Текст книги "Квантовый ум. Грань между физикой и психологией"

Автор книги: Арнольд Минделл

сообщить о нарушении

Текущая страница: 20 (всего у книги 63 страниц) [доступный отрывок для чтения: 23 страниц]

Наш современный образ материи

По мере взросления науки ее представления о материи менялись. Сегодня физики полагают, что квантовый объект – например, электрон – можно наблюдать в точке A, а позднее – в точке B, но нельзя наблюдать в промежутке между ними, не нарушая полностью его траекторию.

Рис. 13.8. Электрон, движущийся в пространстве, подвергается измерению в точках A и B

Ситуация представляет собой нечто вроде сновидения. Вечером вы ложитесь спать в точке A, а утром просыпаетесь в точке B и вспоминаете образ того, что мы называем сновидением. Мы можем наблюдать вас в точке A перед тем, как вы ложитесь в постель, и в точке B, когда вы просыпаетесь, но где вы были в промежутке?

Что мы имеем в виду, когда говорим, что вы сновидели? Что происходило в промежуток времени между тем, когда вы заснули в точке A и когда вы проснулись в точке B? Вы можете использовать общепринятый термин «сновидение», но это только то, что вы вспоминаете в точке B – только то, что вы считаете или рассказываете.

Рис. 13.9. В течение ночи вы движетесь от A до B и утром в точке B даете себе отчет о происходившем

По аналогии, электрон тоже находится в измененном состоянии, подобном сновидению, пока его не измеряют или не «пробуждают» посредством наблюдения. Мы можем проводить эту аналогию между людьми и частицами еще дальше. До того как их измеряют, частицы могут быть где угодно, и люди тоже могут быть где угодно всякий раз, когда ночью видят сны.

Будущий образ материи может отражать эту тему пробуждения и становления сознательным. Когда электрон не измеряет или не наблюдает наблюдатель в ОР, он как бы сновидит. Сегодняшняя физика не может прослеживать электрон во время его сновидения, но будущая физика, возможно, будет способна это делать, если расширится, включив в себя психологию. Тогда физика будет постоянно прослеживать электрон с помощью людей, способных к чувственному осознанному сновидению.

Рис. 13.10. Образ материи, связанный с чувственным осознанием

Душа в современной физике

Копенгагенская интерпретация квантовой механики (Бор, Борн, Гейзенберг и др.), с которой сегодня согласны большинство физиков, учит, что мир вокруг нас представляет собой полуматериальный туман вероятностей, полный «тенденций вещей происходить». Бор предполагал, что для описания субатомных событий нам нужды две точки зрения общепринятой реальности, два измерения особых качеств любого материального события. Он называл эти две точки зрения дополнительными. Принцип дополнительности гласит, что для понимания квантового мира нам необходимы два или более классических (то есть относящихся к общепринятой реальности) описаний одного и того же события. Например, частица при измерении в один момент выглядит волноподобной, а в другой момент имеет характеристики, присущие частицам. И частица, и волна представляют собой дополнительные описания одного и того же квантового объекта.

В этой интерпретации квантовая механика оказывается полным математическим описанием материи². Это описание сопровождается предостережением: нельзя говорить или даже думать о частице с точки зрения ОР. Следует говорить лишь о том, что поддается проверке. То, что происходит между измерениями, считается не относящимся к сфере физики.

Против этого утверждения, которое скрывается на заднем плане науки и подразумевает, что вам не позволено думать о том, что вы не можете проверить, резко возражают такие физики, как Дэвид Бом. Однако, если вы встречаетесь с физиками, поддерживающими Копенгагенскую интерпретацию, в частном порядке, они могут признаваться, что не верят в официальную точку зрения. Например, Ричард Фейнман писал (Feynman at all, 1965), что он верит в Копенгагенский подход к квантовой теории. Однако в личной беседе он говорил, что на самом деле не считает его верным. Эйнштейн также говорил, что не верит в идеи Бора.

