Новая Физика Веры Тихоплав Виталий
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.
В глубь ядра
После того как квантовая теория пролила свет на мир атома, главной задачей физиков стало изучение структуры ядра, его компонентов и сил притяжения внутри ядра. В исключительно богатом мире атомных явлений ядра, заключающие в себе почти всю массу атома, исполняют роль предельно малых устойчивых центров, представляющих собой источник электрических сил и образующих основу огромного множества молекулярных структур.
К 1928 году были известны три частицы: фотон, протон и электрон. Фотон – элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле – света); протон – стабильная элементарная частица, ядро атома водорода; электрон – элементарная частица, обладающая положительной энергией и отрицательным зарядом. Квантовая теория показала, что поразительные свойства атомов обусловлены волновой природой электронов.
Важным шагом к пониманию структуры ядра было открытие его второго компонента – нейтрона (первым является протон, который имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона). Нейтрон не имеет электрического заряда. Протон и нейтрон считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона – частицы с массой, примерно равной массе протона, в две тысячи раз превышающей массу электрона, но лишенной электрического заряда. Поскольку ядра всех химических элементов состоят из протонов и нейтронов, сила, связывающая частицы внутри ядра, представляла совершенно новое явление. Она не могла иметь электромагнитной природы, поскольку нейтроны электрически нейтральны. Физики поняли, что перед ними – новая сила природы, не существующая вне ядра.
Это так называемое сильное ядерное взаимодействие действует только на очень близком расстоянии, равном примерно двум-трем диаметрам нейтрона (4). На таком расстоянии ядерная сила притягивает нейтроны и протоны; при его сокращении она становится отталкивающей и препятствует дальнейшему их сближению. Так, ядерная сила приводит ядро в исключительно стабильное и исключительно динамическое равновесие. Сильное ядерное взаимодействие действительно сильное: оно удерживает вместе протоны и нейтроны, причем это взаимодействие, например, между двумя протонами в 108 раз мощнее, чем гравитационное взаимодействие между ними же (2).
Ядро атома в 100 тысяч раз меньше самого атома и все же содержит почти всю его массу. Это значит, что плотность вещества внутри ядра гораздо выше, чем в привычных нам формах материи. В самом деле, если бы человеческое тело обладало плотностью ядра, оно было бы величиной с булавочную головку. Однако такая высокая плотность не единственное необычное свойство ядерного вещества. Обладая, как и электроны, квантовой природой, нейтроны реагируют на ограничение в пространстве, значительно увеличивая свою скорость, а поскольку им отводится гораздо более ограниченный объем, чем электронам, их скорость очень высока – около 100 тысяч км/с.
Таким образом, ядерное вещество – эта такая форма материи, которая совершенно не похожа ни на одну из форм материи, существующих в нашем макроскопическом окружении. Это вещество ученые весьма образно сравнивают с микроскопическими каплями предельно плотной жидкости, которые бурно кипят и булькают (1). В этом случае атом представляет собой тяжелые, бурно кипящие капли ядер, а в пространстве между ними с огромной скоростью движутся отрицательно заряженные электроны, которые удерживаются силой притяжения между ними и положительно заряженными ядрами.
И хотя масса электронов составляет очень небольшой процент от общей массы атома, именно они, электроны, придают материи свойство твердости и обеспечивают необходимые связи для образования молекулярных структур, состоящих из нескольких атомов, связанных силами взаимного притяжения. Они также участвуют в химических реакциях и отвечают за химические свойства веществ. Таким образом, взаимодействие электронов с ядром обеспечивает возможность существования всех твердых тел, жидкостей и газов, а также живых организмов и биологических процессов, связанных с их жизнедеятельностью. С другой стороны, электроны обычно не участвуют в ядерных реакциях, не обладая достаточной энергией для нарушения равновесия внутри ядра.
Итак, в начале 30-х годов XX столетия в процессе изучения субмикроскопического мира наступил этап, принесший было уверенность в том, что «строительные кирпичики» материи наконец открыты. Было известно, что вся материя состоит из атомов, а атомы – из протонов, нейтронов и электронов. Эти так называемые «элементарные» частицы воспринимались как предельно малые, неделимые единицы материи, подобные атомам Демокрита.
Однако последующие достижения современной физики показали, что нужно отказаться от представлений об элементарных частицах как о мельчайших составляющих материи. Усовершенствование техники проведения экспериментов и создание новых приборов регистрации элементарных частиц (детекторов) привело к тому, что к 1935 году было известно уже не три, а шесть элементарных частиц, к 1955 году – восемнадцать, а к настоящему времени их известно более четырехсот. В такой ситуации слово «элементарный» уже неприменимо. Какая уж тут элементарность, если фотон может породить пару электрон – позитрон, при столкновении протонов и нейтронов могут рождаться пи-мезоны, пи-мезон распадается на мюон и нейтрино и т. д.? Универсальная превращаемость частиц – одно из самых общих свойств микромира.
Античастицы. Эксперименты показали, что частицы, ограниченные в пределах ядра, движутся со скоростью, близкой к скорости света. Следовательно, для описания ядерных явлений и точного понимания мира атома квантовая теория не является всеобъемлющей. Она должна быть дополнена теорией относительности Эйнштейна, которая оказала сильное воздействие на наши представления, в частности, о материи, заставив нас существенно пересмотреть понятие частицы. В классической физике масса тела всегда ассоциировалась с некоей неразрушимой материальной субстанцией, из которой, как считалось, были сделаны все вещи. Теория относительности показала, что масса не имеет отношения ни к какой субстанции, являясь одной из форм энергии (2).
Однако энергия – это динамическая величина, связанная с деятельностью (или процессом). Тот факт, что масса частицы может быть эквивалентна определенному количеству энергии, означает, что частица должна восприниматься не как нечто неподвижное и статичное, а как динамический паттерн[3], процесс, вовлекающий энергию, которая проявляет себя в виде массы частицы.
Начало новому взгляду на частицы положил английский физик Поль Дирак, который первым начал процесс объединения двух великих теорий. Дирак составил уравнение, которое описывало движение электронов с учетом законов квантовой механики и теории относительности, и получил неожиданный результат. Формула для энергии электрона давала два решения: одно соответствовало уже знакомому электрону, частице с положительной энергией и отрицательным электрическим зарядом, другое – частице, у которой энергия была отрицательной, а заряд положительным. В квантовой теории поля состояние частицы с отрицательной энергией интерпретируется как состояние античастицы, обладающей положительной энергией и положительным зарядом (4).
В 1932 году американский физик К.-Д. Андерсен экспериментально обнаружил антиэлектрон в космических лучах и назвал эту частицу позитроном. В 1936 году в космических лучах были обнаружены отрицательные и положительные мюоны, являющиеся частицей и античастицей по отношению друг к другу. В 1955 году в опытах на ускорителе были зарегистрированы первые антипротоны, а несколько позже – антинейтроны. К 1981 году экспериментально были обнаружены античастицы практически всех известных элементарных частиц (4).
