В этой главе я расскажу, как из квантовой теории, т. е. теории явлений, происходящих в атоме, благодаря тщательному анализу возникает положение о взаимосвязанности в природе[116]. Но для начала хочу еще раз напомнить о различии между математическим аппаратом теории и ее словесным описанием. Математическая сторона квантовой теории неоднократно подвергалась экспериментальной проверке и теперь является общепринятым описанием всех атомных явлений, последовательным и точным. Но словесное описание квантовой теории не имеет столь твердого основания. Уже более полувека физики не могут остановиться на ясной метафизической модели, которая четко описывает квантовую теорию.

Сказанное ниже основано на копенгагенской интерпретации квантовой теории, разработанной в конце 1920-х Бором и Гейзенбергом и до сих пор являющейся общепринятой моделью. Я буду опираться на описание этой модели, данное в работе Генри Стаппа[117] из Калифорнийского университета и сосредоточенное на соответствующих аспектах квантовой теории и разновидности экспериментальных ситуаций, которая часто встречается в субатомной физике. Из этого описания четко следует представление о принципиальной взаимосвязанности всех явлений природы. Оно также показывает теорию в контексте, который легко может быть расширен до релятивистских моделей субатомных частиц.

Начальная точка копенгагенской интерпретации — разделение физического мира на наблюдаемую («объект») и наблюдающую системы. Наблюдаемая может быть атомом, частицей, процессом в атоме и т. д. Наблюдающая состоит из экспериментального оборудования и одного или нескольких людей. Сложность в том, что две эти системы рассматриваются по-разному. Наблюдающую описывают в понятиях классической физики, но они не могут последовательно применяться по отношению к наблюдаемому[118]. Мы знаем, что классические представления не действуют на уровне атома, но пользуемся ими для описания экспериментов и их результатов. Избежать этого нельзя. Технический язык классической физики — просто усовершенствованный повседневный язык, и мы можем пользоваться только им, чтобы изложить результаты наших экспериментов.

Квантовая теория описывает наблюдаемые системы в терминах вероятностей. Мы никогда не можем уверенно утверждать, где будет находиться в определенный момент субатомная частица и как станет происходить тот или иной внутриатомный процесс. Мы способны только предсказать вероятности. Например, большинство частиц, известных сейчас, неустойчивы: по прошествии определенного времени они распадаются на другие частицы. Но точно сказать, когда это произойдет, нельзя. Мы можем только предсказать вероятность распада частицы по прошествии определенного времени, т. е. указать среднюю продолжительность существования многих частиц определенной разновидности. То же верно для «способа» распада. В общем случае частица может распасться на различные сочетания разных частиц, и нельзя предугадать, какое из них будет выбрано. Одно мы знаем наверняка: примерно 60 % частиц распадутся одним способом, еще 30 % — другим, и, наконец, еще 10 % — третьим. Чтобы проверить истинность этих выкладок, нужно произвести много измерений. В ходе одного эксперимента в области физики высоких энергий фиксируются и анализируются десятки тысяч столкновений частиц, чтобы определить вероятность определенного процесса.

Статистические формулировки законов атомной и субатомной физики не означают нашего незнания ситуации, как в случае с использованием вероятностей страховыми компаниями или поклонниками азартных игр. В квантовой теории вероятность нужно воспринимать как основополагающее свойство атомного мира, управляющее ходом всех процессов и даже существованием материи. Субатомные частицы не столько существуют в определенное время в определенных местах, сколько «могут существовать», а атомные явления не столько происходят определенным образом в определенные моменты времени, сколько «могут происходить».

Мы не можем точно сказать, где сейчас находится некий электрон конкретного атома. Его местоположение зависит от действия сил притяжения ядра и воздействия других электронов того же атома. Эти факторы создают вероятностную модель местонахождения электрона в разных областях атома. Рисунок 10 наглядно показывает несколько таких моделей. Электрон скорее всего находится там, где фон светлее, а там, где он темный, вероятность его нахождения существенно меньше. Всё изображение показывает всего один электрон в конкретный момент. Мы не можем указать четкое местонахождение электрона, только с определенной вероятностью указать области его пребывания. На языке формальной математики эти тенденции выражаются функцией вероятности — математической величиной, характеризующей возможность обнаружения электрона в разных точках в разное время.

Рис. 10. Визуальные изображения вероятностных моделей

Противоречие между двумя типами описания — классическими терминами при подготовке эксперимента и вероятностными функциями для наблюдаемых объектов — приводит к серьезным метафизическим проблемам, которые до сих пор не решены. Однако на практике их обходят, описывая наблюдающую систему в виде инструкций о том, как подготовить и провести эксперимент. Измерительные приборы и сами ученые образуют единую комплексную систему, которая не делится на самостоятельные, четко определенные части, так что нет нужды описывать экспериментальное оборудование как отдельные физические сущности.

Для дальнейшего описания наблюдения пригодится конкретный пример с простейшей физической единицей — субатомной частицей, например электроном. Если мы хотим пронаблюдать и измерить такую частицу, сначала придется ее изолировать или даже создать в процессе подготовки эксперимента. Можно условно описать ситуацию так. Частица подготовлена в области А, затем перемещается в область В, где ее измеряют. На практике и подготовка, и измерение частицы могут представлять собой ряд сложных процессов. Так, например, в физике высоких энергий при подготовке столкновений частицы-снаряды разгоняются, двигаясь по круговой орбите, пока их энергия не возрастет до нужной величины. Этот процесс происходит в ускорителе. Когда необходимое количество энергии получено, частицы заставляют покинуть ускоритель (А) и переместиться в область мишени (В), где они сталкиваются с другими частицами. Столкновения происходят в пузырьковой камере, где частицы оставляют видимые следы; аппарат фотографирует их. Свойства частиц определяются путем математического анализа траектории их движения. Он весьма сложен и требует использования компьютера. Вот как выглядит процесс измерения (рис. 11).

Рис. 11. Наблюдения в атомной физике

При анализе наблюдения важно, что частица — промежуточная система, соединяющая процессы в А и В. Она существует и имеет смысл только как связующее звено между подготовкой эксперимента и измерением. Ее свойства нельзя определить независимо от этих процессов. Если в подготовку вносятся корректировки, свойства частицы тоже меняются.

Но, если мы говорим о «частице» или какой-то другой наблюдаемой системе, мы, очевидно, уже имеем в виду некую самостоятельную физическую сущность, которую сначала готовим, а потом измеряем. Основная проблема наблюдения в атомной физике, по словам Генри Стаппа, состоит в том, что «наблюдаемая система должна быть изолированной, чтобы ее можно было определить, и в то же время взаимодействующей, чтобы ее можно было наблюдать»[119]. Квантовая теория решает эту проблему прагматично, требуя, чтобы наблюдаемая система была свободна от внешних воздействий, вызванных процессом наблюдения, на протяжении определенного времени между подготовкой и измерением. Выполнение этого условия возможно, если подготавливающие и измеряющие инструменты значительно удалены друг от друга физически, так чтобы объект мог переместиться из точки подготовки в точку измерения.