Лекция № 15. Развитие рациональной науки. Волновая механика
Квантовая физика
Дорогие друзья!
В одном из посланий Крайон говорит: «Чем больше вы будете узнавать о структуре атома, тем яснее для вас будет становиться Тонкий мир. Именно понимание поведения элементарных частиц – ключ к этому» [1].
Шаг в мир атомов был первым и самым важным шагом в путешествии в мир бесконечно малого. Но проникнув под оболочку атома, изучая его внутреннее устройство, наука вынуждена была нарушить свои же собственные установки: все посмотреть, пощупать, измерить, взвесить и т. д.
Исследование субатомного мира не отвечало этим требованиям. С этого момента наука уже не могла с уверенностью опираться на логику и здравый смысл. Налицо нарушение принципа, высказанного Фрэнсисом Бэконом. А уж развитие квантовой физики заставило вообще забыть об этом устаревшем требовании, выдвинутом в XVII веке: все увидеть и все потрогать. Оковы, которые сдерживали науку почти четыре столетия, были сброшены, и полет научной мысли привел к открытию поразительных знаний, ведущих человечество к Богу.
Познакомиться с успехами ученых в понимании мироустройства – это значит познакомиться с квантовой физикой, с удивительной наукой, которая перевернула все наши представления об окружающем мире. А точнее, вернула все на свои места, поставила все с головы на ноги.
Датой появления квантовой физики, которая заставит науку заниматься информационными взаимодействиями, сознанием и Тонким миром, является 1900 год. Основателем ее признан Макс Планк.
Пожалуй, стоит подчеркнуть, что в отличие от теории относительности, разработанной Эйнштейном самостоятельно, законы квантовой механики были сформулированы благодаря усилиям физиков разных стран: датчанина Нильса Бора, француза Луи де Бройля, австрийцев Эрвина Шредингера и Вольфганга Паули, немцев Макса Планка и Вернера Гейзенберга, англичанина Поля Дирака и других. Огромная заслуга в развитии этой науки принадлежит Альберту Эйнштейну.
В начале ХХ века Макс Планк, великий немецкий физик, исходя из результатов экспериментов, высказал идею, что свет (электромагнитное излучение) испускается не непрерывно, как это следует из теории излучения, а дискретно – порциями. Например, теплота от нагретой поверхности испускается непрерывно, а свет от источника, оказывается, испускается порциями.
Минимальную порцию энергии электромагнитного излучения Планк назвал квантом энергии. А процесс деления энергии на порции (на кванты) был назван квантованием.
Планк нашел формулу для определения величины этого кванта энергии. Формула проста: квант энергии равен некой константе, умноженной на частоту света. Эта некая константа оказалась фундаментальной константой квантования, которую благодарное человечество назвало постоянной Планка (а фундаментальных констант не так уж много: заряд и масса электрона, скорость света в пустоте и… постоянная Планка).
Постоянная Планка (h = 6,62 10–27 эрг с) устанавливает минимальный предел измерений всех физических параметров. Она определяет масштабы квантовых явлений и, главное, границы применимости классической и квантовой физики.
Вследствие чрезвычайно малой величины постоянной Планка квантование в макроскопических физических экспериментах остается незамеченным.
Лауреат Нобелевской премии, российский физик, академик РАН В. Л. Гинзбург утверждал, что, исходя из расчетов Планка, мы можем представить Вселенную, состоящей из частиц величиной 10–33 м. То есть наша Вселенная – это квантовая Вселенная!
Однако приборы и сенсоры, которыми мы усиливаем свои органы чувств, позволяют выделить частицы и их характеристики величиной до 10–16 м. А это значит, что наши знания о Вселенной далеко не полны.
Квантовая физика, собственно, и называется «квантовой», потому что изучает наше мироздание на микроуровне, на уровне квантов.
В 1905 году Эйнштейн доказал, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, то есть поток света состоит из квантов энергии, а проще – из квантов света. Световые кванты стали называть фотонами.
По поводу фотона есть и другая точка зрения. Доктор технических наук, академик РАЕН В. А. Ацюковский утверждает, что фотон – не электромагнитная волна! Такое утверждение было сделано после тщательного теоретического и экспериментального исследований эфира. Ацюковский пишет: «Почему фотоны проникают в морскую воду не так, как электромагнитная волна? Потому что они имеют разную структуру. В электромагнитной волне каждый полупериод существует сам по себе, поскольку движения эфира в каждом полупериоде направлены по-разному. В фотоне же потоки эфира переходят из одного ряда вихрей в другой, нигде не прерываясь. Весь фотон – единая энергетическая структура… Фотон – не электромагнитная волна, вот что отсюда вытекает» [2].
