4.1. Квантовая информация и Разум

В начале 20-го века были обнаружены две группы явлений (казалось, не связанные между собой), свидетельствующие о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики Максвелла к процессам, происходящим в атоме. Первая группа явлений была связана с установлением на опыте двойственной природы света- дуализмом света, вторая -с невозможностью на основе классических представлений объяснить существование устойчивых атомов, а также их оптические спектры. Установление связи между этими группами явлений и попытки объяснить их привели, в конечном счете, к открытию законов квантовой механики.

Впервые понятие кванта было введено немецким физиком М. Планком в 1900 году. Исходя из результатов экспериментов, он высказал идею о том, что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а определенными дискретными порциями-квантами. Позднее, развивая идею М. Планка, А. Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, то есть дискретность присуща самому свету: свет состоит из отдельных порций - световых квантов, позднее названных фотонами. Кроме того, А.Эйнштейн обосновал идею квантования энергии - деление энергии на порции.

В 1922 году американский физик А. Комптон экспериментально доказал, что свет обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами, то есть свет является одновременно и волной, и частицей. Возникло логическое противоречие: для объяснения одних явлений необходимо было считать свет волной, а для объяснения других явлений - корпускулой. 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. По существу именно разрешение этого противоречия и привело к созданию физических основ квантовой механики. В 1924 году французский физик Л. де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщем корпускулярно-волновом дуализме, по которой не только фотоны, но и все «обыкновенные частицы» (протоны, нейтроны, электроны и т. д.) также обладают волновыми свойствами. Позднее эта гипотеза была подтверждена экспериментально. Австрийский физик Э. Шредингер в 1926 году вывел уравнение, описывающее поведение таких «волн» во внешних силовых полях. Так возникла волновая механика, а уравнение Шредингера явилось основным уравнением нерелятивистской квантовой механики. А в основу релятивистской квантовой механики легло релятивистское уравнение, описывающее движение электрона во внешнем силовом поле, полученное английским физиком П. Дираком двумя годами позже. Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории произошло после появления работ В. Гейзенберга о принципе неопределенности и Н. Бора о принципе дополнительности.

4.1.1.Принципы неопределенности и дополнительности

Принцип неопределенности, сформулированный В.Гейзенбергом, утверждает, что «любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные точные значения». Что это значит? Существенной чертой микроскопических объектов является их корпускулярно-волновая природа . Состояние частицы полностью определяется волновой функцией . Частица может быть обнаружена в любой точке пространства, в которой волновая функция отлична от нуля. Поэтому результаты экспериментов по определению, например, координаты, имеют вероятностный характер. Это означает, что при проведении серии одинаковых опытов над одинаковыми системами каждый раз будут получаться разные результаты. Однако некоторые значения будут более вероятными, чем другие, то есть будут появляться чаще. Причем, чем точнее будет определена координата, тем менее точным будет значение импульса. Таким образом, квантовые «законы» не имеют абсолютной природы законов Ньютона, вся квантовая теория строится на вероятности . И если классическая физика может предсказать точные результаты еще до эксперимента, то квантовая физика может предсказать только вероятности.

К принципу дополнительности, сформулированному Н. Бором, физики пришли, когда обнаружили, что при экспериментах с элементарными частицами Наблюдатель сам же с помощью своих собственных действий себе мешает. Принцип Бора гласит: получение в эксперименте информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к данным. Об элементарных частицах мы что-то узнаем обычно по результатам их встреч с другими частицами, играющими роль зондов. В квантовом мире такие встречи частиц изменяют их свойства. А приборы, которыми мы регистрируем частицы, по своей природе всегда объекты макроскопические. Прибор искажает то, что исследует. Сам акт наблюдения изменяет наблюдаемое. Объективная реальность зависит от прибора, то есть в конечном счете, от произвола Наблюдателя. Последний превращался, таким образом, из зрителя в действующее лицо. Поэтому один из «отцов» квантовой механики Н. Бор считал, что Наблюдатель познает не саму реальность, а лишь собственный контакт с ней.

