С течением времени, по мере того как накапливаются знания, любой постулат переходит в разряд теорем и выводится из более глубоких принципов. Когда-нибудь так будет и с постулатами квантовой механики. У них тоже должна быть какая-то причина. Но сегодня, научившись хорошо пользоваться квантовой механикой, физики еще не могут объяснить происхождение ее удивительных законов. Энергию электронов в атоме квантовая механика рассчитывает с точностью до миллиардных долей процента, но вот что размазывает орбиты электронов в атоме, каков конкретный механизм этой размазки — на эти вопросы она ответить не может. В то же время опыт хорошо подтверждает все ее выводы. Несмотря на все старания физиков, никаких отклонений от ее вероятностных законов не обнаружено.
Тем не менее у неуязвимой квантовой механики все же есть ахиллесова пята, которая, возможно, послужит отправным пунктом для построения «заквантовой» теории. И вот тут мы подходим к самому трудному и «темному» месту теории, вокруг которого уже более полувека, с тех пор как была создана квантовая механика, не утихают споры физиков и философов.
Как выглядит частица, когда на нее никто не смотрит?
Казалось бы, ответ очевиден — так же, как и в случае, когда ее наблюдают. Ведь частица существует сама по себе, независимо от того, смотрят на нее или нет. В физике, основанной на законах Ньютона, это действительно так, а вот в квантовой механике дело сложнее.
Чтобы подчеркнуть независимость от нашей личной точки зрения какого-нибудь утверждения, мы часто говорим, что это — экспериментальный факт, то есть непосредственный результат наблюдения, так сказать, «кусок» независящего от нас внешнего мира. Мы часто повторяем, что «факт есть факт», что «факты — это упрямая вещь». Однако в действительности совершенно «чистых», независящих от нас фактов не бывает. Наблюдая явления природы, наш мозг, наше сознание всякий раз имеет дело не с внешним миром самим по себе, а с его воздействием на наши органы чувств и их продолжения — физические приборы. Другими словами, мы всегда имеем дело как бы с отдельными «проекциями» внешнего мира. Слух дает нам его звуковую проекцию, зрение — его изображение в световых лучах. Физические приборы предоставляют нам еще более детальные и разносторонние срезы окружающей нас действительности. Однако, имея дело с проекциями, мы неизбежно искажаем и огрубляем наблюдаемое явление, чем-то пренебрегаем, что-то домысливаем. Каждый человек воспринимает мир по-своему. Бывает, что для одного происходящие явления — совершенно независимые между собой факты, а другой сразу усматривает их взаимозависимость.
Мир не существует точно в том виде, как он воспринимается нашими органами чувств. Картину мира мы воссоздаем с помощью мышления, и этот процесс всегда зависит от того, какими знаниями уже «заряжено» наше сознание. Если оно достаточно не подготовлено, мы можем вообще не заметить некоторых фактов, они для нас как бы не существуют. Например, если бы человек каменного века увидел надпись на скале, он едва ли придал бы ей какое-либо значение, для него это были бы всего только случайные подтеки и пятна, которые бы просто скользнули мимо его сознания.
Животные тоже слышат, видят и чувствуют внешний мир, зачастую значительно лучше нас, но воссозданная их мозгом картина окружающей обстановки ни в какое сравнение не идет с картиной мира в мозгу человека.
Хотя любое наше представление о мире является приближенным, по мере накопления и корректировки знаний оно постепенно уточняется и становится все менее зависящим от нашего мнения и наших личных точек зрения. Мы выделяем из воспринимаемых нами проекций, вылущиваем из них то, что не связано со способом наблюдений, и из этих очищенных элементов строим образ независящего от нас мира. Например, один прибор измеряет координату частицы, другой — ее скорость, а мы в уме или на бумаге строим единый график движения, с помощью которого в любой момент времени можем сразу узнать координату и скорость частицы. Физика Ньютона подтверждала возможность такого постепенного «испарения» личного, или, как говорят философы, субъективного, элемента из наших знаний о природе. Казалось очевидным, что, совершенствуя приборы, их возмущающее влияние можно сделать как угодно малым и изучать явления в чистом виде, без всякого влияния наблюдателя. Физики были твердо уверены, что трудности на этом пути чисто технические, а не принципиальные. Образно говоря, каждый прибор — это невод, с помощью которого мы выуживаем знания из многоводной реки по имени Природа. И чем он тоньше и деликатнее, тем богаче улов.
Но вот в квантовой механике все оказалось по-другому. Поскольку у микрочастицы нет определенной траектории и она как бы размазана по всему пространству, нельзя одновременно узнать ее координату и скорость. Если мы определим точку, в которой находится частица, то в следующий момент она может находиться в любой другой точке, и мы не сможем вычислить ее скорость. Наоборот, мы можем знать скорость частицы, но тогда неизвестно ее местоположение. Какими бы деликатными и тонкими ни были приборы, они все равно не смогут одновременно определить координату и скорость микрочастицы. Чем точнее измеряется одна из этих величин, тем сильнее «размазывается» вторая, и, как бы мы ни старались, измерить координату и скорость у одной и той же микрочастицы нам не удастся. В одних условиях проявляется координата частицы, в других — скорость. Одна из этих величин обязательно остается неопределенной. Какая — это зависит от того, как ставится эксперимент.
