Главы 8-9.

В.Гейзенберг.

Физика и философи

В.Гейзенберг, Физика и философия, М., Наука, 1989, сс. 3-132.

Перевод с немецкого И. А. Акчурина и Э. П. Андреева

Главы 8-9

VIII. КРИТИКА И КОНТРПРЕДЛОЖЕНИЯ В ОТНОШЕНИИ КОПЕНГАГЕНСКОЙ ИНТЕРПРЕТАЦИИ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ

Копенгагенская интерпретация квантовой теории далеко увела физиков от

простых материалистических воззрений, господствующих в естествознании XIX

столетия. Так как эти воззрения были не только самым тесным образом связаны

с естествознанием того времени, но и очень обстоятельно проанализированы в

некоторых философских системах и благодаря этому очень глубоко проникли в

само мышление человечества, то вполне понятно, что было предпринято много

попыток подвергнуть копенгагенскую интерпретацию критике и заменить ее

другой, более соответствующей представлениям классической физики и

материалистической философии.

Эти попытки предпринимаются с позиций, которые можно разделить на три

различные группы. Представители первой группы хотя и принимают полностью

копенгагенскую интерпретацию экспериментов, по крайней мере поскольку это

касается экспериментов, проведенных до настоящего времени, но не

удовлетворены используемым при этом языком, то есть лежащей в основе ее

философией, и заменяют ее другой. Другими словами: они пытаются изменить

философию, не меняя при этом физики. В некоторых работах представителей этой

первой группы согласие с копенгагенской интерпретацией ограничиваетс

экспериментальными предсказаниями этой интерпретации относительно всех

экспериментов, которые были до сих пор проведены или которые только имеют

отношение к обычной физике электронов.

Представители второй группы ясно представляют себе, что копенгагенска

интерпретация является единственно приемлемым истолкованием, если

экспериментальные данные действительно повсюду согласуются с предсказаниями

этой интерпретации. Поэтому в работах этой группы делаются попытки в

определенных критических пунктах изменить квантовую теорию.

Наконец, представители третьей группы просто выражают свою общую

неудовлетворенность квантовой теорией, не выдвигая при этом определенных

контрпредложений, будь они физического или философского характера. К

представителям этой группы можно причислить Эйнштейна, Лауэ и Шредингера.

Исторически возражения против копенгагенской интерпретации выдвигались

прежде всего этой группой.

Все оппоненты квантовой теории едины, однако, в одном пункте. Было бы

желательно, по их мнению, возвратиться к представлению о реальности,

свойственному классической физике, или, говоря на более общем философском

языке, к онтологии материализма, то есть к представлению об объективном,

реальном мире, мельчайшие части которого существуют столь же объективным

образом, что и камни и деревья, независимо от того, наблюдаем мы их или нет.

Но как разъяснено в одной из предыдущих глав, это невозможно или, во

всяком случае, вследствие природы атомных явлений, возможно не полностью.

Нашей задачей не может являться высказывание пожеланий относительно того,

какими должны быть, собственно говоря, атомные явления. Нашей задачей может

быть только понимание их.

Когда разбирают работы представителей первой группы, то важно с самого

начала иметь в виду, что толкования, содержащиеся в этих работах, не могут

быть опровергнуты экспериментом, так как они ведь только повторяют

копенгагенскую интерпретацию на другом языке. Со строго позитивистской точки

зрения можно было бы даже сказать, что здесь мы имеем дело совсем не с

контрпредложениями, выдвинутыми против копенгагенской интерпретации, а с их

точным повторением на другом языке. Поэтому можно только спорить о

целесообразности этого языка. Эта группа контрпредложений использует идею

"скрытых параметров". Так как законы квантовой теории предсказывают

результаты эксперимента, вообще говоря, только статистически, то,

основываясь на классической точке зрения, можно было бы предположить, что

существуют скрытые параметры, которые, будучи ненаблюдаемы в любом обычном

эксперименте, в действительности определяют результат эксперимента, как это

всегда считалось ранее в соответствии с принципом причинности. Поэтому в

некоторых работах была предпринята попытка изобрести такие параметры внутри

рамок квантовой механики.

В этом плане выдвинул, например, свои контрпредложения против

копенгагенской интерпретации Бом, идеи которого недавно были до некоторой

степени поддержаны также де Бройлем 10. Интерпретация Бома разработана

вплоть до деталей. Поэтому она может служить здесь основой обсуждения. Бом

рассматривает частицы как объективно существующие структуры, подобно

материальным точкам классической механики. Волны в конфигурационном

пространстве являются в его интерпретации также "объективно существующими",

подобно электрическим полям. Правда, конфигурационное пространство

представляет собой пространство многих измерений, относящихся к различным

координатам всех принадлежащих систем частиц. В связи с этим возникает

первая трудность: что имеют в виду, когда называют волны в конфигурационном

пространстве "реально существующими"? Конфигурационное пространство

представляет собой очень абстрактное пространство. Слово же "реальное"

происходит от латинского слова "res" и означает "предмет", "вещь". Но вещи

существуют в обычном, трехмерном, а не в абстрактном конфигура-

ционном пространстве. Рассмотрение волн в конфигурационном пространстве

в качестве объективных имело бы оправдание лишь в том случае, если бы мы

этим рассмотрением хотели сказать, что эти волны не зависят от наблюдател

Но все же их вряд ли можно назвать действительно существующими, или

реальными, если мы только .не хотим произвольно менять значение слов Бом

определяет затем линии, пересекающие поверхности постоянной фазы под прямым

углом, как возможные траектории частиц. Какая из этих линий окажетс

действительной траекторией частицы, зависит, по мнению Бома, от истории

системы и свойств измерительного прибора, и решить этот вопрос, не зная о

системе и измерительном приборе больше того, что фактически может быть

известно, нельзя. Эта история (системы и прибора) фактически содержит в

таком случае "скрытые параметры", а именно реальную траекторию электрона до

того, как эксперимент начался.

Одним из следствий этой интерпретации, как подчеркнул Паули, являетс

то, что электроны многих атомов в стационарном состоянии должны покоиться,

что они, стало быть, не должны совершать никаких движений по орбитам вокруг

атомного ядра Это кажется на первый взгляд противоречащим эксперименту, так

как измерения скоростей электронов в основном состоянии (например, с помощью

Комптон-эффекта) всегда дают в итоге некоторое распределение электронов

основного состояния по скоростям, которое в соответствии с правилами

квантовой механики дается квадратом волновой функции в пространстве

скоростей (импульсов). В этом случае, однако, Бом может ответить, что

измерение не подлежит больше рассмотрению на основании прежних законов.

Поэтому хотя при обычной оценке результата измерения в качестве

распределения по скоростям будет получаться квадрат волновой функции в

пространстве скоростей (импульсов), но если при рассмотрении измерительной

аппаратуры принимать во внимание квантовую теорию и особенно введенные Бомом

ad hoc квантово-механические потенциалы, то вывод -- в действительности

электроны в стационарном состоянии всегда покоятся -- был бы все-таки

допустим. Этому соответствует тот факт, что введенные Бомом в этой связи

квантовые потенциалы имеют очень странные свойства: например, они отличны от

нуля на любом сколь угодно большом расстоянии. Такой ценой Бом надеетс

получить возможность утверждать: "Для нас нет необходимости отказываться в

области квантовой теории от точного, рационального и объективного описани

индивидуальных систем" Но такое объективное описание разоблачает себя при

этом как разновидность идеологической надстройки, только в очень малой

степени связанной с непосредственной физической реальностью. Ибо ведь

скрытые параметры в интерпретации Бома таковы, что они никогда не могут

встретиться в описании реальных процессов, поскольку квантовая теори

остается неизменной.

Чтобы избежать этой трудности, Бом высказал надежду, что в будущих

экспериментах (например, на расстояниях, меньших 10-13 см)

скрытые параметры все-таки еще будут иметь физический смысл, и тем

самым квантовая теория может оказаться ложной. Бор по поводу высказывани

таких надежд обычно говорит" что по структуре они подобны приблизительно

такому утверждению: "Можно надеяться, что впоследствии окажется, что в

некоторых случаях 2Х2 --5, ибо это было бы выгодно для наших финансов". На

самом деле исполнение надежд Бома лишило бы почвы не только квантовую

механику, но тем самым и интерпретацию Бома. Конечно, в то же врем

необходимо подчеркнуть, что приведенная аналогия, хотя она и представляетс

полной, не является с точки зрения логики неотразимым аргументом против

возможного будущего изменения квантовой теории в предлагаемом Бомом

направлении. Ибо в принципе можно себе представить, что, например,

последующее развитие математической логики может придать определенный смысл

утверждению, что в исключительных случаях 2Х2 может быть равно 5 и что в

таком случае эта обобщенная математика, возможно, даже будет использоватьс

для вычислений в области экономики. И все же на основании фактов, не

прибегая даже к убедительным логическим аргументам, мы убеждены, что такие

изменения в математике ничем не смогут помочь нашим финансам. Поэтому

непонятно и то, как могут быть применены для описания физических явлений те

математические идеи, на которые Бом указывает как на возможное осуществление

своих надежд.