Дирак обратил внимание на то, что нереальные частицы с отрицательной энергией возникают из своих положительных «антиблизнецов». В результате исследований он пришел к выводу, что пустое четырехмерное пространство Эйнштейна заполнено без предела электрон-позитронными парами, которые до поры до времени никак не проявляют себя. «Этот океан (физический вакуум) заполнен электронами без предела для величины отрицательной энергии, и поэтому нет ничего похожего на дно в этом электронном океане» (2). Образно выражаясь, пространственный вакуум есть бушующий океан отрицательной энергии. Это значит, что в громадном энергетическом океане вакуума Вселенной, который внешне нам кажется совершенно инертным и спокойным, на самом деле невесомые и незримые волны отрицательной энергии непрестанно бушуют с колоссальной скоростью, близкой к скорости света.
Согласно теории Дирака, вакуум битком набит различными античастицами, но мы не можем их обнаружить, потому что они существуют в мире отрицательных энергий и сверхсветовых скоростей, откуда мы физически не можем получить какие бы то ни было сигналы. Как черное тело невозможно увидеть в темноте, так и античастицы не могут быть обнаружены в физическом пространстве.
«Океан» ненаблюдаем до тех пор, пока на него не подействуют определенным образом. Когда же в этот «океан» попадает, например, богатый энергией световой квант – фотон, то он при определенных условиях заставляет «океан» выдать себя, выбивая из него одну из многочисленных античастиц.
Эксперименты показали, что пары частиц и античастиц возникают при наличии достаточного количества энергии и превращаются в чистую энергию при обратном процессе аннигиляции.
Например, если весомый электрон встретится с весомым позитроном, то они превратятся в невесомую энергию двух фотонов, суммарная масса которых будет равна удвоенной массе покоя электрона. Если нам как-то удастся «ударить этой удвоенной массой по вакууму», то он вытолкнет из себя пару элементарных частиц (электрон и позитрон) с почти нулевой скоростью. Новорожденные в непосредственной близости электрон и позитрон притягиваются друг к другу электростатическими силами и превращаются в невесомую энергию. Круг замыкается.
Если же весомый протон встретится с весомым антипротоном, то они превратятся в невесомую энергию двух фотонов, суммарная масса которых будет равна удвоенной массе покоя протона. Если нам как-то удастся «ударить такой удвоенной массой фотонов по вакууму», то он вытолкнет из себя пару элементарных частиц (протон и антипротон) с почти нулевой скоростью. Новорожденные в непосредственной близости протон и антипротон притягиваются друг к другу электростатическими силами и превращаются в невесомую энергию. То же самое произойдет и с другими парами частиц и античастиц. Это значит, что досветовые скорости вещества устойчивы. Иными словами, не так-то легко «утопить» вещество в бушующем океане отрицательной энергии вакуумного пространства.
Существование процессов синтеза и аннигиляции частиц было предсказано теорией Дирака до того, как они были открыты в природе, и с тех пор наблюдались в лаборатории миллионы раз. А теоретической основой для открытий послужил дираковский физический вакуум.
Физика высоких энергий
Возможность возникновения материальных частиц из чистой энергии является прекрасным подтверждением правильности теории относительности. До использования теории относительности при рассмотрении частиц ученые, по сути, решали для себя один вопрос: возможно ли бесконечно делить материю на все более мелкие единицы, или все же существуют мельчайшие неделимые частицы?
Способности человека поражают. Изощренный человеческий ум позволил ученым разделить даже субатомные частицы, столкнув их друг с другом с огромной энергией. Высокоэнергетические столкновения субатомных частиц – основной метод, который используют физики для изучения их свойств, и по этой причине физика частиц носит также название физики высоких энергий. Кинетическая энергия обеспечивается в огромных (достигающих в окружности нескольких миль) ускорителях частиц, в которых частицы разгоняются до скорости, близкой к скорости света, а затем они сталкиваются с другими частицами.
Процесс подготовки. Например, целью эксперимента являются наблюдение и измерение интересующей физиков частицы. Необходимо предварительно подготовить исследуемую частицу: либо изолировать ее, либо создать специально в процессе подготовки эксперимента. Затем разогнать ее в ускорителе частиц до скорости, близкой к скорости света. Когда необходимое количество энергии приобретено, частица покидает ускоритель и перемещается в район мишени, где сталкивается с другими частицами. Рассмотренный этап эксперимента называется подготовкой. Свойства частицы нельзя определить независимо от самого процесса подготовки. Если в подготовку вносятся изменения, свойства частицы тоже изменяются.
Столкновения происходят в пузырьковой камере, которая представляет собой прибор для регистрации следов (треков) заряженных частиц высоких энергий. Большинство частиц, возникающих при столкновениях, очень недолговечны и существуют гораздо меньше одной миллионной доли секунды, после чего они снова распадаются на протоны, нейтроны и электроны. Но, несмотря на крайне непродолжительный срок существования, ученые сумели не только обнаружить эти частицы и измерить их характеристики, но и сфотографировать их следы.
Пузырьковая камера изобретена в 1952 году американским ученым Д. Глейзером, ставшим в 1954 году лауреатом Нобелевской премии по физике. Ее действие основано на вскипании перегретой жидкости вблизи траектории частицы. Прохождение заряженной частицы через перегретую жидкость приводит к образованию вдоль следа частицы «зародышевых» центров кипения. За время порядка 0,5–3 мс образующиеся на зародышах пузырьки достигают размеров 50—300 мкм и могут быть сфотографированы при освещении их импульсным источником света (4). Сами частицы на несколько порядков меньше пузырьков, составляющих следы частиц, но по толщине и искривленности трека физики могут определить, какая частица его оставила. В точках, из которых исходит несколько треков, происходят столкновения частиц; искривления возникают из-за использования исследователями магнитных полей.
В последнее время с целью увеличения энергии столкновения широко применяют встречные пучки, формируемые ускорителями и так называемыми накопительными кольцами: протон-протонные, протон-антипротонные, электрон-электронные, электрон-позитронные. Эти пучки пересекаются, и частицы разных пучков вступают во взаимодействие. В результате они рассеиваются: изменяется состояние их движения, или рождаются новые частицы. С помощью детекторов рассеянные частицы регистрируются и измеряются их характеристики (12).
Столкновения частиц – основной экспериментальный метод для изучения их свойств и взаимодействий, и красивые линии, спирали и дуги в пузырьковых камерах имеют первостепенное значение для современной физики. Подвергая математическому анализу следы частиц, ученые могут говорить о свойствах этих частиц; при этом часто используют компьютеры, ибо анализ очень сложен. Все эти процессы составляют акт измерения.
О спине. Значительная часть необъясненных пока физических эффектов, полученных в ускорителях, связана с поведением частиц, обладающих спином. Спин (от англ. spin – вертеться, вращаться) – собственно момент количества движения элементарной частицы, имеющей квантовую природу, не связанный с перемещением частицы как целого.
Разгоняя в ускорителе поток частиц со спинами, одинаково ориентированными относительно спинов частиц мишени, ученые зафиксировали необычное их поведение. Частицы налетающего потока вели себя так, как будто между ними и частицами мишени не существовала сила электрического отталкивания, которая, казалось бы, должна была возникнуть из-за их одинакового электрического заряда. И наоборот, если ориентация спинов в налетающем потоке и в мишени была разная, результаты оказывались другими.
Многочисленные эксперименты, в которых важную роль играют спины частиц, выявили такие эффекты, которые невозможно объяснить с точки зрения обычных теоретических постановок.
