Действительно, наиболее простым способом решить возникшую проблему оказался отказ от причинности. Индетерминизм в квантовой теории занял привилегированное положение.
Впоследствии выяснилось, что отказ от основного принципа старой физики – детерминированной причинности – потребовал других "жертв": за статистической трактовкой квантовой механики оказалась скрытой реальная волновая природа информационного обмена. Слона-то я и не заметил.
Сегодня все большее количество ученых начинает понимать, что физика ХХ века была "чисто энергетической", то есть изучала движение и взаимодействие вещества и энергии, оставив вне рассмотрения все, что касается движения и превращения информации. Физики досконально изучили и глубоко внедрили через технические науки в практику нашей жизни три "неживых" фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное и сильное. Но физика ХХ века даже не прикоснулась к особенному взаимодействию живых материальных тел, а именно информационному, которое является основным по своему масштабу и роли в живой природе. Поэтому она была "физикой неживого" и оставалась ею даже тогда, когда брала в свои предметы живое и пыталась изучить своими средствами, созданными для изучения неживого.
Доктор философских наук В. А. Колеватов пишет:
XXI век должен исправить недосмотр физиков прошлого века: это особенное физическое взаимодействие вещества живых тел через потоки актуальной (для живого), управляющей движением живых тел информации является главным, основным отличительным признаком, отделяющим живую природу от неживой и физику живых тел от физики неживых тел (15).
Но к такому выводу ученые пришли только в конце ХХ века, а тогда большинство из них, считая отказ от "детерминированной причинности" непреодолимым, не задумывались о потере информации. Тем не менее были и другие, которые разными путями продолжали искать доступ к скрытому взаимодействию, нелокальному обмену информацией без обмена энергией.
Так, по инициативе Аронова и Бома были поставлены эксперименты, подтверждающие реальность скрытых параметров и доказывающие, по существу, возможность информационного обмена без передачи энергии (14). Опыт Аронова – Бома изменил представление об электромагнитном поле, которое раньше представлялось только как колебания полей электрической и магнитной напряженностей, и убедительно доказывал, что за пределами электромагнетизма, глубже вектора магнитной напряженности, скрыта некая "тайная сущность".
К сожалению, опыты потребовали чрезвычайно сложной техники, и большинству ученых осталось только пожалеть об отсутствии приборов, регистрирующих поля, ответственные за эффект Аронова – Бома.
Но "отсутствие знания о носителе информации, неумение выделить физический процесс, выступающий в роли носителя информации, не может служить достаточным основанием для отрицания самого факта передачи информации" (16).
В конце ХХ века петербургские ученые В. И. Ставицкий и Н. А. Ставицкая подошли к решению вопроса о скрытом взаимодействии, о нелокальном обмене информацией без обмена энергией, имея достаточно простую экспериментальную базу. Распутывая парадоксы электрического тока, они, похоже, нашли оригинальный доступ к квантовой фазе электрона, движущегося в поле векторного потенциала, за счет преобразования ненаблюдаемых величин, обойдя, таком образом, основное положение квантовой механики о соответствии между операторами и наблюдаемыми величинами.
Работая с политроном, ученые сумели обнаружить квантовые эффекты электрона, которые до сих пор не наблюдались в обычных вакуумных электронных приборах. В 1988 году заведующий кафедрой квантовой механики Санкт-Петербургского государственного университета, доктор физико-математических наук, профессор Ю. Н. Демков в заключении на выполненную Ставицкими работу писал: "На самом деле, до сих пор при передаче сигналов по проводам их квантовая природа в расчет не принималась. В частности, квантовая амплитуда сигнала представляет собой зависящую от времени комплексную величину. Тем самым появляются новые "степени свободы" сигнала, пока никак не использованные. В настоящее время неясно, в какой мере и как эти свойства могут проявиться при низких частотах, однако неизвестны доводы, запрещающие такое проявление" (14).
Ученые продолжали совершенствовать свои исследования и добились успеха. В 2005 году доктор технических наук, профессор кафедры "Сети связи" Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М. А. Бонч-Бруевича Я. С. Дымарский в своем заключении на книгу Ставицких пишет: "Экспериментальные результаты Ставицких указывают на то, что парадоксальный эффект (инвариантность формы ко времени) соответствует критерию существования полного информационного обмена в пространстве континуума без прямого обмена энергией" (14).