Если отвлечься от этого возможного изменения квантовой теории, то язык

Бома, как уже отмечалось, не говорит в отношении физики ничего иного, чем

язык копенгагенской интерпретации. В таком случае остается только вопрос о

целесообразности этого языка. Наряду с тем, что мы уже отмечали о

траекториях частиц, когда рассматривали эти рассуждения как ненужную

идеологическую надстройку, следует также отметить, что язык Бома разрушает

присущую квантовой теории симметрию координат и скоростей, или, точнее

говоря, координат и импульсов. Так как свойства симметрии всегда имеют

отношение к сокровеннейшей физической сущности теории, то остаетс

непонятным, что мы выиграем от устранения их в соответствующем языке.

Подобное же возражение в несколько другой форме можно привести и против

статистической интерпретации Боппа и несколько отличной от нее интерпретации

Феньеша. Бопп принимает в качестве основного квантово-механического процесса

возникновение и уничтожение частиц, которые являются реальными в

классическом смысле слова, а именно в смысле материалистической онтологии, и

законы квантовой механики рассматриваются как особый случай корреляционной

статистики, которая здесь применяется к процессам возникновения и порождени

частиц. Такая интерпретация может быть проведена, как показал Бопп, без

противоречий, и она проливает свет на интересные связи между квантовой

теорией и корреляционной статистикой. С физической точки зрения она ведет к

тем же самым выводам, что и копенгагенская интерпретация. В позитивистском

смысле она, следовательно, опять же изоморфна этой интерпретации, так

же как и интерпретация Бома. Однако в ее языке нарушается симметрия волн и

частиц, являющаяся обычно особенно характерной чертой математической схемы

квантовой теории. Уже в 1928 году Иордан, Клейн и Вигнер показали, что эта

математическая схема может быть истолкована не только как квантование

движения частиц, но и как квантование трехмерных материальных волн. Нет,

следовательно, основания считать волны материи менее реальными, чем частицы.

Симметрия волн и частиц могла бы в интерпретации Боппа сохраниться, пожалуй,

в том случае, если бы соответствующая корреляционная статистика была развита

и в применении к материальным волнам в пространстве и времени и если бы,

таким образом, можно было оставить открытым вопрос о том, частицы или волны

следует считать настоящей реальностью11.

Предположение о реальном в смысле материалистической онтологии

существовании частиц всегда необходимо ведет к попыткам считать, что по

крайней мере в принципе возможны отклонения от соотношени

неопределенностей. Например, Феньеш утверждает, что существование

соотношения неопределенностей, которое он также связывает с определенными

статистическими соотношениями, никоим образом не исключает возможность

одновременного и сколь угодно точного измерения координат и скорости. Однако

Феньеш не указывает, как такие измерения должны практически выглядеть, и

поэтому его соображения, по-видимому, остаются абстрактно-математическими.

Вейцель, предложения которого родственны предложениям Бома и Феньеша,

связывает искомые скрытые параметры с новым, придуманным ad hoc сортом

частиц, зеронами, которые никаким способом невозможно наблюдать.

Представление такого рода таит в себе опасность, что взаимодействие реальных

частиц с зеронами приведет к рассеянию энергии по большому числу степеней

свободы поля зеро-нов, так что вся термодинамика превратится в хаос. Вейцель

не объяснил, как он сможет преодолеть эту опасность.

Точку зрения, из которой исходили в критике копенгагенской

интерпретации все группы рассмотренных до сих пор физиков, вероятно, можно

лучше всего охарактеризовать, если вспомнить дискуссию, посвященную

специальной теории относительности. Те, кто не был удовлетворен устранением

Эйнштейном абсолютного пространства и абсолютного времени, могли

аргументировать примерно следующим образом. Специальная теори

относительности никоим образом не доказала, что не существует абсолютное

пространство и абсолютное время. Она только показала, что истинное

пространство и истинное время во всех обычных экспериментах себя не

проявляют. Но если правильно учесть соответствующие законы природы и таким

образом ввести для движущихся систем координат правильные кажущиеся времена,

то ничто не будет говорить против предположения об абсолютном пространстве.

Было бы даже правдоподобно предположить, что центр тяжести нашей Галактики

(по крайней мере

приближенно) покоится в абсолютном пространстве. Критик специальной

теории относительности мог еще добавить, что можно надеяться, что в будущем

измерения сделают определение абсолютного пространства, так сказать

"скрытого параметра" теории относительности, возможным и тем самым теори

относительности будет опровергнута.

Эту аргументацию нельзя, как это сразу видно, опровергнуть

экспериментально, так как при этом не делается никаких утверждений,

отличающихся от утверждений специальной теории относительности. Но така

интерпретация теории относительности нарушала бы, по крайней мере на

применяемом языке, как раз важнейшее свойство симметрии теории

относительности, а именно инвариантность относительно преобразований

Лоренца, и поэтому ее следует считать неприемлемой.

Аналогия обсуждений специальной теории относительности с обсуждениями

квантовой теории очевидна. Законы квантовой механики таковы, что введенные

ad hoc скрытые параметры никогда нельзя будет наблюдать. Кроме того,

важнейшие свойства симметрии были бы нарушены, если бы мы ввели в

интерпретацию теории скрытые параметры в качестве фиктивных величин.

Возражения, которые содержатся в работах Блохинцева и Александрова, по

самой постановке довольно отличны от обсужденных выше. Эти возражения с

самого начала ограничиваются исключительно философской стороной вопроса. В

физическом плане Блохинцев и Александров без всяких оговорок соглашаются с

копенгагенской интерпретацией. Тем более резкими оказываются внешние формы

полемики: "Среди самых разнообразных идеалистических направлений в

современной физике так называемая "копенгагенская школа" -- наиболее

реакционная. Разоблачению идеалистических и агностических спекуляций этой

школы вокруг коренных проблем квантовой механики и посвящена данная статья",

-- пишет Блохинцев во введении к одной из своих статей. Резкость полемики

показывает, что здесь идет речь не только о науке, но и о веровании. Цель

критики высказана в заключение статьи цитатой из сочинения Ленина: "Как ни

диковинно с точки зрения "здравого смысла" превращение невесомого эфира в

весомую материю и обратно, как ни "странно" отсутствие у электрона всякой

иной массы, кроме электромагнитной, как ни необычно ограничение механических

законов движения одной только областью явлений природы и подчинение их более

глубоким законам электромагнитных явлений и т. д. -- все это только лишнее

подтверждение диалектического материализма" 12. Хотя, стало быть,

предпосылки работ Блохинцева и Александрова лежат вне области

естествознания, все же обсуждение их аргументов весьма поучительно.

В данном случае главная задача заключается в спасении

материалистической онтологии, поэтому атакам подвергается прежде всего

введение в интерпретацию квантовой теории наблюдателя. Александров пишет:

"Поэтому под результатом измерения в квантовой меха-

нике нужно понимать объективный эффект взаимодействия электрона с

подходящим объектом. Разговоры о наблюдателе нужно исключить и иметь дело с

объективными условиями и объективными эффектами. Физическая величина есть

объективная характеристика явления, а не результат наблюдения". Волнова

функция характеризует, согласно Александрову, объективное состояние

электрона.

В своем изложении Александров упускает, что взаимодействие системы с

измерительным прибором в том случае, когда прибор и система считаютс

изолированными от остального мира и в целом рассматриваются в соответствии с

квантовой механикой, как правило, не ведет к определенному результату

(например, к почернению фотопластинки в определенной точке). Когда против

этих заключений выдвигают утверждение: "Но в действительности пластинка

после взаимодействия все-таки почернела в определенном месте", то тем самым

от квантово-механического рассмотрения изолированной системы, состоящей из

электрона и пластинки, отказываются. В этом заключается фактический характер

события, которое может быть описано с помощью понятий повседневной жизни, в

математическом формализме квантовой теории непосредственно не содержится и в

копенгагенскую интерпретацию входит благодаря введению представления о

наблюдателе. Конечно, не следует понимать введение наблюдателя неправильно,

в смысле внесения в описание природы каких-то субъективных черт. Наблюдатель

выполняет скорее функции регистрирующего "устройства", то есть регистрирует

процессы в пространстве и времени; причем дело не в том, является ли

наблюдатель аппаратом или живым существом; но регистрация, то есть переход

от возможного к действительному, в данном случае, безусловно, необходима и

не может быть исключена из интерпретации квантовой теории. В этом пункте

квантовая теория самым тесным образом связана с термодинамикой, поскольку

всякий акт наблюдения по всей своей природе является необратимым процессом.

