Под знаком кванта

В начале 20-х годов физики Макс Борн и Джеймс Франк и математик Давид Гильберт организовали в Гёттингене «Семинар по материи», на котором задолго до работ Гейзенберга и Шрёдингера стали употреблять термин «квантовая механика». В нем принимали участие и признанные в то время ученые, и знаменитая впоследствии молодежь. Почти каждый семинар Гильберт начинал вопросом: «Итак, господа, подобно вам, я хотел бы, чтобы мне сказали точно — что такое атом?»

Сейчас мы знаем об атоме больше, чем все участники семинара тех лет, однако ответить Гильберту с полным знанием дела мы еще не готовы. Нам известно теперь довольно много фактов квантовой физики, но пока еще недостает понятий, чтобы эти факты правильно истолковать.

Благодаря Нильсу Бору даже сейчас, много лет спустя, при слове «атом» непроизвольно приходит на ум именно «планетарный атом», то есть маленькая планетная система из ядра и электронов. Только потом усилием воли мы заставляем себя вспомнить, что атому присущи также и волновые свойства. Сейчас, как и прежде, обе идеи — «электрон-волна» и «электрон-частица» существуют в нашем сознании независимо, и невольно мы пытаемся от одной из них избавиться. «Частица или волна?»— к этому вопросу в 20-х годах физики возвращались постоянно: стремление к определенности заложено в человеке очень глубоко.

К весне 1926 г. в атомной физике сложилось любопытное положение: порознь и независимо возникли сразу две квантовые механики, исходные посылки которых резко различались. Гейзенберг вслед за Бором был убежден, что электрон — частица, и свои матричные уравнения написал в этом убеждении. Шрёдингер смог вывести свое дифференциальное уравнение, лишь поверив вместе с де Бройлем в волновые свойства электрона.

Гейзенберг требовал, чтобы в уравнения входили только те величины, которые можно непосредственно измерить на опыте: частоты спектральных линий и их интенсивности. На этом основании он исключил из теории понятие «траектория электронов в атоме» как величину принципиально ненаблюдаемую. Шрёдингер тоже не использовал понятия траектории, однако записал свое уравнение для ψ-функции, которая сама по себе измерена быть не может и физический смысл которой поначалу не был ясен никому, включая и самого Шрёдингера.

Опыт — последний судья во всех спорах — вначале решительно был на стороне матричной механики. В самом деле, из опытов Фарадея следовала неделимость электрического заряда, и дальнейшие опыты Крукса и Дж. Дж. Томсона определенно это доказали. Таким свойством может обладать только частица. Опыты Милликена и фотографии следов электрона в камере Вильсона устранили последние в этом сомнения. Но планетарный атом неустойчив, то есть представления об электроне-частице резко противоречили факту удивительной стабильности атома. Постулаты Бора были специально придуманы для того, чтобы обеспечить устойчивость атома при условии, что электрон — это частица. Де Бройль и Шрёдингер пошли другим путем и показали, что наиболее естественно устойчивость атома можно объяснить, допустив, что электрон — это волна, а не частица. Эту гипотезу вскоре подтвердили прямыми опытами Дэвиссон, Джермер и Дж. П. Томсон, обнаружив у электрона способность к интерференции и дифракции.

Опытам принято верить. Но как поверить сразу двум опытам, если они исключают друг друга? Возникшая ситуация имела примеры в истории физики и все же была настолько необычна, что вначале никто не подозревал о единстве двух механик, а потому все стремились доказать истинность одной из них и ложность другой. Между сторонниками обеих теорий шли ожесточенные споры: одни отстаивали право первородства матричной механики, другие — предпочитали математическую простоту волновой. Конец этим спорам положил Шрёдингер в начале 1926 г., доказав, что обе механики математически эквивалентны. Для каждого физика это означало, что они эквивалентны также и физически, то есть — что перед нами одна и та же механика — механика атома, но записанная в разных формах. Это означало также, что верны исходные предпосылки обеих механик: представления матричной механики об электроне-частице и представления волновой механики об электроне-волне.

КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ

Чем больше ученые узнавали об атоме, тем менее категоричными становились вопросы, которые они задавали природе. Во времена Планка и Эйнштейна хотели знать: «Луч света — это волна или поток частиц-квантов?» После работ де Бройля по-прежнему пытались выяснить: «Электрон — что это: волна или частица?» Лишь постепенно и с большим трудом оформилась простая мысль: «А почему или? Почему эти свойства — волны и частицы — должны исключать друг друга?» По трезвом размышлении оказалось, что логических оснований для альтернативы «или — или» нет. А единственная причина, по которой от нее не отказывались,— все та же инерция мышления, благодаря которой мы всегда пытаемся осмыслить новые факты с помощью старых понятий.

Существует еще одна трудность — психологическая. В повседневной жизни мы привыкли, что предметы тем проще, чем они меньше. Например, из 33 матрешек, вложенных одна в другую, самая маленькая — самая простая, бильярдный шар значительно проще шара земного, а целое всегда состоит из более простых частей. Когда, сидя у моря, Демокрит делил яблоко, он мог представлять себе атом каким угодно, но вряд ли ему приходило в голову, что он устроен сложнее, чем все яблоко. Это и в самом деле не так. Но случается, что одни и те же свойства очевидны у малых предметов и совсем незаметны у предметов больших. Точно так же при дроблении вещества (которое мы по традиции мыслим себе построенным из частиц) у него не появляются новые, волновые свойства — они проявляются — просто раньше мы их не замечали.

С явлениями подобного типа мы сталкиваемся значительно чаще, чем сознаем это. Бильярдный шар и шар земной — прежде всего шары и этим похожи. Однако немало людей пострадало за эту истину, прежде чем Земля для всех стала шаром. А форма бильярдного шара не вызывала сомнений даже у отцов инквизиции. Все дело в соотношении явления и наблюдателя. Земля — точно так же, как и каждый ее электрон, — обладает свойствами волны. Однако если попытаться описать ее движение с помощью уравнения Шрёдингера, то при массе Земли 5·10²⁷ г и скорости, с которой она движется вокруг Солнца, 3·10⁶ см/с, придется приписать этой «частице» волну де Бройля длиной в 4·10^-61 см — число настолько малое, что даже неизвестно, как его понимать. Однако мы не можем только на этом основании утверждать, что Земля не обладает волновыми свойствами. Ведь с помощью циркуля и линейки нельзя измерить ее кривизну, но Земля-тο все-таки круглая...

Все эти примеры приведены здесь для того, чтобы легче понять конечный итог размышлений о проблеме «волна — частица»: вопрос «волна или частица?» неправильно поставлен: атомный объект — «и волна, и частица» одновременно. Более того, все тела в природе обладают одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами, и свойства эти — лишь различные проявления единого корпускулярно-волнового дуализма. К этой мысли пришли еще в 1924 г. Бор, Крамерc и Слэтер. В совместной работе они с определенностью заявили, что «волновой характер распространения света, с одной стороны, и его поглощение и испускание квантами, с другой, являются теми экспериментальными фактами, которые следует положить в основу любой атомной теории и для которых не следует искать каких-либо объяснений».

Непривычное, но несомненное единство свойств «волна — частица» отражено в формулах Планка (E = hν) и де Бройля (λ = h/mv). Энергия Е и масса т — характеристики частицы; частота v и длина волны λ — признаки волнового процесса. А единственная причина, по которой мы не замечаем этого дуализма в повседневной жизни,— малость постоянной Планка. Даже если это случайное обстоятельство, с ним надо считаться.

Если бы мы жили в мире, где значение постоянной Планка сравнимо с его привычными масштабами, наши представления об этом мире резко отличались бы от нынешних. Предметы в нем не имели бы определенных границ, их нельзя было бы двигать произвольно, и нельзя было бы заранее планировать встречи друзей. К счастью, этот мир — гипотетический, поскольку постоянную Планка мы не можем менять по своему произволу — она всегда неизменна и очень мала. Но атомы тоже очень малы, поэтому для них этот необычный мир реально существует, и его непривычную логику нам предстоит теперь понять — точно так же, как Гулливеру пришлось постигать образ мыслей лилипутов.

СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ

Предположим, что мы настолько прониклись идеей неделимости свойств «волна — частица», что захотели записать свое достижение на языке формул. Эти формулы должны установить соотношение между числами, которые соответствуют понятиям «волна» и «частица». В классической механике эти понятия строго разделены и относятся к совершенно различным явлениям природы. В квантовой механике корпускулярно-волновой дуализм вынуждает нас использовать оба понятия одновременно и применять их к одному и тому же объекту. Этот необходимый шаг не дается даром — мы за него должны платить, и, как оказалось, платить дорого.

Вполне ясно это стало в 1927 г., когда Вернер Гейзенберг догадался, что понятия «волна» и «частица» применительно к квантовым объектам можно определить строго только порознь.

В физике слова «определить понятие» означают: «указать способ измерения величины, которая этому понятию соответствует». Гейзенберг утверждал: нельзя одновременно и при этом точно измерить координату х и импульс р квантового объекта. С учетом формулы де Бройля

это означает: нельзя одновременно и в то же время точно определить положение х атомного объекта и длину его волны λ. Следовательно, понятия «волна» и «частица» при одновременном их использовании в атомной физике имеют ограниченный смысл. Гейзенберг нашел численную меру такого ограничения. Он показал, что если мы знаем положение х и импульс р квантового объекта (например, электрона в атоме) с погрешностями Δx и Δp, то мы не можем уточнять эти значения беспредельно, а лишь до тех пор, пока выполняется неравенство — соотношение неопределенностей:

Этот предел мал, но он существует, и это — принципиально. Соотношение неопределенностей — строгий закон природы, который никак не связан с несовершенством наших приборов. Он утверждает: нельзя — принципиально нельзя — определить одновременно и координату, и импульс частицы точнее, чем это допускает неравенство Δx·Δρ≥ℏ/2. Точно так же, как нельзя превысить скорость света или достичь

абсолютного нуля температур. Нельзя — как нельзя поднять самого себя за волосы или вернуть вчерашний день. И ссылки на всемогущество науки здесь неуместны: сила ее не в том, чтобы нарушать законы природы, а в том, что она способна их открыть, понять и использовать.

Нам кажется это немного странным: мы привыкли к всесилию науки и утверждение «нельзя» молчаливо исключили из ее лексикона. Замечательно, однако, что высший триумф любой науки достигается именно в моменты установления таких запретов. Когда сказали: «Невозможно построить вечный двигатель»,— возникла термодинамика. Как только догадались, что «нельзя превысить скорость света»,— родилась теория относительности. И лишь после того, как поняли, что различные свойства квантовых объектов нельзя измерить одновременно с произвольной точностью, окончательно сформировалась квантовая механика.

Причину инстинктивного сопротивления, которое мы испытываем при первом знакомстве с соотношением неопределенностей, объяснил Гейзенберг. Для этого ему пришлось отбросить еще одну идеализацию классической физики — понятие наблюдения: оказалось, что в квантовой механике его нужно пересмотреть — точно так же, как и понятие движения.

Подавляющую часть своих знаний о мире человек приобретает с помощью зрения. Эта особенность восприятия человека определила всю его систему познания: почти у каждого слово «наблюдение» вызывает в сознании образ внимательно глядящего человека. Когда вы смотрите на собеседника, то абсолютно уверены, что от вашего взгляда ни один волос не упадет с его головы, даже если вы смотрите пристально и у вас «тяжелый взгляд». В сущности, именно на этой уверенности основано понятие наблюдения в классической механике. Она выросла из астрономии и, поскольку никто не сомневался, что, наблюдая звезду, мы никак на нее не воздействуем, то в этом не усомнились и в случае других наблюдений.

Понятия «явление», «измерение» и «наблюдение» тесно связаны между собой, но не совпадают. Древние наблюдали явления — в этом состоял их метод изучения природы. Из своих пристальных наблюдений они затем извлекали следствия с помощью чистого умозрения. По-видимому, с тех пор укоренилась уверенность, что явление существует независимо от наблюдения.

Мы много раз подчеркивали главное отличие нынешней физики от античной: она заменила умозрение опытом. Теперешняя физика не отрицает, что явления в природе существуют независимо от наблюдения (так же, как и от нашего сознания). Но она утверждает: объектом наблюдения эти явления становятся лишь тогда, когда мы укажем точный способ измерения их свойств. В физике понятия «наблюдение» и «измерение» неразделимы.

