Текст книги "По ту сторону кванта"

Автор книги: Леонид Пономарев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 19 (всего у книги 22 страниц)

– Что значит «животное»? – воскликнул сэр Ричард. – Там их по крайней мере десятки!

– Нет, нет! Там только одна маленькая газель, которая чего-то испугалась и бежит через бамбуковую рощу. Понимаете, «размазанные» тела обладают таким же свойством, как и обычный свет: проходя через правильный ряд отверстий (например, промежутков между стволами бамбука), они подвергаются дифракции, о которой вы, быть может, слышали в школе. Поэтому мы и говорим о волновых свойствах материи.

Но ни сэр Ричард, ни мистер Томпкинс никак не могли взять в толк, что бы могло означать таинственное слово «дифракция», и разговор заглох сам собой.

По дороге через квантовые джунгли путешественники встретили множество других интересных животных – например, квантовых комаров, положение которых в воздухе вообще почти невозможно было определить из-за их крохотной массы, и очень занятных квантовых обезьян. Потом вдали показалось нечто очень похожее на туземную деревню…

– Я не знал, что здесь живут люди, – удивился профессор. – Судя по шуму, у них там что-то вроде фестиваля. Прислушайтесь к этому непрерывному звону.

Туземцы плясали вокруг большого костра, но различить отдельные фигуры было очень трудно. Из толпы то и дело поднимались коричневые руки, размахивавшие колокольчиками всех размеров. По мере того как путешественники приближались, всё вокруг, в том числе хижины и деревья, всё больше размазывалось, а звон колокольчиков становился совершенно невыносимым. Мистер Томпкинс протянул руку, схватился за что-то и отшвырнул в сторону. Будильник разбил стакан, стоявший на тумбочке, и струя холодной воды заставила мистера Томпкинса очнуться. Он вскочил и стал поспешно одеваться. Через полчаса он должен был быть в банке.

3-я часть. РАЗМЫШЛЕНИЯ

^{3-я часть}

ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ

Возникновение научного метода – Сущность и развитие научного метода – Истинность и полнота научной картины мира – Наука и человечество – Границы научного метода – Наука и искусство – Будущее науки

Недавно один физик в пылу спора заявил: «В принципе, даже для описания такой сложной системы, как человек, достаточно знать закон Кулона и уравнения квантовой механики».

^{Глава тринадцатая}

Такие утверждения в науке не новость. Чтобы поднять Землю, Архимеду было достаточно рычага, а Лаплас брался предсказать будущее мира, если ему дадут начальные координаты и импульсы всех частиц во вселенной. И хотя такая вера в законченность и всемогущество науки всегда привлекательна, полезно всё-таки помнить предостережение Роджера Бэкона, которое сегодня так же верно, как и семьсот лет назад:

«Если бы человек жил в смертной юдоли даже тысячи веков, он и тогда бы не достиг совершенства в знании; он не понимает теперь природы мухи, а некоторые самонадеянные доктора думают, что развитие философии закончено!»

Роджер Бэкон (1214–1292) – францисканский монах, учился и преподавал в Оксфорде – в одном из первых университетов мира, который был основан незадолго до его рождения.

«Существуют четыре величайших препятствия к постижению истины, – писал он. – Они мешают всем и каждому мудрому человеку и едва позволяют достичь подлинной мудрости. А именно: пример жалкого и недостойного авторитета, постоянство привычки, мнение несведущей толпы и прикрытие собственного невежества показной мудростью».

Учение Роджера Бэкона пришлось не по душе отцам церкви, и они на 17 лет заточили его в тюрьму.

Это была эпоха крестовых походов, время расцвета религиозных вероучений и слияния их с философией и христианской мистикой. Основой образования стала теология, жития святых – морально-этическими образцами, а значение церкви выросло настолько, что папы оспаривали у королей права на светскую власть. Казалось, ничто не предвещало крушения всей системы средневековых ценностей, и тем не менее религиозная вера вскоре уступила место научному знанию, а мистическое прозрение – рациональному опыту.