Только посредством таких необратимых процессов формализм квантовой теории

может быть непротиворечивым образом связан с действительными процессами в

пространстве и времени. С другой стороны, необратимость, если ее снова

перевести на язык математического изображения событий, является следствием

неполноты знаний, которые наблюдатель имеет о системе, и поэтому не являетс

все-таки чем-то вполне объективным.

Формулировки Блохинцева несколько иные, чем Александрова. "В квантовой

механике состояние частицы характеризуется действительно не "само по себе",

а принадлежностью частицы тому или иному ансамблю (смешанному или чистому).

Эта принадлежность имеет совершенно объективный характер и не зависит от

сведений наблюдателя". Такие формулировки уводят на самом деле уж очень

далеко (даже слишком далеко) от онтологии материализма. Дело в том, что,

например, в классической термодинамике положение иное. При определении

температуры системы наблюдатель подразумевает, что система представляет

собой только один образец, выбранный

из канонического ансамбля, и он, следовательно, может считать, что

система, по-видимому, обладает различными энергиями. Однако в

действительности система имеет в классической физике в определенный момент

времени только определенное значение энергии, все другие значения не

реализуются. Наблюдатель, следовательно, впадет в ошибку, если будет считать

возможным, что в данный момент существует другое значение энергии. Отсюда

канонический ансамбль содержит высказывания не только о самой системе, но и

о неполноте сведений наблюдателя о системе. Когда Блохинцев пытается в

квантовой теории считать принадлежность системы к ансамблю чем-то вполне

объективным, он употребляет слово "объективный" в смысле, отличающемся от

употребления его в классической физике, ибо в ней эта принадлежность

означает, как уже было отмечено, высказывание не только о системе, но и о

степени знания системы наблюдателем. При рассмотрении квантовой теории

необходимо кратко упомянуть об одном исключении. Если ансамбль

характеризуется в квантовой теории только единственной волновой функцией в

конфигурационном пространстве (а не как обычно -- статистической матрицей),

то создается особая ситуация (так называемый "чистый случай"), в котором

описание может быть названо в известном смысле объективным и в котором

элемент неполного знания непосредственно не обнаруживается. Но так как

всякое измерение (из-за связанных с ним необратимых процессов) снова вводит

потом элемент неполного знания, то и эта ситуация "чистого случая" все-таки

не отличается принципиально от другого, ранее обсужденного более общего

случая.

Из всего рассмотренного выше прежде всего видно, как трудно втиснуть

новые идеи в старую систему понятий предшествующей философии, или,

употребляя старинное выражение, как трудно наполнить новым вином старые

меха. Такие попытки всегда неприятны, потому что заставляют снова и снова

заниматься латанием неизбежных дыр в старых мехах, вместо того чтобы

наслаждаться новым вином. С точки зрения здравого смысла нельзя ожидать, что

мыслители, создавшие диалектический материализм более ста лет назад, могли

предвидеть развитие квантовой теории. Их представления о материи и

реальности не могут быть приспособлены к результатам нашей сегодняшней

утонченной экспериментальной техники.

Здесь, пожалуй, следует сделать дополнительно несколько замечаний о

позиции естествоиспытателя в отношении определенного мировоззрения. При этом

безразлично, о религиозном или политическом мировоззрении идет речь.

Принципиальное различие религиозного и политического мировоззрений,

заключающееся в том, что последнее имеет отношение к непосредственной

материальной реальности мира вокруг нас, в то время как первое имеет

объектом другую реальность, лежащую по ту сторону материального мира, в

данной постановке проблемы несущественно. Здесь следует обсудить проблему

самой веры. Из того, что было до сих пор сказано, следует вывод, что ученый

никогда не должен полагаться на какое-то един-

ственное учение, никогда не должен ограничивать методы своего мышлени

одной-единственной философией. Ученый должен быть готов к тому, что

благодаря новым экспериментальным данным могут быть изменены и самые основы

его знания. Но это требование по двум соображениям снова представляло бы

собой слишком большое упрощение нашего положения в жизни.

Первое соображение состоит в том, что весь образ нашего мышлени

формируется в нашей юности, благодаря тем идеям, с которыми мы в это врем

сталкиваемся, или благодаря тому, что мы вступаем в контакт с выдающимис

личностями, у которых мы учимся. Этот образ мышления будет оказывать

решающее влияние на всю нашу последующую работу, и вследствие этого вполне

возможны затруднения в процессе приспособления к совершенно другим идеям и

системам мышления. Второе соображение состоит в том, что мы всегда

принадлежим некоему обществу или общности. Эту общность связывают воедино

общие идеи, общий критерий моральных ценностей или общий язык, на котором

говорят о всеобщих проблемах жизни. Эти общие идеи могут поддерживатьс

авторитетом церкви, партии или государства, и даже если это не будет иметь

место, все равно очень трудно отойти от общепринятых идей, не

противопоставляя себя обществу. Но результаты научных размышлений могут

противоречить некоторым из общепринятых идей. Без сомнения, было бы

неразумно требовать, чтобы ученый вообще не был лояльным членом общества,

чтобы он принципиально отказался от всех благ, которые можно получить,

принадлежа коллективу, и было бы столь же неразумно желать, чтобы общие идеи

коллектива или общества, которые с научной точки зрения всегда необходимо

являются упрощением, следует менять сразу же вслед за очередным успехом

научного познания, что эти общие идеи должны быть, следовательно, такими же

изменчивыми, как и научные теории. Поэтому и в наше время мы снова приходим

к старой проблеме двойственности истины, которая неоднократно возникала в

истории христианской религии в эпоху позднего средневековья. В то врем

появилось весьма спорное учение о том, что положительная религия независимо

от того, какую форму она может принять, является для огромного большинства

людей потребностью, в то время как ученый ищет собственно истину по ту

сторону религии и может найти ее только там.

Наука является эзотерическим учением, -- так было сказано, -- она

предназначена только для немногих. В наше время функции положительной

религии в некоторых странах взяли на себя политические учения и общественные

организации, но проблема, в сущности, осталась той же. Первым требованием в

отношении ученого должно всегда оставаться требование интеллектуальной

честности, в то время как общество часто будет просить ученого, вследствие

изменчивости науки, подождать по крайней мере несколько десятилетий, прежде

чем публично высказывать свое расходящееся с общепринятым мнение. Простого

решения этой проблемы -- если одной терпимости недостаточно, -- вероятно,

нет. Но, пожалуй, можно находить некото-

рое утешение в том факте, что здесь речь идет, несомненно, о довольно

старой проблеме, относящейся к жизни человека во все времена.

Теперь снова возвратимся к контрпредложениям копенгагенской

интерпретации квантовой теории и рассмотрим при этом контрпредложени

представителей второй группы. В этих контрпредложениях попытка построени

иной философской интерпретации связана даже со стремлением изменить

квантовую теорию. Добросовестная попытка в этом направлении предпринята

Яноши, который осознал, что предположение о строгой справедливости квантовой

механики заставляет нас отойти от представлений о реальности классической

физики. Он поэтому пытается так изменить квантовую механику, чтобы многие ее

результаты оставались в силе, но ее структура приближалась к структуре

классической физики. Направлением своей атаки он избрал так называемую

редукцию волнового пакета, то есть тот факт, что описывающая систему

волновая функция в момент, когда наблюдателю становится известным результат

наблюдения, меняется скачком. Яноши констатирует, что эта редукция не может

быть выведена из уравнения Шредингера, и полагает, что отсюда можно

заключить о наличии непоследовательности "ортодоксальной" интерпретации. Как

известно, редукция волнового пакета появляется в копенгагенской

интерпретации всегда в тех случаях (на языке формализма -- всегда дл

"статистической смеси" состояний) , когда завершается переход от возможного

к действительному, то есть когда действительное выбирается из возможного,

что, согласно обычному описанию, делает наблюдатель. В основе этого лежит

предположение, что интерференционные члены частично погашаются вследствие

неконтролируемых взаимодействий измерительного прибора с системой и

остальным миром (на языке формализма -- взаимодействие "приготовляет"

смесь). Яноши пытается в этом пункте, вводя затухание, так изменить

квантовую механику, чтобы интерференционные члены по истечении конечного

времени исчезали сами по себе. Даже если бы это соответствовало

действительности, -- а все проведенные доныне эксперименты не дают для этого

никаких оснований, -- то при такой интерпретации, как отмечает сам Яноши,

остался бы еще ряд нежелательных следствий (например, волны,

распространяющиеся быстрее скорости света, изменение временной

последовательности причины и следствия для движущегося наблюдателя, то есть

выделение определенных систем отсчета и т. д.). Поэтому мы вряд ли

согласимся пожертвовать простотой квантовой теории ради такого рода

представлений, пока нас не принудит к этому эксперимент.