Всякое измерение есть взаимодействие прибора и объекта, который мы изучаем. А всякое взаимодействие нарушает первоначальное состояние и прибора, и объекта — так что в результате измерения мы получаем о явлении сведения, которые искажены вмешательством прибора. Классическая физика предполагала, что все подобные искажения можно учесть и по результатам измерения восстановить «истинное» состояние объекта, независимое от измерений. Гейзенберг показал, что такое предположение есть заблуждение: в атомной физике «явление» и «наблюдение» неотделимы друг от друга. По существу, «наблюдение» — тоже явление, и далеко не самое простое.

Как и многое в квантовой механике, такое утверждение непривычно и вызывает бессознательный протест. И все же попытаемся его понять или хотя бы почувствовать.

Ежедневный опыт убеждает нас: чем меньше объект, который мы исследуем, тем легче нарушить его состояние. Ничего меньше квантовых объектов — атома, электрона, ядра — мы в природе не знаем. Определить их свойства усилием воли мы не можем. В конце концов, мы вынуждены измерять свойства этих объектов с помощью их самих. В таких условиях прибор неотличим от объекта.

Но почему нельзя добиться, чтобы в процессе измерения один атомный объект лишь незначительно влиял на другой?

Дело в том, что оба они — и прибор, и объект — находятся в одном и том же квантовом мире и поэтому их взаимодействие подчиняется квантовым законам. А главная особенность квантовых явлений — их дискретность. В квантовом мире ничего не бывает чуть-чуть — взаимодействия там происходят только квантом: или — все, или — ничего. Мы не можем как угодно слабо воздействовать на квантовую систему — до определенного момента она этого воздействия вообще не почувствует. Но коль скоро воздействие выросло настолько, что система готова его воспринять,— она скачком переходит в новое (тоже квантовое) состояние или же просто гибнет.

Процесс наблюдения в квантовой механике напоминает скорее вкус, чем зрение. «Для того чтобы узнать свойства пудинга, его необходимо съесть»,— любили повторять создатели квантовой механики. И подобно тому как, съев однажды пудинг, мы не в состоянии еще раз проверить свое впечатление о его достоинствах, мы не можем беспредельно уточнять наши сведения о квантовой системе: ее разрушит, как правило, уже первое измерение. Гейзенберг не только понял впервые этот суровый факт, но и сумел записать его на строгом языке формул.

Соотношение неопределенностей — одна из самых важных формул квантовой механики, в ней как бы сконцентрированы ее самые существенные особенности. После его открытия пришлось пересмотреть не только основы физики, но и теорию познания. Этот последний шаг оказался под силу лишь Нильсу Бору, который счастливо сочетал в себе могучий интеллект настоящего ученого и философский склад ума истинного мыслителя. В свое время он создал систему образов квантовой механики, теперь, четырнадцать лет спустя, он тщательно оттачивал систему ее понятий. После Бора стало ясно, что и соотношение неопределенностей, и корпускулярно-волновой дуализм — лишь частные проявления более общего принципа — принципа дополнительности.

ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ

Принцип, который Бор назвал дополнительностью,— одна из самых глубоких философских и естественнонаучных идей нашего времени, с которой можно сравнить лишь такие идеи, как принцип относительности или представления о физическом поле. Его общность не позволяет свести его к какому-либо одному утверждению — им надо овладевать постепенно, на конкретных примерах. Проще всего (так поступил в свое время и Бор) начать с анализа процесса измерения импульса р и координаты х атомного объекта.

Нильс Бор обратил внимание на очень простой и понятный факт: координату и импульс атомной частицы нельзя измерить не только одновременно, но и с помощью одного и того же прибора. В самом деле, чтобы измерить импульс р атомной частицы и при этом не очень сильно его изменить, необходим очень легкий подвижный «прибор». Но именно эта подвижность приводит к тому, что его положение весьма неопределенно.

Когда мы говорим в микрофон, то звуковые волны нашего голоса преобразуются там в колебания мембраны. Чем легче и подвижнее мембрана, тем точнее она следует за колебаниями воздуха. Но тем труднее определить ее положение в каждый момент времени. Для измерения координаты х мы должны поэтому взять другой, очень массивный прибор, который не шелохнется при попадании в него частицы. Но как бы ни изменялся в этом случае ее импульс, мы этого даже не заметим. Это — простейшая экспериментальная иллюстрация к соотношению неопределенностей Гейзенберга: нельзя в одном и том же опыте определить обе характеристики атомного объекта — координату х и импульс р. Для этого необходимы два измерения и два принципиально разных прибора, свойства которых дополнительны друг другу.

