Страница:
«Фундаментальные физические сущности микромира – частицы и волны – выявили невиданную ранее в опытах способность заявлять о себе лишь в момент их наблюдения, проявляясь или как волна, или как частица» (11).
Вторая линия развития является обобщением гипотезы Планка и начинается с работы Эйнштейна (1907), посвященной теории теплоемкости твердых тел, в которой была обоснована идея квантования энергии. Эйнштейн предположил, что испускание и поглощение электромагнитного излучения веществом происходят квантами с энергией hν. Теория Эйнштейна была уточнена П. Дебаем, М. Борном и Т. Карманом и сыграла выдающуюся роль в развитии теории твердых тел.
Квантовый эффект. В 1913 году Н. Бор, стремясь объяснить устойчивость атома в рамках модели Резерфорда, использовал идею квантования энергии применительно к теории строения атома. Он принял три постулата (12).
Первый постулат (постулат стационарных состояний): в атоме существует набор стационарных состояний (или уровней энергии), находясь в которых атом не испускает электромагнитных волн. Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым ускоренно движутся электроны, но излучения света при этом не происходит. В 1913–1914 годах существование уровней энергии в атомах было подтверждено опытами Франка – Герца.
Второй постулат (постулат квантования орбит): в стационарном состоянии атома электрон, движущийся по круговой орбите, имеет квантованные значения момента импульса, удовлетворяющие определенному условию.
Третий постулат (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один фотон. Излучение фотона происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. При обратном переходе происходит поглощение фотона.
Таким образом, Бор, используя квантовую постоянную h, отражающую дуализм света, показал, что эта величина определяет также и движение электронов в атоме, законы которого существенно отличаются от законов классической механики. Этот факт позднее был объяснен на основе универсальности корпускулярно-волнового дуализма.
Твердость материи оказалась результатом типичного квантового эффекта, обусловленного прежде всего волновой природой материи и не имеющего аналогов в макроскопическом мире. В чем суть квантового эффекта? Когда частица находится в ограниченном объеме пространства, она начинает усиленно двигаться, и чем значительнее ограничение, тем выше скорость. С другой стороны, электрические силы стремятся как можно сильнее приблизить электрон к ядру. Электрон реагирует на это, также увеличивая свою скорость вращения, и чем сильнее притяжение ядра, тем выше скорость; она может достигать больше тысячи километров в секунду. Вследствие этого атом воспринимается как непроницаемая сфера, точно так же, как воспринимается вращающийся с большой частотой вращения пропеллер, который выглядит как диск. Очень сложно еще больше сжать атом, и поэтому материя кажется нам твердой.
Электроны в атоме размещаются на различных орбитах с тем, чтобы уравновесить притяжение ядра и свое противодействие этому. Причем электроны внутри атома могут существовать только на определенных атомных орбитах, имеющих определенный диаметр. Например, электрон атома водорода может находиться только на его первой, второй или третьей орбите, но не между ними. При нормальных условиях он всегда будет на нижней орбите, которая называется «стационарным состоянием» атома. Оттуда электрон, получив необходимое количество энергии, может перескочить на более высокие орбиты, и тогда говорят, что атом находится в «возбужденном состоянии», из которого он может вновь перейти в стационарное, испустив избыточное количество энергии в виде фотона, или кванта электромагнитного излучения.
Все атомы, обладающие одинаковым количеством электронов, характеризуются одинаковыми очертаниями электронных орбит и одинаковым расстоянием между ними. Поэтому такие атомы абсолютно идентичны. Например, приходя в возбужденное состояние, атомы кислорода, сталкиваясь в воздухе друг с другом, неизбежно возвращаются в одно и то же состояние. Именно волновая природа электронов обуславливает идентичность атомов одного химического элемента и их высокую механическую устойчивость.
Тем не менее орбиты электронов значительно отличаются от орбит планет Солнечной системы вследствие их волновой природы. Атом нельзя уподобить маленькой планетарной системе. Мы должны представить себе не частицы, вращающиеся вокруг ядра, а вероятностные волны, распределенные по орбитам.
Однако успехи теории Бора, как и предыдущие успехи квантовой теории, были достигнуты за счет нарушения логической цельности: с одной стороны, использовалась механика Ньютона, с другой – привлекались чуждые ей искусственные правила квантования, к тому же противоречащие классической электродинамике.
Кроме того, теория Бора оказалась не в состоянии объяснить движение электронов в сложных атомах (даже в атоме гелия), возникновение связи между атомами, приводящей к образованию молекулы, не могла ответить на вопрос, как движется электрон при переходе с одного уровня энергии на другой.
Дальнейшая разработка вопросов теории атома привела ученых к убеждению, что движение электронов в атоме нельзя описывать в понятиях классической механики (как движение по определенной траектории, или орбите), что вопрос о движении электрона между уровнями несовместим с характером законов, определяющих поведение электронов в атоме, и что необходима новая теория, в которую входили бы только величины, относящиеся к начальному и конечному стационарным состояниям атома.
Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории с ясными физическими основами и стройным математическим аппаратом произошло после работы В. Гейзенберга (1927), в которой было сформулировано соотношение неопределенностей – важнейшее соотношение, освещающее физический смысл уравнений квантовой механики и ее связь с классической механикой (4).