Мы являемся свидетелями расцвета новой системы ценностей, которая ничего не принимает на веру и в основе которой лежит наука. Могущество науки поражает даже искушённый ум: она расщепила атомное ядро, достигла Луны, открыла законы наследственности…

^{Голые факты}

Но в обстановке всеобщего восхищения не всегда понимают, в чём суть научного метода, причины его могущества и тем более не представляют его границ. Ещё не осознана наука о науке, и неизвестно, существует ли она вообще. Но, даже не зная законов развития науки, всегда интересно проследить её истоки и характерные особенности. Это поможет нам лучше понять место и роль квантовой механики в общей системе человеческих знаний.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ НАУЧНОГО МЕТОДА

Мы утратили знания древнейших времён, до нас дошли только их осколки. Но они бессистемны, чужды нам по духу и кажутся наивными. У истоков нынешней науки стоят древние греки. Они наши предшественники не только по времени, но – что самое главное – по духу. Греки изобрели доказательство. Ни в Египте, ни в Месопотамии, ни в Китае такая идея не возникла, быть может, потому, что все эти государства были основаны на тирании и безусловном подчинении авторитетам. В таких условиях даже сама мысль о возможности разумных доказательств кажется крамольной.

В Афинах впервые за всю мировую историю возникла республика. Не надо её особенно идеализировать – она расцвела на труде рабов. Тем не менее в Древней Греции сложились условия, при которых стал возможен свободный обмен мнениями, и это привело к небывалому расцвету наук. Появились зачатки научного метода, с помощью которого греки попытались построить цельную картину мира.

В средние века потребность рационального познания природы совершенно угасла рядом с попытками осмыслить место человека в мире в рамках различных религиозных вероучений. В продолжение почти десяти веков религия давала исчерпывающие ответы на все вопросы бытия. Эти ответы не подлежали не только критике, но даже обсуждению, и разум находился в безусловном подчинении у веры.

Сочинения Эвклида были переведены на латинский язык и стали известны в Европе в XII веке. Однако в то время их воспринимали просто как совокупность остроумных правил, которые надлежало заучить наизусть – настолько они были чужды духу средневековой Европы, привыкшей верить, а не искать корней истины. Но объём знаний стремительно рос и их уже не удавалось согласовать с направлением средневековых умов.

Конец средневековья обычно связывают с открытием Америки в 1492 году. Некоторые указывают даже более точную дату: 13 декабря 1250 года – день, когда в замке Флорентино близ Лючеры умер король Фридрих II Гогенштауфен (Барбаросса). Конечно, не следует относиться к этим датам всерьёз, но несколько таких дат, взятых вместе, создают несомненное ощущение достоверности перелома, который произошёл в сознании людей на рубеже XIII и XIV веков. В истории этот период назвали Возрождением.

Подчиняясь внутренним законам развития и без видимых на то причин, Европа всего за два века возродила зачатки древних знаний, которые до этого более десяти веков находились в небрежении и которые впоследствии получили название научных.

В период Возрождения в умах людей произошёл поворот от стремления осознать своё место в мире к попыткам понять его рациональное устройство без ссылок на чудеса и божественное откровение. Вначале переворот носил аристократический характер, но изобретение книгопечатания распространило его на все слои населения.

Суть перелома – освобождение от давления авторитетов и переход от средневековой веры к знанию нового времени. Церковь всячески противилась новым веяниям, она строго судила философов, которые признавали, что есть вещи истинные с точки зрения философии, но ложные с точки зрения веры, «как будто в противовес истине, заключённой в священном писании, может находиться истина в книгах язычников».

Если отвлечься от политических страстей того времени, в которое жил Галилей, становится ясно, что судили его не только за сочувствие системе Коперника. Такие же мысли столетием раньше отстаивал кардинал Николай Кузанский (1401–1464) и остался безнаказанным. Но в то время как учёный кардинал утверждал, ссылаясь на авторитеты, как то и подобает верующему, Галилей ту же мысль доказывал, как того требует наука, то есть предлагал проверить каждому, опираясь лишь на опыт и здравый смысл. Именно этого не могли простить ему служители церкви.

Но рухнувшую плотину веры починить уже было нельзя, и освобождённый дух стал искать новые пути для своего развития.

После долгого заточения под гнётом авторитетов бросились в другую крайность: начался период всеобщего сомнения. Сомневались во всём: в том, что чувства дают правильное представление о мире, и в том, что сознание способно уберечься от заблуждений мнений и чувств, сомневались даже в реальности своего собственного существования.

То было время, когда утратили опору в вере, но ещё не обрели уверенности в разуме. Более того, казалось, что несовершенство ума отодвинуло надежды когда-либо достигнуть истины на дороге познания. Лишь постепенно разум набирал силу и шаг за шагом создал метод, который мог уберечь его от собственных ошибок.