Дополнительность — вот то слово и тот поворот мысли, которые стали доступны всем благодаря Бору. До него все были согласны, что несовместимость двух типов приборов непременно влечет за собой противоречивость свойств, измеряемых с их помощью. Бор отрицал такую прямолинейность суждений и разъяснял: да, свойства эти действительно несовместимы, но для полного описания квантового объекта оба они равно необходимы и поэтому не противоречат, а дополняют друг друга.

В действительности с такой ситуацией мы встречаемся повсеместно. Всем нам памятно детство, когда в солнечный день мы с помощью линзы поджигали бумагу и сухие былинки. Это — одна характеристика солнечного луча: он несет энергию в виде фотонов. Но если тот же солнечный луч пропустить не через линзу, а через призму, то мы увидим спектр. Это — другая, дополнительная характеристика того же луча: он состоит из волн различной длины. Линза и призма — различные приборы, которые позволяют нам наблюдать различные физические явления, характеризующие разные дополнительные свойства единого квантового объекта. Эти свойства нельзя наблюдать одновременно, в одном и том же опыте, с одним и тем же прибором, но они равно необходимы, чтобы представить себе сущность солнечного луча во всей его полноте.

Приведенное рассуждение о дополнительности двух несовместимых измерений можно пояснить простой аналогией. Представьте, что вы хотите узнать содержимое «черного ящика», который устроен специальным образом, а именно — наподобие хорошо известной камеры-обскуры. Эта камера, в отличие от обычной, имеет два отверстия и соответственно две фотопластинки на противостоящих им стенках ящика. Пока оба отверстия закрыты, мы ничего не знаем о предмете в ящике, он для нас попросту не существует. Открывая их поочередно, мы получим на фотопластинках две проекции изучаемого предмета. Каждая из них, взятая в отдельности, недостаточна, однако обе они равно необходимы для воссоздания объемной картины изучаемого объекта.

Две различные проекции предмета соответствуют двум разным, дополнительным типам измерений в квантовой механике. Очевидно, осуществить оба измерения одновременно мы не можем, поскольку при одновременном открывании отверстий в нашей камере-обскуре, кроме тени от предмета, создаваемой нужным отверстием, на каждую из фотопластинок попадет свет от другого, «дополнительного» отверстия и оба изображения будут испорчены. Ясно также, что если изучаемый объект очень мал, то уже при первом измерении-наблюдении мы нарушим его первоначальное состояние, например сдвинем его или повернем. А это означает, что при открывании второго отверстия мы получим на другой фотопластинке не истинную, а искаженную проекцию предмета. В этих условиях объемную картину можно восстановить лишь приблизительно, но это все-таки лучше, чем хотя и точное, но плоское изображение. Квантовая механика утверждает, что для воссоздания «объемной картины» атомного объекта достаточно двух его «плоских проекций», то есть двух дополнительных измерений, например измерений координаты и импульса.

В переводе на язык абстрактных понятий предыдущие аналогии можно обобщить следующим образом. Квантовый объект — это «вещь в себе», пока мы не указали способа его наблюдения. Различные свойства объекта требуют разных способов наблюдения, иногда несовместимых между собой. В действительности понятия «объект» и «наблюдение» — лишь удобные абстракции, необходимые для описания более общего понятия «экспериментальная ситуация». Физическая наука изучает не объекты сами по себе, а конкретные реализации экспериментальной ситуации, которые мы называем «явлениями». С точки зрения опыта любое явление — это упорядоченный набор чисел, которые суть результаты измерений реакции объекта на воздействие прибора избранного типа. Выбирая разные, дополнительные приборы, мы меняем экспериментальную ситуацию; реализуя ее, воздействуем на разные характеристики объекта; наконец, наблюдая следствия этого воздействия, мы получаем различные наборы чисел, то есть изучаем разные явления. И хотя дополнительные явления невозможно изучить одновременно, в одном опыте, тем не менее они характеризуют единый квантовый объект и равно необходимы для полной его характеристики.