Итак, ранее эксперименты Резерфорда обнаружили, что атомы не являются твердыми и неделимыми, а состоят из незаполненного пространства, в котором движутся очень маленькие частицы, а теперь квантовая теория утверждала, что эти частицы, из которых состоят атомы, обладают, подобно свету, двойной природой. Их можно рассматривать и как волны, и как частицы.
Это свойство материи и света очень необычно. Кажется совершенно невероятным, что что-то может одновременно быть частицей – величиной чрезвычайно малого объема – и волной, способной распространяться на большие расстояния. Это противоречие породило большую часть тех парадоксов, что легли в основу квантовой теории. Очевидное противоречие между свойствами волн и частиц разрешилось совершенно непредвиденным образом, поставив под вопрос саму основу механистического мировоззрения – понятие реальности материи. И прежде всего полностью трансформировались представления о материи как о незыблемой тверди.
О «реальности» материи
Вторая линия развития является обобщением гипотезы Планка и начинается с работы Эйнштейна (1907), посвященной теории теплоемкости твердых тел, в которой была обоснована идея квантования энергии. Эйнштейн предположил, что испускание и поглощение электромагнитного излучения веществом происходят квантами с энергией hν. Теория Эйнштейна была уточнена П. Дебаем, М. Борном и Т. Карманом и сыграла выдающуюся роль в развитии теории твердых тел.
Квантовый эффект. В 1913 году Н. Бор, стремясь объяснить устойчивость атома в рамках модели Резерфорда, использовал идею квантования энергии применительно к теории строения атома. Он принял три постулата (12).
Первый постулат (постулат стационарных состояний): в атоме существует набор стационарных состояний (или уровней энергии), находясь в которых атом не испускает электромагнитных волн. Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым ускоренно движутся электроны, но излучения света при этом не происходит. В 1913–1914 годах существование уровней энергии в атомах было подтверждено опытами Франка – Герца.
Второй постулат (постулат квантования орбит): в стационарном состоянии атома электрон, движущийся по круговой орбите, имеет квантованные значения момента импульса, удовлетворяющие определенному условию.
Третий постулат (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один фотон. Излучение фотона происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. При обратном переходе происходит поглощение фотона.
Таким образом, Бор, используя квантовую постоянную h, отражающую дуализм света, показал, что эта величина определяет также и движение электронов в атоме, законы которого существенно отличаются от законов классической механики. Этот факт позднее был объяснен на основе универсальности корпускулярно-волнового дуализма.
Твердость материи оказалась результатом типичного квантового эффекта, обусловленного прежде всего волновой природой материи и не имеющего аналогов в макроскопическом мире. В чем суть квантового эффекта? Когда частица находится в ограниченном объеме пространства, она начинает усиленно двигаться, и чем значительнее ограничение, тем выше скорость. С другой стороны, электрические силы стремятся как можно сильнее приблизить электрон к ядру. Электрон реагирует на это, также увеличивая свою скорость вращения, и чем сильнее притяжение ядра, тем выше скорость; она может достигать больше тысячи километров в секунду. Вследствие этого атом воспринимается как непроницаемая сфера, точно так же, как воспринимается вращающийся с большой частотой вращения пропеллер, который выглядит как диск. Очень сложно еще больше сжать атом, и поэтому материя кажется нам твердой.
Электроны в атоме размещаются на различных орбитах с тем, чтобы уравновесить притяжение ядра и свое противодействие этому. Причем электроны внутри атома могут существовать только на определенных атомных орбитах, имеющих определенный диаметр. Например, электрон атома водорода может находиться только на его первой, второй или третьей орбите, но не между ними. При нормальных условиях он всегда будет на нижней орбите, которая называется «стационарным состоянием» атома. Оттуда электрон, получив необходимое количество энергии, может перескочить на более высокие орбиты, и тогда говорят, что атом находится в «возбужденном состоянии», из которого он может вновь перейти в стационарное, испустив избыточное количество энергии в виде фотона, или кванта электромагнитного излучения.
Все атомы, обладающие одинаковым количеством электронов, характеризуются одинаковыми очертаниями электронных орбит и одинаковым расстоянием между ними. Поэтому такие атомы абсолютно идентичны. Например, приходя в возбужденное состояние, атомы кислорода, сталкиваясь в воздухе друг с другом, неизбежно возвращаются в одно и то же состояние. Именно волновая природа электронов обуславливает идентичность атомов одного химического элемента и их высокую механическую устойчивость.
Тем не менее орбиты электронов значительно отличаются от орбит планет Солнечной системы вследствие их волновой природы. Атом нельзя уподобить маленькой планетарной системе. Мы должны представить себе не частицы, вращающиеся вокруг ядра, а вероятностные волны, распределенные по орбитам.
Однако успехи теории Бора, как и предыдущие успехи квантовой теории, были достигнуты за счет нарушения логической цельности: с одной стороны, использовалась механика Ньютона, с другой – привлекались чуждые ей искусственные правила квантования, к тому же противоречащие классической электродинамике.
