Онтологические прогулки

 

 

 

4. 1 Истина как предчувствие. Очевидность невероятного  (продолжение) 

 

Было бы упущением ограничить рассмотрение нашей темы археологическим разбором философии Парменида. Тем более, что с этих древних времён в этом вопросе мало что изменилось. Менялось отношение к истине, факты, о которых спорили, но не сама истина. А наше время, включая недавнее прошлое, дало материала едва ли не больше, чем могли дать нечёткие и мифологизированные представления древних. Мы попытаемся развивать свою мысль в контексте современных научных представлений, рассчитывая разрешить беспокоящие нас вопросы на материале, накопленном при решении задач квантовой механики. Разумеется, рассматривая их под нужным нам углом зрения. Для этого необходимо добросовестно разобраться в вопросах, которые волновали физиков недавно минувшего столетия. Поэтому специфических тем, связанных с физикой, обойти мы не сможем.

Мы возвращаемся к событиям недавнего прошлого, в первую половину XX века. Это время глубокого системного кризиса, когда противоречия, накопленные столетиями быстрого и успешного развития, принесли свои проблемные плоды во всех областях общественной жизни: в политике, экономике, в мировоззрении, науке, искусстве. Сейчас нас интересует кризис научного мировоззрения в области отношения к объективному знанию.

Известно, что причины кризисов закладывается в самых основаниях исторических процессов: к кризису ведёт то, что в начале было предпосылкой и условием развития. Для научного мировоззрения Нового Времени таким стимулом стало стремление строить познание на вещах очевидных, на том, что не вызывает сомнений и не требует особых доказательств. Не удивительно, что в итоге всё было сведено к попытке достижения неоспоримой истины на основе обыденного опыта, неоспариваемого уже по причине привычки к нему. Ограниченный повседневный опыт стал точкой отсчёта взгляда на мир, а практический здравый смысл ремесленника – критерием истины. Опоры на быт требовала и практическая направленность поиска.[2] И не только в бытовизмах дело. Одновременно замкнутый и самодостаточный античный космос был заменён бесконечным неструктурированным пространством. Дело не в том, какая картина мира ближе к истине, дело в другом ощущении мира. Новое Время формирует новое представление о духовной жизни, и бесконечное пространство в ней занимает важное место. Пусть совершенство и понимается более приземлёно, чем в предшествующую эпоху, на уровне обыденных же социальных связей. Напряжённый мистицизм прошлой эпохи обратился вовне, в реальное беспредельное пространство звёздного неба, утратив свою глубину. Эта беспредельность звездного неба над головой стала манящим символом предустановленной гармонии, влекущей в бесконечные дали познания, не считаясь ни с какими ограничениями. Действительно, то, что Освальд Шпенглер назвал «фаустовским духом» ограничений не терпит, и новое пространство Нового Времени это не случайные ассоциации, а выражение тайных, до поры сдерживаемых стремлений, в своём преодолении пытающихся развернуться за все мыслимые пределы.

Изначальные терзания Декарта по поводу «врождённой иррациональности знания» были оставлены.[3] Вообще все эти метафизические вопросы о началах и основаниях казались не имеющими значения. Если не вредными. На споры об абстрактных вещах больше не отвлекались, и такая переориентация интересов только способствовала развитию экспериментальной науки. Платой за сужение философского горизонта стало обмеление философской мысли, а результатом – убеждённость в том, что любое сколь угодно сложное явление может (и должно) получить объяснение на основании простых и наглядных причинно-следственных связей, сведённых к элементарным взаимодействиям. Как известно, Лаплас был уверен в возможности объяснения всей сложности мира простыми причинно-следственными связями и в «гипотезе Бога», как он говорил сам, не нуждался. Теперь мы можем говорить о наивном лапласовом детерминизме. По сути, основой познания стало осуждённое Парменидом доверие чувственному опыту, «глазам незрячим, ушам шумящим». На какое-то время такое упрощение обеспечило чувство интеллектуального комфорта и внушало оптимизм, так свойственные эпохе Просвещения. И пока исследования оставались в пределах «круга очевидностей», обыденные представления вполне удовлетворяли искателей истины. Однако в начале XX века «граница очевидности» была преодолена. Эпоха наивной уверенности и основанного на ней оптимизма завершилась.

