МИФОЛОГИЯ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ
Ист.: http://www.apocalyptism.ru/Q-Physics.htm
Было бы иллюзией полагать, что существуют области человеческого мышления, полностью свободные от мифологии.
Это относится и к науке. Оттого, что мифологию называют аксиоматикой, суть дела не меняется: совокупность недоказанных представлений и понятий задает основную парадигму науки, определяет ее объект, цели деятельности и методы решения проблем. Без таких априорных рамок никакое систематическое мышление вообще невозможно.
История рождения современной квантовой физики чрезвычайно драматична. Экспериментальные парадоксы оказались настолько трудными, что попытки их физического решения казались безнадежным делом, и выход был найден в пересмотре базовых представлений физики как таковой. В жертву было принесено то, что считалось самым ценным и непреложным - убежденность в том, что физика позволяет с определенной степенью приближения описывать объективную реальность, независимую от наблюдателя. Это представление образует телеологический, можно сказать, религиозный нерв точной науки, без которого для своих верных адептов она просто теряет всякий интерес.
Однако именно этот базовый миф, из которого рождается специфическое вдохновение научной деятельности, был отвергнут группой молодых физиков, объединившихся вокруг жившего в Копенгагене маститого Нильса Бора, как адепты новой веры вокруг знаменитого гуру.
Общими усилиями они разработали новую аксиоматическую основу физики, ядром которой стала интеллектуальная конструкция, которую они назвали "вектор состояния". Эта конструкция заменила собой понятие физической реальности - в связи с этим радикальному пересмотру подверглись ранее самоочевидные представления о цели науки и о самом ее объекте. Прежняя парадигма была оценена как "наивный реализм" или, еще хуже, как пристрастие к "наглядным представлениям". Новая философия (или мифология) физики, которая вскоре стала абсолютно господствующей, встретила активное неприятие со стороны тех, кто закладывал теоретические основы квантовой физики. Таких первопроходцев, как Планк, Эйнштейн, Шредингер и Де-Бройль, казалось бы, просто нелепо обвинять в косности и консерватизме мышления. Однако именно такой приговор был им вынесен победившей "копенгагенской" школой.
Паули утверждал (цитирую по памяти) :
"То, о чем мечтают эти господа, это не просто неправильные мечты - это некрасивые мечты. Я убежден, что развитие физики в ближайшие столетия пойдет не тем путем, на который они хотят ее вернуть".
Физик не может высказать более тяжкого оскорбления, чем назвать идеи другого "некрасивыми". И это сказно в адрес Эйнштейна, который считал, что "красота - это главное в физике"!
Впрочем,он сам не уступал своим оппонентам в резкости и категоричности.
Так, он пишет Шредингеру:
"То, чем занимаются эти парни, это, в лучшем случае, инженерская физика. По правде сказать, это вообще не физика".
Итак, Эйнштейн ставит на копенгагенской трактовке квантовой механике убийственное клеймо: "не-физика".
Шредингер, в свою очередь, писал, что концепция, отвергающая понятие реальности, независимой от наблюдателя, лишает науку эвристической силы и обрекает ее на своего рода "интеллектуальную глаукому". Кстати, нынешняя неспособность теоретической мысли справиться с лавиной экспериментальных фактов в значительной мере подтверждает этот диагноз.
Макс Борн проводит далеко идущую параллель, когда говорит:
"Нашу полемику нельзя назвать чисто научной дискуссией. Скорее, она напоминает религиозные споры времен Реформации. Так что надежд на примирение мало".
"Могучая кучка" сопротивлялась героически, но потерпела сокрушительное поражение.
Концепции новой школы на целую историческую эпоху стали своего рода "символом веры", обязательным условием принадлежности к "настоящей" науке. Всякая попытка подвергнуть эту веру сомнению сразу ставила автора вне научного сообщества. Как нам объяснял на лекциях академик Ландау, есть три раздела физики: экспериментальная, теоретическая и ... "патологическая"- это как раз та, которая задается подобными вопросами.