Среди других оппонентов "ортодоксальной" интерпретации квантовой теории

Шредингер занимает в определенном смысле исключительную позицию, поскольку

он хотел бы приписывать объективную реальность не частицам, а волнам и не

согласен интерпретировать волны только как волны вероятности. В своей работе

"Существуют ли квантовые скачки?" он пытается вообще отвергнуть квантовые

скачки. Но в работе Шредингера прежде всего содержится некоторое

непонимание обычной интерпретации. Он упускает из виду, что волнами

вероятности в обычной интерпретации являются только волны в конфигурационном

пространстве -- то, что на языке математики можно назвать матрицами

преобразования, -- а не трехмерные волны материи или излучения. Последние

объективно реальны в столь же большой и в столь же малой степени, что и

частицы, хотя они не имеют непосредственно никакого отношения к волнам

вероятности, но обладают, подобно максвелловскому полю, непрерывной

плотностью энергии и импульса. Конечно, Шредингер правильно подчеркивает,

что эти процессы можно считать более непрерывными, чем это делается в

большинстве случаев. Однако Шредингер не может этим устранить из мира

элемент прерывности, который в атомной физике обнаруживается повсюду,

например очень наглядно -- на сцинтилляционном экране. В обычной

интерпретации квантовой теории этот элемент содержится в переходе от

возможного к действительному. Сам Шредингер не делает никаких

контрпредложений относительно того, как он представляет себе, например,

введение всюду наблюдаемого элемента прерывности иначе, чем это делается в

обычной интерпретации.

Наконец, критика, которая содержится в различных работах Эйнштейна,

Лауэ и других, сосредоточивается вокруг вопроса о том, дает ли

копенгагенская интерпретация возможность однозначного, объективного описани

физических фактов. Ее наиболее важные аргументы могут быть выражены примерно

в следующей форме. Математическая схема квантовой теории кажется вполне

достаточным описанием статистики атомных явлений. Но, даже если ее

утверждения относительно вероятностей атомных процессов вполне правильны,

эта интерпретация все-таки не дает никакого описания того, что происходит на

самом деле, независимо от наблюдений или между нашими наблюдениями.

Что-нибудь должно ведь, однако, происходить -- в этом мы можем не

сомневаться. Это "что-нибудь" может быть, и нельзя описать с помощью

-понятий электрона, или волны, или светового кванта, но, поскольку оно не

описывается каким-либо образом, задача физики еще не выполнена. Нельз

допустить, что квантовая физика относится только к акту наблюдения. Физик

должен предполагать в своей науке, что он изучает мир, который создал не он

сам и который существовал бы также и без него и в основном точно таким же.

Поэтому копенгагенская интерпретация не дает никакого действительного

понимания атомных процессов.

Легко видеть, что эта критика требует просто возврата к старой

материалистической онтологии. Что же можно ответить на эту критику с точки

зрения копенгагенской интерпретации?

Можно сказать, что физика является частью естествознания и в этом

качестве должна стремиться к описанию и пониманию природы. Однако понимание

любого рода, будь оно научным или нет, зависит от нашего языка, от того, что

мы можем передавать наши мысли. Всякое описание явлений, опытов и их

результатов

также основывается на языке как на единственном средстве понимания.

Слова этого языка выражают понятия повседневной жизни, которые в научном

языке физики могут быть уточнены до понятий классической физики. Эти поняти

представляют собой единственное средство однозначной передачи сообщений о

процессах, расположении приборов в опытах и их результатах. Поэтому когда

физика-атомника просят дать описание того, что реально происходит в его

опытах, то слова "описание", "реальность" и "происходит" могут относитьс

только к понятиям повседневной жизни или классической физики. Как только

физик попытался бы отказаться от этой базы, он потерял бы возможность

однозначно объясняться и не смог бы развивать свою науку далее. Поэтому

всякое высказывание о том, что на самом деле происходит или произошло,

является высказыванием, использующим понятия классической физики. Оно по

самой своей природе вследствие законов термодинамики и соотношени

неопределенностей оказывается неполным в отношении тех деталей атомных

процессов, о которых в данном случае идет речь. Требование, что следует

описывать и то, что в квантово-механическом процессе происходит в промежутке

между двумя следующими друг за другом наблюдениями, является contradictio in

adjecto, так как слово "описывать" имеет отношение только к применению

классических понятий, тогда как эти понятия не могут быть применены в

промежутках между двумя наблюдениями. Они могут применяться только в момент

наблюдения.

Необходимо также подчеркнуть, что копенгагенская интерпретаци

квантовой теории никоим образом не является позитивистской. В то время как

позитивизм исходит из чувственных восприятий элементов бытия, копенгагенска

интерпретация рассматривает описываемые в классических понятиях объекты и

процессы, то есть фактическое, в качестве основы всякого физического

объяснения. Вместе с тем признается также, что статистичность природы

законов микрофизики устранена быть не может, так как всякое знание

"фактического" в силу квантово-механических законов природы является знанием

неполным.

Онтология материализма основывалась на иллюзии, что в атомную область

можно экстраполировать способ существования, непосредственно данное

окружающего нас мира. Но эта экстраполяция невозможна.

Можно было бы добавить еще некоторые замечания относительно формальной

структуры контрпредложений в отношении копенгагенской интерпретации. Все

выдвинутые до сих пор контрпредложения в отношении копенгагенской

интерпретации заставляют жертвовать существенными свойствами симметрии

квантовой теории. Поэтому вполне можно предположить, что копенгагенска

интерпретация является необходимой, если эти свойства симметрии, подобно

свойству инвариантности относительно преобразований Лоренца, считать

существенными свойствами природы. В пользу этого говорят и все проведенные

до сих пор эксперименты.

IX. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ И СТРОЕНИЕ МАТЕРИИ

Понятие "материи" на протяжении истории человеческого мышлени

неоднократно претерпевало изменения. В различных философских системах его

интерпретировали по-разному. Когда мы употребляем слово "материя", то надо

иметь в виду, что различные значения, которые придавались понятию "материя",

пока еще в большей или меньшей степени сохранились в современной науке.

Ранняя греческая философия от Фалеса до атомистов, искавшая единое

начало в бесконечном изменении всех вещей, сформулировала понятие

космической материи, мировой субстанции, претерпевающей все эти изменения,

из которой все единичные вещи возникают и в которую они в конце концов снова

превращаются. Эта материя частично идентифицировалась с некоторым

определенным веществом -- водой, воздухом или огнем, -- частично же ей не

приписывали никаких других качеств, кроме качеств материала, из которого

сделаны все предметы.

Позднее понятие материи играло важную роль в философии Аристотеля -- в

его идеях о связи формы и материи, формы и вещества. Все, что мы наблюдаем в

мире явлений, представляет собой оформленную материю. Материя,

следовательно, является реальностью не сама по себе, но представляет собой

только возможность, "потенцию", она существует лишь благодаря форме 13. В

явлениях природы "бытие", как называет его Аристотель, переходит из

возможности в действительность, в актуально свершившееся, благодаря форме.

Материя у Аристотеля представляет собой не какое-либо определенное вещество,

как, например, воду или воздух, не является она также и чистым

пространством; она оказывается в известной степени неопределенным телесным

субстратом, который содержит в себе возможность перейти благодаря форме в

актуально свершившееся, в действительность. В качестве типичного примера

этого соотношения между материей и формой в философии Аристотеля приводитс

биологическое развитие, в котором материя преобразуется в живые организмы, а

также создание человеком произведения искусства. Статуя потенциально

содержится в мраморе уже до того, как ее высекает скульптор.

Только значительно позднее, начиная с философии Декарта, материю как

нечто первичное стали противопоставлять духу. Имеются два дополняющих друг

друга аспекта мира, материя и дух, или, как

выражался Декарт, "res extensa" и "res cogitans". Поскольку новые

методологические принципы естествознания, особенно механики, исключали

сведение телесных явлений к духовным силам, то материя могла быть

рассматриваема только как особая реальность, независимая от человеческого

духа и от каких-либо сверхъестественных сил. Материя в этот период

представляется уже сформировавшейся материей, и процесс формировани

объясняется причинной цепью механических взаимодействий. Материя уже утеряла

связь с "растительной душой" аристотелевской философии, и поэтому дуализм

между материей и формой в это время уже не играет никакой роли. Это

представление о материи внесло, пожалуй, наибольший вклад в то, что мы ныне

понимаем под словом "материя".

Наконец, в естествознании XIX столетия важную роль играл другой

дуализм, а именно дуализм между материей и силой, или, как тогда говорили,

между силой и веществом. На материю могут воздействовать силы, и матери

может вызывать появление сил. Материя, например, порождает силу тяготения, и

эта сила в свою очередь воздействует на нее. Сила и вещество являются,

следовательно, двумя ясно различимыми аспектами физического мира. Поскольку

силы являются также формирующими силами, это различие снова приближается к

аристотелевскому различению материи и формы. С другой стороны, именно в

связи с новейшим развитием современной физики, это различие силы и вещества

полностью исчезает, так как всякое силовое поле содержит энергию и в этом

отношении представляет собой также часть материи. Каждому силовому полю

соответствует определенный вид элементарных частиц. Частицы и силовые пол

-- только две различные формы проявления одной и той же реальности.

