Контрольные вопросы

1. В чем заключается суть копенгагенской интепретации квантовой механики?

2. Почему не согласились с копенгагенской интерпретацией А. Эйнштейн, Э. Шредингер и другие физики?

3. Какое философское обоснование предложили советские физики А. Александров и Д. Блохинцев?

4. Каковы основные исторические этапы развития философских и научных представлений о структуре физической материи?

Паул Девис

Паул Чарльз Вильям Девис (Paul Charles William Davies) – физик, писатель, диктор, родился 22 апреля 1946 года.

В настоящее время профессор Государственного Университета Аризоны, а также директор «Beyond», центра фундаментальных понятий в науке. Паул Девис преподавал в Университете Кембриджа, Лондона, Ньюкасла‑на‑Тайне, Университете Аделаиды и Макквейра. Его исследовательские интересы касаются области космологии, квантовой теории поля и астробиологии. Паул предположил, что полет на Марс вполне может быть реальностью. В 1970 году в Университетском колледже Лондона Паул Девис получил степень доктора наук, защитив свою работу под названием «Вклад в теоретическую физику: радиационное затухание в оптической сплошной среде. Квантовая теория электродинамики Уилера‑Фейнмана» под руководством Майкла Ситона и Сигурда Зинау. В 2005 году он занял место председателя SETI, научной технической группы Международной Академии астронавтики. Паул Девис издал более 20 книг, среди которых «Другие миры» (1980), «На краю бесконечности» (1981), «Бог и новая физика» (1983), «Суперсила» (1984), «Мы одни?» (1995), «Пятое чудо» (1998), «Как построить машину времени» (2001), «Квантовые аспекты жизни» (2008).

Действительность и мир квантов Лабиринт парадоксов

Летом 1982 г. в Парижском университете был проведен исторический эксперимент. Французский физик Ален Аспек и его сотрудники решили проверить, не удастся ли им «перехитрить» квант. На карту были поставлены не только наиболее плодотворная научная теория, но и сама основа того, что мы считаем физической реальностью.

Как и многие решающие эксперименты в физике, парижский эксперимент восходил к парадоксу, который озадачивал и интриговал физиков и философов на протяжении почти половины века. Речь идет об одной из принципиальных особенностей квантовой физики – о неопределенности. Знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга вынуждает вносить существенные поправки в простую, построенную на интуиции картину мира атомов, согласно которой частицы под действием сил движутся по вполне определенным траекториям. В действительности частица, например электрон, движется сложным, почти непредсказуемым образом, и проследить за ее движением в деталях или хотя бы дать его описание невозможно.

До появления квантовой теории физическую Вселенную рассматривали как огромный часовой механизм, ход которого до мельчайших деталей неукоснительно следовал безупречной логике причины и следствия, воплощенной в законах механики Ньютона. Разумеется, законы Ньютона и поныне справедливы для описания большинства явлений в окружающем нас мире. Они направляют пулю к цели и заставляют планеты двигаться точно по орбитам. Но, как мы теперь уже знаем, в масштабах атома многое обстоит совсем иначе. На смену знакомому упорядоченному движению макроскопических тел приходит беспорядок и хаос. Привычные твердые тела на поверку оказываются призрачной мозаикой, образованной всплесками энергии. Квантовая неопределенность убеждает нас, что невозможно всегда все знать о частице. Если, фигурально говоря, вы попытаетесь «пришпилить» частицу к определенному месту, она ускользнет от вас.

Эта неуловимость квантовых частиц доставила немало хлопот физикам при построении квантовой теории. В 20‑х г. нашего столетия новая квантовая механика выглядела лабиринтом парадоксов. Хотя Вернер Гейзенберг и Эрвин Шрёдингер были главными строителями квантовой теории, ее интерпретацию предложили Макс Борн и особенно Нильс Бор. Датский физик Бор первым осознал во всей полноте, что квантовая теория в той же мере применима к веществу, как и к излучению, и в последующие годы стал ведущим авторитетом и лидером среди физиков в области концептуальных основ квантовой механики. Институт Бора в Копенгагене был центром исследований по квантовой физике на протяжении более чем десятилетия. Однажды Бор заметил своим коллегам: «Если у человека при первом знакомстве с квантовой механикой голова не идет кругом, то он не понимает в ней ничего» В своей книге «Физика и философия» Гейзенберг вспоминает о первых мучительных сомнениях по поводу смысла новой квантовой механики:

Я вспоминаю дискуссии с Бором, длившиеся за полночь, которые приводили меня почти в отчаяние. И когда я после таких обсуждений отправлялся на прогулку в соседний парк, передо мной снова и снова возникал вопрос: действительно ли природа может быть столь абсурдной, какой она предстает перед нами в этих атомных экспериментах?

Самым крупным оппонентом квантовой механики был Эйнштейн. Хотя ему самому довелось приложить руку к формулировке квантовой теории, он никогда полностью не разделял ее идей, считая квантовую теорию либо ошибочной, либо в лучшем случае «истинной наполовину». Известно его изречение: «Бог не играет в кости». Эйнштейн был убежден, что за квантовым миром с его непредсказуемостью, неопределенностью и беспорядком скрывается привычный классический мир конкретной действительности, где объекты обладают четко определенными свойствами, такими, как положение и скорость, и детерминированно движутся в соответствии с причинно‑след­ст­вен­ными закономерностями. «Безумие» атомного мира, по утверждению Эйнштейна, не является фундаментальным свойством. Это всего лишь фасад, в котором «безумие» уступает место безраздельному господству разума.

Эйнштейн пытался найти это фундаментальное свойство в нескончаемых дискуссиях с Бором – наиболее ярким выразителем взглядов той группы физиков, которые считали квантовую определенность неотъемлемой чертой природы, не сводимой чему‑либо другому. Эйнштейн с завидным упорством продолжал свои атаки на квантовую неопределенность, пытаясь придумать гипотетические («мысленные», как принято говорить) эксперименты, которые обнаружили бы логический изъян в официальной версии квантовой теории. Бор каждый раз отражал нападки Эйнштейна, опровергая его аргументы.

Особенно памятен один эпизод на конференции, на которой собрались многие ведущие физики Европы в надежде услышать о последних достижениях новой тогда квантовой теории, Эйнштейн направил свою критику против варианта принципа неопределенности, устанавливающего, с какой точностью можно определить энергию частицы и момент времени, когда частица ей обладает. Эйнштейн предложил необычайно остроумную схему, позволяющую обойти неопределенность энергии‑времени. Его идея сводилась к точному измерению энергии с помощью взвешивания: знаменитая формула Эйнштейна Е = mc² сопоставляет энергию E и массу m, а массу можно измерить взвешиванием.

На этот раз Бор был обеспокоен, и те, кто видел, как он провожал Эйнштейна в гостиницу, заметили, что Бор был сильно взволнован. Но на следующий день Бор, проведший бессонную ночь за детальным анализом рассуждений Эйнштейна, торжествуя, обратился к участникам конференции. Развивая свои аргументы против квантово‑механической неопределенности, Эйнштейн упустил из виду один важный аспект созданной им самим теории относительности. Согласно этой теории, гравитация замедляет течение времени. А поскольку при взвешивании без гравитации не обойтись, эффектом замедления времени пренебречь нельзя. Бор продемонстрировал, что при надлежащем учете этого эффекта неопределенность восстанавливается на обычном уровне.