Явление мира атомов – микроскопического разреза мира – могут играть основную роль в формах выявления конечного результата жизни в биосфере.

(В. И. Вернадский)

Современная физика оказывает влияние почти на все стороны научной и общественной жизни. Она является основой для всех естественных наук, а союз естественных и технических наук коренным образом изменяет условия нашей жизни на Земле, что приводит как к положительным, так и к отрицательным последствиям. Влияние современной физики затрагивает также всю культуру в целом и образ мышления – в частности, а изменение существующей парадигмы выражается в пересмотре наших взглядов на жизнь и на Вселенную.

Изучение мира атома и субатомного мира в XX веке неожиданно ограничило область приложения идей классической механики и обусловило необходимость коренного пересмотра многих наших основных понятий. Понятие материи в субатомной физике, например, абсолютно не похоже на традиционные представления о материальной субстанции в классической физике. То же можно сказать о понятиях пространства, времени, причины и следствия.

Но поскольку эти понятия лежат в основе нашего мировоззрения, в случае их радикального пересмотра начинает изменяться привычная для нас механистическая картина мира, модель которой разработал великий Ньютон.

Корни всей западной науки в целом следует искать в истоках греческой философии VI века до н. э., в которой не делалось различий между наукой, философией и религией. Греческих философов не интересовали такие разграничения, поскольку они не видели различий между одушевленным и неодушевленным, между материей и духом. Они стремились постичь истинную природу («физис») вещей, воспринимая все формы существования как проявления «физиса», наделенные жизнью и духовностью.

Их взгляды были близки Гераклиту из Эфеса, который интуитивно чувствовал, что Вселенная находится в постоянном движении, что стабильность и постоянство не являются нормой. Гераклит учил, что все изменения в мире происходят в результате активных циклических взаимодействий различных пар противоположностей, и рассматривал каждую такую пару как единое целое. Единство, содержащее противоположности, но стоящее над ними, он называл логосом.

Разрыв этого единства впервые произошел в философии Парменида из Элеи, взгляды которого были абсолютно противоположны взглядам Гераклита. Парменид признавал существование некоего Божественного Принципа, стоящего над всеми богами и людьми. Он считал этот принцип уникальным и неизменяемым и называл его Бытие. Он был уверен в том, что изменения невозможны, и относил видимые изменения к иллюзорности наших чувств. Позднее этот принцип стал отождествляться с персонифицированным божеством, стоящим над миром и управляющим им. Так в философии возникло направление, которое отделило материю от духа и породило дуализм.

В V веке до н. э. греческие мыслители попытались примирить теории Парменида и Гераклита. Чтобы сгладить различия между идеями неизменяемого Бытия (Парменид) и вечного изменения (Гераклит), они выдвинули тезис о том, что Бытие проявляется в определенных неизменных субстанциях, которые, соединяясь и расходясь, порождают все изменения в этом мире. Это привело к возникновению понятия атома – мельчайшей неделимой единицы материи. Согласно философской концепции великого греческого философа Демокрита, материя состоит из некоторого количества «основополагающих строительных кирпичиков» – абсолютно пассивных и по сути своей неживых частиц, между которыми находится пустота. Атомы движутся в пустоте подобно бильярдным шарам. Причина движения частиц не объяснялась, но обычно ассоциировалась с внешними силами, которые, как считалось, носили идеальный, или духовный, характер, не имея ничего общего с материей. И поскольку экспериментальная проверка этой концепции была невозможна, никто не задавался вопросом, применима ли предложенная аналогия к миру атомов.

По мере того как укоренялась идея о разделении духа и материи, философы стали все больше интересоваться духовным миром, человеческой душой и проблемами этики. Ученых же привлек материальный мир. Научные представления древних были систематизированы Аристотелем, создавшим модель Вселенной, аналогичной точно идущим часам, для изучения которой следует использовать редукционистский подход: если разбить что-либо на мельчайшие составные части, можно понять, как это работает. Хотя сам Аристотель считал, что изучение человеческой души и созерцание величия Бога гораздо важнее изучения материального мира, именно его модель механистической Вселенной использовалась западной наукой на протяжении двух тысяч лет.

Поскольку механистический взгляд на природу тесно связан со строгим детерминизмом (лат. determinare – определять), то философской основой такого взгляда стало фундаментальное разграничение между миром и человеком. В результате этого разграничения возникла уверенность в возможности объективного описания мира, лишенного упоминаний о личности наблюдателя.

В конце XV века впервые началось истинно научное изучение природы путем экспериментальной проверки умозрительных гипотез. Наука задалась целью освоить мир, в котором мы живем, дать ему такое объяснение, чтобы он выглядел безопасным и управляемым. Рост интереса к математике привел к формулированию математическим языком истинно научных теорий, основанных на экспериментальных данных. Отцом современной науки, в которой нет места человеку, является Галилей, впервые объединивший математику и эксперимент (1).

В XVII веке получило широкое признание картезианство – направление в философии и естествознании, теоретическим источником которого были идеи Рене Декарта. Картезианство окончательно разделило природу на две независимые области – область сознания и область материи. В результате картезианского разделения ученые смогли рассматривать материю как нечто неживое и полностью отдельное от них самих, а материальный мир – как огромный, сложный агрегат, состоящий из множества различных частей. Такое механистическое воззрение было воспринято и Исааком Ньютоном, который построил на его основе свою механику, ставшую фундаментом классической физики. Со второй половины XVII и до конца XIX века ньютоновская модель Вселенной была наиболее влиятельной.

В книге «Физика Веры» мы рассматривали представления Ньютона об эфире, оставив в стороне вопрос о его механистической модели Вселенной, которая в значительной степени повторяла модель Демокрита, объясняя все явления движением и взаимодействием твердых неделимых атомов, уподобленных твердым бильярдным шарам (2).

Чтобы разобраться в переходе к современной физике, которая убедительно доказала, что ньютоновская модель не может объяснить новые открытия, а ее закономерности действуют не всегда, мы предлагаем коротко вспомнить, что представляет собой механистическая модель Вселенной Ньютона, являющаяся основой классической механики.

Согласно модели Ньютона, все физические явления происходят в трехмерном пространстве, которое описывается евклидовой геометрией. Как утверждал Ньютон: «Само абсолютное пространство, без учета внешних факторов, всегда остается неизменным и неподвижным… Абсолютное, истинное математическое время по своей сущности течет с постоянной скоростью, не подвергаясь внешним воздействиям».

По представлениям Ньютона, в неподвижном и неизменном пространстве двигаются материальные частицы – атомы, маленькие, твердые и неразрушимые предметы, из которых состоит вся материя. Отличие представлений Ньютона от представлений Демокрита заключалось в том, что, по Ньютону, между материальными частицами действуют силы взаимодействия, очень простые и по сути зависящие только от масс и расстояний между частицами. Анализируя многочисленные данные наблюдений движения планет, Ньютон открыл закон всемирного тяготения, который явился одной из вершин классической физики.

В своей книге «Оптика» Ньютон писал:

Мне кажется вероятным, что Бог вначале сотворил материю в виде твердых, обладающих массой, цельных, непроницаемых и подвижных частиц, наделенных такими размерами, пропорциями, формами и другими качествами, которые наилучшим образом отвечают той цели, для которой Он сотворил их, и что эти частицы, будучи цельными, несравненно плотнее любого пористого тела, из них составленного; и они настолько плотны, что никогда не изнашиваются и не разбиваются, и ни одна сила не может разделить то, что Бог сотворил единым при своем первотворении (3).

Для того чтобы дать строгое математическое описание силы тяжести или гравитации, вызывающей взаимное притяжение материальных частиц, Ньютон использовал абсолютно новые понятия и математические операции дифференциального исчисления. Ньютоновские уравнения движения – основы классической механики. Считалось, что они отражают незыблемые законы, управляющие движением материальных частиц, а значит, и всеми природными явлениями. По мнению Ньютона, Бог создал материальные частицы, силы между ними и фундаментальные законы движения. Таким образом, вся Вселенная была запущена в движение и движется до сих пор подобно хорошо отлаженному механизму.

Сам Ньютон при помощи своей теории объяснил движение планет и основные свойства Солнечной системы. Тем не менее его планетарная модель была сильно упрощенной и не учитывала, например, гравитационного взаимодействия планет. Из-за этого Ньютон обнаружил в своей модели некоторые несообразности, которые он сам не мог объяснить. Однако он решил проблему достаточно просто, придя к выводу, что Бог всегда присутствует во Вселенной и исправляет эти несообразности.

Итак, основными постулатами модели Ньютона являются:

1. Пространство и время Вселенной абсолютны, но они не зависят от материальных объектов и процессов.

2. Пространство и время метрически бесконечны, однородны (свойства одинаковы во всех точках) и изотропны (независимость свойств физических объектов от назначения).

3. Вселенная стационарна, не претерпевает эволюции. Изменяются системы, но не мир в целом.

Парадоксы модели:

1. Гравитационный: если Вселенная бесконечна, с бесконечным числом небесных тел, то сила тяготения будет бесконечно большой и Вселенная в результате должна сколлапсировать.

2. Фотометрический: если существует бесконечное число небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, а этого нет.

Великий математик Лаплас поставил перед собой честолюбивую задачу: уточнить и усовершенствовать подсчеты Ньютона «и предложить окончательное описание механики Солнечной системы и настолько приблизить теорию к наблюдениям, чтобы в астрономических таблицах не осталось белых пятен».

Результатом его усилий была большая работа в пяти томах, «Небесная механика», в которой Лаплас успешно и подробно описал движение планет, лун и комет, причины приливов и других гравитационных явлений. Опираясь на ньютоновские законы движения, он показал, что Солнечная система неподвижна. Когда Лаплас продемонстрировал Наполеону первое издание своей книги, тот, как рассказывают, заметил: «Месье Лаплас, мне сказали, что этот грандиозный труд об устройстве Вселенной не содержит ни одного упоминания о Творце». На что Лаплас резко ответил: «Сир, я не нуждаюсь в этой гипотезе».

Вдохновленные блестящим успехом ньютоновской механики в астрономии, физики использовали ее для описания непрерывного течения жидкостей и колебаний упругих тел и вновь добились успеха. Даже теория теплоты получила механистическое обоснование, согласно которому теплота представляет собой энергию, порожденную сложным хаотическим движением молекул вещества. Так, при повышении температуры воды подвижность молекул возрастает до тех пор, пока они не преодолеют силы взаимного притяжения и не разделятся. При этом вода превращается в пар. Напротив, при охлаждении термическое движение замедляется, между молекулами возникает более прочная связь и образуется лед. Подобным же образом можно с чисто механической точки зрения объяснить много других температурных явлений.

Ньютоновская механика пережила свой расцвет в XVIII–XIX веках. Триумф механики Ньютона убедил физиков в том, что ее законы управляют движением всей Вселенной и являются основными законами природы и что явления природы не могут иметь другого объяснения. Тем не менее по прошествии менее ста лет стало очевидно, что ньютоновская модель не может объяснить новые открытия, а ее закономерности действуют не всегда.

А началось все с открытия и исследования явлений электричества и магнетизма, которые свидетельствовали о существовании сил неизвестной природы и не допускали механистического толкования. Это неизвестное до сих пор взаимодействие было названо полем.

Простейшие электрические и магнитные явления были известны еще в древние времена. Люди знали, что существуют минералы, притягивающие кусочки железа, а янтарь (по-гречески – электрон), потертый о шерсть, притягивает легкие предметы. Однако сведений об изучении этих необыкновенных явлений практически до конца XVI века не имелось. По-видимому, этими вопросами всерьез никто не занимался.

Впервые разграничил электрические и магнитные явления английский ученый У. Гильберт, который в 1600 году опубликовал свой труд «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земля». Именно благодаря Гильберту человечество узнало о существовании магнитного поля нашей планеты. В XVII–XVIII веках проводились многочисленные опыты с наэлектризованными телами, были даже построены первые электростатические машины, основанные на электризации трением, установлено существование электрических зарядов, обнаружена электропроводимость металлов, а в середине XVIII века появился первый конденсатор – лейденская банка, – который позволял накапливать большие электрические заряды.

В первой половине XVIII века американский ученый Б. Франклин сформулировал первую последовательную теорию электрических явлений, установил электрическую природу молнии и изобрел молниеотвод. Во второй половине XVIII века в результате экспериментальных исследований французский физик Ш. Кулон вывел «основной закон электростатики» (закон Кулона), а позднее установил закон взаимодействия полюсов длинных магнитов и ввел понятие магнитного заряда.

Начиная со второй половине XVIII века работы известных ученых Ш. Кулона, Г. Кавендиша, А. Вольты, Г. Ома, Дж. Джоуля и других вывели исследовательские работы по электрическим и магнитным явлениям на высокий уровень. Однако электрические и магнитные явления исследовались ими вне зависимости друг от друга.

Наиболее фундаментальное открытие было сделано в 1820 году датским физиком Х. Эрстедом; он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку – явление, свидетельствующее о связи между электрическими и магнитными явлениями. В том же году французский физик А.-М. Ампер установил закон взаимодействия электрических токов и показал, что свойства постоянных магнитов можно объяснить циркуляцией электрических токов в молекулах намагниченных тел. То есть, согласно Амперу, все магнитные явления сводятся к взаимодействию токов, магнитных же зарядов не существует. Именно с открытиями Эрстеда и Ампера обычно связывают рождение электродинамики как науки (4).

