Капра Фритьоф. Дао физики

   Сталкиваясь с действительностью, лежащей вне противопоставленных понятий, физики и мистики должны были выработать особый образ мышления, при котором ум не скован узкими рамками классической логики, но сохраняет подвижность и способность менять точку зрения. Так, в атомной физике нам приходится использовать для описания материи оба понятия: частицы и волны. Мы научились чередовать два изображения, переключая с одного на другое и обратно, для того чтобы адекватно истолковывать явления атомной действительности. Именно так мыслят восточные мистики, когда стараются использовать свое восприятие реальности вне противопоставлений. По словам Ламы Говинды: «Скорее всего, восточный образ мышления сводится к кружению вокруг объекта созерцания... многостороннее, то есть многомерное восприятие, формирующееся посредством наложения одиночных ощущений с разных точек зрения» [32, 60].
   Для того, чтобы понять, как в атомной физике можно переключаться с изображения частицы на изображение волны и обратно, рассмотрим понятие волны и частицы более подробно. Волна — колебательный паттерн в пространстве и времени. Рассматривая ее на определенном отрезке времени, мы увидим периодический пространственный паттерн. Характеристики этого контура: амплитуда А, длина волны Л — расстояние между двумя соседними гребнями.

   Кроме того, можно рассматривать движение определенной точки волны, и тогда мы увидим колебания определенной частоты (частота определяется количеством целых колебаний за одну секунду). Теперь представим себе частицу. Согласно классическим представлениям, частица в любой момент времени имеет определенное положение, а ее состояние движения может быть описано в терминах ее скорости и энергии движения. Частицы, двигающиеся на высокой скорости, характеризуются высокой же энергией. Физики, как правило, редко пользуются «скоростью» для описания движения частицы, заменяя ее величиной, которая называется «импульс» и равняется произведению массы частицы на ее скорость.
   Итак, квантовая теория связывает свойства вероятной волны со свойствами соответствующей частицы, соотнося амплитуду волны в определенной точке с вероятностью существования в этой точке частицы. Если амплитуда большая, то велика и вероятность того, что частица находится в этой точке; если нет, то вероятность этого мала. Амплитуда волны, изображенной на предыдущей странице, одинакова на всем ее протяжении, и поэтому частица может с равной вероятностью находиться в любой точке волны. В этом случае не следует думать, что частица с большей вероятностью находится там, где волна образует гребень, чем в районе подошвы волны. На самом же деле колебания первичны. и любая точка волны принимается за вершину гребня через определенные периоды времени.
   Движение частицы может быть охарактеризовано частотой и длиной волны. Длина волны обратно пропорциональна импульсу частицы, что означает, что волна с меньшей длиной соответствует частице, движущейся с большим импульсом (а следовательно, и скоростью). Частота волны прямо пропорциональна энергии частицы: волна с высокой частотой соответствует частице с высокой энергией. Так, в случае со светом, фиолетовый свет характеризуется высокой частотой и маленькой длиной волны, а следовательно, состоит из фотонов с высокой энергией и высоким импульсом, а красный свет характеризуется низкой частотой и большой длиной волны, что соответствует фотонам с низкой энергией и небольшим импульсом.

   Волна, распространяющаяся в пространстве так, как описано выше, мало говорит нам о местонахождении частицы. Она может находиться в любой точке вдоль волны с одинаковой вероятностью. Однако очень часто мы имеем дело с ситуациями, в которых местонахождение частиц до какой-то степени известно, как, например, при описании электрона внутри атома. В таком случае вероятности существования в различных точках должны быть ограничены некоторой областью. За ее пределами вероятность должна равняться нулю. Этому условию удовлетворяет график, представленный на рис. 15, и соответствующий частице, ограниченной пределами области X. Волны таких очертаний называются сжатыми волнами. Здесь, для простоты, мы рассматриваем только одно пространственное измерение, то есть положение частицы на прямой. Вероятностные паттерны (см. рис. 9) представляют собой изображение двухмерных, более сложных сжатых волн. Сжатая волна (волновой пакет) состоит из нескольких волн с различной длиной волны, которые, интерферируя, уничтожают друг друга вне области Х (см. рис. 1), так что общая амплитуда, а с ней и вероятность существования там частицы равняется нулю, в то время как внутри этой области возникает определенный колебательный паттерн. Он показывает, что частица находится где-то в X, но не позволяет определить ее местонахождение более точно. Мы можем только вычислить вероятность для каждой точки X. (Скорее всего, частица находится где-то в середине, так как там амплитуда наиболее велика; менее вероятно, что частица расположена у края сжатой волны, так как там амплитуда колебаний очень мала). Следовательно, протяженность сжатой волны является мерилом неопределенности в местонахождения частицы.
