О «реальности» материи

Шаг в мир атомов был первым и самым важным шагом в путешествии в мир бесконечно малого. В поисках мельчайших «строительных кирпичиков» было доказано существование атомов, открыты составляющие их ядра и электроны, а несколько позднее компоненты ядра – протоны, нейтроны и множество других субатомных частиц. Сложные, чуткие приборы современной экспериментальной физики сумели проникнуть в глубины субмикроскопического мира, в области, удаленные от нашей макроскопической среды, и позволили нам косвенно «наблюдать» свойства атомов и других частиц, а следовательно, в какой-то степени «познавать» субатомный мир. Однако мы можем судить о них только по последнему звену в цепочке реакций, например по щелчку счетчика Гейгера или по темному пятнышку на фотопластинке. Мы воспринимаем не сами явления, а их следы. Сам же атомный и субатомный мир скрыт от нас. Проникнув под оболочку атома, изучая его внутреннее устройство, наука вышла за пределы чувственного восприятия. И это в то время, когда обязательным требованием науки являлась необходимость все «потрогать, понюхать, пощупать, разглядеть» и т. д. Исследование субатомного мира уже не отвечало этим требованиям. С этого момента наука уже не могла с уверенностью опираться на логику и здравый смысл!

Парадоксальные результаты экспериментов вызывали настоящий шок в среде ученых. В одной из статей В. Гейзенберг писал: «Бурная реакция ученых на последние открытия современной физики легко объяснима: они сотрясают основы этой науки, и она, похоже, начинает терять почву под ногами».

Эйнштейн был потрясен не меньше, столкнувшись впервые с миром атома. Он писал в своей автобиографии: «Все мои попытки объяснить эти новые открытия были абсолютно безуспешны. Это напоминало ситуацию, когда почва уходит из-под ног и не на что опереться» (1).

В этих словах великих физиков заключена самая суть: почвы-то под ногами действительно нет! Нет той самой тверди, которая всегда служила нам, людям, опорой. А что же есть?

Вероятности и волны. Это выяснилось позднее, когда появились работы В. Гейзенберга о принципе неопределенности и знаменитое уравнение Шредингера, которые позволили понять, что на субатомном уровне вместо твердых материальных объектов классической физики существуют волноподобные вероятностные модели. И эти модели отражают не вероятность существования вещей, а, скорее всего, вероятность существования взаимосвязей.

Рассмотрим простейший опыт по распространению света. На пути пучка света ставится прозрачная пластина. Часть света проходит через пластину, часть отражается от нее. Известно, что свет состоит из «частиц» – фотонов. Что происходит с отдельным фотоном при попадании его на пластину?

Если поставить опыт с пучком света крайне малой интенсивности, в котором можно следить за судьбой каждого фотона, то можно убедиться, что при встрече с пластиной фотон не расщепляется на два, его индивидуальность сохраняется (иначе свет менял бы свою частоту). Оказывается, что одни фотоны проходят через пластину, а другие отражаются. Если на пути отраженного потока фотонов снова поставить такую же пластину, то наблюдается та же картина: часть фотонов проходит через нее, а часть отражается (4).

Как же так? Ведь все фотоны уже отразились от первой пластины, почему же не отразились все и от второй точно такой же пластины? Получается, что одинаковые частицы в одинаковых условиях ведут себя по-разному? Да. Поведение фотона при встрече с пластиной непредсказуемо однозначно. Отражение фотона от пластины или прохождение через нее – случайные события. Данный фотон может пройти через пластину, а может и отразиться.

Оказывается, и внутри атома материя не существует в определенных местах, а, скорее, «может существовать»; атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом наверняка, а, скорее, «могут происходить».

Закономерности, которые проявляются при случайных событиях, описываются с помощью теории вероятности, которая называет эти возможности вероятностями.