 

Физика эпохи общего кризиса

Ограниченность принципа наблюдаемости

 

Дело не столько в ограниченных возможностях чувственного познания: используя технические приёмы, эта проблема в той или иной мере может быть решена. Проблема в том, что на определённом уровне физической реальности законы классической физики перестают работать, и объяснить, что происходит исходя из известных принципов невозможно. Революцией стало открытие Планком кванта действия. Квант действия был введён Планком при уточнении закона Вина для излучения абсолютно чёрного тела, который для всего диапазона (в области низких частот и низких температур) экспериментально не подтверждался. Это была вынужденная мера. Планк вывел эмпирическую формулу, интерполировав в неё частоту излучения, но «счастливо угаданной формулы», как выразился сам Планк, было явно недостаточно. Необходимо было выяснить, есть ли за полученной зависимостью физическая реальность, или это не более чем удачно подогнанная под известный ответ формула. Так как на основании принципов классических термодинамики найти объяснение оказалось невозможным, Планк обратился к вероятностной концепции энтропии Больцмана, а это предполагало рассмотрение состояния системы как результата микросостояний её элементов. Объект представлялся теперь конгломератом огромного числа микрочастиц, что предполагало статистические представления и конечное число излучателей. Непрерывному излучению должно было бы соответствовать бесконечное число элементов, что имело следствием бесконечную же энергию излучения.[4] Эта логика и привела к постулированию кванта действия, наименьшей, элементарной величины излучения.

Гипотеза о дискретности излучения казалось настолько противоречащей принятым в теории излучения волновым представлениям, что Планк долгое время сомневался в реальности своего открытия, вместе с тем понимая его возможное значение.[5] Позже, в частном письме он писал, что постулировать кванты его заставило отчаяние, ибо «теоретическое объяснение должно было быть найдено любой ценой».[6] Тем не менее, квантовая гипотеза разрешала ряд трудностей, а впоследствии получила многочисленные экспериментальные подтверждения. Понимая радикальность изменений в физической теории, на 1-м Сольвеевском конгрессе Планк предварил своё выступление словами: «Рамки классической динамики … оказались слишком узкими, чтобы охватить все те физические явления, которые не поддаются прямому наблюдению нашими грубыми органами чувств».[7] Позже Нильс Бор в связи с открытием кванта действия писал: «Открытие Планка удается сделать плодотворным для объяснения свойств элементов на основании наших знаний о составляющих частях атома только путем известного отречения от обычных требований наглядности…».[8]

Дополним эту картину другими существенными чертами. Судя по всему, никаких твёрдых частиц не существует. Никаких шариков, которые рисовались воображению Демокрита, нет. Диаметр атома водорода – 10^-12м, диаметр его ядра – 10^-17м. Разница в 100.000 раз! Атом практически пуст (если понимать эту пустоту не как «ноль всего») и представляет собой крошечное ядро, окружённое электронами. Получается, что практически всё, что нас окружает, представляет собой пустоту (с учётом предыдущей оговорки),[9] если точнее, некое пространство энергетических взаимодействий. И твёрдость тела не что иное, как проявление сил атомных взаимодействий. Да и «неделимый» (атом – ἄ-τομον) оказался вполне делим, и предел этой делимости не найден. Мы ничего не знаем о реальном положении электронов относительно ядра, и вынуждены представлять это как распределение вероятностей их положений, но что там на самом деле происходит, описать не можем: этого никто никогда не видел и никто никогда не увидит. Вследствие этого понятие «орбита» выглядит довольно условно, и, наверное, более правильно говорить об энергетических уровнях, описывая происходящее не в терминах координат, а в терминах энергетических взаимодействий. По крайней мере, судить об этом у нас оснований больше.