   Важным свойством таких сжатых волн является то, что они не имеют определенной длины волны, то есть, что расстояние между соседними гребнями неодинаково на протяжении всего паттерна. Существует некий прирост длины волны: чем короче сжатая волна, тем он значительнее. Это обстоятельство не имеет никакого отношения к квантовой теории, вытекая из характеристик обычных волн. Сжатые волны не имеют определенной длины волны. Квантовая теория начинает действовать в тот момент, когда мы связываем длину с импульсом соответствующей частицы. Если сжатая волна не имеет определенной длины волны, то частица не имеет определенного импульса. Это приводит к тому, что нельзя определить не только точное местонахождение частицы, но и импульс частицы (последнее обусловлено приростом длины волны). Две неопределенности связаны друг с другом, так как прирост длины волны (то есть неопределенность импульса) зависит от протяженности сжатой волны (то есть от неопределенности местонахождения). Если мы хотим более точно определить местонахождение частицы (сократить протяженность ее сжатой волны), это приведет к увеличению прироста длины волны, а следовательно, и к увеличению неопределенности импульса частицы.
   Точная математическая формула этой взаимосвязи между неопределенностями положения и моментом частицы известна как гейзенбергская неопределенность отношения, или принцип неопределенности. Итак, в субатомном мире мы не можем располагать точными сведениями о местонахождении и импульсе любой частицы. Чем лучше нам известен импульс, тем расплывчивей оказывается местонахождение, и наоборот. Мы можем с точностью измерить одну из величин, но при этом вторая для нас остается полной загадкой. Как я уже говорил в предыдущей главе, важно понять, что это ограничение вызвано не несовершенством измерительных приборов, а является принципом. Если мы пытаемся определить точное местонахождение частицы, она просто не имеет четкого определения импульса, и наоборот.
   Соотношения между неопределенностями местонахождения и импульсами частицы — не единственное проявление принципа неопределенности. Похожие соотношения существуют между другими величинами — например, между временем, в течение которого происходит атомное явление, и количеством энергии, принимающим в нем участие. Это становится вполне очевидным. когда мы начинаем рассматривать наш волновой пакет не как паттерны в пространстве, а как колебательный паттерн во времени. Когда некоторая частица проходит мимо некоторой точки наблюдения, колебания паттерна волны начинаются в этой точке с небольшой амплитудой, которая сначала увеличивается, затем начинает уменьшаться до полного прекращения колебаний. Время, которое необходимо для прохождения этого паттерна, соответствует тому промежутку времени, в течение которого частица проходит мимо нашей точки наблюдения. Мы можем сказать, что прохождение было в этот отрезок времени, но мы не можем локализовать его более точно. Поэтому продолжительность колебаний соответствует неопределенности положения события во времени.
   Теперь, подобно тому, как пространственный паттерн волнового пакета не имеет определенной длины волны, соответствующий колебательный паттерн во времени не имеет определенной частоты. Прирост частоты зависит от протяженности колебательного паттерна, а поскольку квантовая теория связывает частоту волны с энергией частицы, то прирост частоты колебаний паттерна соответствует неопределенности энергии частицы. Поэтому неопределенность положения события во времени оказывается связанной с неопределенностью энергии, точно так же, как неопределенность пространственного положения частицы обнаруживает связь с неопределенностью ее импульса. 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.