Каковы бы ни были причины вероятностной размазки микроявлений, все физики согласны в том, что квантовая механика описывает не отдельную частицу саму по себе, так, как она есть, а частицу на фоне окружающей ее обстановки. Подобно тому как о цвете хамелеона можно говорить лишь применительно к окружающему фону, так и свойства микрочастицы оказываются связанными с ее окружением. Микрочастица никогда не демонстрирует сразу всех своих свойств. Часть из них она «показывает» на одном фоне, другую часть — совсем на другом, и никогда все вместе. Спрашивать квантовую механику о том, каковы свойства микрочастицы самой по себе, безотносительно к окружающей ее обстановке, так же бессмысленно, как и задавать вопрос о скорости тела до выбора системы координат, — в каждой системе отсчета она своя.
В японском городе Киото есть знаменитый сад камней. Небольшая песчаная площадка в старинном парке, на которой выложены шестнадцать камней, но выложены так искусно, что как бы ни смотреть, всегда можно увидеть только пятнадцать из них. С каждой новой точки зрения — свой пейзаж. Воплощенная в камне идея о том, что все в мире имеет много сторон и аспектов; все они ограничены и в чем-то даже противоречат друг другу. Однако это не мешает составить точное представление о всей композиции в целом и увидеть ее мысленным взором. Может, так и с микрочастицей — в современной квантовой механике она всегда связана с окружающим фоном, но в будущей теории, объединяя различные «приборные проекции», возможно, удастся получить ее точную, ни от чего постороннего не зависящую картину? Ведь считал же Эйнштейн, что физика не выполнит задачу объяснения мира до тех пор, пока не научится описывать частицы и происходящие с ними явления в чистом виде, независимо от всех внешних обстоятельств! Если так, то квантовая механика — только переходный этап, временные строительные леса на пути к такой «очищенной» теории, и главная задача физиков — поскорее создать эту теорию.
Еретики и правоверные
До сих пор ученым всегда удавалось разделить мир на относительно независимые этажи-уровни. Уровень космических явлений, охватывающий галактики и звездные скопления, уровень макроскопических масштабов, к которому принадлежим мы сами, еще более глубокие этажи биологических и химических процессов — каждый из них управляется своими особыми законами и каждый можно с достаточной точностью рассматривать независимо от других. Перемешивание законов происходит в узких пограничных областях, где возникают такие гибридные науки, как биофизика, физическая химия и так далее. Однако природа может быть устроена таким образом, что простое деление на этажи в микромире становится уже невозможным, и, как бы глубоко в недра материи мы ни спускались, происходящие там явления всегда будут связаны с этажом макроскопических процессов. В этом случае любая теория «заквантовых явлений» будет похожа на современную квантовую механику.
Надо сказать, что большинство ученых, физиков и философов склоняются к мысли, что именно так и будет. Лишь небольшое число еретиков убеждены в том, что за кулисами квантовой механики скрыта чисто микроскопическая «заквантовая» теория, которую с высокой точностью можно рассматривать независимо от макроскопических тел и явлений. Объекты микромира, подчеркивают эти физики, настолько сложны и многогранны в своих свойствах, что привычных нам образов мира макроскопических вещей и процессов просто недостаточно для их описания. Это похоже на то, как если бы с помощью букв и нотных, знаков пытаться передать глухому человеку всю прелесть музыкального произведения или пытаться с помощью плоских чертежей рассказать о форме и строении многомерных фигур. С помощью ньютоновской физики можно передать лишь отдельные срезы того, что происходит в микромире. «Заквантовая» теория должна описывать субатомные явления с помощью каких-то сложных математических образов. Правда, как построить такую теорию, пока никто не знает.
Как известно, наряду со многими добродетелями благородный и доблестный герой романов Дюма о трех мушкетерах Портос обладал такой необычайной спесивостью, что не разрешал портным касаться своей особы, и, для того чтобы сшить костюм, им приходилось снимать мерки с его изображений в зеркалах. При изучении микромира физики встречаются с похожей задачей: наблюдая макроскопические отражения того, что происходит в микромире, они хотят создать точный образ микроявлений. У портных не было сомнений в том, что зеркала точно отражают фигуру благородного мушкетера, а вот можно ли для микромира сшить «костюм», не зависящий ни от каких зеркал, — этот вопрос остается пока открытым. Для ответа нужны дальнейшие исследования, и прежде всего новые эксперименты. Голосованием научные проблемы не решаются, и, кто знает, может, преобладающие сегодня в меньшинстве еретики как раз и окажутся правыми.