Дао физики - Капра Фритьоф. Страница 26

В этой главе я расскажу о том, как теория атомных явлений, то есть квантовая теория, обнаруживает принципиальное единство Вселенной, тщательно анализируя процесс наблюдения. Должен заметить, что, хотя я постарался выбросить всю математику и как можно больше упростить анализ, последующие рассуждения могут показаться читателю слишком сухими и техническими. Возможно, к этому лучше подходить как к «йогическому» упражнению, которое, как многие упражнения, использующиеся восточными традициями, не похоже на развлечение, но в результате приводит к глубокому блистательному прозрению сущности вещей. Прежде чем окунуться в среду физики, хотелось бы еще раз напомнить о различии между математическим скелетом теории и ее словесным описанием. Математическая сторона квантовой теории неоднократно подвергалась экспериментальной проверке, и теперь является общепринятым описанием всех атомных явлений — последовательным и непротиворечивым. Однако словесное истолкование квантовой теории не имеет столь твердой почвы под ногами. И действительно, вот уже на протяжении более сорока лет физики не могут остановиться на какой-либо метафизической модели, которая четко соответствовала бы квантовой теории.

Этот рассказ основан на так называемой копенгагенской интерпретации квантовой теории, разработанной в конце двадцатых годов нашего века Бором и Гейзенбергом и до сих пор являющейся наиболее общепринятой моделью. Я буду опираться на описание этой модели, данное в работе Генри Стаппа из Калифорнийского университета и сосредотачивающееся на соответствующих аспектах квантовой теории и на определенной разновидности экспериментальных ситуаций, которая часто встречается в субатомной физике (другие аспекты теории мы будем рассматривать позже) [70, 1303]. Стапп самым очевидным образом доказывает, что одно из следствий квантовой теории — представление о принципиальной взаимосвязанности всех явлений природы, а также описывает теорию в том контексте, который будет необходим в дальнейшем, при рассмотрении релятивистских моделей субатомных частиц.

Отправной пункт копенгагенской интерпретации — разделение физического мира на наблюдаемую систему («объект») и наблюдающую систему. Наблюдаемая система может быть атомом, субатомной частицей, атомным процессом и т. д. Наблюдающая система состоит из экспериментального оборудования и одного или нескольких людей-наблюдателей. Значительная сложность заключается в том, что две эти системы рассматриваются совершенно по-разному. Наблюдающую систему описывают в терминах классической физики, что не может быть сделано по отношению к наблюдаемому «объекту» с должной последовательностью. Мы знаем, что классические представления неадекватны на уровне атома, но пользуемся ими для описания экспериментов и подведения итогов. И нет возможности избежать этого парадокса. Технический язык классической физики — лишь очищенный и усовершенствованный повседневный язык, и для описания результатов экспериментов мы не располагаем ничем иным.

Квантовая теория описывает наблюдаемые системы в терминах вероятностей. Это значит, что мы никогда не можем с точностью утверждать, где будет находиться в определенный момент субатомная частица и каким образом будет происходить тот или иной атомный процесс. Все, что мы можем сделать, это предсказать вероятности. Например, большинство частиц, известных в настоящее время, неустойчивы, то есть они, по прошествии определенного времени, распадаются, или «разлагаются», на другие частицы. И точно сказать, когда это произойдет, нельзя. Мы можем только предсказать вероятность распада частицы по прошествии определенного времени, то есть указать среднюю продолжительность существования большей части частиц какой-то определенной разновидности. То же самое можно сказать о «способе» распада. Как правило, частица может распасться на различное количество разнообразных частиц, и снова мы не можем предугадать, какие именно частицы станут продуктом распада исходной частицы. Единственное, что мы можем сказать, это то, что из некоторого большого количества частиц, скажем, шестьдесят процентов частиц распадутся одним образом, еще тридцать — другим, и, наконец, еще десять процентов — третьим. Понятно, что для того, чтобы проверить истинность таких статистических выкладок, нужно произвести множество измерений. И это действительно так — ведь для того, чтобы произвести один эксперимент в области физики высоких энергий, фиксируются и подвергаются анализу десятки тысяч столкновений частиц, и только тогда можно определить вероятность какого-либо процесса.

Важно осознать, что статистические формулировки законов атомной и субатомной физики не отражают нашего незнания физической ситуации, как в случае с использованием вероятностей страховыми компаниями или игроками в азартные игры. В квантовой теории вероятность следует воспринимать как основополагающее свойство атомной действительности, управляющее ходом всех процессов и даже существованием материи. Субатомные частицы не столько существуют в определенное время в определенных местах, сколько «могут существовать», а атомные явления не столько происходят определенным образом в определенные моменты времени, сколько «могут происходить».

Так, мы не можем точно сказать, где в данный момент находится электрон данного атома. Его местонахождение зависит от действия силы притяжения ядра и воздействия других электронов того же атома. Эти обстоятельства создают вероятностную модель местонахождения электрона в различных областях атома. Иллюстрация на рис. 9 может служить примером нескольких вероятностных моделей. Электрон, вероятнее всего, находится там, где фон светлый, и, менее вероятно, там, где фон темный. Очень важный момент — то, что весь паттерн соответствует одному электрону в данный момент. Внутри паттерна мы не можем указать конкретное местонахождение электрона, мы можем лишь с какой-то вероятностью указать область его пребывания. На языке формальной математики эти тенденции, или вероятности, выражаются вероятностной функцией — математической величиной, характеризующей вероятности местонахождения электрона в разных точках в разное время.

Контраст между двумя типами описания — классические термины для подготовки эксперимента и вероятностные функции для наблюдаемых объектов — приводит к серьезным метафизическим проблемам, которые до сих пор остаются нерешенными. Тем не менее, на практике эти проблемы попросту обходят, описывая наблюдающую систему в операциональных терминах, то есть в терминах предписаний, позволяющих ученым подготовить и провести эксперимент. Благодаря этому измерительные приборы и сами ученые представляют собой единую комплексную систему, которая не делится на самостоятельные, четко определенные части. Поэтому не нужно описывать экспериментальное оборудование как систему самостоятельной физической природы. Для дальнейшего описания процесса наблюдения мы приведем конкретный пример с простейшей физической единицей — субатомной частицей, такой, как электрон. Если мы задались целью наблюдать и измерять такую частицу, нам сначала придется ее изолировать или даже создать в процессе того, что называется подготовкой эксперимента. После того, как частица готова для наблюдения, можно измерить ее характеристики, и в этом состоит процесс измерения. Можно символически описать ситуацию следующим образом. Частицу А готовят в точке А, затем она перемещается из А в В и подвергается измерениям в точке В. На практике и подготовка и измерение частицы могут представлять собой целый ряд довольно сложных процессов. Так, например, в физике высоких энергий при подготовке столкновений частиц частицы-снаряды разгоняются, вновь и вновь двигаясь по круговой дорожке, до тех пор, пока их энергия не возрастет до нужного уровня. Этот процесс происходит в ускорителе частиц. Когда необходимое количество энергии приобретено, частицы покидают ускоритель (А) и перемещаются в район мишени (В), где сталкиваются с другими частицами. Столкновения происходят в пузырьковой камере: частицы оставляют видимые следы, которые потом фотографируются. Подвергая математическому анализу следы частиц, ученые могут говорить о свойствах частиц; при этом часто используют компьютеры: анализ очень сложен. Все эти процессы составляют акт измерения.