Каждый из нас со школьной скамьи знает, что физика занимается изучением наиболее общих, фундаментальных законов природы на основе понятий математики. Еще Галилей отметил, что математика - это язык физики, а физик-теоретик - это всегда в некоторой степени математик. И в самом деле, Архимед, Ньютон и многие другие внесли существенный вклад, как в физику, так и в математику.

Можно сказать, что современные физические теории представляют собой результат удачного наложения математической теории на выбранный сегмент наблюдаемой физической реальности. При этом не следует забывать, что математические конструкции не существуют в материальном мире, а математика в целом, своим единством обязана логической связи между различными математическими теориями. Надо сказать, что основные положения современной физики, несмотря на масштаб задач и разнообразие привлеченных формализмов, при ближайшем рассмотрении сводятся к небольшому кругу базовых концепций. Первая из них - теория относительности. Эта теория описывает пространственно-временной континуум, в котором разворачиваются события подлежащие дальнейшему физическому анализу. Вторая - квантовая механика - описывает элементарные частицы, из которых состоят все материальные тела. Более сложные физические теории, такие как квантовая теория поля, статистическая физики и теория суперструн строятся на основе первых двух.

В классической физике континуум и материальные точки, движущиеся в нем, являются основными понятиями. Здесь исследователь предполагает, что существует объективная реальность, которая никак не зависит от наблюдателя и которую возможно описать через траектории движения отдельных частиц в этом континууме. Таково базовое предположение механики Ньютона, электродинамики Максвелла и теории гравитации Эйнштейна.

Квантовая механика описывает уже другую реальность. В этой реальности нет места для траекторий отдельных частиц, как нет места и для описания отдельных событий, поскольку оно, это описание, формулируется в терминах полей вероятностей.

Полагая, что не каждый читатель обладает элементарными знаниями об основах квантовой механики, мы решили ввести в эту работу "двухминутный курс квантовой теории", прочитанный Нобелевским лауреатом Стивеном Вайнбергом на Дираковских чтениях в Кембридже (Cambridge University Press, 1987 г.). При этом мы уверены, что время, затраченное читателем на знакомство с этой изящной иллюстрацией, не будет потрачено даром и позволит ему глубже проникнуть в проблемы и парадоксы наблюдаемой реальности.

Рассмотрим очень простую систему - обычную монету, и зададимся вопросом - что выпадет, "орел" или "решка" в результате ее подбрасывания (испытания). Очевидно, что в случае классического описания, состояние этой системы может быть либо "орлом", либо "решкой". Иными словами, классическая теория отвечает на наш вопрос тогда, когда монета уже перескочила из одного своего состояния в другое. В квантовой механике состояние монеты нельзя описать просто сказав, что оно есть "орел" или "решка". В этом случае нам потребуется ввести вектор, который называется вектором состояния. Этот вектор состояния существует в двумерном пространстве с координатными осями, помеченными в соответствии с двумя возможными состояниями монеты - "орел" и "решка" (Рис.1).


Рис.1.

Если вектор состояния будет ориентирован вдоль оси (Р), то можно определенно утверждать, что монета находится в состоянии "решка". Если же вектор состояния будет направлен вдоль оси (О), то вы скажете, что монета определенно находится в состоянии "орел". Однако в квантовой механике вектор состояния может указывать и любое промежуточное направление. И если такое происходит, т.е. вектор состояния указывает в промежуточное направление, то монета определенно не находится ни в состоянии "орел", ни в состоянии "решка". Однако, взглянув на монету, вы обязательно застанете ее в одном из этих двух состояний. Другими словами, в результате измерения реализуется одна из двух возможностей - "орел" или "решка". Когда вы проводите измерение с целью выяснить, находится ли монета в состоянии "орел" или "решка", она будет оказываться в том или ином состоянии с вероятностью, зависящей от угла, под которым вектор состояния был ориентирован к осям до начала измерений.

Вектор состояния можно задать, определив его компоненты. Одну из них мы называем (О), т.е. "орел", а другую (Р), т.е. "решка" (См. рис.1). Величины О и Р называются амплитудами вероятности. Вероятность обнаружить монету в состоянии "орел" равна квадрату величины - О, а вероятность получить "решку" - квадрату другой амплитуды - Р. Далее, согласно теореме Пифагора сумма квадратов этих амплитуд будет равна квадрату длины вектора состояния. Нам также известно, что сумма вероятностей всех возможных исходов события должна равняться единице. Следовательно, мы получаем, что сумма квадратов амплитуд равна единице, и, следовательно, квадрат длины нашего вектора состояния тоже равен единице. Другими словами, вектор состояния должен иметь единичную длину.