Когда естествознание изучает проблему материи, ему следует прежде всего

исследовать формы материи. Бесконечное многообразие и изменчивость форм

материи должны стать непосредственным объектом исследования; усилия должны

быть направлены на то, чтобы найти законы природы, единые принципы, которые

могли бы служить направляющей нитью в этом бесконечном поле исследований.

Поэтому точное естествознание и особенно физика уже давно концентрируют свои

интересы на анализе строения материи и сил, которые это строение определяют.

Со времени Галилея основным методом естествознания являетс

эксперимент. Этот метод сделал возможным перейти от общих исследований

природы к специфическим исследованиям, выделить характеристические процессы

в природе, на основе которых ее законы можно изучать более непосредственно,

чем в общих исследованиях. То есть при изучении строения материи необходимо

произвести над ней эксперименты. Необходимо поставить материю в необычные

условия, чтобы изучить ее превращения в этих обстоятельствах, надеясь

познать тем самым определенные фундаментальные черты материи, которые

сохраняются при всех ее видимых изменениях.

Со времени формирования естествознания нового времени это было одной из

важнейших целей химии, в которой довольно рано

пришли к понятию химического элемента. Субстанция, которая не могла

быть разложена или расщеплена далее какими угодно средствами, имевшимися в

то время в распоряжении химиков: кипячением, сжиганием, растворением,

смешиванием с другими веществами, была названа "элементом". Введение этого

понятия было первым и исключительно важным шагом в понимании строени

материи. Многообразие имеющихся в природе веществ было тем самым сведено по

крайней мере к сравнительно малому числу более простых веществ, элементов, и

благодаря этому среди различных явлений химии был установлен определенный

порядок. Слово "атом" поэтому и было применено к мельчайшей единице материи,

которая входит в состав химического элемента, и самая маленькая частица

химического соединения могла быть наглядно представлена в виде маленькой

группы различных атомов. Мельчайшей частицей элемента железа оказался,

например, атом железа, и наименьшая частица воды, так называемая молекула

воды, оказалась состоящей из атома кислорода и двух атомов водорода.

Следующим и почти столь же важным шагом было открытие сохранения массы

в химических процессах. Если, например, сжигается элемент углерода и при

этом образуется двуокись углерода, то масса двуокиси углерода равна сумме

масс углерода и кислорода до того, как процесс начался. Это открытие придало

понятию материи прежде всего количественный смысл. Независимо от химических

свойств материя могла быть измерена ее массой.

В течение следующего периода, главным образом в XIX столетии, было

открыто большое число новых химических элементов. В наше время их число

перешагнуло за 100. Это число, однако, совершенно ясно говорит о том, что

понятие химического элемента еще не привело нас к тому пункту, исходя из

которого можно было бы понять единство материи. Предположение о том, что

существует очень много качественно различных видов материи, между которыми

нет никаких внутренних связей, не было удовлетворительным.

К началу XIX столетия были уже найдены свидетельства в пользу наличи

взаимосвязи между различными химическими элементами. Эти свидетельства

заключались в том факте, что атомные веса многих элементов казались

целочисленно кратными некоторой наименьшей единице, которая приблизительно

соответствует атомному весу водорода. Подобие химических свойств некоторых

элементов также говорило в пользу существования этой взаимосвязи. Но только

благодаря применению сил, которые во много раз сильнее, чем те, которые

действуют в химических процессах, можно было действительно установить связь

между различными элементами и подойти ближе к пониманию единства материи.

Внимание физиков было привлечено к этим силам в связи с открытием

радиоактивного распада, осуществленного Беккерелем в 1896 году. В

последовавших затем исследованиях Кюри, Резерфорда и других превращение

элементов в радиоактивных процессах было показано со всей очевидностью.

Альфа-частицы

испускались в этих процессах в виде обломков атомов с энергией, котора

приблизительно в миллион раз больше, чем энергия единичной частицы в

химическом процессе. Следовательно, эти частицы могли быть теперь

использованы в качестве нового инструмента для исследования внутреннего

строения атома. Ядерная модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 году,

явилась результатом экспериментов по рассеянию альфа-частиц. Важнейшей

чертой этой известной модели было разделение атома на две совершенно

различные части -- атомное ядро и окружающие атомное ядро электронные

оболочки. Атомное ядро занимает в центре только исключительно малую долю

всего пространства, которое занято атомом, -- радиус ядра приблизительно в

сто тысяч раз меньше радиуса всего атома; но оно все-таки содержит почти всю

массу атома. Его положительный электрический заряд, являющийся целочисленно

кратным так называемому элементарному заряду, определяет общее число

окружающих ядро электронов, ибо атом как целое должен быть электрически

нейтрален; он определяет тем самым и форму электронных траекторий.

Это различие между атомным ядром и электронной оболочкой сразу дало

согласованное объяснение тому факту, что в химии именно химические элементы

являются последними единицами материи и что для превращения элементов друг в

друга необходимы очень большие силы. Химические связи между соседними

атомами объясняются взаимодействием электронных оболочек, и энергии

взаимодействия при этом сравнительно малы. Электрон, ускоренный в разрядной

трубке потенциалом всего в несколько вольт, обладает достаточной энергией,

чтобы "разрыхлить" электронные оболочки и вызвать испускание света или

разрушить химическую связь в молекуле. Но химическое поведение атома, хотя в

основе его и лежит поведение электронных оболочек, определяетс

электрическим зарядом атомного ядра. Если хотят изменить химические

свойства, нужно изменить само атомное ядро, а это требует энергий, которые

примерно в миллион раз больше, чем те, которые имеют место при химических

процессах.

Но ядерная модель атома, рассматриваемого как система, в которой

выполняются законы ньютоновской механики, не может объяснить стабильность

атома. Как было установлено в одной из предыдущих глав, только применение к

этой модели квантовой теории может объяснить тот факт, что, например, атом

углерода, после того как он взаимодействовал с другими атомами или излучил

квант света, по-прежнему остается в конечном счете атомом углерода, с той же

самой электронной оболочкой, какую он имел ранее. Эту стабильность можно

просто объяснить на основе тех самых черт квантовой теории, которые делают

возможным объективное описание атома в пространстве и во времени.

Этим путем было, следовательно, создано первоначальное основание дл

понимания строения материи. Химические и другие свойства атомов можно было

объяснить, применяя к электронным оболочкам математическую схему квантовой

теории. Исходя из этого осно-

вания, далее можно было пытаться вести анализ строения материи в двух

различных направлениях. Можно было или изучать взаимодействие атомов, их

отношение к более крупным единицам, таким, как молекулы или кристаллы или

биологические объекты, или же можно было пытаться, исследуя атомное ядро и

его составные части, продвинуться до того пункта, в котором стало бы

понятным единство материи. Физические исследования форсированно развивались

в прошедшие десятилетия в обоих направлениях. Последующее изложение и будет

посвящено выяснению роли квантовой теории в обеих этих областях.

Силы между соседними атомами являются в первую очередь электрическими

силами -- речь идет о притяжении противоположных зарядов и об отталкивании

между одноименными; электроны притягиваются атомным ядром и отталкиваютс

другими электронами. Но эти силы действуют здесь не по законам ньютоновской

механики, а по законам квантовой механики.

Это ведет к двум различным типам связи между атомами. При одном типе

связи электрон одного атома переходит к другому атому, -- например для того,

чтобы заполнить еще не совсем заполненную электронную оболочку. В этом

случае оба атома оказываются в конечном счете электрически заряженными и

получают название "ионов"; поскольку их заряды в таком случае

противоположны, они взаимно притягиваются. Химик говорит в этом случае о

"полярной связи".

При втором типе связи электрон определенным образом, характерным только

для квантовой теории, принадлежит обоим атомам. Если использовать картину

электронных орбит, то можно приблизительно сказать, что электрон обращаетс

вокруг обоих атомных ядер и значительную долю времени проводит как в одном,

так и в другом атоме. Этот второй тип связи соответствует тому, что химик

называет "валентной связью".

Эти два типа связи, которые могут существовать во всевозможных

комбинациях, вызывают в конечном счете образование различных совокупностей

атомов и оказываются в конце концов определяющими все сложные структуры,

которые изучаются физикой и химией. Итак, химические соединения образуютс

благодаря тому, что из атомов различного рода возникают небольшие замкнутые

группы, и каждая группа может быть названа молекулой химического соединения.

При образовании кристаллов атомы располагаются в виде упорядоченных решеток.