Открытие электромагнитных волн. Огромный вклад в развитие электродинамики внес английский ученый, величайший экспериментатор М. Фарадей – творец общего учения об электромагнитных явлениях, в котором все электрические и магнитные процессы рассматриваются с единой точки зрения. Когда Фарадей поднес к медной катушке магнит и вызвал в ней электрический ток, преобразовав таким образом механическую работу в электрическую энергию, наука оказалась в тупике. Этот фундаментальный эксперимент стал основой для теоретических размышлений Фарадея, а позднее – блестящего теоретика Дж. Максвелла, плодом которых стала теория электромагнетизма.

Фарадей открыл явление электромагнитной индукции (1831), установил законы электролиза, доказал взаимосвязь электрических и магнитных явлений с оптическими, открыл поляризацию диэлектриков, явления парамагнетизма. Но самое поразительное в том, что Фарадей первым шагнул за пределы физики Ньютона, введя в рассмотрение электрическое и магнитное поля как реальные объекты. Вместо вывода о том, что два противоположных заряда притягиваются точно так же, как две «точки массы» в ньютоновской механике, Фарадей счел более приемлемым утверждать, что каждый заряд создает вокруг себя особое «возбуждение», или «состояние», благодаря которому противоположный заряд, находящийся поблизости, испытывает притяжение. Состояние, способное порождать силу, и было названо полем. Причем поле создается каждым зарядом независимо от присутствия противоположного заряда, способного испытать его воздействие.

При этом Фарадей исходил из концепции близкодействия, отрицая распространенную в то время концепцию дальнодействия, согласно которой тела действуют друг на друга через пустоту.

Близкодействие – представление, согласно которому взаимодействие между удаленными друг от друга телами осуществляется с помощью промежуточных звеньев (или среды), передающих взаимодействие от точки к точке с конечной скоростью. Дальнодействие – представление, согласно которому действие тел друг на друга передается мгновенно через пустоту на сколь угодно большие расстояния (5).

Фарадей ввел также понятие о силовых линиях как механических натяжениях в эфире. Вот где особая упругая среда казалась незаменимой для последовательного преобразования электрических и магнитных полей одно в другое.

Во второй половине XIX века электродинамика получила свое развитие и завершение в трудах Дж. Максвелла. Опираясь на эмпирические законы электромагнитных явлений и введя гипотезу о порождении магнитного поля переменным электрическим током, Максвелл сформулировал фундаментальные уравнения классической электродинамики, названные его именем, создал теорию электромагнитного поля. Правда, уравнения Максвелла полезны тогда, когда нам необходимо узнать интенсивность электромагнитных полей или величины сил в какой-либо точке, но они не объясняют ни сути электромагнетизма, ни почему так происходит.

Из уравнений Максвелла вытекало важное следствие: существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Вершиной теории Максвелла, получившей название электродинамики, было, пожалуй, осознание того, что свет есть не что иное, как переменное электромагнитное поле высокой частоты, движущееся в пространстве в форме волн. Позднее уравнения Максвелла легли в основу электромагнитной теории света (6). При этом Максвелл, подобно Фарадею, объяснял результаты своих исследований с механистической точки зрения, считая поле напряженным состоянием эфира – очень легкой среды, заполняющей все пространство, а электромагнитные волны – колебаниями эфира. Это было вполне естественно, так как в волнах обычно видели колебание какой-либо среды: воды, воздуха и т. д. Искусный теоретик электромагнитных волн, Д. Максвелл в своих построениях словно воочию видел возникающие при этом натяжения эфира. Что-то вроде упругих сил, действующих в деформированном растянутом или сжатом куске резины.

После экспериментов немецкого физика Г. Герца (1889), обнаружившего существование электромагнитных волн, теория Максвелла получила решающее подтверждение. Сегодня мы знаем, что и радиоволны, и волны видимого света, и рентгеновские лучи не что иное, как колеблющиеся электромагнитные поля, различающиеся только частотой колебаний, и что свет есть лишь незначительная часть электромагнитного спектра.

Итак, по мнению Фарадея и Максвелла, электромагнитную волну и электромагнитное поле следует понимать как деформацию эфира, сотканного из электрических зарядов.

Открытие электромагнитных волн существенно изменило представление о физической реальности. Ньютон считал, что силы тесно связаны с телами, между которыми они действуют. Теперь же место понятия «сила» заняло более сложное понятие «поле», соотносившееся с определенными явлениями природы и не имевшее соответствия в мире механики.

Желая найти общую основу для всей физики, Эйнштейн решил объединить две самостоятельные теории классической физики – электродинамику и механику. Первый его шаг к этой цели привел к созданию теории относительности.

В нашей книге «Физика Веры» рассмотрены специальная и общая теории относительности Эйнштейна (2). Однако в связи с тем, что при рассмотрении физики ХХ века невозможно оставить в стороне основные положения теории относительности, кратко напомним их читателям.

В 1905 году молодой Эйнштейн опубликовал ряд работ, которые содержали три радикально новые идеи. Первая полностью отвергала существование эфира; вторая стала основой специальной теории относительности; третья заставила по-новому взглянуть на электромагнитное излучение и легла в основу теории атома – квантовой теории, которая в окончательном виде сформировалась через двадцать лет благодаря совместным усилиям целой группы физиков. Однако теорию относительности практически полностью разработал сам Эйнштейн.

Об эфире. Следует отметить, что во второй половине XIX века эфир был «притчей во языцех». Любые явления природы и любые процессы (физические, химические, биологические) ученые пытались объяснить с помощью эфира, наделяя его необходимыми для этого свойствами. Он должен был обеспечивать действие закона всемирного тяготения, а после открытия электромагнитных полей эфир оказался средой, по которой идут световые волны; на эфир была возложена ответственность за все проявления электромагнитных свойств (2).

Бурное развитие волновой теории света заставило наделять эфир просто фантастическими свойствами, причем зачастую свойства, приписываемые эфиру для объяснения одних явлений, противоречили свойствам, требующимся для объяснения других явлений. И в то же время не было экспериментов, которые позволили бы отрицать эфир. Постепенно, однако, объяснения световых явлений на основе эфирной гипотезы стали выглядеть все более искусственными. Стало складываться убеждение о несовершенстве основ классической физики. С целью выхода из кризиса был взят курс на разработку специальной физики – физики больших скоростей, близких к скорости света (релятивистская физика).

Проверка действенности основных положений классической физики при световых и околосветовых скоростях привела к обоснованным сомнениям в существовании эфира. Особенно к печальным последствиям привел науку опыт Майкельсона, проведенный в 1881 году (2). В начале ХХ века Альберт Эйнштейн, основываясь на результатах экспериментов Физо и Майкельсона, вынес смертельный приговор эфиру, предложив «забыть об эфире и постараться никогда больше не упоминать о нем» (7).

Предложение Эйнштейна охотно подхватило большинство физиков, поскольку безуспешность многочисленных попыток примирить между собой противоречивые свойства эфира и разработать приемлемую его теорию была просто удручающей. А так… как говорится: «Нет объекта, нет проблемы».

Самое поразительно, что сам Майкельсон, лауреат Нобелевской премии по физике 1907 года, несмотря на нулевые результаты опыта, проведенного в 1881 году, не сомневался в существовании эфира и постоянно искал возможности опытного подтверждения его существования.

Исчерпав все возможности обнаружить эфирный ветер при орбитальном движении Земли, Майкельсон сформулировал исходные предпосылки нового, так называемого ротационного опыта, который осуществил Саньяк в 1911 году (8). Маленький интерферограф Саньяка был собран на вращающемся диске так, что два когерентных световых луча при помощи светоделительной пластины и трех зеркал описывали замкнутые ломаные кривые по периметру диска во взаимно противоположных направлениях и сводились в зрительную трубу для получения интерференционной картины. Предполагалось, что у поверхности Земли эфир неподвижен и вращение в нем диска обусловит встречный эфирный ветер для одного луча и попутный для другого.

Результаты опыта Саньяка превзошли все ожидания: они с поразительной точностью совпали с теоретическими расчетами. Эфир был зарегистрирован однозначно, и возникло неразрешимое противоречие с нулевыми результатами опыта Майкельсона 1881 года.

Известный советский специалист по физической оптике академик и президент АН СССР С. И. Вавилов по этому поводу сказал: «Если бы явление Саньяка было открыто раньше, чем выяснились нулевые результаты опытов Майкельсона, оно, конечно, рассматривалось бы как блестящее экспериментальное доказательство наличия эфира. Но в ситуации, создавшейся в теоретической физике после опытов Майкельсона, опыт Саньяка разъяснял немногое» (8).

Дело в том, что к моменту обнаружения эфира в опыте Саньяка в науке уже были сформулированы и заняли прочные позиции «безэфирные» физические теории. Поэтому предпочтение было отдано результатам опыта Майкельсона, а результаты опыта Саньяка были проигнорированы на основании того, что «они непонятны и ничего не объясняют».

В 1925 году неугомонный Майкельсон осуществил свой ротационный опыт, в котором в качестве платформы (диска) использовался земной шар в его суточном вращении. Интерферометр представлял собой прямоугольник, выполненный из металлических труб, внутри которых располагались полупрозрачные пластины и зеркала. Две стороны интерферометра длиной по 613 м были уложены точно вдоль земных широт, а две другие длиной по 339,5 м – вдоль земных меридианов. Результаты опыта убедительно свидетельствовали о существовании эфира. Майкельсон заявил: «По всей вероятности, эта среда не только находится везде, где существует обыкновенная материя, но и проникает во все формы материи» (8).

Однако, как и в предыдущем случае, новые результаты также были проигнорированы и снова лишь потому, что противоречили полученным в 1881 году нулевым результатам опыта Майкельсона. Проникновение в физику принципа «кто раньше успел» достойно сожаления. Если бы наука вовремя признала существование эфира, то ее развитие могло бы, по-видимому, пойти в другом направлении.

Специальная теория относительности. Эйнштейн был твердо уверен в том, что природе изначально присуща гармония, и его научной деятельностью руководило желание найти общую основу для всей физики. Первым его шагом к этой цели было объединение двух самостоятельных теорий классической физики – электродинамики и механики – под эгидой специальной теории относительности (СТО). Она объединила и дополнила построения классической физики и одновременно потребовала решительного пересмотра традиционных представлений о времени и пространстве, подорвав одно из оснований ньютоновского мировоззрения.

Согласно специальной теории относительности, пространство само по себе, как и время само по себе, есть противоречивые, неопределенные сущности и только их объединение представляет независимую, непротиворечивую сущность, известную в науке как четырехмерное пространство Минковского. Эйнштейн объединил пространство и время в единый четырехмерный «пространственно-временной континуум». Все измерения в пространстве и времени, которые становятся относительными, теряют свой абсолютный характер.

Понятия времени и пространства настолько основополагающи, что их изменение влечет за собой изменение общего подхода к описанию явлений природы. Мы еще вернемся к этим изменениям, а пока отметим одно из важных последствий этого изменения: осознание того, что масса – одна из форм энергии. Даже неподвижный объект наделен энергией, заключенной в его массе, и их соотношение выражается знаменитым уравнением Е = mС², в котором С– скорость света в вакууме, С = 300 000 км/с. Для описания физических явлений, при которых действуют скорости, близкие к скорости света, всегда следует пользоваться теорией относительности. Это касается и всех электромагнитных явлений, одним из которых является свет. Явления, описываемые теорией относительности, называются релятивистскими (лат. relativus – относительный).

Следуя своей философской концепции о том, что теория должна вытекать из опыта, Эйнштейн, опираясь на эксперимент Майкельсона 1881 года, ставит свет в особое положение. Скорость света, по Эйнштейну, является предельной скоростью передачи любых взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую, постоянной в любых инерциальных системах отсчета (ИСО) (4).

Второй постулат СТО гласит: «Скорость света в вакууме одинакова по всем направлениям в любой области данной инерциальной системы отсчета (ИСО) и одинакова во всех ИСО» (9).

Однако еще до Эйнштейна на основании глубокого анализа теории электромагнетизма Г. Лоренц и независимо от него Д. Ламор установили вид преобразований координат, которыми нужно заменить преобразования Галилея, чтобы обеспечить применимость теории Фарадея – Максвелла к движущимся системам. Эти преобразования получили название преобразований Лоренца. Именно Лоренц доказал постоянство скорости света в вакууме в любых ИСО, причем преобразования были получены им из теории электромагнетизма без использования принципа относительности. Сам Эйнштейн указывает, что «специальная теория относительности (СТО) происходит из факта постоянства скорости света в вакууме, установленного Лоренцем в соответствии с электродинамикой Максвелла» (9). В наши дни это положение уже не является следствием теоретических выкладок и тем более постулатом, это экспериментально проверенный факт, достоверность которого подтверждена всей практикой технической физики. В частности, на основе этого положения ведутся расчеты ускорителей заряженных частиц, в том числе гигантских.

Устранение эфира поставило перед Эйнштейном вопрос: что же такое поле? По мнению Фарадея и Максвелла, электромагнитное поле, в частности, следовало понимать как деформацию эфира. Отказавшись от переносчика взаимодействия (от эфира), Эйнштейн оказался в тяжелом положении и вынужден был выдвинуть гипотезу: «…силовое поле является самостоятельной физической реальностью, не нуждающейся в субстрате» (9). Иначе просто невозможно объяснить существование силовых полей в волновой зоне, вдали от вещества. А чтобы объяснить механизм распространения света появилась гипотеза световых квантов, согласно которой «электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов), обладающих противоречивыми свойствами частицы и волны, не требующей носителя» (9).

Ничего не поделаешь: гении совершают гениальные ошибки! А авторитет гения довлеет над подавляющим большинством ученых. Наука начала интенсивно развиваться в направлении «безэфирной физики».

Стоит отдать должное великому ученому, который позднее пересмотрел ранее сделанные выводы и публично признал свою ошибку. Он пришел к выводу, что существование эфира все-таки следует признать, ибо, по его мнению, в любой теории, в том числе квантовой, эфир необходим для обеспечения непрерывности физических полей и устранения дальнодействия.