В квантовой теории вероятности связаны с математическими величинами, предстающими в форме волн. Эти «вероятностные волны» – абстрактные математические величины со всеми характерными свойствами волн, выражающие вероятности существования частиц в определенных точках пространства в определенные моменты времени. Все законы атомной физики выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не можем с уверенностью говорить об атомном явлении; мы можем только сказать, насколько вероятно, что оно произойдет.

И если классическая механика предсказывает в принципе достоверные события, то задачей квантовой механики является предсказание вероятностей различных процессов (4).

Стоит особо подчеркнуть, что в квантовой теории вероятность следует воспринимать не как элемент нашего незнания или расчета на удачу, на которую рассчитывает, например, игрок в азартные игры, а как основополагающее свойство атомной действительности, управляющее ходом всех процессов и даже существованием материи.

Уравнение Шредингера. В 1926 году австрийский физик Э. Шредингер опубликовал знаменитое уравнение, носящее его имя, которое в квантовой механике играет такую же фундаментальную роль, как уравнения движения Ньютона в классической механике и уравнения Максвелла в классической теории электромагнетизма. Это уравнение является математическим выражением фундаментального свойства микрочастиц – корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому все существующие в природе частицы наделены также волновыми свойствами.

С математической точки зрения уравнение Шредингера есть волновое уравнение и по своей структуре подобно уравнению, описывающему колебания нагруженной струны. Однако в отличие от решений уравнения колебания струны в данный момент времени решения уравнения Шредингера прямого физического смысла не имеют. Смысл имеет квадрат волновой функции (пси-функции), которую Шредингер ввел в свое уравнение феноменологическим (подгоночным) путем, рассматривая ее как некое неизвестное материальное поле. Как правило, феноменологические подходы используются для систематизации данных опыта в тех областях физики, где фундаментальные теории еще не созданы. Как показало время, именно вокруг проблемы редукции^[2] волновой функции возникли первые симптомы кризиса науки, не учитывающей сознание в своих исследованиях (4).

Уравнение Шредингера описывает изменение во времени состояния квантового объекта, характеризуемого волновой функцией. Волновая функция (пси-функция) в квантовой механике – это величина, полностью описывающая состояние микрообъекта (электрона, протона, атома, молекулы) и вообще любой квантовой системы. Если известна волновая функция в начальный момент времени, то, решая уравнение Шредингера, можно найти волновую функцию в любой последующий момент времени. В этой части квантовая теория вполне детерминирована (определена). Но волновая функция не наблюдаемая величина.

О наблюдаемых же величинах на основе знания волновой функции можно сделать лишь вероятностные (статистические) предсказания. Ибо квадрат волновой функции равен вероятности нахождения частицы (системы) в момент времени t в квантовом состоянии n в точке пространства с координатами x, y, z. Частица может быть обнаружена в любой точке пространства, в которой волновая функция отлична от нуля. Однако в момент измерения над этим объектом невозможно предсказать, каков будет результат этого процесса, и при проведении серии одинаковых экспериментов над одинаковыми системами каждый раз будут получаться разные результаты. Причины, влияющие на выход из этого события, остаются неизвестными.

Словом, результаты индивидуального измерения над квантовым объектом оказались непредсказуемыми, а это означает отказ от причинной обусловленности всех явлений и переход к неопределенности, к индетерминизму.

Время показало, что уравнение Шредингера не является панацеей. В этом отношении интересно высказывание дважды лауреата Нобелевской премии химика Лайнуса Полинга: «Мы можем верить физику-теоретику, который говорит нам, что все свойства можно рассчитать с помощью известных методов решения уравнения Шредингера. Однако в действительности мы видели, что за 30 лет, прошедших с открытия уравнения Шредингера, было сделано всего лишь несколько точных неэмпирических квантово-механических расчетов свойств вещества, в которых заинтересован химик. Для получения большей части информации о свойствах веществ химик все еще должен опираться на эксперимент» (13).