Концепция спина была введена в физику в 1925 году американскими учеными Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом, предположившими на основе анализа спектроскопических данных, что электрон можно рассматривать как «вращающийся волчок» с собственным механическим моментом и собственным (спиновым) магнитным моментом (2). Кроме массы и заряда элементарная частица приобрела еще одну важнейшую характеристику – спин. Спин измеряется в единицах постоянной Планка и характеризуется спиновым квантовым числом, которое для определенных групп элементарных частиц принимает целочисленные или полуцелые значения. Например, спин электрона, протона, мюона, нейтрино и гипотетических кварков равен 1/2; спин пи– и Кмезонов равен 0; спин фотона равен 1.
В науке появились серьезные основания предполагать существование специфических взаимодействий и соответствующих им полевых форм, порожденных классическим спином и угловым моментом вращения. Причем экспериментальные данные показывают, что эти взаимодействия принципиально отличаются от известных фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое, гравитационное и электромагнитное.
Интересные результаты, связанные с дальнодействием сил, порожденных телами, обладающими собственным моментом вращения, получены, например, в теоретической астрофизике: сформулированы гипотезы о возможных эффектах, связанных с моментами вращения таких объектов, как звезды, галактики и черные дыры. В частности, советский астрофизик Н. А. Козырев, исследуя поле, характеризующее поток времени, источником которого являются звезды – объекты с большим моментом вращения, по существу, исследовал спиновые поля. Его работы позволили предположить, что воздействие от объектов, обладающих моментом вращения, распространяется со скоростью неизмеримо большей, чем скорость света. Анализ выполнялся на базе таких параметров, как масса, заряд и момент вращения.
Человек как часть измерительной системы. Если прибор искажает то, что измеряет, то квантовая теория справедливо выдвигает требование к эксперименту: наблюдаемая система должна быть свободна от внешних воздействий, вызванных процессом наблюдения, на протяжении определенного периода времени между подготовкой и последующим измерением. Это возможно только в том случае, если подготавливающие и измеряющие приспособления находятся на большом физическом удалении друг от друга. Насколько большим должно быть пространство между приборами и объектом? В принципе, оно должно быть бесконечно большим. Только в этом случае исследуемая частица будет представлять собой самостоятельную физическую единицу.
На практике это невозможно, да и не нужно. Здесь нам следует не забывать об основном принципе современной науки – принципе относительности всех понятий и теорий. В данном случае это означает, что понятие самостоятельной физической единицы не обязательно должно быть четко определено: достаточно приблизительного определения. Это делается следующим образом. Наблюдаемый объект (частицу) представляют не самостоятельной единицей, а воплощением взаимодействия между процессами подготовки и измерения, некой промежуточной системой между ними. В этом случае вся макроскопическая система образует единое целое и понятие изолированного объекта утрачивает смысл.
Благодаря этому измерительные приборы и сами ученые представляют собой единую комплексную систему, которая не делится на самостоятельные, четко определенные части. Причем человек-наблюдатель необходим не только для того, чтобы наблюдать свойства объекта, но и для того, чтобы дать определение самим этим свойствам. Дело в том, что в атомной физике мы не можем говорить о свойствах объекта как таковых. Они имеют значение только в контексте взаимодействия объекта с наблюдателем. Наблюдатель решает, каким образом он будет осуществлять измерения, и в зависимости от своего решения получает характеристику свойства наблюдаемого объекта. Если эксперимент проводится по-другому, то свойства наблюдаемого объекта тоже изменяются.
Итак, на уровне атома «объекты» могут быть поняты только в терминах взаимодействия между процессами подготовки и наблюдения. Конечным звеном цепочки всегда будет человеческое сознание. Измерения – это такие взаимодействия, которые порождают определенные «ощущения» в нашем сознании, например зрительное ощущение вспышки света или темного пятнышка на фотографической пластинке, а законы атомной физики говорят нам, с какой вероятностью атомный объект будет порождать определенное ощущение, если мы позволим ему взаимодействовать с нами. «Естественные науки, – говорит Гейзенберг, – не просто описывают и объясняют явления природы; это часть нашего взаимодействия с природой».
Следовательно, в атомной физике ученый не может играть роль стороннего наблюдателя, он обречен быть частью наблюдаемого им мира до такой степени, что он сам воздействует на свойства наблюдаемых объектов. Ученик Эйнштейна, известный теоретик Джон Уиллер, считая активне участие наблюдателя самой важной особенностью квантовой теории, предложил заменить слово «наблюдатель» словом «участник». По словам самого Уиллера:
Самое важное в квантовом принципе – это то, что он разрушает представление о мире, «бытующем вовне», когда наблюдатель отделен от своего объекта плоским стеклянным экраном толщиной в двадцать сантиметров. Даже для того, чтобы наблюдать такой крошечный объект, как электрон, приходится разбить стекло. Наблюдатель должен забраться под стекло сам, разместить там свои измерительные приборы. Он должен сам решить, что измерять – импульс или местонахождение. Если ввести туда оборудование, способное измерить одну из этих величин, это исключит возможность размещения аппаратуры, способной измерить другую. Более того, в процессе измерения изменяется состояние самого электрона. После этого Вселенная никогда не станет такой, какой она была раньше. Для того чтобы описать то, что происходит, нужно зачеркнуть слово «наблюдатель» и написать «участник». В каком-то непредвиденном смысле наша Вселенная – это участвующая Вселенная (13).
Лауреат Нобелевской премии по физике Брайан Джозефсон как-то заметил, что в упорных поисках странных новых частиц физики, возможно, создают свою собственную реальность. Например, конкретная частица, названная аномалоном, обладает свойствами, меняющимися от лаборатории к лаборатории. Предполагают, что свойства этой частицы зависят от того, кто находит и создает ее (17).
А физик Э. Уолкер в своей книге «Физика сознания. Квантовый разум и значение жизни» пишет: «Мы открыли, что наблюдатель – доступный инструмент реальности, и мы соприкоснулись со своей собственной природой… Мы обнаружили постоянно действующее там сознание, смотрящее на нас как на актеров на сцене реальности и играющее роль писателя, пишущего пьесу, в которой мы играем» (18).
Делимы ли субатомные частицы? Но вот ученые, разогнав поток элементарных частиц, направили их в пузырьковую камеру. Эксперимент проведен. И что же? При столкновении двух частиц с высокой энергией они разбиваются на части, но эти части представляют собой частицы такого же типа и таких же размеров. Оказывается, эти частицы тут же возникают из кинетической энергии, задействованной в процессе столкновения. И сколько бы мы ни делили частицы, нам не удастся получить кусочек протона или нейтрона, то есть более мелких частей, так как частицы просто возникают из используемой нами энергии. Получается, что субатомные частицы одновременно делимы и неделимы!
Создание и уничтожение материальных частиц – одно из самых впечатляющих явлений эквивалентности энергии и массы. В процессе столкновений, использующихся в физике высоких энергий, масса уже не сохраняется. Сталкивающиеся частицы могут быть уничтожены, а энергия, заключенная в их массах, может преобразоваться частично в кинетическую энергию других участников столкновения, а частично – в массы новых частиц. Например, два протона могут после столкновения разлететься на множество «осколков», но среди них никогда не будет «кусочков протона». Эти «осколки» всегда будут представлять собой целые элементарные частицы, образующиеся из кинетических энергий и масс сталкивающихся протонов (4). Поэтому распад на «составляющие» носит не очень очевидный характер и зависит от количества энергии, принимающей участие в процессе.
