Дао физики

Их было нелегко открыть. Они были сформулированы лишь в 1920-е физиками разных стран: датчанином Нильсом Бором, французом Луи де Бройлем, австрийцами Эрвином Шредингером и Вольфгангом Паули и англичанином Полем Дираком. Объединив свои усилия наперекор всем государственным границам, они положили начало одной из самых волнующих эпох в современной науке: эпохе знакомства со странной и неожиданной реальностью мира атома. Каждый раз, когда ученые задавали природе вопрос в рамках очередного эксперимента, она отвечала им загадками. И чем больше они стремились прояснить ситуацию, тем более загадочными становились головоломки природы. Далеко не сразу физики поняли, что эти загадки и противоречия объясняются стремлением описывать явления атомной реальности в понятиях классической физики. Но, убедившись в этом, они стали иначе задавать природе вопросы, чтобы избежать противоречивых ответов. По словам Гейзенберга, «они как-то соприкоснулись с духом квантовой теории» и смогли четко и последовательно сформулировать ее в математическом виде.

Но даже после этого понятия, которыми оперировала квантовая теория, оставались неясными. Они потрясали воображение физиков. Раньше в своих экспериментах Резерфорд обнаружил, что атомы не являются твердыми и неделимыми, а состоят из пустого пространства, в котором движутся очень маленькие частицы. Теперь квантовая теория утверждала, что эти частицы тоже не имеют ничего общего с твердыми объектами классической физики. Субатомные частицы материи обладают двойной природой. В зависимости от того, как мы наблюдаем их, они могут представать перед нами и как волны, и как частицы (рис. 5). Такую же природу демонстрирует и свет, способный принимать вид как электромагнитных волн, так и частиц.

Рис. 5. Частица и волна

Это свойство материи и света очень необычно. Кажется невероятным, что что-то может одновременно быть частицей — единицей чрезвычайно малого объема, замкнутой в ограниченном пространстве, — и волной, «размазанной» по большому участку.

Это противоречие породило большинство напоминающих коаны парадоксов, что легли в основу квантовой теории. Всё началось с открытия Макса Планка, показавшего, что энергия теплового излучения испускается не непрерывно, а «пакетами». Эйнштейн назвал их «квантами» и увидел в них основополагающий элемент природы. Он утверждал, что электромагнитное излучение может существовать не только в форме волн, но и в форме квантов. С тех пор кванты света рассматриваются как реальные частицы и называются фотонами. Они лишены массы и всегда движутся со скоростью света.

Мнимое противоречие между свойствами волн и частиц разрешилось неожиданно, поставив под вопрос основу механистического мировоззрения — понятие реальности материи. Внутри атома материя не существует в определенных местах, скорее, она «склонна существовать». Атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом, скорее, «могут происходить». Язык формальной математики в квантовой теории называет эти возможности вероятностями и связывает их с математическими величинами, предстающими в форме волн. Вот почему частицы могут одновременно быть волнами. Это не «настоящие» трехмерные волны, как, например, звуковые или волны на поверхности воды. Это «вероятностные волны» — абстрактные математические величины со всеми свойствами волн, связанные с вероятностью существования частиц в определенных точках пространства в определенные моменты времени. Все законы атомной физики выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не можем уверенно говорить о том, что происходит с атомом; мы можем только сказать, насколько вероятно, что это произойдет. Квантовая теория разрушила классические представления о твердых телах и строгом детерминизме природных законов. На субатомном уровне место твердых материальных объектов классической физики заняли волнообразные вероятностные модели, которые к тому же отражают вероятность существования не вещей, а скорее, их взаимосвязей. Тщательный анализ наблюдений в атомной физике показал, что субатомные частицы не имеют смысла в виде самостоятельных объектов, а могут пониматься лишь как промежуточное звено между подготовкой эксперимента и последующими измерениями. Таким образом, квантовая теория свидетельствует о фундаментальной цельности мироздания, показывая, что мы не можем разложить мир на «строительные блоки». Проникая в глубины материи, мы видим не самостоятельные компоненты, а сложную систему взаимоотношений между частями единого целого. Важную роль здесь играет наблюдатель. Это конечное звено в цепи, а свойства любого объекта мира атомов могут быть поняты только в рамках его взаимодействия с наблюдателем. Классический идеал объективного описания природы уже не действует. Имея дело с атомной реальностью, нельзя придерживаться картезианского разделения Вселенной и личности, наблюдателя и наблюдаемого. В атомной физике нельзя говорить о природе, не говоря одновременно о нас.