновременно измерить точные значения двух параметров любой микрочастицы.

Проверка колоссального количества экспериментов по измерению различных параметров микрочастиц выявила неопределённость. Неопределённость в положении частицы, умноженная на неопределённость в её импульсе (скорость, умноженная на массу) не может быть меньше постоянной Планка, делённой на массу частицы. Это число не зависит от эксперимента и от частицы, а является фундаментальным свойством мира.

Δq(Е)·Δр(t) ≥ h/m, где:

Δ – приращение величин; q – импульс (V(скорость)·m(массу)); Е – энергия;

р – положение частицы; t – Вр; h – постоянная Планка, равная 6,62·10^-27.

Невозможно одновременно измерить параметры микрочастицы, но можно указать вероятность, что в определённый следующий момент электрон будет найден в определённой точке камеры Вильсона. Создаётся вероятностная модель местонахождения электрона в различных областях атома (Капра 1994: 112-113).

В мысленном эксперименте В. Гейзенберг показал: в микромире реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы её или нет. В принципе, можно наблюдать электрон на его орбите, для этого нужен микроскоп с большой разрешающей силой. Однако такую разрешающую силу нельзя получить в микроскопе, применяющем обычный свет. Для этой цели будет пригоден микроскоп, использующий γ-лучи с длиной волны меньшей размеров атома. В процессе наблюдения, по меньшей мере, один квант γ-лучей пройдёт через микроскоп и столкнётся с электроном, что изменит его импульс и скорость.

Событие должно быть ограничено наблюдением. Результат наблюдения не может быть предсказан, предсказывается вероятность (не определённое событие, а ансамбль возможных событий). В описание атомных процессов вводится субъективный элемент, так как измерительный 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.

Внутри атома материя не существует в определённых местах, а, скорее, “может существовать”. Атомные явления не происходят в определённых местах, а, скорее “могут происходить”. Язык формальной математики квантовой теории называет эти возможности вероятностями и связывает их с математическими величинами, предстающими в виде волн. Фактически мы вообще не можем говорить о частицах. Целесообразно во многих экспериментах говорить о волнах материи, о стоячей волне вокруг ядра. Но это не настоящие трёхмерные волны, как, например, волны на поверхности воды. Это вероятностные волны – абстрактные математические величины, выражающие вероятности существования частиц в определённых точках Пр в определённые моменты Вр. Все законы атомной физики выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не можем с уверенностью говорить об атомном явлении, мы можем только сказать, насколько вероятно, что оно произойдёт (Гейзенберг 1989: 22-27; Боум 1990; Капра 1994: 59-60).

Другой путь решения противоречий квантовых явлений был связан с принципом дополнительности Бора. Картина волн материи Шрёдингера и корпускулярная картина содержат долю истины. Н. Бор, исходя из принципа неопределённости, разрешил корпускулярно-волновой парадокс. Согласно принципу неопределённости 2 характеристики частицы в одном эксперименте нельзя наблюдать одновременно, Þ, существуют дополнительные языки описания одной реальности, каждый может быть верным только отчасти.

Электрон в атоме – волна материи (Л. де Бройль), но электрон вылетает из атома и где-то находится, проявляется как частица. Н. Бор советовал применять обе картины как дополнительные, они исключают друг друга (одновременно одно и то же не может быть и волной и частицей), но и дополняют друг друга: открытое признание необходимости метафорического мышления в науке (В.В. Налимов).

А. Эйнштейн не был готов к признанию принципиально статистического характера новой теории и не хотел допустить невозможность познания всех определяющих моментов, необходимых для полной детерминации рассматриваемых процессов – Бог не играет в кости (Кузнецов 1968, 1968; Гейзенберг 1989: 203-207).

В 1982 г. в Париже А. Аспек провёл серию экспериментов по одновременному измерению направления поляризации 2 фотонов, испущенных одним атомом и движущихся в противоположные стороны. Результаты не оставляли сомнения: Эйнштейн был не прав, квантовую неопределённость невозможно обойти. Несмотря на это квантовая механика лежит в основе современной науки и техники, в основе работы полупроводниковых и интегральных схем, которые входят в телевизоры, компьютеры (Девис1989:53-54; Хокинг1990:54).

Квантовая теория радикально изменила представления о реальности.

