Квантовая революция. Как самая совершенная научная теория управляет нашей жизнью

Он начал с того, что «обычно наше описание физического явления целиком основано на представлении о том, что при его наблюдении мы не вносим в рассматриваемое явление существенных возмущений»[79]. Однако, как стало ясно из сформулированного Гейзенбергом принципа неопределенности, «любое наблюдение атомных явлений будет связано с таким взаимодействием объекта наблюдений с измерительным устройством, пренебречь которым невозможно»[80]. Следовательно, продолжал Бор, «ни сами явления, ни средства их наблюдения невозможно считать реальными в обычном физическом смысле». Другими словами, мы не можем сказать, что в действительности происходит внутри атома, когда никто на него не смотрит, – согласно Бору, квантовый мир можно рассматривать как реальный только в сочетании с некоторым измерительным устройством. А поведение объектов, регистрируемое таким устройством, может наилучшим образом описываться в терминах либо частиц, либо волн, но никогда и в тех и других одновременно. Эти описания противоречивы – частица имеет определенное положение, а волна не имеет; у волн есть частоты и длины, а у частиц нет, – но Бор заявил, что эта «неизбежная дилемма» не является проблемой квантовой физики. «Мы имеем дело не с противоречивостью, но с дополнительностью явлений, которая является неотъемлемой особенностью описания опыта»[81], – сказал Бор.

Этот «дуализм волн и частиц» прослеживается во всех квантовых явлениях. Например, в старых телевизорах с электронно-лучевыми трубками электроны летят по трубке, установленной в задней части устройства, к люминесцентному экрану в его передней части. Когда электрон ударяет в экран, в этом месте возникает светящаяся точка. Когда электрон начинает свое движение в трубке, его волновая функция подчиняется уравнению Шрёдингера, и он распространяется внутри трубки как волна. Но когда электрон ударяет в люминесцентный экран, это происходит в одной конкретной точке, которая начинает светиться, то есть электрон ведет себя как частица. Итак, иногда электрон ведет себя как волна, а иногда как частица, но никогда как и то и другое сразу. Согласно идее Бора, не может существовать более полного описания электрона или вообще чего-либо – только неполные и несовместимые друг с другом, никогда не перекрывающиеся аналогии. В этом, по словам Бора, и заключается суть дополнительности, и эта ситуация принципиально неизбежна и непреодолима. Новая квантовая теория показала, что невозможно дать единое однозначное описание электрона, которое годилось бы «на все случаи жизни».

Бор указал на принцип неопределенности Гейзенберга как на неизбежность выполнения принципа дополнительности. На примере гейзенберговского гамма-лучевого фонарика он объяснил, что нет никакой возможности избежать изменения импульса электрона при наблюдении его положения, и наоборот. Затем Бор, как до него и Гейзенберг, повторил вслед за Махом[82], что невозможность одновременно измерить обе характеристики электрона означает, что он и не имеет этих характеристик в одно и то же время. Положение и импульс, подобно частице и волне, дополнительны – их никогда нельзя использовать одновременно, но для полного описания ситуации необходимы оба эти параметра.

Но Бор ошибался. В дополнительности не было никакой неизбежности и необходимости. Возможны и другие интерпретации квантовой физики[83]. Конечно, заявить о неизбежности определенного подхода к сложной научной проблеме – значит сделать очень сильное и странное утверждение, ведь любую теорию всегда можно интерпретировать заново. Но Бор был убежден, что дополнительность – глубочайшее свойство природы, обнаруженное в рамках квантовой теории.

Еще более странно то, что Бор подкрепил свои рассуждения примером с гамма-лучевым фонариком. Конечно, этот мысленный эксперимент хорошо иллюстрирует ситуацию в мире, в котором нашему знанию поставлены пределы. Но в этом же мире у частиц в любой момент есть точно определенные положения и скорости. Столкновение электрона с гамма-фотоном не может изменить импульс электрона – при условии, что этим импульсом электрон обладает. Мы не знаем, чему он равен, но это, конечно, не одно и то же, что сказать, что его вообще не существует.