Эксперименты показали, что: фотон – это элементарная частица с нулевой массой покоя и положительной энергией. Что значит – «с нулевой массой покоя»? Это значит, что свет не существует в остановленном виде.
Однако русским ученым-физикам, работающим в Бостоне на базе астрофизической лаборатории Гарвардского университета, удалось остановить луч света. Правда, всего лишь на долю секунды, но остановили!
Как сообщил Михаил Лукин, выпускник Московского физико-технического института, ныне руководитель лаборатории в Гарвардском университете, им удалось не только сохранить в рубидиевой среде, помещенной в магнитное поле, информацию об импульсе, выпущенном из лазера, но потом и восстановить ее в полном объеме, после чего импульс продолжил движение со скоростью в 297 000 км/с. Пока в астрофизической лаборатории Гарварда Михаилу Лукину и его американскому коллеге Рональду Уолсуорду удается останавливать свет только на одну тысячную секунды [3].
А можно ли «заморозить» световой луч на время большее, чем одна тысячная секунды?
«Законов, запрещающих это, нет, – подчеркнул заведующий лабораторией лазерной спектроскопии Института спектроскопии РАН профессор Владилен Летохов. – И я не могу утверждать, что это в принципе невозможно. Квантовая физика это не запрещает».
А что вообще такое элементарные частицы? Когда появился этот термин, под элементарными частицами понимали первичные, далее уже неделимые частицы, из которых состоит вся материя. А потом оказалось, что эти, так сказать, неделимые частицы делятся. И в современной физике термин «элементарные частицы» используется для наименования большой группы мельчайших частиц, которые не являются атомами или атомными ядрами (за исключением протона, который в гордом одиночестве представляет собой ядро водорода).
Мы с вами используем понятие «элементарные частицы» в качестве общего названия субъядерных частиц.
Познакомившись поближе с планетарной моделью атома, согласно которой ядро играет роль Солнца, а электроны – роль планет, вращающихся вокруг него, ученые сразу же столкнулись с проблемой. Какой?
Дело в том, что вращающийся вокруг атомного ядра электрон, двигаясь ускоренно по орбите, по всем классическим законам должен излучать электромагнитные волны (свет) и терять энергию. В результате он неминуемо должен упасть на ядро, что означало бы гибель атома. Но атом стабилен, электроны свет не излучают и на ядро не падают. Почему?
Рассматривая принцип работы лазера, мы познакомились с постулатами Бора по поводу стационарных орбит, по которым движутся электроны в атоме. Излучение или поглощение энергии происходит только при переходе электрона с одной орбиты на другую.
Напомним, что, стремясь объяснить устойчивость атома в рамках модели Резерфорда, Нильс Бор в 1913 году предположил, что у атома есть такие стационарные орбиты, находясь на которых электрон не излучает фотонов (света). Разные орбиты соответствуют разным уровням энергии. Когда электрон переходит с одной орбиты на другую, он или излучает, или поглощает один фотон. Если переход происходит с орбиты высокого уровня энергии на орбиту низкого уровня, фотон излучается. И наоборот [4].
Надо сказать, что существование уровней энергии в атомах было подтверждено опытами Франка – Герца в 1913–1914 годах.
Тут же встал вопрос: почему электрон, двигаясь ускоренно по орбите, не излучает энергии?
Чтобы понять это, рассмотрим такой пример.
Возьмем сосуд с насыщенным солевым раствором и охладим его. В некоторой точке сосуда выпадет кристаллик соли. Теперь нагреем сосуд, и кристаллик растворится. Снова охладим, опять выпадет кристаллик, но в другом месте. Продолжим эту процедуру и снимем весь процесс на кинопленку. А потом посмотрим полученный фильм на достаточно большой скорости. Что мы увидим? Мы увидим, как кристаллик движется по сосуду, выписывая немыслимые коленца. А на самом деле никакого механического движения он не совершает.
Оказывается, точно так же ведет себя электрон, находящийся на стационарной орбите. Он то «растворяется» в собственном электромагнитном поле, то «конденсируется» из него и занимает на орбите различные положения. Но при этом он не совершает механического движения, вот и не излучает энергии [5].
Странно? Конечно, странно! Так может вести себя не частица, а волна. Но электрон же частица. Во всяком случае, считался на то время частицей. Как частица может проявлять свойства волны? Что это еще за «волны материи»?
Дуальность
Дальнейшие результаты изучения света потрясли научную общественность. В 1922 году американский физик Комптон экспериментально доказал, что свет обладает волновыми и корпускулярными свойствами, то есть является одновременно и волной, и частицей. А эксперименты с рассеянием света электронами подтвердили наличие у электронов волновых свойств.