Кроме того, теория Бора оказалась не в состоянии объяснить движение электронов в сложных атомах (даже в атоме гелия), возникновение связи между атомами, приводящей к образованию молекулы, не могла ответить на вопрос, как движется электрон при переходе с одного уровня энергии на другой.
Дальнейшая разработка вопросов теории атома привела ученых к убеждению, что движение электронов в атоме нельзя описывать в понятиях классической механики (как движение по определенной траектории, или орбите), что вопрос о движении электрона между уровнями несовместим с характером законов, определяющих поведение электронов в атоме, и что необходима новая теория, в которую входили бы только величины, относящиеся к начальному и конечному стационарным состояниям атома.
Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории с ясными физическими основами и стройным математическим аппаратом произошло после работы В. Гейзенберга (1927), в которой было сформулировано соотношение неопределенностей – важнейшее соотношение, освещающее физический смысл уравнений квантовой механики и ее связь с классической механикой (4).
Итак, ранее эксперименты Резерфорда обнаружили, что атомы не являются твердыми и неделимыми, а состоят из незаполненного пространства, в котором движутся очень маленькие частицы, а теперь квантовая теория утверждала, что эти частицы, из которых состоят атомы, обладают, подобно свету, двойной природой. Их можно рассматривать и как волны, и как частицы.
Это свойство материи и света очень необычно. Кажется совершенно невероятным, что что-то может одновременно быть частицей – величиной чрезвычайно малого объема – и волной, способной распространяться на большие расстояния. Это противоречие породило большую часть тех парадоксов, что легли в основу квантовой теории. Очевидное противоречие между свойствами волн и частиц разрешилось совершенно непредвиденным образом, поставив под вопрос саму основу механистического мировоззрения – понятие реальности материи. И прежде всего полностью трансформировались представления о материи как о незыблемой тверди.
О «реальности» материи
Шаг в мир атомов был первым и самым важным шагом в путешествии в мир бесконечно малого. В поисках мельчайших «строительных кирпичиков» было доказано существование атомов, открыты составляющие их ядра и электроны, а несколько позднее компоненты ядра – протоны, нейтроны и множество других субатомных частиц. Сложные, чуткие приборы современной экспериментальной физики сумели проникнуть в глубины субмикроскопического мира, в области, удаленные от нашей макроскопической среды, и позволили нам косвенно «наблюдать» свойства атомов и других частиц, а следовательно, в какой-то степени «познавать» субатомный мир. Однако мы можем судить о них только по последнему звену в цепочке реакций, например по щелчку счетчика Гейгера или по темному пятнышку на фотопластинке. Мы воспринимаем не сами явления, а их следы. Сам же атомный и субатомный мир скрыт от нас. Проникнув под оболочку атома, изучая его внутреннее устройство, наука вышла за пределы чувственного восприятия. И это в то время, когда обязательным требованием науки являлась необходимость все «потрогать, понюхать, пощупать, разглядеть» и т. д. Исследование субатомного мира уже не отвечало этим требованиям. С этого момента наука уже не могла с уверенностью опираться на логику и здравый смысл!
Парадоксальные результаты экспериментов вызывали настоящий шок в среде ученых. 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» (1).
В этих словах великих физиков заключена самая суть: почвы-то под ногами действительно нет! Нет той самой тверди, которая всегда служила нам, людям, опорой. А что же есть?
Вероятности и волны. Это выяснилось позднее, когда появились работы В. Гейзенберга о принципе неопределенности и знаменитое уравнение Шредингера, которые позволили понять, что на субатомном уровне вместо твердых материальных объектов классической физики существуют волноподобные вероятностные модели. И эти модели отражают не вероятность существования вещей, а, скорее всего, вероятность существования взаимосвязей.
Рассмотрим простейший опыт по распространению света. На пути пучка света ставится прозрачная пластина. Часть света проходит через пластину, часть отражается от нее. Известно, что свет состоит из «частиц» – фотонов. Что происходит с отдельным фотоном при попадании его на пластину?
Если поставить опыт с пучком света крайне малой интенсивности, в котором можно следить за судьбой каждого фотона, то можно убедиться, что при встрече с пластиной фотон не расщепляется на два, его индивидуальность сохраняется (иначе свет менял бы свою частоту). Оказывается, что одни фотоны проходят через пластину, а другие отражаются. Если на пути отраженного потока фотонов снова поставить такую же пластину, то наблюдается та же картина: часть фотонов проходит через нее, а часть отражается (4).
Как же так? Ведь все фотоны уже отразились от первой пластины, почему же не отразились все и от второй точно такой же пластины? Получается, что одинаковые частицы в одинаковых условиях ведут себя по-разному? Да. Поведение фотона при встрече с пластиной непредсказуемо однозначно. Отражение фотона от пластины или прохождение через нее – случайные события. Данный фотон может пройти через пластину, а может и отразиться.
Оказывается, и внутри атома материя не существует в определенных местах, а, скорее, «может существовать»; атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом наверняка, а, скорее, «могут происходить».
Закономерности, которые проявляются при случайных событиях, описываются с помощью теории вероятности, которая называет эти возможности вероятностями.
