Текст книги "Освоение ума. Общая основа науки и духовности"

Век за веком человечество задавалось вопросом о существовании атома, пыталось его отыскать и гадало, как он мог бы выглядеть. Греческие философы в V в. до н. э. обдумывали идею атома, а сейчас мы знаем, что лет за сто-двести до этого представление об этом уже выдвинули в Индии. Первым это слово произнес Левкипп (atomos по-гречески означает «неделимый»), а его ученик Демокрит развил из этого целую философскую систему. В пустоте (беспредельном вакууме) движутся бесчисленные частицы, создавая всю физическую Вселенную. Эти атомы вечны, невидимы, неделимы, бесконечно малы и тверды. То, как мы ощущаем материю – ее температура, цвет, текстура и тому подобное, – определяется нашими органами чувств. Сами же атомы одинаковы и неизменны и лишь объединяются в различные конфигурации.

Любому наблюдателю бросается в глаза – большие предметы вполне естественно распадаются на меньшие. Если раскрошить ком сухой земли, раздробить камень или даже размолоть зерно, можно увидеть, что эти материалы сформированы из крохотных частиц. Не нужно семи пядей во лбу, чтобы предположить: основным элементом мироздания должны быть еще более мелкие частицы. Это разновидность физического редукционизма – одного из рассмотренных выше допущений научного материализма. По словам Ричарда Фейнмана: «В живых существах нет ничего, что не могло бы быть понято с той точки зрения, что они состоят из атомов, действующих по законам физики»[18]18
  Richard P. Feynman, R. B. Leighton, and M. Sands, The Feynman Lectures on Physics (Reading, Mass.: Addison-Wesley, 1963), 1–9. [Цит. по: Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс, «Фейнмановские лекции по физике. Т. 1. Современная наука о природе. Законы механики», пер. А. В. Ефремова, Я. А. Смородинского, О. А. Хрусталева, Г. И. Копылова. URSS, c. 35. – Прим. перев.]


[Закрыть]. Если мы верим, что Творец (например, Бог) создал всё на свете, то постигнув его строительный материал, мы лучше поймем разум Бога.

Такой точки зрения придерживался Ньютон. Он опирался в основном на свои духовные убеждения, но рядом с его изящными эмпирическими обоснованиями физических законов это видение казалось досужим домыслом. Законы Ньютона действуют в физической вселенной крупных масштабов – макро-вселенной, они описывают движение тел относительно крупных и медленных по сравнению с атомами. Но у Ньютона и его современников не хватало инструментов для проверки своей теории, и оставалось лишь обоснованно предполагать, что атомы действуют по тем же законам. В течение двух с половиной столетий – между эпохой Возрождения и 1900 годом – ученые соглашались с Ньютоном и считали, что его законы в равной мере применимы ко всем объектам, большим и малым, и смогли довести их точность до невероятного уровня.

Современник Ньютона Роберт Бойль, опираясь на свои исследования воздуха, выдвинул гипотезу существования атомов, которую можно было экспериментально подтвердить. Наблюдая за взаимосвязью между давлением и объемом газа, он логически обосновал, что атомы – чрезвычайно малые, нерасчленимые составные элементы материи – просто обязаны существовать. Но пока его выводы оставались в большей степени интуитивными. Для того чтобы связать эти простейшие наблюдения за газами с некими ненаблюдаемыми атомарными первопричинами, требовался огромный акт веры.

Убедительных доказательств существования атомов не удавалось получить вплоть до 1908 года, когда Жан Перрен взялся за изучение броуновского движения – беспорядочного перемещения молекул воды при нагревании. Сравнивая воздействие гравитации и броуновского движения на растворенные в воде минералы, Перрен смог вычислить связанную с весом массу частиц, вызывающих движение. Поскольку эта масса соотносилась с ожидаемой массой атомов – вуаля, атомы обрели реальность.

Вместе с тем давайте не забывать, что атом изначально появился как чисто теоретическая идея. Эта теория основывалась на наблюдении, что материя распадается на более мелкие составные части. Представление, что дела обстоят также на существенно более мелком, невидимом уровне – лишь допущение, согласующееся с убеждением ученых, что Вселенной управляют скрытые механизмы, недоступные нашему восприятию. Атом как раз был такой трансцендентной идеей. А затем, посредством разнообразных искусных умозаключений – то есть рассуждением, – ученые уверились в том, что атом существует.