Эйнштейн писал:

Согласно общей теории относительности пространство немыслимо без эфира… Мы не можем в теоретической физике обойтись без эфира, то есть континуума, наделенного физическими свойствами… В пространстве без эфира не только было бы невозможно распространение света, но не могли бы существовать масштабы и часы и не было бы никаких пространственно-временных расстояний в физическом смысле (10).

К сожалению, основы «безэфирной физики» не были пересмотрены, ибо к тому времени ее развитие зашло уже достаточно далеко. Следует отметить, что сегодня существование эфира признано наукой, но под термином «физический вакуум».

Академик А. Е. Акимов говорит: «Для нас сейчас физический вакуум – это то, что остается в пространстве, когда из него удаляют весь воздух и все до последней элементарные частицы. В результате получается не пустота, а своеобразная материя – Прародитель всего во Вселенной, рождающий элементарные частицы, из которых потом формируются атомы и молекулы» (2).

Общая теория относительности. Необычен подход Эйнштейна к интерпретации геометрического знания. До конца XIX века на западноевропейскую философию и науку оказывала огромное влияние греческая геометрия. Считалось, что евклидова геометрия отражает истинную сущность пространства, поэтому она чаще всего интерпретировалась как универсальная, присущая самой природе система законов. Теория относительности в значительной степени изменила это понимание.

А все началось с того, что Эйнштейн обратил внимание на связь между гравитационными полями и геометрией пространства. В 1915 году он выдвинул общую теорию относительности (ОТО), в которой осуществил еще одно объединение. Геометрические свойства пространства были объединены с чисто физической сущностью гравитации. Оказалось, что богатые свойствами геометрические структуры, такие как псевдориманово пространство, в состоянии абсорбировать в себе всю физическую сущность даже такой фундаментальной природной силы, как гравитация. Гениальность Эйнштейна проявилась в том, что он сумел на языке свойств геометрического пространства описать физическую реальность.

Согласно ОТО, гравитация способна «искривлять» время и пространство. Это означает, что в искривленном пространстве законы евклидовой геометрии не действуют, так же как двухмерная плоскостная геометрия не может быть применена на поверхности сферы. Теория Эйнштейна утверждает, что трехмерное пространство действительно искривлено под воздействием гравитационного поля тел с большой массой.

Массивное тело не может существовать, не создавая гравитационного поля, проявляющего себя в искривлении окружающего это тело пространства. Не следует считать, что поле «наполняет» пространство и тем самым искривляет его. Поле само по себе является искривленным пространством! В общей теории относительности гравитационное поле и структура, или геометрия, пространства воспринимается как одно и то же понятие. В уравнениях поля Эйнштейна им соответствует одна и та же математическая величина. Следовательно, в теории Эйнштейна вещество не мыслится вне этого гравитационного поля, а гравитационное поле не мыслится без искривленного пространства. Таким образом, вещество и пространство воспринимаются как непрерывно связанные понятия, даже более того – как взаимосвязанные частицы единого целого.

Пространство вокруг таких тел – планет, звезд и т. д. – искривлено, и степень искривления зависит от массы тела. А поскольку в теории относительности время не может быть отделено от пространства, присутствие вещества оказывает воздействие и на время, вследствие чего в разных частях Вселенной время течет с разной скоростью. В то время как классическая физика рассматривает движение твердых тел в пустом пространстве, в ОТО сама структура пространства – времени зависит от распределения вещества во Вселенной и понятие «пустого пространства» вообще теряет смысл (2). Более того, если раньше полагали, что с исчезновением материи остается пустое пространство, то теория относительности утверждает, что с исчезновением материи исчезнет и пространство.

Что касается понятия твердого тела, то оно было поставлено под сомнение атомной физикой – наукой о бесконечно малом. Одновременное появление теории относительности и теории атома поставило под сомнение представление ньютоновской механики об абсолютном характере времени и пространства, о твердых элементарных частицах, о строгой причинной обусловленности всех физических явлений и о возможности объективного описания природы. Старые понятия не находили применения в новых областях науки.

Началом атомной физики явились два открытия конца XIX века, необъяснимые с позиций классической физики. Первое свидетельство в пользу того, что атомы обладают какой-то структурой, появилось в 1895 году с открытием немецким физиком В. Рентгеном рентгеновских лучей – нового вида излучения, быстро нашедшего свое применение в медицине. При помощи рентгеновских лучей Макс фон Лауэ исследовал атомную структуру кристалла. Однако рентгеновские лучи были не единственным видом излучения, испускаемого атомами. Вскоре после их открытия французский физик А. Беккерель в 1896 году обнаружил другой вид излучений, испускаемых так называемыми «радиоактивными элементами». Это излучение стали называть радиоактивным. «Радиоактивностью называется превращение неустойчивых изотопов одного химического элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц» (4).

Явление радиоактивности подтверждало, что атомы таких элементов не только испускают различные излучения, но и превращаются при этом в атомы совершенно других элементов, что говорит о сложности строения атома.

Планетарная модель атома. Английский физик Эрнест Резерфорд обнаружил, что так называемые альфа-частицы, исходящие от радиоактивных веществ, можно использовать в качестве высокоскоростных снарядов субатомного размера для исследования внутреннего строения атома. Он подвергал атом обстрелу альфа-частицами и по их траекториям после столкновения определял, как устроен атом.

В результате бомбардировки атомов потоками альфа-частиц Резерфорд получил сенсационные и совершенно неожиданные результаты. Вместо описанных древними твердых и цельных частиц перед ученым предстали невероятно мелкие частицы-электроны, движущиеся вокруг ядра на достаточно большом расстоянии. Электроны, казалось, были прикованы к ядрам некими силами.

В 1911 году Резерфорд предложил планетарную модель атома, состоящего из тяжелого ядра и окружающих его электронов. Миниатюрный атом, диаметр которого примерно одна миллионная сантиметра, состоит из положительно заряженного ядра, которое на то время считалось неделимым, и движущихся вокруг него по орбите отрицательно заряженных электронов. Стоит заметить, что электрический заряд атома равен вовсе не нулю, а нулевой сумме противоположных электрических зарядов. Нуль есть тривиальность (небытие), которая не содержит в себе никаких компонентов, в то время как нулевая сумма есть объективная реальность (бытие), состоящая из компонентов, равных по величине, но противоположных по знаку.

Если мы возьмем в руки металлический шарик диаметром 1 мм, то диаметр атома окажется в 100 млн раз меньше его, а радиус ядра атома в 10 тысяч раз меньше радиуса самого атома. И сам атом практически состоит из пустоты. Атомное ядро занимает одну триллионную часть всего атома. Позднее, когда удалось разделить ядро, выяснилось, что оно состоит из еще более мелких элементов: протонов и нейтронов.

Хорошее представление об атоме дает такой пример. Если в центре Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге, самого большого собора России, поместить крупинку сахара, олицетворяющую ядро, вращающееся вокруг собственной оси, а в самом дальнем углу собора расположить пылинку – электрон, – вращающуюся с неимоверной скоростью вокруг крупинки сахара, то это будет приближенная модель атома водорода.

Вскоре после появления этой «планетарной» модели атома было обнаружено, что от количества электронов зависят химические свойства элемента, что явилось прекрасным подтверждением правильности Периодической системы элементов Д. И. Менделеева (1869). Все элементы отличаются друг от друга только количеством электронов, вращающихся вокруг ядра. Сегодня мы знаем, что периодическую систему элементов можно составить, добавляя последовательно протоны к ядру самого легкого атома – атома водорода, а также соответствующее число электронов к «оболочкам» атома (или к сферическим орбитам).

Например, если представить, что в центре Исаакиевского собора вращается сахарная крошка, состоящая из 56 крупинок сахара, а вокруг нее носятся с огромной скоростью 26 пылинок, то получится модель атома железа.

Перед учеными встал ряд вопросов. Если атомы, образующие твердую материю, например железо, состоят практически из пустого пространства, то почему мы не можем проходить сквозь стены? Что придает веществу твердость? Вторая загадка связана с невероятной стабильностью атома. На основе классических представлений существование стабильных атомов в принципе невозможно. Согласно классической электродинамике, электрон не может устойчиво двигаться по орбите, поскольку вращающийся электрический заряд должен излучать электромагнитные волны и, следовательно, терять энергию; радиус его орбиты должен непрерывно уменьшаться, и за время примерно 10^–8 с электрон должен упасть на ядро. В действительности же атомы не только существуют, но и весьма устойчивы (4).

Кроме того, в воздухе, например, атомы кислорода миллионы раз в секунду сталкиваются друг с другом и тем не менее после каждого столкновения приобретают прежнюю форму. Никакая система планет, подчиняющаяся законам классической механики, не выдержала бы таких столкновений. Однако сочетание электронов атома любого элемента (кислорода, железа и т. д.) всегда одинаково, сколько бы они ни сталкивались с другими атомами. Два атома железа и два железных бруска абсолютно идентичны, где бы они ни находились и как бы с ними ни обращались до этого.

Результаты всех экспериментов были парадоксальны и непонятны, и все попытки выяснить, в чем тут дело, оборачивались неудачей.

Механика Ньютона и классическая электродинамика Максвелла оказались не способны объяснить процессы, происходящие со скоростями, близкими к скорости света, и ответить на вопросы, возникшие в результате исследования атома. Однако трудности в поисках ответов не останавливают, а, наоборот, стимулируют развитие науки, ибо, как сказал П. Капица: «Наука – это то, чего мы не знаем, а чего знаем – это технология».

Не сразу физики пришли к выводу о том, что парадоксы[1] обусловлены их стремлением описывать явления атомной действительности в терминах классической физики. Однако, убедившись в этом, они стали по-другому воспринимать экспериментальные данные и искать новые теоретические подходы.

В начале ХХ века зародилась новая теория – квантовая механика, которая стремительно заняла лидирующее положение в науке. По словам В. Гейзенберга, они «каким-то образом прониклись духом квантовой теории» и смогли четко и последовательно сформулировать ее в математическом виде (1).

Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомного ядра, изучить свойства элементарных частиц. А поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания всех макроскопических явлений, с которыми мы, люди, сталкиваемся повседневно.

Эти законы не так-то легко было открыть. Они были сформулированы лишь в 20-е годы прошлого века благодаря усилиям физиков разных стран: датчанина Нильса Бора, француза Луи де Бройля, австрийцев Эрвина Шредингера и Вольфганга Паули, немцев Макса Планка и Вернера Гейзенберга, англичанина Поля Дирака и др. И конечно, огромная заслуга в развитии новой науки принадлежит Альберту Эйнштейну. Эти люди первыми соприкоснулись с неведомой необычной реальностью мира атома.

Корпускулярно-волновой дуализм. В 1900 году немецкий физик М. Планк, исследуя тепловое излучение тел, пришел к выводу, что тепловое (термодинамическое) равновесие между излучением и веществом невозможно объяснить на основе теории теплового излучения, построенной по законам классической электродинамики и статистической физики. В соответствии с этими законами тепловое равновесие в принципе не может быть достигнуто, так как вся энергия должна перейти в излучение.

Планк разрешил это противоречие и получил результаты, прекрасно согласующиеся с опытом, предположив, что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а определенными порциями – квантами. (Квант – минимальная порция чего-либо.) Величина такого кванта энергии Е зависит от частоты света n (ню) и равна: E = h?, где h – постоянная Планка, называемая также квантом действия, h = 6,62 · 10^–27 эрг · с. Постоянная Планка устанавливает предел измерений всех физических параметров, она является фундаментальной величиной квантования. Вследствие чрезвычайно малой величины постоянной Планка квантование в макроскопических физических экспериментах остается незамеченным.

От этой работы Планка можно проследить две линии развития, завершившиеся к 1927 году окончательной формулировкой квантовой механики в двух ее формах. Обе эти линии начинаются с работ Эйнштейна: первая связана с теорией фотоэффекта, а вторая – с теорией теплоемкости твердых тел.

В 1905 году, занимаясь теорией фотоэффекта, Эйнштейн развил идею Планка, предположив, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, то есть дискретность присуща самому свету: свет состоит из отдельных порций – световых квантов, названных фотонами. Эйнштейн дал кванту следующее определение:

Это особая точка в пространстве, в которой локализована электромагнитная энергия, а электрический и магнитный векторы периодически и согласованно изменяют свою величину. Она окружена силовым полем, имеющим характер плоской волны (9).

На основании этой гипотезы Эйнштейн объяснил установленные на опыте закономерности фотоэффекта и в 1921 году получил Нобелевскую премию за выполненную работу.

В 1922 году американский физик А. Комптон экспериментально доказал, что свет наряду с волновыми свойствами, проявляющимися, например, в дифракции или интерференции, обладает и корпускулярными свойствами.

Направляя рентгеновское излучение на свободные электроны, Комптон обнаружил, что рассеяние света электронами происходит по законам упругого столкновения частиц – налетающего рентгеновского фотона и покоящегося электрона. В каждом акте столкновения соблюдаются характерные для частиц законы сохранения энергии и импульса, причем энергия и импульс фотона связаны между собой соотношением, справедливым в релятивистской механике для частицы с нулевой массой покоя E = h?. Уже в самой этой формуле содержится дуализм, не позволяющий выбрать какую-либо одну из двух концепций: энергия Е относится к частице, а частота n является характеристикой волны. Таким образом, было доказано экспериментально, что природа света корпускулярно-волновая. Возникло логическое противоречие: для объяснения одних явлений необходимо было считать, что свет имеет волновую природу, а для объяснения других – корпускулярную. По существу, разрешение этого противоречия и привело к созданию квантовой механики.

