Уроки мудрости

ВЕРНЕР ГЕЙЗЕНБЕРГ

Интерес к изменению точки зрения на науку и общество проснулся во мне, когда, будучи девятнадцатилетним студентом, я прочел книгу Гейзенберга «Физика и философия» – классическое повествование об истории и философских проблемах квантовой физики. Эта книга оказала и продолжает оказывать на меня огромное влияние. Это академическая работа, местами затрагивающая и технические подробности, но вместе с тем полная личных и даже весьма эмоциональных высказываний. Гейзенберг – один из основателей квантовой физики и, наряду с Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором, один из гигантов современной науки – описывает в этой книге удивительную дилемму, с которой столкнулись физики в первые десятилетия нашего века, исследуя структуру атома и природу субатомных явлений. Исследование привело их в соприкосновение со странной и неожиданной реальностью, поколебавшей основания их мировоззрения и заставившей их мыслить совершенно по-новому. Мир, который они наблюдали, не представлялся более машиной; состоящий из множества отдельных объектов, он был неделимым целым: сетью отношений, которые необходимым образом включали наблюдателя. Стремясь постичь природу атомных явлений, ученые не могли не обнаружить, что их основные понятия, язык, весь способ мышления не годятся для описания новой реальности.

В «Физике и философии» Гейзенберг не только дает блестящий анализ концептуальных проблем, но так же описывает и те огромные личные трудности, с которыми сталкивались физики, когда ход самого исследования заставлял их расширить сознание. Эксперименты на атомном уровне требовали новых категорий для постижения природы реальности, и большим достижением Гейзенберга было то, что он ясно понял это. История его борьбы и победы – это также история встречи и сотрудничества двух выдающихся личностей – Вернера Гейзенберга и Нильса Бора.

Геизенберг начал заниматься атомной физикой в возрасте двадцати лет, придя на курс лекций, которые читал Бор в Геттингене. Темой лекций была созданная Бором новая теория атома, которая воспринималась как огромное достижение и которую изучали все европейские физики. В обсуждении после одной из этих лекций Геизенберг не согласился с Бором в отношении определенной технической детали, и Бора настолько поразила ясность аргументов молодого студента, что он пригласил его на прогулку, чтобы продолжить обсуждение. Эта прогулка, длившаяся несколько часов, была первой встречей двух выдающихся мыслителей, дальнейшая совместная работа которых стала одной из основных сил в развитии атомной физики.

Нильс Бор был на шестнадцать лет старше Гейзенберга; он обладал превосходной интуицией и глубоким ощущением таинственности мира. На него оказала сильное влияние религиозная философия Кьеркегора и мистические сочинения Уильяма Джеймса. Он никогда не удовлетворялся аксиоматическими системами и постоянно повторял: «Все, что я говорю, нужно понимать не как утверждение, а как вопрос». Геизенберг же обладал ясным аналитическим умом математического склада; философской основой для него были греческие мыслители, с которыми он был знаком с ранней юности. Бор и Геизенберг представляли дополняющие друг друга полюсы человеческого ума, динамичное и часто драматическое взаимодействие которых составляло уникальный процесс в истории современной науки и вело к одному из ее величайших триумфов.

Когда я, будучи студентом, прочел книгу Гейзенберга, меня очаровало его объяснение парадоксов и кажущихся противоречий, с которыми сталкивались исследования субатомных явлений в начале 20-х годов. Многие из этих парадоксов были связаны с двойственной природой микромира, материя которого проявляется то как частицы, то как волны. «Электроны, – говаривали физики в те дни, – оказываются частицами по понедельникам и средам, а по вторникам и четвергам – волнами». И, как ни странно, чем больше физики старались прояснить ситуацию, тем острее становились парадоксы. Лишь постепенно они обретали некоторую интуицию относительно того, когда электрон проявится как частица, а когда – как волна. Они начали, как выразился Геизенберг, «проникаться духом квантовой теории» раньше, чем она получала точную математическую формулировку. Сам Гейзенберг сыграл значительную роль в этом процессе. Он показал, что парадоксы в атомной физике появляются тогда, когда кто-то пытается описывать атомные феномены в классических терминах, и был достаточно смел, чтобы отбросить классическую систему понятий. В 1925 году Гейзенберг опубликовал статью, в которой отказался от принятого описания электронов в атоме с точки зрения их положения и скорости, каким пользовались Бор и все остальные, и предложил более абстрактную систему координат, где физические качества были представлены определенными математическими структурами – матрицами. Гейзенберговская «матричная механика» была первой логически последовательной формой квантовой теории. Годом позже она была дополнена разработанным Эрвином Шредингером другим формальным аппаратом, известным как «волновая механика». Оба аппарата логически непротиворечивы: математически они эквивалентны – один и тот же феномен может быть описан в двух различных математических языках.

