Начало начал - Татьяна Тихоплав

Однако корпускулярные теории света, звука и электричества не были низложены, хотя корпускулярная теория вещества была поставлена под сомнение. Физика XX века вообще изобилует новыми парадоксами: фотоны, фононы, кварки и волновая теория материи. Еще в 1900 году немецкий физик Макс Планк при установлении закона распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела предположил, что свет испускается не непрерывно, а определенными дискретными порциями энергии – квантами. Величина такого кванта энергии Е, названного позднее «квантом действия», зависит от частоты света v и равна: E = hv, где h – постоянная Планка. Уже в самой этой формуле содержится дуализм: энергия Е относится к частице, а частота v является характеристикой волны. Постоянная Планка h = 6,626 × 10–34 Дж·с устанавливает минимальный предел измерений всех физических параметров, она является фундаментальной единицей квантования. Стоит особо подчеркнуть, что вследствие чрезвычайно малой величины постоянной Планка в макроскопических физических экспериментах квантование остается незамеченным.

В 1905 году Эйнштейн, развивая идею Планка при работе над теорией фотоэффекта, предположил, что свет не только испускается, но и распространяется квантами, то есть дискретность присуща самому свету: свет состоит из отдельных порций – световых квантов, названных позднее фотонами. Таким образом, для объяснения излучения черного тела и фотоэлектрического эффекта, которые не могли быть объяснены волновой теорией, потребовались кванты Планка – Эйнштейна [80. С. 253].

А вот для обоснования существования уровней энергии Бора – Зоммерфельда в атоме и экспериментальных данных по дифракции электронов потребовались утверждения де Бройля и Шредингера о том, что корпускулярные материальные объекты при некоторых обстоятельствах проявляют и волновые свойства.

В 1924 году один из создателей квантовой механики Луи де Бройль, иностранный член АН СССР с 1958 года, выдвинул идею о волновых свойствах материи, за разработку которой в 1929 году был удостоен Нобелевской премии [9. С. 171]. Оригинальная гипотеза де Бройля (волновая механика материи) заключается в том, что частицы могут обладать волновыми свойствами интерференции, дифракции и способностью проходить через границу раздела сред. Он выдвинул постулат, согласно которому частица обладает свойствами волны. Ее длина обратно пропорциональна импульсу частицы, то есть чем больше масса или скорость частицы, тем короче эффективная длина волны. И опять длина волны и импульс частицы связаны между собой постоянной Планка.

По гипотезе де Бройля, не только фотоны, но и все «обыкновенные частицы» (электроны, протоны и др.) обладают волновыми свойствами, которые, в частности, должны проявляться в дифракции частиц. Дифракция микрочастиц – это рассеяние электронов, нейтронов, атомов и других микрочастиц кристаллами или молекулами жидкостей и газов, при котором из начального пучка частиц возникают дополнительные отклоненные пучки этих частиц [58. С. 170].

В 1927 году американские физики К. Дэвиссон и Л. Джермер впервые наблюдали дифракцию электронов. Позднее волновые свойства были обнаружены и у других частиц. Справедливость формулы де Бройля была подтверждена экспериментально.

В 1926 году австрийский физик Э. Шредингер предложил уравнение, описывающее поведение таких «волн» во внешних силовых полях. Ему удалось с высокой точностью рассчитать энергетические уровни простейших атомных структур, предположив, что электроны образуют стоячие волны со сферическими граничными условиями, определяемыми электрическим потенциалом атомных ядер. Так возникла волновая механика [58. С. 253].

Представители Копенгагенской школы, которые большую роль отводили наблюдателю, выступили с утверждением, что волновая механика описывает не само физическое поведение частицы, а только его наблюдение, то есть волновая механика частиц описывает эффекты, которые мы не можем непосредственно наблюдать. То же самое можно сказать и о созданных до нее теориях электромагнитных и акустических волн, в противоположность волнам на воде или колебаниям струны, которые мы действительно можем видеть.

Однако к настоящему времени парадоксу «волна-частица» еще не найдено философского объяснения. Наука неохотно допускает, что свет и материя при одних обстоятельствах ведут себя как дискретные частицы, а при других – как волны. Более того, можно аналитически вывести точные и полезные предсказания относительно их поведения, если заранее определить, какая форма будет превалировать в данном эксперименте. Но с философской точки зрения должны рассматриваться оба подхода как «дополняющие», в соответствии с терминологией Бора. А это значит, что волновое и корпускулярное представление нельзя считать взаимоисключающими; для полного описания явлений необходимо их сочетание.

Так, Нильс Бор утверждал, что хотя данные модели и представляются взаимоисключающими, однако в действительности они соотносятся как взаимодополняющие, благодаря чему в своей совокупности отображают полную картину наблюдаемого явления. В дальнейшем Бор распространил это утверждение на такие категории, как объект и субъект, анализ и применимость, подчеркивая, что не следует ограничиваться при этом только физической логикой.

Следует отметить, что корифеи квантовой механики очень много сил и энергии отдали решению жизненно важного вопроса о сознании. Это, например, следует из «разговора» ученых на страницах научных публикаций [80. С. 217].

Так, Бор писал: «…Мы должны помнить, что природа нашего сознания осуществляет соотношение дополнительности во всех сферах познания: между анализом концепции и ее немедленным применением… в ассоциации физических и психических аспектов опыта – всюду мы имеем дело с особым соотношением дополнительности, которое не может быть понято при одностороннем использовании физических либо психических законов… только отречение от этого подхода позволит нам постигнуть ту гармонию, которая воспринимается как свобода воли и анализируется в терминах причинности».

Бора поддержал Гейзенберг: «Еще одним аргументом… который время от времени приводится в пользу расширения квантовой механики, является существование человеческого сознания. Без сомнения, „сознания“ нет в физике и химии, и я не знаю, как его можно вывести из квантовой механики. И все же, любая наука, связанная с живыми системами, должна включать исследование феномена сознания, потому что оно является частью реальности».

На это Бор ответил: «Проблема заключается в следующем: как объединить часть реальности, относящуюся к сознанию, с той частью, где действуют физика и химия? Здесь мы имеем подлинный случай комплементарности…» Комплементарность – биохимический термин, обозначающий взаимное соответствие в химическом строении двух макромолекул [9. С. 622]. Для простоты укажем, что комплементарные структуры подходят друг к другу, как ключ к замку.

Гейзенберг разделил такую точку зрения: «Мы понимаем, что комплементарность имеет отношение не только к миру атомов; мы сталкиваемся с ней, когда думаем о принятии решения или делаем выбор между восприятием музыки и анализом ее структуры».