Основы реальности. 10 фундаментальных принципов устройства Вселенной

Вскоре после того, как молодой Вернер Гейзенберг заложил основы современной квантовой теории, он осознал ее поразительный математический результат: положение и скорость не измерить одновременно. Он сформулировал этот вывод как «принцип неопределенности». И ключевой вопрос, который он ставит, таков: правильно ли описываются конкретные факты, то есть события, которые мы наблюдаем в физическом мире? Гейзенберг, а затем Эйнштейн и Бор — все они ломали голову над ответом.

На уровне физического поведения комплементарность отражает два ключевых момента. Первый заключается в том, что для измерения свойств чего-либо вы должны с этим чем-либо взаимодействовать. Другими словами, наши измерения не фиксируют реальность, а только «берут с нее пробу». Вот как это изложил Бор:

В квантовой теории <…> логическое осмысление ранее неизвестных фундаментальных закономерностей <…> потребовало осознания того, что невозможно провести четкое разделение между независимым поведением объектов и их взаимодействием с измерительными приборами.

Второй ключевой момент, усиливающий первый, таков: точные измерения требуют сильного взаимодействия с измерительными приборами.

Помня об этом, Гейзенберг рассмотрел множество способов измерить положение и скорость элементарных частиц и обнаружил, что все они согласуются с его принципом неопределенности. Этот анализ укрепил уверенность в том, что странный математический аппарат квантовой теории — отражение странных явлений в физическом мире.

Факт, что наблюдение — активный и «агрессивный» процесс — стал отправной точкой анализа Гейзенберга. Без него мы не можем использовать математический аппарат квантовой теории для описания физической реальности. Однако это разрушает модель мира, которую мы выстраиваем в детстве. Согласно ей, существует точная граница между нами самими и внешним миром, обладающим свойствами, которые мы открываем путем наблюдений. Осмыслив открытия Гейзенберга и Бора, мы понимаем: это не так. Наблюдая за миром, мы участвуем в его построении.

Гейзенберг работал над принципом неопределенности в Институте Нильса Бора в Копенгагене. У этих двух создателей квантовой теории были горячие дискуссии, и между ними возникли своего рода отношения наставничества. Ранние идеи Бора о дополнительности возникли как интерпретация работ Гейзенберга.

Эйнштейн не разделял мнения Бора и Гейзенберга. Ему не нравилась идея комплементарности — сама мысль, что могут быть правильные, но несовместимые точки зрения. Он надеялся, что возникнет более полное понимание, которое объединит их, — например, что найдется способ измерить одновременно и положение, и скорость (или импульс[138]) частицы. Он уделял серьезное внимание этой проблеме. Его остроумные мысленные эксперименты были сложнее, чем те, которые предлагал Гейзенберг.

Свои знаменитые дебаты с Эйнштейном Бор описывает в обзорной статье «Дискуссии с Эйнштейном о проблемах теории познания в атомной физике». Там Эйнштейн использует серию мысленных экспериментов, оспаривающих некоторые аспекты квантово-механической комплементарности, особенно комплементарность энергии и времени. Отвечая на эти доводы, Бор смог найти тонкие изъяны в анализе Эйнштейна и отстоять физическую непротиворечивость квантовой теории.

Эти дебаты, как и дальнейшие, прояснили природу квантовой теории, и до настоящего времени ее правильность не оспаривалась всерьез. Люди использовали квантовую теорию для создания множества чудесных устройств, от лазеров до айфонов и GPS-навигаторов. Эти устройства вполне работоспособны. Если «то, что не убивает» правда «делает нас сильнее», то позиции квантовой теории и вытекающей из нее комплементарности теперь реально сильны.

Кстати, если вам интересно, что все это означает на примере упомянутого в начале раздела слона, ответ такой: хотя для слона квантовая неопределенность в принципе присутствует, о ней можно спокойно забыть. У нас не возникает проблем с измерением положений и скорости слона с точностью, достаточной для практических задач. Неопределенность этих параметров по сравнению с их реальными величинами ничтожно мала. Другое дело — электроны в атомах.

УРОВНИ ОПИСАНИЯ

Еще один источник комплементарности — разные уровни описания. Иногда описание системы, использующее одну модель, при работе с ней становится слишком сложным, чтобы ответить на важные вопросы. Тогда мы можем найти дополнительную модель, основанную на других идеях.