Таким образом, в квантовой механике система описывается вектором состояния единичной длины, а вероятность получить в результате эксперимента тот или иной результат дается квадратом соответствующей компоненты этого вектора. Динамика такой системы описывается законом, в соответствии с которым вектор состояния изменяет свою ориентацию со временем. Правило, гласящее, что в определенный момент вектор состояния повернется на определенный угол и есть динамическое описание системы. При этом временная эволюция вектора состояния полностью предопределена, но при попытке узнать, в каком именно состоянии находится система (монета) возникает явная неопределенность.

Разумеется, для реальных систем дело обстоит намного сложнее. Например, наша монета может занимать какое-то положение в пространстве, и, следовательно, вектор состояния на самом деле находится в пространстве большего числа измерений. Причем, каждому возможному положению монеты в пространстве будет отвечать свое направление вектора состояния. Определяя положение монеты, вы будете получать значения координат с вероятностями, равными квадратам соответствующих компонент вектора состояния. В результате вам придется иметь дело с комплексными, т.е. невещественными и бесконечномерными пространствами. Вместе с тем, С.Вайнберг считает, что приведенного примера достаточно для первого знакомства принципами квантовой механики. Мы же, со своей стороны, приложим усилия для создания такой формы изложения последующего материала, которая окажется доступной любому читателю, ознакомившемуся с предложенной иллюстрацией.

Согласно квантовой механике состояние системы может изменяться двумя принципиально различными способами. В первом варианте, когда квантовая система предоставлена самой себе, т.е. когда ее не наблюдает никакой "наблюдатель", происходит причинное динамическое изменение состояния системы, которое описывается дифференциальным уравнением Шредингера. Второй вариант развития событий, имеет место тогда, когда происходит наблюдение за ее изменением, т.е. "наблюдатель" присутствует. Так вот в этом, втором, случае состояние системы мгновенно изменяется, как только она начинает взаимодействовать с измерительным прибором, т.е. "наблюдателем". Такая, "наблюдаемая система" уже не поддается описанию при помощи уравнения Шредингера. Эффект изменения ее состояния в момент наблюдения называется редукцией квантового состояния системы или ее коллапсом.

Квантовая механика, открытая Гейзенбергом в 1925 году, совершила революцию в нашем понимании "объективной реальности", которая, однако, не проникла в умы большинства наших современников и поныне. Сам автор высказался по этому поводу кратко, но вполне определенно и четко: - "объективная реальность испарилась"!

Гейзенберг отчетливо понимал, что формализм квантовой теории невозможно интерпретировать в рамках наших интуитивных представлений о пространстве и времени или о причине и следствии. Огромным его достижением было то, что ему удалось найти точную математическую форму для ограничения этих наших классических представлений. Теперь эти ограничения называют "принципом неопределенности Гейзенберга". Этот принцип указывает меру влияния ученого на свойства наблюдаемых объектов в процессе измерения. Он указывает, что наблюдаемый нами мир не столь уж и "объективный", как нам кажется. Именно по этому поводу Гейзенберг писал, что традиционное ньютоно-картезианское мировоззрение так глубоко проникло в человеческий ум за три столетия своего беспредельного владычества, что потребуется много времени, прежде чем оно будет вытеснено иным отношением к реальности. Великий физик оказался прав, увы, и в этом. Однако, ряд последних открытий в таких областях науки, как психология, биология, синергетика, математика, как, впрочем, и в самой физике, позволяют нам надеяться, что время ревизии ньютоно-картезианской модели мира наступило.

Итак, согласно принципам квантовой механики наблюдаемая нами реальность принципиально отличатся от реальности ненаблюдаемой, и это отличие возникает с момента начала наблюдения. Иными словами, именно факт наблюдения приводит к редукции состояния квантовой системы. При этом масштабы произошедшей редукции остаются для нас принципиально неразрешимой задачей в рамках любого экспериментального подхода. Объективная реальность поразительным образом исчезает при первой же попытке ее "измерить", а то, что нам все же удается наблюдать, становится лишь редуцированной версией чего-то, принципиально непознаваемого в эксперименте. С этого момента все, что находится вокруг нас становится таинственной и непознаваемой реальностью, редуцированную версию которой мы называем Миром.