В квантовой теории вероятности связаны с математическими величинами, предстающими в форме волн. Эти «вероятностные волны» – абстрактные математические величины со всеми характерными свойствами волн, выражающие вероятности существования частиц в определенных точках пространства в определенные моменты времени. Все законы атомной физики выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не можем с уверенностью говорить об атомном явлении; мы можем только сказать, насколько вероятно, что оно произойдет.
И если классическая механика предсказывает в принципе достоверные события, то задачей квантовой механики является предсказание вероятностей различных процессов (4).
Стоит особо подчеркнуть, что в квантовой теории вероятность следует воспринимать не как элемент нашего незнания или расчета на удачу, на которую рассчитывает, например, игрок в азартные игры, а как основополагающее свойство атомной действительности, управляющее ходом всех процессов и даже существованием материи.
Уравнение Шредингера. В 1926 году австрийский физик Э. Шредингер опубликовал знаменитое уравнение, носящее его имя, которое в квантовой механике играет такую же фундаментальную роль, как уравнения движения Ньютона в классической механике и уравнения Максвелла в классической теории электромагнетизма. Это уравнение является математическим выражением фундаментального свойства микрочастиц – корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому все существующие в природе частицы наделены также волновыми свойствами.
С математической точки зрения уравнение Шредингера есть волновое уравнение и по своей структуре подобно уравнению, описывающему колебания нагруженной струны. Однако в отличие от решений уравнения колебания струны в данный момент времени решения уравнения Шредингера прямого физического смысла не имеют. Смысл имеет квадрат волновой функции (пси-функции), которую Шредингер ввел в свое уравнение феноменологическим (подгоночным) путем, рассматривая ее как некое неизвестное материальное поле. Как правило, феноменологические подходы используются для систематизации данных опыта в тех областях физики, где фундаментальные теории еще не созданы. Как показало время, именно вокруг проблемы редукции[2] волновой функции возникли первые симптомы кризиса науки, не учитывающей сознание в своих исследованиях (4).
Уравнение Шредингера описывает изменение во времени состояния квантового объекта, характеризуемого волновой функцией. Волновая функция (пси-функция) в квантовой механике – это величина, полностью описывающая состояние микрообъекта (электрона, протона, атома, молекулы) и вообще любой квантовой системы. Если известна волновая функция в начальный момент времени, то, решая уравнение Шредингера, можно найти волновую функцию в любой последующий момент времени. В этой части квантовая теория вполне детерминирована (определена). Но волновая функция не наблюдаемая величина.
О наблюдаемых же величинах на основе знания волновой функции можно сделать лишь вероятностные (статистические) предсказания. Ибо квадрат волновой функции равен вероятности нахождения частицы (системы) в момент времени t в квантовом состоянии n в точке пространства с координатами x, y, z. Частица может быть обнаружена в любой точке пространства, в которой волновая функция отлична от нуля. Однако в момент измерения над этим объектом невозможно предсказать, каков будет результат этого процесса, и при проведении серии одинаковых экспериментов над одинаковыми системами каждый раз будут получаться разные результаты. Причины, влияющие на выход из этого события, остаются неизвестными.
Словом, результаты индивидуального измерения над квантовым объектом оказались непредсказуемыми, а это означает отказ от причинной обусловленности всех явлений и переход к неопределенности, к индетерминизму.
Время показало, что уравнение Шредингера не является панацеей. В этом отношении интересно высказывание дважды лауреата Нобелевской премии химика Лайнуса Полинга: «Мы можем верить физику-теоретику, который говорит нам, что все свойства можно рассчитать с помощью известных методов решения уравнения Шредингера. Однако в действительности мы видели, что за 30 лет, прошедших с открытия уравнения Шредингера, было сделано всего лишь несколько точных неэмпирических квантово-механических расчетов свойств вещества, в которых заинтересован химик. Для получения большей части информации о свойствах веществ химик все еще должен опираться на эксперимент» (13).
Вопрос о том, чем является волновая функция в уравнениях Шредингера, то есть какое физическое поле она представляет, волнует ученых до сих пор.
Отказ от детерминизма и его последствия. Фундаментальная неопределенность в квантовой теории разделила ученый мир на две группы, которые придерживались противоположных точек зрения на эту проблему. Одни предпринимали попытки восстановить идею полного детерминизма введением предположения о неполноте квантово-механического описания. Например, высказывалась гипотеза о наличии у квантовых объектов дополнительных степеней свободы – «скрытых параметров», учет которых сделал бы поведение системы полностью детерминированным в смысле классической механики. По мнению сторонников этой гипотезы, неопределенность возникает только вследствие того, что «скрытые параметры» пока неизвестны и поэтому не учитываются. Такой точки зрения придерживались Эйнштейн, Планк, де Бройль, Шредингер, Лоренц, Бом и др.
Другая группа ученых была убеждена, что в основе мироздания лежит индетерминизм, а обсуждаемая особенность квантовой теории есть адекватное отображение мира. Эту точку зрения разделяли Бор, Гейзенберг, Борн, Паули, Дирак, фон Нейман и др. Так, используя в качестве исходного условия основное положение квантовой механики о соответствии между операторами и наблюдаемыми величинами, американский ученый Дж. фон Нейман доказал теорему о невозможности нестатистической интерпретации квантовой механики (4). Эта теорема явилась мощной опорой, заложенной в фундамент индетерминизма. Немецкий физик-теоретик М. Борн призвал ученых «отказаться от основного принципа старой физики – детерминированной причинности».