Это дало возможность французскому физику Луи де Бройлю в 1924 году выдвинуть идею о волновых свойствах материи, за разработку которой в 1929 году он был удостоен Нобелевской премии по физике. Оригинальная гипотеза де Бройля заключалась в том, что не только фотоны, но и все элементарные частицы обладают волновыми свойствами. Причем длина волны де Бройля тем меньше, чем больше масса частицы и ее скорость.
Например, частице массой 1 грамм, движущейся со скоростью 1 м/с, соответствует волна де Бройля с длиной 10–18 А (ангстрем). В свою очередь, 1 А = 10–10 м. А это лежит за пределами доступной наблюдателю области. Именно поэтому в механике макроскопических тел волновые свойства существенной роли не играют. Иное дело, когда речь идет о мире элементарных частиц.
Позднее гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально: на уровне элементарных частиц материя имеет двойственный аспект, который проявляется и как частицы, и как волны.
Поскольку ситуация с электроном в атоме непредсказуема, ибо никогда не знаешь, где он в следующий раз «выпадет в осадок», то термин «волна материи одиночного электрона» по предположению Макса Борна был заменен на термин «волна вероятности». Для электрона, как и для всех элементарных частиц, обладающих свойствами волны, теряет смысл понятие траектории, ибо нельзя одновременно задавать координату и скорость движения.
И, следовательно, ньютоновское описание движения частиц в микромире становится невозможным. По этой причине пришлось отказаться от понятия «силы» как мерила взаимодействия. Какие уж тут «силы», если взаимодействующие частицы не связаны между собой силовыми связями, а просто обмениваются фотонами, примерно как баскетболисты мячом на площадке, которую не могут покинуть, пока идет игра (своеобразное взаимное притяжение).
Двойственность материи буквально ошарашила ученых. Ведь частица имеет более или менее определенное местоположение, а волна в то же самое время распространяется в пространстве. Положение частицы в каждый момент времени определяется заданием трех ее координат, а для описания, например, электромагнитного поля в любой момент времени требуется задание напряженностей этих полей в каждой точке пространства. То есть требуется задание бесконечного числа величин.
Словом, противоречие между свойствами волн и частиц поставило под вопрос основу механистического мировоззрения – понятие реальности материи.
Парадоксальные результаты экспериментов вызывали в среде ученых настоящий шок.
В одной из статей В. Гейзенберг писал: «Бурная реакция ученых на последние открытия современной физики легко объяснима: они сотрясают основы этой науки, и она, похоже, начинает терять почву под ногами».
Эйнштейн был потрясен не меньше, столкнувшись впервые с миром атома. Он писал в своей автобиографии: «Все мои попытки объяснить эти новые открытия были абсолютно безуспешны. Это напоминало ситуацию, когда почва уходит из-под ног и не на что опереться» [6].
В этих словах великих физиков заключена самая суть: почвы-то под ногами действительно нет! Нет той самой тверди, которая всегда служила нам, людям, опорой. Какая уж тут твердь, если материя в любом материальном объекте составляет менее 1 %!
А что же есть?
Современный ученый, один из руководителей Института биосферы РАН, академик Ф. Я. Шипунов говорит: «За пределами элементарных частиц – нейтронов, позитронов и других – материального мира уже не существует, остается лишь их волновая составляющая. Получается, что Вселенная состоит из некой субстанции, которую никак нельзя назвать материальной. Это духовная субстанция, имеющая волновую природу. Именно она и строит весь физический мир» [7].
Оказывается, есть духовная субстанция волновой природы. Наша Вселенная – это волновой мир. Возникла необходимость изучения волнового мира, который строит наш физический мир и управляет им.
О волновой механике
Поскольку методы классической физики оказались непригодны для исследования частиц-волн, потребовалось создание новой науки, в основу которой должна была лечь концепция де Бройля. Эта новая наука – «волновая механика» – появилась благодаря австрийскому физику Э. Шредингеру и немецкому физику В. Гейзенбергу.
Волновое уравнение Шредингера
В 1926 году Шредингер опубликовал знаменитое уравнение, носящее его имя. Волновое уравнение Шредингера играет в квантовой механике такую же фундаментальную роль, как уравнение движения Ньютона в классической механике [4]. Уравнение Шредингера является математическим выражением фундаментального свойства микрочастиц, которые одновременно представляют собой волны. Данное фундаментальное свойство называется «корпускулярно-волновой дуализм».
Этот дуализм оказался очень крепким орешком. Шредингер подгоночным путем ввел в свое уравнение некую неизвестную функцию, назвав ее «волновой функцией». Ее еще иногда называют «пси-функцией» или «вектором состояния».
Надо сказать, что такие подгоночные подходы (их еще называют феноменологическими) правомерны и используются для систематизации данных в тех областях физики, где фундаментальные теории еще не созданы.
