Страница:
Параллели между концепциями, используемыми физиками и мистиками, становятся еще более очевидными, когда мы вспоминаем о других общих чертах, роднящих эти две области человеческого знания, несмотря на разницу в подходах. Для начала скажем, что их подходы всецело эмпиричны. Физики получают знания путем проведения экспериментов, мистики — при помощи занятий медитацией. И то, и другое представляет собой наблюдение, и в обоих случаях наблюдение за действительностью признается единственным источником знаний. Вне всякого сомнения, объекты наблюдения здесь совершенно различны. Взгляд мистика обращен внутрь его самого, он исследует различные уровни сознания, одним из которых является его тело как физическое воплощение последнего. Многие восточные традиции уделяют большое внимание овладению определенными телесными ощущениями, видя в них ключ к мистическому восприятию мира. Будучи здоровыми, мы не ощущаем раздельности и самостоятельности разных частей своего тела и воспринимаем его как неделимое целое; уверенность в этом порождает ощущение довольства и поднимает настроение. Подобным образом мистик созерцает весь космос в целом, воспринимая его как свою увеличенную телесную оболочку. По словам Ламы Говинды, «Для просветленного человека, ... чье сознание объемлет Вселенную, последняя превращается в его тело, а его физическое тело становится воплощением Всемирного Сознания, его внутреннее видение — выражением высшей реальности, а речь — средоточием вечной истины и мантрической силы» [31, 125].
В отличие от мистика, физик начинает свое исследование фундаментальной природы вещей с изучения материального мира. Проникая во все более глубокие слои материи, он убеждается в принципиальном единстве всех вещей и событий. Более того, ученый узнает, что он сам, вместе со своим сознанием, тоже является неотъемлемой частью этого единства. Таким образом, физик и мистик приходят к одному и тому же выводу: один исходит из явлений внешнего мира, другой — из явлений внутреннего мира. Близость этих двух подходов еще раз подтверждается известным индуистским изречением, утверждающим, что Брахман, то есть внешняя реальность, тождественен Атману, то есть реальности внутренней. Еще одно сходство между путями физика и мистика заключается в том, что они ведут свои наблюдения в мире, недоступном обычному человеческому восприятию: в современной физике это мир атомных и субатомных частиц, в мистицизме это измененные состояния сознания, не поддающиеся анализу при помощи рассудка. Мистики часто упоминают о своем восприятии более высоких измерений, при котором впечатления, поступающие от различных центров сознания, сливаются в одно целое. Нечто подобное ожидает нас и в современной физике, в которой язык математических формул, описывающих «пространственно-временную» четырехмерную реальность, объединяет те понятия и факты, которые в обычном, трехмерном мире традиционно относятся к различным категориям бытия. В обеих областях знания такая многомерная картина мира не подчиняется законам чувственного восприятия, и поэтому не может быть описана при помощи обычного языка.
Как мы убедились, пути познания современного физика и восточного мистика, которые, на первый взгляд, представляются совершенно противоположными, на самом деле имеют немало общего. Поэтому неудивительно, что в их мировосприятии наличествует очевидный параллелизм. Как только мы признаем существование этих параллелей, перед нами сразу же возникает вопрос о том, как их интерпретировать. Можно ли утверждать, что современная наука, со всеми своими сложными приборами н приспособлениями только начинает открывать для себя те истины, которые для восточных мыслителей являются очевидными уже тысячи лет? Должны ли ученые отказаться от научного метода и приступить к занятиям медитацией? Или же наука и мистицизм могут оказать друг на друга какое-то конструктивное влияние? Быть может, через какое-то время произойдет их синтез?
Я думаю, что на все эти вопросы нужно ответить отрицательно. Наука и мистицизм являются для меня двумя дополняющими друг друга сторонами человеческого познания: рациональной и интуитивной. Современный физик — последователь крайне рационалистического направления, а мистик — крайне интуитивного. Эти два подхода отличаются друг от друга самым принципиальным образом, и не только по вопросам столкновения смысла явлений материального мира. При этом для них характерна, как принято говорить в физике, дополнительность. Один подход не может быть заменен другим, каждый из них имеет уникальную ценность, а их соединение рождает новое, более адекватное мировосприятие. Перефразируя древнее китайское изречение, можно сказать, что мистики понимают корни Дао, но не его ветви, а ученые понимают ветви Дао, но не его корни. Наука не нужна мистицизму, мистицизм не нужен науке, но людям необходимо и то, и другое. Мистическое восприятие позволяет добиться глубокого понимания сути вещей, наука незаменима в современной жизни. Таким образом, лучше всего для нас было бы объединение мистической интуиции и научной рассудочности, а не динамическое чередование,
До сих пор положение дел далеко от идеального в этом отношении. Сейчас в наших ценностных ориентирах слишком велико преобладание ЯН-ценностей (снова прибегнем к использованию китайской фразеологии) — рациональных, мужественных и агрессивных настроений. Типичный пример ЯН-ориентации представляют собой ученые. Хотя на основе теорий физики возникает мировосприятие, которое во многом похоже на мистическое, до удивительного небольшое количество ученых обращает внимание на это обстоятельство. В мистицизме познание не может быть отделено от определенного образа жизни, в котором оно воплощается, Стать обладателем мистического знания означает подвергнуться преображению, можно даже сказать, что это познание и ЕСТЬ преображение. Научное знание, напротив, зачастую может быть абстрактным и теоретическим. Поэтому многие современные физики не делают тех очевидных выводов, которые вытекают из их собственных теорий и затрагивают философию, культуру и духовную жизнь человечества. Многие ученые не являются сторонниками общественного устройства, основанного на механистическом, фрагментарном мировоззрении, не сознавая, что наука говорит о необходимости нового подхода к рассмотрению явлений действительности, демонстрирующего всеобъемлющее единство Вселенной, включая явления природы и человеческие взаимоотношения и чувства. Я уверен в том, что мировоззрение, складывающееся на основе теорий современной физики, несовместимо с нынешним устройством нашего общества, лишенного той гармоничной взаимосвязанности, которая характерна для природы. Для перехода к такому динамическому равновесию нужно изменить социально-культурное устройство общества и произвести культурную революцию в истинном смысле слова. От нашей способности осуществить этот переход зависит выживание нашей цивилизации. В конечном счете, оно зависит от нашей способности усвоить некоторые ИНЬ-принципы восточного мистицизма и научиться воспринимать мир в его целостности, пребывая в согласии со всем мирозданием.
