Часто приходится слышать, что все гениальное просто. К сожалению, это далеко не так. Частная теория относительности - единственная из теорий XX века, обладающая простотой технических средств. Все трудности ее заключены в основной идее. Последующие теорий не только сложны идейно, но и требуют для своей формулировки сложного математического аппарата. Так, общая теория относительности, квантовая механика, квантовая электродинамика, теория элементарных частиц не подпадают под характеристику «все гениальное просто».
Принцип наблюдаемости сыграл огромную роль в создании квантовой механики, особенно при анализе ее физического смысла. Вернер Гейзенберг проверил на наблюдаемость такие понятия, как координата и скорость, проделывая мысленные эксперименты по их определению. Выяснилась принципиальная невозможность одновременного точного измерения координаты и скорости: любой мыслимый акт измерения координаты вносит непредсказуемую отдачу и делает неопределенным значение импульса частицы (см. с. 165).
Нужно ли требовать, чтобы в науку входили только непосредственно наблюдаемые величины? Этим требованием руководствовался Гейзенберг при создании матричной механики (1925 г.). Другой метод подхода - волновая механика Шрёдингера (1925 г.), где не ставилось такой задачи; в теорию вводилась волновая функция, не измеряемая непосредственно на опыте, и даже содержащая неизмеримые характеристики. В 1926 году Эрвин Шрёдингер показал эквивалентность обоих подходов. Более того, форма квантовой механики Шрёдингера оказалась гораздо более удобной. Подобная ситуация возникала уже в классической физике: уравнения электродинамики удобнее решать, вводя векторные потенциалы, не измеряемые на опыте.
Дальнейшее развитие теоретической физики показало принципиальное преимущество некоторой свободы во введении понятий.
Поучительна история так называемой S-матрицы, или матрицы рассеяния. Это способ, предложенный Гейзен-бергом в 1943 году, записать в компактной форме все результаты возможных экспериментов по изучению системы. Для изучения любой системы необходимо найти амплитуды рассеяния всех возможных частиц, взаимодействующих с системой. Все эти амплитуды содержатся в S-матрице. Введение S-матрицы позволило получить много важных соотношений. Успех этого метода привел в 50-х годах к идее получить замкнутые уравнения для матрицы рассеяния, связывающие между собой все возможные амплитуды рассеяния, и таким образом построить теорию элементарных частиц, не обращаясь к их внутреннему устройству, связывая непосредственно данные эксперимента.
Если позволительно применить к разумной на первый взгляд физической идее эпитет «вредная», то он здесь вполне уместен. Эта идея отвлекла многих талантливых людей от более плодотворных направлений. Впрочем, издержки неизбежны, наука не развивается по прямой.
Поскольку S-матрица имеет дело только с поведением частиц, разведенных на большие расстояния, где их можно наблюдать изолированно, то, разумеется, в ней теряются такие частицы, как кварки (см. с. 141), которые не существуют в изолированном виде.
Без вхождения в механизм взаимодействия элементарных частиц и полей на малых расстояниях невозможно построить разумную теорию. Поэтому попытки построить замкнутую систему уравнений для матрицы рассеяния оказались безнадежными. Успехи последнего времени в теоретической физике элементарных частиц покоятся на квантовой теории поля, изучающей взаимодействия полей и частиц как на малых, так и на больших расстояниях.
Требование буквальной наблюдаемости оказалось слишком стеснительным для современной физики.
«Только полнота порождает ясность, но истина скрывается в бездне» (Ф. Шиллер)
На Нильса Бора, по словам его близкого сотрудника Леона Розенфельда, большое влияние оказал мало известный у нас датский писатель и философ Серен Кьер-кегор. Может быть, в этом истоки той неожиданной формы диалектики, которая характерна для Нильса Бора. Так, он говорил: «Каждое высказанное мною суждение надо понимать не как утверждение, а как вопрос». Или: «Есть два вида истины - тривиальная, которую отрицать нелепо, и глубокая, для которой обратное утверждение - тоже глубокая истина». Можно сформулировать эту мысль более мягко: содержательность утверждения проверяется тем, что оно может быть опровергнуто.
Принцип дополнительности, о котором пойдет речь, - вершина боровской диалектики.
В начале 1927 года произошли два важных события: Вернер Гейзенберг получил соотношение неопределенности, а Нильс Бор сформулировал принцип дополнительности.
Анализируя все возможные мысленные эксперименты по измерению координаты и скорости частицы, Гейзенберг пришел к заключению, что одновременное их измерение ограничено в своих возможностях: чем точнее мы измеряем координату электрона, например, освещая его светом короткой волны, тем менее определенной делается скорость электрона из-за неопределенной отдачи, которую он получает при взаимодействии с волной. Формула, полученная Гейзенбергом, так проста, что ее стоит здесь написать: /del q /del p›=h. В правой части стоит постоянная Планка, а слева - неопределенность координаты, помноженная на неопределенность импульса (количества движения) частицы. Мы недаром употребили слово «неопределенность». Не ошибка, не незнание, а именно неопределенность. Ведь принципиальная невозможность измерить означает согласно принципу наблюдаемости неопределенность самого понятия.
Точное определение координаты делает полно~тью неопределенным импульс. Эти два понятия ограничивают и дополняют друг друга. Согласно Бору соотношение неопределенности Гейзенберга есть проявление принципа дополнительности (см. с. 165).
Слова Гегеля о единстве и борьбе противоположностей, как и всякое слишком общее суждение, от частого повторения могут показаться тривиальными. Боровская идея дополнительности понятий дает мысли Гегеля новое воплощение. Именно понятие дополнительности позволяет примирить, казалось бы, непримиримое: ведь электрон проявляет себя в различных экспериментах то как частица, то как волна.
Частица-волна - две дополнительные стороны единой сущности. Нельзя подчеркивать одну из этих сторон в ущерб другой. Квантовая механика осуществляет синтез этих понятий, поскольку она позволяет предсказать исход любого опыта, в котором проявляются как корпускулярные, так и волновые свойства частиц.
Идею дополнительности Нильс Бор иллюстрировал и применял во многих областях.
Сводятся ли биологические закономерности к физико-химическим процессам? Казалось бы, все биологические процессы определяются движением частиц, составляющих живую материю. Предельное выражение этой точки зрения: «Физиология - это физическая химия азотсодержащих коллоидов». Но ведь ясно, что такая точка зрения, которую часто называют «механистической», отражает только одну сторону дела. Другая сторона, более важная, - это закономерности живой материи, которая хотя и определяется законами физики и химии, но не сводится к ним. Для биологических процессов характерна финалистическая закономерность. Она отвечает на вопрос «зачем», физика же отвечает на вопрос «почему».
Существует и другая крайность: виталисты считают существенной только биологическую закономерность, отрицая и игнорируя физико-химическую сторону биологических процессов. Правильное понимание биологии возможно только на основе дополнительности физико-химической причинности и биологической целенаправленности. По мнению Дж. Холтона, Нильс Бор, размышляя об этом, как бы выполнял сыновний долг: его отец, физиолог Христиан Бор, стоял на точке зрения витализма. Понятие дополнительности показывает односторонность обеих точек зрения и позволяет строить описание живых процессов на основе взаимодополняющих подходов.
Полнота описания природы только в понимании дополнительности понятий. Можно привести много примеров дополнительности - так, физическая картина явления и его математическое описание дополнительны. Создание физической картины требует пренебрежения деталями и уводит от математической точности. И наоборот- попытка точного математического описания явлений затрудняет ясное понимание.