Всегда было важно, какие вопросы мы задаем природе. Задавая вопросы природе квантовой, мы должны быть особенно внимательны, ибо от их выбора зависит способ расчленения единой природы на две части: объект + наблюдатель. Принцип дополнительности утверждает, что существует по крайней мере два качественно различных способа такого расчленения. В знакомой нам цепочке познания новейшей физики:

явление →образ→ понятие→ формула → опыт

принцип дополнительности сказывается прежде всего на системе понятий квантовой механики и на логике ее умозаключений. Дело в том, что среди основных положений формальной логики существует «правило исключенного третьего», которое гласит: из двух противоположных высказываний одно истинно, другое — ложно, а третьего быть не может. В классической физике не было случая усомниться в этом правиле, поскольку там понятия «волна» и «частица» действительно противоположны и несовместимы по существу. Оказалось, однако, что в квантовой физике оба они одинаково хорошо применимы для описания свойств одних и тех же объектов, причем для полного описания необходимо использовать их одновременно. Люди, воспитанные на традициях классической физики, восприняли эти требования как некое насилие над здравым смыслом и поговаривали даже о нарушении законов логики в атомной физике. Бор объяснил, что дело здесь вовсе не в законах логики, а в той беспечности, с которой без всяких оговорок используют классические понятия для объяснения квантовых явлений. А такие оговорки необходимы, и соотношение неопределенностей Гейзенберга

Δx·Δρ≥ℏ/2

— запись этого требования на языке формул.

Причина несовместимости дополнительных понятий в нашем сознании глубока, но объяснима. Дело в том, что познать атомный объект непосредственно, с помощью наших пяти чувств, мы не можем. Вместо них мы используем довольно сложные приборы, которые изобретены сравнительно недавно. Для объяснения результатов опытов нам нужны слова и понятия, а они появились задолго до квантовой механики и никоим образом к ней не приспособлены. Однако мы вынуждены ими пользоваться — у нас нет другого выхода: язык и все основные понятия мы усваиваем значительно раньше, чем узнаем о существовании физики.

Принцип дополнительности Бора — удавшаяся попытка примирить ограниченность устоявшейся системы понятий с прогрессом наших знаний о мире. Этот принцип расширил возможности нашего мышления, объяснив, что в квантовой физике меняются не только понятия, но и сама постановка вопросов о сущности физических явлений. (Паули одно время даже предлагал назвать квантовую механику «теорией дополнительности» — по аналогии с теорией относительности.) Но значение принципа дополнительности выходит далеко за пределы квантовой механики, где он возник первоначально. Лишь позже — при попытках распространить его на другие области науки — выяснилось его истинное значение для всей системы человеческих знаний. Можно спорить о правомерности такого расширения, но нельзя отрицать его плодотворности во многих случаях, даже далеких от физики.

Сам Бор любил приводить пример из биологии, связанный с жизнью клетки, роль которой вполне подобна значению атома в физике. Если атом — последняя частица вещества, еще сохраняющая его свойства, то клетка — это самая малая часть любого организма, которая все еще представляет жизнь в ее сложности и неповторимости. С точки зрения науки изучить жизнь клетки — значит узнать все элементарные процессы, в ней происходящие, и при этом понять, как их взаимодействие приводит к совершенно особому состоянию материи — к жизни.

При попытке выполнить эту программу оказывается, что одновременное сочетание такого анализа и синтеза неосуществимо. В самом деле, чтобы проникнуть в детали механизма жизнедеятельности клетки, мы рассматриваем ее в микроскоп — сначала обычный, затем электронный,— нагреваем клетку, пропускаем через нее электрический ток, облучаем, разлагаем на составные части... Но чем пристальнее мы станем изучать жизнь клетки, тем сильнее будем вмешиваться в ее функции и в ход естественных процессов, в ней протекающих. В конце концов мы ее разрушим и поэтому ничего не узнаем о ней как о целостном живом организме. Тем не менее ответ на вопрос «Что такое жизнь?» требует и анализа, и синтеза одновременно. Процессы эти несовместимы, но не противоречивы, а дополнительны, и необходимость учитывать их одновременно — лишь одна из причин, по которой до сих пор не существует ответа на вопрос о сущности жизни.