В отличие от мистика, физик начинает свое исследование фундаментальной природы вещей с изучения материального мира. Проникая во все более глубокие слои материи, он убеждается в принципиальном единстве всех вещей и событий. Более того, ученый узнает, что он сам, вместе со своим сознанием, тоже является неотъемлемой частью этого единства. Таким образом, физик и мистик приходят к одному и тому же выводу: один исходит из явлений внешнего мира, другой — из явлений внутреннего мира. Близость этих двух подходов еще раз подтверждается известным индуистским изречением, утверждающим, что Брахман, то есть внешняя реальность, тождественен Атману, то есть реальности внутренней. Еще одно сходство между путями физика и мистика заключается в том, что они ведут свои наблюдения в мире, недоступном обычному человеческому восприятию: в современной физике это мир атомных и субатомных частиц, в мистицизме это измененные состояния сознания, не поддающиеся анализу при помощи рассудка. Мистики часто упоминают о своем восприятии более высоких измерений, при котором впечатления, поступающие от различных центров сознания, сливаются в одно целое. Нечто подобное ожидает нас и в современной физике, в которой язык математических формул, описывающих «пространственно-временную» четырехмерную реальность, объединяет те понятия и факты, которые в обычном, трехмерном мире традиционно относятся к различным категориям бытия. В обеих областях знания такая многомерная картина мира не подчиняется законам чувственного восприятия, и поэтому не может быть описана при помощи обычного языка.
Как мы убедились, пути познания современного физика и восточного мистика, которые, на первый взгляд, представляются совершенно противоположными, на самом деле имеют немало общего. Поэтому неудивительно, что в их мировосприятии наличествует очевидный параллелизм. Как только мы признаем существование этих параллелей, перед нами сразу же возникает вопрос о том, как их интерпретировать. Можно ли утверждать, что современная наука, со всеми своими сложными приборами н приспособлениями только начинает открывать для себя те истины, которые для восточных мыслителей являются очевидными уже тысячи лет? Должны ли ученые отказаться от научного метода и приступить к занятиям медитацией? Или же наука и мистицизм могут оказать друг на друга какое-то конструктивное влияние? Быть может, через какое-то время произойдет их синтез?
Я думаю, что на все эти вопросы нужно ответить отрицательно. Наука и мистицизм являются для меня двумя дополняющими друг друга сторонами человеческого познания: рациональной и интуитивной. Современный физик — последователь крайне рационалистического направления, а мистик — крайне интуитивного. Эти два подхода отличаются друг от друга самым принципиальным образом, и не только по вопросам столкновения смысла явлений материального мира. При этом для них характерна, как принято говорить в физике, дополнительность. Один подход не может быть заменен другим, каждый из них имеет уникальную ценность, а их соединение рождает новое, более адекватное мировосприятие. Перефразируя древнее китайское изречение, можно сказать, что мистики понимают корни Дао, но не его ветви, а ученые понимают ветви Дао, но не его корни. Наука не нужна мистицизму, мистицизм не нужен науке, но людям необходимо и то, и другое. Мистическое восприятие позволяет добиться глубокого понимания сути вещей, наука незаменима в современной жизни. Таким образом, лучше всего для нас было бы объединение мистической интуиции и научной рассудочности, а не динамическое чередование,
До сих пор положение дел далеко от идеального в этом отношении. Сейчас в наших ценностных ориентирах слишком велико преобладание ЯН-ценностей (снова прибегнем к использованию китайской фразеологии) — рациональных, мужественных и агрессивных настроений. Типичный пример ЯН-ориентации представляют собой ученые. Хотя на основе теорий физики возникает мировосприятие, которое во многом похоже на мистическое, до удивительного небольшое количество ученых обращает внимание на это обстоятельство. В мистицизме познание не может быть отделено от определенного образа жизни, в котором оно воплощается, Стать обладателем мистического знания означает подвергнуться преображению, можно даже сказать, что это познание и ЕСТЬ преображение. Научное знание, напротив, зачастую может быть абстрактным и теоретическим. Поэтому многие современные физики не делают тех очевидных выводов, которые вытекают из их собственных теорий и затрагивают философию, культуру и духовную жизнь человечества. Многие ученые не являются сторонниками общественного устройства, основанного на механистическом, фрагментарном мировоззрении, не сознавая, что наука говорит о необходимости нового подхода к рассмотрению явлений действительности, демонстрирующего всеобъемлющее единство Вселенной, включая явления природы и человеческие взаимоотношения и чувства. Я уверен в том, что мировоззрение, складывающееся на основе теорий современной физики, несовместимо с нынешним устройством нашего общества, лишенного той гармоничной взаимосвязанности, которая характерна для природы. Для перехода к такому динамическому равновесию нужно изменить социально-культурное устройство общества и произвести культурную революцию в истинном смысле слова. От нашей способности осуществить этот переход зависит выживание нашей цивилизации. В конечном счете, оно зависит от нашей способности усвоить некоторые ИНЬ-принципы восточного мистицизма и научиться воспринимать мир в его целостности, пребывая в согласии со всем мирозданием.