Однако в последние 20 лет ситуация начала постепенно меняться. Основные (но далеко не все) попытки совершить "подкоп" под "несокрушимую крепость" копенгагенской философии, суммированы в замечательной книге Скалли и Зубайри "Квантовая оптика", вышедшей в 1997 г. и в 2003 г. переведенной на русский. Чтобы не быть голословным, приведу мысль американского физика Джейнса, с которым, очевидно, согласны авторы этой фундаментальной монографии (стр. 454):
"Вполне ясно, что современная квантовая теория не только не использует, она даже не отваживается упоминать понятие 'реальной физической ситуации'. Защитники теории говорят, что это понятие является философски наивным, представляет собой возврат к устаревшим способам мышления, и что осознание этого составляет глубокое новое знание о природе науки. Я говорю. что эта теория составляет крайнюю иррациональность, что где-то в этой теории утратилось различие между реальностью и нашим знанием о реальности, и результат имеет характер скорее средневековой черной магии, чем науки. Я надеялся, что квантовая оптика, с ее огромными новыми технологическими возможностями, способна предоставить экспериментальный ключ к разрешению этих противоречий".
Очевидно,что взгляды, которыя я излагаю в данной статье, в принципе совпадают с позицией Джейнса (а также Скалли и Зубайри).
Физики-экспериментаторы все острее чувствуют ущербность аксиоматической базы, лишающей их реалистически-наглядного представления о той физической реальности, с которой они ежедневно имеют дело в своих лабораториях. Но и ученых с теоретическим складом мышления все менее удовлетворяет формально последовательный, но на уровне физической интуиции глубоко противоречивый характер фундаментальных физических представлений.
"Вектор состояния" - это уродливый интеллектуальный кентавр, который наполовину "состоит" из объекта исследования, а наполовину - из нашего знания о нем. Попытка вернуться к реалистическим представлениям по прежнему наталкивается на непреодолимое (или,по крайней мере,непреодоленное) экспериментальное противоречие: реальный физический объект не может быть локализованным в пространстве и в то же самое время нелокализованным, как это вытекает (или кажется вытекающим) из наблюдений над единичными фотонами или электронами.
До сих пор квантовое мышление удерживалось в рамках чистого позитивизма, согласно которому в мире не существует или, по крайней мере, не может быть объектом мышления ничто, кроме систематизированных актов регистрации экспериментальных данных. Вопрос о том, что лежит за пределами или в основе этих актов наблюдения, считался некорректным и незаконным.
Но сейчас мы видим, как в науку вторгается, по крайней мере начинает "легализоваться" уже настоящий мистицизм.
Давно известны буддийские интерпретации квантовой физики (в частности, труды
Ф. Капры), которые воспринимались скорее как любопытный курьез, но теперь предпринимаются серьезные попытки создать еще одну новую мифологию, целиком основанную на понятии "вектора состояния". Суть всех этих попыток проста по своей идее: придать вектору состояния онтологический статус. Если до сих пор психо-физическая двойственность приписывалась только нашему способу описания "непознаваемой" в своем существе реальности, то теперь такой двойственностью наделяется сама эта реальность. Наиболее заметным в этом плане является поток публикаций на тему параллельно существующих, так называемых "эвереттовских миров", выбор среди которых осуществляет в акте измерения не только сознание наблюдателя, но и сам квантовый объект.
У нас безусловным лидером этого направления стал Михаил Менский, в особенности после его ярких публикаций в УФН и "Вопросах Философии". Любопытно отметить, что в студенческие годы мы с ним учились в одной группе и уже тогда заводили дискуссии на эти темы. Редактор УФН академик Гинзбург предпосылает статье
М. Менского редакционную статью, в которой исповедует традиционную позитивистскую позицию, выражает личное недоумение по поводу постановки вопроса у Менского, но оправдывает эту необычную публикацию высокой научной компетенцией автора и большим интересом читателей к этим вопросам. Вскоре там же появилась целая подборка статей-откликов, в которых авторы состязуются в изобретении еще более фантастических картин мира, претендующих на "объяснение" квантовых парадоксов. Не обошлось, конечно, без рассуждений о "свободе воли" электрона и даже о том, что каждая элементарная частица - это самостоятельная "цивилизация"!
