Читать книгу Чего не знает современная наука - Сборник статей - Страница 5

Форма наших представлений о мире постоянно изменяется. Умозрительным античным моделям Вселенной пришла на смену средневековая идея о мире как неизменном божественном творении. Возрождение расширило границы мира, сделав человека песчинкой мироздания и одновременно великим, способным охватить разумом всю Вселенную. В Новое время родился метод познания природы, который до сих пор лежит в основе современной науки.

Успехи этого научного подхода, основанного на соединении опыта и логического вывода, были настолько впечатляющи, что породили иллюзию всемогущества человеческого разума. Наиболее яркое проявление самонадеянности человека видно в ответе П. Лапласа Наполеону – на вопрос императора, почему в его системе мира нет места Богу, он гордо заявил: «Я не нуждаюсь в этой гипотезе».

Однако открытия XX века показали, что ясность и отчетливость интерпретации опытных данных, основанные на логике и здравом смысле, не всегда могут быть достигнуты, если речь идет о таких явлениях природы, которые разыгрываются в масштабах, намного отличающихся от привычных для человека, – в мире явлений атомных или, наоборот, космических, охватывающих звезды, галактики и их скопления. Сейчас вновь на первый план выступают свойственные древней мудрости подходы, сформулированные еще в учениях Гераклита, Будды, Лао-цзы… Нынешняя эпоха развития знаний о природе и человеке имеет шансы стать временем возвращения к древней мудрости, временем, когда символический язык древних учений дополнится реальным содержанием научных исследований.

«Гипотез не измышляю»

С точки зрения философии Нового времени основными инструментами познания являются разум и опыт. Роль их в научном познании признавали как рационалисты, так и эмпирики, разница была лишь в степени важности того или другого. Примирил эти крайние позиции Исаак Ньютон; его работы создали ощущение полной ясности законов Природы. Он дал новый метод, основанный на достоверных принципах, выводимых из опытов путем индукции, а не на гипотезах, которые кажутся правдоподобными или выдвигаются по аналогии с устройством других явлений и процессов. «Hypotheses non fingo» («Гипотез не измышляю») – эта фраза стала его девизом, научным кредо. И хотя сам Ньютон был автором гипотез: корпускулярной теории света, эфира, дальнодействия, – он считал их знанием второго плана, подчиненным природе явлений и в этом смысле «не вымышленным».

По словам американского физика Ричарда Фейнмана, классическая картина мира, созданная к началу XX века, рисовалась примерно так: есть трехмерная «сцена», называемая пространством, и все изменяется в среде, называемой временем. Элементы, выступающие на «сцене», – частицы (например, атомы); они обладают известными свойствами (например, инерцией: когда частица движется в какую-либо сторону, она делает это до тех пор, пока на нее не подействует сила). Сила – второй элемент; силы бывают двух сортов: взаимодействия (скрепляющая атомы в разных комбинациях) и силы, действующие на далеких расстояниях (например, тяготение). Закон, которым подчиняются силы и частицы, известен и довольно прост. Вопрос же о причинах такого поведения частиц и сил не задается – ответ на него неизвестен и находится вне сферы науки: она отвечает лишь на вопрос «как?», но не «почему?».

На штурм классической физики

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

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

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

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

Реальность квантового мира

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

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

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

Наблюдатель или участник?

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

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

Что же дальше?

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

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

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

Таким образом, революция в физике была началом более широкого процесса переосмысления мира и человека. Капра связывает его с образованием новой социальной парадигмы – холистической, или, более точно, экологической. Под социальной парадигмой он предлагает понимать «совокупность понятий, ценностей, представлений и практик, разделяемую сообществом и формирующую определенное видение реальности, на основе которой сообщество организует себя». Холистическая парадигма рассматривает исследуемую систему как определенное единое целое, экологическая включает и холистическую, однако добавляет к рассмотрению еще и развитие ее во времени и связь со всей природой, человеком и обществом. Такая парадигма рождает новые подходы, предлагая, например, в области мышления тенденцию к интуитивному вместо рационального, акцент на синтез, а не на анализ, целостное видение явления или объекта вместо попыток свести их к простому набору элементарных составных частей. Это рождает такие ценности, как кооперация и партнерство вместо конкуренции и господства, консервация и ограничение вместо экспансии.

P.S. Дзэнские коаны физики

Классические представления о мире как о здании, построенном из блоков (молекул), состоящих из более мелких элементов (атомов), которые, в свою очередь, состоят из еще более мелких и т. п., с какого-то масштаба становятся неадекватными. Действительно, эксперименты свидетельствуют, что «мелкие» электроны, движущиеся с большими скоростями, при столкновении могут «разбиваться» как на менее мелкие (по массе), так и на более крупные частицы! Однако этот эксперимент полностью соответствует другой «неклассической» ветви физики, рожденной в начале XX века, – теории относительности, согласно которой масса тела и энергия эквивалентны и могут рассматриваться как разные проявления единой реальности.

В классической физике время отделено от пространства, оно течет во всех точках одинаково и не зависит ни от способа его измерения, ни от окружения. Однако попытка ответить на детский вопрос: «А как будет выглядеть луч света с точки зрения человека, движущегося рядом с ним со скоростью света?» – привел Эйнштейна к полному пересмотру этих представлений. Основываясь на экспериментальном факте, что скорость света не зависит от движения источника света, и, постулировав ее постоянство для всех наблюдателей, он создал специальную теорию относительности, в которой возникло единое пространство-время, в котором и временные интервалы, и последовательность событий для разных наблюдателей могут выглядеть по-разному. Одним из следствий этой теории является то, что часы в самолете идут медленнее часов на земле, и это согласуется с экспериментом. Другим, не менее ошеломляющим, следствием является эквивалентность массы и энергии.

В общей теории относительности свойства пространства-времени оказываются связанными с распределением материи. Гравитация в ней проявляется как искривление времени и пространства: линии, по которым движется «тело, предоставленное самому себе», теперь не являются прямыми, как в классическом евклидовом пространстве.

В целом то, что стало происходить в физике начиная с XX века, очень напоминает дзэнский коан, предназначенный для того, чтобы заставить ученика мастера дзэн усомниться в истинности своих стереотипных представлений о мире и проникнуть в его суть, отвлечь свое внимание от наблюдений за игрой Майи – Великой иллюзии, скрывающей Истину.

Алексей Чуличков, д-р физ. – мат. наук, МГУ