Сегодня идея возможности полного информационного обмена все больше привлекает внимание ученых, хотя выводы Бома о возвращении в физику детерминизма пока еще не вошли в практику.
На горизонте появляется сознание! С отказом от детерминизма мир, описываемый физикой, оказался разделенным на две разные части. В макромире, с которым мы постоянно имеем дело, действуют четкая определенность, последовательность и строгая причинность реальных событий. Ее легко продемонстрировать на простейшем примере: если бильярдный шар ударится под определенным углом в стенку бильярдного стола, то отскочит обратно под тем же углом.
В субатомном мире, мире квантовой реальности, все наоборот: отсутствие причинности и полнейшая неопределенность. Успех и итог экспериментов в этом мире можно только предсказать с определенной вероятностью. Для примера заменим бильярдный шар электроном, а стенку стола – атомом. Каждое столкновение электрона с атомом имело бы непредвиденные последствия: электрон отскакивал бы от атома в бесчисленное множество возможных сторон.
Такое положение дел очень напоминает практические результаты исследований паранормальных явлений, когда сознание человека играет активную роль в протекании и разнообразных проявлениях этих процессов. Никогда нет стопроцентной уверенности в выполнении паранормального эксперимента: вчера получилось, а сегодня неизвестно, получится ли. Так и в квантовой физике: отскочит ли электрон в ту сторону, которая нас интересует? Неслучайно некоторые ученые, Ю. Вигнер, Д. Эспанья, де Борегард и др., высказали предположение, что редуцирование волнового пакета, описывающего квантовый объект, происходит в сознании наблюдателя. На горизонте теоретической физики впервые замаячила проблема сознания, поскольку предположение ученых означало, что физическая реальность не существует как таковая и вещи превращаются в реальные только тогда, когда привлекают к себе внимание наблюдателя, одаренного сознанием. Но тогда эта проблема только замаячила на горизонте науки.
А сегодня доктор биологических наук А. П. Дубров, десятки лет занимающийся исследованием сверхслабого ментального взаимодействия (СМВ), в своей книге "Когнитивная психофизика" пишет:
Приводимые результаты исследований подтверждают, что благодаря СМВ человек способен ментально создавать материю (!) и взаимодействовать с окружающим его миром на фундаментальном уровне – атомных ядер, виртуальных частиц физического вакуума, кварков, нейтринных резонансов, мезонов, электронов.
Принцип неопределенности. Когда ученые поняли, что применительно к микрообъектам нельзя использовать хорошо знакомые им понятия координаты и импульса в их классическом смысле, потребовалось введение в интерпретацию этих величин квантовых поправок. Такой поправкой и явился принцип неопределенности, сформулированный немецким физиком В. Гейзенбергом в 1927 году.
Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные, точные значения. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению динамических переменных, и чем точнее определена одна из величин, например центр инерции, тем менее определенно значение другой величины – импульса. Важным моментом является то, что это ограничение не имеет никакого отношения к несовершенству измерительных приборов. Это принципиальное ограничение, обусловленное самой природой атомной действительности. Если мы собираемся точно определить местонахождение частицы, она просто НЕ ИМЕЕТ определенного импульса, а если мы хотим измерить импульс, она НЕ ИМЕЕТ точного местонахождения.
В классической физике также существуют ограничения в применении некоторых понятий к определенным объектам. Например, понятие температуры не имеет смысла применять для одной молекулы, понятие о точечной локализации (пребывании в одной точке) неприменимо к определению положения волны и т. д. Однако в классической механике определенному значению координаты частицы соответствуют точные значения ее скорости и импульса. В квантовой механике существуют ограничения в возможности одновременного точного определения координаты частицы и величины ее импульса.
Соотношения между неопределенностями местонахождения и импульсами частицы – не единственное проявление принципа неопределенности. Чрезвычайно интересно то, что похожие соотношения существуют между другими величинами, например между временем, в течение которого происходит атомное явление, и количеством энергии, принимающим в нем участие.