Старый раскол между Эйнштейном и Бором остается до сих пор. Многие физики подозревают, что физика не дает полного описания материальной Вселенной. Некоторые признают возможность духа в материи. Им кажется, что маргинализация процессов НОР, начатая в эпоху Возрождения, была ошибкой. В некотором смысле, они возвращаются к первоначальному изображению трехлетним ребенком самого себя как лица с сознанием – без рук или ног, которые дают ему возможность самомотивируемого действия.

Смелые физики, вроде Стивена Хоукинга, Фреда Алена Вольфа, Роджера Пенроуза, Амита Госвами и многих других, выходят за пределы существующих представлений, пытаясь выяснить, каким образом в физику входит сознание. Например, Госвами говорит, что сознание создает события³. Некоторые нейрофизиологи утверждают обратное: сознание возникает из материи. Другим ученым кажется, что если бы сознание воздействовало на материю, оно должно было бы быть отдельным от нее.

Единственное, что мы можем сказать с уверенностью, – это то, что мы стоим на границе между механистическими воззрениями и новой точкой зрения, согласно которой материя обладает чувственным способностями, в чем-то подобными способностям человеческих существ. Эта новая точка зрения требует как фактов ОР, так и знания вневременной Вселенной. Эта нарождающаяся точка зрения должна удовлетворять двум ограничивающим условиям: миру ОР воспроизводимых фактов и цифр и миру НОР чувственной психологии и духовности. Многообещающее направление в физике, которое считает материю обладающей чем-то вроде духа, вполне может идти рука об руку с более чувственной психологией, ведущей к философии жизни, новой биологии и западной медицине, основывающейся на осознании как в дневном бодрствовании, так и в сновидении.

Примечания

1. Теоретик Кэшинг высказывает предостережение в отношении нашей тенденции формулировать теории и факты. Он цитирует несколько высказываний Бора, Эйнштейна и Гезенберга (Quantum Mechanics 1994, Chap. 3), показывающих, как эти физики – подобно всем нам – ошибочно принимают наши теории за факты общепринятой реальности.

2. Квантовая механика является полной и выражается на языке того, что называется векторами состояния, волновыми функциями и амплитудами вероятности.

3. Точнее, Амит Госвами в книге «Самоосознающая Вселенная» говорит, что сознание создает события, коллапсируя волновую функцию. На это же намекали и другие физики, в частности Зукав, Капра и Вольф. Выдающийся математический физик Джон Нейман еще в 1932 г. говорил, что в квантовой механике существует сознание, однако никто точно не знает, где именно.

14. Двухщелевой эксперимент

Всякий, кого не потрясает квантовая теория, просто ее не понял.

Нильс Бор

Чтобы далее углубиться в изучение того, где сознание входит в физику, мы сперва отвлечемся на рассмотрение природы квантовых объектов. Затем мы вернемся к нашей чувственной психологии, основанной и на повседневном времени, и на сновидении.

Когда физики хотят выяснить, что представляет собой материя, они подвергают исследованию ее маленький кусочек. Когда дело доходит до таких маленьких вещей, как элементарные частицы, выделять и исследовать их становится трудно, поскольку они слишком малы, чтобы их можно было видеть даже в мощный микроскоп. Если вы имеете дело с электронами, то вам нужно проводить новые эксперименты с новым оборудованием. Вам необходима электронная пушка, испускающая электроны, и счетчик, который щелкает, когда электрон попадает в мишень. Вы можете пропускать электроны через конденсационную камеру и наблюдать оставляемые ими следы или можете считать их, когда они попадают в счетчик. Но вы никогда не видите электроны непосредственно.

В этой главе я хочу обсудить, что происходит с электронами, когда они пролетают через крошечные отверстия, поскольку поняв, что происходит с электронами в этих условиях, мы будем способны понять некоторые из самых глубоких аспектов квантовой механики. Тогда мы сможем перейти к дальнейшему изучению того, где в физику входит сознание.

Двухщелевой эксперимент

Давайте теперь рассмотрим двухщелевой эксперимент, который наиболее ясно показывает природу всех квантовых объектов. Представьте себе обычную квадратную комнату, посреди которой установлена перегородка. Электроны из электронной пушки будут проходить через одно или два отверстия в перегородке.