В 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма, по которой не только фотоны, но и все «обыкновенные» частицы (протоны, нейтроны, электроны и т. д.) также обладают волновыми свойствами. Позднее гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально: на уровне атома материя имеет двойственный аспект; он проявляется как частицы и как волны. И проявление это зависит только от конкретной ситуации. Например, электроны обычно считаются частицами, однако, если направить узкий поток этих частиц в узкую щель, он дефрагирует точно так же, как луч света, то есть электроны в этой ситуации обнаруживают свойства волн (4). Волновые свойства не проявляются у макроскопических тел. Длины волн де Бройля для таких тел настолько малы, что обнаружение их волновых свойств оказывается весьма затруднительным.

Двойственность материи буквально ошарашила ученых и стала поразительным и непонятным свойством природы, создав многие квантовые парадоксы, лежащие в основе квантовой теории. Ведь волна, распространяющаяся на огромные расстояния, и частица, имеющая более или менее определенное местонахождение в пространстве, значительно отличаются друг от друга.

«Фундаментальные физические сущности микромира – частицы и волны – выявили невиданную ранее в опытах способность заявлять о себе лишь в момент их наблюдения, проявляясь или как волна, или как частица» (11).

Вторая линия развития является обобщением гипотезы Планка и начинается с работы Эйнштейна (1907), посвященной теории теплоемкости твердых тел, в которой была обоснована идея квантования энергии. Эйнштейн предположил, что испускание и поглощение электромагнитного излучения веществом происходят квантами с энергией h?. Теория Эйнштейна была уточнена П. Дебаем, М. Борном и Т. Карманом и сыграла выдающуюся роль в развитии теории твердых тел.

Квантовый эффект. В 1913 году Н. Бор, стремясь объяснить устойчивость атома в рамках модели Резерфорда, использовал идею квантования энергии применительно к теории строения атома. Он принял три постулата (12).

Первый постулат (постулат стационарных состояний): в атоме существует набор стационарных состояний (или уровней энергии), находясь в которых атом не испускает электромагнитных волн. Стационарным состояниям соответствуют стационарные орбиты, по которым ускоренно движутся электроны, но излучения света при этом не происходит. В 1913–1914 годах существование уровней энергии в атомах было подтверждено опытами Франка – Герца.

Второй постулат (постулат квантования орбит): в стационарном состоянии атома электрон, движущийся по круговой орбите, имеет квантованные значения момента импульса, удовлетворяющие определенному условию.

Третий постулат (правило частот): при переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один фотон. Излучение фотона происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. При обратном переходе происходит поглощение фотона.

Таким образом, Бор, используя квантовую постоянную h, отражающую дуализм света, показал, что эта величина определяет также и движение электронов в атоме, законы которого существенно отличаются от законов классической механики. Этот факт позднее был объяснен на основе универсальности корпускулярно-волнового дуализма.

Твердость материи оказалась результатом типичного квантового эффекта, обусловленного прежде всего волновой природой материи и не имеющего аналогов в макроскопическом мире. В чем суть квантового эффекта? Когда частица находится в ограниченном объеме пространства, она начинает усиленно двигаться, и чем значительнее ограничение, тем выше скорость. С другой стороны, электрические силы стремятся как можно сильнее приблизить электрон к ядру. Электрон реагирует на это, также увеличивая свою скорость вращения, и чем сильнее притяжение ядра, тем выше скорость; она может достигать больше тысячи километров в секунду. Вследствие этого атом воспринимается как непроницаемая сфера, точно так же, как воспринимается вращающийся с большой частотой вращения пропеллер, который выглядит как диск. Очень сложно еще больше сжать атом, и поэтому материя кажется нам твердой.

Электроны в атоме размещаются на различных орбитах с тем, чтобы уравновесить притяжение ядра и свое противодействие этому. Причем электроны внутри атома могут существовать только на определенных атомных орбитах, имеющих определенный диаметр. Например, электрон атома водорода может находиться только на его первой, второй или третьей орбите, но не между ними. При нормальных условиях он всегда будет на нижней орбите, которая называется «стационарным состоянием» атома. Оттуда электрон, получив необходимое количество энергии, может перескочить на более высокие орбиты, и тогда говорят, что атом находится в «возбужденном состоянии», из которого он может вновь перейти в стационарное, испустив избыточное количество энергии в виде фотона, или кванта электромагнитного излучения.

Все атомы, обладающие одинаковым количеством электронов, характеризуются одинаковыми очертаниями электронных орбит и одинаковым расстоянием между ними. Поэтому такие атомы абсолютно идентичны. Например, приходя в возбужденное состояние, атомы кислорода, сталкиваясь в воздухе друг с другом, неизбежно возвращаются в одно и то же состояние. Именно волновая природа электронов обуславливает идентичность атомов одного химического элемента и их высокую механическую устойчивость.

Тем не менее орбиты электронов значительно отличаются от орбит планет Солнечной системы вследствие их волновой природы. Атом нельзя уподобить маленькой планетарной системе. Мы должны представить себе не частицы, вращающиеся вокруг ядра, а вероятностные волны, распределенные по орбитам.

Однако успехи теории Бора, как и предыдущие успехи квантовой теории, были достигнуты за счет нарушения логической цельности: с одной стороны, использовалась механика Ньютона, с другой – привлекались чуждые ей искусственные правила квантования, к тому же противоречащие классической электродинамике.

Кроме того, теория Бора оказалась не в состоянии объяснить движение электронов в сложных атомах (даже в атоме гелия), возникновение связи между атомами, приводящей к образованию молекулы, не могла ответить на вопрос, как движется электрон при переходе с одного уровня энергии на другой.

Дальнейшая разработка вопросов теории атома привела ученых к убеждению, что движение электронов в атоме нельзя описывать в понятиях классической механики (как движение по определенной траектории, или орбите), что вопрос о движении электрона между уровнями несовместим с характером законов, определяющих поведение электронов в атоме, и что необходима новая теория, в которую входили бы только величины, относящиеся к начальному и конечному стационарным состояниям атома.

Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории с ясными физическими основами и стройным математическим аппаратом произошло после работы В. Гейзенберга (1927), в которой было сформулировано соотношение неопределенностей – важнейшее соотношение, освещающее физический смысл уравнений квантовой механики и ее связь с классической механикой (4).

Итак, ранее эксперименты Резерфорда обнаружили, что атомы не являются твердыми и неделимыми, а состоят из незаполненного пространства, в котором движутся очень маленькие частицы, а теперь квантовая теория утверждала, что эти частицы, из которых состоят атомы, обладают, подобно свету, двойной природой. Их можно рассматривать и как волны, и как частицы.

Это свойство материи и света очень необычно. Кажется совершенно невероятным, что что-то может одновременно быть частицей – величиной чрезвычайно малого объема – и волной, способной распространяться на большие расстояния. Это противоречие породило большую часть тех парадоксов, что легли в основу квантовой теории. Очевидное противоречие между свойствами волн и частиц разрешилось совершенно непредвиденным образом, поставив под вопрос саму основу механистического мировоззрения – понятие реальности материи. И прежде всего полностью трансформировались представления о материи как о незыблемой тверди.

Шаг в мир атомов был первым и самым важным шагом в путешествии в мир бесконечно малого. В поисках мельчайших «строительных кирпичиков» было доказано существование атомов, открыты составляющие их ядра и электроны, а несколько позднее компоненты ядра – протоны, нейтроны и множество других субатомных частиц. Сложные, чуткие приборы современной экспериментальной физики сумели проникнуть в глубины субмикроскопического мира, в области, удаленные от нашей макроскопической среды, и позволили нам косвенно «наблюдать» свойства атомов и других частиц, а следовательно, в какой-то степени «познавать» субатомный мир. Однако мы можем судить о них только по последнему звену в цепочке реакций, например по щелчку счетчика Гейгера или по темному пятнышку на фотопластинке. Мы воспринимаем не сами явления, а их следы. Сам же атомный и субатомный мир скрыт от нас. Проникнув под оболочку атома, изучая его внутреннее устройство, наука вышла за пределы чувственного восприятия. И это в то время, когда обязательным требованием науки являлась необходимость все «потрогать, понюхать, пощупать, разглядеть» и т. д. Исследование субатомного мира уже не отвечало этим требованиям. С этого момента наука уже не могла с уверенностью опираться на логику и здравый смысл!

Парадоксальные результаты экспериментов вызывали настоящий шок в среде ученых. В одной из статей В. Гейзенберг писал: «Бурная реакция ученых на последние открытия современной физики легко объяснима: они сотрясают основы этой науки, и она, похоже, начинает терять почву под ногами».

Эйнштейн был потрясен не меньше, столкнувшись впервые с миром атома. Он писал в своей автобиографии: «Все мои попытки объяснить эти новые открытия были абсолютно безуспешны. Это напоминало ситуацию, когда почва уходит из-под ног и не на что опереться» (1).

В этих словах великих физиков заключена самая суть: почвы-то под ногами действительно нет! Нет той самой тверди, которая всегда служила нам, людям, опорой. А что же есть?

Вероятности и волны. Это выяснилось позднее, когда появились работы В. Гейзенберга о принципе неопределенности и знаменитое уравнение Шредингера, которые позволили понять, что на субатомном уровне вместо твердых материальных объектов классической физики существуют волноподобные вероятностные модели. И эти модели отражают не вероятность существования вещей, а, скорее всего, вероятность существования взаимосвязей.

Рассмотрим простейший опыт по распространению света. На пути пучка света ставится прозрачная пластина. Часть света проходит через пластину, часть отражается от нее. Известно, что свет состоит из «частиц» – фотонов. Что происходит с отдельным фотоном при попадании его на пластину?

Если поставить опыт с пучком света крайне малой интенсивности, в котором можно следить за судьбой каждого фотона, то можно убедиться, что при встрече с пластиной фотон не расщепляется на два, его индивидуальность сохраняется (иначе свет менял бы свою частоту). Оказывается, что одни фотоны проходят через пластину, а другие отражаются. Если на пути отраженного потока фотонов снова поставить такую же пластину, то наблюдается та же картина: часть фотонов проходит через нее, а часть отражается (4).

Как же так? Ведь все фотоны уже отразились от первой пластины, почему же не отразились все и от второй точно такой же пластины? Получается, что одинаковые частицы в одинаковых условиях ведут себя по-разному? Да. Поведение фотона при встрече с пластиной непредсказуемо однозначно. Отражение фотона от пластины или прохождение через нее – случайные события. Данный фотон может пройти через пластину, а может и отразиться.

Оказывается, и внутри атома материя не существует в определенных местах, а, скорее, «может существовать»; атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом наверняка, а, скорее, «могут происходить».

Закономерности, которые проявляются при случайных событиях, описываются с помощью теории вероятности, которая называет эти возможности вероятностями.

В квантовой теории вероятности связаны с математическими величинами, предстающими в форме волн. Эти «вероятностные волны» – абстрактные математические величины со всеми характерными свойствами волн, выражающие вероятности существования частиц в определенных точках пространства в определенные моменты времени. Все законы атомной физики выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не можем с уверенностью говорить об атомном явлении; мы можем только сказать, насколько вероятно, что оно произойдет.

И если классическая механика предсказывает в принципе достоверные события, то задачей квантовой механики является предсказание вероятностей различных процессов (4).

Стоит особо подчеркнуть, что в квантовой теории вероятность следует воспринимать не как элемент нашего незнания или расчета на удачу, на которую рассчитывает, например, игрок в азартные игры, а как основополагающее свойство атомной действительности, управляющее ходом всех процессов и даже существованием материи.

Уравнение Шредингера. В 1926 году австрийский физик Э. Шредингер опубликовал знаменитое уравнение, носящее его имя, которое в квантовой механике играет такую же фундаментальную роль, как уравнения движения Ньютона в классической механике и уравнения Максвелла в классической теории электромагнетизма. Это уравнение является математическим выражением фундаментального свойства микрочастиц – корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому все существующие в природе частицы наделены также волновыми свойствами.

С математической точки зрения уравнение Шредингера есть волновое уравнение и по своей структуре подобно уравнению, описывающему колебания нагруженной струны. Однако в отличие от решений уравнения колебания струны в данный момент времени решения уравнения Шредингера прямого физического смысла не имеют. Смысл имеет квадрат волновой функции (пси-функции), которую Шредингер ввел в свое уравнение феноменологическим (подгоночным) путем, рассматривая ее как некое неизвестное материальное поле. Как правило, феноменологические подходы используются для систематизации данных опыта в тех областях физики, где фундаментальные теории еще не созданы. Как показало время, именно вокруг проблемы редукции[2] волновой функции возникли первые симптомы кризиса науки, не учитывающей сознание в своих исследованиях (4).

Уравнение Шредингера описывает изменение во времени состояния квантового объекта, характеризуемого волновой функцией. Волновая функция (пси-функция) в квантовой механике – это величина, полностью описывающая состояние микрообъекта (электрона, протона, атома, молекулы) и вообще любой квантовой системы. Если известна волновая функция в начальный момент времени, то, решая уравнение Шредингера, можно найти волновую функцию в любой последующий момент времени. В этой части квантовая теория вполне детерминирована (определена). Но волновая функция не наблюдаемая величина.

О наблюдаемых же величинах на основе знания волновой функции можно сделать лишь вероятностные (статистические) предсказания. Ибо квадрат волновой функции равен вероятности нахождения частицы (системы) в момент времени t в квантовом состоянии n в точке пространства с координатами x, y, z. Частица может быть обнаружена в любой точке пространства, в которой волновая функция отлична от нуля. Однако в момент измерения над этим объектом невозможно предсказать, каков будет результат этого процесса, и при проведении серии одинаковых экспериментов над одинаковыми системами каждый раз будут получаться разные результаты. Причины, влияющие на выход из этого события, остаются неизвестными.