Все физические теории можно разделить на три больших класса: фундаментальные, феноменологические (или конструктивные) и полуфеноменологические. Фундаментальная теория базируется на физических принципах, имеющих всеобщую приложимость (конечно, в тех рамках, в которых эти принципы справедливы). Теоретические предсказания явлений, сделанные на основании точных решений фундаментальных уравнений, полностью подтверждаются экспериментальными фактами.
Феноменологические теории возникают в физике под давлением экспериментальных фактов и представляют собой скорее метод для систематизации данных опыта в тех областях физики, где фундаментальные теории еще не созданы. «Потенциалы взаимодействия в феноменологических теориях подбираются искусственным путем так, чтобы удовлетворительно описать феноменологические взаимодействия. Как правило, в феноменологические потенциалы входит одна или несколько подгоночных констант, значения которых определяются путем согласования теории с данными эксперимента. Феноменологические теории обладают слабой предсказательной силой (образно говоря, предсказывают на расстоянии вытянутой руки) и не раскрывают истинной природы физического явления» [8].
В частности, квантовая механика обрела феноменологический (подгоночный) характер не при ее создании, а с появлением вероятностной интерпретации волновой функции в уравнении Шредингера (пси-функции). Именно феноменологическим путем Шредингер в свое время ввел в свое уравнение пси-функцию, рассматривая ее как материальное поле.
В теории физического вакуума, опубликованной в конце ХХ века, академик Г. И. Шипов строго показал, что пси-функция имеет смысл торсионного поля – поля, порождаемого классическим спином. Причем в работах Г. И. Шипова торсионные поля вводятся не феноменологически, на строгом фундаментальном уровне [8].
С помощью волновой функции можно с успехом описывать все электромагнитные, гравитационные, ядерные и другие физические явления. Есть только одно маленькое но. Волновая функция неизвестна.
Шредингер рассматривал волновую функцию как некое пока неизвестное материальное поле, которое объединяет все известные физические взаимодействия. Он надеялся, что когда будут созданы фундаментальные теории, эта волновая функция будет найдена.
Волновая функция полностью описывает состояние микрообъекта (электрона, протона, атома). Но чтобы определить состояние микрообъекта в любой момент времени, необходимо знать волновую функцию в начальный момент времени.
Поскольку волновая функция неизвестна, решения уравнения Шредингера прямого физического смысла не имеют. Смысл имеет квадрат волновой функции, который представляет собой вероятность состояния волновой системы. Например, решили уравнение Шредингера, нашли квадрат волновой функции и определили, что вероятность нахождения электрона в момент времени t в точке пространства с координатами xyz составляет 0,6. Для простоты скажем так: 60 % за то, что электрон в такой-то момент времени находится в такой-то точке пространства.
А это означает, что четкий ответ на вопрос, где находится электрон, невозможен. Он может находиться здесь, а может и там, то есть в любом месте, где квадрат волновой функции не равен нулю. Как кристаллик соли, который может выпасть в осадок где угодно.
Физическое описание микроскопических объектов становится неопределенным.
Закономерности, которые проявляются при случайных событиях, описываются с помощью теории вероятности, которая называет эти возможности просто «вероятностями». Решение уравнения Шредингера позволяет получить значение вероятностей.
Вероятностный характер результатов экспериментов означает, что при проведении серии одинаковых опытов над одинаковыми системами каждый раз будут получаться разные результаты. Однако некоторые значения будут появляться чаще, то есть будут более вероятными.
Словом, никогда точно не скажешь, как поведет себя электрон или фотон, да и вообще любая элементарная частица.
Рассмотрим простейший опыт по распространению света. На пути пучка света, который представляет собой поток фотонов, ставится прозрачная пластина. Часть фотонов проходит через пластину, часть отражается от нее.
Снова повторили опыт, но усложнили его, а именно: на пути отраженного потока фотонов поставили точно такую же пластину, как первая, от которой эти фотоны уже отразились. Поток фотонов, отразившийся от первой пластины, разделился: часть фотонов отразилась от второй пластины, а часть прошла через нее.
Что же получается? Некоторые фотоны почему-то «не захотели» проходить через первую пластину, а потом «передумали» и прошли через точно такую же вторую пластину? Так что ли?
Именно так!
Одинаковые частицы в одинаковых условиях ведут себя по-разному. 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.
Вот так 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». Все законы атомной физики выражаются в терминах вероятностей.
И если классическая физика может предсказать точные результаты, то квантовая физика может предсказать только вероятности различных процессов. А это означает, что в субатомном мире, мире квантовой реальности, отсутствует причинность и царит полнейшая неопределенность. Успех и итог экспериментов в этом мире можно только предсказать с определенной вероятностью.
Поскольку наш курс научно-эзотерический, стоит заметить, что отсутствие причинности в Тонком мире ставит под сомнение неотвратимость закона кармы!