СНОВА О НОВОЙ ФИЗИКЕ — ПОСЛЕСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ
С момента первой публикации Дао физики" в различных областях субатомной физики были сделаны определенные достижения. Как я уже указывал в предисловии к этому изданию, новые открытия не только не опровергли ни одной из обнаруженных мною параллелей с восточным мистицизмом, но даже, напротив, послужили их дальнейшему обоснованию. В этом Послесловии мне хотелось бы перечислить некоторые наиболее важные достижения в области атомной и субатомной физики, имевшие место до летних месяцев 1982 года.
Одна из наиболее очевидных параллелей с восточным мистицизмом заключается в осознании взаимосвязанности составных частей материи с основными явлениями, в которых они принимают участие, и необходимости рассматривать эти составные части не как изолированные сущности, а как неотъемлемые компоненты единого целого. Важность понимания основополагающей «квантовой взаимосвязанности», которой посвяшена десятая глава, неоднократно отмечалась Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом во время формулирования квантовой теории. Тем не менее, за последние два десятилетия это понятие снова привлекло к себе внимание ученых, осознавших, что взаимосвязанность явлений, наполняющих Вселенную, оказалась на порядок выше предполагавшейся. Разрабатывавшаяся в последнее время новая концепция взаимосвязанности не только проливает свет на сходство взглядов мистиков и физиков, но и позволяет провести интригующие параллели с психологией Юнга и даже, что тоже не исключается, с парапсихологией: эта концепция по-новому опенивает роль взаимосвязанности в квантовой физике.
В классической физике понятие вероятности используется в тех случаях, когда неизвестны характеристики какого-то процесса или реакции. Так, играя в кости, мы, в принципе, могли бы предсказать результат того или иного броска, если бы имели информацию обо всех условиях, в которых он совершается: материал, из которого изготовлена кость, местонахождение ее центра тяжести, характер поверхности, на которую падает кость, и т. д. Все эти показатели называются локальными переменными, так как они принадлежат предметам, принимающим участие в данном процессе. В субатомной физике примером локальных переменных являются связи между пространственно удаленными друг от друга объектами, реализующиеся посредством сигналов — частиц или их последовательностей-каскадов, — а также подчиняющиеся законам пространственного удаления. Эти законы не позволяют никаким сигналам перемещаться быстрее скорости света. Однако в последнее время было обнаружено, что за локальными связями, еще глубже, существуют некие нелокальные связи, которые характеризуются мгновенностью установления и пока не могут предсказываться при помощи языка точной математики.
Некоторые физики рассматривают нелокальные связи в качестве непосредственной сущности квантовой действительности. Квантовая теория не всегда указывает точную причину того или иного явления. Возьмем, к примеру, переход электрона с одной атомной орбиты на другую, или распад субатомной частицы, которые могут происходить и происходят спонтанно, без какой-то определенной причины. Не всегда можно заранее предсказать, когда и каким образом произойдет подобное событие; реально лишь охарактеризовать его вероятность. Это не означает, что атомные явления протекают совершенно произвольным образом; все, что имеется в виду, — это то, что они не вызываются локальными причинами. Поведение любой части целого определяется ее нелокальными связями с последним, а поскольку об этих связях мы ничего не знаем, нам приходится заменить узкие классические понятия причины и следствия более широкими представлениями о статистической причинности. Законы атомной физики имеют природу статистических закономерностей, согласно которым, вероятность отдельных атомных явлений определяется общей динамикой всей системы. В то время, как в классической физике свойства и поведение некоего целого определяется свойствами и поведением его отдельных частей, в физике квантовой все обстоит совершенно противоположным образом: поведение частей целого определяется самим целым.
Таким образом, вероятность используется в классической и квантовой физике практически в одних и тех же целях. В обоих случаях мы имеем дело с некими «сокрытыми» переменными, которые нам неизвестны, и такое отсутствие информированности мешает нам делать какие-либо определенные выводы. Тем не менее, между двумя этими случаями есть и очень существенная разница. Если в классической физике скрытые переменные являются локальными механизмами, то в квантовой физике они нелокальны: они представляют собой мгновенные связи со Вселенной в целом. В повседневной, макроскопической действительности нелокальные связи играют сравнительно незначительную роль, вследствие чего мы можем говорить о самостоятельных объектах и формулировать законы, описывающие их поведение в терминах стопроцентных определенностей. Однако при переходе к более низким измерениям определенности уступают место вероятностям, и отделить какую-то часть Вселенной от целого становится чрезвычайно сложно.