   Фундаментальное значение принципа неопределенности заключается в том, что он описывает ограниченность наших классических представлений в точной математической форме. Как говорилось выше, субатомный мир предстает перед учеными в виде сути взаимоотношений между различными частями единого целого. Представления классической физики, почерпнутые ею в макроскопическом окружении человека, не могут адекватно описать этот мир. Начнем с того, что понятие самостоятельной физической сущности — такой, как, скажем, частица, носит абстрактный характер и не имеет реального содержания. Оно может быть определено только в терминах его связи с целым, а эти связи характеризуются статической природой. Эти связи могут существовать с определенной вероятностью, а могут и не существовать. Если мы попытаемся описать свойства такой единицы в терминах классических понятий — таких, как местонахождение, энергия, импульс и т. д., — мы обнаружим, что существуют пары взаимосвязанных понятий, которые не могут быть одновременно определены с одинаково высокой точностью. Чем больше мы стараемся примерить какое-либо понятие к физическому «объекту», тем более неопределенным становится другое понятие, а точное соотношение между двумя этими понятиями отражает принцип неопределенности. («Отсутствие частиц» — к примеру между ядром и орбитами электронов — это не пустота. Это наложение многих волн вероятности, дающих в сумме близкое к 0 значение. Нуль получается не как «отсутствие», а как «сумма присутствия многих» — А.Б.)
   Для того, чтобы достичь лучшего понимания соотношения между парными понятиями классической физики, Нильс Бор ввел понятие «дополнительность». Он рассматривал картину частицы и картину волны в качестве взаимодополняющих описаний одной и той же реальности, каждое из которых истинно лишь частично и имеет ограниченное применение. Для полного описания атомной действительности необходимы оба образа, и их применение ограничено закономерностями принципа неопределенности.
   Понятие дополнительности прочно заняло свое место в мировоззрении современной физики; Бор часто высказывал предположение относительно того, что это понятие может найти хорошее применение и за ее пределами. И действительно, понятие дополнительности уже две с половиной тысячи лет тому назад играло очень важную роль в древней китайской философии, которая исходила из того, что противоположные понятия связаны отношениями полярности, или дополнительности. Китайские мыслители обозначали дополнительность противоположностей при помощи ИНЬ и ЯН, двух архетипических начал, рассматривая их динамическое чередование в качестве содержания всех явлений природы и психологических ситуаций.
   Нильс Бор хорошо знал о том, что его понятие дополнительности имеет соответствие в китайской философии. Посетив Китай в 1937 году, когда его трактовка квантовой теории была уже полностью разработана, он был глубоко поражен тем, что в древней китайской философии существовало представление о полярных противоположностях: это обстоятельство оказало на него сильное воздействие, и впоследствии его интерес к восточной культуре никогда не угасал. Через десять лет Бору было пожаловано дворянское достоинство в знак признания его выдающихся научных достижений и важного участия в культурной жизни Дании, и когда ему нужно было избрать какой-либо символ для его герба, его выбор пал на китайский символ ТАИЦЗИ, который выражает соотношение между противопоставленными первоначалами ИНЬ и ЯН. Выбирая этот символ для своего герба вместе с изречением: «Contraria sunt complementa» («Противоположности дополняют друг друга»), Нильс Бор признал существование глубокого единства древней восточной мудрости и современной западной науки.

Глава 12. ПРОСТРАНСТВО-ВРЕМЯ

   Современная физика самым драматическим образом подтвердила одно из основных положений восточного мистицизма, смысл которого заключается в том, что все используемые нами для описания природы понятия ограничены, что они являются не свойствами действительности, как кажется нам, а продуктами мышления — частями карты, а не местности. При любом расширении сферы наших знаний становится очевидной ограниченность возможностей рационального мышления, и нам приходится изменить некоторые из наших понятий, или даже отказаться от них.
