Революция в микромире. Планк. Квантовая теория - Alberto Izquierdo

Планк задается вопросом: совместима ли вера с наукой? И дает четкий ответ: да, совместима. Планк утверждает, что в задачи религии и науки входит одно и то же: познание высшей сущности. Свое рассуждение ученый заканчивает словами: «Религия и наука ведут совместный и непрекращающийся бой, вечный крестовый поход против скептицизма и догматизма, против неверия и суеверия».

Для позитивистов — современников Планка эти константы не были универсальными, они представляли собой творение человека. Нет ничего невероятного в том, что они выполняются в разных условиях, так как именно человек их воспринимает, адаптирует для их соблюдения предметы и явления. Планк придерживался противоположной точки зрения, он утверждал, что наука основывается на фундаментальной предпосылке: существует не зависящий от нас реальный мир.

Основываясь на этой предпосылке, Планк в 1930-40-х годах посвятил серию бесед и сочинений глубинному анализу философских основ науки. В те годы квантовая механика, принцип неопределенности Гейзенберга и следующая из него вероятностная интерпретация реальности поставили под сомнение детерминизм, священный для классической физики. Планк, как и Эйнштейн, оказался среди тех, кто полагал, что такой подход ошибочен и должна появиться новая, более совершенная версия квантовой теории, восстанавливающая детерминизм.

Защита детерминизма сталкивается с проблемой свободы воли. Эта проблема имеет глубокие моральные аспекты, и такого религиозного человека, каким был Планк, она не могла не волновать.

Я твердо уверен, как и большинство физиков, что квантовая гипотеза в конце концов придет к своему четкому выражению в виде уравнений, которые дадут более точную формулировку закона причинности.

Макс Планк, «Куда идет наука»

Принцип причинности устанавливает, что все происходящее имеет причину и следствие. Тем, кто верит в справедливость этого принципа, противостоят индетерминисты, считающие, что в природе не существует истинной причинности. Если два события происходят в строгой последовательности (например, мы дотрагиваемся до клавиши фортепиано и слышим его звук), это не означает, что одно из них является причиной другого, мы можем лишь констатировать, что эти два события происходят. Индетерминист соглашается с тем, что два события произошли одно за другим столько раз, сколько он это видел. Такая критика причинности, имеющая более завершенный вид в работах Дэвида Юма, избегает говорить о причинах и предпочитает рассуждать о вероятностях. Звучит странно, но эти эмпирические теории, приведенные к своим окончательным следствиям, сложно опровергнуть. Защита принципа причинности у Планка строится на том, что без этого принципа невозможно двигаться вперед в научном исследовании. Вариативность и важность результатов причинности составляют для Планка основу любого исследования.

Для объяснения практических проявлений детерминизма Планк разделил чувственный мир на внешний, доступный нам через чувства, и его физический образ, сформированный на основе описывающих его математических теорий и понятий. Для того чтобы прогнозировать событие в будущем, нужно перенести измерения из чувственного мира в его физический образ, произвести расчеты в физическом образе и вернуться в чувственный мир. Если речь идет о солнечном затмении, то сначала нам необходимо измерить положение Луны и Солнца в заданный момент, рассчитать их траектории и дать прогноз о том, когда совпадут их видимые положения в небе. Неопределенность возникает при переходе из чувственного мира в его физический образ и обратно, потому что эти операции не могут осуществляться с абсолютной точностью. Например, мы измеряем положение Луны с точностью, зависящей от инструмента наблюдения. То же самое можно сказать — и Планк действительно приводит такие примеры — о высоте башни, периоде колебаний маятника, свете лампочки.

Подбрасывая шестигранный кубик, мы говорим, что вероятность выпадения одной из шести граней равна одному к шести. Как правило, результат мы считаем случайным. Но если бы мы могли с точностью определить положение и начальную скорость кубика, его ориентацию в момент подкидывания, характеристики вещества, из которого сделаны кубик и стол, то мы могли бы точно предсказать и результат падения, поскольку кубик следует классическому детерминизму.