И все это публикуется не в "Технике-молодежи", а в "Успехах Физических наук"!
Один из аспектов дискуссии вызывает особый интерес своей новизной и необычностью.
Дело в том, что активное участие в обсуждении (хотя, слава Богу, пока что не в УФН) приняла группа "православных физиков" - я называю их так не по причине их личной веры (мало ли какую веру вне своей специальности исповедует ученый!), но потому что они пытаются в явном виде связать религиозные представления с квантовой мифологией. Конечно, попытки преодолеть мучительный разрыв между религиозной и научной картинами мира можно только приветствовать, но вопрос в том, насколько эти попытки удачны и правомерны.
Я назову только три имени: Виктор Тростников, Александр Московский и Эдуард Тайнов.
Первый предлагает не больше ни меньше, как рассматривать Творца, по аналогии с "наблюдателем" в копенгагенской трактовке, в качестве глобального "Наблюдателя" Вселенной, которая и существует только благодаря этому акту "наблюдения". Это подобно тому, как квантово-механический объект ("вектор состояния") возникает лишь в акте "наблюдения" со стороны физика-экспериментатора, и вне этого акта просто не существует. Действительео, поскольку вектор состояния наполовину "состоит" из нашего знания об этом состоянии, то если нет знания об этом объекте - значит, нет и самого объекта.
Позиция Тростникова не имеет никакого отношения к науке - и, видимо, не претендует на это, но она неприемлема и с чисто религиозной точки зрения. С одной стороны, Тростников фактически разделяет одну из концепций исламского богословия, согласно которой мир не может ни одного мгновения существовать без прямой поддержки Творца. Там есть даже более сильное утверждение: мир каждое мгновение исчезает и сотворяется Аллахом заново. Такая вера полностью уничтожает автономию и самостоятельность мира по отношению к Творцу - и тогда между Богом и миром не может возникать никаких отношений.
По существу, это равносильно пантеистической вере в то, что мир является всего навсего "частью" Творца. Суть же библейского догмата Творения состоит именно в том, что Бог создал мир, в котором может возникнуть человек как существо, способное дать свободный ответ на божественную любовь. Можно сказать, что "антропный" принцип утвердился в библейском миросозерцании задолго до того, как был сформулирован в физике. Если сотворенный мир не имеет самостоятельного от Бога существования, то не будет никакой онтологической опоры для автономии и свободы человека. С другой стороны, теологумен Тростникова представляет Бога как холодного, отстраненного "Наблюдателя": параллель с физиком-экспериментатором просто коробит религиозное чувство.
Библейская вера заключается в том, что Бог сотворил мир и любит его, т. е. прежде всего охраняет его автономию от Самого Себя. В иудейском богословии есть замечательная идея о том, что Творец "сократил" Себя, чтобы дать в бытии место творению. К этому необходимо добавить идею Божественного Промысла, согласно которой Творец тонко, можно сказать, "деликатно" оберегает мир и человека от гибельных опасностей и в критические моменты дает легкие, но точно направленные импульсы развития в нужном направлении. Это больше всего напоминает отношения любящего родителя к своему ребенку, который стремится воспитать его как самостоятельную, ответственную личность, и для этого все более расширяет сферу его свободы и автономии.
Александр Московский, в сравнении с Тростниковым, предлагает другую картину: он пытается объяснить эффекты "дальнодействия", например, мгновенную редукцию вектора состояния в результате акта измерения - как проявление активности внепространственных платоновских "эйдосов", которые он понимает как сотворенные Богом умопостигаемые первообразы мира.