Это, по его мнению «позволило развитие квантовой механики, частично объяснившее и парадоксальное положение, при котором одновременно признавалась справедливость как волновой, так и корпускулярной теории света… причем первая подтверждалась явлением интерференции, а вторая – фотоэлектрическим эффектом» (14).
По этому поводу современные ученые В. И. Ставицкий и Н. А. Ставицкая пишут в своей книге:
Впоследствии выяснилось, что отказ от основного принципа старой физики – детерминированной причинности – потребовал других «жертв»: за статистической трактовкой квантовой механики оказалась скрытой реальная волновая природа информационного обмена. Слона-то я и не заметил.
Сегодня все большее количество ученых начинает понимать, что физика ХХ века была «чисто энергетической», то есть изучала движение и взаимодействие вещества и энергии, оставив вне рассмотрения все, что касается движения и превращения информации. Физики досконально изучили и глубоко внедрили через технические науки в практику нашей жизни три «неживых» фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное и сильное. Но физика ХХ века даже не прикоснулась к особенному взаимодействию живых материальных тел, а именно информационному, которое является основным по своему масштабу и роли в живой природе. Поэтому она была «физикой неживого» и оставалась ею даже тогда, когда брала в свои предметы живое и пыталась изучить своими средствами, созданными для изучения неживого.
Доктор философских наук В. А. Колеватов пишет:
Так, по инициативе Аронова и Бома были поставлены эксперименты, подтверждающие реальность скрытых параметров и доказывающие, по существу, возможность информационного обмена без передачи энергии (14). Опыт Аронова – Бома изменил представление об электромагнитном поле, которое раньше представлялось только как колебания полей электрической и магнитной напряженностей, и убедительно доказывал, что за пределами электромагнетизма, глубже вектора магнитной напряженности, скрыта некая «тайная сущность».
К сожалению, опыты потребовали чрезвычайно сложной техники, и большинству ученых осталось только пожалеть об отсутствии приборов, регистрирующих поля, ответственные за эффект Аронова – Бома.
Но «отсутствие знания о носителе информации, неумение выделить физический процесс, выступающий в роли носителя информации, не может служить достаточным основанием для отрицания самого факта передачи информации» (16).
В конце ХХ века петербургские ученые В. И. Ставицкий и Н. А. Ставицкая подошли к решению вопроса о скрытом взаимодействии, о нелокальном обмене информацией без обмена энергией, имея достаточно простую экспериментальную базу. Распутывая парадоксы электрического тока, они, похоже, нашли оригинальный доступ к квантовой фазе электрона, движущегося в поле векторного потенциала, за счет преобразования ненаблюдаемых величин, обойдя, таком образом, основное положение квантовой механики о соответствии между операторами и наблюдаемыми величинами.
Работая с политроном, ученые сумели обнаружить квантовые эффекты электрона, которые до сих пор не наблюдались в обычных вакуумных электронных приборах. В 1988 году заведующий кафедрой квантовой механики Санкт-Петербургского государственного университета, доктор физико-математических наук, профессор Ю. Н. Демков в заключении на выполненную Ставицкими работу писал: «На самом деле, до сих пор при передаче сигналов по проводам их квантовая природа в расчет не принималась. В частности, квантовая амплитуда сигнала представляет собой зависящую от времени комплексную величину. Тем самым появляются новые „степени свободы“ сигнала, пока никак не использованные. В настоящее время неясно, в какой мере и как эти свойства могут проявиться при низких частотах, однако неизвестны доводы, запрещающие такое проявление» (14).
Ученые продолжали совершенствовать свои исследования и добились успеха. В 2005 году доктор технических наук, профессор кафедры «Сети связи» Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича Я. С. Дымарский в своем заключении на книгу Ставицких пишет: «Экспериментальные результаты Ставицких указывают на то, что парадоксальный эффект (инвариантность формы ко времени) соответствует критерию существования полного информационного обмена в пространстве континуума без прямого обмена энергией» (14).
Сегодня идея возможности полного информационного обмена все больше привлекает внимание ученых, хотя выводы Бома о возвращении в физику детерминизма пока еще не вошли в практику.
На горизонте появляется сознание! С отказом от детерминизма мир, описываемый физикой, оказался разделенным на две разные части. В макромире, с которым мы постоянно имеем дело, действуют четкая определенность, последовательность и строгая причинность реальных событий. Ее легко продемонстрировать на простейшем примере: если бильярдный шар ударится под определенным углом в стенку бильярдного стола, то отскочит обратно под тем же углом.
В субатомном мире, мире квантовой реальности, все наоборот: отсутствие причинности и полнейшая неопределенность. Успех и итог экспериментов в этом мире можно только предсказать с определенной вероятностью. Для примера заменим бильярдный шар электроном, а стенку стола – атомом. Каждое столкновение электрона с атомом имело бы непредвиденные последствия: электрон отскакивал бы от атома в бесчисленное множество возможных сторон.
