Шаги за горизонт

Гейзенберг Вернер Карл

Другая формула была выработана Нильсом Бором, который ввел понятие «дополнительность» [42] . Он имеет в виду, что разные наглядные образы, с помощью которых мы описываем атомные системы, вполне согласуясь с определенным экспериментом, тем не менее исключают друг друга. К примеру, боровский атом можно описать как планетную микросистему: в центре атомное ядро, а на периферии — вращающиеся вокруг него электроны. Но для других экспериментов было бы целесообразно представить себе, что атомное ядро окружено системой стоячих волн и частота волн имеет определяющее значение для характеристики испускаемого атомом излучения. Наконец, атом можно рассматривать также как предмет химии, можно посчитать тепловые характеристики реакций его соединения с другими атомами, но в таком случае уже нельзя ничего сказать о движении электронов. Следовательно, эти различные образы правильны в каждом случае, когда применение их уместно, но они противоречат друг другу, и поэтому их называют дополнительными друг другу. Неопределенность,

которой отмечен каждый из этих образов и которая выражается соотношением неопределенностей, позволяет избежать логического противоречия между ними.

42

³⁵ Соотношения неопределенностей В. Гейзенберг получил в 1927 г. и опубликовал в статье «О наглядном содержании квантово-теоретической кинематики и механики» (русский перевод — УФН, 1977. Т. 122, вып. 4, с. 651–671). Принцип дополнительности был сформулирован Н. Бором в том же году в работе «Квантовый постулат и новейшее развитие атомной теории» и разработан в последующих статьях//Бор Н. Избранные научные труды в двух томах. М., «Наука», 1971. Т. 2.

Этих замечаний вполне достаточно, чтобы, даже не вдаваясь в математический аппарат квантовой механики, понять, что неполнота знания о системе неизбежно оказывается неотъемлемой частью всякого квантовомеханического утверждения. Законы квантовой механики по необходимости имеют статистический характер. Приведу один пример. Мы знаем, что атом радия может испускать -лучи. Квантовая механика позволяет определить, с какой вероятностью в единицу времени -частица покидает ядро. Но момент времени, когда это произойдет, она предсказать не может, он остается принципиально неопределенным. Нельзя также предполагать, что впоследствии будут найдены новые закономерности, которые позволят точно определить этот момент времени: если бы это произошло, нельзя было бы понять, каким же образом -частицу можно рассматривать еще и как волну, испускаемую атомным ядром, а это ведь можно доказать экспериментально.

Парадоксальность того обстоятельства, что различные эксперименты выявляют то волновую, то корпускулярную природу атомной материи, заставляет формулировать статистические закономерности. В макропроцессах статистический элемент атомной физики, вообще говоря, не играет роли, поскольку статистические законы дают для этих процессов столь большую степень вероятности, что их можно считать практически детерминированными. Тем не менее существуют такие случаи, когда макроскопическое событие зависит от поведения одного или нескольких атомов. В таком случае и макропроцесс можно предсказать лишь статистически. Поясню это на одном известном, но малоутешительном примере, а именно на примере атомной бомбы.

В случае обычной бомбы вес взрывчатого вещества и его химический состав позволяют заранее рассчитать силу взрыва. Для атомной бомбы, хотя и можно указать верхнюю и нижнюю границы силы взрыва, точный расчет принципиально невозможен, поскольку она зависит от поведения нескольких атомов в момент детонации. Подобным же образом и в биологии существуют процессы — на них особо указывал Йордан [43] , — развитие которых направляется событиями в отдельных атомах. В частности, это, по-видимому, имеет место в случае генетических мутаций в процессе наследования. Приведенные примеры должны были пояснить практические следствия статистического характера квантовой механики. Причем ее развитие в этом аспекте завершилось более двадцати лет назад, и будущее вряд ли сможет здесь что-либо существенно изменить.

43

³⁶ Паскуаль Йордан (1902–1981) — физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. С начала 30-х годов публикует — помимо физических — работы о применении квантовой физики в биологии. См., в частности: Jordan Р. Die Quantenmechanik und die Gnindprobleme der Biologie und Psychologie//Naturwissenschaften, 1932, Bd. 20, S. 815. Jordan P. Physik und das Geheimnis der organischen Lebens. Berlin, 1945.

Тем не менее в самые последние годы круг проблем, связанных с темой причинности, обогатился новой точкой зрения, возникшей, как я уже говорил, в связи с новейшими открытиями в атомной физике. Проблемы, стоящие теперь в центре внимания атомной физики, представляют собой логическое следствие развития физики за последние 200 лет. Я должен поэтому еще раз кратко остановиться на истории атомной физики в Новое время.