Стоит особо подчеркнуть, что вероятность в квантовой теории 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, управляющей ходом всех процессов и даже существованием материи.
Но вероятностный характер квантовых процессов оказался далеко не единственной проблемой, которая легла на плечи ученых.
Принцип неопределенности Гейзенберга
Когда речь идет о материальной частице, то определенному значению ее координаты соответствуют точные значения ее скорости и импульса. Например, скорость и импульс летящего камня можно точно рассчитать в любой точке его траектории.
В квантовой теории все иначе. Поскольку электрон можно лишь приближенно рассматривать как материальную точку, его координаты и импульсы также можно рассматривать лишь приближенно. И одновременное определение значения динамических переменных оказалось невозможным: если исследователь определяет местонахождение частицы, то она просто не имеет определенного импульса, и наоборот, если он определяет импульс, то частица не имеет точного местонахождения. И чем точнее мы определим импульс, тем менее определенно значение местонахождения частицы.
Что с нее возьмешь! Она же не просто частица, она еще и волна! То есть определить точные параметры, характеризующие одновременно частицу и волну, невозможно.
Эту особенность квантовой физики подметил немецкий ученый Вернер Гейзенберг и сформулировал так называемый принцип неопределенности, который гласит, что, во-первых, ни один квантовый объект не может пребывать в покое, и, во-вторых, сопряженные переменные не могут быть одновременно измерены с определенной точностью. Это касается и скорости, и положения какой-либо частицы или тела.
Уравнение Шредингера и принцип Гейзенберга легли в основу теории волновой физики.
Отсутствие причинности в микромире привело к тому, что мир, описываемый физикой, оказался разделенным на две части. В макромире, с которым мы постоянно имеем дело, действует четкая определенность, последовательность и строгая причинность реальных событий. Ее легко продемонстрировать на простейшем примере: если бильярдный шар ударится под определенным углом о стенку бильярдного стола, то он отскочит обратно под тем же углом. Действие равно противодействию, или что посеял, то и пожнешь.
В субатомной мире, в мире квантовой реальности, все наоборот: отсутствие причинности и полная неопределенность. 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 уверенности в выполнении паранормального эксперимента: вчера получилось, а сегодня неизвестно, получится ли.
Мы, конечно, можем рассчитать вероятность нужного нам результата, но электрону совершенно наплевать на наши расчеты. Как говорит пословица: «Человек предполагает, а Бог располагает».
Все, к чему мы «прикасаемся», превращается в материю
Вероятно, самое удивительное свойство элементарных частиц заключается в том, что кванты проявляются как частицы, только когда мы на них смотрим. Например, когда наблюдения за электроном не ведутся, он всегда проявляет себя как волна, что подтверждается экспериментами. Физики смогли прийти к такому выводу благодаря хитроумным опытам, придуманным для обнаружения электрона без наблюдения за ним.
Представьте, что у вас в руке шар, который становится шаром для боулинга только в том случае, если 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» [6].
Все это означает, что классический идеал объективного описания природы отошел в прошлое. Человек-наблюдатель представляет собой конечное звено в цепи процессов наблюдения, и, воспринимая свойства любого объекта атомной действительности, следует обязательно учитывать взаимодействие последнего с наблюдателем.
Именно от исследователя зависит, как будет вести себя электрон в эксперименте: если прибор предназначен для измерения волны, электрон в эксперименте ведет себя как волна. Если используется прибор для изучения частицы, то электрон ведет себя как частица.
Более того, обнаружилось, что одна и та же частица одновременно может находиться в состоянии А и не-А. Речь идет о суперпозиции состояний или о наложении их друг на друга.
В классической физике исследуемый объект находится лишь в одном из множества возможных состояний. Он не может пребывать в нескольких состояниях одновременно, то есть нельзя придать смысл сумме состояний. Если я нахожусь в комнате, то меня, естественно, нет в коридоре. И я не могу одновременно выпрыгнуть в окно и выйти через дверь. Это нам всем понятно и согласуется со здравым смыслом.
Однако в квантовом мире имеет место совершенно другая ситуация. Любой квантовый объект не определен, он находится в суперпозиции возможных состояний. Это значит, что возможно наложение двух или большего числа состояний друг на друга без какого-то взаимного влияния.
Например, экспериментально доказано, что частица может одновременно проходить через две щели в непрозрачном экране. Частица, проходящая через первую щель – это одно состояние, а та же частица, проходящая через вторую щель – это другое состояние. Эксперимент показывает, что наблюдается сумма этих состояний или квантовая суперпозиция состояний.
Рассмотрим в качестве примера интересный эксперимент, описанный выдающимся американским ученым, лауреатом Нобелевской премии по физике Робертом Фейнманом в своих лекциях [9].