Словом, результаты индивидуального измерения над квантовым объектом оказались непредсказуемыми, а это означает отказ от причинной обусловленности всех явлений и переход к неопределенности, к индетерминизму.

Время показало, что уравнение Шредингера не является панацеей. В этом отношении интересно высказывание дважды лауреата Нобелевской премии химика Лайнуса Полинга: «Мы можем верить физику-теоретику, который говорит нам, что все свойства можно рассчитать с помощью известных методов решения уравнения Шредингера. Однако в действительности мы видели, что за 30 лет, прошедших с открытия уравнения Шредингера, было сделано всего лишь несколько точных неэмпирических квантово-механических расчетов свойств вещества, в которых заинтересован химик. Для получения большей части информации о свойствах веществ химик все еще должен опираться на эксперимент» (13).

Вопрос о том, чем является волновая функция в уравнениях Шредингера, то есть какое физическое поле она представляет, волнует ученых до сих пор.

Отказ от детерминизма и его последствия. Фундаментальная неопределенность в квантовой теории разделила ученый мир на две группы, которые придерживались противоположных точек зрения на эту проблему. Одни предпринимали попытки восстановить идею полного детерминизма введением предположения о неполноте квантово-механического описания. Например, высказывалась гипотеза о наличии у квантовых объектов дополнительных степеней свободы – «скрытых параметров», учет которых сделал бы поведение системы полностью детерминированным в смысле классической механики. По мнению сторонников этой гипотезы, неопределенность возникает только вследствие того, что «скрытые параметры» пока неизвестны и поэтому не учитываются. Такой точки зрения придерживались Эйнштейн, Планк, де Бройль, Шредингер, Лоренц, Бом и др.

Другая группа ученых была убеждена, что в основе мироздания лежит индетерминизм, а обсуждаемая особенность квантовой теории есть адекватное отображение мира. Эту точку зрения разделяли Бор, Гейзенберг, Борн, Паули, Дирак, фон Нейман и др. Так, используя в качестве исходного условия основное положение квантовой механики о соответствии между операторами и наблюдаемыми величинами, американский ученый Дж. фон Нейман доказал теорему о невозможности нестатистической интерпретации квантовой механики (4). Эта теорема явилась мощной опорой, заложенной в фундамент индетерминизма. Немецкий физик-теоретик М. Борн призвал ученых «отказаться от основного принципа старой физики – детерминированной причинности».

Это, по его мнению «позволило развитие квантовой механики, частично объяснившее и парадоксальное положение, при котором одновременно признавалась справедливость как волновой, так и корпускулярной теории света… причем первая подтверждалась явлением интерференции, а вторая – фотоэлектрическим эффектом» (14).

По этому поводу современные ученые В. И. Ставицкий и Н. А. Ставицкая пишут в своей книге:

Действительно, как же избежать противоречий, не жертвуя ни «детерминированной причинностью», ни законом сохранения энергии – импульса в фотоэлектрическом эффекте? Пожертвовали причинностью, тем более что в рамках основного положения квантовой механики проверка передачи импульса фотона электрону фототока не доступна. Доступное измерению световое давление – другое дело. Этот факт не привел к противоречиям волновой и квантовой трактовок света (14).

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.

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 10⁸ 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.

Итак, в начале 30-х годов XX столетия в процессе изучения субмикроскопического мира наступил этап, принесший было уверенность в том, что «строительные кирпичики» материи наконец открыты. Было известно, что вся материя состоит из атомов, а атомы – из протонов, нейтронов и электронов. Эти так называемые «элементарные» частицы воспринимались как предельно малые, неделимые единицы материи, подобные атомам Демокрита.

Однако последующие достижения современной физики показали, что нужно отказаться от представлений об элементарных частицах как о мельчайших составляющих материи. Усовершенствование техники проведения экспериментов и создание новых приборов регистрации элементарных частиц (детекторов) привело к тому, что к 1935 году было известно уже не три, а шесть элементарных частиц, к 1955 году – восемнадцать, а к настоящему времени их известно более четырехсот. В такой ситуации слово «элементарный» уже неприменимо. Какая уж тут элементарность, если фотон может породить пару электрон – позитрон, при столкновении протонов и нейтронов могут рождаться пи-мезоны, пи-мезон распадается на мюон и нейтрино и т. д.? Универсальная превращаемость частиц – одно из самых общих свойств микромира.

Античастицы. Эксперименты показали, что частицы, ограниченные в пределах ядра, движутся со скоростью, близкой к скорости света. Следовательно, для описания ядерных явлений и точного понимания мира атома квантовая теория не является всеобъемлющей. Она должна быть дополнена теорией относительности Эйнштейна, которая оказала сильное воздействие на наши представления, в частности, о материи, заставив нас существенно пересмотреть понятие частицы. В классической физике масса тела всегда ассоциировалась с некоей неразрушимой материальной субстанцией, из которой, как считалось, были сделаны все вещи. Теория относительности показала, что масса не имеет отношения ни к какой субстанции, являясь одной из форм энергии (2).

Однако энергия – это динамическая величина, связанная с деятельностью (или процессом). Тот факт, что масса частицы может быть эквивалентна определенному количеству энергии, означает, что частица должна восприниматься не как нечто неподвижное и статичное, а как динамический паттерн[3], процесс, вовлекающий энергию, которая проявляет себя в виде массы частицы.

Начало новому взгляду на частицы положил английский физик Поль Дирак, который первым начал процесс объединения двух великих теорий. Дирак составил уравнение, которое описывало движение электронов с учетом законов квантовой механики и теории относительности, и получил неожиданный результат. Формула для энергии электрона давала два решения: одно соответствовало уже знакомому электрону, частице с положительной энергией и отрицательным электрическим зарядом, другое – частице, у которой энергия была отрицательной, а заряд положительным. В квантовой теории поля состояние частицы с отрицательной энергией интерпретируется как состояние античастицы, обладающей положительной энергией и положительным зарядом (4).

В 1932 году американский физик К.-Д. Андерсен экспериментально обнаружил антиэлектрон в космических лучах и назвал эту частицу позитроном. В 1936 году в космических лучах были обнаружены отрицательные и положительные мюоны, являющиеся частицей и античастицей по отношению друг к другу. В 1955 году в опытах на ускорителе были зарегистрированы первые антипротоны, а несколько позже – антинейтроны. К 1981 году экспериментально были обнаружены античастицы практически всех известных элементарных частиц (4).

Дирак обратил внимание на то, что нереальные частицы с отрицательной энергией возникают из своих положительных «антиблизнецов». В результате исследований он пришел к выводу, что пустое четырехмерное пространство Эйнштейна заполнено без предела электрон-позитронными парами, которые до поры до времени никак не проявляют себя. «Этот океан (физический вакуум) заполнен электронами без предела для величины отрицательной энергии, и поэтому нет ничего похожего на дно в этом электронном океане» (2). Образно выражаясь, пространственный вакуум есть бушующий океан отрицательной энергии. Это значит, что в громадном энергетическом океане вакуума Вселенной, который внешне нам кажется совершенно инертным и спокойным, на самом деле невесомые и незримые волны отрицательной энергии непрестанно бушуют с колоссальной скоростью, близкой к скорости света.

Согласно теории Дирака, вакуум битком набит различными античастицами, но мы не можем их обнаружить, потому что они существуют в мире отрицательных энергий и сверхсветовых скоростей, откуда мы физически не можем получить какие бы то ни было сигналы. Как черное тело невозможно увидеть в темноте, так и античастицы не могут быть обнаружены в физическом пространстве.

«Океан» ненаблюдаем до тех пор, пока на него не подействуют определенным образом. Когда же в этот «океан» попадает, например, богатый энергией световой квант – фотон, то он при определенных условиях заставляет «океан» выдать себя, выбивая из него одну из многочисленных античастиц.

Эксперименты показали, что пары частиц и античастиц возникают при наличии достаточного количества энергии и превращаются в чистую энергию при обратном процессе аннигиляции.

Например, если весомый электрон встретится с весомым позитроном, то они превратятся в невесомую энергию двух фотонов, суммарная масса которых будет равна удвоенной массе покоя электрона. Если нам как-то удастся «ударить этой удвоенной массой по вакууму», то он вытолкнет из себя пару элементарных частиц (электрон и позитрон) с почти нулевой скоростью. Новорожденные в непосредственной близости электрон и позитрон притягиваются друг к другу электростатическими силами и превращаются в невесомую энергию. Круг замыкается.

Если же весомый протон встретится с весомым антипротоном, то они превратятся в невесомую энергию двух фотонов, суммарная масса которых будет равна удвоенной массе покоя протона. Если нам как-то удастся «ударить такой удвоенной массой фотонов по вакууму», то он вытолкнет из себя пару элементарных частиц (протон и антипротон) с почти нулевой скоростью. Новорожденные в непосредственной близости протон и антипротон притягиваются друг к другу электростатическими силами и превращаются в невесомую энергию. То же самое произойдет и с другими парами частиц и античастиц. Это значит, что досветовые скорости вещества устойчивы. Иными словами, не так-то легко «утопить» вещество в бушующем океане отрицательной энергии вакуумного пространства.

Существование процессов синтеза и аннигиляции частиц было предсказано теорией Дирака до того, как они были открыты в природе, и с тех пор наблюдались в лаборатории миллионы раз. А теоретической основой для открытий послужил дираковский физический вакуум.

Возможность возникновения материальных частиц из чистой энергии является прекрасным подтверждением правильности теории относительности. До использования теории относительности при рассмотрении частиц ученые, по сути, решали для себя один вопрос: возможно ли бесконечно делить материю на все более мелкие единицы, или все же существуют мельчайшие неделимые частицы?

Способности человека поражают. Изощренный человеческий ум позволил ученым разделить даже субатомные частицы, столкнув их друг с другом с огромной энергией. Высокоэнергетические столкновения субатомных частиц – основной метод, который используют физики для изучения их свойств, и по этой причине физика частиц носит также название физики высоких энергий. Кинетическая энергия обеспечивается в огромных (достигающих в окружности нескольких миль) ускорителях частиц, в которых частицы разгоняются до скорости, близкой к скорости света, а затем они сталкиваются с другими частицами.

Процесс подготовки. Например, целью эксперимента являются наблюдение и измерение интересующей физиков частицы. Необходимо предварительно подготовить исследуемую частицу: либо изолировать ее, либо создать специально в процессе подготовки эксперимента. Затем разогнать ее в ускорителе частиц до скорости, близкой к скорости света. Когда необходимое количество энергии приобретено, частица покидает ускоритель и перемещается в район мишени, где сталкивается с другими частицами. Рассмотренный этап эксперимента называется подготовкой. Свойства частицы нельзя определить независимо от самого процесса подготовки. Если в подготовку вносятся изменения, свойства частицы тоже изменяются.

Столкновения происходят в пузырьковой камере, которая представляет собой прибор для регистрации следов (треков) заряженных частиц высоких энергий. Большинство частиц, возникающих при столкновениях, очень недолговечны и существуют гораздо меньше одной миллионной доли секунды, после чего они снова распадаются на протоны, нейтроны и электроны. Но, несмотря на крайне непродолжительный срок существования, ученые сумели не только обнаружить эти частицы и измерить их характеристики, но и сфотографировать их следы.

Пузырьковая камера изобретена в 1952 году американским ученым Д. Глейзером, ставшим в 1954 году лауреатом Нобелевской премии по физике. Ее действие основано на вскипании перегретой жидкости вблизи траектории частицы. Прохождение заряженной частицы через перегретую жидкость приводит к образованию вдоль следа частицы «зародышевых» центров кипения. За время порядка 0,5–3 мс образующиеся на зародышах пузырьки достигают размеров 50—300 мкм и могут быть сфотографированы при освещении их импульсным источником света (4). Сами частицы на несколько порядков меньше пузырьков, составляющих следы частиц, но по толщине и искривленности трека физики могут определить, какая частица его оставила. В точках, из которых исходит несколько треков, происходят столкновения частиц; искривления возникают из-за использования исследователями магнитных полей.

В последнее время с целью увеличения энергии столкновения широко применяют встречные пучки, формируемые ускорителями и так называемыми накопительными кольцами: протон-протонные, протон-антипротонные, электрон-электронные, электрон-позитронные. Эти пучки пересекаются, и частицы разных пучков вступают во взаимодействие. В результате они рассеиваются: изменяется состояние их движения, или рождаются новые частицы. С помощью детекторов рассеянные частицы регистрируются и измеряются их характеристики (12).

Столкновения частиц – основной экспериментальный метод для изучения их свойств и взаимодействий, и красивые линии, спирали и дуги в пузырьковых камерах имеют первостепенное значение для современной физики. Подвергая математическому анализу следы частиц, ученые могут говорить о свойствах этих частиц; при этом часто используют компьютеры, ибо анализ очень сложен. Все эти процессы составляют акт измерения.

О спине. Значительная часть необъясненных пока физических эффектов, полученных в ускорителях, связана с поведением частиц, обладающих спином. Спин (от англ. spin – вертеться, вращаться) – собственно момент количества движения элементарной частицы, имеющей квантовую природу, не связанный с перемещением частицы как целого.

Разгоняя в ускорителе поток частиц со спинами, одинаково ориентированными относительно спинов частиц мишени, ученые зафиксировали необычное их поведение. Частицы налетающего потока вели себя так, как будто между ними и частицами мишени не существовала сила электрического отталкивания, которая, казалось бы, должна была возникнуть из-за их одинакового электрического заряда. И наоборот, если ориентация спинов в налетающем потоке и в мишени была разная, результаты оказывались другими.