К 1908 году представление о том, что атом – мельчайшая вещь в мире, а неделимость – его основополагающее свойство, в буквальном смысле «разорвало на части». В 1897 году английский физик Д. Д. Томсон открыл крохотные, стремительно движущиеся частицы с отрицательным электрическим зарядом, которые назвал «электронами». Если они формируют атом, значит, он, «неразрушимый и неделимый», состоит из частей – субатомных частей. Поскольку атом, как его понимала наука, имеет нейтральный, а не отрицательный заряд, ученые пришли к выводу, что в атоме должно быть нечто, нейтрализующее отрицательный заряд электрона. Томсон попытался вообразить такой атом и предложил модель «пудинга с изюмом», опираясь на предшествующие представления лорда Кельвина. Электроны как изюминки были впечатаны в поверхность пока еще неизученного положительно заряженного «пудинга», который уравновешивал заряд электрона и делал атом электрически нейтральным.

Доказательство существования такого пудинга было получено в 1911 году, когда Эрнест Резерфорд направил луч микроскопических альфа-частиц (вид радиационного излучения) на тонкие листы золотой фольги. Эти частицы были настолько малы по сравнению с размером атомов, что почти все должны были беспрепятственно пройти сквозь фольгу. Однако Резерфорд обнаружил, что значительное количество частиц отклонилось от траектории на разные углы. По его собственным словам, «это было почти так же невероятно, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым [артиллерийским] снарядом в листок папиросной бумаги, а он отлетел бы назад и угодил в вас»[19]19
  Encyclopedia Britannica Online, статья “Atom,” http://www.britannica.com (доступ 11 июня 2007 г.).


[Закрыть]. Нечто очень твердое в атомах золота – более твердое, чем рой легковесных электронов, – должно было стать на пути у некоторых из тех альфа-частиц. Резерфорд пришел к выводу, что это неизвестное не может быть ничем иным, кроме как ядром атома.

Наблюдая за устойчивыми и повторяющимися результатами в экспериментальных данных, Резерфорд и ученые, пришедшие ему на смену, шаг за шагом сформировали новую планетарную модель атома: плотное, компактное ядро, окруженное вращающимися по орбитам электронами. Все эти открытия были сделаны путем умозаключений из научных данных. Рассуждения основывались на принципах классической ньютоновской физики. Если эта картина правдива, добытые знания о мире, скрытом от органов чувств, поражали воображение.

Но тут возникло серьезное затруднение. Согласно классическим законам движения и электромагнетизма, если заряженные тела, подобные электронам, движутся по круговым орбитам, они должны испускать электромагнитное излучение. Вращаясь, они будут терять энергию и должны стремительно по спирали упасть на ядро. Но этого не происходило. Со всей очевидностью строительные блоки Вселенной выглядели гораздо устойчивее. Из таких хлипких и недолговечных атомов мир просто не смог бы возникнуть. В 1913 году физик Нильс Бор спас положение, выдвинув теорию, что электроны вращаются на фиксированных в пространстве орбитах. Они заперты на непосредственно ненаблюдаемых оболочках вокруг ядер, каждый согласно своему энергетическому уровню, подобно планетам на орбитах вокруг Солнца. Чтобы перейти с одной оболочки на другую, требуется определенное количество энергии. Электроны не могли просто растерять энергию и рухнуть на ядро, как метеориты падают на землю. Пока энергия электрона не изменится – например, в результате столкновения с другой частицей, – он обречен вращаться на своей конкретной орбите. Это объясняло, почему орбиты и сами атомы в целом могли оставаться устойчивыми.

Идея Бора об оболочках с фиксированными энергетическими уровнями пришла из новой науки – квантовой физики, которую едва ли не случайно создал в 1900 году немецкий физик Макс Планк. Он пытался найти принцип, согласно которому материалы испускают световое излучение при нагревании. Согласно законам классической физики, на всех частотах должно излучаться равное количество световой энергии. Но если это так, поскольку количество возможных частот бесконечно, то и количество световой энергии, излучаемой любым нагретым объектом, должно быть бесконечным. Эту гипотезу нельзя принять, поскольку маловероятно, что какой-либо материал содержит бесконечное количество энергии. Планк обнаружил, что, если подкорректировать пару общепризнанных теорий, можно вывести математическую формулу, соответствующую экспериментальным данным.