Двухщелевой эксперимент
Представьте себе, что у вас имеется источник ускоренных электронов (электронная пушка). На пути потока электронов находится экран с двумя щелями. За экраном стоит детектор – прибор для регистрации электронов, прошедших через щели. Поток электронов, проходя через щели, попадает на детектор. По результатам регистрации строится график распределения электронов по длине детектора.
Двухщелевой эксперимент
Если бы у нас была пушка не с электронами, а с мелкими ядрами, то мы увидели бы, что большая часть ядер, прошедших через щели, скапливается напротив этих щелей. С учетом некоторого рассеяния сумма ядер, зарегистрированных напротив щелей, будет равна количеству ядер, вылетевших из пушки.
В случае с электронами наблюдается совершенно другая картина. Из пушки идет поток электронов, а на детекторе фиксируется наложение волн (интерференция).
Вначале решили, что это явление вызвано взаимодействием электронов между собой на пути от электронной пушки к детектору. Было решено испускать электроны не пучком в большом количестве, а поодиночке, чтобы на всем пути от пушки до детектора каждый электрон не мог столкнуться с другим электроном.
И что же? Полученная картина не изменилась: на детекторе по-прежнему фиксируется интерференция волн. Получается, что электроны ведут себя не как материальные объекты, а как волны, проходящие одновременно через обе щели.
Тогда ученые поставили рядом с одной щелью счетчик электронов, чтобы узнать, сколько из них пролетело через первую щель, а сколько через вторую. И что вы думаете? Электроны стали вести себя как отдельно взятые материальные объекты, счетчик начал считать частицы, а волновая интерференционная картина исчезла. Вот что представляет собой микромир.
Этот эксперимент явился серьезным ударом по материалистической картине бытия, неотъемлемым атрибутом которой являлся постулат о существовании независимого от наблюдателя внешнего мира.
Влияние приборов на измерения
Но это еще не все проблемы, возникшие в процессе исследования микромира. Ученые установили, что, проводя эксперименты с элементарными частицами, исследователь сам себе мешает собственными действиями. Дело в том, что приборы, в которых мы регистрируем частицы или проводим измерения, по своей природе всегда объекты макроскопические. При точном измерении одной из величин (например, координаты) с помощью соответствующего прибора другая величина (импульс) в результате взаимодействия частицы с прибором претерпевает сильное изменение.
Даже простейший эксперимент по измерению с помощью микроскопа координаты частицы (например, электрона) подтверждает наличие искажения. Дело в том, что для определения положения электрона его необходимо «осветить» светом возможно более высокой частоты. В результате соударения фотона с электроном изменяется импульс последнего. Прибор искажает то, что исследует. Сам акт наблюдения изменяет наблюдаемое.
Принцип дополнительности Бора
В результате Нильсом Бором был сформулирован принцип дополнительности, который гласит: «Получение в эксперименте информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к данным».
Объективная реальность зависит от прибора, а в конечном счете – от наблюдателя. И наблюдатель из зрителя становится действующим лицом.
В результате всей этой неопределенности, вероятности и дополнительности Нильс Бор дал так называемую «копенгагенскую» интерпретацию сути квантовой теории: «Раньше было принято считать, что физика описывает Вселенную. Теперь мы знаем, что физика описывает лишь то, что мы можем сказать о Вселенной» [11].
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что «копенгагенизм» постулирует Вселенную, которая магически создается человеческой мыслью.
«Копенгагинистами» назывались сторонники Н. Бора, которые считали, что в основе природы лежит неопределенность (индетерминизм), а обсуждаемая особенность квантовой теории есть адекватное отображение этого мира. Именно этой точки зрения придерживались Бор, Гейзенберг, Борн, Дирак, Паули и многие другие.
Но существовало и другое мнение, а именно: в основе природы лежит какая-то разновидность детерминизма (определенности), например, статистического характера в духе скрытых параметров, которая пока ускользает из поля зрения исследователей. Такой точки зрения придерживались Планк, Эйнштейн, Де Бройль, Шредингер. Лоренц, которые с самого начала отвергали «копенгагенизм», настаивая на том, что в конце концов будет найден способ утвердить «реальность» даже в квантовом мире [12].
Сторонники детерминизма были против подобной точки зрения. Шредингер предложил интересный объект мысленного эксперимента, которым хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.
В 1935 году немецкий журнал «Естественные науки» опубликовал оригинальную статью о «квантовой запутанности», объект исследований которой получил всемирно известное название «кот Шредингера» [13].
Кот Шредингера
В закрытый ящик помещен кот. В ящике есть механизм, содержащий радиоактивное ядро и емкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность того, что ядро распадется за один час, составляет 50 %. Если ядро распадается, это приведет механизм в действие: он разобьет емкость с ядовитым газом, и кот умрет. Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдение, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний – распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно. Возникла суперпозиция (наложение) двух разных состояний. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние – «ядро распалось, кот мертв» или «ядро не распалось, кот жив».