Ученые установили, что неопределенность положения события во времени оказывается связанной с неопределенностью количества энергии точно так же, как неопределенность пространственного положения частицы обнаруживает связь с неопределенностью ее импульса (1). Это означает, что мы не можем с одинаковой точностью определить, когда произойдет то или иное событие и какое количество энергии будет при этом задействовано. Явления, происходящие за короткий период времени, характеризуются значительной неопределенностью энергии, а явления, в которых принимает участие четко определенное количество энергии, могут быть локализованы только внутри продолжительных промежутков времени.
Принцип неопределенности существенен в основном для явлений атомных (и меньших) масштабов и не вносит ограничений в опыты с макроскопическими телами. Волновые свойства у таких тел не проявляются, поэтому принцип Гейзенберга к ним неприменим.
Принцип дополнительности. Сформулированный Н. Бором принцип дополнительности гласит, что получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (например, атом, элементарную частицу, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым.
Получение информации о свойствах объекта осуществляется в результате измерения – взаимодействия прибора с объектом. Взаимодействия прибора с макрообъектом и микрообъектом существенно различны. В первом случае прибор не оказывает или оказывает ничтожно малое воздействие на объект и процесс измерения может быть описан с той или иной степенью точности. Во втором случае в связи с двойственностью микрообъекта процесс измерения непременно связан с существенным влиянием прибора на протекание исследуемого явления.
Принцип дополнительности объясняют влиянием на состояние микросреды измерительного прибора, который является макроскопическим объектом. При точном измерении одной из дополнительных величин, например координаты, с помощью соответствующего прибора другая величина (импульс) в результате взаимодействия частицы с прибором претерпевает полностью неконтролируемое изменение.
Даже простейший эксперимент по измерению с помощью микроскопа координаты частицы (например, электрона) подтверждает полностью неконтролируемое изменение ее импульса, которое объясняется только взаимодействием частицы с прибором. Дело в том, что для определения положения электрона его необходимо "осветить" светом возможно более высокой частоты. В результате соударения фотона с электроном изменяется его импульс.
Прибор искажает то, что исследует. Оказывается, сам акт наблюдения изменяет наблюдаемое. Объективная реальность зависит от прибора, то есть в конечном счете от произвола наблюдателя. "С позиции современной квантовой теории измерений роль прибора заключается в "приготовлении" некоторого состояния системы" (4). Было установлено, что если прибор предназначен для измерения волны, то электрон в эксперименте ведет себя как волна. Если используется прибор для изучения свойств частицы, то электрон в таком приборе будет уже частицей. Словом, наблюдатель превращается в конечном счете из зрителя в действующее лицо.
Все, к чему мы "прикасаемся", превращается в материю. Вероятно, самое удивительное свойство этих частиц заключается в том, что кванты проявляются как частицы, только когда мы на них смотрим. Например, когда электрон не наблюдаем, он всегда проявляет себя как волна, что подтверждается экспериментами. Физики смогли прийти к такому выводу благодаря хитроумным опытам, придуманным для обнаружения электрона без его наблюдения.
Представьте, что у вас в руке шар, который становится шаром для боулинга только при том условии, что вы на него смотрите. Если посыпать тальком дорожку и запустить такой "квантованный" шар по направлению к кеглям, то он будет оставлять прямой след только тогда, когда вы на него смотрели. Но когда вы моргали, то есть не смотрели на шар, он переставал чертить прямую линию и оставлял широкий волнистый след наподобие зигзагообразного следа, который оставляет змея на песке пустыни.
Физик Ник Герберт говорит, что иногда ему кажется, что за его спиной мир "всегда загадочен и неясен и представляет собой беспрерывно текущий квантовый суп". Но когда он оборачивается и пытается увидеть этот "суп", его взор "замораживает" содержимое "супа" и видится лишь привычная картина. Герберт считает, что мы немного похожи на легендарного Мидаса, который, согласно греческому мифу, был наделен Дионисом способностью обращать в золото все, к чему прикоснется его рука. "Человеческому постижению недоступна истинная природа "квантовой реальности", – говорит Герберт, – поскольку все, к чему бы мы ни прикоснулись, превращается в материю" (1). И это действительно так.
В третьей главе мы познакомимся с исследованиями К. Прибрама, доказывающими уникальную способность человеческого мозга переводить поступающую к нему извне волновую информацию в предметную и развертывать ее на нашем внутреннем экране в виде образов.