С точки зрения классической механики это парадокс. Но при релятивистском подходе частицы воспринимаются как динамические паттерны или процессы, в которых задействовано некоторое количество энергии, заключенной в их массе. В процессе столкновения энергия двух частиц перераспределяется и образует новый паттерн, а если кинетическая энергия столкновения достаточно велика, то новый паттерн может включать дополнительные частицы, которых не было в исходных частицах.
Поскольку квантовая теория описывает наблюдаемые системы в терминах вероятности, мы никогда не можем с точностью утверждать, где будет находиться в наблюдаемый момент субатомная частица, как будет происходить тот или иной атомный процесс. Не можем сказать, когда неустойчивые частицы распадутся и каким «способом». Не можем предугадать, какие именно частицы образуются в результате распада исходной частицы. В области физики высоких энергий фиксируются и подвергаются анализу десятки тысяч столкновений частиц, прежде чем удается определить вероятность какого-либо процесса. И только с некоторой вероятностью ученые могут предсказать распад частицы через определенное время, указав среднюю продолжительность существования большей части частиц такой разновидности, и могут приближенно определить, что из некоторого большого количества частиц, скажем, процентов шестьдесят распадутся одним способом, еще тридцать – другим и, наконец, еще десять процентов – третьим.
Частицы – силы. Теория относительности радикальным образом изменила наши представления не только о частицах, но и о силах взаимного притяжения и отталкивания частиц. Оказывается, при релятивистском подходе частицы взаимодействуют при помощи сил, способных преобразовываться в такие же частицы. Иными словами, релятивистский подход объединяет два понятия – силы и вещества (1). И если со времен греческих атомистов эти понятия считались абсолютно самостоятельными, то сегодня ядерная физика считает, что все силы одновременно являются частицами. То, что силы проявляются в форме частиц, масса которых определяет радиус действия силы, еще одно свидетельство в пользу того, что субатомную действительность невозможно разделить на составные части.
Начиная от нашего макроскопического окружения и заканчивая уровнем ядра, силы притяжения относительно слабы, поэтому можно сделать обобщение, сказав, что вещи состоят из частей. Так, крупинка соли состоит из молекул, молекулы соли – из двух разновидностей атомов, атомы – из ядер и электронов. Однако на уровне элементарных частиц такой взгляд на вещи уже недопустим. Но все эти элементарные частицы входят в атомы, молекулы, крупинки и т. д.
Это обусловлено четырехмерной пространственно-временной сущностью субатомной действительности. Субатомные частицы не есть неподвижные трехмерные объекты, похожие на бильярдные шары; это динамические структуры, каждая из которых имеет пространственный и временной аспекты. Пространственный аспект придает им характеристики объектов, обладающих некоторой массой, а временной аспект – характеристики процессов, в которых существует количество энергии, равное их массе.
В последнее время появилось много свидетельств в пользу того, что протоны и нейтроны также могут быть разложены на составные части. Так как скорости их компонентов весьма высоки, то по отношению к этим частицам также необходимо применить релятивистский подход. Поскольку все силы являются одновременно частицами, то полностью стирается различие между частицами – компонентами нейтрона (или протона) и частицами, проявляющимися в форме сил притяжения. Это еще раз подтверждает, что мир частиц нельзя разложить на элементарные составляющие.
Эксперименты последних десятилетий раскрыли динамическую сущность мира частиц. Любая частица может быть преобразована в другую; энергия может превращаться в частицы, и наоборот. В этом мире бессмысленны такие понятия классической физики, как «элементарная частица», «материальная субстанция» и «изолированный объект». Свойства частицы могут быть поняты только при рассмотрении ее взаимодействия с окружающей средой, и частицы следует рассматривать не как самостоятельные единицы, а как неотделимые части целого. Английский физик Стапп пишет: «Любая элементарная частица – это не независимая неразложимая на части единица. В сущности, это набор отношений, связывающих частицу с внешним миром».
Таким образом, согласно представлениям современной физики, Вселенная – это динамическое неделимое целое, включающее и наблюдателя. Благодаря такому подходу измерительные приборы и сами ученые представляют собой единую комплексную систему, которая не делится на самостоятельные, четко определенные части. Квантовая теория свидетельствует о принципиальном единстве Вселенной. Она показывает, что нельзя разложить мир на независящие друг от друга мельчайшие составляющие.
Вывод о неделимой Вселенной приобретает особый колорит после знакомства с еще одним уникальным парадоксом квантовой механики – с нелокальностью.
Нелокальность
Прежде чем начать разговор о нелокальности, вспомним сначала, что значит «локальное взаимодействие» (лат. localis – местный). Физический энциклопедический словарь дает такое понятие: «Локальное взаимодействие – это механизм взаимодействия между полями, при котором поведение одного поля v в точке пространства – времени х определяется значением другого поля u в той же точке» (4). Примером локального взаимодействия может служить, например, электродинамика, в которой поведение электрона в точке х определяется потенциалом электромагнитного поля в той же точке.
Можно привести более простой пример с бильярдным шаром. Если лежащий на бильярдном столе шар приходит в движение, причина находится в механике (удар другого шара), полях (воздействие электромагнитного поля толкает шар в определенном направлении) или геометрии (стол наклонен). Но без причины шар двигаться не будет. Эти местные (локальные) причины воздействия в приведенных случаях называются локальными параметрами.
Вообще в классической физике понятие «вероятность» используется в тех случаях, когда неизвестны характеристики какого-то процесса или явления. Иными словами, вероятность – это выражение нашего незнания тех явлений, которые будут открыты позднее. Вероятные локальные параметры (которые пока еще нам неизвестны) в фундаментальной физике представляют связи между пространственно удаленными друг от друга объектами, которые осуществляются посредством каких-либо сигналов, передаваемых со скоростями, не превышающими скорость света.
В субатомной физике тоже существуют локальные переменные, которые представляют собой связи между пространственно удаленными друг от друга объектами. Эти локальные связи реализуются посредством сигналов-частиц или их последовательностей – каскадов и также подчиняются законам пространственного удаления, которые не позволяют никаким сигналам перемещаться быстрее скорости света.
Однако в последнее время было обнаружено, что за локальными связями существуют некие нелокальные связи, которые характеризуются мгновенностью установления и пока не могут предсказываться при помощи языка точной математики.
Представьте себе ситуацию, при которой бильярдный шар, лежащий на одном конце стола, внезапно повернулся по часовой стрелке. В то же самое мгновение второй бильярдный шар, лежащий на другом конце стола, повернулся против часовой стрелки. Вот такой наблюдаемый эффект в квантовом мире называется нелокальным.
Словом, нелокальность – это наличие таких областей в пространстве и времени, в которых не действуют известные нам физические законы. Наличие нелокальности в квантовом мире предполагает мгновенное действие на расстоянии, то есть распространяющееся с бесконечно большой скоростью.
Сам Эйнштейн долго не мог признать существование нелокальных связей и вытекающее из этого факта фундаментальное значение вероятности. Особенно он возражал против той гипотезы Бора, согласно которой свойства частиц отсутствуют, пока они ненаблюдаемы, так как в сочетании с другими открытиями квантовой физики это как раз и означает, что элементарные частицы взаимосвязаны самым невероятным образом.