Многочисленные эксперименты, в которых важную роль играют спины частиц, выявили такие эффекты, которые невозможно объяснить с точки зрения обычных теоретических постановок.

Концепция спина была введена в физику в 1925 году американскими учеными Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом, предположившими на основе анализа спектроскопических данных, что электрон можно рассматривать как «вращающийся волчок» с собственным механическим моментом и собственным (спиновым) магнитным моментом (2). Кроме массы и заряда элементарная частица приобрела еще одну важнейшую характеристику – спин. Спин измеряется в единицах постоянной Планка и характеризуется спиновым квантовым числом, которое для определенных групп элементарных частиц принимает целочисленные или полуцелые значения. Например, спин электрона, протона, мюона, нейтрино и гипотетических кварков равен 1/2; спин пи– и К?мезонов равен 0; спин фотона равен 1.

В науке появились серьезные основания предполагать существование специфических взаимодействий и соответствующих им полевых форм, порожденных классическим спином и угловым моментом вращения. Причем экспериментальные данные показывают, что эти взаимодействия принципиально отличаются от известных фундаментальных взаимодействий: сильное, слабое, гравитационное и электромагнитное.

Интересные результаты, связанные с дальнодействием сил, порожденных телами, обладающими собственным моментом вращения, получены, например, в теоретической астрофизике: сформулированы гипотезы о возможных эффектах, связанных с моментами вращения таких объектов, как звезды, галактики и черные дыры. В частности, советский астрофизик Н. А. Козырев, исследуя поле, характеризующее поток времени, источником которого являются звезды – объекты с большим моментом вращения, по существу, исследовал спиновые поля. Его работы позволили предположить, что воздействие от объектов, обладающих моментом вращения, распространяется со скоростью неизмеримо большей, чем скорость света. Анализ выполнялся на базе таких параметров, как масса, заряд и момент вращения.

Человек как часть измерительной системы. Если прибор искажает то, что измеряет, то квантовая теория справедливо выдвигает требование к эксперименту: наблюдаемая система должна быть свободна от внешних воздействий, вызванных процессом наблюдения, на протяжении определенного периода времени между подготовкой и последующим измерением. Это возможно только в том случае, если подготавливающие и измеряющие приспособления находятся на большом физическом удалении друг от друга. Насколько большим должно быть пространство между приборами и объектом? В принципе, оно должно быть бесконечно большим. Только в этом случае исследуемая частица будет представлять собой самостоятельную физическую единицу.

На практике это невозможно, да и не нужно. Здесь нам следует не забывать об основном принципе современной науки – принципе относительности всех понятий и теорий. В данном случае это означает, что понятие самостоятельной физической единицы не обязательно должно быть четко определено: достаточно приблизительного определения. Это делается следующим образом. Наблюдаемый объект (частицу) представляют не самостоятельной единицей, а воплощением взаимодействия между процессами подготовки и измерения, некой промежуточной системой между ними. В этом случае вся макроскопическая система образует единое целое и понятие изолированного объекта утрачивает смысл.

Благодаря этому измерительные приборы и сами ученые представляют собой единую комплексную систему, которая не делится на самостоятельные, четко определенные части. Причем человек-наблюдатель необходим не только для того, чтобы наблюдать свойства объекта, но и для того, чтобы дать определение самим этим свойствам. Дело в том, что в атомной физике мы не можем говорить о свойствах объекта как таковых. Они имеют значение только в контексте взаимодействия объекта с наблюдателем. Наблюдатель решает, каким образом он будет осуществлять измерения, и в зависимости от своего решения получает характеристику свойства наблюдаемого объекта. Если эксперимент проводится по-другому, то свойства наблюдаемого объекта тоже изменяются.

Итак, на уровне атома «объекты» могут быть поняты только в терминах взаимодействия между процессами подготовки и наблюдения. Конечным звеном цепочки всегда будет человеческое сознание. Измерения – это такие взаимодействия, которые порождают определенные «ощущения» в нашем сознании, например зрительное ощущение вспышки света или темного пятнышка на фотографической пластинке, а законы атомной физики говорят нам, с какой вероятностью атомный объект будет порождать определенное ощущение, если мы позволим ему взаимодействовать с нами. «Естественные науки, – говорит Гейзенберг, – не просто описывают и объясняют явления природы; это часть нашего взаимодействия с природой».

Следовательно, в атомной физике ученый не может играть роль стороннего наблюдателя, он обречен быть частью наблюдаемого им мира до такой степени, что он сам воздействует на свойства наблюдаемых объектов. Ученик Эйнштейна, известный теоретик Джон Уиллер, считая активное участие наблюдателя самой важной особенностью квантовой теории, предложил заменить слово «наблюдатель» словом «участник». По словам самого Уиллера:

Самое важное в квантовом принципе – это то, что он разрушает представление о мире, «бытующем вовне», когда наблюдатель отделен от своего объекта плоским стеклянным экраном толщиной в двадцать сантиметров. Даже для того, чтобы наблюдать такой крошечный объект, как электрон, приходится разбить стекло. Наблюдатель должен забраться под стекло сам, разместить там свои измерительные приборы. Он должен сам решить, что измерять – импульс или местонахождение. Если ввести туда оборудование, способное измерить одну из этих величин, это исключит возможность размещения аппаратуры, способной измерить другую. Более того, в процессе измерения изменяется состояние самого электрона. После этого Вселенная никогда не станет такой, какой она была раньше. Для того чтобы описать то, что происходит, нужно зачеркнуть слово «наблюдатель» и написать «участник». В каком-то непредвиденном смысле наша Вселенная – это участвующая Вселенная (13).

Лауреат Нобелевской премии по физике Брайан Джозефсон как-то заметил, что в упорных поисках странных новых частиц физики, возможно, создают свою собственную реальность. Например, конкретная частица, названная аномалоном, обладает свойствами, меняющимися от лаборатории к лаборатории. Предполагают, что свойства этой частицы зависят от того, кто находит и создает ее (17).

А физик Э. Уолкер в своей книге «Физика сознания. Квантовый разум и значение жизни» пишет: «Мы открыли, что наблюдатель – доступный инструмент реальности, и мы соприкоснулись со своей собственной природой… Мы обнаружили постоянно действующее там сознание, смотрящее на нас как на актеров на сцене реальности и играющее роль писателя, пишущего пьесу, в которой мы играем» (18).

Делимы ли субатомные частицы? Но вот ученые, разогнав поток элементарных частиц, направили их в пузырьковую камеру. Эксперимент проведен. И что же? При столкновении двух частиц с высокой энергией они разбиваются на части, но эти части представляют собой частицы такого же типа и таких же размеров. Оказывается, эти частицы тут же возникают из кинетической энергии, задействованной в процессе столкновения. И сколько бы мы ни делили частицы, нам не удастся получить кусочек протона или нейтрона, то есть более мелких частей, так как частицы просто возникают из используемой нами энергии. Получается, что субатомные частицы одновременно делимы и неделимы!

Создание и уничтожение материальных частиц – одно из самых впечатляющих явлений эквивалентности энергии и массы. В процессе столкновений, использующихся в физике высоких энергий, масса уже не сохраняется. Сталкивающиеся частицы могут быть уничтожены, а энергия, заключенная в их массах, может преобразоваться частично в кинетическую энергию других участников столкновения, а частично – в массы новых частиц. Например, два протона могут после столкновения разлететься на множество «осколков», но среди них никогда не будет «кусочков протона». Эти «осколки» всегда будут представлять собой целые элементарные частицы, образующиеся из кинетических энергий и масс сталкивающихся протонов (4). Поэтому распад на «составляющие» носит не очень очевидный характер и зависит от количества энергии, принимающей участие в процессе.

С точки зрения классической механики это парадокс. Но при релятивистском подходе частицы воспринимаются как динамические паттерны или процессы, в которых задействовано некоторое количество энергии, заключенной в их массе. В процессе столкновения энергия двух частиц перераспределяется и образует новый паттерн, а если кинетическая энергия столкновения достаточно велика, то новый паттерн может включать дополнительные частицы, которых не было в исходных частицах.

Поскольку квантовая теория описывает наблюдаемые системы в терминах вероятности, мы никогда не можем с точностью утверждать, где будет находиться в наблюдаемый момент субатомная частица, как будет происходить тот или иной атомный процесс. Не можем сказать, когда неустойчивые частицы распадутся и каким «способом». Не можем предугадать, какие именно частицы образуются в результате распада исходной частицы. В области физики высоких энергий фиксируются и подвергаются анализу десятки тысяч столкновений частиц, прежде чем удается определить вероятность какого-либо процесса. И только с некоторой вероятностью ученые могут предсказать распад частицы через определенное время, указав среднюю продолжительность существования большей части частиц такой разновидности, и могут приближенно определить, что из некоторого большого количества частиц, скажем, процентов шестьдесят распадутся одним способом, еще тридцать – другим и, наконец, еще десять процентов – третьим.

Частицы – силы. Теория относительности радикальным образом изменила наши представления не только о частицах, но и о силах взаимного притяжения и отталкивания частиц. Оказывается, при релятивистском подходе частицы взаимодействуют при помощи сил, способных преобразовываться в такие же частицы. Иными словами, релятивистский подход объединяет два понятия – силы и вещества (1). И если со времен греческих атомистов эти понятия считались абсолютно самостоятельными, то сегодня ядерная физика считает, что все силы одновременно являются частицами. То, что силы проявляются в форме частиц, масса которых определяет радиус действия силы, еще одно свидетельство в пользу того, что субатомную действительность невозможно разделить на составные части.

Начиная от нашего макроскопического окружения и заканчивая уровнем ядра, силы притяжения относительно слабы, поэтому можно сделать обобщение, сказав, что вещи состоят из частей. Так, крупинка соли состоит из молекул, молекулы соли – из двух разновидностей атомов, атомы – из ядер и электронов. Однако на уровне элементарных частиц такой взгляд на вещи уже недопустим. Но все эти элементарные частицы входят в атомы, молекулы, крупинки и т. д.

Это обусловлено четырехмерной пространственно-временной сущностью субатомной действительности. Субатомные частицы не есть неподвижные трехмерные объекты, похожие на бильярдные шары; это динамические структуры, каждая из которых имеет пространственный и временной аспекты. Пространственный аспект придает им характеристики объектов, обладающих некоторой массой, а временной аспект – характеристики процессов, в которых существует количество энергии, равное их массе.

В последнее время появилось много свидетельств в пользу того, что протоны и нейтроны также могут быть разложены на составные части. Так как скорости их компонентов весьма высоки, то по отношению к этим частицам также необходимо применить релятивистский подход. Поскольку все силы являются одновременно частицами, то полностью стирается различие между частицами – компонентами нейтрона (или протона) и частицами, проявляющимися в форме сил притяжения. Это еще раз подтверждает, что мир частиц нельзя разложить на элементарные составляющие.

Эксперименты последних десятилетий раскрыли динамическую сущность мира частиц. Любая частица может быть преобразована в другую; энергия может превращаться в частицы, и наоборот. В этом мире бессмысленны такие понятия классической физики, как «элементарная частица», «материальная субстанция» и «изолированный объект». Свойства частицы могут быть поняты только при рассмотрении ее взаимодействия с окружающей средой, и частицы следует рассматривать не как самостоятельные единицы, а как неотделимые части целого. Английский физик Стапп пишет: «Любая элементарная частица – это не независимая неразложимая на части единица. В сущности, это набор отношений, связывающих частицу с внешним миром».

Таким образом, согласно представлениям современной физики, Вселенная – это динамическое неделимое целое, включающее и наблюдателя. Благодаря такому подходу измерительные приборы и сами ученые представляют собой единую комплексную систему, которая не делится на самостоятельные, четко определенные части. Квантовая теория свидетельствует о принципиальном единстве Вселенной. Она показывает, что нельзя разложить мир на независящие друг от друга мельчайшие составляющие.

Вывод о неделимой Вселенной приобретает особый колорит после знакомства с еще одним уникальным парадоксом квантовой механики – с нелокальностью.

Прежде чем начать разговор о нелокальности, вспомним сначала, что значит «локальное взаимодействие» (лат. localis – местный). Физический энциклопедический словарь дает такое понятие: «Локальное взаимодействие – это механизм взаимодействия между полями, при котором поведение одного поля v в точке пространства – времени х определяется значением другого поля u в той же точке» (4). Примером локального взаимодействия может служить, например, электродинамика, в которой поведение электрона в точке х определяется потенциалом электромагнитного поля в той же точке.

Можно привести более простой пример с бильярдным шаром. Если лежащий на бильярдном столе шар приходит в движение, причина находится в механике (удар другого шара), полях (воздействие электромагнитного поля толкает шар в определенном направлении) или геометрии (стол наклонен). Но без причины шар двигаться не будет. Эти местные (локальные) причины воздействия в приведенных случаях называются локальными параметрами.

Вообще в классической физике понятие «вероятность» используется в тех случаях, когда неизвестны характеристики какого-то процесса или явления. Иными словами, вероятность – это выражение нашего незнания тех явлений, которые будут открыты позднее. Вероятные локальные параметры (которые пока еще нам неизвестны) в фундаментальной физике представляют связи между пространственно удаленными друг от друга объектами, которые осуществляются посредством каких-либо сигналов, передаваемых со скоростями, не превышающими скорость света.

В субатомной физике тоже существуют локальные переменные, которые представляют собой связи между пространственно удаленными друг от друга объектами. Эти локальные связи реализуются посредством сигналов-частиц или их последовательностей – каскадов и также подчиняются законам пространственного удаления, которые не позволяют никаким сигналам перемещаться быстрее скорости света.