На сегодняшний день можно сказать, что реальный материальный мир представляет собой результат сложно структурированного энергетического взаимодействия. По сути, видимый мир – это структурированная энергия, и на наших бытовых очевидностях построить общую непротиворечивую картину этого мира невозможно. Чтобы приблизится к истинной картине, нам понадобятся другие «очевидности», не столь очевидные для нас. Реальный мир устроен не так, как мы его видим и ощущаем, и принцип наглядности во многом исчерпал себя.

 

 

Граница очевидного

 

То, что мы назвали «границей очевидного» имеет свою точно исчисленную меру. Это введённая Планком величина (h), известная как коэффициент, связывающий частоту электромагнитного излучения (ν) и энергию кванта излучения (ε). Постоянная Планка, имеющая размеренность энергии на время, и получила название «квант действия». Это наименьшая, элементарная порция излучаемой энергии. Вот это соотношение:

ε = hν     (1)

Общая излучённая энергия системы равна сумме элементарных излучений. Суммарное представление даёт классическую картину. Необычное в этом соотношении то, что корпускулярному пониманию энергии ставится в соответствие волновое понятие частоты, и, таким образом, эта формула объединяет корпускулярные и волновые свойства. Как было сказано выше, Планк интерполировал в формулу излучения чёрного тела частоту излучения. Таким образом, волновые и корпускулярные свойства оказались объединены искусственно,[10] а на основании классических представлений к подобному результату прийти было бы вряд ли возможно.[11] Сама же постоянная Планка была выведена из констант, полученных для законов Вина и Стефана-Больцмана эмпирически.[12] То есть имеет эмпирический характер.

Введя идею квантования, Планк фактически вернул представление об излучении как о потоке частиц, что вошло в противоречие с устоявшимся и экспериментально подтверждённым представлением о свете как электромагнитной волне. Альберт Эйнштейн рискнул высказать эту мысль в статье под названием «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света». В статье он постулировал природу света как сложение «конечного числа локализованных в пространстве неделимых квантов энергии, поглощаемых или возникающих только целиком» и успешно применил идею Планка при объяснении фотоэффекта. Эйнштейн предположил, что классические оптические явления наблюдаются при «средних по времени величинах», тогда как при мгновенных процессах, процессах взаимодействия, излучения и поглощения света классическая теория оказывается недостаточной.[13] Позже опыты Милликена, предпринятые им для опровержения гипотезы Эйнштейна, подтвердили пропорциональность между кинетической энергией фотоэлектрона и частотой падающего света. Опыты показали, что коэффициент пропорциональности не зависит от природы поверхности, а величина его составляет 6,57×10^-27 эрг×с, что близко к значению полученного Планком для кванта действия.[14] Двойственность природы света была подтверждена и другими экспериментами. В свою очередь выяснилось, что поток частиц проявляет волновые свойства, не отличаясь в своём поведении от электромагнитных волн.[15]

 

 

Одна реальность

 

Итак. То, что вначале представлялось методологической уловкой, в итоге привело к открытию фундаментальной константы, объединяющей два несводимых друг к другу способа существования материи. Перед физиками оказался непонятный гибрид, имеющий несовместимые свойства локальной частицы и нелокальной волны. Это настолько противоречило известному опыту, что создавалось впечатление, что никаких физических принципов не существует вообще: ведь нельзя быть локальным и нелокальным одновременно! Но если не навязывать реальности нашу «наглядность», следует признать, что перед нами то, что мы не в состоянии правильно классифицировать. В окружающем нас мире подобных объектов не существует, и наша система восприятий и представлений не приспособлена к ним. Однако вряд ли есть причина сомневаться, что за этим сочетанием несочетаемого стоит реальный объект, который в зависимости от условий обнаруживает те или иные свойства. И именно этот класс объектов составляет материальную основу мира. Рассуждая о материальных основах мира, мы не знаем самого важного!