Принципы научного знания и метод, позволяющий их осуществить, начали искать задолго до возникновения современной науки. Уже в XIII веке Роджер Бэкон в своём трактате «Opus tertium» писал:

«Существует естественный и несовершенный опыт, который не сознаёт своего могущества и не отдаёт себе отчёта в своих приёмах: им пользуются ремесленники, а не учёные… Выше всех умозрительных знаний и искусств стоит умение производить опыты, и эта наука есть царица наук…

Философы должны знать, что их наука бессильна, если они не применяют к ней могущественную математику… Невозможно отличить софизм от доказательства, не проверив заключение путём опыта и применения».

В 1440 году Николай Кузанский написал книгу «Об учёном невежестве», в которой настаивал, что все познания о природе необходимо записывать в цифрах, а все опыты над нею производить с весами в руках.

Утверждение новых взглядов происходило медленно. Например, хотя арабские цифры уже в X веке вошли во всеобщее употребление, но даже в XVI веке повсеместно вычисления производили не на бумаге, а с помощью особых жетонов, которые были ещё менее совершенны, чем наши конторские счёты.

Настоящую историю научного метода принято начинать с Галилея и Ньютона. Согласно той же традиции Галилео Галилей (1564–1642) считается родоначальником экспериментальной физики, а Исаак Ньютон (1643–1727) – основателем теоретической физики. Конечно, в их время не было такого разделения единой науки физики на две части, не было даже самой физики – она в то время называлась натуральной философией. Но такое разделение имеет глубокий смысл: оно помогает понять особенности научного метода и, по существу, эквивалентно делению науки на опыт и математику, которое сформулировал Роджер Бэкон.

СУЩНОСТЬ И РАЗВИТИЕ НАУЧНОГО МЕТОДА

Мы настолько привыкли отождествлять понятия «знание» и «наука», что не мыслим себе иного знания, кроме научного. В чём его сущность и особенности?

Сущность научного метода можно объяснить довольно просто: этот метод позволяет добыть такие знания о явлениях, которые можно проверить, сохранить и передать другому.

Отсюда сразу следует, что наука изучает не вообще всякие явления, а только те из них, которые повторяются. Её главная задача – отыскать законы, согласно которым эти явления протекают. В разное время наука достигала этой цели по-разному.

Древние греки внимательно наблюдали явления и затем с помощью умозрения пытались проникнуть в гармонию природы силой интеллекта, опираясь только на данные чувств, накопленные в памяти.

В период Возрождения стало очевидно, что поставленная цель не может быть достигнута только с помощью пяти чувств – необходимо изобрести приборы, которые есть не что иное, как продолжение и углубление наших органов чувств. При этом сразу же возникло два вопроса: насколько можно доверять показаниям приборов и как сохранить информацию, полученную с их помощью.

Вторая задача была вскоре решена изобретением книгопечатания и последовательным применением математики в естественных науках. Значительно труднее оказалось разрешить первый вопрос – о достоверности знаний, полученных с помощью приборов. По существу, он не решён окончательно до сих пор, и вся история научного метода – это история постоянного углубления и видоизменения этого вопроса.

Довольно скоро поняли, что показаниям приборов, как правило, можно доверять, то есть они отражают что-то реальное в природе, существующее независимо от приборов. (В конце концов убедились, например, в том, что пятна на Солнце – это пятна именно на Солнце, а не дефекты зрительной трубы, с помощью которой они были открыты.) В этот период расцвета экспериментальной физики были накоплены все те знания, на основе которых в конце прошлого века произошёл мощный скачок техники.

Однако объём знаний стремительно рос и в начале нашего века привёл к кризису в физике. Суть его заключалась в том, что в какой-то момент люди перестали понимать, как соотносить числа, полученные с помощью приборов, к реальным явлениям в природе. Именно в этот момент решающее значение приобрела теоретическая физика.

Причин кризиса было две. С одной стороны, приборы слишком далеко ушли от непосредственных ощущений человека, и поэтому интуиция, руководствуясь их данными, не давала никакой простой картины изучаемых явлений. Тем самым были исчерпаны возможности наглядной интерпретации данных опыта.