Новым объяснительным принципом стал квант (от лат. quantum – «сколько»). Энергия света излучается квантами – порциями энергии с конкретной частотой и неизменной интенсивностью. Представьте лестницу, где каждая ступенька – квант энергии. Чтобы подняться или спуститься на следующий энергетический уровень, нужно сделать один шаг, а не двигаться постепенно, как по наклонному пандусу. Это устранило неувязку: появилась теория, которая ограничила до реалистичных пределов количество световой энергии, выделяемой нагретыми телами. Кванты Планка дали Бору все необходимое, чтобы построить модель атома со строго определенными энергетическими оболочками для электронов.

Эта модель сделала атом понятнее, но в деле изучения атомного и субатомного мира свела на нет достижения Ньютона и его последователей. Представьте, насколько болезненным был этот удар для классической физики: законы, на открытие которых ученые потратили несколько веков, должны были позволить целиком понять «причину причин», а вместо этого показали свою полную несостоятельность. Выяснилось, что мир крохотных, но основополагающих кирпичиков мироздания, похоже, подчиняется совершенно иным законам.

Физики с воодушевлением приняли вызов. Три десятилетия с 1900 до 1930 года оказались одними из самых плодотворных и насыщенных за всю историю физики. Желание разобраться в головокружительных выводах квантовой физики (и теории относительности, которую мы рассмотрим позже) объединило самые светлые ученые умы на планете. Одна из наиболее загадочных особенностей, о которой не следует забывать, состоит в том, что квантовая физика поразительно преуспела в предсказании результатов экспериментов. Кроме того, как и ранее классическая физика, квантовая теория породила множество практически важных изобретений, в том числе лазеры, транзисторы, компьютерные микросхемы и фотоэлементы, не говоря уже о неоднозначных последствиях открытия радиоактивности – атомных часах, атомных электростанциях, радиологической медицине, радиоуглеродном анализе и ядерном оружии.

Но почему такой успех сбивает с толку? Потому что квантовая физика не может объяснить – в обычном смысле этого слова, – как происходят физические события. Она не дает привычной нам наглядной картины или логичного описания. Законы квантовой физики, опираясь на математические расчеты, дают отличные результаты. Они последовательно и точно совпадают с лабораторными экспериментами на атомном уровне и предсказывают их исходы. Многие ученые считают квантовую физику самой успешной теорией современной науки. Квантовая же физика подразумевает по меньшей мере, что ясное и независимое от процедуры измерений знание о физических процессах, происходящих в природе, получить невозможно. Это нанесло серьезный удар по метафизическому реализму: даже если существуют основополагающие, трансцендентные механизмы, управляющие материей и энергией, мы, согласно квантовой физике, не можем узнать их с какой бы то ни было точностью.

Берясь за краткий обзор квантового мира, мы вынуждены отложить в сторону многие обыденные представления о действительности. Нам потребуется открытость и любопытство Алисы из сказки Льюиса Кэрролла «Алиса в Зазеркалье», которая сказала перед зеркалом: «Давай играть, будто мы туда можем пройти! Вдруг стекло станет тонким, как паутинка, и мы шагнем сквозь него!»[20]20
  Цит. по: Льюис Кэрролл. Алиса в Зазеркалье, пер. Н. Демуровой. – Прим. перев.


[Закрыть] Алиса обнаружила, что на другой стороне все читается наоборот, и нас ждет нечто подобное.

В 1905 году Альберт Эйнштейн совершил ключевое открытие: он обнаружил, как свет излучается и поглощается согласно квантовым принципам. В его статье о фотоэлектрическом эффекте (которая принесла ему Нобелевскую премию) показано, как под воздействием рентгеновских лучей металлическая поверхность испускает электроны. Рентгеновские лучи традиционно описывают как волны, но в этом процессе они ведут себя как частицы. Эйнштейн показал, что этот эффект можно объяснить, опираясь на понятие кванта, предложенное Планком: атом металла способен поглотить один фотон (частицу света), но не меньше. Это значило, что существовал наименьший предел, ниже которого свет не может воздействовать на металл. Однако, стоило достичь этого предела, металл мгновенно испускал электрон, как будто щелкнули включателем. (Как в автоматах с напитками, где для покупки требуется три монеты по 25 центов, и только после того, как упадет третья монета, появляется банка с газировкой.) Этот квант и был минимальным «платежом» в фотонах, необходимым, чтобы металл испустил электрон. Так возникало еще одно противоречие классической физике, которая рассматривала свет как волны с плавным изменением интенсивности – на манер регулятора яркости. (Добавьте 1 цент, 5 центов или 10 центов – и получите пару капель газировки. Добавьте другую монету, и вот вам еще немного.)