Некоторые физики, например Е. Вигнер, начали изучать вопрос о влиянии сознания Наблюдателя на результаты измерений квантовой физики. В результате всей этой неопределенности, вероятности и дополнительности Н. Бор дал так называемую «копенгагенскую» интерпретацию сути квантовой теории: «Раньше было принято считать, что физика описывает Вселенную. Теперь мы знаем, что физика описывает лишь то, что мы можем сказать о Вселенной». Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что «копенгагенизм» постулирует Вселенную, которая магически создается человеческой мыслью. По этому поводу А. Эйнштейн как-то сказал, что если, согласно квантовой теории, Наблюдатель создает или частично создает наблюдаемое, то мышь может переделать Вселенную, просто посмотрев на нее. Поскольку это кажется абсурдом, А. Эйнштейн заключил, что в квантовой физике содержится какой-то большой нераспознанный изъян.

Как же в таком случае следует расценивать фундаментальную неопределенность (индетерминизм) в квантовой теории? Можно предположить, что индетерминизм лежит в основе Мира, а обсуждаемая особенность квантовой теории есть адекватное отображение этого Мира. Именно этой точки зрения придерживались Н.Бор, В. Гейзенберг, П.Дирак, В. Паули и многие другие. Но существовало и другое мнение, а именно в основе Природы лежит какая-то разновидность детерминизма, например, статистического характера в духе скрытых параметров, которая пока ускользает из поля зрения исследователей. Такой точки зрения придерживались М. Планк, А.Эйнштейн, Л.де Бройль, Э.Шредингер, Г.Лоренц, которые с самого начала отвергали «копенгагенизм», настаивая на том, что в конце концов будет найден способ утвердить «реальность» даже в квантовом мире.

В частности, А.Эйнштейн считал, что квантовая теория в существующем виде просто является незаконченной. То есть, то, что мы пока не можем избавиться от неопределенности, не свидетельствует об ограниченных возможностях научного метода, как утверждал Н. Бор, а говорит лишь о незавершенности квантовой механики. В конце концов, аргумент А.Эйнштейна вырос в гипотезу о существовании так называемой скрытой переменной. Можно только поражаться интуиции А.Эйнштейна, более 30 лет боровшегося с тем направлением развития, которое приняла квантовая физика при его жизни. А.Эйнштейн выступал против принципа неопределенности, за детерминизм, против той роли, которую в квантовой механике отводят акту наблюдения (влиянию измерительного прибора). Он полагал, что квантовая теория может стать более совершенной на пути расширения общего принципа относительности. Внешнюю, открытую борьбу А.Эйнштейн вел долго и упорно. Он шел с открытым забралом на защиту своих интересов, придумывал все новые, самые изощренные аргументы и опыты - экспериментальные и логические -для доказательства своей правоты. Потом Н. Бор не раз отмечал, насколько важной и плодотворной для развития квантовой механики стала эта длительная дуэль с А.Эйнштейном. Признавая себя побежденным в каждом бою, А.Эйнштейн продолжал верить, что истина все же на его стороне, и страстно продолжал искать ее.

В 1947 году А.Эйнштейн писал М. Борну, одному из основоположников квантовой механики: «В наших научных взглядах мы развились в антиподы. Ты веришь в играющего в кости Бога, а я - в полную закономерность объективно сущего. В чем я твердо убежден, так это в том, что в конце концов остановятся на теории, в которой закономерно связанными будут не вероятности, но факты». Автор хотел бы кратко и образно с помощью известного афоризма А. Франса дополнить это высказывание А. Энштейна: «В отличие от М. Борна, который верил в Бога, играющего в кости, А. Энштейн до конца своих дней верил, что случай - это псевдоним Бога, когда он не хочет подписываться своим собственным именем». Существование двух принципиально различных направлений в подходе к квантовой физике характеризует кризис в понимании физической реальности, который длится вот уже более полувека.