Металлы образуются тогда, когда атомы расположены так плотно, что внешние

электроны покидают свои оболочки и могут проходить сквозь весь кусок

металла. Магнетизм некоторых веществ, особенно некоторых металлов, возникает

вследствие вращательного движения отдельных электронов в этом металле и т.

д.

Во всех этих случаях дуализм между материей и силой еще может быть

сохранен, так как ядра и электроны можно рассматривать как строительные

кирпичи материи, которые удерживаются вместе с электромагнитными силами.

В то время как физика и химия (там, где они имеют отношение к строению

материи) составляют единую науку, в биологии с ее более сложными структурами

положение складывается несколько по-другому. Правда, несмотря на бросающуюс

в глаза целостность живых организмов, резкое различие между живой и неживой

материей, вероятно, проведено быть не может. Развитие биологии дало нам

большое число примеров, из которых можно видеть, что специфически

биологические функции могут выполняться особыми большими молекулами или

группами, или цепями таких молекул. Эти примеры подчеркивают тенденцию в

современной биологии объяснять биологические процессы как следствие законов

физики и химии. Но род стабильности, который мы усматриваем в живых

организмах, по своей природе несколько отличен от стабильности атома или

кристалла. В биологии речь идет скорее о стабильности процесса или функции,

чем о стабильности формы. Несомненно, квантово-механические законы играют в

биологических процессах очень важную роль. Например, для понимания больших

органических молекул и их разнообразных геометрических конфигураций

существенны специфические квантово-механические силы, которые только

несколько неточно могут быть описаны на основе понятия химической

валентности. Опыты по биологическим мутациям, вызываемым излучением,

показывают также как важность статистического характера

квантово-механических законов, так и существование механизмов усиления.

Тесная аналогия между процессами в нашей нервной системе и процессами,

которые имеют место при функционировании современной электронной счетной

машины, снова подчеркивает важность для живого организма отдельных

элементарных процессов. Но все эти примеры все-таки не доказывают, что

физика и химия, дополненные учением о развитии, сделают возможным полное

описание живых организмов. Биологические процессы должны трактоватьс

естествоиспытателями-экспериментаторами с большей осторожностью, чем

процессы физики и химии. Как пояснил Бор, вполне может оказаться, что

описания живого организма, которое с точки зрения физика может быть названо

полным, совсем не существует, потому что данное описание потребовало бы

таких экспериментов, которые должны были бы прийти в слишком сильный

конфликт с биологическими функциями организма. Бор описал эту ситуацию

следующим образом: в биологии мы имеем дело скорее с реализацией

возможностей в той части природы, к которой мы принадлежим, чем с

результатами экспериментов, которые мы сами можем произвести. Ситуаци

дополнительности, в которой действенна эта формулировка, отражается как

тенденция в методах современной биологии: с одной стороны, полностью

использовать методы и результаты физики и химии и, с другой стороны, все же

постоянно употреблять понятия, которые относятся к тем чертам органической

природы, которые не содержатся в физике и химии, как, например, понятие

самой жизни.

Пока мы провели, следовательно, анализ строения .материи в одном

направлении -- от атома к более сложным структурам, со-

стоящим из атомов: от атомной физики к физике твердого тела, к химии и,

наконец, к биологии. Теперь мы должны повернуть в противоположном

направлении и проследить линию исследований, направленную от внешних

областей атома к внутренним областям, к атомному ядру и, наконец, к

элементарным частицам. Только эта вторая линия приведет нас, быть может, к

пониманию единства материи. Здесь не нужно бояться того, что

характеристические структуры будут сами разрушены в опытах. Если поставлена

задача проверить в опытах принципиальное единство материи, то мы можем

подвергнуть материю действию самых сильных из возможных сил, воздействию

самых предельных условий, чтобы увидеть, может ли ,в конце концов матери

быть превращена в какую-нибудь другую материю.

Первым шагом в этом направлении был экспериментальный анализ атомного

ядра. В начальные периоды этих исследований, которые заполняют примерно

первые три десятка лет нашего столетия, единственным инструментом дл

экспериментов над атомным ядром были альфа-частицы, испускаемые

радиоактивными веществами. С помощью этих частиц Резерфорду удалось в 1919

году превратить друг в друга атомные ядра легких элементов. Он смог,

например, ядро азота превратить в ядро кислорода, присоединяя к ядру азота

альфа-частицу и в то же самое время выбивая из него протон. Это был первый

пример процесса на расстояниях порядка радиусов атомных ядер, который

напоминал химические процессы, но который вел к искусственному превращению

элементов. Следующим решающим успехом было искусственное ускорение протонов

в приборах высокого напряжения до энергий, достаточных для ядерных

превращений. Для этой цели необходимы разности напряжений примерно в миллион

вольт, и Кокрофту и Уолтону в их первом решающем эксперименте удалось

превратить атомные ядра элемента лития в атомные ядра элемента гелия. Это

открытие выявило для исследований совершенно новое поле, которое может быть

названо ядерной физикой в собственном смысле слова и которое очень быстро

привело к качественному пониманию строения атомного ядра.

На самом деле строение атомного ядра оказалось очень простым. Атомное

ядро состоит всего из двух различных видов элементарных частиц. Одна из

элементарных частиц -- протон, являющаяся одновременно ядром атома водорода.

Другая была названа нейтроном, частица, обладающая примерно той же массой,

что и протон, и, кроме того, электрически нейтральная. Каждое атомное ядро

можно, таким образом, охарактеризовать общим числом протонов и нейтронов, из

которых оно состоит. Ядро обычного атома углерода состоит из 6 протонов и 6

нейтронов. Но есть также и другие ядра атомов углерода, которые являютс

несколько более редкими -- они были названы изотопами первых -- и которые

состоят из 6 протонов и 7 нейтронов и т. д. Так в конце концов пришли к

описанию материи, в котором вместо многих различных химических элементов

использовались только три основные единицы, три фундаментальных строительных

кирпича -- протон, нейтрон и электрон. Вся материя состоит из

атомов и построена поэтому в конечном счете из этих трех основных

строительных кирпичей. Это еще, конечно, не означает единства материи, но

несомненно означает важный шаг в направлении этого единства и, что было,

пожалуй, еще важнее, означает существенное упрощение. Правда, впереди был

еще длинный путь от знания этих основных строительных кирпичей атомного ядра

к полному пониманию его строения. Здесь проблема была несколько отличной от

соответствующей проблемы относительно внешней оболочки атома, решенной в

середине двадцатых годов. В случае электронной оболочки силы между частицами

были известны с большой точностью, но, кроме того, должны были быть найдены

динамические законы, и они в конце концов были сформулированы в квантовой

механике. В случае атомного ядра можно было вполне предположить, что

динамическими законами являются в основном законы квантовой теории, но здесь

были прежде всего неизвестны силы между частицами. Их необходимо было

вывести из экспериментальных свойств атомных ядер. Эта проблема не может

быть решена полностью еще до сих пор. Силы, вероятно, не имеют такого

простого вида, как в случае электростатических сил между электронами во

внешних оболочках, и поэтому математически вывести свойства атомных ядер из

более сложных сил труднее, и, кроме того, прогрессу препятствует неточность

экспериментов. Но качественные представления о структуре ядра приобрели

вполне определенный вид.

В конце концов, в качестве последней важнейшей проблемы остаетс

проблема единства материи. Являются ли эти элементарные частицы -- протон,

нейтрон и электрон последними, неразложимыми строительными кирпичами

материи, иными словами, "атомами" в смысле философии Демокрита, без

каких-либо взаимных связей (отвлекаясь от действующих между ними сил), или

же они являются только различными формами одного и того же вида материи?

Далее, могут ли они превращаться друг в друга или даже в другие формы

материи? Если решать эту проблему экспериментально, то для этого требуютс

силы и сконцентрированные на атомных частицах энергии, которые должны быть

во много раз больше, чем те, которые были использованы для исследовани

атомного ядра. Так как запасы энергии в атомных ядрах недостаточно велики,

чтобы обеспечить нам средства для проведения таких экспериментов, то физики

должны или воспользоваться силами в космосе, то есть в пространстве между

звездами, на поверхности звезд, или же они должны довериться умению

инженеров.

На самом деле успехи были достигнуты на обоих путях. Прежде всего

физики использовали так называемое космическое излучение. Электромагнитные

поля на поверхности звезд, простирающиеся на гигантские пространства, при

благоприятных условиях могут ускорить заряженные атомные частицы, электроны

и атомные ядра, которые, как оказалось, вследствие своей большей инерции

имеют больше возможностей более долгое время оставаться в ускоряющем поле, и

когда они в конце концов уходят с поверхности звезды в пустое про-

странство, то иногда успевают пройти потенциальные поля во много

миллиардов вольт. Дальнейшее ускорение при благоприятных условиях происходит

еще в переменных магнитных полях между звездами. Во всяком случае,

оказывается, что атомные ядра долгое время удерживаются переменными

магнитными полями в пространстве Галактики, и в конце концов они, таким

образом, заполняют пространство Галактики тем, что называют космическим

излучением. Это излучение достигает Земли извне и, следовательно, состоит из

всех возможных атомных ядер -- водорода, гелия и более тяжелых элементов, --

энергии которых изменяются примерно от сотен или тысяч миллионов

электрон-вольт до величин, в миллион раз больших. Когда частицы этого

высотного излучения вторгаются в верхние слои атмосферы Земли, они

сталкиваются здесь с атомами азота или кислорода атмосферы или атомами

какого-либо экспериментального устройства, которое подвергают воздействию

космического излучения. Результаты воздействия могут быть затем исследованы.