В начале Нового времени понятие атома было связано с понятием химического элемента. Вещество характеризовалось как первичное, если его нельзя было больше разложить химическими средствами. Поэтому каждому элементу сопоставляется определенный сорт атомов. Например, кусок элементарного углерода состоит из одних только атомов углерода, кусок элементарного железа — из одних только атомов железа. Поэтому необходимо было принять столько же видов атомов, сколько существовало химических элементов. Поскольку же было известно 92 разных химических элемента [44] , нужно было предположить существование 92 различных видов атомов. Но подобное представление весьма неудовлетворительно с точки зрения основной предпосылки атомистического учения. Ведь первоначально качества веществ должны были объясняться расположением

и движением атомов. А такое представление имеет разумную объяснительную силу, собственно говоря, лишь в том случае, если все атомы одинаковы или же если число их видов весьма невелико. Если же необходимо допустить 92 качественно различных атома, мы выиграем не слишком много но сравнению с утверждением, что существуют просто качественно разные вещи.

44

³⁷ Ко времени опубликования Д. И. Менделеевым «системы элементов» (17 февраля 1869 г.) было известно 63 элемента. Вскоре были открыты предсказанные Менделеевым галлий (1875 г.), скандий (1879 г.) и германий (1886). К настоящему времени в Таблицу включено 109 элементов, хотя последние из них представляют собой крайне неустойчивые продукты искусственного ядерного синтеза.

Вот почему допущение 92 принципиально разных мельчайших частиц издавна казалось неудовлетворительным. Предполагалось, что должна существовать возможность свести эти 92 вида атомов к меньшему числу составляющих их элементарных частей. Давно уже пытались поэтому рассматривать химические атомы как состоящие из немногих первичных единиц. Древнейшие попытки превращения химических веществ друг в друга всегда исходили из той предпосылки, что в основе своей материя едина. За прошедшие 50 лет в самом деле обнаружилось, что химические атомы составлены, причем составлены только из трех первичных единиц, которые мы называем протонами, нейтронами и электронами.

Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов и окружено некоторым числом электронов. Так, например, ядро атома углерода состоит из шести протонов и шести нейтронов и вокруг него на относительно большом расстоянии вращаются шесть электронов. Итак, развитие ядерной физики в 30-е годы привело к тому, что вместо 92 различных видов атомов появилось три разных типа мельчайших частиц. В результате атомистическое учение вступило на тот самый путь, который предписывали ему его фундаментальные предпосылки. После того как было установлено, что химические атомы состоят из трех основных единиц, должна была возникнуть возможность практически превращать химические элементы друг в друга. Как известно, за этим физическим объяснением вскоре последовала и техническая реализация. После того как в 1938 году Отто Ган открыл расщепление урана, последующее развитие техники позволило осуществлять превращение элементов в больших масштабах.

За последние 20 лет картина, впрочем, опять несколько запуталась. Уже в 30-е годы, помимо названных элементарных частиц — протонов, нейтронов и электронов, — были открыты новые, а за последние годы число этих новых частиц ужасающе разрослось. В противоположность трем основным эти новые элементарные частицы нестабильны, т. е. способны существовать лишь весьма краткое время. Одни из этих частиц, которые мы называем мезонами, имеют продолжительность жизни около одной миллионной секунды, другие живут в течение сотой части этого времени, третий же сорт частиц, лишенных электрического заряда, живет в течение стобиллионной части секунды. За исключением нестабильности, новые элементарные частицы ведут себя совершенно так же, как и три стабильные первичные единицы материи.

На первый взгляд возникает впечатление, будто мы опять-таки оказались вынужденными допустить большое число качественно различных элементарных частиц, а это было бы крайне нежелательно в связи с основными предпосылками атомной физики. Но в экспериментах, проведенных в последние годы, выяснилось, что элементарные частицы могут превращаться друг в друга при соударении с затратой больших энергий. Когда встречаются две элементарные частицы с большой кинетической энергией, при их соударении возникают новые элементарные частицы — исходные частицы и их энергия превращаются в новую материю. Это обстоятельство можно проще всего описать, если мы скажем, что все частицы в принципе состоят из одного вещества, представляя собой лишь разные стационарные состояния одной и той же материи. В результате число 3, число первоэлементов, вновь сводится к числу 1. Существует одна-единственная материя, но она может находиться в различных дискретных стационарных состояниях. Одни из этих состояний стабильны — это протоны, нейтроны и электроны; множество же других нестабильны [45] .

45

³⁸ В конце 40-х — 50-х гг. был открыт целый ряд новых нестабильных частиц: -мезоны, К-мезоны, -гиперон. В то время когда была прочитана эта лекция (1952 г.), Гейзенберг пытался построить единую нелинейную спинорную теорию материи, которая охватывала бы все известные к тому времени элементарные частицы. См.: Гейзенберг В. Введение в единую полевую теорию элементарных частиц. М., «Мир», 1968 г. Ряд относящихся к этой теории работ опубликован также в русском переводе в сб.: Нелинейная квантовая теория поля. М., 1959 г.

Хотя экспериментальные результаты последних лет вряд ли дают повод сомневаться в том, что атомная физика будет развиваться в этом направлении, до сих пор еще не удалось определить математически закономерности образования элементарных частиц. В настоящий момент атомная физика как раз занимается этой проблемой. Она решает ее как экспериментально — путем открытия новых частиц и исследования их свойств, — так и теоретически, стараясь законосообразно связать свойства элементарных частиц и записать их в математических формулах.