Такое положение дел очень напоминает практические результаты исследований паранормальных явлений, когда сознание человека играет активную роль в протекании и разнообразных проявлениях этих процессов. Никогда нет стопроцентной уверенности в выполнении паранормального эксперимента: вчера получилось, а сегодня неизвестно, получится ли. Так и в квантовой физике: отскочит ли электрон в ту сторону, которая нас интересует? Неслучайно некоторые ученые, Ю. Вигнер, Д. Эспанья, де Борегард и др., высказали предположение, что редуцирование волнового пакета, описывающего квантовый объект, происходит в сознании наблюдателя. На горизонте теоретической физики впервые замаячила проблема сознания, поскольку предположение ученых означало, что физическая реальность не существует как таковая и вещи превращаются в реальные только тогда, когда привлекают к себе внимание наблюдателя, одаренного сознанием. Но тогда эта проблема только замаячила на горизонте науки.
Парадоксальные результаты экспериментов вызывали настоящий шок в среде ученых. 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» (1).
В этих словах великих физиков заключена самая суть: почвы-то под ногами действительно нет! Нет той самой тверди, которая всегда служила нам, людям, опорой. А что же есть?
Вероятности и волны. Это выяснилось позднее, когда появились работы В. Гейзенберга о принципе неопределенности и знаменитое уравнение Шредингера, которые позволили понять, что на субатомном уровне вместо твердых материальных объектов классической физики существуют волноподобные вероятностные модели. И эти модели отражают не вероятность существования вещей, а, скорее всего, вероятность существования взаимосвязей.
Рассмотрим простейший опыт по распространению света. На пути пучка света ставится прозрачная пластина. Часть света проходит через пластину, часть отражается от нее. Известно, что свет состоит из «частиц» – фотонов. Что происходит с отдельным фотоном при попадании его на пластину?
Если поставить опыт с пучком света крайне малой интенсивности, в котором можно следить за судьбой каждого фотона, то можно убедиться, что при встрече с пластиной фотон не расщепляется на два, его индивидуальность сохраняется (иначе свет менял бы свою частоту). Оказывается, что одни фотоны проходят через пластину, а другие отражаются. Если на пути отраженного потока фотонов снова поставить такую же пластину, то наблюдается та же картина: часть фотонов проходит через нее, а часть отражается (4).
Как же так? Ведь все фотоны уже отразились от первой пластины, почему же не отразились все и от второй точно такой же пластины? Получается, что одинаковые частицы в одинаковых условиях ведут себя по-разному? Да. Поведение фотона при встрече с пластиной непредсказуемо однозначно. Отражение фотона от пластины или прохождение через нее – случайные события. Данный фотон может пройти через пластину, а может и отразиться.
Оказывается, и внутри атома материя не существует в определенных местах, а, скорее, «может существовать»; атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом наверняка, а, скорее, «могут происходить».
Закономерности, которые проявляются при случайных событиях, описываются с помощью теории вероятности, которая называет эти возможности вероятностями.
В квантовой теории вероятности связаны с математическими величинами, предстающими в форме волн. Эти «вероятностные волны» – абстрактные математические величины со всеми характерными свойствами волн, выражающие вероятности существования частиц в определенных точках пространства в определенные моменты времени. Все законы атомной физики выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не можем с уверенностью говорить об атомном явлении; мы можем только сказать, насколько вероятно, что оно произойдет.
И если классическая механика предсказывает в принципе достоверные события, то задачей квантовой механики является предсказание вероятностей различных процессов (4).
Стоит особо подчеркнуть, что в квантовой теории вероятность следует воспринимать не как элемент нашего незнания или расчета на удачу, на которую рассчитывает, например, игрок в азартные игры, а как основополагающее свойство атомной действительности, управляющее ходом всех процессов и даже существованием материи.
Уравнение Шредингера. В 1926 году австрийский физик Э. Шредингер опубликовал знаменитое уравнение, носящее его имя, которое в квантовой механике играет такую же фундаментальную роль, как уравнения движения Ньютона в классической механике и уравнения Максвелла в классической теории электромагнетизма. Это уравнение является математическим выражением фундаментального свойства микрочастиц – корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому все существующие в природе частицы наделены также волновыми свойствами.
С математической точки зрения уравнение Шредингера есть волновое уравнение и по своей структуре подобно уравнению, описывающему колебания нагруженной струны. Однако в отличие от решений уравнения колебания струны в данный момент времени решения уравнения Шредингера прямого физического смысла не имеют. Смысл имеет квадрат волновой функции (пси-функции), которую Шредингер ввел в свое уравнение феноменологическим (подгоночным) путем, рассматривая ее как некое неизвестное материальное поле. Как правило, феноменологические подходы используются для систематизации данных опыта в тех областях физики, где фундаментальные теории еще не созданы. Как показало время, именно вокруг проблемы редукции[2] волновой функции возникли первые симптомы кризиса науки, не учитывающей сознание в своих исследованиях (4).
