Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной

Дополнительность (или комплементарность) в самой фундаментальной форме — концепция, согласно которой одна и та же вещь, если рассматривать ее с разных точек зрения, обладает очень разными, даже взаимоисключающими свойствами. И такое отношение к опыту и проблемам я считаю чрезвычайно полезным. Оно открывает глаза. Оно изменило мое мировоззрение, помогло мне стать великодушнее и терпимее, а также развить воображение. Теперь я хотел бы вместе с вами проанализировать эту расширяющую кругозор идею, как я ее понимаю.

Мир прост и сложен, логичен и странен, закономерен и хаотичен. Фундаментальные законы не объясняют эту двойственность — на самом деле, как мы видели, они высвечивают ее и углубляют. Природа людей тоже двойственна: мы крошечные и огромные, эфемерные и долгоживущие, мудрые и невежественные. Невозможно судить о физической реальности, по-настоящему не прочувствовав принцип дополнительности. Невозможно и понять без него самих себя.

ПРИНЦИП КОМПЛЕМЕНТАРНОСТИ В НАУКЕ

Первым этот принцип сформулировал великий датский ученый Нильс Бор. По одной версии, Бор почерпнул его из опыта работы с квантовой физикой, а по другой — пришел к такому образу мыслей раньше, естественным образом, и как раз это сделало возможными его уникальные открытия. Некоторые биографы Бора объясняют все влиянием Сёрена Кьеркегора, датского мистика и философа, которым Бор восхищался.

Между первыми приблизительными представлениями о квантовом поведении, относящимися примерно к 1900 году, и созданием современной квантовой теории в конце 1920-х был период напряженных раздумий. Тогда казалось невозможным согласовать результаты различных экспериментов. Бор строил причудливые модели, которые объясняли одни наблюдения и игнорировали другие. Альберт Эйнштейн написал о его работе:

Мне всегда казалось чудом, что этой колеблющейся и полной противоречий основы оказалось достаточно, чтобы позволить Бору — человеку с гениальной интуицией и тонким чутьем — найти главнейшие законы <…> атомов, включая их значение для химии. Это мне кажется чудом и теперь. Это наивысшая музыкальность в области мысли.

Исходя из этого опыта, Бор развил принцип дополнительности в мощный метод, позволяющий проникнуть в суть вещей. Из точных наук этот мудрый метод перекочевал и в философию.

ПРИНЦИП КОМПЛЕМЕНТАРНОСТИ В КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ

В квантовой механике ключевой способ описания объекта, будь то электрон или слон, — его волновая функция. Волновая функция объекта — своего рода заготовка, которую мы можем превратить в прогнозы относительно его поведения. Мы можем совершать с волновой функцией разные манипуляции, получая ответы на разные вопросы. Если мы хотим предсказать, где будет находиться объект, мы должны обработать его волновую функцию одним способом, а если интересуемся скоростью — то другим.

Если не вдаваться в детали, эти два способа исследования волновой функции похожи на два способа анализа музыкального произведения: гармонический и мелодический. Гармонический анализ локален, только, в отличие от частицы, здесь отслеживается не точка в пространстве, а момент времени. Мелодический анализ исследует более общие свойства. Гармония — аналог местоположения, а мелодия — скорости.

Мы не можем провести эти два вида анализа одновременно. Они мешают друг другу. Если вы хотите узнать о местоположении, придется обработать информацию о волновой функции таким образом, что будут уничтожены данные о скорости, и наоборот.

Хотя точные детали сложны, я все же подчеркну: все сказанное основывается на прочном математическом фундаменте. В современной квантовой теории дополнительность — факт, а не голословное утверждение.

До сих пор я обсуждал принцип квантовой дополнительности, используя такие понятия, как волновые функции и обработка информации. Но мы можем рассмотреть ситуацию более конкретно, с другой — экспериментальной — точки зрения. Вместо того чтобы спросить, как исследовать волновую функцию частицы и сделать прогнозы о ее поведении, мы спросим, как нам взаимодействовать с частицей, чтобы измерить ее свойства.

В рамках математического аппарата квантовой механики комплементарность положения частицы и ее скорости формулируется как теорема. Но так можно описать природу, а не раскрыть истину. В действительности многие основатели квантовой теории, включая Эйнштейна, скептически относились к ее сложившейся математической форме. Из невозможности квантовой теории одновременно предсказать положение и скорость должна следовать наша неспособность одновременно измерять эти свойства в эксперименте. Иначе нам потребовался бы новый математический аппарат, пригодный для описания таких измерений.