   Наши представления о пространстве и времени накладывают большой отпечаток на всю картину мира. Они упорядочивают вещи и явления, которые окружают нас в повседневной жизни, а также при попытках науки и философии объяснить мир. Нет такого закона физики, который можно сформулировать без понятий пространства и времени. Одной из величайших революций в истории науки стало значительное изменение этих основополагающих понятий благодаря теории относительности.
   Классическая физика исходила из представлений об абсолютном, трехмерном пространстве, существующем независимо от содержащихся в нем материальных объектах и подчиняющемся законам евклидовой геометрии, и о времени как о самостоятельном измерении, которое носит, опять же, абсолютный характер и течет с одинаковой скоростью, независимо от материального мира. На Западе эти представления стали настолько неотъемлемой частью всего мировоззрения философов и ученых, что в них видели истинные и несомненные свойства природы.
   Уверенность в том, что геометрия внутренне присуща природе, а не нашим представлениям о ней, берет начало в греческой философии. Демонстративная геометрия представляла собой основной раздел греческой математики и оказала сильное воздействие на греческую философию. Греческая философия усвоила ее метод построения теорем на основе принятых на веру без доказательства аксиом при помощи дедукции, и поэтому геометрия лежала в основе любой умственной деятельности, и обучение философии включало в себя геометрию. Говорят, что на воротах Академии Платона в Афинах было выбито изречение: «Вам не позволяется заходить сюда, если вы не сведущи в геометрии». Греки считали, что их математические теоремы были выражениями вечных неоспоримых истин, а геометрические формы воплощают в себе абсолютную красоту. Геометрия считалась совершенным соединением логического и прекрасного, и поэтому ей приписывалось божественное происхождение. Отсюда и афоризм Платона: «Бог — это геометр».
   Поскольку геометрия рассматривалась в качестве божественного откровения, нет ничего странного в том, что греки считали, что небеса имеют правильную геометрическую форму. Это означало, что небесные тела движутся по окружностям. Для того, чтобы сделать картину еще более геометричной, считалось, что каждое из них закреплено на концентрической хрустальной сфере. Сферы должны были двигаться как единое целое, и в центре этого движения находилась Земля. В последующее время греческая геометрия продолжала оказывать влияние на западную философию и науку. До начала нашего века «Элементы» Евклида использовались в европейских школах в качестве учебника, и на протяжении более чем двух тысячелетий считалось, что евклидова геометрия отражает истинную сущность пространства. Для того, чтобы заставить ученых и философов признать, что законы геометрии не присущи природе изначально, а обязаны формулированием человеку, нужен был «целый» Эйнштейн. По словам Генри Маргенау, «Основное открытие теории относительности заключается в том, что геометрия... — продукт деятельности интеллекта. Только при условии признания этого факта наш рассудок может отказаться от устаревших представлений о времени и пространстве, исследовать возможности их нового определения и избрать ту формулировку, которая не противоречит наблюдениям» [68,250].
   В отличие от греческой, восточная философия всегда утверждала, что пространство и время — порождение ума. Восточные мистики относятся к ним точно так же, как ко всем интеллектуальным понятиям — как к относительным, ограниченным и иллюзорным. Так, в одном из буддийских сочинений говорится: «О монахи, Будда учил, что... прошлое, будущее, физическое пространство... и личность, все это — лишь имена, формы мышления, об щеупотребительные слова, попросту искусственная, вымышленная действительность» [59,198].
   Поэтому на Дальнем Востоке геометрии не было суждено приобрести такой вес, как в древней Греции, что, впрочем, не означает, что индийцы и китайцы не имели о ней никакого представления. Они использовали ее при строительстве храмов совершенных геометрических форм, измеряя землю и составляя карту звездного неба, но не для того, чтобы выражать в геометрической форме вечные абстрактные истины. Да и древняя восточная наука не считала нужным вместить все явления природы в жесткую схему из прямых линий и окружностей. Слова Джозефа Нидэма о китайской астрономии представляют собой интерес в этом отношении: «Китайцы-астрономы не считают нужным объяснять явления геометрически: по их мне нию, все организмы, составляющие всеобщий организм, следуют своему Дао в соответствии со своей природой, а их движения могут быть описаны в терминах „непоказательной“, по своей сущности, алгебры. Таким образом, китайцам было не знакомо такое отношение к окружности, которое бытовало в Европе, как и средневековая тюрьма хрустальных сфер» [60, 458].