Сам Эйнштейн долго не мог признать существование нелокальных связей и вытекающее из этого факта фундаментальное значение вероятности. Именно этой проблеме был посвящен его исторический спор с Бором в двадцатые годы, во время которого Эйнштейн выразил свое несогласие с тем, как Бор интерпретирует квантовую теорию при помощи знаменитого афоризма: «Бог не играет в кости» [68]. 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.
Согласиться с Бором Эйнштейну мешала его непоколебимая вера в некую внешнюю реальность, состоящую из независимых, пространственно удаленных друг от друга элементов. Пытаясь доказать непоследовательность интерпретации Бора, Эйнштейн поставил «мысленный» эксперимент, который получил известность под названием эксперимента Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) [5, 614]. Три десятилетия спустя Джон Белл построил теорему, опирающуюся на этот эксперимент, которая доказывает, что существование локальных скрытых переменных плохо согласуется со статистическими формулировками квантовой теории [70]. Теорема Белла нанесла 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.
За последние годы эксперимент ЭПР неоднократно становился предметом дискуссий и анализа специалистов в связи с проблемами интерпретации квантовой теории, поскольку он является превосходным примером для демонстрации отличия между понятиями классической и квантовой физики. Для наших целей достаточно ограничиться рассмотрением упрощенной версии этого эксперимента, в которой принимают участие два вращающихся электрона и которая была разработана в ходе исчерпывающего анализа, данного этому эксперименту Дэвидом Бомом. Для того, чтобы уловить основной смысл ситуации, необходимо познакомиться с некоторыми свойствами электронного спина, или вращения электрона. Классическая метафора вращающегося теннисного мяча не вполне подходит для описания вращающейся субатомной частицы. В определенном смысле, спин частицы представляет собой ее вращение вокруг собственной оси, однако, как это всегда бывает в субатомной физике, это классическое понятие имеет ограниченную область применения. В случае с электроном, множество значений спина состоит из двух вариантов: количество вращения остается всегда постоянным, однако относительно оси вращения электрон может вращаться в двух направлениях — или по, или против часовой стрелки. Физики обычно обозначают эти два значения при помощи слов «верх» и «вниз».
Основное свойство вращения электрона, которое нельзя объяснить при помощи классических терминов, — это невозможность точного определения направления его оси. Электроны обладают тенденцией существовать в различных точках внутри атома, и точно таким же образом для них характерны тенденции вращаться вокруг той или иной 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, однако до этого момента об оси вращения ничего определенного сказать нельзя: электрон имеет только некоторую тенденцию, или потенцию, вращаться вокруг этой оси.
Придя к такому пониманию спина электрона, мы можем приступить к рассмотрению эксперимента ЭПР и теоремы Белла. В эксперименте участвуют два электрона, вращающиеся в противоположных направлениях, так, что их суммарный спин равен нулю. Существует несколько экспериментальных методик, которые позволяют привести два электрона в такое состояние, при котором направления осей вращения неизвестны, но общий спин двух частиц точно равен нулю. Теперь предположим, что какие-то процессы, не оказывающие воздействия на спин частиц, вызывают их удаление друг от друга. При этом суммарное значение спина остается равным нулю, и, когда расстояние между ними становится достаточно большим, исследователи поочередно измеряют спин каждой из двух частиц. Важная деталь эксперимента — то, что расстояние между ними может быть сколько угодно большим: одна частица может находиться в Нью-Йорке, другая в Париже; одна — на Земле, а другая— на Луне.
Предположим теперь, что после измерения спина частицы вокруг вертикальной оси мы обнаружили, что она имеет «верхний» спин. Поскольку суммарный спин обеих частиц равен нулю, из этого следует, что спин второй частицы должен быть «нижним». Таким образом, посредством измерения спина частицы 1 мы одновременно косвенно измеряем спин частицы 2, не оказывая на нее совершенно никакого воздействия. Парадоксальность эксперимента ЭПР заключается в том, что исследователь волен выбирать для измерения любую ось. Квантовая теория утверждает, что спины частиц будут иметь противоположные значения по отношению к каждой оси вращения, однако до момента измерения они существуют только в качестве тенденций или воэможностей. Стоит наблюдателю выбрать определенную ось и произвести измерения, как обе частицы получают определенную общую ось вращения. Особенно важен тот факт, что мы можем выбрать ось измерения в последний момент, когда между электронами будет уже довольно большое расстояние. В тот момент, когда ны производим измерение характеристик частицы 1, частица 2, которая, возможно, находится на удалении в несколько тысяч миль, тоже приобретает определенное значение спина по отношению к выбранной оси измерения. Как частица 2 «узнает» о том, какую ось мы выбрали? Это происходит настолько быстро, что она не может получить эту информацию при помощи какоголибо условного сигнала.
В этом заключается основная проблема интерпретации эксперимента ЭПР, и именно в этом вопросе Эйнштейн не мог согласиться с Бором. По мнению Эйнштейна, поскольку никакой сигнал не способен перемешаться в пространстве быстрее скорости света, 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. По мнению Бора, система из двух электронов представляет собой неделимое целое, хотя частицы и разделены большим расстоянием, и мы не можем рассматривать эту систему в терминах составных частей. Хотя электроны находятся довольно далеко друг от друга, они, тем не менее, соединены мгновенными, нелокальными связями. Эти связи не являются сигналами в понимании Эйнштейна, они не соответствуют нашим условным представлениям о передаче информации. Теорема Белла подтверждает справедливость концепции Бора в отношении несовместимости взглядов Эйнштейна на физическую действительность как на сложную структуру, состоящую из самостоятельных элементов, разделенных пространством, с законами квантовой теории. Другими словами, теорема Белла проливает свет на фундаментальную взаимосвязь и нераздельную слитность Вселенной. Как говорил за две тысячи лет до Белла индийский буддист Нагарджуна (см. главу 10), «Вещи черпают свое существование и природу во взаимозависимости, и не являются ничем сами по себе.»