Как и в живом организме, в атоме важна целостность его свойств «волна — частица». Конечная делимость материи породила не только конечную делимость атомных явлений — она привела также к пределу делимости понятий, с помощью которых мы эти явления описываем.

Часто говорят, что правильно поставленный вопрос — уже половина ответа, и это не просто эффектный афоризм. Правильно поставленный вопрос — это вопрос о тех свойствах явления, которые у него действительно есть. Поэтому он уже содержит в себе все понятия, которые необходимо использовать в ответе. На идеально поставленный вопрос можно ответить коротко: «да» или «нет». Бор показал, что вопрос «волна или частица?» в применении к атомному объекту неправильно поставлен. Таких раздельных свойств у атома нет, и потому он не имеет однозначного ответа «да» или «нет». Точно так же, как нет ответа у вопроса «Что больше: метр или килограмм?» и у других подобных вопросов.

Квантовый объект — это не частица, и не волна, и даже ни то, ни другое одновременно. Квантовый объект — это нечто третье, не равное простой сумме свойств волны и частицы,— точно так же, как мелодия — больше, чем сумма составляющих ее звуков, а кентавр — не простая сумма коня и человека, а нечто качественно новое. Это квантовое «нечто» не дано нам в ощущении, и тем не менее оно, безусловно, реально. У нас нет образов и органов чувств, чтобы вполне представить себе свойства этой реальности. Однако сила нашего интеллекта, опираясь на опыт, позволяет все-таки ее познать. Два дополнительных свойства квантовой реальности нельзя разделить, не разрушив при этом полноту и единство явления природы, которое мы называем, например, атомом, точно так же, как невозможно разрезать на две части кентавра, сохранив при этом в живых и коня, и человека.

Когда Гейзенберг отбросил идеализацию классической физики — понятие «состояние физической системы, независимое от наблюдения», он тем самым предвосхитил одно из следствий принципа дополнительности, поскольку «состояние» и «наблюдение» — дополнительные понятия. Взятые по отдельности, они неполны и поэтому могут быть определены только совместно, друг через друга. Говоря строго, они вообще не существуют порознь: мы всегда наблюдаем не вообще нечто, а непременно какое-то состояние. И наоборот: всякое состояние — это вещь в себе до тех пор, пока мы не найдем способ его наблюдения.

Сами по себе понятия «волна» и «частица», «состояние» и «наблюдение системы» суть некие идеализации, равно необходимые для понимания квантового мира. Классические картины дополнительны в том смысле, что для полного описания сущности квантовых явлений необходимо их гармоническое сочетание. Однако в рамках привычной логики они могут сосуществовать без противоречий лишь в том случае, если области их применимости взаимно ограничены.

Много размышляя над этими и другими похожими проблемами, Бор пришел к выводу, что это не исключение, а общее правило: всякое истинно глубокое явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения по крайней мере двух взаимоисключающих дополнительных понятий. Это означает, что при условии сохранения нашего языка и привычной логики мышление в форме дополнительности ставит пределы точной формулировке понятий, соответствующих истинно глубоким явлениям природы. Такие определения либо однозначны, но не полны, либо полны, но тогда неоднозначны, поскольку включают в себя дополнительные понятия, несовместимые в рамках обычной логики. К таким понятиям относятся понятия «жизнь», «квантовый объект», «физическая система» и даже само понятие «познание природы».

С давних пор известно, что наука — это лишь один из способов изучить окружающий мир. Другой, дополнительный способ воплощен в искусстве. Само совместное существование искусства и науки — одна из иллюстраций принципа дополнительности. Можно полностью уйти в науку или всецело жить искусством — оба эти подхода к жизни одинаково правомерны, хотя, взятые по отдельности, и не полны. Стержень науки — логика и опыт. Основа искусства — интуиция и прозрение. Но искусство балета требует математической точности, а «вдохновение в геометрии столь же необходимо, как и в поэзии». Они не противоречат, а дополняют друг друга: истинная наука сродни искусству — точно так же, как настоящее искусство всегда включает в себя элементы науки. В высших своих проявлениях они неразличимы и неразделимы, как свойства «волна — частица» в атоме. Они отражают разные, дополнительные стороны человеческого опыта и лишь взятые вместе дают нам полное представление о мире. Неизвестно только, к сожалению, «соотношение неопределенностей» для сопряженной пары понятий «наука — искусство», а потому и степень ущерба, который мы терпим при одностороннем восприятии жизни.

