Джон Гриббин – В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность (страница 32)

Только в 1930-х годах философы включили следствия этих идей в концепцию причинной зависимости - идеи, в соответствии с которой любое событие обусловлено другим конкретным событием, - и загадку предсказания будущего. Тем временем, хотя принцип неопределенности был выведен из фундаментальных уравнений квантовой механики, ряд влиятельных экспертов стал преподавать квантовую теорию, начиная с принципа неопределенности. Возможно, наиболее значительное влияние на эту тенденцию оказал Вольфганг Паули. Он написал крупную энциклопедическую статью о квантовой теории, которая начиналась с объяснения принципа неопределенности, и посоветовал своему коллеге Герману Вейлю точно так же начать свое пособие «Теория групп и квантовая механика». Эта книга была впервые опубликована на немецком в 1928 году, а на английском (издательством Methuen ) - в 1931-м. Статья Паули вместе с этой книгой задали тон целому поколению стандартных текстов. Некоторые из учившихся по этим текстам студентов и сами стали профессорами, применяя тот же стиль преподавания к последующим поколениям. В результате студенты университетов и сегодня чаще всего знакомятся с квантовой теорией

через соотношения неопределенности45.

Это особенный эпизод в истории. В итоге основные уравнения квантовой теории ведут к соотношениям неопределенности, однако если начать с неопределенности, то получить эти основные квантовые уравнения невозможно. Хуже того - единственным способом ввести неопределенность без уравнений является использование примеров вроде микроскопа на гамма-лучах для наблюдения за электронами, и это сразу же заставляет людей думать, что суть неопределенности состоит в экспериментальных ограничениях, а не в фундаментальной

И это приводит к удачному совпадению. В соответствии с таким подходом к квантовой теории самыми важными являются р и q в соотношении неопределенности. Все знают старинную поговорку «mind your p’s and q’s», которая означает «будь осторожен». Это выражение, вероятно, восходит к предостережению, которое давали детям, изучающим алфавит, или ученикам наборщиков, работавших с подвижными литерами, чтобы те внимательно следили за длинными хвостами этих букв (Фразеологический словарь Брюера, Cassell , Лондон, 1981), но его можно считать девизом квантовой теории. Впрочем, насколько я знаю, выбор этих букв в квантовых уравнениях был не более чем совпадением.

истине о природе Вселенной. Необходимо понять одно, затем вернуться, чтобы выучить еще что-то, а затем снова пойти вперед, чтобы выяснить, что именно вы поняли в первый раз. Наука не всегда логична, как и ее преподаватели. В результате появились поколения запутавшихся студентов и отсутствие понимания принципа неопределенности - у вас этого недопонимания нет, поскольку вы поняли, как обстоит дело в действительности. Однако, если сильно не пугаться научных сложностей и пожелать погрузиться с головой в странность квантового мира, имеет смысл начать исследование этого мира с такого ошеломляющего примера его особенной природы. В оставшейся части книги принцип неопределенности будет наименее странным из того, с чем придется столкнуться.

Копенгагенская интерпретация

Важным аспектом принципа неопределенности, который не всегда получает заслуженное внимание, является то, что он не работает одинаково в обоих временных направлениях. В физике направление времени имеет значение лишь в исключительно редких случаях, и одной из фундаментальных загадок Вселенной, в которой мы живем, является то, что действительно должна существовать определенная «стрела времени» - разделение между прошлым и будущим. Принцип неопределенности показывает, что мы не можем одновременно узнать импульс и положение, и поэтому не можем предсказать будущее - будущее является изначально непредсказуемым и неопределенным. Однако законы квантовой механики позволяют провести эксперимент, из которого можно рассчитать и определить, каким импульсом и положением обладал электрон, скажем, некоторое время назад. Будущее изначально неопределенно - мы точно не знаем, куда движемся, - однако прошлое вполне известно, и мы точно знаем, откуда пришли. Перефразируя Гейзенберга: «В принципе, мы можем знать прошлое во всех деталях». Это в точности соответствует нашему повседневному опыту: время в сущности движется от известного прошлого к неопределенному будущему, и это самое фундаментальное свойство квантового мира. Это можно связать со стрелой времени, пронизывающей всю Вселенную, но более удивительные следствия этого свойства мы обсудим позже.