Современная физика старается объединить две свои основные теории, квантовую теорию и теорию относительности, в рамках единой всеобъемлющей теории субатомных частиц. До сих пор создать такую теорию не удавалось, однако наука уже располагает рядом частных теорий и моделей, вполне успешно описывающих определенные стороны субатомной реальности, В настоящее время в субатомной физике существуют две разновидности квантово-релятивистских теорий, которне успешно применяются в различных областях человеческой деятельности. Первая из них — это группа теорий квантового поля (см. главу 14), которые описывают электромагнитные и слабые взаимодействия, ко второй принадлежит теория, известная под названием теории S-матрицы (см. главу 17) и успешно описывающая сильные взаимодействия. Главная проблема, которая до сих пор остается нерешенной, — это задача объединения теории относительности и квантовой теории в рамках квантовой теории гравитации. Хотя шагом к решению этой проблемы, возможно, послужат существующие уже сейчас теории «супергравитации», до настоящего времени удовлетворительных вариантов ее решения на суд научной общественности предложено не было.
Теории квантового поля, подробно описанные в главе 14, исходят из концепции квантового поля — фундаментальной сущности, которая может существовать в протяженной, континуальной форме — в виде поля — и в непротяженной форме — в виде частиц. При этом различные типы частиц связаны с различными полями. Эти теории пришли на смену представлениям о частицах как о фундаментальных объектах и заменили его гораздо более тонкой и адекватной концепцией квантовых полей. Несмотря на это, они используют понятие фундаментальных сущностей и являются по этой причине полуклассическими теориями, которые не могут полностью раскрыть квантово-релятивистскую природу субатомной материи.
Квантовая электродинамика, первая из теорий квантового поля, обязана своим успехом тому обстоятельству, что электромагнитные взаимодействия очень слабы, и при них сохраняются классические различия между веществом и силами взаимодействия (в техническом отношении это означает, что константа электромагнитного сопряжения настолько мала, что при увеличении длительности возбужденного состояния степень приближения все же остается вполне приемлемой). То же самое можно сказать о теориях поля, описывающих слабые взаимодействия. По сути дела, в последнее время сходство между электромагнитными и слабыми взаимодействиями только усиливается благодаря появлению новой разновидности теорий квантового поля, получивших название гейдж-теорий, которые позволяют рассматривать оба типа взаимодействий на общих основаниях. В возникшей на их основе объединенной теории поля, получившей название теории Вайнберга-Салама в честь своих создателей, Стивена Вайнберга в Абдуса Салама, два типа взаимодействий сохраняют свою самостоятельность, но переплетаются в математическом отношении и получают общее наименование «электрослабых» взаимодействий.
Подход, характерный для гейдж-теорий, распространяется и на сильные взаимодействия благодаря возникновению теории поля под названием квантовой хромодниамики (КХД), и теперь многие физики пытаются добиться «великого объединения» квантовой хромодинамики с теорией Вайнберга-Салама. Тем не менее, использование гейдж-теорий для описания сильновзаимодействующих частиц порождает немало проблем. Взаимодействия между адронами настолько сильны, что различие между частицами и силами начинает утрачивать свою четкость. Поэтому КХД плохо подходит для описания процессов с участием сильновзаимодействующих частиц, за исключением некоторого количества совершенно специфических «явлений» — так называемых «глубоких неэластичных» процессов рассеивания, — в ходе которых частицы, по каким-то неизвестным причинам, ведут себя почти так же, как и самостоятельяне объекты классической физики. Несмотря на самые напряженные усилия, физики не смогли распространить сферу применения КХД на явления вне этого узкого круга, и первоначальные надежды на то, что КХД выполнит роль теоретической основы для объяснения свойств сильновзаимодействующих частиц, до сих пор не оправдались.
КХД представляет собой современную математическую формулировку кварковой модели (см. главу 16): поля ассоциируются в ней с кварками, а слово «хромо» относится к цветам, присущим этим кварковым полям. Как и все гейдж-теории, КХД возникла позже квантовой электродинамики (КЭД). В то же время, как в КЭД электромагнитные взаимодействия рассматриваются в качестве процессов, опосредованных фотонными обменами между заряженными частицами, в КХД сильные взаимодействия опосредованы «глюонами», принимающими участие в аналогичных обменах между разноцветными кварками. Глюоны являются не собственно частицами, а одной из разновидностей квантов, которые «приклеивают» кварки друг к другу (английское слово «glue», от которого образовано название глюонов, имеет значение «клей», «приклеивать»), что ведет к возникновению мезонов и барионов.