С таким предположением Эйнштейн был категорически не согласен. Именно этой проблеме был посвящен его исторический спор с Бором в 1920-е годы, во время которого Эйнштейн выразил свое несогласие с тем, как Бор интерпретирует квантовую теорию при помощи знаменитого афоризма: «Бог не играет в кости» (19). Согласиться с Бором Эйнштейну мешала его непоколебимая вера в существование локальных скрытых переменных, которых наука пока не знает.
ЭПР-парадокс. В 1935 году Эйнштейн со своими коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал ставшую впоследствии знаменитой статью под названием «Может ли квантово-механическое описание физической реальности считаться законченным?». Стремясь объяснить, в чем состоит ошибка Бора, признающего нелокальное взаимодействие, они использовали весьма убедительный, как им казалось, аргумент – ничто (никакие сигналы) не может двигаться быстрее скорости света, тем более двигаться мгновенно, поскольку это приведет к разрушению барьера времени и откроет дверь различного рода неприемлемым парадоксам (3). В то время когда Эйнштейн и его коллеги выдвинули свой пример о паре частиц, по техническим и другим причинам постановка такого эксперимента была затруднена. Этот эксперимент так и остался в воображении. Позднее, когда существование нелокальных связей было доказано многочисленными экспериментами, аргументация этих ученых получила название «парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена» (или ЭПР-парадокс).
После выхода статьи Эйнштейна Бор остался невозмутим. Вместо того чтобы допустить скорость связи фотонов, превышающую скорость света, он предложил другое объяснение. Если элементарные частицы не существуют, пока не наблюдаются, тогда никто не может представлять их в виде независимо существующих «объектов». То есть Эйнштейн, по мнению Бора, основывал свое возражение на ошибочном предположении о независимом существовании пары частиц. На самом деле они были частью неделимой системы, и было бы немыслимо думать о них по-другому.
Со временем большинство физиков приняло сторону Бора и согласилось, что его подход верен. Триумфу Бора способствовали также успешные предсказания его теории относительно поведения частиц, поэтому физики поддержали его версию. Хотя Бор привел свой аргумент для того, чтобы противостоять атаке Эйнштейна на квантовую механику, как мы позже увидим, взгляды Бора на неделимость внутриатомных систем оказали большое влияние при постижении природы реальности.
В результате спора Эйнштейну пришлось признать, что квантовая теория в трактовке Бора и Гейзенберга представляет собой последовательную систему научных взглядов, однако его не покидала мысль о том, что рано или поздно науке удастся найти детерминистское описание всех доселе необъяснимых явлений в терминах локальных скрытых переменных.
Теорема Белла. В 1952 году доктор Джон Стюарт Белл, теоретик из CERN – Центра ядерных исследований, расположенного близ Женевы в Швейцарии, познакомился со статьей известного физика Д. Бома, которая произвела на него огромное впечатление. В статье Бом теоретически рассмотрел процесс распада нестабильного атома позитрония, состоящего из электрона и позитрона (частицы и античастицы). Образовавшиеся при этом два кванта света, или фотона, бегущие в противоположных направлениях, согласно квантовой физике, вне зависимости от расстояния между ними, при измерении должны были показать одинаковые углы поляризации. Поляризация частиц – характеристика состояния частицы, связанная с наличием у них собственного момента импульса – спина и его направлением в пространстве (4). Бом в своей работе предполагал наличие нелокальности в квантовом мире, и Белл невольно начал думать о проверке этого предположения.
В 1964 году он получил годичный отпуск для научной работы и смог сконцентрироваться на идее, которая так его захватила. Он достаточно быстро нашел элегантное математическое обоснование эксперимента. Единственной проблемой в то время было ограничение точности, обусловленное уровнем развития техники. Чтобы убедиться в том, что частицы, например, в случае ЭПР-парадокса не используют обычной связи, основные экспериментальные измерения должны были производиться за такой бесконечно малый промежуток времени, за который луч света не успевал бы пройти расстояние между частицами. Это означало, что измерительные приборы должны были производить необходимые отсчеты в течение нескольких миллиардных долей секунды. Таких приборов тогда еще не было.
В 1965 году Белл опубликовал теоретическую работу, кратко называемую теоремой Белла, которая подтверждала предположение Бома: в наблюдаемом квантовом мире должны действовать нелокальные эффекты (20). В физике теорема – это не просто «теория», а математическое доказательство, которое должно быть признано истинным, если в нем нет математических ошибок и если эксперименты, лежащие в его основе, воспроизводимы. Белл доказал свою теорему математически точно. Ее весьма тщательно проверил Бом, а несколько лет спустя были произведены эксперименты, подтверждающие правильность теории.
Теорема Белла позволяет сформулировать обобщенно ее суть так: не существует изолированных систем; каждая частица Вселенной находится в «мгновенной» связи со всеми остальными частицами. Вся Система, даже если ее части разделены огромными расстояниями и между ними отсутствуют сигналы, поля, механические силы, энергия и т. д., функционирует как Единая Система (21). При этом мгновенная «связь», описываемая теоремой Белла, не требует затрат энергии.
Казалось бы, подобная связь между частицами, протекающая со скоростью, превышающей скорость света, вступает в противоречие со специальной теорией относительности. Однако правильность теоремы Белла экспериментально подтвердил доктор А. Аспект из Орсе.
Эксперимент А. Аспекта. В 1970-е годы уровень технологии уже позволил нескольким исследователям поставить эксперимент с двумя частицами, описанный ранее Бомом. Хотя результаты были обнадеживающие, окончательный вывод так и не был сделан.
В 1982 году физики Ален Аспект, Жан Далибар и Жерар Роже из Института оптики Парижского университета произвели долгожданный эксперимент и получили положительный результат. Сначала они произвели серию одинаковых фотонов путем нагрева атомов кальция лазерами. Затем они позволили каждому фотону бежать в противоположных направлениях через трубку длиной 6,5 м и проходить через специальные фильтры, направляющие их к одному из двух возможных анализаторов. Каждый фильтр производил переключение между одним и другим анализатором за десять миллиардных секунды, то есть на тридцать миллиардных секунды меньше, чем было необходимо свету для прохождения 13 м, отделяющих каждую группу фотонов. Таким путем Аспект и его коллеги смогли исключить любую возможность связи фотонов через известные физические процессы (20).
Они обнаружили, что, как и предсказывала квантовая теория, каждый фотон может коррелировать свой угол поляризации с углом своего двойника. Это указывало либо на нарушение эйнштейновского запрета на связь, превышающую скорость света, либо на нелокальную связь обоих фотонов. Поскольку большинство физиков не могло согласиться с привнесением в физику процессов, скорость которых превышает скорость света, эксперимент Аспекта стал рассматриваться как подтверждение нелокальной связи двух фотонов.
Чтобы рассмотреть упрощенную версию такого эксперимента, которая была разработана в ходе исчерпывающего анализа, данного Дэвидом Бомом, необходимо поближе познакомиться с некоторыми свойствами спина.
