Знание-сила, 2007 № 09 (963)

Квантовая механика устарела? Да здравствует квантовая механика!

В начале нынешнего года одно за другим произошло два события, непосредственно коснувшихся квантовой механики. Одно, скажем так, теоретического порядка, другое — скорее практического.

Мы предоставляем слово экспертам для освещения ситуации, сложившейся на обоих этих «фронтах», обещая читателю вернуться к теме по мере развития полемики и поступления новой «квантовой» информации.

Полны ли наши представления о строении атомов и молекул?

В январе этого года в Институте философии РАН прошел международный симпозиум «Структура атома: новые идеи и перспективы». Место проведения симпозиума было выбрано не случайно, ведь указанную в названии тему обсуждали не только физики, но и химики, биологи, биофизики, биохимики и даже философы — все, кто пытается привлекать квантовую механику для описания химических и биологических процессов.

Физики, занимающиеся квантовой механикой, располагают двумя фундаментальными уравнениями — Шрёдингера и Дирака. Их вполне хватает для описания элементарных частиц. Однако применение двух ключевых уравнений к атомам и молекулам требует привлечения дополнительных зависимостей. Химикам и биологам приходится получать их эмпирически. Следует ли говорить о несовершенстве квантовой теории в нынешнем ее виде? Стоит ли на повестке дня вопрос о востребованности новой квантовой теории?

— Квантовая механика не описывает диссипацию — рассеяние энергии, — подчеркивает один из участников симпозиума Дмитрий Чернавский, главный научный сотрудник Отделения теоретической физики Физического института им. П.Н. Лебедева РАН. — А в химических и биологических процессах диссипация энергии играет большую роль. Физики об этом прекрасно знают, хотя относятся к данной проблеме по-разному, частенько не придавая ей особого значения.

На самом деле проблема с диссипацией энергии фундаментальна, ее практическое решение крайне важно. Феноменологические приемы не всегда работают, имеют серьезные ограничения. Скажем, высокотемпературная сверхпроводимость. Разобраться с ней всерьез без фундаментальных подходов невозможно, а тема очень актуальная. Так что налицо столкновение двух подходов. Водораздел проходит сейчас по вопросу: стоит ли решать эту проблему немедленно, что потребует очень значительных усилий со стороны физиков-теоретиков, или еще какое-то время удовлетворяться феноменологическими приемами?

Редакция предлагает вниманию читателей обзорный материал, подготовленный для участников симпозиума одним из его организаторов и постоянным автором нашего журнала Юрием Магаршаком, президентом компании MathTech., Inc. и исполнительным вице-президентом Международного комитета интеллектуального сотрудничества (Нью-Йорк, США).

Объективная случайность - вероятно. самый важный элемент квантовой физики.

Рисунки Елены Капкиной

Современная картина мира базируется на квантовой механике и теории относительности, со времени создания которых прошло около века.

За это время накоплен колоссальный экспериментальный материал. Созданы новые науки и научные направления, в частности биохимия и молекулярная биология. Совершенно ли представление о мире, являющееся в настоящее время каноническим? Требует ли оно уточнения? Появились ли экспериментальные данные, которые теория не в состоянии объяснить? Такие вопросы представляются правомерными, и их всестороннее и вдумчивое рассмотрение назрело. При этом методологически проблема адекватности современной картины мира должна быть разбита на две части:

перечень проблем естествознания, которые, возможно, не объясняются существующей теорией;

попытка объяснения этих экспериментов.

Если в результате всестороннего рассмотрения окажется, что все эксперименты адекватно объясняются в рамках теории и никакого пересмотра теоретических представлений (или их расширения) не требуется — прекрасно, в рамках существующих представлений наука должна развиваться и дальше. Однако если окажется, что есть хотя бы один эксперимент, в рамки теории не укладывающийся, это может означать, что теория, в том числе фундаментальная, должна быть расширена или вообще пересмотрена.

Эти совершенно очевидные соображения применимы не только к частным проблемам, но и к картине мира в целом, в частности к теоретическому и концептуальному «зазору», существующему между физикой и химией.

Со времени создания квантовой механики физики убеждены, что все происходящее в мире атомов и молекул, может быть объяснено с помощью уравнений Шрёдингера (а там, где необходимо учесть релятивистские эффекты, — уравнения Дирака). С этой точки зрения, считающейся само собой разумеющейся для физиков, тот факт, что многие химические и молекулярно-биологические процессы основываются на так называемых полуэмпирических закономерностях, — свидетельство всего лишь того, что пока их не удалось вывести из уравнения Шрёдингера (ни аналитически, ни с помощью современных компьютеров): придет время, и все будет выведено и доказано на основе существующих представлений.

Однако точка зрения химиков (биохимиков, молекулярных химиков и биологов) совершенно иная. «Глядя из химии», физика представляется наукой, в целом малополезной для практических приложений и объяснения экспериментов в мире, состоящем из молекул (каковым — если оглядеться по сторонам — является почти весь окружающий человека мир). Снобизм и самоуверенность физиков, «глядя из химии», представляются совершенно неоправданными. За три четверти века, прошедших со времени создания квантовой механики (в эпоху бурного развития науки и технологий огромный срок, сравнимый с тысячелетиями предшествующего развития человечества), возникли и мощно развились органическая химия и молекулярная биология, успехи которых весьма значительны. Число экспериментальных фактов, которые в настоящее время из фундаментальных принципов не выведены, «глядя из химии» и биохимии продолжает расти.

В этих условиях у ученых, работающих в области изучения свойств молекул, сложилось устойчивое представление о том, что химия основывается на фундаментальных законах физики лишь частично. Для описания природы, «глядя из химии», необходимо ее рассмотрение «с различных сторон». Под различными сторонами имеются в виду комбинация фундаментальных законов физики и так называемых полуэмпирических правил, из фундаментальных законов физики не выведенных. При этом к полуэмпирическим правилам относятся не только правило Хунда порядка заполнения электронных оболочек, но и такие фундаментальные, доказавшие свою эффективность концепции, как периодическая система элементов и молекулярные орбитали, на которых построена вся современная наука о строении и образовании молекул, именно в комбинации законов физики и (так называемых полуэмпирических) законов химии и биологии ученым, работающим с молекулами, видится одно из главных проявлений принципа дополнительности Бора.

Различие взглядов между физиками, с одной стороны, и химиками-биохимиками-молекулярными биологами, с другой, на устройство природы представляется исключительно важным не только с практической, но и с концептуальной точки зрения, ибо вопрос, живем ли мы в мире, определяемом фундаментальными законами, или же он построен на сочетании законов физики и таких, которые возникают только на уровне образования молекул и из теории атома не выводятся, представляется исключительно важным. Если точка зрения «глядя из химии» верна, это означало бы необходимость существенного пересмотра картины мира. С другой стороны, тот факт, что из фундаментальных законов не удается вывести ряд закономерностей, лежащих в основе химии, несмотря на многочисленные предпринимаемые усилия, не может не настораживать, ибо невозможность вывести эти закономерности, говоря объективно, делает фундаментальную или нефундаментальную картину мира вопросом не знаний, а веры.

Фундаментальная картина мира ХХ века, остающаяся в главных чертах незыблемой, создавалась на Сольвеевских конгрессах, на которых присутствовали исключительно физики. Глядя из XXI века, такая постановка вопроса представляется неадекватной проблеме. В начале третьего тысячелетия науки о жизни — молекулярная биология, биохимия, генетика, биофизика и другие — представляются ничуть не менее фундаментальными, чем физика, успехи в этих областях стремительны и значительны. Пренебрегать объективно сложившимися взглядами ученых, областью экспертизы которых является изучение молекул, неверно и ненаучно.

Для построения картины мира сегодня физики, матфизики, химики, биохимики и молекулярные биологи должны собираться вместе и обсуждать фундаментальные вопросы на равных. При этом одинаково значимыми являются и взгляд из атомных масштабов «вниз» (то есть на строение вещества, начиная с кварков), и взгляд «вверх» (на химические, биохимические и молекулярно-биологические процессы, которые существуют и функционируют, но в рамках традиционной модели не имеют адекватного объяснения). Учитывая феноменальное развитие не только химии, но и науки о жизни, снобизм физиков, который пока (или же навсегда?) не в состоянии вывести из квантовой механики и теории атома основополагающие структуры и динамические механизмы, являющиеся предметом изучения химии, биохимии и молекулярной биологии, представляется не только неуместным, он контрпродуктивен и вреден.

По нашему убеждению, сложившаяся ситуация, когда физики, с одной стороны, и химики-биохимики- молекулярные биологи, с другой, разделены, должна быть изменена. Конгрессы, симпозиумы и конференции, на которых для рассмотрения фундаментальных вопросов вместе собираются физики, химики, математики и биологи, представляются совершенно необходимыми. В качестве ключевых проблем, которые целесообразно поставить перед приглашенными участниками, нам представляются следующие:

Существуют ли эксперименты в любой области знаний, которые, по Вашему мнению, квантовой теорией не могут быть адекватно объяснены?

Появились ли за годы, прошедшие со времени начала создания квантовой теории, данные, требующие создания новой теории, которая при определенных условиях (например, при больших временах, при которых пикосекунда — гигантское время) переходила бы в квантовую механику, как квантовая механика переходит в классическую?

Построен ли мир на фундаментальных законах на всех уровнях организации материи (в частности, выводятся ли структуры, возникающие в химии и биохимии, из теории атома — вопрос, положительный ответ на который очевиден для физиков) или же для его описания необходимо введение дополнительных закономерностей, возникающих только на уровне образования молекул (точка зрения, широко распространенная среди химиков, биохимиков, квантовых химиков и молекулярных биологов, для опровержения которой сегодня мировоззренческих и концептуальных доводов недостаточно — требуются более конкретные и доказательные научные аргументы)?

Александр Волков