Все это означает, что классический идеал объективного описания природы отошел в небытие. Человек-наблюдатель представляет собой конечное звено в цепи процессов наблюдения, и, воспринимая свойства любого объекта атомной действительности, следует обязательно учитывать взаимодействие последнего с наблюдателем. Имея дело с атомной действительностью, нельзя следовать картезианскому разделению мира и личности, наблюдателя и наблюдаемого. В атомной физике нельзя сообщить информацию о природе таким образом, чтобы самому при этом остаться в тени.
В глубь ядра
После того как квантовая теория пролила свет на мир атома, главной задачей физиков стало изучение структуры ядра, его компонентов и сил притяжения внутри ядра. В исключительно богатом мире атомных явлений ядра, заключающие в себе почти всю массу атома, исполняют роль предельно малых устойчивых центров, представляющих собой источник электрических сил и образующих основу огромного множества молекулярных структур.
К 1928 году были известны три частицы: фотон, протон и электрон. Фотон – элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле – света); протон – стабильная элементарная частица, ядро атома водорода; электрон – элементарная частица, обладающая положительной энергией и отрицательным зарядом. Квантовая теория показала, что поразительные свойства атомов обусловлены волновой природой электронов.
Важным шагом к пониманию структуры ядра было открытие его второго компонента – нейтрона (первым является протон, который имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона). Нейтрон не имеет электрического заряда. Протон и нейтрон считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона – частицы с массой, примерно равной массе протона, в две тысячи раз превышающей массу электрона, но лишенной электрического заряда. Поскольку ядра всех химических элементов состоят из протонов и нейтронов, сила, связывающая частицы внутри ядра, представляла совершенно новое явление. Она не могла иметь электромагнитной природы, поскольку нейтроны электрически нейтральны. Физики поняли, что перед ними – новая сила природы, не существующая вне ядра.
Это так называемое сильное ядерное взаимодействие действует только на очень близком расстоянии, равном примерно двум-трем диаметрам нейтрона (4). На таком расстоянии ядерная сила притягивает нейтроны и протоны; при его сокращении она становится отталкивающей и препятствует дальнейшему их сближению. Так, ядерная сила приводит ядро в исключительно стабильное и исключительно динамическое равновесие. Сильное ядерное взаимодействие действительно сильное: оно удерживает вместе протоны и нейтроны, причем это взаимодействие, например, между двумя протонами в 10 раз мощнее, чем гравитационное взаимодействие между ними же (2).
Ядро атома в 100 тысяч раз меньше самого атома и все же содержит почти всю его массу. Это значит, что плотность вещества внутри ядра гораздо выше, чем в привычных нам формах материи. В самом деле, если бы человеческое тело обладало плотностью ядра, оно было бы величиной с булавочную головку. Однако такая высокая плотность не единственное необычное свойство ядерного вещества. Обладая, как и электроны, квантовой природой, нейтроны реагируют на ограничение в пространстве, значительно увеличивая свою скорость, а поскольку им отводится гораздо более ограниченный объем, чем электронам, их скорость очень высока – около 100 тысяч км/с.
Таким образом, ядерное вещество – эта такая форма материи, которая совершенно не похожа ни на одну из форм материи, существующих в нашем макроскопическом окружении. Это вещество ученые весьма образно сравнивают с микроскопическими каплями предельно плотной жидкости, которые бурно кипят и булькают (1). В этом случае атом представляет собой тяжелые, бурно кипящие капли ядер, а в пространстве между ними с огромной скоростью движутся отрицательно заряженные электроны, которые удерживаются силой притяжения между ними и положительно заряженными ядрами.
И хотя масса электронов составляет очень небольшой процент от общей массы атома, именно они, электроны, придают материи свойство твердости и обеспечивают необходимые связи для образования молекулярных структур, состоящих из нескольких атомов, связанных силами взаимного притяжения. Они также участвуют в химических реакциях и отвечают за химические свойства веществ. Таким образом, взаимодействие электронов с ядром обеспечивает возможность существования всех твердых тел, жидкостей и газов, а также живых организмов и биологических процессов, связанных с их жизнедеятельностью. С другой стороны, электроны обычно не участвуют в ядерных реакциях, не обладая достаточной энергией для нарушения равновесия внутри ядра.