Машина знаний. Как неразумные идеи создали современную науку - Майкл Стревенс
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
«Элементарные материальные частицы… просто особые места в эфире, в которых сходятся линии электрического напряжения эфира; короче говоря, это “узлы” электрического поля в эфире».
Спустя 2500 лет могло показаться, что физика описала круг и направилась обратно в Милет, где древнегреческий философ Фалес впервые сделал смелое предположение о том, что все есть жидкость.
К 1930-м годам великий краеугольный камень, которым была двойственность твердого и жидкого, был стерт с лица земли. Материя – теперь понимаемая как смесь частиц, таких как электроны и протоны, – все еще присутствовала в новой картине мира, но благодаря открытию квантовой механики она больше не вела себя как физический материал, будь он жидким или твердым. Теперь она стала неким таинственным способом существования, называемым «суперпозицией».
Суперпозиция была чем-то в высшей степени непонятным. Для ученых она не играла особой роли. Их интересовало поверхностное объяснение, и квантовая механика преуспела в этом стремлении, как ничто другое. Таким образом, то, что произошло с квантовой механикой, – прекрасный пример превосходства в современной науке ньютоновского правила о том, что для целей «экспериментальной философии» объяснение наблюдаемого является единственным важным объяснением.
Первые намеки на суперпозицию появились в начале XX века в рамках ряда теорий, призванных объяснить загадочные явления, связанные с излучением и светом. Возможно, самым знаковым из них было объяснение Альбертом Эйнштейном фотоэлектрического эффекта, при котором свет, падающий на определенные вещества, вызывает испускание электронов. Свет, постулировал Эйнштейн, который обычно ведет себя как волна, в данном случае внезапно начинает вести себя как поток частиц – «фотонов». Декарт утверждал, что свет состоит из частиц. Ученые XIX века показали, что это должна быть волна. Теперь оказалось, что это ни то, ни другое, а и то, и другое сразу.
Когда в 1920-х годах были сформулированы первые относительно полные версии квантовой механики, стало ясно, что не только свет живет двойной жизнью: потоки электронов, которые повсеместно считались просто частицами, оказались вполне способны вести себя как волны. На самом деле вся материя оказалась своего рода смесью частиц и волн, как будто античная мифология все время больше соответствовала структуре Вселенной, чем античная физика, как будто кентавр, полуконь-получеловек, или сфинкс, наполовину женщина, наполовину лев, были более достоверными моделями реальности, чем аристотелевская субстанция или атом.
Это был философский экстренный случай. На карту была поставлена сама природа реальности. Что квантовая физика пыталась рассказать нам о мире? Этот вопрос активно обсуждался в письмах и в лабораторных коридорах, особенно в Институте теоретической физики Нильса Бора в Копенгагене. Бор был энтузиастом квантовой механики; Эйнштейн – скептиком, несмотря на свой ранний вклад. Два ученых, как известно, обсуждали адекватность теории на пятом Сольвеевском конгрессе по физике и химии в Брюсселе в 1927 году, а затем снова – на шестом конгрессе в 1930 году. Физик Пауль Эренфест так описывает это:
«Бор постоянно пытался найти в философском тумане средства, чтобы опровергнуть один пример за другим. Эйнштейн же был похож на шута из коробки – неожиданно выпрыгивал с новыми доводами. Потрясающее зрелище».
Ранее Эйнштейн писал еще одному основателю квантовой теории, Максу Борну: «Квантовая механика, безусловно, впечатляет. Но внутренний голос говорит мне, что это еще не настоящее». Девяносто лет спустя у физиков по-прежнему нет альтернативы. Начинает казаться, что квантовая механика действительно существует. Споры о ее значении продолжаются. Тем не менее наука невозмутимо движется вперед, поскольку квантовая теория была расширена с 1930 года, и теперь ее применяют к электромагнитным силам, внутреннему устройству ядра атома и (хотя это начинание все еще находится в зачаточном состоянии) к самой гравитации.
Это величайшее научное и общественное достижение. В мире Древней Греции или в доньютоновском XVII веке конкурирующие философии означали конкурирующие науки. Но квантовая механика не распалась на философские школы. Скорее, несмотря на то что Бор, Эйнштейн и многие другие ключевые фигуры на Сольвеевском конгрессе 1927 года яростно философствовали, теория оставалась единым набором идей, которые «быстро развивались, очень быстро распространялись и почти не встречали сопротивления». В новых учебниках, написанных для объяснения квантовой механики студентам, споры родоначальников этой теории вообще почти не упоминаются.
Короче говоря, интерпретация квантовой механики считалась некой философской надстройкой, возвышающейся над наукой, лежащей в основе, но едва ли – составной частью науки как таковой. То же самое верно и сегодня. Однако нельзя сказать, что ученые не замечают всех странностей этой теории. Мюррей Гелл-Манн, первооткрыватель кварков, назвал квантовую механику «загадочной, запутанной дисциплиной». По словам Роджера Пенроуза, одного из выдающихся физиков конца XX века, квантовая механика «не имеет абсолютно никакого смысла». «Думаю, я могу с уверенностью сказать, что никто не понимает квантовую механику», – заметил Ричард Фейнман. Как теория может широко рассматриваться одновременно и как нечто совершенно непостижимое, и как лучшее объяснение физического мира, в котором мы живем?
Рисунок 6.5. Участники пятого Сольвеевского конгресса, 1927 год, Брюссель. Бор во втором ряду справа; Эйнштейн в центре первого ряда
Ответ заключается в поверхностной концепции объяснения, в которой первостепенное значение имеет вывод, а не понимание. Чтобы лучше разобраться в этом, позвольте мне рассказать вам об основах квантовой теории. Несмотря на то что приведенный ниже обзор достаточно краток и неполон, он все же займет несколько страниц. Но я обещаю вам, что это стоит вашего времени. Мы увидим контраст между невнятной природой суперпозиции и ее вполне очевидными последствиями. Натурфилософы, такие как Аристотель и Декарт, заботились об исследовании закономерностей своих теорий, но также очень много думали и об их природе – о том, что эти принципы говорили о метафизическом основании причинной структуры мира. Современная наука, напротив, не обращает никакого внимания на природу принципов. Пусть оно будет столь же непрозрачным, как действие на расстоянии было для противника Ньютона Лейбница, столь же нематериальным, как для нас аристотелевская психея. Все, что касается железного правила, – это то, на что способны каузальные принципы. Я покажу вам, как квантовая теория выводит точные предсказания из понятия суперпозиции, которое само по себе находится за