Однако в последнее время было обнаружено, что за локальными связями существуют некие нелокальные связи, которые характеризуются мгновенностью установления и пока не могут предсказываться при помощи языка точной математики.

Представьте себе ситуацию, при которой бильярдный шар, лежащий на одном конце стола, внезапно повернулся по часовой стрелке. В то же самое мгновение второй бильярдный шар, лежащий на другом конце стола, повернулся против часовой стрелки. Вот такой наблюдаемый эффект в квантовом мире называется нелокальным.

Словом, нелокальность – это наличие таких областей в пространстве и времени, в которых не действуют известные нам физические законы. Наличие нелокальности в квантовом мире предполагает мгновенное действие на расстоянии, то есть распространяющееся с бесконечно большой скоростью.

Сам Эйнштейн долго не мог признать существование нелокальных связей и вытекающее из этого факта фундаментальное значение вероятности. Особенно он возражал против той гипотезы Бора, согласно которой свойства частиц отсутствуют, пока они ненаблюдаемы, так как в сочетании с другими открытиями квантовой физики это как раз и означает, что элементарные частицы взаимосвязаны самым невероятным образом.

С таким предположением Эйнштейн был категорически не согласен. Именно этой проблеме был посвящен его исторический спор с Бором в 1920-е годы, во время которого Эйнштейн выразил свое несогласие с тем, как Бор интерпретирует квантовую теорию при помощи знаменитого афоризма: «Бог не играет в кости» (19). Согласиться с Бором Эйнштейну мешала его непоколебимая вера в существование локальных скрытых переменных, которых наука пока не знает.

ЭПР-парадокс. В 1935 году Эйнштейн со своими коллегами Борисом Подольским и Натаном Розеном опубликовал ставшую впоследствии знаменитой статью под названием «Может ли квантово-механическое описание физической реальности считаться законченным?». Стремясь объяснить, в чем состоит ошибка Бора, признающего нелокальное взаимодействие, они использовали весьма убедительный, как им казалось, аргумент – ничто (никакие сигналы) не может двигаться быстрее скорости света, тем более двигаться мгновенно, поскольку это приведет к разрушению барьера времени и откроет дверь различного рода неприемлемым парадоксам (3). В то время когда Эйнштейн и его коллеги выдвинули свой пример о паре частиц, по техническим и другим причинам постановка такого эксперимента была затруднена. Этот эксперимент так и остался в воображении. Позднее, когда существование нелокальных связей было доказано многочисленными экспериментами, аргументация этих ученых получила название «парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена» (или ЭПР-парадокс).

После выхода статьи Эйнштейна Бор остался невозмутим. Вместо того чтобы допустить скорость связи фотонов, превышающую скорость света, он предложил другое объяснение. Если элементарные частицы не существуют, пока не наблюдаются, тогда никто не может представлять их в виде независимо существующих «объектов». То есть Эйнштейн, по мнению Бора, основывал свое возражение на ошибочном предположении о независимом существовании пары частиц. На самом деле они были частью неделимой системы, и было бы немыслимо думать о них по-другому.

Со временем большинство физиков приняло сторону Бора и согласилось, что его подход верен. Триумфу Бора способствовали также успешные предсказания его теории относительно поведения частиц, поэтому физики поддержали его версию. Хотя Бор привел свой аргумент для того, чтобы противостоять атаке Эйнштейна на квантовую механику, как мы позже увидим, взгляды Бора на неделимость внутриатомных систем оказали большое влияние при постижении природы реальности.

В результате спора Эйнштейну пришлось признать, что квантовая теория в трактовке Бора и Гейзенберга представляет собой последовательную систему научных взглядов, однако его не покидала мысль о том, что рано или поздно науке удастся найти детерминистское описание всех доселе необъяснимых явлений в терминах локальных скрытых переменных.

Теорема Белла. В 1952 году доктор Джон Стюарт Белл, теоретик из CERN – Центра ядерных исследований, расположенного близ Женевы в Швейцарии, познакомился со статьей известного физика Д. Бома, которая произвела на него огромное впечатление. В статье Бом теоретически рассмотрел процесс распада нестабильного атома позитрония, состоящего из электрона и позитрона (частицы и античастицы). Образовавшиеся при этом два кванта света, или фотона, бегущие в противоположных направлениях, согласно квантовой физике, вне зависимости от расстояния между ними, при измерении должны были показать одинаковые углы поляризации. Поляризация частиц – характеристика состояния частицы, связанная с наличием у них собственного момента импульса – спина и его направлением в пространстве (4). Бом в своей работе предполагал наличие нелокальности в квантовом мире, и Белл невольно начал думать о проверке этого предположения.

В 1964 году он получил годичный отпуск для научной работы и смог сконцентрироваться на идее, которая так его захватила. Он достаточно быстро нашел элегантное математическое обоснование эксперимента. Единственной проблемой в то время было ограничение точности, обусловленное уровнем развития техники. Чтобы убедиться в том, что частицы, например, в случае ЭПР-парадокса не используют обычной связи, основные экспериментальные измерения должны были производиться за такой бесконечно малый промежуток времени, за который луч света не успевал бы пройти расстояние между частицами. Это означало, что измерительные приборы должны были производить необходимые отсчеты в течение нескольких миллиардных долей секунды. Таких приборов тогда еще не было.

В 1965 году Белл опубликовал теоретическую работу, кратко называемую теоремой Белла, которая подтверждала предположение Бома: в наблюдаемом квантовом мире должны действовать нелокальные эффекты (20). В физике теорема – это не просто «теория», а математическое доказательство, которое должно быть признано истинным, если в нем нет математических ошибок и если эксперименты, лежащие в его основе, воспроизводимы. Белл доказал свою теорему математически точно. Ее весьма тщательно проверил Бом, а несколько лет спустя были произведены эксперименты, подтверждающие правильность теории.

Теорема Белла позволяет сформулировать обобщенно ее суть так: не существует изолированных систем; каждая частица Вселенной находится в «мгновенной» связи со всеми остальными частицами. Вся Система, даже если ее части разделены огромными расстояниями и между ними отсутствуют сигналы, поля, механические силы, энергия и т. д., функционирует как Единая Система (21). При этом мгновенная «связь», описываемая теоремой Белла, не требует затрат энергии.

Казалось бы, подобная связь между частицами, протекающая со скоростью, превышающей скорость света, вступает в противоречие со специальной теорией относительности. Однако правильность теоремы Белла экспериментально подтвердил доктор А. Аспект из Орсе.

Эксперимент А. Аспекта. В 1970-е годы уровень технологии уже позволил нескольким исследователям поставить эксперимент с двумя частицами, описанный ранее Бомом. Хотя результаты были обнадеживающие, окончательный вывод так и не был сделан.

В 1982 году физики Ален Аспект, Жан Далибар и Жерар Роже из Института оптики Парижского университета произвели долгожданный эксперимент и получили положительный результат. Сначала они произвели серию одинаковых фотонов путем нагрева атомов кальция лазерами. Затем они позволили каждому фотону бежать в противоположных направлениях через трубку длиной 6,5 м и проходить через специальные фильтры, направляющие их к одному из двух возможных анализаторов. Каждый фильтр производил переключение между одним и другим анализатором за десять миллиардных секунды, то есть на тридцать миллиардных секунды меньше, чем было необходимо свету для прохождения 13 м, отделяющих каждую группу фотонов. Таким путем Аспект и его коллеги смогли исключить любую возможность связи фотонов через известные физические процессы (20).

Они обнаружили, что, как и предсказывала квантовая теория, каждый фотон может коррелировать свой угол поляризации с углом своего двойника. Это указывало либо на нарушение эйнштейновского запрета на связь, превышающую скорость света, либо на нелокальную связь обоих фотонов. Поскольку большинство физиков не могло согласиться с привнесением в физику процессов, скорость которых превышает скорость света, эксперимент Аспекта стал рассматриваться как подтверждение нелокальной связи двух фотонов.

Чтобы рассмотреть упрощенную версию такого эксперимента, которая была разработана в ходе исчерпывающего анализа, данного Дэвидом Бомом, необходимо поближе познакомиться с некоторыми свойствами спина.

В определенном смысле спин частицы представляет собой ее вращение вокруг собственной оси. Однако, как и положено, в субатомной физике ничего не бывает простым и однозначным. В случае с электроном множество значений спина состоит из двух вариантов: количество вращения остается всегда постоянным, однако относительно заданной оси вращения электрон может вращаться в двух направлениях – или по, или против часовой стрелки. Физики обычно обозначают эти два значения при помощи слов «вверх» и «вниз». Естественно, невозможно определить и точное направление оси вращения электрона. Электроны обладают тенденцией существовать в различных точках внутри атома, и точно таким же образом для них характерна тенденция вращаться вокруг любой оси. Тем не менее стоит нам выбрать некую ось и произвести измерения, как мы обнаружим, что электрон вращается именно вокруг этой оси в одном из двух направлений. Другими словами, частица приобретает определенную ось вращения в момент измерения, хотя до этого момента об оси вращения ничего определенного сказать было нельзя: электрон имеет только некоторую тенденцию, или потенцию, вращаться вокруг этой оси (1).

В эксперименте, доказывающем существование нелокальных связей, участвуют два электрона, вращающихся в противоположных направлениях так, что их суммарный спин равен нулю, хотя направления осей вращения неизвестны. Ученые начинают удалять электроны друг от друга методами, которые никак не воздействуют на спин частиц. Суммарный спин остается равным нулю, даже если эти электроны находятся один в Лондоне, а другой – в Нью-Йорке.

Предположим, что после измерения спина частицы вокруг вертикальной оси (исследователь волен выбрать для измерения любую ось) мы обнаружили, что частица, которая находится в Лондоне, имеет «верхний» спин. Поскольку суммарный спин обеих частиц равен нулю, из этого следует, что спин второй частицы в Нью-Йорке должен быть «нижним». Таким образом, посредством измерения спина первой частицы мы одновременно косвенно измеряем спин второй частицы, не оказывая на нее совершенно никакого воздействия.

Парадоксальность эксперимента заключается в том, что спины частиц будут иметь противоположные значения по отношению к любой оси вращения, которую исследователь выберет в момент измерения, хотя до момента измерения они, оси, существуют только в качестве тенденций или возможностей. Стоит наблюдателю выбрать определенную ось вращения первой частицы (например, горизонтальную) и произвести измерения, как вторая частица начинает вращаться вокруг той же оси. Наблюдатель произвел новые измерения, выбрав другую ось вращения первой частицы, а вторая уже в курсе, она уже вращается вокруг новой оси. Словом, обе частицы мгновенно получают определенную общую ось вращения. Причем это происходит настолько быстро, что вторая частица не может получить эту информацию при помощи какого-либо условного сигнала, особенно если она находится на огромном расстоянии.

Как вторая частица узнает, какую ось выбрал исследователь для измерения спина первой частицы?

С точки зрения Эйнштейна, никакой сигнал не способен перемещаться в пространстве быстрее скорости света, поэтому измерение, произведенное по отношению к одному из электронов, не может в то же мгновение сообщить определенное направление вращению второго электрона, находящегося в тысячах миль от первой частицы. А эксперименты неопровержимо свидетельствовали, что факт мгновенной передачи сигнала существует.

По мнению Бора, система из двух электронов представляет собой неделимое целое, и хотя частицы разделены большим расстоянием, мы не можем рассматривать эту систему в терминах составных частей. Независимо от расстояния электроны соединены мгновенными, нелокальными связями. Квантовая действительность оказалась принципиально нелокальной и несепарабельной (не разделимой на отдельные независимые части).

Теорема Белла и эксперименты Аспекта нанесли сокрушительное поражение позиции Эйнштейна, доказав, что понимание действительности как сложной структуры, состоящей из отдельных частей, соединенных при помощи локальных связей, несовместимо с идеями квантовой теории.

Многочисленные и весьма корректные эксперименты, доказывающие существование нелокальности, многократно проводились в конце ХХ века современными учеными (Беннет, Зайлинер) и постоянно подтверждали наличие нелокальной связи между частицами. Известный физик Пол Дэвис из Ньюкаслского университета (Великобритания) заявил, что, «поскольку все частицы постоянно взаимодействуют и разделяются, нелокальные аспекты квантовых систем – общее свойство природы» (22).

Однако нельзя не учитывать и специальную теорию относительности, в которой также отсутствуют ошибки и которая имеет множество подтверждающих ее экспериментов.

Опять сознание. Было предложено два решения этой проблемы, в каждом из которых предполагается, что «связь», описываемая теоремой Белла, не требует энергии, так как именно энергия не может перемещаться быстрее света. Доктор Эдвард Харрис Уокер предположил, что неизвестным элементом, передвигающимся быстрее света и соединяющим систему воедино, является сознание. Другая альтернатива, предложенная доктором Джеком Сарфатти, состоит в том, что средством белловской связи служит информация.

Согласно современным научным исследованиям, Сознание следует понимать как высшую форму развития информации – самоосознающую, творящую информацию (23). Носителем информации в Тонком мире являются торсионные поля, которые распространяются без затрат энергии и практически мгновенно, поскольку скорость распространения торсионных волн составляет 109С, где С – скорость света в вакууме (22).

Предположения Уокера и Сарфатти объединились в единое решение. В их предположениях есть определенный смысл. Дело в том, что сознание человека постоянно имеет дело с локальностью и нелокальностью, с причинностью и беспричинностью.

Когда человек изучает мир с помощью органов чувств, он воспринимает его как вероятностный (беспричинный), но локальный, то есть обязательно помещенный в какой-нибудь пространственно-временной континуум, обладающий геометрическими свойствами. В этом случае его сознание представляет собой не более чем совокупность процессов, происходящих в клетках головного мозга. По классификации американского ученого доктора Ч. Тарта, это так называемое В-сознание принадлежит телу человека, и в случае физической смерти оно дезинтегрируется.