Уравнение Шредингера описывает изменение во времени состояния квантового объекта, характеризуемого волновой функцией. Волновая функция (пси-функция) в квантовой механике – это величина, полностью описывающая состояние микрообъекта (электрона, протона, атома, молекулы) и вообще любой квантовой системы. Если известна волновая функция в начальный момент времени, то, решая уравнение Шредингера, можно найти волновую функцию в любой последующий момент времени. В этой части квантовая теория вполне детерминирована (определена). Но волновая функция не наблюдаемая величина.
О наблюдаемых же величинах на основе знания волновой функции можно сделать лишь вероятностные (статистические) предсказания. Ибо квадрат волновой функции равен вероятности нахождения частицы (системы) в момент времени t в квантовом состоянии n в точке пространства с координатами x, y, z. Частица может быть обнаружена в любой точке пространства, в которой волновая функция отлична от нуля. Однако в момент измерения над этим объектом невозможно предсказать, каков будет результат этого процесса, и при проведении серии одинаковых экспериментов над одинаковыми системами каждый раз будут получаться разные результаты. Причины, влияющие на выход из этого события, остаются неизвестными.
Словом, результаты индивидуального измерения над квантовым объектом оказались непредсказуемыми, а это означает отказ от причинной обусловленности всех явлений и переход к неопределенности, к индетерминизму.
Время показало, что уравнение Шредингера не является панацеей. В этом отношении интересно высказывание дважды лауреата Нобелевской премии химика Лайнуса Полинга: «Мы можем верить физику-теоретику, который говорит нам, что все свойства можно рассчитать с помощью известных методов решения уравнения Шредингера. Однако в действительности мы видели, что за 30 лет, прошедших с открытия уравнения Шредингера, было сделано всего лишь несколько точных неэмпирических квантово-механических расчетов свойств вещества, в которых заинтересован химик. Для получения большей части информации о свойствах веществ химик все еще должен опираться на эксперимент» (13).
Вопрос о том, чем является волновая функция в уравнениях Шредингера, то есть какое физическое поле она представляет, волнует ученых до сих пор.
Отказ от детерминизма и его последствия. Фундаментальная неопределенность в квантовой теории разделила ученый мир на две группы, которые придерживались противоположных точек зрения на эту проблему. Одни предпринимали попытки восстановить идею полного детерминизма введением предположения о неполноте квантово-механического описания. Например, высказывалась гипотеза о наличии у квантовых объектов дополнительных степеней свободы – «скрытых параметров», учет которых сделал бы поведение системы полностью детерминированным в смысле классической механики. По мнению сторонников этой гипотезы, неопределенность возникает только вследствие того, что «скрытые параметры» пока неизвестны и поэтому не учитываются. Такой точки зрения придерживались Эйнштейн, Планк, де Бройль, Шредингер, Лоренц, Бом и др.
Другая группа ученых была убеждена, что в основе мироздания лежит индетерминизм, а обсуждаемая особенность квантовой теории есть адекватное отображение мира. Эту точку зрения разделяли Бор, Гейзенберг, Борн, Паули, Дирак, фон Нейман и др. Так, используя в качестве исходного условия основное положение квантовой механики о соответствии между операторами и наблюдаемыми величинами, американский ученый Дж. фон Нейман доказал теорему о невозможности нестатистической интерпретации квантовой механики (4). Эта теорема явилась мощной опорой, заложенной в фундамент индетерминизма. Немецкий физик-теоретик М. Борн призвал ученых «отказаться от основного принципа старой физики – детерминированной причинности».
Это, по его мнению «позволило развитие квантовой механики, частично объяснившее и парадоксальное положение, при котором одновременно признавалась справедливость как волновой, так и корпускулярной теории света… причем первая подтверждалась явлением интерференции, а вторая – фотоэлектрическим эффектом» (14).
По этому поводу современные ученые В. И. Ставицкий и Н. А. Ставицкая пишут в своей книге:
Действительно, как же избежать противоречий, не жертвуя ни «детерминированной причинностью», ни законом сохранения энергии – импульса в фотоэлектрическом эффекте? Пожертвовали причинностью, тем более что в рамках основного положения квантовой механики проверка передачи импульса фотона электрону фототока не доступна. Доступное измерению световое давление – другое дело. Этот факт не привел к противоречиям волновой и квантовой трактовок света (14).Действительно, наиболее простым способом решить возникшую проблему оказался отказ от причинности. Индетерминизм в квантовой теории занял привилегированное положение.
Впоследствии выяснилось, что отказ от основного принципа старой физики – детерминированной причинности – потребовал других «жертв»: за статистической трактовкой квантовой механики оказалась скрытой реальная волновая природа информационного обмена. Слона-то я и не заметил.
Сегодня все большее количество ученых начинает понимать, что физика ХХ века была «чисто энергетической», то есть изучала движение и взаимодействие вещества и энергии, оставив вне рассмотрения все, что касается движения и превращения информации. Физики досконально изучили и глубоко внедрили через технические науки в практику нашей жизни три «неживых» фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное и сильное. Но физика ХХ века даже не прикоснулась к особенному взаимодействию живых материальных тел, а именно информационному, которое является основным по своему масштабу и роли в живой природе. Поэтому она была «физикой неживого» и оставалась ею даже тогда, когда брала в свои предметы живое и пыталась изучить своими средствами, созданными для изучения неживого.