Электронная пушка не похожа на пушки, которые мы видим в обычной реальности. По существу, это раскаленная проволока, вроде той, что можно видеть в электрической лампочке. Эта раскаленная проволока действует как пушка в том смысле, что она выбрасывает электроны. Мы направляем их на экран, покрытый счетчиками электронов. Эти счетчики чувствительны к электрическому заряду. Счетчики, располагающиеся по всему экрану, издают щелчки и регистрируют, или считают, сколько электронов попадает в данную точку на экране.

Оказывается, что то, сколько щелей открыто в перегородке, влияет на конечное появление электронов на экране. Для начала откроем в перегородке только одну щель.

Представьте себе, что вы пропускаете электроны через перегородку с одной щелью. Будем считать, что другая щель закрыта (см. рис. 14.1). Кроме того, для простоты представим себе, что я – это электрон. Мне становится по-настоящему жарко там, где находится пушка (раскаленная проволока), и мне не терпится быть выброшенным через щель в перегородке. Пушка возбуждает меня, и скоро у меня будет достаточно энергии, чтобы пролететь прямо через щель в перегородке в центре комнаты и оказаться на экране.

Помните, что есть только одна дверь, через которую я могу пройти. Другая дверь закрыта. Это очень ограниченный мир, но он мог бы быть забавным, и потому я собираюсь посмотреть, что случится. Я пролетаю через комнату и попадаю в экран на стене. Я попадаю в определенную точку экрана, и это отмечает счетчик, который издает щелчок.

Рис. 14.1. Комната с перегородкой слева и экраном справа

Чтобы продолжать эксперимент, вы можете нагревать ту пушку и посылать еще некоторое количество моих друзей-электронов через перегородку. Какой результат вы увидите по другую сторону перегородки, когда закончите это делать? Вы обнаружите, что мы, электроны, ведем себя более или менее подобно горсти брошенных камешков. Иными словами, мои друзья и я проходим через щель и, по большей части, попадаем в центр экрана. Конечно, бывают времена, когда некоторые из нас отклоняются от центра, иногда мы попадаем на экран еще дальше от центра, а в редких случаях один из нас попадает в самый край экрана (рис. 14.2).

Однако, в большинстве случаев мы попадаем в центр экрана, прямо напротив щели, через которую мы проходим. В результате, паттерн нашего рассеяния создает кривую вероятности, которая выглядит как вертикальный колокол с пиком в центре.

Рис. 14.2. Кривая вероятности в случае, когда открыта одна щель

Когда физики видели электроны, проходящие через одиночную щель и создающие эту кривую вероятности, они были счастливы. Они говорили: «Отлично, электроны действуют как обычные частицы. Они подобны камешкам или капелькам аэрозольной краски. Если вы распыляете краску через щель, то получаете больше краски в середине экрана, куда, согласно нашим ожиданиям, попадает большинство капель краски. По краям экрана они видели меньшее число электронов, или меньше «краски». Когда открыта одна щель, нет никаких пустых мест – только различные степени рассеяния.

Физики говорят: «Мы ожидали получить именно такие результаты. Теперь давайте посмотрим, что происходит, если мы будем более щедрыми и откроем для электронов вторую щель в перегородке». Представьте себе ту же самую комнату, но с двумя открытыми щелями в перегородке. На этот раз, пересекая ту неизведанную область между открытой щелью в перегородке и экраном, мы с друзьями попадаем на экран неожиданным образом. Мы ведем себя не так, как если бы мы были двумя потоками аэрозольной краски, проходящими через две щели и образующими две колоколообразные кривые.

Нет. Вместо этого в определенных точках экрана имеются пустые места, то есть туда почти не попадают электроны. Наша колоколообразная кривая вероятности превратилась в правильный волнистый узор, который вы видите на правой стороне приведенного ниже рисунка. Что произошло?

Рис. 14.3. Кривая вероятности для случая, когда открыты две щели, показывает, что электроны ведут себя как волны, интерферируя друг с другом

Новая кривая совсем другая. По-прежнему в центре имеется больше отметок, чем в любой другой точке. Однако в других точках, куда попадали бы электроны, если бы была открыта только одна щель, нет почти ничего. Имеется много отметок электронов на пиках кривой, но рядом с этими отметками, где на рисунке показаны знаки (—), электронов гораздо меньше. Как это могло произойти? Почему, когда имеются две щели, которые дают мне и моим друзьям-электронам две возможности, мы, доходя до экрана, иногда вообще никуда не попадаем?

