Олег Фейгин - Тайны квантового мира: О парадоксальности пространства и времени

В классической науке вероятностный подход отражен в знаменитом высказывании Лапласа о том, что если бы существовал ум, осведомленный в данный момент о всех силах природы в точках приложения этих сил, то «не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как и прошедшее, предстало бы перед его взором». Это называется лапласовским детерминизмом. Безусловно, это умонастроение не исчерпывается приведенным высказыванием Лапласа о всеведущем разуме. Оно представляет собой тонкую и глубокую систему представлений о реальности и способах ее познания.

С позиций лапласовского детерминизма ньютоновская механика с ее однозначными законами является каноном, идеалом научного знания вообще, всякой научной теории. Любая теория с этой точки зрения должна исчерпывающим образом описывать свойства реальности на базе строго однозначных механических законов.

Некоторые интерпретации квантовой физики были построены с позиций лапласовского детерминизма. Их развивали такие видные ученые, как сам Планк, Эйнштейн, Шрёдингер, Луи де Бройль. Они и их многочисленные сторонники утверждали, что принципиально вероятностный характер квантовой механики говорит о ее неполноте как физической теории.

Против такой интерпретации квантовой механики выступили научные школы Бора, Борна, Бриллюэна, а также все, кто видел в квантовой механике полноценную и полноправную физическую теорию. Хотя дискуссии в отношении статуса вероятностных представлений в современной физике не закончены до сих пор, тем не менее развитие квантовой механики постепенно ослабляет позиции сторонников лапласовского детерминизма.

Вообще говоря, обсуждая вероятностный характер квантовой физики и детерминизм классической механики, следует понимать, что случайности могут создавать новые исторические сущности не только на уровне микрообъектов.

Научный поиск во многом напоминает раскрытие самых хитроумных преступлений, только он несравнимо более увлекателен и занимателен. Поэтому, рассказывая об истории научных открытий, необходимо уделить внимание логическим построениям их авторов. Вспомним несравненного сыщика Эркюля Пуаро Агаты Кристи, как он расследует замысловатые детективные головоломки, то возвращаясь к началу расследования, то перескакивая через несколько эпизодов к заинтересовавшей его детали, то останавливаясь в задумчивости и переходя к какой-то совершенно иной версии.

Нечто подобное предстоит испытать и читателю, ощутив, как волею хитросплетений сюжета медленное ровное течение естественной истории (так называли раньше все естественные науки, включая физику) сменилось бурным потоком поражающих воображение открытий. А ведь и девятнадцатый век имел перед наукой большие заслуги — это и совершенные паровые турбины, и электричество, и радиоактивность, и рентгеновские лучи, и опыты с электромагнитными колебаниями Герца. Тем не менее произошедший поворот в научном знании и, без всякого преувеличения, в истории человеческой цивилизации, был несравнимо глубже и принципиальнее.

Наука прошлого для всех частей естественной истории вполне успешно использовала механический подход. Собственно, и сейчас практически весь школьный курс физики основывается именно на классической механике. Однако в конце девятнадцатого века по величественному зданию классической физики пробежали первые зловещие трещины непонятных парадоксов. Правда, вначале никто даже не подозревал, что вместо косметического ремонта фасада для сохранения хотя бы общих контуров постройки понадобится пересмотреть даже принципы закладки фундамента физического мировоззрения. Научная революция двадцатого века показала, как бывают драматичны судьбы научных идей, если знакомиться с ними не только по учебникам.

Впрочем, лучше всего было бы прислушаться к словам очевидцев и творцов тех впечатляющих научных свершений. Великий Эйнштейн писал по этому поводу: «Это драма, драма идей». А создатель целого раздела новой физики — волновой квантовой механики знаменитый французский физик Луи де Бройльвпоследствии с горечью заметил: «Авторы, пишущие сейчас трактаты о квантовой механике, почти уже не говорят о тех основных идеях, которые ее породили. Они даже, видимо, предпочитают этот термин „квантовая механика“ термину „волновая механика“, который, как им кажется, вызывает в представлении неточный или бесполезный физический образ. А между тем именно волновая механика и выведенные из нее волновые уравнения остаются в основе всего математического развития современных квантовых теорий; без них сейчас, может быть, и не было бы трактатов о квантовой механике».

Своей наглядностью и простотой планетарная модель атома Резерфорда — Бора завоевала себе довольно много сторонников среди физиков, химиков и даже астрономов, увидевших в ней всеобщую схему строения Мироздания. При этом большинство ученых, ошеломленные потоком новой информации, даже не придавали особого значения вопиющим противоречиям с классической электродинамикой.

Работы Бора и его коллеги Арнольда Зоммерфельдапривели к созданию так называемой формальной модели атома (форммодели), которая сыграла важную роль в истории атомной физики. Смысл загадочной предсказательной силы атомной форммодели пытались прояснить многие ученики и коллеги Зоммерфельда, в числе которых были Вольфганг Паули, Джордж Уленбек и Сэмюэл Гаудсмит. Именно они придумали очень остроумную модель для наглядного объяснения целого ряда загадочных свойств форммодели атома, которую назвали спином микрочастиц. Вначале данное представление касалось только электрона, который стал напоминать микроскопический волчок, вращающийся вокруг своей оси. В общем-то, такая модель продолжала традицию развития аналогий между атомом и Солнечной системой, ведь кроме своего движения по эллиптической орбите вокруг Солнца наша планета вращается и вокруг своей оси.

Любопытно, что эту аналогию придумал раньше всех будущий нобелевский лауреат Артур Комптон (автор знаменитого «эффекта Комптона», состоящего в увеличении длины волны СВЧ-излучения при встрече с потоком электронов), но отказался от нее после резкой критики Паули. Молодой аспирант Зоммерфельда с жаром доказывал, что прямая аналогия между электроном и вращающимся микрообъектом не выдерживает критики.

С другой стороны, смысл образа квантовых волчков мог быть как-то связан с непонятным на то время принципом Паули, запрещавшим рассматривать сообщества двух «односпиновых частиц».

Кстати, именно данный принцип впервые позволил разумно объяснить физическую основу построения Периодической системы химических элементов Менделеева.