Можно предположить, что реальные объекты квантовой механики представляют собой не волны и не частицы, как мы их представляем, а нечто иное, обнаруживающее эти свойства в зависимости от условий наблюдения.

Эта позиция представляется последовательным реализмом. Но нам легко так рассуждать. Столетие назад всё казалось настолько запутанным, что ставились под вопрос научные принципы вообще. Гейзенберга всерьёз беспокоил вопрос: «Действительно ли природа может быть такой абсурдной, какой она предстает перед нами в этих атомных экспериментах».[16] Нужно было как-то выбирать, и попытки разрешить эти вопросы приводили к горячим и под час непримиримым спорам.

 

 

Копенгагенская интерпретация

 

Итак, нас интересует объект, который не есть волна и не есть частица. Однако Парменид завещал путями «не есть» не ходить, ибо путь этот непроходим, и никакого знания из отрицаний извлечь невозможно. Однако в отрицаниях подобного рода есть и утверждение. Да, мы не знаем, что в реальности представляет собой объект, но мы знаем, что такое волна и что такое частица и умеем с ними работать. Остаётся применить наши знания в отношении известных нам свойств. Это и предложил Бор. Мы можем получить два описания одной ситуации: одну с точки зрения волновых свойств, другую – корпускулярных. Эти картины противоречивы, ни одну из них нельзя считать полной, но принимать, что полным будет совокупность этих описаний. Описание остаётся классическим, а на классическое описание накладываются квантовые условия, представляя объект или волной, или частицей. В этом и заключается принцип дополнительности.[17] Эрвин Шредингер в 1935 году писал, что классические представления играют в квантовой механике роль Протея, являя то одну, то другую природу.[18]

Другой важный компонент копенгагенской интерпретации – принцип неопределённости Гейзенберга, в котором роль границы неопределённостей играет постоянная Планка. В 1927 году Вернер Гейзенберг математически вывел соотношение неопределённостей, согласно которому произведение неопределённостей определения координаты и импульса не может быть меньше приведённой постоянной Планка:

Δq × Δp ≥ ћ  (2) [19]

В результате нам известны либо энергетические характеристики объекта (импульс, энергия), либо его локализация (пространственные и временные координаты), и никогда эти параметры не могут быть известны одновременно.[20]

Серьёзной проблемой квантовой физики является принципиальная невозможность точных измерений. Мы видим предметы посредством световых волн, но в микромире световая волна уже и частица, обладающая импульсом сопоставимым с импульсом самого объекта (в макромире это взаимодействие попросту ничтожно). То есть объекты в микромире соизмеримы со средствами измерения, и в результате измерения происходит возмущение системы, её состояние изменяется. Из соотношения (1) следует, что энергия световой волны тем выше, чем короче длина волны. Поэтому чем точнее мы хотим определить положение частицы, тем короче используемые для этого волны, и тем сильней влияние измерения на объект. Всё это так, но это не о принципе неопределённости Гейзенберга, хотя в начале этот факт предлагался Бором как «физический аргумент».[21] Как утверждает Эндрю Уитакер в книге «Эйнштейн, Бор и квантовая дилемма», отказ Бора от «физического аргумента» произошёл после публикации нашумевшей статьи Эйнштейна, Подольского и Розена, но остался незамеченным. Тем не менее «измерительная» интерпретация по-прежнему часто приводится как основное объяснении принципа неопределённости.[22] Смысл принципа неопределённости значительно глубже. Это проблема сущностная, связанная с природой самого объекта. Гейзенберг в книге «Физические принципы квантовой теории» пишет, что неопределённость обеспечивает рассеяние волнового пакета, к которому в рамках квантово-корпускулярного дуализма сводится представление о частице.[23] Бор же в 1928 году дал объяснение причин неопределённости с точки зрения волновых свойств, используя идеею «материальных волн» де Бройля, и получил соотношение (2) исходя из волновых принципов.[24] Если объект рассматривать как волновой пакет, то для его лучшей локализации необходимо чтобы число волн, составляющий его, было как можно больше, а это ведёт к большей неопределённости импульса. И наоборот, определённость импульса требует меньшего количества волн в пакете, что имеет следствием размывания его в пространстве.