Вот так, бросив вызов распространенному в конце XIX века убеждению, что свет – волновое явление, квантовая физика показала: свет проявляет свойства частиц. Но на этом все не закончилось. Вскоре обнаружили, что эти частицы – фотоны света – сами способны вести себя как волны. Важно помнить, что волны и частицы в классической физике рассматриваются как противоположные явления. Считалось, что световые или электромагнитные волны подчиняются тем же законам, что и схожие явления – например, водоемы. Волны в оптической физике отражаются от поверхностей подобно волнам на воде, ударяющимся о борт бассейна. Волны накладываются друг на друга, образуя характерные рисунки, которые можно увидеть, бросив два камня в тихий пруд. Такова физика, которая стоит за всеобщими закономерностями. Идет ли речь о волнах жидкости, света и электромагнитных волнах, в классической физике мы используем одну и ту же математику.

При этом частицы действуют как отдельные объекты. Вместо общей картины расходящихся плавных кривых они проявляются как самостоятельные, отдельные события. Бильярдные шары не двигаются, как волны, колеблющиеся на поверхности стола, они ударяются один о другой. Однако квантовые физики теоретически обосновали, а позже экспериментально доказали, что на атомном уровне частицы – фотоны, электроны, нейтроны, протоны и другие субатомные единицы – также способны вести себя как волны: создавать картины отражения, дифракции (огибания препятствия) и интерференции (наложения). И это у них получалось не только взаимодействием с другими частицами, но и взаимодействием с самими собой. Только представьте себе это! Отдельная частица интерферирует сама с собой, будто волна.

Эти удивительные результаты заставили физиков предположить, что субатомные явления нельзя классифицировать как частицы или как волны. По крайней мере на атомарном уровне объекты, похоже, обладали и теми и другими характеристиками. Более того, эти две стороны загадочно дополняли друг друга. Это явление получило название корпускулярно-волнового дуализма. Рассматриваемый принцип называется дополнительностью. По словам Нильса Бора, придумавшего этот термин, два дополнительных аспекта не противоречат друг другу, а «лишь вместе предлагают естественное обобщение классического способа описания»[21]21
  Цит. по: George Greenstein and Arthur G. Zajonc, The Quantum Challenge (Sudbury, Mass.: Jones and Bartlett, 1997), 84.


[Закрыть]. Иначе говоря, понять, что к чему, можно лишь одним способом: объединив два противоположных процесса – волну и частицу.

Если для вас это звучит странно, значит, вы ухватили суть дела. Корпускулярно-волновой дуализм невозможно вообразить, используя наше обычное, классическое воззрение на мир. Но эти странности не исчерпались. По мере того как физики продвигались в своих исследованиях квантовых явлений, они обнаружили, что некоторые пары свойств, необходимые для точного описания физической реальности, на атомном уровне невозможно измерить одновременно.

При игре в бейсбол подающий на горке в центре площадки отправляет мяч по прямой линии на определенное расстояние к основной базе. Если отбивающий делает «хоум ран»[22]22
  Игровая ситуация в бейсболе, позволяющая отбивающему обежать полный круг баз и получить очки. – Прим. перев.


[Закрыть] к центральному полю, мы можем точно описать, что происходит с бейсбольным мячом за те две или три секунды, которые он летит от подающего к отбивающему и далее к центральным трибунам. Можно измерить массу и скорость мяча и посчитать, сколько времени ему потребуется, чтобы достичь биты, и как долго он будет лететь до трибун. После этого несложно высчитать скорость и местоположение мяча в любой точке этого пути и получить траекторию полета. Благодаря ньютоновским законам движения мы можем получить полную картину происходящего.