Другая возможность состоит в конструировании очень больших ускорителей

элементарных частиц. В качестве прототипа для них может считаться так

называемый циклотрон, который был сконструирован в Калифорнии в начале

тридцатых годов Лоуренсом. Основная идея конструкции этих установок состоит

в том, что благодаря сильному магнитному полю заряженные атомные частицы

принуждают многократно вращаться по кругу, так что они на этом круговом пути

могут снова и снова ускориться электрическим полем. Установки, в которых

могут быть достигнуты энергии во много сотен миллионов электрон-вольт, в

настоящее время действуют во многих местах земного шара, главным образом в

Великобритании. Благодаря сотрудничеству 12 европейских стран в Женеве

строится очень большой ускоритель такого рода, который, как надеются, будет

давать протоны энергией до 25 миллионов электрон-вольт. Эксперименты,

проведенные с помощью космического излучения или очень больших ускорителей,

выявили новые интересные черты материи. Кроме трех основных строительных

кирпичей материи -- электрона, протона и нейтрона, -- были открыты новые

элементарные частицы, которые порождаются в этих происходящих при высоких

энергиях столкновениях и которые по истечении исключительно малых

промежутков времени исчезают, превращаясь в другие элементарные частицы.

Новые элементарные частицы имеют свойства, подобные свойствам старых, за

исключением своей нестабильности. Даже самые стабильные среди новых

элементарных частиц имеют продолжительность жизни только около миллионной

доли секунды, а время жизни других -- еще в сотни или тысячи раз меньше. В

настоящее время известно приблизительно 25 различных видов элементарных

частиц. Самая "молодая" из них -- отрицательно заряженный протон, который

называют антипротоном.

Эти результаты кажутся на первый взгляд опять уводящими в сторону от

идей о единстве материи, так как число фундаментальных строительных кирпичей

материи, по-видимому, снова увеличи-

лось до количества, сравнимого с количеством различных химических

элементов. Но это было бы неточным толкованием действительного положени

вещей. Ведь эксперименты одновременно показали, что частицы возникают из

других частиц и могут быть превращены в другие частицы, что они образуютс

просто из кинетической энергии таких частиц и могут снова исчезнуть, так что

из них возникнут другие частицы. Стало быть, другими словами: эксперименты

показали полную превращаемость материи. Все элементарные частицы в

столкновениях достаточно большой энергии могут превратиться в другие частицы

или могут быть просто созданы из кинетической энергии; и они могут

превратиться в энергию, например в излучение. Следовательно, мы имеем здесь

фактически окончательное доказательство единства материи. Все элементарные

частицы "сделаны" из одной и той же субстанции, из одного и того же

материала, который мы теперь можем назвать энергией или универсальной

материей; они -- только различные формы, в которых может проявлятьс

материя.

Если сравнить эту ситуацию с понятием материи и формы у Аристотеля, то

можно сказать, что материю Аристотеля, которая в основном была "потенцией",

то есть возможностью, следует сравнивать с нашим понятием энергии; когда

элементарная частица рождается, энергия выявляет себя благодаря форме как

материальная реальность.

Современная физика не может, естественно, удовлетвориться только

качественным описанием фундаментальной структуры материи; она должна

попытаться на основе тщательно проведенных экспериментов углубить анализ до

математической формулировки законов природы, определяющих формы материи, а

именно элементарные частицы и их силы. Четкое разграничение между материей и

силой или силой и веществом в этой части физики больше проведено быть не

может, так как любая элементарная частица не только сама порождает силы и

сама испытывает воздействие сил, но и в то же самое время сама представляет

в данном случае определенное силовое поле. Квантово-механический дуализм

волн и частиц является причиной того, что одна и та же реальность проявляет

себя и как материя, и как сила.

Все попытки найти математическое описание для законов природы в мире

элементарных частиц до сих пор начинались с квантовой теории волновых полей.

Теоретические исследования в этой области были предприняты в начале

тридцатых годов. Но уже первые работы в этой области выявили очень серьезные

трудности в области, где квантовую теорию пытались объединить со специальной

теорией относительности. С первого взгляда кажется, будто две теории,

квантовая и теория относительности, относятся к столь различным сторонам

природы, что практически они никак не могут влиять друг на друга и что

поэтому требования обеих теорий должны быть легко выполнимы в одном и том же

формализме. Но более точное исследование показало, что обе эти теории

вступают в определенном пункте в конфликт, в результате чего и проистекают

все дальнейшие трудности.

Специальная теория относительности раскрыла структуру пространства и

времени, которая оказалась несколько отличной от структуры, приписывавшейс

им со времени создания ньютоновской механики. Наиболее характерная черта

этой вновь открытой структуры -- существование максимальной скорости,

которая не может быть превзойдена любым движущимся телом или

распространяющимся сигналом, то есть скорости света. Как следствие этого два

события, имеющие место в двух весьма удаленных друг от друга точках, не

могут иметь никакой непосредственной причинной связи, если они происходят в

такие моменты времени, когда световой сигнал, выходящий в момент первого

события из этой точки, достигает другой только после момента свершени

другого события и наоборот. В этом случае оба события можно назвать

одновременными. Поскольку никакое воздействие любого рода не может

передаться от одного процесса в один момент времени другому процессу в

другой момент времени, оба процесса не могут быть связаны никаким физическим

воздействием.

По этой причине действие на большие расстояния так, как оно выступает в

случае сил тяготения в ньютоновской механике, оказалось несовместимым со

специальной теорией относительности. Новая теория должна была заменить такое

действие "близкодействием", то есть передачей силы из одной точки только

непосредственно соседней точке. Естественным математическим выражением

взаимодействий этого рода оказались дифференциальные уравнения для волн или

полей, инвариантные относительно преобразования Лоренца. Такие

дифференциальные уравнения исключают какое-либо прямое воздействие

одновременных событий друг на друга.

Поэтому структура пространства и времени, выражаемая специальной

теорией относительности, предельно резко отграничивает область

одновременности, в которой не может быть передано никакое воздействие, от

других областей, в которых непосредственное воздействие одного процесса на

другой может иметь место.

С другой стороны, соотношение неопределенностей квантовой теории

устанавливает жесткую границу точности, с которой могут быть одновременно

измерены координаты и импульсы или моменты времени и энергии. Так как

предельно резкая граница означает бесконечную точность фиксации положения в

пространстве и во времени, то соответствующие импульсы и энергии должны быть

полностью неопределенными, то есть с подавляющей вероятностью должны

выступить на первый план процессы даже со сколь угодно большими импульсами и

энергиями. Поэтому всякая теория, которая одновременно выполняет требовани

специальной теории относительности и квантовой теории, ведет, оказывается, к

математическим противоречиям, а именно к расходимостям в области очень

больших энергий и импульсов. Эти выводы не обязательно могут носить

необходимый характер, так как всякий формализм рассмотренного здесь рода

является ведь очень сложным, и возможно еще, что будут найдены

математические средства, которые помогут устранить в этом пункте

противоречие между теорией относительности и квантовой теорией. Но

до сих пор все-таки все математические схемы, которые были исследованы,

приводили в самом деле к таким расходимостям, то есть к математическим

противоречиям, или же они оказывались недостаточными, чтобы удовлетворить

всем требованиям обеих теорий. Кроме того, было очевидно, что трудности в

самом деле проистекают из только что рассмотренного пункта.

Тот пункт, в котором сходящиеся математические схемы не удовлетворяют

требованиям теории относительности или квантовой теории, оказался очень

интересным уже сам по себе. Одна из таких схем вела, например, когда ее

пытались интерпретировать с помощью реальных процессов в пространстве и

времени, к некоторого рода обращению времени; она описывала процессы, в

которых в определенной точке внезапно происходило рождение нескольких

элементарных частиц, а энергия для этого процесса поступала только позднее

благодаря каким-то другим процессам столкновения между элементарными

частицами. Физики же на основании своих экспериментов убеждены, что процессы

такого рода в природе не имеют места, по крайней мере тогда, когда оба

процесса отделены друг от друга некоторым измеримым расстоянием в

пространстве и во времени.

В другой теоретической схеме попытка устранить расходимости формализма

делалась на основе математического процесса, который был назван

"перенормировкой". Этот процесс заключается в том, что бесконечности

формализма можно было передвинуть в такое место, где они не могут помешать

получению строго определяемых соотношений между наблюдаемыми величинами.