В определенном смысле спин частицы представляет собой ее вращение вокруг собственной оси. Однако, как и положено, в субатомной физике ничего не бывает простым и однозначным. В случае с электроном множество значений спина состоит из двух вариантов: количество вращения остается всегда постоянным, однако относительно заданной оси вращения электрон может вращаться в двух направлениях – или по, или против часовой стрелки. Физики обычно обозначают эти два значения при помощи слов «вверх» и «вниз». Естественно, невозможно определить и точное направление оси вращения электрона. Электроны обладают тенденцией существовать в различных точках внутри атома, и точно таким же образом для них характерна тенденция вращаться вокруг любой оси. Тем не менее стоит нам выбрать некую ось и произвести измерения, как мы обнаружим, что электрон вращается именно вокруг этой оси в одном из двух направлений. Другими словами, частица приобретает определенную ось вращения в момент измерения, хотя до этого момента об оси вращения ничего определенного сказать было нельзя: электрон имеет только некоторую тенденцию, или потенцию, вращаться вокруг этой оси (1).
В эксперименте, доказывающем существование нелокальных связей, участвуют два электрона, вращающихся в противоположных направлениях так, что их суммарный спин равен нулю, хотя направления осей вращения неизвестны. Ученые начинают удалять электроны друг от друга методами, которые никак не воздействуют на спин частиц. Суммарный спин остается равным нулю, даже если эти электроны находятся один в Лондоне, а другой – в Нью-Йорке.
Предположим, что после измерения спина частицы вокруг вертикальной оси (исследователь волен выбрать для измерения любую ось) мы обнаружили, что частица, которая находится в Лондоне, имеет «верхний» спин. Поскольку суммарный спин обеих частиц равен нулю, из этого следует, что спин второй частицы в Нью-Йорке должен быть «нижним». Таким образом, посредством измерения спина первой частицы мы одновременно косвенно измеряем спин второй частицы, не оказывая на нее совершенно никакого воздействия.
Парадоксальность эксперимента заключается в том, что спины частиц будут иметь противоположные значения по отношению к любой оси вращения, которую исследователь выберет в момент измерения, хотя до момента измерения они, оси, существуют только в качестве тенденций или возможностей. Стоит наблюдателю выбрать определенную ось вращения первой частицы (например, горизонтальную) и произвести измерения, как вторая частица начинает вращаться вокруг той же оси. Наблюдатель произвел новые измерения, выбрав другую ось вращения первой частицы, а вторая уже в курсе, она уже вращается вокруг новой оси. Словом, обе частицы мгновенно получают определенную общую ось вращения. Причем это происходит настолько быстро, что вторая частица не может получить эту информацию при помощи какого-либо условного сигнала, особенно если она находится на огромном расстоянии.
Как вторая частица узнает, какую ось выбрал исследователь для измерения спина первой частицы?
С точки зрения Эйнштейна, никакой сигнал не способен перемещаться в пространстве быстрее скорости света, поэтому измерение, произведенное по отношению к одному из электронов, не может в то же мгновение сообщить определенное направление вращению второго электрона, находящегося в тысячах миль от первой частицы. А эксперименты неопровержимо свидетельствовали, что факт мгновенной передачи сигнала существует.
По мнению Бора, система из двух электронов представляет собой неделимое целое, и хотя частицы разделены большим расстоянием, мы не можем рассматривать эту систему в терминах составных частей. Независимо от расстояния электроны соединены мгновенными, нелокальными связями. Квантовая действительность оказалась принципиально нелокальной и несепарабельной (не разделимой на отдельные независимые части).
Теорема Белла и эксперименты Аспекта нанесли сокрушительное поражение позиции Эйнштейна, доказав, что понимание действительности как сложной структуры, состоящей из отдельных частей, соединенных при помощи локальных связей, несовместимо с идеями квантовой теории.
Многочисленные и весьма корректные эксперименты, доказывающие существование нелокальности, многократно проводились в конце ХХ века современными учеными (Беннет, Зайлинер) и постоянно подтверждали наличие нелокальной связи между частицами. Известный физик Пол Дэвис из Ньюкаслского университета (Великобритания) заявил, что, «поскольку все частицы постоянно взаимодействуют и разделяются, нелокальные аспекты квантовых систем – общее свойство природы» (22).
Однако нельзя не учитывать и специальную теорию относительности, в которой также отсутствуют ошибки и которая имеет множество подтверждающих ее экспериментов.
Опять сознание. Было предложено два решения этой проблемы, в каждом из которых предполагается, что «связь», описываемая теоремой Белла, не требует энергии, так как именно энергия не может перемещаться быстрее света. Доктор Эдвард Харрис Уокер предположил, что неизвестным элементом, передвигающимся быстрее света и соединяющим систему воедино, является сознание. Другая альтернатива, предложенная доктором Джеком Сарфатти, состоит в том, что средством белловской связи служит информация.
Согласно современным научным исследованиям, Сознание следует понимать как высшую форму развития информации – самоосознающую, творящую информацию (23). Носителем информации в Тонком мире являются торсионные поля, которые распространяются без затрат энергии и практически мгновенно, поскольку скорость распространения торсионных волн составляет 109С, где С – скорость света в вакууме (22).
Предположения Уокера и Сарфатти объединились в единое решение. В их предположениях есть определенный смысл. Дело в том, что сознание человека постоянно имеет дело с локальностью и нелокальностью, с причинностью и беспричинностью.
Когда человек изучает мир с помощью органов чувств, он воспринимает его как вероятностный (беспричинный), но локальный, то есть обязательно помещенный в какой-нибудь пространственно-временной континуум, обладающий геометрическими свойствами. В этом случае его сознание представляет собой не более чем совокупность процессов, происходящих в клетках головного мозга. По классификации американского ученого доктора Ч. Тарта, это так называемое В-сознание принадлежит телу человека, и в случае физической смерти оно дезинтегрируется.
Однако человек способен познавать мир чисто умозрительно, строить его детерминированные, но нелокальные модели, поскольку способен мгновенно охватить своим мысленным взором как бесконечно малое, так и бесконечно большое. Этот образ мира лишен пространственно-временной структуры. Это так называемое А-сознание, по классификации Тарта, является полевым (трансперсональным), оно связано с человеком, но находится вне его.
По мнению Тарта (и многих других ученых), Сознание человека двойственно и представляет собой целостную систему, состоящую из взаимодействующих друг с другом капсулированного сознания, анатомически ограниченного телом, и полевого (трансперсонального) сознания.
В лекции профессора Ф. Спеддинга, прочитанной в британском Обществе психических исследований, есть такие слова: «Мы можем вообразить себе живой мир в виде архипелага из миллиона небольших островов, каждый из которых представляет собой физическое сознание (В-сознание. – Авт.). Непосредственно под поверхностью находится личное бессознательное. Ниже земля соединяется, и в этом слое залегает коллективное бессознательное, через которое идеи и мысли от одного личного бессознательного передаются другому, и если при этом они проникают до уровня сознания, то мы наблюдаем феномен телепатии. В момент рождения над поверхностью океана Бытия возникает остров сознания. А в момент смерти он исчезает под водой» (2).
К сожалению, до сих пор квантовая теория в современной формулировке не допускает вмешательства человеческого сознания, несмотря на то что ряд интерпретаций волновой функции и проблема с ее редукцией опираются на некоторые его качественные характеристики. Хотя еще в начале XX века Нильс Бор высказывал мысль, что рано или поздно квантовая механика придет к необходимости вмешательства сознания в анализ фактов физической реальности.
Парадоксы субатомного мира
Давайте подведем некоторые итоги, четко обозначив все известные нам парадоксы субатомного мира.