Квантовая же теория предсказывает, а эксперименты подтверждают, что на атомном уровне импульс (произведение массы на скорость) и расположение частицы (такой как, например, электрон, вращающийся вокруг ядра) одновременно измерить невозможно. Если вам удастся достоверно измерить импульс электрона, то невозможно получить точные данные о его пространственных координатах. И наоборот: если вы точно определили положение, никак не узнать величину импульса. Отсюда вывод: вычислить траекторию движения электрона невозможно. Нельзя получить полное, научное в классическом (или даже в общепринятом) смысле описание его движения. То же справедливо для прочих субатомных частиц и для других пар свойств: определения свойств волны/частицы, энергии системы относительно времени изменений в этой системе, а также траектории и интерференционной картины движущихся тел. Все это придает физической реальности неуютную расплывчатость. Возникает вопрос: если невозможно измерить характеристики, которые традиционно объясняют реальность явления, действительно ли это явление существует – в привычном для нас смысле? Или «это» может быть чем-то пока нам неизвестным? Во второй части книги мы увидим, что для таких вопросов бытия и небытия некоторые восточные системы философии разработали изощренные объяснения и описания.

Эти вопросы приводят нас к еще одному столпу квантовой физики – неопределенности. Согласно этому принципу, положение и импульс частицы – например, электрона, вращающегося вокруг атомного ядра, – существуют лишь как вероятности. Эти вероятности можно вычислить математически, но они не более чем предположения. Это соответствует пятому пункту в нашем тесте множественного выбора. Электроны, вращающиеся вокруг ядра, а также протоны и нейтроны, которые его формируют, можно представить в виде облаков их возможных местоположений. Это потрясает до основания наши общепринятые представления о твердой материи. До квантовой революции науке было известно, что атом – этот строительный кирпичик физической Вселенной – по большей части состоит из пустого пространства, поскольку электроны вращаются на орбитах, изрядно удаленных от крохотного ядра. Но с приходом квантовой физики даже эта рыхлая модель растворилась в призрачном тумане неопределенности.

Однако теория неопределенности – не какая-то туманная философская абстракция. Впервые сформулированная нобелевским лауреатом Вернером Гейзенбергом, она имеет конкретное математическое выражение, позволяющее успешно предсказывать результаты лабораторных экспериментов. Вместе с тем она наносит удар в самое сердце научного материализма и реализма традиционной науки, опрокидывает общепринятый взгляд на действительность. Классическая физика опирается на предположение, что если можно измерить начальные условия любой физической системы, то, обнаружив силы, действующие на эту систему, и применив классические законы физики, можно точно узнать поведение этой системы. Квантовая неопределенность утверждает, что на атомном уровне начальные условия, если они вообще существуют, нельзя узнать точно. Нам не с чего даже начать.

Еще один удивительный факт из мира атомов обнаружился благодаря квантовой физике и связан он с самой процедурой измерения. Предположим, мы хотим напрямую что-то измерить в атоме. В классической физике измерение – абсолютно пассивное действие. Считается, что изучаемый предмет обладает существующими в действительности свойствами, а нам необходимо лишь исследовать или измерить объект, чтобы обнаружить эти свойства. Разумеется, чтобы измерить какое-то свойство атома, инструмент должен с ним взаимодействовать. Можно использовать свет, как в микроскопе, или альфа-частицы, которые Резерфорд применил, чтобы предсказать существование атомного ядра. В классической физике возмущения со стороны прибора можно уменьшить до приемлемого уровня, постепенно снижая интенсивность воздействия измерительного устройства или компенсируя его влияние. Но квантовая физика показала, что, когда мы применяем тот или иной прибор для измерения объекта на атомном уровне, сам прибор заметно и непредсказуемо изменяет состояние измеряемого объекта. Если буквально пролить свет на атом, его тут же «перекособочит». Фотоны (или волны) света нанесут относительно мощный удар по атому и тут же вызовут непредсказуемую реакцию. Более того, поскольку нельзя постепенно регулировать свет, добиваясь подходящей низкой частоты или интенсивности (потому что, как мы видели ранее, он излучается ступенчато, квантовыми порциями энергии), нет и способа «объективно» измерить объект. Все равно что пытаться перебрать бисер струей из брандспойта. Эту проблему продемонстрировали и математически, и на практике. И наконец, если влияние измерения непредсказуемо, как можно его компенсировать?