Доктор философских наук В. А. Колеватов пишет:
XXI век должен исправить недосмотр физиков прошлого века: это особенное физическое взаимодействие вещества живых тел через потоки актуальной (для живого), управляющей движением живых тел информации является главным, основным отличительным признаком, отделяющим живую природу от неживой и физику живых тел от физики неживых тел (15).Но к такому выводу ученые пришли только в конце ХХ века, а тогда большинство из них, считая отказ от «детерминированной причинности» непреодолимым, не задумывались о потере информации. Тем не менее были и другие, которые разными путями продолжали искать доступ к скрытому взаимодействию, нелокальному обмену информацией без обмена энергией.
Так, по инициативе Аронова и Бома были поставлены эксперименты, подтверждающие реальность скрытых параметров и доказывающие, по существу, возможность информационного обмена без передачи энергии (14). Опыт Аронова – Бома изменил представление об электромагнитном поле, которое раньше представлялось только как колебания полей электрической и магнитной напряженностей, и убедительно доказывал, что за пределами электромагнетизма, глубже вектора магнитной напряженности, скрыта некая «тайная сущность».
К сожалению, опыты потребовали чрезвычайно сложной техники, и большинству ученых осталось только пожалеть об отсутствии приборов, регистрирующих поля, ответственные за эффект Аронова – Бома.
Но «отсутствие знания о носителе информации, неумение выделить физический процесс, выступающий в роли носителя информации, не может служить достаточным основанием для отрицания самого факта передачи информации» (16).
В конце ХХ века петербургские ученые В. И. Ставицкий и Н. А. Ставицкая подошли к решению вопроса о скрытом взаимодействии, о нелокальном обмене информацией без обмена энергией, имея достаточно простую экспериментальную базу. Распутывая парадоксы электрического тока, они, похоже, нашли оригинальный доступ к квантовой фазе электрона, движущегося в поле векторного потенциала, за счет преобразования ненаблюдаемых величин, обойдя, таком образом, основное положение квантовой механики о соответствии между операторами и наблюдаемыми величинами.
Работая с политроном, ученые сумели обнаружить квантовые эффекты электрона, которые до сих пор не наблюдались в обычных вакуумных электронных приборах. В 1988 году заведующий кафедрой квантовой механики Санкт-Петербургского государственного университета, доктор физико-математических наук, профессор Ю. Н. Демков в заключении на выполненную Ставицкими работу писал: «На самом деле, до сих пор при передаче сигналов по проводам их квантовая природа в расчет не принималась. В частности, квантовая амплитуда сигнала представляет собой зависящую от времени комплексную величину. Тем самым появляются новые „степени свободы“ сигнала, пока никак не использованные. В настоящее время неясно, в какой мере и как эти свойства могут проявиться при низких частотах, однако неизвестны доводы, запрещающие такое проявление» (14).
Ученые продолжали совершенствовать свои исследования и добились успеха. В 2005 году доктор технических наук, профессор кафедры «Сети связи» Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича Я. С. Дымарский в своем заключении на книгу Ставицких пишет: «Экспериментальные результаты Ставицких указывают на то, что парадоксальный эффект (инвариантность формы ко времени) соответствует критерию существования полного информационного обмена в пространстве континуума без прямого обмена энергией» (14).
Сегодня идея возможности полного информационного обмена все больше привлекает внимание ученых, хотя выводы Бома о возвращении в физику детерминизма пока еще не вошли в практику.
На горизонте появляется сознание! С отказом от детерминизма мир, описываемый физикой, оказался разделенным на две разные части. В макромире, с которым мы постоянно имеем дело, действуют четкая определенность, последовательность и строгая причинность реальных событий. Ее легко продемонстрировать на простейшем примере: если бильярдный шар ударится под определенным углом в стенку бильярдного стола, то отскочит обратно под тем же углом.
В субатомном мире, мире квантовой реальности, все наоборот: отсутствие причинности и полнейшая неопределенность. Успех и итог экспериментов в этом мире можно только предсказать с определенной вероятностью. Для примера заменим бильярдный шар электроном, а стенку стола – атомом. Каждое столкновение электрона с атомом имело бы непредвиденные последствия: электрон отскакивал бы от атома в бесчисленное множество возможных сторон.
Такое положение дел очень напоминает практические результаты исследований паранормальных явлений, когда сознание человека играет активную роль в протекании и разнообразных проявлениях этих процессов. Никогда нет стопроцентной уверенности в выполнении паранормального эксперимента: вчера получилось, а сегодня неизвестно, получится ли. Так и в квантовой физике: отскочит ли электрон в ту сторону, которая нас интересует? Неслучайно некоторые ученые, Ю. Вигнер, Д. Эспанья, де Борегард и др., высказали предположение, что редуцирование волнового пакета, описывающего квантовый объект, происходит в сознании наблюдателя. На горизонте теоретической физики впервые замаячила проблема сознания, поскольку предположение ученых означало, что физическая реальность не существует как таковая и вещи превращаются в реальные только тогда, когда привлекают к себе внимание наблюдателя, одаренного сознанием. Но тогда эта проблема только замаячила на горизонте науки.