1. На уровне атома, ядра и элементарной частицы материя имеет двойственный аспект, который в одной ситуации проявляется как частицы, а в другой – как волны. Причем частица имеет более или менее определенное местоположение, а волна распространяется во все стороны в пространстве.
2. Двойственная природа материи обусловливает «квантовый эффект», заключающийся в том, что находящаяся в ограниченном объеме пространства частица начинает усиленно двигаться, и чем значительнее ограничение, тем выше скорость. Результатом типичного «квантового эффекта» является твердость материи, идентичность атомов одного химического элемента и их высокая механическая устойчивость.
Поскольку ограничения объема атома и уж тем более ядра весьма значительны, скорости движения частиц чрезвычайно велики. Для исследования субатомного мира приходится использовать релятивистскую физику.
3. Атом вовсе не подобен маленькой планетарной системе. Вокруг ядра вращаются не частицы – электроны, а вероятностные волны, причем электрон может переходить с орбиты на орбиту, поглощая или испуская энергию в виде фотона.
4. На субатомном уровне существуют не твердые материальные объекты классической физики, а волновые вероятностные модели, которые отражают вероятность существования взаимосвязей.
5. Элементарные частицы вовсе не элементарны, а чрезвычайно сложны.
6. Всем известным элементарным частицам соответствуют свои античастицы. Пары частиц и античастиц возникают при наличии достаточного количества энергии и превращаются в чистую энергию при обратном процессе аннигиляции.
7. При столкновениях частицы способны переходить одна в другую: например, при столкновении протона и нейтрона рождается пи-мезон и т. д.
8. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению динамических переменных: например, 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.
9. Масса является одной из форм энергии; поскольку энергия – это динамическая величина, связанная с процессом, частица воспринимается как динамический процесс, использующий энергию, которая проявляет себя в виде массы частицы.
10. Субатомные частицы одновременно делимы и неделимы. В процессе столкновения энергия двух частиц перераспределяется и образуются такие же частицы. А если энергия достаточно велика, то помимо таких же, как исходные, могут образоваться дополнительно новые частицы.
11. Силы взаимного притяжения и отталкивания между частицами способны преобразовываться в такие же частицы.
12. Мир частиц нельзя разложить на независящие друг от друга мельчайшие составляющие; частица не может быть изолированной.
13. 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».
14. На результат эксперимента влияет система подготовки и измерения, конечным звеном которой является наблюдатель. Свойства объекта имеют значение только в контексте взаимодействия объекта с наблюдателем, ибо наблюдатель решает, каким образом он будет осуществлять измерения, и в зависимости от своего решения получает характеристику свойства наблюдаемого объекта.
15. В субатомном мире действуют нелокальные связи.
Казалось бы, достаточно сложностей и неразберихи в субатомном мире, лежащем в основе макромира. Но нет! Это еще не все.
Реальность, которая была открыта в результате изучения субатомного мира, обнаружила единство понятий, казавшихся до сих пор противоположными и даже непримиримыми. Мало того что частицы одновременно делимы и неделимы, вещество одновременно прерывисто и непрерывно, энергия превращается в частицы и наоборот и т. д., релятивистская физика объединила даже понятия пространства и времени. Именно это основополагающее единство, которое существует в более высоком измерении (четырехмерное пространство-время), является основой для объединения всех противоположных понятий.
Введение понятия вероятностных волн, которое в определенной степени решило парадокс «частица – волна», переместив его в совершенно новый контекст, привело к возникновению новой пары гораздо более глобальных противопоставлений: существования и несуществования (1). Атомная реальность лежит за пределами и этого противопоставления.
Возможно, это противопоставление наиболее трудно для восприятия со стороны нашего сознания. В физике можно построить конкретные модели, показывающие переход из состояния частиц в состояние волн и обратно. Но никакая модель не может объяснить переход от существования к несуществованию. Никакой физический процесс нельзя использовать для объяснения перехода из состояния, называемого виртуальной частицей, к состоянию покоя в вакууме, где эти объекты исчезают.
Мы не можем утверждать, что атомная частица существует в той или иной точке, и не можем утверждать, что ее там нет. Будучи вероятностной схемой, частица может существовать (одновременно!) в разных точках и представлять собой странную разновидность физической реальности, нечто среднее между существованием и несуществованием. Поэтому мы не можем описать состояние частицы в терминах фиксированных противопоставленных понятий (черное – белое, плюс – минус, холодно – тепло и т. д.). Частица не находится в определенной точке и не отсутствует там. Она не перемещается и не покоится. Изменяется только вероятная схема, то есть тенденция частицы находиться в определенных точках.
Точнее всего этот парадокс выразил Роберт Оппенгеймер, сказав: «Если мы спросим, например, постоянно ли нахождение электрона, нужно сказать „нет“, если мы спросим, изменяется ли местонахождения электрона с течением времени, нужно сказать „нет“, если мы спросим, неподвижен ли электрон, нужно сказать „нет“, если мы спросим, движется ли он, нужно сказать „нет“». Лучше не скажешь!
Не случайно В. Гейзенберг признавался: «Я помню многочисленные споры с Богом до поздней ночи, завершавшиеся признанием нашей беспомощности; когда после спора я выходил на прогулку в соседний парк, я вновь и вновь задавал себе один и тот же вопрос: „Разве может быть в природе столько абсурда, сколько мы видим в результатах атомных экспериментов?“»
Такие пары противоположных понятий, как сила и материя, частица и волна, движение и покой, существование и несуществование, объединенные в одновременное единство, представляют собой сегодня самое сложное для осознания положение квантовой теории. С какими еще парадоксами, переворачивающими все наши представления с ног на голову, столкнется наука, трудно предсказать
Бушующий мир. Но и это еще не все. Способность частиц реагировать на сжатие путем увеличения скорости движения говорит о фундаментальной подвижности материи, которая становится очевидной при углублении в субатомный мир. В этом мире большинство частиц приковано к молекулярным, атомным и ядерным структурам, и все они не покоятся, а находятся в состоянии хаотического движения; они подвижны по своей природе. Квантовая теория показывает, что вещество постоянно движется, не оставаясь ни на миг в состоянии покоя.
Например, взяв в руки кусок железа, мы не слышим и не чувствуем этого движения, оно, железо, кажется нам неподвижным и пассивным. Но стоит рассмотреть этот «мертвый» кусок железа под очень сильным микроскопом, который позволит нам увидеть все, что творится в атоме, мы увидим нечто совершенно другое. Давайте вспомним модель атома железа, в котором двадцать шесть электронов вращаются вокруг ядра, состоящего из двадцати шести протонов и тридцати нейтронов. Стремительный вихрь двадцати шести электронов вокруг ядра подобен хаотическому и постоянно изменяющемуся рою насекомых. Просто удивительно, как эти бешено вращающиеся электроны не сталкиваются друг с другом. Создается впечатление, что внутри каждого имеется встроенный механизм, бдительно следящий за тем, чтобы они не сталкивались.
А если мы заглянем в ядро, то увидим протоны и нейтроны, танцующие в бешеном ритме ламбаду, причем танцоры чередуются и пары меняют партнеров. Словом, в «мертвом» металле в буквальном и фигуральном смысле царит такое разнообразное движение протонов, нейтронов и электронов, которое просто невозможно себе представить.