Вопрос о том, чем является волновая функция в уравнениях Шредингера, то есть какое физическое поле она представляет, волнует ученых до сих пор.

Отказ от детерминизма и его последствия. Фундаментальная неопределенность в квантовой теории разделила ученый мир на две группы, которые придерживались противоположных точек зрения на эту проблему. Одни предпринимали попытки восстановить идею полного детерминизма введением предположения о неполноте квантово-механического описания. Например, высказывалась гипотеза о наличии у квантовых объектов дополнительных степеней свободы – «скрытых параметров», учет которых сделал бы поведение системы полностью детерминированным в смысле классической механики. По мнению сторонников этой гипотезы, неопределенность возникает только вследствие того, что «скрытые параметры» пока неизвестны и поэтому не учитываются. Такой точки зрения придерживались Эйнштейн, Планк, де Бройль, Шредингер, Лоренц, Бом и др.

Другая группа ученых была убеждена, что в основе мироздания лежит индетерминизм, а обсуждаемая особенность квантовой теории есть адекватное отображение мира. Эту точку зрения разделяли Бор, Гейзенберг, Борн, Паули, Дирак, фон Нейман и др. Так, используя в качестве исходного условия основное положение квантовой механики о соответствии между операторами и наблюдаемыми величинами, американский ученый Дж. фон Нейман доказал теорему о невозможности нестатистической интерпретации квантовой механики (4). Эта теорема явилась мощной опорой, заложенной в фундамент индетерминизма. Немецкий физик-теоретик М. Борн призвал ученых «отказаться от основного принципа старой физики – детерминированной причинности».

Это, по его мнению «позволило развитие квантовой механики, частично объяснившее и парадоксальное положение, при котором одновременно признавалась справедливость как волновой, так и корпускулярной теории света… причем первая подтверждалась явлением интерференции, а вторая – фотоэлектрическим эффектом» (14).

По этому поводу современные ученые В. И. Ставицкий и Н. А. Ставицкая пишут в своей книге:

Действительно, как же избежать противоречий, не жертвуя ни «детерминированной причинностью», ни законом сохранения энергии – импульса в фотоэлектрическом эффекте? Пожертвовали причинностью, тем более что в рамках основного положения квантовой механики проверка передачи импульса фотона электрону фототока не доступна. Доступное измерению световое давление – другое дело. Этот факт не привел к противоречиям волновой и квантовой трактовок света (14).

Действительно, наиболее простым способом решить возникшую проблему оказался отказ от причинности. Индетерминизм в квантовой теории занял привилегированное положение.

Впоследствии выяснилось, что отказ от основного принципа старой физики – детерминированной причинности – потребовал других «жертв»: за статистической трактовкой квантовой механики оказалась скрытой реальная волновая природа информационного обмена. Слона-то я и не заметил.

Сегодня все большее количество ученых начинает понимать, что физика ХХ века была «чисто энергетической», то есть изучала движение и взаимодействие вещества и энергии, оставив вне рассмотрения все, что касается движения и превращения информации. Физики досконально изучили и глубоко внедрили через технические науки в практику нашей жизни три «неживых» фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное и сильное. Но физика ХХ века даже не прикоснулась к особенному взаимодействию живых материальных тел, а именно информационному, которое является основным по своему масштабу и роли в живой природе. Поэтому она была «физикой неживого» и оставалась ею даже тогда, когда брала в свои предметы живое и пыталась изучить своими средствами, созданными для изучения неживого.

Доктор философских наук В. А. Колеватов пишет:

XXI век должен исправить недосмотр физиков прошлого века: это особенное физическое взаимодействие вещества живых тел через потоки актуальной (для живого), управляющей движением живых тел информации является главным, основным отличительным признаком, отделяющим живую природу от неживой и физику живых тел от физики неживых тел (15).