Действительно, эта схема уже привела до определенной степени к решающим

успехам в квантовой электродинамике, так как она дает способ расчета

некоторых очень интересных особенностей в спектре водорода, которые до этого

были необъяснимы. Более точный анализ этой математической схемы сделал,

однако, правдоподобным вывод о том, что те величины, которые в обычной

квантовой теории должны быть истолкованы как вероятности, могут в данном

случае при некоторых обстоятельствах, после того как процесс перенормировки

проведен, стать отрицательными. Это исключало бы, разумеется,

непротиворечивое истолкование формализма для описания материи, так как

отрицательная вероятность -- бессмысленное понятие.

Тем самым мы уже пришли к проблемам, которые ныне стоят в центре

дискуссий в современной физике. Решение будет получено когда-нибудь

благодаря постоянно обогащающемуся экспериментальному материалу, который

добывается во все более и более точных измерениях элементарных частиц, их

порождения и уничтожения, сил, действующих между ними. Если искать возможные

решения этих трудностей, то, может быть, следует вспомнить о том, что такие

процессы с видимым обращением времени, обсужденные выше, нельзя исключить на

основании экспериментальных данных в том случае, если они имеют место только

внутри совсем малых пространственно-временных областей, внутри которых с

нашим теперешним экспериментальным оборудованием детально проследить

процессы еще не-

возможно. Разумеется, при теперешнем состоянии нашего знания мы едва ли

готовы признать возможность таких процессов с обращением времени, если из

этого и следует возможность на какой-то более поздней стадии развития физики

наблюдать подобного рода процессы таким же образом, каким наблюдают обычные

атомные процессы. Но здесь сравнение анализа квантовой теории и анализа

теории относительности позволяет представить проблему в новом свете.

Теория относительности связана с универсальной постоянной природы -- со

скоростью света. Эта постоянная имеет решающее значение для установлени

связи между пространством и временем и поэтому должна сама по себе

содержаться во всяком законе природы, удовлетворяющем требованиям

инвариантности относительно преобразований Лоренца. Наш обычный язык и

понятия классической физики могут быть применены только к явлениям, дл

которых скорость света может рассматриваться практически бесконечно большой.

Если мы в наших экспериментах в какой-либо форме приближаемся к скорости

света, то мы должны быть подготовлены к появлению результатов, которые более

не могут быть объяснены с помощью этих обыкновенных понятий.

Квантовая теория связана с другой универсальной постоянной природы -- с

планковским квантом действия. Объективное описание процессов в пространстве

и во времени оказывается возможным только тогда, когда мы имеем дело с

предметами и процессами сравнительно больших масштабов, а именно тогда

постоянную Планка можно рассматривать как практически бесконечно малую.

Когда мы в наших экспериментах приближаемся к области, в которой планковский

квант действия становится существенным, мы приходим ко всем тем трудностям с

применением обычных понятий, которые были обсуждены в предыдущих главах этой

книги.

Но должна быть еще третья универсальная постоянная природы. Это следует

просто, как говорят физики, из соображений размерности. Универсальные

постоянные определяют величины масштабов в природе, они дают нам

характеристические величины, к которым можно свести все другие величины в

природе. Для полного набора таких единиц необходимы, однако, три основные

единицы. Проще всего заключить об этом можно из обычных соглашений о

единицах, как, например, из использования физиками системы CQS (сантиметр --

грамм -- секунда). Единицы длины, единицы времени и единицы массы вместе

достаточно, чтобы образовать полную систему. Необходимы по меньшей мере три

основные единицы. Их можно было бы заменить также единицами длины, скорости

и массы или единицами длины, скорости и энергии и т. д. Но три основные

единицы необходимы во всяком случае. Скорость света и планковский квант

действия дают нам, однако, только две из этих величин. Должна быть еще

третья, и только теория, содержащая такую третью единицу, возможно, способна

вести к определению масс и других свойств элементарных частиц. Если исходить

из наших современных познаний об

элементарных частицах, то, пожалуй, самым простым и самым приемлемым

путем введения третьей универсальной постоянной является предположение о

том, что существует универсальная длина порядка величины 10-13 см, длина,

стало быть, сравнимая примерно с радиусами легких атомных ядер. Если из.

этих трех единиц образовать выражение, имеющее размерность массы, то эта

масса имеет порядок величины массы обычных элементарных частиц.

Если предположить, что законы природы действительно содержат такую

третью универсальную постоянную размерности длины порядка величины 10-13 см,

то тогда вполне возможно, что наши обычные представления могут быть

применимы только к таким областям пространства и времени, которые велики по

сравнению с этой универсальной постоянной длины. По мере приближения в своих

экспериментах к областям пространства и времени, малым по сравнению с

радиусами атомных ядер, мы должны быть готовы к тому, что будут наблюдатьс

процессы качественно нового характера. Явление обращения времени, о котором

говорилось выше и пока что только как о возможности, выводимой из

теоретических соображений, могло бы поэтому принадлежать этим мельчайшим

пространственно-временным областям. Если это так, то, вероятно, его было бы

нельзя наблюдать таким образом, что соответствующий процесс мог бы быть

описан в классических понятиях. И все же в той мере, в какой такие процессы

могут быть описаны классическими понятиями, они должны обнаруживать также и

классический порядок следования во времени. Но пока о процессах в самых

малых пространственно-временных областях -- или (что согласно соотношению

неопределенностей приблизительно соответствует этому высказыванию) при самых

больших передаваемых энергиях и импульсах -- известно слишком мало.

В попытках достичь на основе экспериментов над элементарными частицами

большего знания о законах природы, определяющих строение материи и тем самым

структуру элементарных частиц, особенно важную роль играют определенные

свойства симметрии. Мы напомним о том, что в философии Платона самые

маленькие частицы материи были абсолютно симметричными образованиями, а

именно правильными телами -- кубом, октаэдром, икосаэдром, тетраэдром. В

современной физике, правда, эти специальные группы симметрии, получающиес

из группы вращений в трехмерном пространстве, не стоят больше в центре

внимания. То, что имеет место в естествознании нового времени, ни в коем

случае не является пространственной формой, а представляет собой закон,

стало быть, в определенной степени пространственно-временную форму, и

поэтому применяемые в нашей физике симметрии должны всегда относиться к

пространству и времени совместно. Но определенные типы симметрии, кажется, в

действительности играют в теории элементарных частиц наиболее важную роль.

Мы познаем их эмпирически благодаря так называемым законам сохранения и

благодаря системе квантовых чисел, с помощью которых можно упорядочить

соответственно опыту события в мире эле-

ментарных частиц. Математически мы можем их выразить с помощью

требования, чтобы основной закон природы для материи был инвариантным

относительно определенных групп преобразований. Эти группы преобразований

являются наиболее простым математическим выражением свойств симметрии. Они

выступают в современной физике вместо тел Платона. Наиболее важные здесь

кратко перечислены.

Группа так называемых преобразований Лоренца характеризует вскрытую

специальной теорией относительности структуру пространства и времени.

Группа, исследованная Паули и Гюрши, соответствует по своей структуре

группе трехмерных пространственных вращений -- она ей изоморфна, как говорят

математики, -- и проявляет себя в появлении квантового числа, которое

эмпирически было открыто у элементарных частиц уже двадцать пять лет назад и

получило название "изоспин".

Две следующие группы, ведущие себя формально как группы вращений вокруг

жесткой оси, приводят к законам сохранения для заряда, для числа барионов и

для числа лептонов.

Наконец, законы природы должны быть инвариантны еще относительно

определенных операций отражения, которые здесь нет нужды перечислять

подробно. По этому вопросу особенно важными и плодотворными оказались

исследования Ли и Янга, согласно идее которых величина, называемая четностью

и для которой ранее предполагался справедливым закон сохранения, в

действительности не сохраняется.

Все известные до сих пор свойства симметрии удается выразить с помощью

простого уравнения. Причем под этим понимается, что это уравнение

инвариантно относительно всех названных групп преобразований, и поэтому

можно думать, что это уравнение уже правильно отображает законы природы дл

материи. Но решения этого вопроса еще нет, оно будет получено только со

временем с помощью более точного математического анализа этого уравнения и с

помощью сравнения с экспериментальным материалом, собираемым во все больших

размерах.

Но и отвлекаясь от этой возможности, можно надеяться, что благодар

согласованию экспериментов в области элементарных частиц наивысших энергий с

математическим анализом их результатов когда-нибудь удастся прийти к полному

пониманию единства материи. Выражение "полное понимание" означало бы, что

формы материи -- приблизительно в том смысле, в каком употреблял этот термин

в своей философии Аристотель, -- оказались бы выводами, то есть решениями

замкнутой математической схемы, отображающей законы природы для материи.