Начиная с 1920-х гг. ученые пытались разгадать этот паттерн да/нет, и на этот счет имеется много идей. Один из ответов, которые дают на этот вопрос слушатели на моих семинарах, это: «Выбор сводит электроны с ума». Еще один ответ: «Электроны хотят держаться вместе потому, что им становится одиноко». Это замечательные теории, но они, равно как и другие аналогичные идеи, представляют собой объяснения НОР, которые трудно проверить. Мы не можем проверить, делают ли электроны выбор или им нравится жаться друг к другу, не общаясь с ними, а этого пока никому не удалось сделать воспроизводимым образом. Это не означает, что электронам не хочется держаться вместе или что две альтернативы не делают их более безумными, чем одна. Любая из этих возможностей может быть сколь угодно близкой к истине. Мы просто не можем проверить эти идеи.

Квантовые объекты, подобные электронам, живут в своем собственном мире, который обычно не доступен нам в общепринятой реальности. Если мы пытаемся прослеживать электроны, то настолько возмущаем их, что получаемая нами картина более не отражает то, что они делали бы, если бы мы им не мешали. Из-за нашего наблюдения невозможно дать ответ на вопрос ОР о том, что в точности происходит с электроном. Сама энергия, необходимая для наблюдения электронов, – луч света, который мы используем, чтобы их видеть, – отбрасывает их в неопределенные области Вселенной!

Поэтому мы не можем точно знать с точки зрения времени и пространства, что происходит между электронной пушкой и экраном. Нам известно лишь то, откуда электроны двигались, и то, что они, в конце концов, вызывали щелчки счетчиков на экране. Нам известен только результат, то есть поведение электронов на экране. Мы знаем, что это поведение зависит от того, открываем ли мы одну или две щели. Результаты показывают, что по какой-то неизвестной причине электроны ведут себя так, как если бы они были волнами, когда открыты две щели, но когда открыта только одна щель, они ведут себя как частицы.

Интерференция и волновая механика

Почему мы говорим, что электроны ведут себя подобно волнам? Потому что их узор «да/нет» на экране носит периодический характер. Все мы знаем, что значит для вещей быть периодичными во времени. Они колеблются от дня к ночи, от зимы к весне, лету и осени. Периодичность в пространстве означает волноподобный характер, похожий на волны на воде. Если мы представляем себе волнистую линю, то видим высокие гребни и глубокие впадины. Поведение электронов на экране после прохождения через две щели выглядит периодическим и напоминает нам волны.

Все волны обладают интересным свойством, которое ученые называют интерференцией. Когда встречаются две волны, они складываются там, где совпадают их высокие участки, и вычитаются или погашаются там, где высокий участок одной волны встречается с низким участком другой. Это сложение и погашение называется интерференцией. Например, пересекающиеся волны воды в одних местах становятся очень большими, а в других местах мешают друг другу и выглядят маленькими.

Я представляю себе, что когда отец волновой механики Эрвин Шредингер смотрел на картину электронов на экране, он говорил: «На экране наблюдается поведение типа «да/нет». Это напоминает мне то, как ведут себя известные волны, когда происходит взаимодействие двух или более волн, – они интерферируют друг с другом. Мы постоянно наблюдаем интерференции звуковых волн и волн на воде. Назовем квантовую механику волновой механикой». Подобно известным волнам звука или воды, электроны интерферируют друг с другом. Они создают паттерн «да/нет» там, где они взаимно складываются или вычитаются.

Вы можете наблюдать интерференцию в своей кухонной раковине или ванне. Наполните раковину водой. Подождите, пока она успокоится так, что поверхность станет гладкой, а затем капните в раковину каплю воды из крана и наблюдайте, как волны распространяются концентрическими кругами. Потов капните вторую каплю на расстоянии нескольких сантиметров от первой и наблюдайте распространение волн из этого второго места. Наконец посмотрите, что происходит в середине водной поверхности, когда вы одновременно капаете две капли в разных местах. В одних местах волны от двух мест сливаются, создавая большую волну, а в других взаимно вычитаются или погашаются, так что кажется, что там вообще нет волн. В результате получается красивый переплетающийся узор из перекрещивающихся волн. Этот узор обусловлен интерференцией.