   Итак, древние восточные философы и ученые считали, что геометрические построения не являются абсолютными и неизменными характеристиками природы, будучи продуктом деятельности рассудка. Теория относительности исходила из такого же представления о геометрии. По словам Ашвагхоши, «Да будет известно всем, что понятие пространства — лишь одно из порождений разграничивающего сознания, что за ним не стоит никакой реальности... Пространство существует только по отношению к нашему разграничивающему сознанию» [2,107].
   То же самое можно сказать о понятии времени. Восточные мистики считают, что эти понятия — понятия пространства и времени — привязаны к определенным состояниям сознания. Медитация позволяла им выйти за пределы обычного состояния и осознать, что условные и относительные представления о пространстве и времени не представляют собой высшей истины. Новые, более совершенные понятия пространства и времени, которые возникают в результате мистического опыта, во многом напоминают понятия, которыми оперирует современная физика, и в частности, теория относительности.
   Как же теория относительности описывает пространство и время? В чем новизна ее подхода? Она исходит из того факта, что все измерения в пространстве и времени относительны. Конечно, об относительности пространственных координат было известно и раньше. Задолго до Эйнштейна люди поняли, что положение любого объекта в пространстве может быть определено только по отношению к какому-либо другому объекту. Это обычно делается при помощи трех координат и точки отсчета, которую мы можем назвать «положение наблюдателя».
   Для того, чтобы доказать относительность такой системы координат на конкретном примере, возьмем двух наблюдателей, удобно расположившихся в воздушном пространстве и созерцающих зонтик (рис. 16). Для наблюдателя А картина выглядит следующим образом: зонтик находится слева от него в слегка наклоненном положении, так что ближе к нему его верхний конец. С другой стороны, наблюдатель В видит зонтик справа от себя, и дальше от него расположен верхний конец. Если мы распространим заключение, сделанное на основе примера с двумя измерениями, на трехмерное пространство, мы увидим, как «слева», «справа», «наверху», «внизу», «под наклоном» и т. д., — определяются положением наблюдателя в пространстве, а значит, являются относительными. Однако со временем в классической физике было совершенно другое положение. Считалось, что последовательность событий во времени не зависит от конкретных наблюдателей. Такие временные понятия, как «до», «после» или «одновременно», рассматривались имеющими абсолютное значение, не зависящее от какой-либо системы координат.

   Эйнштейн обнаружил, что все временные характеристики тоже относительны и зависят от конкретного наблюдателя. В повседневной жизни мы привыкли думать, что последовательность событий носит универсальный характер. Это убеждение порождено тем, что скорость света в сравнении с любой другой знакомой нам скоростью чрезвычайно высока, и мы можем считать, что наблюдаем явления в тот момент, когда они происходят. Однако это не совсем так. Свету требуется некоторое время для того, чтобы преодолеть расстояние между объектом и наблюдателем. Как правило, этот промежуток времени очень невелик, и перемещение света можно считать мгновенным; однако в том случае, если наблюдатель движется с высокой скоростью относительно наблюдаемых явлений, промежуток времени между событием и его наблюдением играет решающую роль при определении последовательности событий. Эйнштейн осознавал, что в таком случае наблюдатели, движущиеся с различными скоростями, будут располагать события во времени по-разному. Для того, чтобы прийти к этому выводу, нужно помнить о том, что скорость света одинакова для всех наблюдателей. Два явления, происходящие одновременно для одного наблюдателя, могут происходить в различной последовательности для других. При обычных скоростях эти различия так малы, что их нельзя выявить, однако если скорости приближаются к скорости света, это приводит к возникновению эффектов, которые можно без труда измерить. Относительность времени проявляется и подтверждается многочисленными экспериментами физики высоких энергий, где событиями являются взаимодействия движущихся почти со скоростью света частиц. Отметим, что в последнем случае наблюдатель в лаборатории неподвижен, но наблюдаемые им частицы движутся с различными скоростями. Результат тот же самый. Важно движение наблюдателя относительно объекта. Не имеет значения, что движется относительно лаборатории — наблюдатель или объект.
