Мы умышленно употребляем слово «теория» в единственном числе. Дело в том, что Шредингер — да и не только он — обнаружил математическую связь между двумя теориями и показал, что они, в сущности, эквивалентны. С точки же зрения вероятностной интерпретации Дирак и независимо от него Иордан вскоре определили, что они представляют собой лишь разные аспекты одной и той же более общей теории, известной под названием квантовой механики. Эта теория остается и в наши дни подлинно современной.
Волны вероятности в многомерных пространствах? X, помноженное на Y, не то-же самое, что Y, помноженное на X? И, как выяснилось, эти две идеи связаны между собой? К чему же идет мир — квантовый мир? Физики того бурного времени поистине едва успевали перевести дух. Они попали в самый разгар научной революции, которая назревала с самого начала нового столетия. И если мы хотим хоть в какой-то мере испытать то, что испытывали они под ударами ошеломляющих событий, в изобилии обрушившихся на их головы, нам следует прервать досужие рассуждения и решительно двинуться вперед. Как и им, нам предстоит принять на себя новые удары. В 1927 г. по-прежнему воодушевленный смелостью замысла, отличающего эйнштейновскую специальную теорию относительности, Гейзенберг сформулировал далеко идущий принцип, который придал яркую наглядность нетривиальным математическим следствиям квантовой механики.
Чтобы мы могли в темноте увидеть черную кошку, на нее должен упасть луч света. Иными словами, мы должны «бомбардировать» ее квантами света. Значит, фотоны будут, сталкиваясь с кошкой, наносить ей удары. Если рассматривать тела привычных нам по повседневной жизни размеров, то этими ударами, вообще говоря, можно вполне пренебречь. Однако в микроскопическом царстве атома все обстоит далеко не так. Возьмем, к примеру, электрон. Увидеть его невозможно, настолько ничтожно мала его величина. Проведем, однако, мысленный опыт: чтобы осуществить четкое наблюдение электрона, нужен свет, и поток фотонов обрушится на электрон, образно говоря, как град пуль, обильно поражающих наш объект наблюдения. Гейзенберг пришел к выводу, что из-за обусловленных наблюдениями столкновений на квантовом уровне мы не можем в одно и то же время точно знать, где находится частица и как она движется. Чем точнее мы будем измерять ее координаты, тем менее точно сможем измерить ее импульс, и наоборот. Таков — в весьма общих чертах — принцип неопределенности Гейзенберга. Возможно, он не кажется таким уж радикальным. Однако не будем торопиться и посмотрим, что из него следует.
Если в определенный момент времени мы не можем с точностью знать и координаты, и импульс частицы, то мы лишены информации, необходимой для предсказания местоположения этой частицы через какое-то время. Таким образом, будущее перестает быть детерминированным: причинность на квантовом уровне становится случайностью.
Этот вывод нанес классической физике удар куда более сокрушительный, чем отрицание Эйнштейном абсолютной одновременности. Он гораздо сильнее подрубает дерево ее традиций. В самом деле, если будущее не детерминировано, мы с полным правом можем недоумевать, каким же образом способна существовать такая вещь, как традиционная наука? Но не все обратилось в хаос. От детерминированности все-таки кое-что осталось; правда, это «кое-что» достаточно трудно уловить, испытав при этом радость понимания. Попытаемся изложить суть этого «кое-что» следующим образом: между наблюдениями волны вероятности распространяются детерминированно. Благодаря этому становится возможным прогнозирование вероятностей; в случае же обычных тел — планет, снарядов и т. п. — эти вероятности фактически превращаются в определенности, так что неопределенность их движения становится незаметной для нас.
Все эти идеи вызывали у ученых чувство растерянности. Многие испытывали благоговейный трепет перед столь быстро и успешно развивающейся квантовой механикой, которую со всеми ее прекрасными математическими построениями, казалось бы, раздирали физические противоречия. Как же отнестись ко всему этому? И какой смысл — если все это не бессмыслица — можно из этого извлечь? В 1927 г. Бору удалось предложить ответ на эти вопросы, и вместе с идеями Борна и Гейзенберга его ответ лег в основу той интерпретации, которая получила известность как «копенгагенская интерпретация». Бор призвал на помощь концепцию, которой дал название дополнительности. Предлагаемое нами изложение этой концепции, по поводу некоторых деталей которой ученые, видимо, так и не пришли к общему мнению, можно рассматривать лишь как попытку сделать весьма грубый набросок с картины, написанной с подлинно тонким мастерством. Отметим прежде всего — теперь уже нет нужды делать на этом особое ударение, — что квантовый мир атома трудно представить наглядно с помощью обычных терминов. Бор выдвинул смелое предположение, что такого простого и привычного способа представления этого мира не существует вовсе. При проведении квантового эксперимента мы начинаем с установки приборов, которые, как правило, настраиваются поворотом ручки и считыванием показаний стрелок. Завершается эксперимент столь же привычной регистрацией показаний приборов. Таковы наши начальные и конечные действия в обычном, будничном, неквантовом мире. Мы вынуждены совершать эти действия при экспериментировании и не можем их избежать. Тем не менее на основе таких вот экспериментов, будучи привязаны двойным узлом к привычному и хорошо известному, мы пытаемся представить себе неведомый квантовый мир атома. Этот мир, утверждал Бор, столь далек от нашего нормального опыта, что для наглядного его представления было бы совершенно недостаточно нарисовать одну общепонятную картину. Мы вынуждены прибегнуть к двум противоречивым и в то же время дополняющим друг друга изображениям. Пусть вас не смущает противоречивость волновой и корпускулярной картин. Обе они необходимы. Они просто друг друга дополняют и на самом деле не содержат противоречия с точки зрения физики. Подобно тому как нет никакого противоречия в столь разнящихся между собой картинах дневного и ночного неба, так нет никакого противоречия и в том, что в одних экспериментах проявляется волновое поведение электронов, а в других — их корпускулярные свойства. Этот конфликт существует лишь в нашем воображении, поскольку мы стремимся получить одну-единственную простую и привычную картину внутриатомного мира, а ее на самом деле не существует. Для наших изображений необходимы не только волны, не только частицы, но и такие детали, как координаты и импульсы электронов, несмотря на вскрытую Гейзенбергом кажущуюся их противоречивость. И снова, чтобы получить точное изображение в пространстве и во времени, мы вынуждены отказаться от строго детерминистского подхода. И наоборот: мы должны, говорил Бор, смириться с этой всепроникающей дополнительностью; избежать ее мы не можем — в принятии этой неизбежности содержится спасительный выход.