Но к такому выводу ученые пришли только в конце ХХ века, а тогда большинство из них, считая отказ от «детерминированной причинности» непреодолимым, не задумывались о потере информации. Тем не менее были и другие, которые разными путями продолжали искать доступ к скрытому взаимодействию, нелокальному обмену информацией без обмена энергией.

Так, по инициативе Аронова и Бома были поставлены эксперименты, подтверждающие реальность скрытых параметров и доказывающие, по существу, возможность информационного обмена без передачи энергии (14). Опыт Аронова – Бома изменил представление об электромагнитном поле, которое раньше представлялось только как колебания полей электрической и магнитной напряженностей, и убедительно доказывал, что за пределами электромагнетизма, глубже вектора магнитной напряженности, скрыта некая «тайная сущность».

К сожалению, опыты потребовали чрезвычайно сложной техники, и большинству ученых осталось только пожалеть об отсутствии приборов, регистрирующих поля, ответственные за эффект Аронова – Бома.

Но «отсутствие знания о носителе информации, неумение выделить физический процесс, выступающий в роли носителя информации, не может служить достаточным основанием для отрицания самого факта передачи информации» (16).

В конце ХХ века петербургские ученые В. И. Ставицкий и Н. А. Ставицкая подошли к решению вопроса о скрытом взаимодействии, о нелокальном обмене информацией без обмена энергией, имея достаточно простую экспериментальную базу. Распутывая парадоксы электрического тока, они, похоже, нашли оригинальный доступ к квантовой фазе электрона, движущегося в поле векторного потенциала, за счет преобразования ненаблюдаемых величин, обойдя, таком образом, основное положение квантовой механики о соответствии между операторами и наблюдаемыми величинами.

Работая с политроном, ученые сумели обнаружить квантовые эффекты электрона, которые до сих пор не наблюдались в обычных вакуумных электронных приборах. В 1988 году заведующий кафедрой квантовой механики Санкт-Петербургского государственного университета, доктор физико-математических наук, профессор Ю. Н. Демков в заключении на выполненную Ставицкими работу писал: «На самом деле, до сих пор при передаче сигналов по проводам их квантовая природа в расчет не принималась. В частности, квантовая амплитуда сигнала представляет собой зависящую от времени комплексную величину. Тем самым появляются новые „степени свободы“ сигнала, пока никак не использованные. В настоящее время неясно, в какой мере и как эти свойства могут проявиться при низких частотах, однако неизвестны доводы, запрещающие такое проявление» (14).

Ученые продолжали совершенствовать свои исследования и добились успеха. В 2005 году доктор технических наук, профессор кафедры «Сети связи» Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича Я. С. Дымарский в своем заключении на книгу Ставицких пишет: «Экспериментальные результаты Ставицких указывают на то, что парадоксальный эффект (инвариантность формы ко времени) соответствует критерию существования полного информационного обмена в пространстве континуума без прямого обмена энергией» (14).

Сегодня идея возможности полного информационного обмена все больше привлекает внимание ученых, хотя выводы Бома о возвращении в физику детерминизма пока еще не вошли в практику.

На горизонте появляется сознание! С отказом от детерминизма мир, описываемый физикой, оказался разделенным на две разные части. В макромире, с которым мы постоянно имеем дело, действуют четкая определенность, последовательность и строгая причинность реальных событий. Ее легко продемонстрировать на простейшем примере: если бильярдный шар ударится под определенным углом в стенку бильярдного стола, то отскочит обратно под тем же углом.

В субатомном мире, мире квантовой реальности, все наоборот: отсутствие причинности и полнейшая неопределенность. Успех и итог экспериментов в этом мире можно только предсказать с определенной вероятностью. Для примера заменим бильярдный шар электроном, а стенку стола – атомом. Каждое столкновение электрона с атомом имело бы непредвиденные последствия: электрон отскакивал бы от атома в бесчисленное множество возможных сторон.