На протяжении последнего десятилетия в результате открытия большого количества новых частиц в ходе экспериментов по рассеиванию с применением все более высоких энергии кварковая модель, как уже говорилось в главе 16, была существенным образом расширена и уточнена. Каждый из первоначально постулированных кварков, получивших обозначения соответственно u, d и s, должен был существовать в трех различных ароматах, а затем ученые постулировали существование и четвертого кварка, получившего аромат «charm». Впоследствии к модели добавилось еще два аромата (t и b, что обозначает «top» и «bottom», то есть соответственно, «вершина» и «дно», а более романтическое толкование дают варианты "trueit и «beautiful», то есть "подлинный и «красивый»), вследствие чего общее количество кварков стало равным восемнадцати — шести ароматам, помноженным на три цвета. Неудивительно, что многим физикам такое многообразие фундаментальных «кирпичиков» мироздания пришлось не по душе, и они начали поговаривать о необходимости введения «более элементарных» частиц, из которых и должны состоять кварки...
Одна из наиболее очевидных параллелей с восточным мистицизмом заключается в осознании взаимосвязанности составных частей материи с основными явлениями, в которых они принимают участие, и необходимости рассматривать эти составные части не как изолированные сущности, а как неотъемлемые компоненты единого целого. Важность понимания основополагающей «квантовой взаимосвязанности», которой посвяшена десятая глава, неоднократно отмечалась Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом во время формулирования квантовой теории. Тем не менее, за последние два десятилетия это понятие снова привлекло к себе внимание ученых, осознавших, что взаимосвязанность явлений, наполняющих Вселенную, оказалась на порядок выше предполагавшейся. Разрабатывавшаяся в последнее время новая концепция взаимосвязанности не только проливает свет на сходство взглядов мистиков и физиков, но и позволяет провести интригующие параллели с психологией Юнга и даже, что тоже не исключается, с парапсихологией: эта концепция по-новому опенивает роль взаимосвязанности в квантовой физике.
В классической физике понятие вероятности используется в тех случаях, когда неизвестны характеристики какого-то процесса или реакции. Так, играя в кости, мы, в принципе, могли бы предсказать результат того или иного броска, если бы имели информацию обо всех условиях, в которых он совершается: материал, из которого изготовлена кость, местонахождение ее центра тяжести, характер поверхности, на которую падает кость, и т. д. Все эти показатели называются локальными переменными, так как они принадлежат предметам, принимающим участие в данном процессе. В субатомной физике примером локальных переменных являются связи между пространственно удаленными друг от друга объектами, реализующиеся посредством сигналов — частиц или их последовательностей-каскадов, — а также подчиняющиеся законам пространственного удаления. Эти законы не позволяют никаким сигналам перемещаться быстрее скорости света. Однако в последнее время было обнаружено, что за локальными связями, еще глубже, существуют некие нелокальные связи, которые характеризуются мгновенностью установления и пока не могут предсказываться при помощи языка точной математики.
Некоторые физики рассматривают нелокальные связи в качестве непосредственной сущности квантовой действительности. Квантовая теория не всегда указывает точную причину того или иного явления. Возьмем, к примеру, переход электрона с одной атомной орбиты на другую, или распад субатомной частицы, которые могут происходить и происходят спонтанно, без какой-то определенной причины. Не всегда можно заранее предсказать, когда и каким образом произойдет подобное событие; реально лишь охарактеризовать его вероятность. Это не означает, что атомные явления протекают совершенно произвольным образом; все, что имеется в виду, — это то, что они не вызываются локальными причинами. Поведение любой части целого определяется ее нелокальными связями с последним, а поскольку об этих связях мы ничего не знаем, нам приходится заменить узкие классические понятия причины и следствия более широкими представлениями о статистической причинности. Законы атомной физики имеют природу статистических закономерностей, согласно которым, вероятность отдельных атомных явлений определяется общей динамикой всей системы. В то время, как в классической физике свойства и поведение некоего целого определяется свойствами и поведением его отдельных частей, в физике квантовой все обстоит совершенно противоположным образом: поведение частей целого определяется самим целым.
Таким образом, вероятность используется в классической и квантовой физике практически в одних и тех же целях. В обоих случаях мы имеем дело с некими «сокрытыми» переменными, которые нам неизвестны, и такое отсутствие информированности мешает нам делать какие-либо определенные выводы. Тем не менее, между двумя этими случаями есть и очень существенная разница. Если в классической физике скрытые переменные являются локальными механизмами, то в квантовой физике они нелокальны: они представляют собой мгновенные связи со Вселенной в целом. В повседневной, макроскопической действительности нелокальные связи играют сравнительно незначительную роль, вследствие чего мы можем говорить о самостоятельных объектах и формулировать законы, описывающие их поведение в терминах стопроцентных определенностей. Однако при переходе к более низким измерениям определенности уступают место вероятностям, и отделить какую-то часть Вселенной от целого становится чрезвычайно сложно.
Сам Эйнштейн долго не мог признать существование нелокальных связей и вытекающее из этого факта фундаментальное значение вероятности. Именно этой проблеме был посвящен его исторический спор с Бором в двадцатые годы, во время которого Эйнштейн выразил свое несогласие с тем, как Бор интерпретирует квантовую теорию при помощи знаменитого афоризма: «Бог не играет в кости» [68]. 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.
Согласиться с Бором Эйнштейну мешала его непоколебимая вера в некую внешнюю реальность, состоящую из независимых, пространственно удаленных друг от друга элементов. Пытаясь доказать непоследовательность интерпретации Бора, Эйнштейн поставил «мысленный» эксперимент, который получил известность под названием эксперимента Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) [5, 614]. Три десятилетия спустя Джон Белл построил теорему, опирающуюся на этот эксперимент, которая доказывает, что существование локальных скрытых переменных плохо согласуется со статистическими формулировками квантовой теории [70]. Теорема Белла нанесла 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.