Еще раз напомню, что редукция или резкое сжатие волновой функции, представляющей вектор состояния в пространственных координатах, согласно копенгагенской концепции, происходит потому, что акт измерения приводит к изменению нашего знания об этом состоянии. Так, до регистрации фотона, прилетевшего из далекой галактики, фронт его волновой функции составляет миллионы световых лет, а после регистрации - практически мгновенно уменьшается до размеров единичного засвеченного зерна фотопластинки. Все дело в том, что до регистрации мы не знали, в каком именно месте этого гигантского фронта находится фотон - поэтому волновая функция, определяющая вероятность обнаружения фотона в том или ином месте, и "занимала" такой обширный объем пространства. Однако после регистрации мы уже знаем, где он находится - и пространственная протяженность новой волновой функции фотона теперь определяется лишь тем, с какой точностью мы определили его положение.
В отличие от Тростникова, в концепции Александра Московского прямое управление движением материальных объектов осуществляет не Сам Бог - но некие внепространственные и вневременные структуры, образующие умопостигаемый мир эйдосов. С этих позиций существование Бога вообще не является необходимым, и сами эйдосы могут мыслиться как вечные и несотворенные сущности - как, видимо, и полагал Платон.
Эту концепцию детально разрабатывает Эдуард Тайнов, физик и философ, почитатель и последователь Николая Лосского. В своей книге "Основы православной метафизики" он с логической последовательностью и философской четкостью формулирует понятие вездесущих, сотвореных Богом, духовных сущностей, тех же "эйдосов", которые он называет "интеллигенциями". Кроме того, он претендует на то, чтобы из требования специфически понятой "субстанциальности" вывести необходимость бытия Бога и, более того, Бога как Троицы. Оригинальность концепции Тайнова - в том, что он рассматривает "интеллигенции" как субстанциальную основу физического "вектора состояния".
Если перевести это с философского языка на богословский, то каждому вектору состояния соответствует свой особый ангел, обладающий индивидуальностью и свободой воли, подчиненной, однако, божественным законам, которые таким образом становятся законами природы, т.е. законами, непосредственно управляющими движением материи. Метафизика Эдуарда Тайнова, которую он называет "православной", представляет собой развитие и конкретизацию концепции Николая Лосского о незримых "субстанциальных деятелях", сопутствующих каждому воспринимаемому нами предмету и, что самое удивительное, каждому отдельному качеству этого предмета. Так, Николай Лосский буквально и со всей серьезностью утверждал, что цвет предмета - это один субстанциальный деятель, запах - другой, плотность - третий, форма - четвертый и т. д.
Чем-то все это напоминает ироническое описание блаженным Августином нескольких десятков богов, гениев или духов, которые, согласно римским языческим верованиям, во время брачной ночи выполняли каждый свою, узко специализированную функцию: без них решительно ничего бы не получилось. Так что мы здесь имеем дело скорее с основами языческой метафизики, но не библейской и тем более не православной. Впрочем, язычество тоже улавливает какие-то аспекты сотворенной Богом реальности, хотя улавливает в чрезвычайно искаженных пропорциях.
Воздержусь от суждений насчет брачной ночи, но я твердо убежден, что в подобных услугах со стороны каких-либо умопостигаемых сущностей электрон или фотон, а тем более электромагнитное или электронное поле, абсолютно не нуждаются. Физические законы не есть нечто извне налагаемое на материю, но неотъемлемо присущи ей самой с момента ее сотворения. И в этом проявляется вызывающая интеллектуальный трепет премудрость Творца, Который из нескольких простых элементов создал такой невероятно сложный и способный к саморазвитию материальный мир.
Действительные трудности и проблемы, которые возникают в связи с квантовыми явлениями, являются чисто физическими и решаться должны путем углубления научных представлений, без всякого ухода в сторону с помощью гносеологических или мистических измышлений.