   Относительность времени тоже заставляет нас отказаться от ньютоновского абсолютного пространства. Считалось, что это пространство в каждый определенный момент содержит каким-то определенным образом распределенную материю; однако сейчас мы знаем, что нет абсолютного времени, что какой-либо момент времени может быть определен только для одного наблюдателя в какой-то определенный момент, однако для остальных наблюдателей оно может произойти раньше или позже этого момента. Поэтому мы не можем говорить о «Вселенной в некоторый момент» в абсолютном смысле, и абсолютного пространства, существующего независимо от наблюдателя, тоже не может быть. Так, теория относительности показала, что все изменения в пространстве и времени утрачивают абсолютное значение, и заставила нас отказаться от классических понятий пространства и времени. Исключительное значение этого открытия раскрыто в следующих словах Менделя Закса: «Истинно революционное содержание теории Эйнштейна в том, что... она отрицает объективный характер пространственно-временной системы координат. Теория относительности утверждает, что пространственные и временные координаты — лишь элементы языка, которым пользуется наблюдатель, описывающий окру жающую среду» [66,53].
   Это явление, сделанное современным физиком, обнаруживает близкое сходство представлений о времени и пространстве, которые, как уже говорилось выше, считают, что пространство и время — «всего лишь имена, формы мышления, общеупотребительные слова». Поскольку вследствие этого пространству и времени отводится лишь субъективная роль элементов языка, которым тот или иной наблюдатель пользуется при описании явлений природы, каждый наблюдатель будет описывать явления по-своему. Для того, чтобы вывести на основании их описания универсальные законы природы, им придется сформулировать эти законы таким образом, чтобы они имели одну и ту же форму во всех системах координат, то есть для всех наблюдателей в относительном движении. Это требование, известное как принцип относительности, послужило отправной точкой для всей теории относительности. Интересно, что в шестнадцать лет Эйнштейн осознал существование парадокса, который в зародыше содержал в себе теорию относительности. Он попытался представить себе, каким бы увидел луч света наблюдатель, передвигающийся в направлении луча со скоростью света, и пришел к выводу о том, что этот наблюдатель увидел бы электромагнитное поле, колеблющееся назад и вперед, не продвигаясь в каком-либо направлении, то есть не образуя волны. Эйнштейн понял, что то, что будет хорошо известным электромагнитным явлением для одного наблюдателя, для другого окажется явлением, которое противоречит законам физики, и не мог понять этого. На склоне лет Эйнштейн осознал, что принцип относительности можно удовлетворительно применять в описании электромагнитных явлений только тогда, когда все пространственные и временные составляющие относительны. Законы механики, которые управляют явлениями, связанными с движением тел, и законы электродинамики, теории электричества и магнетизма можно сформулировать в общепринятых «относительных» рамках, которые включают время в свои трехмерные координаты в качестве четвертой координаты, рассматриваемой наблюдателем как относительной. Для того, чтобы проверить, удовлетворяет ли описание принципу относительности, то есть выглядят ли уравнения теории одинаково во всех системах координат, нужно провести все обозначения пространственного и временного положения из одной системы координат в другую. Такие операции перевода, или трансформации, были хорошо известны и широко использовались в классической физике. На рис. 16 мы видим, что каждая из двухкоординат наблюдателя А (одна горизонтальная и одна вертикальная, как обозначают линии со стрелками) представлена в виде суммы двух координат наблюдателя В, и наоборот. Элементарная геометрия позволяет вычислить точные соотношения координат двух наблюдателей.