За последние годы эксперимент ЭПР неоднократно становился предметом дискуссий и анализа специалистов в связи с проблемами интерпретации квантовой теории, поскольку он является превосходным примером для демонстрации отличия между понятиями классической и квантовой физики. Для наших целей достаточно ограничиться рассмотрением упрощенной версии этого эксперимента, в которой принимают участие два вращающихся электрона и которая была разработана в ходе исчерпывающего анализа, данного этому эксперименту Дэвидом Бомом. Для того, чтобы уловить основной смысл ситуации, необходимо познакомиться с некоторыми свойствами электронного спина, или вращения электрона. Классическая метафора вращающегося теннисного мяча не вполне подходит для описания вращающейся субатомной частицы. В определенном смысле, спин частицы представляет собой ее вращение вокруг собственной оси, однако, как это всегда бывает в субатомной физике, это классическое понятие имеет ограниченную область применения. В случае с электроном, множество значений спина состоит из двух вариантов: количество вращения остается всегда постоянным, однако относительно оси вращения электрон может вращаться в двух направлениях — или по, или против часовой стрелки. Физики обычно обозначают эти два значения при помощи слов «верх» и «вниз».
Основное свойство вращения электрона, которое нельзя объяснить при помощи классических терминов, — это невозможность точного определения направления его оси. Электроны обладают тенденцией существовать в различных точках внутри атома, и точно таким же образом для них характерны тенденции вращаться вокруг той или иной 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, однако до этого момента об оси вращения ничего определенного сказать нельзя: электрон имеет только некоторую тенденцию, или потенцию, вращаться вокруг этой оси.
Придя к такому пониманию спина электрона, мы можем приступить к рассмотрению эксперимента ЭПР и теоремы Белла. В эксперименте участвуют два электрона, вращающиеся в противоположных направлениях, так, что их суммарный спин равен нулю. Существует несколько экспериментальных методик, которые позволяют привести два электрона в такое состояние, при котором направления осей вращения неизвестны, но общий спин двух частиц точно равен нулю. Теперь предположим, что какие-то процессы, не оказывающие воздействия на спин частиц, вызывают их удаление друг от друга. При этом суммарное значение спина остается равным нулю, и, когда расстояние между ними становится достаточно большим, исследователи поочередно измеряют спин каждой из двух частиц. Важная деталь эксперимента — то, что расстояние между ними может быть сколько угодно большим: одна частица может находиться в Нью-Йорке, другая в Париже; одна — на Земле, а другая— на Луне.
Предположим теперь, что после измерения спина частицы вокруг вертикальной оси мы обнаружили, что она имеет «верхний» спин. Поскольку суммарный спин обеих частиц равен нулю, из этого следует, что спин второй частицы должен быть «нижним». Таким образом, посредством измерения спина частицы 1 мы одновременно косвенно измеряем спин частицы 2, не оказывая на нее совершенно никакого воздействия. Парадоксальность эксперимента ЭПР заключается в том, что исследователь волен выбирать для измерения любую ось. Квантовая теория утверждает, что спины частиц будут иметь противоположные значения по отношению к каждой оси вращения, однако до момента измерения они существуют только в качестве тенденций или воэможностей. Стоит наблюдателю выбрать определенную ось и произвести измерения, как обе частицы получают определенную общую ось вращения. Особенно важен тот факт, что мы можем выбрать ось измерения в последний момент, когда между электронами будет уже довольно большое расстояние. В тот момент, когда ны производим измерение характеристик частицы 1, частица 2, которая, возможно, находится на удалении в несколько тысяч миль, тоже приобретает определенное значение спина по отношению к выбранной оси измерения. Как частица 2 «узнает» о том, какую ось мы выбрали? Это происходит настолько быстро, что она не может получить эту информацию при помощи какоголибо условного сигнала.
В этом заключается основная проблема интерпретации эксперимента ЭПР, и именно в этом вопросе Эйнштейн не мог согласиться с Бором. По мнению Эйнштейна, поскольку никакой сигнал не способен перемешаться в пространстве быстрее скорости света, 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. По мнению Бора, система из двух электронов представляет собой неделимое целое, хотя частицы и разделены большим расстоянием, и мы не можем рассматривать эту систему в терминах составных частей. Хотя электроны находятся довольно далеко друг от друга, они, тем не менее, соединены мгновенными, нелокальными связями. Эти связи не являются сигналами в понимании Эйнштейна, они не соответствуют нашим условным представлениям о передаче информации. Теорема Белла подтверждает справедливость концепции Бора в отношении несовместимости взглядов Эйнштейна на физическую действительность как на сложную структуру, состоящую из самостоятельных элементов, разделенных пространством, с законами квантовой теории. Другими словами, теорема Белла проливает свет на фундаментальную взаимосвязь и нераздельную слитность Вселенной. Как говорил за две тысячи лет до Белла индийский буддист Нагарджуна (см. главу 10), «Вещи черпают свое существование и природу во взаимозависимости, и не являются ничем сами по себе.»