Такое положение дел очень напоминает практические результаты исследований паранормальных явлений, когда сознание человека играет активную роль в протекании и разнообразных проявлениях этих процессов. Никогда нет стопроцентной уверенности в выполнении паранормального эксперимента: вчера получилось, а сегодня неизвестно, получится ли. Так и в квантовой физике: отскочит ли электрон в ту сторону, которая нас интересует? Неслучайно некоторые ученые, Ю. Вигнер, Д. Эспанья, де Борегард и др., высказали предположение, что редуцирование волнового пакета, описывающего квантовый объект, происходит в сознании наблюдателя. На горизонте теоретической физики впервые замаячила проблема сознания, поскольку предположение ученых означало, что физическая реальность не существует как таковая и вещи превращаются в реальные только тогда, когда привлекают к себе внимание наблюдателя, одаренного сознанием. Но тогда эта проблема только замаячила на горизонте науки.

А сегодня доктор биологических наук А. П. Дубров, десятки лет занимающийся исследованием сверхслабого ментального взаимодействия (СМВ), в своей книге «Когнитивная психофизика» пишет:

Приводимые результаты исследований подтверждают, что благодаря СМВ человек способен ментально создавать материю (!) и взаимодействовать с окружающим его миром на фундаментальном уровне – атомных ядер, виртуальных частиц физического вакуума, кварков, нейтринных резонансов, мезонов, электронов.

Принцип неопределенности. Когда ученые поняли, что применительно к микрообъектам нельзя использовать хорошо знакомые им понятия координаты и импульса в их классическом смысле, потребовалось введение в интерпретацию этих величин квантовых поправок. Такой поправкой и явился принцип неопределенности, сформулированный немецким физиком В. Гейзенбергом в 1927 году.

Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные, точные значения. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению динамических переменных, и чем точнее определена одна из величин, например центр инерции, тем менее определенно значение другой величины – импульса. Важным моментом является то, что это ограничение не имеет никакого отношения к несовершенству измерительных приборов. Это принципиальное ограничение, обусловленное самой природой атомной действительности. Если мы собираемся точно определить местонахождение частицы, она просто НЕ ИМЕЕТ определенного импульса, а если мы хотим измерить импульс, она НЕ ИМЕЕТ точного местонахождения.

В классической физике также существуют ограничения в применении некоторых понятий к определенным объектам. Например, понятие температуры не имеет смысла применять для одной молекулы, понятие о точечной локализации (пребывании в одной точке) неприменимо к определению положения волны и т. д. Однако в классической механике определенному значению координаты частицы соответствуют точные значения ее скорости и импульса. В квантовой механике существуют ограничения в возможности одновременного точного определения координаты частицы и величины ее импульса.

Соотношения между неопределенностями местонахождения и импульсами частицы – не единственное проявление принципа неопределенности. Чрезвычайно интересно то, что похожие соотношения существуют между другими величинами, например между временем, в течение которого происходит атомное явление, и количеством энергии, принимающим в нем участие.

Ученые установили, что неопределенность положения события во времени оказывается связанной с неопределенностью количества энергии точно так же, как неопределенность пространственного положения частицы обнаруживает связь с неопределенностью ее импульса (1). Это означает, что мы не можем с одинаковой точностью определить, когда произойдет то или иное событие и какое количество энергии будет при этом задействовано. Явления, происходящие за короткий период времени, характеризуются значительной неопределенностью энергии, а явления, в которых принимает участие четко определенное количество энергии, могут быть локализованы только внутри продолжительных промежутков времени.

Принцип неопределенности существенен в основном для явлений атомных (и меньших) масштабов и не вносит ограничений в опыты с макроскопическими телами. Волновые свойства у таких тел не проявляются, поэтому принцип Гейзенберга к ним неприменим.

Принцип дополнительности. Сформулированный Н. Бором принцип дополнительности гласит, что получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (например, атом, элементарную частицу, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым.