Этот многослойный бушующий мир состоит из атомов и субатомных частиц, движущихся по различным орбитам с дикой скоростью, «танцующих» замечательный танец жизни под музыку, которую кто-то сочинил. Но ведь все материальные предметы, которые мы видим вокруг себя, состоят из атомов, связанных между собой внутримолекулярными связями различного типа и образующих таким образом молекулы. Только электроны в молекуле совершают движение не вокруг каждого атомного ядра, а вокруг группы атомов. И эти молекулы также находятся в беспрестанном хаотическом колебательном движении, характер которых зависит от термических условий вокруг атомов.
Словом, в субатомном и атомном мире безраздельно властвуют ритм, движение и непрестанное изменение. Но все изменения не случайны и не произвольны. Они следуют очень четким и ясным закономерностям: все частицы той или иной разновидности абсолютно идентичны по массе, величине электрического заряда и другим характерным показателям; все заряженные частицы имеют электрический заряд, который либо равен заряду электрона, либо противоположен ему по знаку, либо превышает его в два раза; и остальные характеристики частиц могут принимать не любые произвольные значения, а только ограниченное их количество, что позволяет ученым разделить частицы на несколько групп, которые могут быть также названы «семьями» (24).
Невольно напрашиваются вопросы: кто сочинил музыку для удивительного танца субатомных частиц, кто задал информационную программу и научил пары танцевать, в какой момент начался этот танец? Иными словами: как образуется материя, кто ее создал, когда это случилось? Это те вопросы, на которые наука ищет ответы.
К сожалению, наше мировосприятие характеризуется ограниченностью и приблизительностью. Наше ограниченное понимание природы приводит к разработке ограниченных «законов природы», которые позволяют описать большое количество явлений, но самые важные законы мироздания, влияющие на мировоззрение человека, по-прежнему во многом остаются для нас неизведанными.
«Позиция большинства физиков напоминает мировосприятие шизофреника, – говорит теоретик квантовой физики Фриц Рорлих из Сиракузского университета. – С одной стороны, они принимают стандартное толкование квантовой теории. С другой стороны, они настаивают на реальности квантовых систем, даже если таковые принципиально ненаблюдаемы».
Действительно странная позиция, которую можно выразить так: «Я не собираюсь думать об этом, даже если я знаю, что это правда». Эта позиция удерживает многих физиков от рассмотрения логических следствий из наиболее поразительных открытий квантовой физики. Как указывает Дэвид Мермин из Корнельского университета, физики подразделяются на три категории: первая – незначительное меньшинство, которому не дают покоя сами собой напрашивающиеся логические следствия; вторая – группа, уходящая от проблемы с помощью множества соображений и доводов, по большей части несостоятельных; и, наконец, третья категория – те, у кого нет никаких соображений, но это их не волнует. «Такая позиция, конечно, самая удобная», – отмечает Мермин (1).
Тем не менее ученые осознают, что все их теории, описывающие явления природы, включая и описание «законов», представляют собой продукт человеческого сознания, следствия понятийной структуры нашей картины мира, а не свойства самой реальности. Все научные модели и теории представляют собой лишь приближения к истинному положению дел. Ни одна из них не может претендовать на истину в последней инстанции. Неокончательность теорий проявляется прежде всего в использовании так называемых «фундаментальных констант», то есть величин, значения которых не выводятся из соответствующих теорий, а определяются эмпирически. Квантовая теория не может объяснить, почему электрон обладает именно такой массой и таким электрическим зарядом, а теория относительности не может объяснить именно такую величину скорости света.
Безусловно, наука никогда не сумеет создать идеальную теорию, которая объяснит все, но она постоянно должна стремиться к этому, пусть даже недостижимому рубежу. Ибо чем выше установлена планка, через которую должен перепрыгнуть прыгун, тем большую высоту он возьмет, даже если не установит рекорда. И ученые, как прыгун на тренировках, постоянно поднимают планку, последовательно разрабатывая отдельные частные и приблизительные теории, каждая из которых является более точной, чем предыдущая.
Сегодня наука уже располагает рядом частных теорий и моделей, достаточно успешно описывающих некоторые стороны волнующей нас волновой квантовой реальности. Как считают многие ученые, наиболее перспективными теориями – точками опоры для дальнейшего развития теоретической физики, опирающейся на сознание, являются гипотеза «бутстрапа» Джеффри Чу, теория Дэвида Бома и теория торсионных полей. А уникальные экспериментальные работы российских ученых под руководством академика В. П. Казначеева в значительной степени подтверждают правильность подходов в исследовании Вселенной и Сознания, заложенных в указанных гипотезах и теориях.
Глава 2
Вселенная и сознание
Трудно рассматривать эволюцию Вселенной без такого фактора, как Сознание Вселенной, фрагментом которого является Сознание Человека.
А. Е. Акимов, Г. И. Шипов
Гипотеза «бутстрапа»
Западная наука всегда считала смысл своей деятельности в том, чтобы открывать и описывать фундаментальные законы природы. Однако описание природы с помощью законов и принципов возможно лишь с ограничениями, поскольку само представление о природе у нас ограниченно. Никакая теория не в силах дать полного и исчерпывающего представления об Универсуме.
Например, до недавнего времени считалось, что законы природы – это законы теории относительности и квантовой теории. Однако выяснилось, что их недостаточно для того, чтобы описать нелокальность.
Уникальное явление нелокальности натолкнуло ученых на мысль, что строение мироздания не может сводиться к каким-либо фундаментальным, элементарным конечным единицам, таким как элементарные частицы или фундаментальные поля. Появилась гипотеза о том, что мироздание следует воспринимать как сочетание определенных типов взаимоотношений между определенными группами объектов.
По словам Гейзенберга, «в современной физике мир делится не на различные группы объектов, а на различные группы взаимоотношений… Единственное, что поддается выделению, – это тип взаимоотношений, имеющих особенно важное значение для того или иного явления… Мир, таким образом, представляется нам в виде сложного переплетения событий, в котором различные разновидности взаимодействий могут чередоваться друг с другом, накладываться или сочетаться друг с другом, определяя посредством этого текстуру целого».
Известный ученый физик-теоретик Б. Палюшев пишет по этому же поводу следующее: «Элементарность в природе сводится к отношениям, а не к типам вещественных составляющих… Природа делима до сущностей, которые определяются не вещественными структурами, а типом взаимоотношений» (1).
По его мнению, фундаментальные физические взаимодействия, какими являются сильное, слабое и электромагнитное, определяют один из двух основных видов таких взаимоотношений между реальными физическими объектами. Носителями отношений, характерных для этих типов взаимодействий, являются квантовые частицы. Другой тип взаимоотношений в структуре реального мира определяется геометрическими свойствами. Для осуществления равновесия в этих взаимоотношениях могут служить гравитационное взаимодействие и торсионные поля. Носителями отношений, характерных для этих типов взаимодействий, являются фитоны (2). Ниже о фитонах будет сказано подробнее.
По мнению ученых, разделяющих подобную точку зрения, мир как система строится именно на основе взаимоотношений. А это означает, что все явления и процессы каким-то образом связаны между собой, и для того чтобы объяснить каждое из них, мы должны узнать сущность всех остальных. Следовательно, природу нужно воспринимать в ее самосогласованности, когда составные части материи обнаруживают согласованность друг с другом и с самим собой.
Читать бесплатно другие книги:
