Чего не знает современная наука - [12]

«Гипотез не измышляю»

С точки зрения философии Нового времени основными инструментами познания являются разум и опыт. Роль их в научном познании признавали как рационалисты, так и эмпирики, разница была лишь в степени важности того или другого. Примирил эти крайние позиции Исаак Ньютон; его работы создали ощущение полной ясности законов Природы. Он дал новый метод, основанный на достоверных принципах, выводимых из опытов путем индукции, а не на гипотезах, которые кажутся правдоподобными или выдвигаются по аналогии с устройством других явлений и процессов. «Hypotheses non fingo» («Гипотез не измышляю») – эта фраза стала его девизом, научным кредо. И хотя сам Ньютон был автором гипотез: корпускулярной теории света, эфира, дальнодействия, – он считал их знанием второго плана, подчиненным природе явлений и в этом смысле «не вымышленным».

По словам американского физика Ричарда Фейнмана, классическая картина мира, созданная к началу XX века, рисовалась примерно так: есть трехмерная «сцена», называемая пространством, и все изменяется в среде, называемой временем. Элементы, выступающие на «сцене», – частицы (например, атомы); они обладают известными свойствами (например, инерцией: когда частица движется в какую-либо сторону, она делает это до тех пор, пока на нее не подействует сила). Сила – второй элемент; силы бывают двух сортов: взаимодействия (скрепляющая атомы в разных комбинациях) и силы, действующие на далеких расстояниях (например, тяготение). Закон, которым подчиняются силы и частицы, известен и довольно прост. Вопрос же о причинах такого поведения частиц и сил не задается – ответ на него неизвестен и находится вне сферы науки: она отвечает лишь на вопрос «как?», но не «почему?».

На штурм классической физики

Но вот пришел век XX, и казавшееся столь прочным здание научного знания зашаталось и потребовало существенной перестройки.

В самом деле, классическая физика позволила единым образом объяснить движение тел на Земле и планет в космосе, тепловые явления, связала воедино магнетизм и электричество, навела порядок в оптике. Оставалось разобраться в законах излучения света: наблюдаемые эффекты никак не удавалось объяснить с классических позиций. Для спасения физики Макс Планк в 1900 году предположил, что электромагнитные волны (свет) излучаются порциями, он назвал их квантами. Так родилась одна из самых удивительных физических теорий – квантовая физика. Ее непривычность и странность превратилась в своего рода профессиональную легенду физиков: до сих пор остается актуальным высказывание Р. Фейнмана: «Квантовую механику нельзя понять, к ней можно только привыкнуть».

На начальном этапе реформ физика предстает этаким странным монстром: для создания моделей атома привлекалась ньютонова механика, но она всячески подправлялась не свойственными ей идеями квантования. Характерным примером такого полуклассического-полуквантового «кентавра» является планетарная модель простейшего атома водорода, предложенная Нильсом Бором. Она не могла, в частности, объяснить, как движется электрон при переходе с одной орбиты на другую, и не годилась для объяснения поведения более сложных атомов, даже атома гелия, отличающегося от водорода наличием двух электронов, движущихся вокруг ядра (атом водорода имеет только один электрон на орбите). Об исследованиях в области атомной физики Альберт Эйнштейн писал: «…все мои попытки объяснить эти новые явления были абсолютно безуспешны. Это напоминало ситуацию, когда почва уходит из-под ног, и не на что опереться».

Дальнейшие исследования показали, что даже движение частиц атома нельзя описывать в классических понятиях траектории (орбиты). Необходимость принципиально новой идеи стала ясна физикам. Но результирующая теория, соединившая непротиворечивым образом все наблюдаемые факты, была далеко не проста. Но что такое простота, как не приверженность привычке? Возможно, что и наши потомки с недоумением будут пожимать плечами, удивляясь нашему пристрастию к моделям классической науки.

Реальность квантового мира

Физическая картина мира состоит из нескольких частей. Во-первых, это экспериментальные данные. Во-вторых, математическая теория, которая формальным образом связывает условия и результаты наблюдения. И, наконец, третья часть – интерпретация, соединяющая эти эксперименты и теоретические построения в единую картину. Для квантовой картины мира эта интерпретация оказалась чрезвычайно непривычной. Может быть, с этим связано существование нескольких интерпретаций квантовой механики.

Наиболее принятой в научном мире является так называемая копенгагенская интерпретация, связанная с именами Н. Бора и В. Гейзенберга. В соответствии с ней физический мир делится на две части – наблюдаемую и наблюдающую. Наблюдаемая часть является «истинно квантовой», ее примером могут служить атом, электрон и т. п. Наблюдающая система состоит из экспериментального оборудования и из одного или нескольких людей-наблюдателей. Свойства квантовых объектов проявляются только через показания классических приборов – только их мы можем интерпретировать в привычных нашему разуму понятиях. Квантовая реальность принципиально отлична от классической: в микромире многие привычные нам представления оказываются неверными. Чтобы хоть как-то прояснить для себя свойства квантового мира, нам приходится принимать, что приписываемые квантовой реальности классические свойства ведут себя странно. Например, мы говорим: «Электрон до измерения не имеет никакого положения» – и представляем его в образе волны: волна протяженна, она не имеет определенной координаты. Однако, взаимодействуя с «классическим» экраном, электрон оставляет след в виде точки – мы склонны интерпретировать это как обретение им физической характеристики, координаты. Но что произойдет с самим электроном в результате этого «измерения», неизвестно.