Современная физика старается объединить две свои основные теории, квантовую теорию и теорию относительности, в рамках единой всеобъемлющей теории субатомных частиц. До сих пор создать такую теорию не удавалось, однако наука уже располагает рядом частных теорий и моделей, вполне успешно описывающих определенные стороны субатомной реальности, В настоящее время в субатомной физике существуют две разновидности квантово-релятивистских теорий, которне успешно применяются в различных областях человеческой деятельности. Первая из них — это группа теорий квантового поля (см. главу 14), которые описывают электромагнитные и слабые взаимодействия, ко второй принадлежит теория, известная под названием теории S-матрицы (см. главу 17) и успешно описывающая сильные взаимодействия. Главная проблема, которая до сих пор остается нерешенной, — это задача объединения теории относительности и квантовой теории в рамках квантовой теории гравитации. Хотя шагом к решению этой проблемы, возможно, послужат существующие уже сейчас теории «супергравитации», до настоящего времени удовлетворительных вариантов ее решения на суд научной общественности предложено не было.
Теории квантового поля, подробно описанные в главе 14, исходят из концепции квантового поля — фундаментальной сущности, которая может существовать в протяженной, континуальной форме — в виде поля — и в непротяженной форме — в виде частиц. При этом различные типы частиц связаны с различными полями. Эти теории пришли на смену представлениям о частицах как о фундаментальных объектах и заменили его гораздо более тонкой и адекватной концепцией квантовых полей. Несмотря на это, они используют понятие фундаментальных сущностей и являются по этой причине полуклассическими теориями, которые не могут полностью раскрыть квантово-релятивистскую природу субатомной материи.
Квантовая электродинамика, первая из теорий квантового поля, обязана своим успехом тому обстоятельству, что электромагнитные взаимодействия очень слабы, и при них сохраняются классические различия между веществом и силами взаимодействия (в техническом отношении это означает, что константа электромагнитного сопряжения настолько мала, что при увеличении длительности возбужденного состояния степень приближения все же остается вполне приемлемой). То же самое можно сказать о теориях поля, описывающих слабые взаимодействия. По сути дела, в последнее время сходство между электромагнитными и слабыми взаимодействиями только усиливается благодаря появлению новой разновидности теорий квантового поля, получивших название гейдж-теорий, которые позволяют рассматривать оба типа взаимодействий на общих основаниях. В возникшей на их основе объединенной теории поля, получившей название теории Вайнберга-Салама в честь своих создателей, Стивена Вайнберга в Абдуса Салама, два типа взаимодействий сохраняют свою самостоятельность, но переплетаются в математическом отношении и получают общее наименование «электрослабых» взаимодействий.
Подход, характерный для гейдж-теорий, распространяется и на сильные взаимодействия благодаря возникновению теории поля под названием квантовой хромодниамики (КХД), и теперь многие физики пытаются добиться «великого объединения» квантовой хромодинамики с теорией Вайнберга-Салама. Тем не менее, использование гейдж-теорий для описания сильновзаимодействующих частиц порождает немало проблем. Взаимодействия между адронами настолько сильны, что различие между частицами и силами начинает утрачивать свою четкость. Поэтому КХД плохо подходит для описания процессов с участием сильновзаимодействующих частиц, за исключением некоторого количества совершенно специфических «явлений» — так называемых «глубоких неэластичных» процессов рассеивания, — в ходе которых частицы, по каким-то неизвестным причинам, ведут себя почти так же, как и самостоятельяне объекты классической физики. Несмотря на самые напряженные усилия, физики не смогли распространить сферу применения КХД на явления вне этого узкого круга, и первоначальные надежды на то, что КХД выполнит роль теоретической основы для объяснения свойств сильновзаимодействующих частиц, до сих пор не оправдались.
КХД представляет собой современную математическую формулировку кварковой модели (см. главу 16): поля ассоциируются в ней с кварками, а слово «хромо» относится к цветам, присущим этим кварковым полям. Как и все гейдж-теории, КХД возникла позже квантовой электродинамики (КЭД). В то же время, как в КЭД электромагнитные взаимодействия рассматриваются в качестве процессов, опосредованных фотонными обменами между заряженными частицами, в КХД сильные взаимодействия опосредованы «глюонами», принимающими участие в аналогичных обменах между разноцветными кварками. Глюоны являются не собственно частицами, а одной из разновидностей квантов, которые «приклеивают» кварки друг к другу (английское слово «glue», от которого образовано название глюонов, имеет значение «клей», «приклеивать»), что ведет к возникновению мезонов и барионов.
На протяжении последнего десятилетия в результате открытия большого количества новых частиц в ходе экспериментов по рассеиванию с применением все более высоких энергии кварковая модель, как уже говорилось в главе 16, была существенным образом расширена и уточнена. Каждый из первоначально постулированных кварков, получивших обозначения соответственно u, d и s, должен был существовать в трех различных ароматах, а затем ученые постулировали существование и четвертого кварка, получившего аромат «charm». Впоследствии к модели добавилось еще два аромата (t и b, что обозначает «top» и «bottom», то есть соответственно, «вершина» и «дно», а более романтическое толкование дают варианты "trueit и «beautiful», то есть "подлинный и «красивый»), вследствие чего общее количество кварков стало равным восемнадцати — шести ароматам, помноженным на три цвета. Неудивительно, что многим физикам такое многообразие фундаментальных «кирпичиков» мироздания пришлось не по душе, и они начали поговаривать о необходимости введения «более элементарных» частиц, из которых и должны состоять кварки...