Вопрос стоит так: когда система перестает существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента Шредингера – показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мертвым, либо остается живым, но перестает быть смешением того и другого.
Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мертвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), это означает, что это верно и для атомного ядра. Оно обязательно будет либо распавшимся, либо не распавшимся. Другими словами, когда ящик открывается, Вселенная расщепляется на две разные вселенные, в одной из которых наблюдатель смотрит на ящик с мертвым котом, а в другой – наблюдатель смотрит на живого кота.
Копенгагенисты объяснили эту ситуацию следующим образом. По их мнению, пока ящик закрыт, система находится в обоих состояниях одновременно, в суперпозиции состояний «распавшееся ядро, мертвый кот» и «не распавшееся ядро, живой кот». А когда ящик открывают, происходит коллапс волновой функции одного из вариантов. То есть система перестает быть суперпозицией состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение. Возникла мысль о том, что на выбор той или иной позиции из нескольких возможных влияет сознание наблюдателя.
Окончательного единства среди физиков по этому вопросу достигнуто не было.
Физик Стивен Хокинг однажды воскликнул: «Когда я слышу про кота Шредингера, моя рука тянется за ружьем!» Фактически Хокинг и многие другие физики придерживаются мнения, что «копенгагенская школа» интерпретации квантовой механики подчеркивает роль наблюдателя безосновательно.
Друг Вигнера
Теперь давайте взглянем на ситуацию глазами другого физика, находящегося за пределами лаборатории.
Физиком Юджином Вигнером, лауреатом Нобелевской премии по физике 1963 года, был рассмотрен парадокс, получивший название «друг Вигнера».
В эксперимент с котом он ввел категорию друзей.
Предположим, что Эрвин, друг Вигнера, находящийся в лаборатории, открыл коробку и обнаружил, что кот жив.
Эрвин «произвел измерение», и с точки зрения квантовой механики его следует включить в рассматриваемую систему «кот – устройство – исследователь».
Действительно, на более конкретном уровне Эрвин состоит из молекул, атомов и частиц (они же волны), которые подчиняются квантовым законам. Поэтому ему (Эрвину) соответствует некий вектор состояния.
Безусловно, мы все состоим из молекул, атомов, частиц (одновременно волн) и пока не сделаем выбор в экзистенциальном смысле, находимся в состоянии «может быть». И всегда в промежутках между выборами мы находимся в этом состоянии. Неслучайно древние говорили: «Существование предшествует сущности».
Для Эрвина волновая функция (квантовая неопределенность) разрушилась: кот на 100 % жив или на 0 % мертв. Однако Юджин, находящийся в коридоре, этого не знает. И с его точки зрения вся экспериментальная система, в том числе и Эрвин, продолжает находиться в состоянии «может быть».
Когда Эрвин высунет голову в дверь и крикнет: «Кот жив», вектор состояния (квантовая неопределенность) для Юджина разрушится.
В лаборатории на другом берегу океана другой физик с нетерпением ждет телефонного звонка от Юджина о результатах смертоносного эксперимента. С его точки зрения вектор состояния коллапсирует (неопределенность исчезнет), когда Юджин сообщит ему результат.
А для четвертого физика, который ждет сообщения от третьего, вектор состояния еще не коллапсировал.
Но все остальные друзья еще не признали кота живым и сделают это только тогда, когда им сообщат результат эксперимента. Таким образом, кота можно признать полностью живым только тогда, когда все люди в мире узнают результат эксперимента. До этого момента в масштабе большой Вселенной кот остается полуживым и полумертвым одновременно.
Напрашивается вывод: для Вселенной именно этот сигнал разрушает вектор состояния, иными словами, переводит квантовый объект в определенное состояние из множества возможных. Как показал Вигнер, многократно добавляя к системе новые внешние объекты, можно последовательно распространить эту неопределенность на всю Вселенную.
Рассмотренный парадокс является иллюстрацией задачи, называемой «наблюдение над наблюдателем». Сам Вигнер в качестве выхода из сложившейся парадоксальной ситуации предложил принять ключевую роль сознания наблюдателя в процессе квантовой редукции[9].
Заметим, что речь здесь может идти только о «сознании» как о субъекте, но никак не о нервной системе и мозге человека. Значение этого аргумента в пользу существования сознающего «Я» человека, принципиально отличного от мозга, физического тела и в целом от того, что мы называем «материальным миром», и играющего первичную роль по отношению к этому материальному миру, трудно переоценить.
Так в каком же состоянии находился квантовый объект, измеренный оператором Эрвином, по отношению к внешнему наблюдателю Юджину?