Получение информации о свойствах объекта осуществляется в результате измерения – взаимодействия прибора с объектом. Взаимодействия прибора с макрообъектом и микрообъектом существенно различны. В первом случае прибор не оказывает или оказывает ничтожно малое воздействие на объект и процесс измерения может быть описан с той или иной степенью точности. Во втором случае в связи с двойственностью микрообъекта процесс измерения непременно связан с существенным влиянием прибора на протекание исследуемого явления.

Принцип дополнительности объясняют влиянием на состояние микросреды измерительного прибора, который является макроскопическим объектом. При точном измерении одной из дополнительных величин, например координаты, с помощью соответствующего прибора другая величина (импульс) в результате взаимодействия частицы с прибором претерпевает полностью неконтролируемое изменение.

Даже простейший эксперимент по измерению с помощью микроскопа координаты частицы (например, электрона) подтверждает полностью неконтролируемое изменение ее импульса, которое объясняется только взаимодействием частицы с прибором. Дело в том, что для определения положения электрона его необходимо «осветить» светом возможно более высокой частоты. В результате соударения фотона с электроном изменяется его импульс.

Прибор искажает то, что исследует. Оказывается, сам акт наблюдения изменяет наблюдаемое. Объективная реальность зависит от прибора, то есть в конечном счете от произвола наблюдателя. «С позиции современной квантовой теории измерений роль прибора заключается в „приготовлении“ некоторого состояния системы» (4). Было установлено, что если прибор предназначен для измерения волны, то электрон в эксперименте ведет себя как волна. Если используется прибор для изучения свойств частицы, то электрон в таком приборе будет уже частицей. Словом, наблюдатель превращается в конечном счете из зрителя в действующее лицо.

Все, к чему мы «прикасаемся», превращается в материю. Вероятно, самое удивительное свойство этих частиц заключается в том, что кванты проявляются как частицы, только когда мы на них смотрим. Например, когда электрон не наблюдаем, он всегда проявляет себя как волна, что подтверждается экспериментами. Физики смогли прийти к такому выводу благодаря хитроумным опытам, придуманным для обнаружения электрона без его наблюдения.

Представьте, что у вас в руке шар, который становится шаром для боулинга только при том условии, что вы на него смотрите. Если посыпать тальком дорожку и запустить такой «квантованный» шар по направлению к кеглям, то он будет оставлять прямой след только тогда, когда вы на него смотрели. Но когда вы моргали, то есть не смотрели на шар, он переставал чертить прямую линию и оставлял широкий волнистый след наподобие зигзагообразного следа, который оставляет змея на песке пустыни.

Физик Ник Герберт говорит, что иногда ему кажется, что за его спиной мир «всегда загадочен и неясен и представляет собой беспрерывно текущий квантовый суп». Но когда он оборачивается и пытается увидеть этот «суп», его взор «замораживает» содержимое «супа» и видится лишь привычная картина. Герберт считает, что мы немного похожи на легендарного Мидаса, который, согласно греческому мифу, был наделен Дионисом способностью обращать в золото все, к чему прикоснется его рука. «Человеческому постижению недоступна истинная природа „квантовой реальности“, – говорит Герберт, – поскольку все, к чему бы мы ни прикоснулись, превращается в материю» (1). И это действительно так.

В третьей главе мы познакомимся с исследованиями К. Прибрама, доказывающими уникальную способность человеческого мозга переводить поступающую к нему извне волновую информацию в предметную и развертывать ее на нашем внутреннем экране в виде образов.

Все это означает, что классический идеал объективного описания природы отошел в небытие. Человек-наблюдатель представляет собой конечное звено в цепи процессов наблюдения, и, воспринимая свойства любого объекта атомной действительности, следует обязательно учитывать взаимодействие последнего с наблюдателем. Имея дело с атомной действительностью, нельзя следовать картезианскому разделению мира и личности, наблюдателя и наблюдаемого. В атомной физике нельзя сообщить информацию о природе таким образом, чтобы самому при этом остаться в тени.