Мы уже обращали внимание читателя на то обстоятельство, что согласно современным научным представлениям о мире все его материальные объекты, в конечном счете, состоят из элементарных частиц. На протяжении нескольких последних столетий ученые находили объяснения явлениям этого мира, постоянно смещаясь от масштабов повседневности в область микроскопических размерностей. Так, например, изучив свойства отдельных атомов удалось объяснить многие свойства более крупных материальных объектов. В свою очередь, свойства атомов удалось объяснить из свойств того, что мы теперь называем элементарными частицами.

Надо сказать, что видящие толтекские маги знали об этой "специфической особенности" Наблюдаемого Мира задолго до открытий Гейзенберга и активно принимали ее в расчет при своих практических изысканиях. Они были весьма прагматичными людьми и называли наблюдаемый нами Мир - продуктом тоналя!

Но, справедливости ради, надо сказать, что ведь и в мире физики парадоксы наблюдаемой реальности тоже были обнаружены отнюдь не вчера. Например, сам Вернер Гейзенберг уже в тридцатые годы прошлого столетия отчетливо понимал, что относительность, взаимосвязанность и неопределенность являются фундаментальными аспектами физической реальности (тоналя). Другое дело, что философия Гейзенберга в те годы с трудом пробивала себе дорогу даже в среде физиков-профессионалов. А сам Гейзенберг, беседуя с Фритьофом Капра в апреле 1972 года в Мюнхене, с печалью заметил, что является физиком особого рода, который, в ответ на обвинения коллег в чрезмерном пристрастии к философии, вынужден для их успокоения "выть по-волчьи". Конечно, за истекшие тридцать с лишним лет ситуация в физической науке существенно изменилась, но эти изменения, согласно предсказанию Гейзенберга, почти не затронули мировоззрение подавляющего большинства наших современников.

В начале статьи мы отметили, что физика занимается изучением наиболее общих законов природы на основе математики. Однако, это общепринятое представление о предмете и методе физики, которое представляется нам самоочевидным, далеко не так самоочевидно при ближайшем рассмотрении. Ведь если мы с вами наблюдаем лишь редуцированную версию истинной и экспериментально непознаваемой реальности, то о каких физических законах идет речь? То есть, законы какой природы изучает физика?

Той, которая зависит от наблюдателя, или другой, - которая от него не зависит? И вообще, столь ли уж "объективны" эти самые физические законы, которые обнаружили и продолжают обнаруживать исследователи в результате наблюдения окружающей нас реальности, при условии, что сама эта реальность существенно зависит от наблюдателя?

С другой стороны, становится очевидным и то, что экспериментальная наука ничего не может сказать об истинной реальности, которая окружает нас, но прямому наблюдению не подлежит. Действительно, ведь любая попытка проникнуть в нее методом наблюдения с последующим анализом полученных данных, то есть привычным для нас способом, немедленно пресекается самой реальностью посредством коллапса квантового состояния. Именно этот парадокс, с которым столкнулась экспериментальная физика в своих попытках постичь реальность методом наблюдения, привел к бурному развитию ее теоретической компоненты.

Вместе с тем, нас по-прежнему не покидает ощущение, что за огромным разнообразием физических феноменов окружающего мира постоянно присутствует некая общность.

Очевидно, что теория, которая обобщала бы все, что известно нам о мире, априори не может рассматриваться как идеально общая, поскольку она обобщила бы лишь те знания, которыми обладает наука на сегодняшний день! Очевидным является и то, что объединить наши знания, то есть сформулировать некие принципы, из которых логично вытекали бы все известные факты, представляется возможным лишь в том случае, если фундаментальная теория будет непротиворечиво объяснять все четыре типа известных физических взаимодействий: электрическое, слабое, сильное и гравитационное. При этом предполагается, что те явления, которые описываются четырьмя взаимодействиями, обретут некий общий объясняющий и непротиворечивый источник. В рамках поставленной задачи, построение обобщенной теории по существу сводится к поиску неких гипотетических объектов, имманентные свойства которых смогли бы объяснить единую природу четырех известных взаимодействий.

Вообще, попытки создания единой теории начались с программы Альберта Эйнштейна, выдвинутой в начале прошлого века. В 1979 году за удачную попытку обобщения электрического и слабого взаимодействий была присуждена Нобелевская премия физикам Вайнбергу и Саламу. Но, если с квантованием электромагнетизма ученые справились, то с квантованием гравитации пока ничего не получается и предложенные обобщающие теории оказываются внутренне противоречивыми.

Источник:
Автор: Джулия Ромеро Диас
International Ecology Fund «INTENT»