Квантово-информационная концепция дает такой ответ. Перед измерением частица находилась в неопределенном состоянии. Поскольку оператор Эрвин является воспринимающим субъектом, акт квантовой редукции произойдет сразу же после измерения состояния частицы. Присутствие второго наблюдателя Юджина уже не может что-либо добавить или как-либо повлиять на результат эксперимента.
Если вместо оператора Эрвина в камере находится компьютер, ситуация становится принципиально иной. До того, как результат будет воспринят сознательным наблюдателем, он все еще не существует в однозначном виде. Он не определен. Согласно квантовой механике, свойства объектов не существуют до момента их измерения. Его переведет в то или иное состояние сознание наблюдателя! Именно оно заставит объект сделать выбор и перейти в определенное состояние из множества возможных.
Весьма авторитетные теоретики (Вигнер, Эспанья, Уилер, Эверет) разработали такой подход, в соответствие с которым сознание наблюдателя – такой же сущностный элемент наблюдаемой Вселенной, как и сама физическая Вселенная, и именно сознание наблюдателя (человека) творит Вселенную!
С этой точки зрения «принцип реальности» содержится не в физическом мире, а в плоскости сознания.
Единство человека и наблюдаемого им мира
Если прибор искажает то, что измеряет, то исследуемый квантовый объект необходимо изолировать от внешних воздействий. Но как изолировать, например, электрон от исследовательской аппаратуры? Насколько большим должно быть расстояние между изучаемым электроном и исследователем, если учесть, что электрон одновременно есть волна? Волна же распространяется в пространстве. 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. В конце концов, все относительно. Можно представить электрон не самостоятельной единицей, а частью системы, которая включает в себя процессы подготовки, измерения, измерительные приборы и самого исследователя.
Именно так и происходит при изучении мироздания. Ученый невольно становится частью того, чего изучает, причем не пассивной, а весьма активной его частью. Это поняли, когда столкнулись с потрясающими феноменами, например, такими, как в двухщелевом эксперименте.
В атомной физике свойства объекта имеют значение только во взаимодействии этого объекта с наблюдателем. Исследователь решает, каким образом он будет осуществлять эксперимент и проводить измерения, и в зависимости от своего решения получает характеристику свойства наблюдаемого объекта. Если эксперимент проводится по-другому, то свойства наблюдаемого объекта тоже изменяются.
Таким образом, на уровне атома «объекты» могут быть поняты только в терминах взаимодействия между процессами подготовки и наблюдения. Конечным звеном цепочки всегда будет человеческое сознание.
Следовательно, в атомной физике ученый не может играть роль стороннего наблюдателя, он обречен быть частью наблюдаемого им мира до такой степени, что сам воздействует на свойства наблюдаемых объектов. Ученик Эйнштейна, известный теоретик Джон Уилер, считая активное участие наблюдателя самой важной особенностью квантовой теории, предложил заменить слово «наблюдатель» словом «участник».
По словам Уилера: «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» [14].
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 ее находит и создает.
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» [15].
Благодарим за внимание.
Литература
1. Кэрролл Л. Крайон. Книга 2. Не думай как человек. Ченнелинг – ответы на насущные вопросы. К.: София, 2006.
2. Ацюковский В. А. Популярная эфиродинамика, или Как устроен мир, в котором мы живем. М.: Знание, 2006.
3. Ученый, заморозив свет, остановил настоящее // http://www.rususa.com/news/news.asp-nid-4218-catid-6-lang-rus
4. Физический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1984.
5. Аксенов А. П., Пак В. В. Знахарь и ученый о чистой и нечистой силе. М.: Астрель, 1997.
6. Капра Ф. Дао физики. Исследование параллелей между современной физикой и мистицизмом Востока. СПб.: Орис, 1994.
7. Интервью с академиком Ф. Я. Шипуновым. Почему ошибочна теория относительности Альберта Эйнштейна? // На грани невозможного. 2001. № 10. С. 16.
8. Шипов Г. И. Теория физического вакуума. М.: Наука, 1996.
9. Фейнман Р. Фейнмановские лекции по физике. М.: Мир, 1997.
10. Заречный М. Квантово-мистическая картина мира. Структура реальности и путь человека. СПб.: Весь, 2007.
11. Уилсон Р. А. Квантовая психология. К.: Янус, 1999.
12. Акимов А. Е., Московский А. А. Квантовая нелокальность и торсионные поля. Препринт № 19. М.: МНТЦ ВЕНТ, 1991.
13. Кот Шредингера // http://ru.wikipedia.org/wiki/
14. Шелдрейк Р. Новая наука о жизни. М.: Рипол Классик, 2005.
15. Даброу П. Ф., Лапьер Д. П. Элегантное обретение силы. Эволюция сознания. СПб.: Весь, 2007.