С другой стороны, не существовало логической схемы, которая помогла бы упорядочить научные факты и без ссылок на интуицию, привести к таким наблюдаемым следствиям, против которых не мог бы возразить даже здравый смысл.

Кризис преодолели на втором пути: по-прежнему доверяя показаниям приборов, изобрели новые понятия и новые логические схемы, которые научили по-новому относиться к этим показаниям. Решающую роль в такой ломке устоявшихся понятий сыграла квантовая механика. Она не только дала нам власть над совершенно новым миром атомных явлений, но и убедила в том, что показания приборов – это не простая фотография явлений природы: они не относятся к ней непосредственно, а лишь отражают и закрепляют числами наши представления о ней.

С течением времени эти знания совершенствуются и позволяют нам правильно предсказывать всё более тонкие явления природы. Факт сам по себе удивительный, и мы его, вероятно, никогда не поймём, но коль скоро он стал известен – мы его используем.

С этим согласны теперь почти все физики. Однако, как и все люди, они хотят понять больше: насколько полна картина мира, нарисованная физикой? Вопрос этот не физический, а скорее философский. Он возникал во все времена, но впервые чётко был сформулирован в диалогах Платона.

Платон уподобил учёных узникам, прикованным в пещере спиной ко входу так, что они не видят света, а только тени, движущиеся на противоположной стене. Он признавал, что даже в этих условиях, внимательно наблюдая движение теней, можно научиться предугадывать поведение тех тел, чьи тени видны на стене пещеры. Но знание, приобретённое таким способом, бесконечно далеко от того полного знания, которое приобретает освобождённый узник, выйдя из пещеры.

Платону нечего возразить. Окружающий мир и в самом деле богаче того, который мы в состоянии себе представить только на основе данных физики. Слепой от рождения может в совершенстве изучить оптику, но при этом он не будет иметь ни малейшего представления о том, что такое свет и, тем более, как выглядит богатство весенних красок. Когда мы вступаем в мир атомных явлений, все мы становимся похожими на слепых от рождения. Мы начисто лишены «атомного зрения» и вынуждены двигаться в непривычном мире только ощупью.

Число подобных аналогий можно легко умножить, и каждая из них учит физиков быть скромнее. В XIX веке природу мечтали объяснить; в XX – стремятся лишь описать. Теперь мы понимаем, что вопросы о полноте физических знаний и о сущности явлений лежат вне физики и не могут быть разрешены её средствами. Физика изучает только законы, по которым эти явления происходят. И в этом смысле она в точности следует «теории теней».

Но даже такое ограниченное знание о природе, насколько оно истинно?

ИСТИННОСТЬ И ПОЛНОТА НАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА

Вопрос этот не может быть разрешён логически: мы верим в науку, поскольку она позволяет нам правильно предсказывать явления природы и не зависит от произвола познающей личности. Мы можем сомневаться в структуре её образов – они зависят от способа общения. Но мы теперь с достоверностью знаем, что все земные и небесные тела построены из одних и тех же элементов и примерно в тех же пропорциях. Мы уверены даже, что законы природы одинаковы во всей вселенной, и, следовательно, атом натрия всегда излучает одну и ту же D-линию, находится ли он на Земле или на Сириусе. Теперь это признают почти все, и никто не сомневается в истинности этих знаний. Сомнения возникают тогда, когда мы на основании твёрдо установленных, но частных фактов пытаемся создать общую и непротиворечивую картину мира, согласную со всей совокупностью данных опыта и общей природой человеческого сознания. Наиболее часто возникает вопрос: насколько однозначна форма физических законов?

^{Истинность и полнота научной картины мира}

Категорического ответа на этот вопрос не существует. Те, кто знаком с историей науки, знают, что в некоторые периоды её развития действительно бок о бок существовали две теории, каждая из которых считала себя истинной, и обе одинаково хорошо объясняли известные в то время явления. Однако та же история рассказывает, что с течением времени новые опыты выбирали из двух теорий только одну, либо же на новом этапе обе они сливались воедино на основе новых, более высоких принципов, как это случилось с корпускулярной и волновой теорией света.