В то время как философы понемногу начали принимать столь невероятные следствия соотношений неопределенности, для Бора они стали лучом света, который осветил все идеи, над которыми он долгое время ломал голову. Идея комплементарности, которая заключается в том, что для понимания квантового мира необходимы и волны, и частицы (хотя на самом деле электрон, в общем-то, не является ни волной, ни частицей), нашла свое математическое отражение в принципе неопределенности, гласившем, что невозможно знать точное значение и положения, и импульса и что они являются дополняющими друг друга и в некотором роде взаимоисключающими аспектами реальности. За период с июля 1925 года до сентября 1927 года Бор почти ничего не опубликовал на тему квантовой теории, а затем прочитал лекцию в городе Комо в Италии, на которой ввел понятие комплементарности, а также озвучил то, что стало известно миру под названием «Копенгагенской интерпретации». Он указал, что, тогда как в классической физике мы считаем поведение частиц не зависящим от того, наблюдаем мы за ними или нет (как с часами), в квантовой физике наблюдатель взаимодействует с системой, так что систему нельзя считать независимой. Если мы хотим точно измерить положение частицы, мы создаем больше неопределенности в ее импульсе, и наоборот. В эксперименте по измерению волновых свойств мы устраняем корпускулярные свойства, и ни один эксперимент не демонстрирует одновременно и корпускулярные, и волновые аспекты - и так далее. В классической физике мы можем точно описать положение частиц в пространстве-времени и с такой же точностью предсказать их поведение, но в квантовой теории это невозможно. В этом смысле даже теория относительности является «классической».

Потребовалось много времени, чтобы эти идеи получили развитие и чтобы стала очевидна их важность. Сегодня основные положения Копенгагенской интерпретации легче объяснить и понять с позиции того, что происходит, когда ученый совершает экспериментальное наблюдение. Во-первых, надо признать, что сам факт наблюдения за предметом меняет его и что мы, наблюдатели, сами являемся неотъемлемыми компонентами эксперимента - нет часов, которые тикают вне зависимости от того, смотрим ли мы на них. Во-вторых, мы знаем лишь результаты экспериментов. Можно посмотреть на атом и увидеть электрон в энергетическом состоянии А, а посмотрев снова, застать его уже в энергетическом состоянии В. Мы полагаем, что электрон перепрыгнул из А в В, возможно, потому что мы смотрели на него. На самом деле мы не можем даже с уверенностью сказать, что это тот же самый электрон, и не можем судить о том, что с ним происходило, пока мы за ним не наблюдали. Из экспериментов - или из уравнений квантовой теории - мы можем узнать вероятность того, что при первом взгляде на систему мы получим ответ А, а при втором - В. Мы не можем ничего сказать о том, что происходит, когда мы не наблюдаем за системой, и как она переходит из состояния А в В, если вообще переходит. «Проклятые квантовые скачки», которые так раздражали Шрёдингера, - это просто наше объяснение того, почему мы получаем два различных результата при проведении одного и того же эксперимента, и это объяснение неверно. Иногда система находится в состоянии А, а иногда

в состоянии В, и вопрос о том, что лежит между ними и как она переходит из одного состояния в другое, не имеет смысла.

Это истинно фундаментальное свойство квантового мира. То, что наше знание о поведении электрона, когда мы наблюдаем за ним, ограниченно, весьма интересно, но то, что мы вообще ничего не можем сказать о его поведении, когда за ним не наблюдаем, совершенно невероятно.

В 1930-х годах Эддингтон представил ряд прекрасных физических примеров того, что это означает, в своей книге «Философия физической науки». Он подчеркнул: то, что мы воспринимаем, что «узнаем» из экспериментов, в значительной степени зависит от наших ожиданий - и привел пугающий своей простотой пример, который пошатнул такие представления. Представьте, сказал он, что скульптор говорит вам: внутри глыбы мрамора «спрятана» форма в виде головы человека. Абсурд, подумаете вы. Но затем скульптор, отсекая мрамор молотком и зубилом, показывает вам эту форму. Не таким ли образом Резерфорд «открыл» ядро? «Это открытие не выходит за рамки волн, которые являют собой наше знание о ядре», - сказал Эддингтон, поскольку никто никогда не видел атомное ядро. Все, что мы видим, - это результаты экспериментов, которые мы интерпретируем как ядро. Никто не обнаружил позитрон, пока Дирак не предположил, что он может существовать. Сегодня физики говорят, что знают гораздо больше так называемых фундаментальных частиц, чем элементов в Периодической таблице Менделеева. В 1930-х годах физики были заинтригованы предсказанием новой частицы нейтрино, которая требовалась, чтобы объяснить едва уловимые взаимодействия спинов в некоторых радиоактивных распадах. «Я не очень впечатлен теорией нейтрино, - писал Эддингтон. - Я не верю в нейтрино». Но «осмелюсь ли я сказать, что физики-экспериментаторы не достигнут должного уровня мастерства, чтобы создать нейтрино»?