Однако человек способен познавать мир чисто умозрительно, строить его детерминированные, но нелокальные модели, поскольку способен мгновенно охватить своим мысленным взором как бесконечно малое, так и бесконечно большое. Этот образ мира лишен пространственно-временной структуры. Это так называемое А-сознание, по классификации Тарта, является полевым (трансперсональным), оно связано с человеком, но находится вне его.

По мнению Тарта (и многих других ученых), Сознание человека двойственно и представляет собой целостную систему, состоящую из взаимодействующих друг с другом капсулированного сознания, анатомически ограниченного телом, и полевого (трансперсонального) сознания.

В лекции профессора Ф. Спеддинга, прочитанной в британском Обществе психических исследований, есть такие слова: «Мы можем вообразить себе живой мир в виде архипелага из миллиона небольших островов, каждый из которых представляет собой физическое сознание (В-сознание. – Авт.). Непосредственно под поверхностью находится личное бессознательное. Ниже земля соединяется, и в этом слое залегает коллективное бессознательное, через которое идеи и мысли от одного личного бессознательного передаются другому, и если при этом они проникают до уровня сознания, то мы наблюдаем феномен телепатии. В момент рождения над поверхностью океана Бытия возникает остров сознания. А в момент смерти он исчезает под водой» (2).

К сожалению, до сих пор квантовая теория в современной формулировке не допускает вмешательства человеческого сознания, несмотря на то что ряд интерпретаций волновой функции и проблема с ее редукцией опираются на некоторые его качественные характеристики. Хотя еще в начале XX века Нильс Бор высказывал мысль, что рано или поздно квантовая механика придет к необходимости вмешательства сознания в анализ фактов физической реальности.

Давайте подведем некоторые итоги, четко обозначив все известные нам парадоксы субатомного мира.

1. На уровне атома, ядра и элементарной частицы материя имеет двойственный аспект, который в одной ситуации проявляется как частицы, а в другой – как волны. Причем частица имеет более или менее определенное местоположение, а волна распространяется во все стороны в пространстве.

2. Двойственная природа материи обусловливает «квантовый эффект», заключающийся в том, что находящаяся в ограниченном объеме пространства частица начинает усиленно двигаться, и чем значительнее ограничение, тем выше скорость. Результатом типичного «квантового эффекта» является твердость материи, идентичность атомов одного химического элемента и их высокая механическая устойчивость.

Поскольку ограничения объема атома и уж тем более ядра весьма значительны, скорости движения частиц чрезвычайно велики. Для исследования субатомного мира приходится использовать релятивистскую физику.

3. Атом вовсе не подобен маленькой планетарной системе. Вокруг ядра вращаются не частицы – электроны, а вероятностные волны, причем электрон может переходить с орбиты на орбиту, поглощая или испуская энергию в виде фотона.

4. На субатомном уровне существуют не твердые материальные объекты классической физики, а волновые вероятностные модели, которые отражают вероятность существования взаимосвязей.

5. Элементарные частицы вовсе не элементарны, а чрезвычайно сложны.

6. Всем известным элементарным частицам соответствуют свои античастицы. Пары частиц и античастиц возникают при наличии достаточного количества энергии и превращаются в чистую энергию при обратном процессе аннигиляции.

7. При столкновениях частицы способны переходить одна в другую: например, при столкновении протона и нейтрона рождается пи-мезон и т. д.

8. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению динамических переменных: например, 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.

9. Масса является одной из форм энергии; поскольку энергия – это динамическая величина, связанная с процессом, частица воспринимается как динамический процесс, использующий энергию, которая проявляет себя в виде массы частицы.

10. Субатомные частицы одновременно делимы и неделимы. В процессе столкновения энергия двух частиц перераспределяется и образуются такие же частицы. А если энергия достаточно велика, то помимо таких же, как исходные, могут образоваться дополнительно новые частицы.

11. Силы взаимного притяжения и отталкивания между частицами способны преобразовываться в такие же частицы.

12. Мир частиц нельзя разложить на независящие друг от друга мельчайшие составляющие; частица не может быть изолированной.

13. Внутри атома материя не существует в определенных местах, а, скорее, «может существовать»; атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом наверняка, а, скорее, «могут происходить».

14. На результат эксперимента влияет система подготовки и измерения, конечным звеном которой является наблюдатель. Свойства объекта имеют значение только в контексте взаимодействия объекта с наблюдателем, ибо наблюдатель решает, каким образом он будет осуществлять измерения, и в зависимости от своего решения получает характеристику свойства наблюдаемого объекта.

15. В субатомном мире действуют нелокальные связи.

Казалось бы, достаточно сложностей и неразберихи в субатомном мире, лежащем в основе макромира. Но нет! Это еще не все.

Реальность, которая была открыта в результате изучения субатомного мира, обнаружила единство понятий, казавшихся до сих пор противоположными и даже непримиримыми. Мало того что частицы одновременно делимы и неделимы, вещество одновременно прерывисто и непрерывно, энергия превращается в частицы и наоборот и т. д., релятивистская физика объединила даже понятия пространства и времени. Именно это основополагающее единство, которое существует в более высоком измерении (четырехмерное пространство-время), является основой для объединения всех противоположных понятий.

Введение понятия вероятностных волн, которое в определенной степени решило парадокс «частица – волна», переместив его в совершенно новый контекст, привело к возникновению новой пары гораздо более глобальных противопоставлений: существования и несуществования (1). Атомная реальность лежит за пределами и этого противопоставления.

Возможно, это противопоставление наиболее трудно для восприятия со стороны нашего сознания. В физике можно построить конкретные модели, показывающие переход из состояния частиц в состояние волн и обратно. Но никакая модель не может объяснить переход от существования к несуществованию. Никакой физический процесс нельзя использовать для объяснения перехода из состояния, называемого виртуальной частицей, к состоянию покоя в вакууме, где эти объекты исчезают.

Мы не можем утверждать, что атомная частица существует в той или иной точке, и не можем утверждать, что ее там нет. Будучи вероятностной схемой, частица может существовать (одновременно!) в разных точках и представлять собой странную разновидность физической реальности, нечто среднее между существованием и несуществованием. Поэтому мы не можем описать состояние частицы в терминах фиксированных противопоставленных понятий (черное – белое, плюс – минус, холодно – тепло и т. д.). Частица не находится в определенной точке и не отсутствует там. Она не перемещается и не покоится. Изменяется только вероятная схема, то есть тенденция частицы находиться в определенных точках.

Точнее всего этот парадокс выразил Роберт Оппенгеймер, сказав: «Если мы спросим, например, постоянно ли нахождение электрона, нужно сказать „нет“, если мы спросим, изменяется ли местонахождения электрона с течением времени, нужно сказать „нет“, если мы спросим, неподвижен ли электрон, нужно сказать „нет“, если мы спросим, движется ли он, нужно сказать „нет“». Лучше не скажешь!

Не случайно В. Гейзенберг признавался: «Я помню многочисленные споры с Богом до поздней ночи, завершавшиеся признанием нашей беспомощности; когда после спора я выходил на прогулку в соседний парк, я вновь и вновь задавал себе один и тот же вопрос: „Разве может быть в природе столько абсурда, сколько мы видим в результатах атомных экспериментов?“»

Такие пары противоположных понятий, как сила и материя, частица и волна, движение и покой, существование и несуществование, объединенные в одновременное единство, представляют собой сегодня самое сложное для осознания положение квантовой теории. С какими еще парадоксами, переворачивающими все наши представления с ног на голову, столкнется наука, трудно предсказать

Бушующий мир. Но и это еще не все. Способность частиц реагировать на сжатие путем увеличения скорости движения говорит о фундаментальной подвижности материи, которая становится очевидной при углублении в субатомный мир. В этом мире большинство частиц приковано к молекулярным, атомным и ядерным структурам, и все они не покоятся, а находятся в состоянии хаотического движения; они подвижны по своей природе. Квантовая теория показывает, что вещество постоянно движется, не оставаясь ни на миг в состоянии покоя.

Например, взяв в руки кусок железа, мы не слышим и не чувствуем этого движения, оно, железо, кажется нам неподвижным и пассивным. Но стоит рассмотреть этот «мертвый» кусок железа под очень сильным микроскопом, который позволит нам увидеть все, что творится в атоме, мы увидим нечто совершенно другое. Давайте вспомним модель атома железа, в котором двадцать шесть электронов вращаются вокруг ядра, состоящего из двадцати шести протонов и тридцати нейтронов. Стремительный вихрь двадцати шести электронов вокруг ядра подобен хаотическому и постоянно изменяющемуся рою насекомых. Просто удивительно, как эти бешено вращающиеся электроны не сталкиваются друг с другом. Создается впечатление, что внутри каждого имеется встроенный механизм, бдительно следящий за тем, чтобы они не сталкивались.

А если мы заглянем в ядро, то увидим протоны и нейтроны, танцующие в бешеном ритме ламбаду, причем танцоры чередуются и пары меняют партнеров. Словом, в «мертвом» металле в буквальном и фигуральном смысле царит такое разнообразное движение протонов, нейтронов и электронов, которое просто невозможно себе представить.

Этот многослойный бушующий мир состоит из атомов и субатомных частиц, движущихся по различным орбитам с дикой скоростью, «танцующих» замечательный танец жизни под музыку, которую кто-то сочинил. Но ведь все материальные предметы, которые мы видим вокруг себя, состоят из атомов, связанных между собой внутримолекулярными связями различного типа и образующих таким образом молекулы. Только электроны в молекуле совершают движение не вокруг каждого атомного ядра, а вокруг группы атомов. И эти молекулы также находятся в беспрестанном хаотическом колебательном движении, характер которых зависит от термических условий вокруг атомов.

Словом, в субатомном и атомном мире безраздельно властвуют ритм, движение и непрестанное изменение. Но все изменения не случайны и не произвольны. Они следуют очень четким и ясным закономерностям: все частицы той или иной разновидности абсолютно идентичны по массе, величине электрического заряда и другим характерным показателям; все заряженные частицы имеют электрический заряд, который либо равен заряду электрона, либо противоположен ему по знаку, либо превышает его в два раза; и остальные характеристики частиц могут принимать не любые произвольные значения, а только ограниченное их количество, что позволяет ученым разделить частицы на несколько групп, которые могут быть также названы «семьями» (24).

Невольно напрашиваются вопросы: кто сочинил музыку для удивительного танца субатомных частиц, кто задал информационную программу и научил пары танцевать, в какой момент начался этот танец? Иными словами: как образуется материя, кто ее создал, когда это случилось? Это те вопросы, на которые наука ищет ответы.

К сожалению, наше мировосприятие характеризуется ограниченностью и приблизительностью. Наше ограниченное понимание природы приводит к разработке ограниченных «законов природы», которые позволяют описать большое количество явлений, но самые важные законы мироздания, влияющие на мировоззрение человека, по-прежнему во многом остаются для нас неизведанными.

«Позиция большинства физиков напоминает мировосприятие шизофреника, – говорит теоретик квантовой физики Фриц Рорлих из Сиракузского университета. – С одной стороны, они принимают стандартное толкование квантовой теории. С другой стороны, они настаивают на реальности квантовых систем, даже если таковые принципиально ненаблюдаемы».

Действительно странная позиция, которую можно выразить так: «Я не собираюсь думать об этом, даже если я знаю, что это правда». Эта позиция удерживает многих физиков от рассмотрения логических следствий из наиболее поразительных открытий квантовой физики. Как указывает Дэвид Мермин из Корнельского университета, физики подразделяются на три категории: первая – незначительное меньшинство, которому не дают покоя сами собой напрашивающиеся логические следствия; вторая – группа, уходящая от проблемы с помощью множества соображений и доводов, по большей части несостоятельных; и, наконец, третья категория – те, у кого нет никаких соображений, но это их не волнует. «Такая позиция, конечно, самая удобная», – отмечает Мермин (1).

Тем не менее ученые осознают, что все их теории, описывающие явления природы, включая и описание «законов», представляют собой продукт человеческого сознания, следствия понятийной структуры нашей картины мира, а не свойства самой реальности. Все научные модели и теории представляют собой лишь приближения к истинному положению дел. Ни одна из них не может претендовать на истину в последней инстанции. Неокончательность теорий проявляется прежде всего в использовании так называемых «фундаментальных констант», то есть величин, значения которых не выводятся из соответствующих теорий, а определяются эмпирически. Квантовая теория не может объяснить, почему электрон обладает именно такой массой и таким электрическим зарядом, а теория относительности не может объяснить именно такую величину скорости света.

Безусловно, наука никогда не сумеет создать идеальную теорию, которая объяснит все, но она постоянно должна стремиться к этому, пусть даже недостижимому рубежу. Ибо чем выше установлена планка, через которую должен перепрыгнуть прыгун, тем большую высоту он возьмет, даже если не установит рекорда. И ученые, как прыгун на тренировках, постоянно поднимают планку, последовательно разрабатывая отдельные частные и приблизительные теории, каждая из которых является более точной, чем предыдущая.

Сегодня наука уже располагает рядом частных теорий и моделей, достаточно успешно описывающих некоторые стороны волнующей нас волновой квантовой реальности. Как считают многие ученые, наиболее перспективными теориями – точками опоры для дальнейшего развития теоретической физики, опирающейся на сознание, являются гипотеза «бутстрапа» Джеффри Чу, теория Дэвида Бома и теория торсионных полей. А уникальные экспериментальные работы российских ученых под руководством академика В. П. Казначеева в значительной степени подтверждают правильность подходов в исследовании Вселенной и Сознания, заложенных в указанных гипотезах и теориях.