Факты и понятия науки могут показаться случайными хотя бы потому, что установлены в случайное время случайными людьми и часто при случайных обстоятельствах. Но, взятые вместе, они образуют единую закономерную систему, в которой число связей настолько велико, что в ней нельзя заменить ни одного звена, не затронув при этом всех остальных. Под давлением новых фактов система эта непрерывно изменяется и уточняется, но никогда не теряет цельности и своеобразной законченности. Взятая в целом, система научных понятий – продукт длительной эволюции: в течение многих лет старые звенья в ней заменялись новыми, более совершенными, а совсем новые понятия всегда возникали с учётом и на основе прежних. Одним словом, наука – это не застывшая мёртвая схема, а живой развивающийся организм. И хотя все понятия науки – произвольные творения человеческого разума, тем не менее они случайны настолько же, насколько случайна сама разумная жизнь в природе.

В одном из фантастических рассказов Рея Брэдбери герой на машине времени отправился в далёкое прошлое и во время короткого визита туда нечаянно раздавил там маленькую бабочку. Когда он вернулся обратно, то не узнал мира, который оставил уезжая: оказалось, что его невольное и на первый взгляд незначительное вторжение в ход биологической эволюции полностью изменило все её конечные результаты.

Очевидно, пример этот не более чем эффектная крайность, извинительная для фантаста. Нет слов, всё в природе взаимосвязано. Однако не такой жестокой причинностью, граничащей с детерминизмом, а более изобретательно и гибко – на манер статистической причинности квантовой механики. Тем не менее пример этот лишний раз предостерегает от любого вторжения в природу, ибо никто не может предугадать отдалённых последствий подобных действий.

Эволюция системы научных понятий – такой же бесконтрольный, но закономерный процесс, как и эволюция животного мира. Можно представить себе его другим в частностях, можно удивляться его странным прихотям, но нельзя вообразить его целиком иным. Мы не знаем, как возникли первое понятие и первый организм и что было бы, если бы они были другими. Но мы знаем, что каждый новый шаг эволюции зависел от всех предыдущих. Поэтому мы можем легко вообразить себе лошадь с лапами тигра или атом в виде бублика, но представить себе иными весь животный мир и всю систему научных понятий нам не под силу: и процесс биологической эволюции, и процесс формирования научных знаний подчиняется своим внутренним законам, изменить которые мы не можем и познать которые пока не удалось.

Мы рождаемся в мире сформировавшихся видов и установившихся понятий. Мы можем вывести новую породу лошадей или заменить одно понятие другим, которое больше соответствует научной истине. Однако вопрос об истинности или ложности всей системы человеческих знаний лежит вне сферы сознания и не может быть разрешён его силами. Более того, вопрос этот лишён смысла. Наука создана человеком и для человека, и вся система её понятий придумана так, что она соответствует природе человеческого сознания. Конечная же цель понятий – предсказывать и объяснять явления, воздействующие на наши органы чувств или на их продолжение – приборы.

Почти наверное где-то во вселенной существуют разумные существа с иными органами чувств и другой структурой сознания, чем у нас. Быть может, их система понятий в корне отлична от нашей. Но даже если мы будем в состоянии понять её настолько, чтобы сравнить с собственной системой, мы не сможем заключить из этого сравнения, что она ложна. Наоборот, она всегда истинна, если даёт своим органам чувств правильные предсказания. Наши научные знания о мире – это реальные тени реальных явлений природы. Тени, которые они отбрасывают, освещённые светом нашего сознания. И точно так же, как один и тот же предмет отбрасывает различные тени в зависимости от угла, под которым он освещён, – точно так же система научных знаний, созданная разумной жизнью другой планеты, может отличаться от нашей. Быть может, когда-нибудь, не очень скоро, мы сможем сравнить между собой эти «сознательные тени» и, как узник Платона, вырвавшийся из пещеры, восстановить по ним истину во всей полноте и блеске. Точно так же, как по нескольким плоским чертёжным проекциям детали опытный мастер может изготовить её целиком. Но пока этого не случилось, мы должны углублять нашу теперешнюю науку: при всём своём несовершенстве это пока единственный способ проникнуть в глубь наблюдаемых явлений.

Мир объективен и существует независимо от нашего сознания. Ему нет никакого дела до того, как мы, часть этого мира, представляем себе внутренние механизмы его внешних проявлений. Это важно только для нас самих. Весь вопрос в другом: как далеко мы сможем продвинуться на этом пути. И до каких пор мы сможем уточнять наши представления о причинах наблюдаемых явлений. Вместо вопроса о физической реальности мы должны решить вопрос о границах научного метода. Вопрос, который после изобретения квантовой механики стал особенно актуален.