Физики рассуждали, что электроны, проходящие через две щели, должны быть волнами материи. Нильс Бор называл их волнами вероятности. Гейзенберг говорил, что волны вероятности нельзя измерить или увидеть, можно видеть только волноподобное изображение квантовых объектов на экране после их прохождения через две щели. Поэтому мы не можем называть электроны или другие квантовые объекты волнами материи – или вообще любыми волнами, – поскольку мы не можем видеть, что происходит, когда электроны находятся в полете. Самое большее, можно говорить, что эти результаты могли бы быть вызваны волнами. Непокорный Шредингер говорил, что независимо от того, можно ли в действительности видеть волны, все равно возможно использовать основные формулы для видимого движения воды и звука для описания невидимого электрона.

Полученное уравнение для всех видов квантовых объектов было названо волновым уравнением, хотя никому и никогда не удавалось увидеть сами волны. Физики используют волновые уравнения потому, что математика столь хорошо соответствует картине, получающейся на экране. Математика согласуется со следами, которые электроны оставляют на экране, и была очень полезной для демонстрации паттернов всех других квантовых объектов в разнообразных условиях. Иными словами, как бы мы ни называли эту область физики – волновой механикой, квантовой механикой или квантовой физикой, – она достигла больших успехов в описании паттернов субатомных частиц.

Волновое уравнение не отвечает на интересующий многих вопрос о фундаментальной реальности квантовых объектов. Что они собой представляют после того, как они вылетают из пушки, и до того, как они появляются на экране? Некоторые физики до сих пор думают, что материя – это своего рода вибрационный или волновой паттерн, в то время как другие придерживаются более общепринятой концепции частиц. Однако почти все соглашаются с тем, что материя состоит из квантовых объектов, которые, в зависимости от проводимых с ними экспериментов, проявляют волноподобные или корпускулярные свойства. То, какой аспект материи проявляется – волна или частица, – зависит от решения наблюдателя (то есть того, кто использует одну или две щели). Мы должны помнить, что и волна, и частица представляют собой описания невидимого мира, принадлежащие к общепринятой реальности. Оба описания вместе взятые считаются дополнительными; для приближения к измеримым качествам и количествам материи необходимы оба термина ОР.

От физики к математике

Для символического описания основных усредненных паттернов, возникающих при взаимодействии между квантовыми объектами, вроде электронов, и наблюдателем, физики используют математику. Получающаяся математическая формула представляет собой общую модель того, что происходит в любом данном событии, связывающем наблюдателя и наблюдаемое. Мы уже встречались с этим понятием в начале нашего путешествия, когда обнаружили, что числа представляют собой описание взаимодействия между тем, кто считает, и тем, что он считает.

Допустим, что электроны оставили на экране другой узор. Вместо периодического волноподобного изображения они оставили паттерн наподобие того, что показан ниже.

Рис. 14.4. Треугольный паттерн, приближенно описываемый треугольником

Если бы узор на экране был треугольным, мы бы называли этот паттерн треугольником, поскольку треугольник приближенно описывает принцип распределения точек. Вместо волновой механики у нас была бы треугольная механика. Тогда уравнения, которые бы мы использовали в квантовой физике, описывали треугольники, а не волны, даже если бы физики никогда не видели треугольник, летящий в воздухе.

Некоторых физиков, включая Бора, расстраивала невидимость волнового уравнения. Они предостерегали коллег-физиков: «Будьте осмотрительны друзья, выбросьте из головы эти образы волн. Математика описывает только изображения, которые мы видим на экране, и не говорит ничего определенного о самих электронах, когда они находятся в полете. Нельзя обсуждать то, что невозможно проверить. Если вы не можете исследовать объект в полете, не называйте его никак». Поскольку электрон всегда находится в полете, что в точности мы подразумеваем термином «электрон», остается великой тайной.