Я вовсе не утверждаю, что мистических явлений не существует: есть Бог, есть божественные энергии (перевод греческого слова - действия), есть, наконец, многочисленные ангелы, выполняющие свои многообразные функции. При этом я религиозно убежден,что материальный мир имеет широчайшую автономию от своего Творца и в подавляющем большинстве своих проявлений обходится без прямой божественной или ангельской поддержки. Величие Творца более всего выразилось в том,что Он создал такой независимый от Себя мир, способный к безграничному саморазвитию и самоусложнению. И если все же Он иногда, в критические, поворотные моменты вмешивается в самоэволюцию мира, то эти вмешательства происходят крайне редко и носят чрезвычайно тонкий, можно сказать, "деликатный" характер. Современная космология Большого Взрыва выявляет в становлении Вселенной моменты бифуркаций, ситуации неустойчивого равновесия, когда ничтожное по интенсивности воздействие предопределяет одно из принципиально различных направлений ее дальнейшего развития. Именно в такие моменты и может происходить целенаправленное вмешательство Творца - непосредственно Своими энергиями или с помощью ранее сотворенных духовных существ - ангелов.
Такой же характер "минимального необходимого вмешательства" (по удачному выражению Стругацких) носят божественные воздействия на биологическую эволюцию. Так, достаточно в одном единичном геноме произвести небольшую, но целенаправленную мутацию, чтобы вскоре на планете появился новый вид растений или животных. А дальше в процессе естественного или искусственного отбора могут возникать многообразные разновидности, приспособленные к специфическим условиям существования или к тем требованиям, которые предъявляет к ним человек. Вот ведь сколько выведено разных пород собачек - а вид остается только один!
Представление о том, что какой-то "ангел", "интеллигенция", "эйдос" или "субстанциальный деятель" непосредственно управляют поведением материального объекта (микрочастицы или квантовой системы), представляется религиозно примитивной, интеллектуально грубой и к тому же эмоционально скучной (это, конечно, в какой-то мере субъективная оценка).
Материя есть материя, психика есть психика - и между этими двумя типами божественных творений существуют тонкие и разнообразные взаимодействия. Но там, где нет отдельности - нет и взаимоотношений. И чем глубже взаимная автономия, тем значительнее и уникальнее эти отношения и взаимодействия.
Но как же все-таки быть с квантовыми парадоксами?
Прежде чем обсуждать чисто научные гипотезы или эксперименты, надо тщательно отделять реальные проблемы от выдуманных - а в квантовой физике все это ужасно перемешалось. Так, знаменитые "неравенства Белла" или "теорема Белла" принимают как аксиому именно то, что требуется проверить и доказать. А именно, вывод этой теоремы целиком основан на допущении, что существует такая вещь, как "фотон", т.е. хотя и очень необычная, но все же "частица". Поэтому все вероятности, связанные с единичным "фотоном", нормируются к единице, откуда и вытекает вся теорема Белла. Но само существование фотона - это и есть та гипотеза, которую необходимо доказать или опровергнуть. Нет фотона - нет и теоремы Белла и связанных с нею проблем.
Алан Аспэ в 1986 г. осуществил единственный (насколько мне известно) эксперимент, связанный не с корреляцией поляризаций и неравенствами Белла, а с действительной попыткой выяснить, состоит ли электромагнитное излучение из локализованных "частиц" или представляет собой непрерывное и протяженное поле. Он пропускал единичные импульсы излучения ("фотоны") через полупрозрачное зеркало и с помощью схемы совпадений выяснял имел возможность регистрировать одновременные срабатывания двух детекторов. Если атом испускает элетромагнитый волновой (т.е. протяженный) импульс, то такие совпадения обязательно должны иметь место, если же испускается локализованная частица - фотон, то подобные совпадения невозможны. Хотя фотон может оказаться в любом месте, где волновая функция отлична от нуля, но, в силу того, что эта функция нормирована к единице, фотон никогда не может быть зарегистрирован в двух местах одновременно.
Результаты, которые получил Аспэ, говорят в пользу частиц. Но физики в таких важных вопросах никогда не удовлетворялись только одним экспериментом: требовалось обязательное подтверждение в нескольких независимых лабораториях. Удивительно (а с другой стороны, как раз не удивительно), что в данном случае научное сообщество столь радикально изменило своим обычаям и правилам. Результаты единственного эксперимента признаны окончательными и решающими. А между тем, в блестящем по технике исполнения эксперименте Алана Аспэ допущена по крайней мере одна принципиальная методическая ошибка, достаточная для того, чтобы предопределить результаты опыта: вследствие этой ошибки вероятность совпадений (если они есть) становится значительно ниже уровня шумов. Так что ничего на самом деле не доказано, и все еще только начинается.