В конце 1926 года физики располагали полным, логически непротиворечивым формальным аппаратом, но не всегда знали, как применить его к описанию конкретной экспериментальной ситуации. В течение следующих месяцев Гейзенберг, Бор, Шредингер и другие ученые постепенно прояснили ситуацию в интенсивных, требовавших больших сил и часто очень эмоциональных дискуссиях. В «Физике и философии» Гейзенберг ярко описывал этот решающий период в истории квантовой физики:

Интенсивное обсуждение в Копенгагене вопросов, касающихся интерпретации квантовой теории, наконец привело к полному прояснению ситуации. Но прийти к этим решениям было нелегко. Я помню разговоры с Бором, которые длились по многу часов, до поздней ночи, и кончались почти отчаянием; когда в конце концов я уходил один на прогулку в соседний парк, я вновь и вновь повторял себе: может ли быть природа столь абсурдной, какой она кажется нам в этих атомных экспериментах?

Гейзенберг видел, что формальный аппарат квантовой теории невозможно интерпретировать в рамках наших интуитивных понятий о пространстве и времени или о причине и следствии; вместе с тем он понимал, что все наши понятия связаны с этими интуитивными представлениями. Следовательно, не было иного выхода, кроме как сохранить классические интуитивные представления, но ограничить их применимость. Большим достижением Гейзенберга было то, что он нашел точную математическую форму для выражения этих ограничений классических понятий, которая теперь называется в его честь «принципом неопределенности Гейзенберга». Это ряд математических отношений, которые определяют, в какой мере классические понятия могут применяться к атомным феноменам; таким образом, эти отношения кладут предел человеческому воображению в субатомном мире. Принцип неопределенности указывает меру влияния ученого на свойства наблюдаемых объектов в процессе измерения. В атомной физике ученый уже не может играть роль отстраненного объективного наблюдателя. Он вовлечен в мир, который он наблюдает, принцип неопределенности Гейзенберга измеряет эту вовлеченность. На наиболее фундаментальном уровне принцип неопределенности – это мера единства и взаимосвязанности Вселенной. В 1920-х годах физики во главе с Гейзенбергом и Бором пришли к пониманию того, что мир – это не скопление отдельных объектов, а сеть отношений между различными частями единого целого. Классические понятия, опирающиеся на повседневный опыт, не вполне адекватно описывают этот мир. Вернер Гейзенберг как никто иной исследовал границы человеческого воображения, пределы привычных понятий и степень нашей вовлеченности в мир, он не только указал на эти различия и их глубокие философские следствия, но также сумел дать их точное и ясное математическое описание.

В свои девятнадцать лет я, конечно, далеко не все понял в книге Гейзенберга. Большая часть ее оставалась для меня тайной, но она вызывала во мне восхищение этой замечательной эпохой в науке, которое с тех пор никогда меня не покидало. Более детальное понимание физических парадоксов и их разрешения мне пришлось отложить на некоторое время, пока я не получил основательную подготовку сначала в области классической физики, потом квантовой механики, теории относительности, квантовой теории поля. Книга Гейзенберга была моим спутником во время моего учения, и, оглядываясь на это время, я вижу, что именно Гейзенберг посеял семя, которое дало свои всходы десятилетием позже, когда я приступил к систематическому исследованию ограничений картезианского мировоззрения. «Картезианское разделение, – писал Гейзенберг, – глубоко проникло в человеческий ум за три века, прошедшие после него, и нужно время, чтобы оно было вытеснено иным отношением к проблемам реальности».