Для объяснения глубокого смысла детерминизма Планк выбрал кинетическую теорию теплоты. Она основывается на понятии энтропии, макроскопической величины, тесно связанной с вероятностью различных механических состояний специфической системы. Системы стремятся к наибольшей энтропии, к равновесию, потому что это наиболее вероятностные состояния. Видимый мир кажется неопределенным и случайным. Но если мы взглянем на микроскопический мир, то увидим, что молекулы сталкиваются друг с другом, следуя абсолютно детерминистским законам механики. Так, для изучения изменения энтропии заданной системы вычисляется среднее статистическое значение из каждого отдельного столкновения. Планк делает вывод о том, что макроскопические величины являются средними статистическими значениями и могут быть подвержены случайным флуктуациям, но если мы рассмотрим ситуацию детально на микроскопическом уровне, то обнаружим, что поведение любой системы — результат действия детерминистских законов.

А что же с квантовой механикой? Когда Планк в 1933 году писал о причинности в серии эссе «Куда идет наука», квантовая механика была практически сформирована. Часть принятой доктрины составляли принцип неопределенности Гейзенберга и вероятностная интерпретация волновой функции Шрёдингера. Согласно этим двум принципам мы не можем с точностью определить, где находится электрон, но можем рассчитать вероятность его пребывания в определенном месте в данный момент. Планк принял это положение вещей как прогресс в развитии квантовой доктрины, но, как Эйнштейн или Шрё- дингер, считал, что последнее слово еще не сказано.

В конечном счете Планк твердо верил в закон причинности и следующий из него детерминизм в отношении физических принципов. Но что можно сказать о человеке? Ученый полагал, что принцип причинности совместим с понятием свободы воли. Для того чтобы уяснить это кажущееся противоречие, нужно провести различие между человеком-объектом и человеком-субъектом: между «другим» и «самим». Когда психолог изучает людей, он считает, что их поведение основано на законе причинности, что их поступки следуют по цепи причинности, что каждый поступок человека имеет причину. Глубокое исследование личности позволяет предсказать ее поведение. Планк отмечал, что если бы поведение людей было непредсказуемым, мир погрузился бы в хаос, потому что мы никогда не знали бы, как себя вести и к чему готовиться.

Однако положение вещей меняется, когда мы наблюдаем сами за собой, потому что объект не может быть одновременно субъектом, глаз не может видеть сам себя. Мы можем изучить цепи причинности, которые привели к тому, что мы приняли то или иное решение в прошлом, но не можем предсказать сами себя в момент принятия решений, потому что сами являемся частью условий, определяющих наше будущее. Предсказать самих себя логически невозможно: по словам Планка, это сравнимо с тем, чтобы представить квадратный круг. Наше поведение свободно, решения принимаем мы сами в каждый момент времени. Наука вынуждена уступить дорогу морали.

Что мы можем сказать об этом с высоты прошедших лет? Относительно квантовой механики следует отметить, что вероятностность не потеряла своей фундаментальной роли, и детерминистская теория, о которой мечтали Эйнштейн, Шрёдингер и Планк, так и не появилась на свет. Момент распада радиоактивного ядра невозможно предсказать. Мы можем рассчитать вероятность того, что это произойдет в тот или иной момент; можем рассчитать с абсолютной точностью среднюю величину атомов, распадающихся в секунду у заданного образца; естественно, можем определить, какие изотопы элемента нестабильны и рано или поздно распадутся, а какие стабильны. Но мы не можем с точностью предсказать, в какой момент произойдет сам факт распада. Эта ситуация отличается от примера с кубиком; случайность имеет существенный характер и является частью природы вещей. Достижения техники последних десятилетий никак не опровергли, а напротив, принесли новые доказательства этого утверждения. Практически ситуация аналогична теории о теплоте. Мы наблюдаем поведение не одного, а триллионов атомов, поэтому средние значения очень точны. Именно поэтому прогнозы квантовой механики, как это ни парадоксально, являются самыми точными в науке.

Другая произошедшая революция связана с тем, что индетерминизм стал обнаруживаться в физических законах повсеместно. В конце 1960-х американский метеоролог Эдвард Лоренц сделал вывод, что незначительные изменения начальных условий упрощенной системы атмосферной конвекции воздуха могут иметь различные последствия. Этот вывод получил название эффекта бабочки. Научное понятие, соответствующее поэтическому эффекту бабочки, — детерминированный хаос. Этот термин зачастую неправильно интерпретируется: по большому счету торнадо происходят в определенных регионах планеты при определенных атмосферных условиях. На Аляске не бывает муссонов, а в Мадриде не бывает ураганов.