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.
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.
Физическая картина мира состоит из нескольких частей. Во-первых, это экспериментальные данные. Во-вторых, математическая теория, которая формальным образом связывает условия и результаты наблюдения. И, наконец, третья часть — интерпретация, соединяющая эти эксперименты и теоретические построения в единую картину. Для квантовой картины мира эта интерпретация оказалась чрезвычайно непривычной. Может быть, с этим связано существование нескольких интерпретаций квантовой механики.
Наиболее принятой в научном мире является так называемая копенгагенская интерпретация, связанная с именами Н. Бора и В. Гейзенберга. В соответствии с ней физический мир делится на две части — наблюдаемую и наблюдающую. Наблюдаемая часть является «истинно квантовой», ее примером могут служить атом, электрон и т. п. Наблюдающая система состоит из экспериментального оборудования и из одного или нескольких людей-наблюдателей. Свойства квантовых объектов проявляются только через показания классических приборов — только их мы можем интерпретировать в привычных нашему разуму понятиях. Квантовая реальность принципиально отлична от классической: в микромире многие привычные нам представления оказываются неверными. Чтобы хоть как-то прояснить для себя свойства квантового мира, нам приходится принимать, что приписываемые квантовой реальности классические свойства ведут себя странно. Например, мы говорим: «Электрон до измерения не имеет никакого положения» — и представляем его в образе волны: волна протяженна, она не имеет определенной координаты. Однако, взаимодействуя с «классическим» экраном, электрон оставляет след в виде точки — мы склонны интерпретировать это как обретение им физической характеристики, координаты. Но что произойдет с самим электроном в результате этого «измерения», неизвестно.
Итак, все сказанное выше приводит нас к мысли, что в основе наблюдаемой реальности лежит «невидимая» квантовая реальность, которая становится «видимой» в ходе взаимодействия наблюдаемой и наблюдающей частей рассматриваемой системы. Однако в реальных ситуациях эта система едина, ее разделение на «квантовую» и «классическую» весьма условно.
Одно из свойств квантовой реальности, кажущееся парадоксальным с позиций классической физики, связано с тем, что уточнение одной из характеристик квантового объекта при взаимодействии его с классическим прибором, то есть при измерении, сопровождается потерей точности в значении некоторых других. Так, например, уточнение координаты частицы в процессе ее взаимодействия с классическим прибором делает ее импульс (произведение массы на скорость) менее определенным; таким же свойством обладает время наблюдения системы и ее энергия и др. Такое странное с классической точки зрения положение Бор сформулировал как принцип дополнительности. По-видимому, адекватное описание явлений микромира требует использования разных «языков», дополняющих друг друга. Так, описание микрочастицы как точечного объекта отражает лишь часть его свойств, проявляющихся, например, при бомбардировке атомов. В других условиях (например, при прохождении через набор щелей) микрочастица проявляет свои волновые свойства. В результате возникает представление о квантовой частице как о некоторой скрытой реальности, ведущей себя по-разному в зависимости от способов взаимодействия с наблюдателем. По словам Нильса Бора, «изолированные материальные частицы — это абстракции, свойства которых могут быть определены и зафиксированы только при их взаимодействии с другими системами». Наблюдения в этой ситуации становятся очень похожими на рассматривание «теней на стене пещеры», описанных Платоном в диалоге «Государство». Этот миф другими словами пересказывают физики ХХ 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»».
PS 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 ХХ 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 ХХ 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 Майя — Великой иллюзии, скрывающей Истину