Конечно, приведенная аналогия, как и любая аналогия, и неполна и нестрога. Она лишь помогает почувствовать единство и противоречивость всей системы человеческих знаний.

ВОКРУГ КВАНТА Дуализм и неопределенность

В пору становления квантовой механики даже хорошие физики с горечью шутили, что теперь им приходится по понедельникам, средам и пятницам представлять электрон частицей, а в остальные дни — волной. Нильс Бор с присущим ему юмором в 1924 г. говорил: «Даже если Эйнштейн пришлет мне телеграмму с сообщением об окончательном доказательстве реальности световых квантов, то и тогда она дойдет до меня только благодаря существованию радиоволн».

«Это в высшей степени парадоксально и способно привести в замешательство,— писал Дэвиссон в своей знаменитой статье 1928 г. с характерным названием «Существуют ли электронные волны?» — Мы должны поверить не только в то, что в определенном смысле кролики суть кошки, но также в то, что в неком смысле кошки суть кролики».

Такой способ мышления приводил к множеству парадоксов, от которых мы будем избавлены, если сразу же заставим себя не разделять в электроне свойства «волна — частица». Только после этого соотношение неопределенностей Гейзенберга перестанет быть чем-то странным и превратится в простое следствие корпускулярно-волнового дуализма.

В волновой оптике давно знали, что ни в какой микроскоп нельзя разглядеть частицу, если ее размеры меньше чем половина длины волны света, которым она освещена. В этом не видели ничего странного: волны света существуют сами по себе, частица — сама по себе. Но когда выяснилось, что частице тоже можно приписать длину волны, тогда это утверждение волновой оптики превратилось в соотношение неопределенностей: не может частица сама себя локализовать точнее, чем на половине длины своей волны.

Поэты и принцип дополнительности

Сам по себе принцип дополнительности, взятый вне физики,— изобретение древнее. По существу, он — довольно известная категория диалектической логики и в разных видах неоднократно высказывался различными философами во все времена. Аристотель говорил, например, что «гармония — это смешение и сочетание противоположностей», а за тысячу лет до него в Древнем Китае возникла философия Тао, целиком основанная на принципе дополнительности (ее символ «инь-янь» помещен вверху предыдущей страницы). Любопытно вспомнить, как принцип дополнительности переоткрыли для себя поэты. В 1901 г. Валерий Брюсов написал статью под названием «Истины», в которой мы читаем следующее: «Для мышления нужна множественность, — независимо от того, будет ли она дроблением я или предстанет как что-то внешнее. Мысль, и общее — жизнь, возникает из сопоставления по меньшей мере двух начал. Единое начало есть небытие, единство истины есть безмыслие. Не было бы пространства, не будь правого и левого; не было бы нравственности, не будь добра и зла...»

«В истине ценно лишь то, в чем можно сомневаться. «Солнце есть» — в этом нельзя сомневаться... Это истина, но в ней нет самостоятельной ценности. Она никому не нужна. За нее никто не пойдет на костер. Даже, говоря яснее, это не истина, а определение. «Солнце есть» — только особое выражение вместо: такой-то предмет я называю солнцем».

«Истина получает ценность, лишь когда становится частью возможного миросозерцания. Но в то же время она становится оспоримой, по крайней мере является возможным спорить о ней... Мало того, ценная истина непременно имеет прямо противоположную, соответствующую ей истину; иначе сказать — суждение, прямо противоположное истине, в свою очередь истинно...»

Уместно вспомнить здесь и Паскаля, который в свое время писал: «Все принципы пирронистов, стоиков, атеистов и т. д. истинны, но их заключения ложны, потому что и противоположные принципы тоже истинны».

Знаменательно, что многие из этих утверждений почти дословно предвосхищают формулировки Бора. Не все знают, что и Бор пришел к своему принципу дополнительности не «от физики», а «от философии». Идея дополнительности созрела в нем еще в юношеские годы под влиянием философии Кьеркегора. В дальнейшем она крепла и уточнялась, пока не нашла, наконец, достойного применения в квантовой физике.