Александр Хоменков

НАУКА ПРОТИВ МИФОВ

ТАЙНА ЖИВОЙ МАТЕРИИ

4. 5. 1. Природа корпускулярно-волнового дуализма

Чтобы лучше понять суть принципа дополнительности, обратимся к связанному с этим принципом хрестоматийному примеру – корпускулярно-волновому дуализму.

Известно, что при одном способе наблюдения свет проявляет себя как поток движущихся частиц, при другом – как распространяющиеся в пространстве волны. Неизбежно возникает вопрос: каков же он в реальности? Ведь, как справедливо отметил Вернер Гейзенберг, «обе картины, естественно исключают друг друга, так как определенный предмет не может в одно и то же время быть и частицей (то есть субстанцией, ограниченной в малом пространстве) и волной (то есть полем, распространяющимся в большом объеме)». И каждая из этих двух картин квантовомеханической реальности проявляется в зависимости от характера экспериментальной ситуации. Так, «электрон ведет себя подобно частице, когда он движется во внешнем электрическом или магнитном поле. Он ведет себя подобно волне, когда дифрагирует, проходя сквозь кристалл» (Эйнштейн, Инфельд). При этом опыты с прохождением пучка электронов через кристалл показывают, что «волновые свойства нужно приписывать каждому электрону в отдельности, а не только совокупности электронов» (Фок). Важно отметить также то, что «дуализм между волновыми и корпускулярными представлениями оказался универсальным. Он существует не только для света, но и для всех материальных частиц» (Паули). По словам Эрвина Шредингера, раньше «различие между частицами и волнами считалось таким же четким, как, например, между скрипкой и ее звуком… В кругу современных идей это различие исчезло, так как было открыто, что все частицы обладают и волновыми свойствами, и наоборот».

Такое двойственное понимание природы микрообъектов вызывало и до сих пор вызывает необычайные трудности у физиков. «Признание того факта, что квантовый объект обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами, вело к абсурдным следствиям, если его совместить с привычной в прошлом для физиков методологией описания физических процессов, разыгрывающихся в пространстве с течением времени независимо от того, наблюдают их или нет в данный момент. В самом деле, для объяснения волновых свойств квантового объекта (например, электрона) необходимо было считать, что он подобно протяженной волне взаимодействует сразу со всеми узлами кристаллической решетки. Чтобы объяснить проявление корпускулярных свойств, надо было считать, что электрон взаимодействует только с отдельными атомами кристалла как точечный объект. Одно логически исключало другое. Попытка построить модель, согласно которой электрон то расплывается в пространстве, то мгновенно стягивается в точку, вела к утверждениям, абсурдным с физической точки зрения» (Аронов).

Разрешение всех этих трудностей создателями квантовой механики виделось, скорее, не в физическом, а в философском аспекте – в применении здесь нового способа мышления, обозначенного ими как принцип дополнительности. Этот принцип мышления был сформулирован Нильсом Бором после окончательного признания им корпускулярно-волнового дуализма. При всем этом новый подход Бора к проблеме познания тайн микромира некоторые исследователи называли «наиболее революционной научной концепцией века» (Уиллер) и даже «новым этапом в истории человеческого мышления» (Оппенгеймер). Один из творцов квантовой механики – Поль Дирак – сказал, что эта новая концепция Бора «в корне изменила» понимание физиками реальности, и что «такого потрясения наука не знала за всю свою историю». Скорее всего, во всех этих высказываниях присутствует определенная доля преувеличения. Но в области формирования представлений об атомных явлениях принцип дополнительности, без сомнения, позволил внести весьма существенную долю ясности.

Впрочем, коллеги Нильса Бора по Копенгагенскому институту, которым раньше других довелось познакомиться с принципом дополнительности, говорили, что «понять его невероятно трудно» (Мур). То же самое чувство охватило и светил науки на Международном конгрессе, проходившем в 1927 году в Италии. У многих из присутствовавших на этом конгрессе физиков сложилось впечатление, что выступавший там Нильс Бор «не только разрушал саму структуру физики и науки в целом, но и делал это с помощью незнакомой терминологии» (Мур), которую трудно было вписать в привычную для всех систему научных понятий. О трудностях, возникающих на этом пути, свидетельствует и то, что в настоящее время «существует множество различных формулировок и толкований принципа дополнительности» (Аронов). Впрочем, такого рода трудности возникли и во времена становления квантовой механики. Как отмечал Эйнштейн, ему не удалось заполучить у Бора точную формулировку принципа дополнительности, несмотря на все его усилия.

Одной из предпосылок этой ситуации могло быть то, что принцип дополнительности плохо сочетался со стереотипами наивного реализма, глубоко укорененного в структуру научно-философского мышления последних столетий – вспомним, хотя бы, о «мировоззренческом снимке» эпохи Эрнста Маха[1]. Именно стереотипы наивного реализма мешали раскрыть заключенный в принципе дополнительности смысл, и оценить все его методологические достоинства. В контексте грубой (очень грубой!) попытки визуализации смысла этого принципа, будет полезен следующий наглядный пример. Предположим, что жителю двумерной страны «Сферландии» надо исследовать какой-либо трехмерный предмет, – например монету из нашего трехмерного мира. Этот «плоский исследователь» может получить только два отпечатка обеих сторон этой монеты. Но объединить эти два отпечатка в одну непротиворечивую картину в своем плоском мире он не может и вынужден обращаться к этим двум проекциям поочередно. Только при таком подходе он и может получить максимально возможное для него количество информации о монете, две стороны которой будут для этого плоского исследователя находиться между собою в соотношении дополнительности.

И вот в физике микромира исследователи столкнулись с аналогичной ситуацией. По словам Нильса Бора, «в атомной физике слово "дополнительность" употребляют, чтобы характеризовать связь между данными, которые получены при различных условиях опыта и могут быть наглядно истолкованы лишь на основе взаимно исключающих друг друга представлений». При этом «Бор рассматривал обе картины – корпускулярную и волновую – как два дополнительных описания одной и той же реальности» (Гейзенберг). Но это возможно только в том случае, если волновую и корпускулярную природу микрочастицы мы будем считать только лишь двумя проекциями непознаваемой до конца онтологической реальности на две различные системы регистрации. Эти две проекции несут в себе принципиально различное, взаимоисключающее друг друга выражение этой реальности, так что их невозможно совместить в рамках одной картины. Их можно рассматривать только лишь поочередно, – они как бы дополняют друг друга, предоставляя при таком подходе всю возможную информацию об изучаемом явлении.

 

Примечания

[1] Подраздел 4.3.11.

 

   
 

Российский триколор  © 2015 А. Хоменков. Все права защищены. Revised: июля 12, 2015

Рейтинг@Mail.ru