В теоретическом плане все явления, связанные с "фотоном" и с "электроном", можно объяснить на основе концепции поля - без всяких локализованных "частиц". При этом наблюдаемые в опыте дискретности придется приписать не самому полю, а его взаимодействию с веществом: именно так представлял себе ситуацию Макс Планк. Вещество состоит из ядер (действительно локализованных структур) и электронного поля, которое, в силу своей волновой природы и типу взаимодействия с электромагнитыми полями (уравнение Шредингера), имеет свойство образовывать дискретные состояния, например, в атоме или кристалле. Поэтому (и только поэтому) взаимодействие электронного поля с ядрами, а также и с внешним электромагнитным излучением приобретает дискретный, специфически квантовый характер.
Тут, правда, возникают серьезные "неувязки", в частности, с энергией: перед этой трудностью и отступила боровская школа физики. Здесь - научная драма самого Нильса Бора. В своей знаменитой работе 1924 года Бор, Крамерс и Слэтер вплотную подошли к идее "ваккумного поля", с помощью которого можно было надеяться распутать эти узлы.Теперь уже ясно, что вакуумное поле, которое продолжают по инерции называть "виртуальным", на самом деле есть экспериментально наблюдаемая реальность. Уже так называемое "спонтанное" излучение нельзя объяснить иначе, как воздействием ваккумного поля на электронную оболочку атома. Но если это кого-то не убеждает, то опыты Казимира обнаруживают прямое силовое действие вакуумного поля, подобное давлению света. Но в 1924 году эта гениальная догадка казалась еще слишком экзотичной - и, не найдя интеллектуальных ресурсов для развития концепции физического вакуума, Нильс Бор решил вообще отказаться от "классической" физики, или, по существу, от физики так таковой. Ибо та интеллектуальная конструкция, которую он с учениками соорудил, может быть, по определению Эйнштейна, названа попросту "не-физикой".
Такая вот "квантовая не-физика".
В истории науки можно провести параллель нынешней ситуации с эпохой господства так называемого "энергетизма" Вильгельма Оствальда, одного из первых луаретов Нобелевской премии, основателя научно-популярной серии: "Классики точных наук". Согласно этим взглядам, "атомы" рассматривались лишь как абстрактные, чисто логические понятия, в удобной форме выражающие весовые соотношения элементов в химических реакциях. В те времена представления Людвига Больцмана об атомах как реальных частицах воспринимались не иначе как примитивный и грубый "реализм", недостойный внимания серьезных ученых. И это несмотря на то, что Больцман с помощью этих представлений количественно объяснил такие явления, как давление и теплоемкость газов и дал убедительное обоснование второму закону термодинамики!
В конце концов непризнанный и затравленный Больцман тяжело заболел и покончил с собой. Он так и не успел прочесть статью Эйнштейна по поводу опытов Смолуховского с броуновским движением взвешенных частиц, в которых Эйнштейн нашел убедительное доказательство реальности существования атомов и молекул и даже дал оценку их массы. А вскоре опыты Резерфорда окончательно подтвердили атомную структуру вещества. И кто сейчас, кроме специалистов по истории физики, вспоминает злочастного Оствальда с его "энергетизмом"?
Перефразируя слова того "приговора", который вынес Паули в адрес "могучей кучки", не принявшей боровской мифологию, я позволю себе выразить твердую уверенность: развитие физики пойдет не тем путем, на который ее завела копенгагенская школа, которую когда-нибудь будут вспоминать в учебниках по истории физики как удивительное и уникальное по своим масштабам недоразумение. И еще большим недоразумением окажутся попытки построить мистическую или даже религиозную картину картину мира на основе преходящей и, в конце концов, ошибочной, научной теории - подобно тому, как в средние века пытались построить картину Божьего мира на основе геоцентрической модели Птолемея.
Москва, 2007 г. |