Во-первых, было доказано единство объекта и субъекта. В атомной физике учёный не может играть роль стороннего наблюдателя, он – часть наблюдаемого им мира до такой степени, что он сам воздействует на свойства наблюдаемых объектов.

Атомные явления представляют более сложную реальность, чем та, с которой сталкиваются в классической макроскопической физике. Чувствительность объекта к вмешательству приборов демонстрирует свойства, не наблюдающиеся у объектов макроскопических исследований. Значит, описание объекта нельзя считать, как раньше, “обособленным” от процесса наблюдения.

На уровне атома объекты могут быть поняты только в терминах взаимодействия между процессами подготовки и наблюдения. Конечным звеном цепочки всегда будет сознание. Измерения – это такие взаимодействия, которые порождают определённые ощущения в сознании: зрительное ощущение вспышки света или тёмного пятнышка на фото пластинке. Законы атомной физики говорят нам, с какой вероятностью будет микрообъект порождать определённое ощущение, если мы позволим ему взаимодействовать с нами. Человек-наблюдатель необходим не только для того, чтобы наблюдать свойства объекта, но и для того, чтобы дать определения самим этим свойствам. В.В. Налимов приводит высказывания физиков о невозможности противопоставить сознание материи (Вайскопф 1977: 39-40; Боум 1990; Капра 1994: 60,118-119; Налимов 1993: 36-37).

Во-вторых, подтвердилась и старая идея о взаимосвязи всех явлений природы. Главным оппонентом копенгагенской трактовки был А. Эйнштейн, позже его ученик Д. Бом. Но и они признавали один из главных выводов квантовой теории: неделимое квантовое единство всей Вселенной является наиболее фундаментальной реальностью. Пытаясь объединить квантовую теорию и теорию относительности, Бом пришёл к выводу, что единство знания не в науке, а в философии. Научные интерпретации ведут к “дроблению” реальности, которая целостна и неделима. В любом эксперименте целостность нарушается. Великим открытием квантовой физики явилось обнаружение индивидуальных квантовых состояний, каждое из которых представляет собой неделимое целое, пока не подвергается воздействию средств наблюдения.

В третьих, на смену классическому, стереотипному, однозначному восприятию пришло вероятностное видение мира. То, что выводится из экспериментов, есть функция вероятности, которая описывает не определённое событие, а совокупность возможных событий: переход возможность–действительность совершается в процессе наблюдения.

В четвёртых, квантовая теория принесла не только идею неопределённости, но и идею квантованности, тождественности, идентичности, точности объектов, определённости природных веществ. В классической физике все свойства непрерывны (не существует двух классических систем, которые были бы одинаковы, из миллиардов планетарных систем звёзд не найдётся и двух совершенно одинаковых). Поведение объектов зависит от начальных условий, которые могут принимать непрерывный ряд значений. Атомным же явлениям свойственны определённые формы в противоположность произвольно меняющимся формам в классической механике. В рамках классической физики трудно понять, почему не существуют электроны с немного меньшим зарядом, или с другой массой?

В квантовой теории объекты квантованы, возможны не любые орбиты, а определённые. Идентичность атомов одного химического элемента, их высокая механическая устойчивость обусловлены волновой природой электронов. Стоячие волны могут иметь ограниченное количество очертаний. Два атома Fe или О идентичны, поскольку их электронные орбиты квантованы, одинаковы очертания электронных орбит, одинаково расстояние между ними.

В классической физике – неограниченное число вариантов, нет объяснения определённости материи. Но определённость существует только до некоторого порога, существуют пороговые уровни энергии, выше которых атомы разрушаются, существует порог, выше которого и ядро разлетается на части.

И, наконец, открылся сложный мир субатомных и виртуальных частиц. Квантовая теория доказывает ложность классических представлений о твёрдых телах и непроницаемых, подвижных микрочастицах. И. Ньютон считал: атомы не изнашиваются, не разбиваются на куски, нет такой силы, которая способна их разделить. Оказывается, атомы можно разрушить на более “элементарные” составляющие. Но до сих пор копенгагенская трактовка квантовой теории не является общепринятой из-за отрицания возможности онтологической трактовки явлений микромира. Были выдвинуты и альтернативные варианты объяснения поведения микрочастиц (Вайскопф 1977: 36-48; Гейзенберг 1989:23-25; Налимов, Дрогалина 1995:16-27; Боум 1990; Бом 1993: 7; Капра 1994: 62-63, 113-117).