Принцип неопределённости и принцип дополнительности были сформулированы практически одновременно в 1927 году, когда Гейзенберг и Бор отдыхали от общения друг с другом. А в конце года оба принципа были предъявлены на 5-м Сольвеевском конгрессе и стали основой, так называемой копенгагенской интерпретации. Такой подход не был чем-то новым: ранее подобным образом была построена модель атома Бора.[25] А в упомянутой выше статье Эйнштейна, в которой говорится о «средних по времени» и о мгновенных величинах (1905 год), так же предполагалась теоретическая двойственность. Теперь это становилось принципом, на основе которого предполагалось дальнейшее развитие физики. Вольфганг Паули справедливо отмечал, что для гуманитарных наук в принципе дополнительности ничего нового нет, однако применение его в точных науках свидетельствует о понимании, что наши представления об объекте являются лишь абстрактной экстраполяцией, не соответствующей действительности.[26] Это важное признание с далеко идущими выводами. Говоря словами Шредингера, «мы потеряли свою наивно-реалистическую невинность».^[27]

Отношение в среде физиков к принципу дополнительности было неоднозначным. Планк оценивал его как «исключительно плодотворный»,[28] как основу разумной связи квантовой и классической теорий. По всей видимости, выросший в религиозной семье, сознательно принадлежавший христианской традиции, Планк был готов к факту, что разные области одной реальности допускают и требуют различное, сообразное своим задачам описания. В том же духе высказывался и сам Бор.[29] Однако философская «религия»[30] Эйнштейна, в мировоззрении которого причинно-следственные связи занимали определяющее место, допускал принцип дополнительность лишь как временный выход из создавшегося положения. Дело было не в жёстком детерминизме, в приверженности которому его часто обвиняли оппоненты. В письме Морису Соловину он писал: «С точки зрения непосредственного опыта никакого детерминизма в точном смысле этого слова не существует. … Вопрос состоит в том, должно ли быть детерминистическим или нет описание природы. … Мнения расходятся именно по этому вопросу».[31] Задачей же научного исследования, писал он в 1918 году, «является поиск тех общих элементарных законов, из которых путем чистой дедукции можно получить картину мира».[32] Копенгагенская интерпретация со всеми своими неопределённостями, противоречиями и недосказанностями,[33] такой картины не обещала и могла рассматриваться только в качестве временной прагматической уступки. В свете сказанного попытки построения единой теории поля были для Эйнштейна буквально сакральной деятельностью, а научная деятельность представлялась возвышено, наверное, можно сказать и так: как литургия (λιτυργια с греческого – «общее дело»). Тем не менее, ожидаемая Эйнштейном картина не представляет незыблемую истину, равную божественному откровению. В книге «Эволюция физики» автор теории относительности пишет: «Физика фактически начинается с введения понятий массы, силы и инерциальной системы. Все эти понятия суть свободные изобретения».[34] Тем не менее «свободные изобретения» не предполагают произвол: научная картина мира должна быть гармоничной, обусловленной полнотой своей теории, ведь «без веры во внутреннюю гармонию нашего мира, не могло бы быть никакой науки».[35] Отношение Эйнштейна к причинности продемонстрируем одной довольно ёмкой фразой: «Для того, кто всецело убежден в универсальности действия закона причинности, идея о существе, способном вмешиваться в ход мировых со