learnoff

Categories:

Нильс Бор и рождение принципа дополнительности из духа противоречия

7 октября — 135 лет со дня рождения выдающегося физика-теоретика, лауреата Нобелевской премии Нильса Бора (1885 — 1962)

«Тот факт, что религии на протяжении веков излагали образы, притчи и парадоксы, просто означает, что не существовало других способов постичь действительность, к которой они относятся. Но отсюда вовсе не следует, что она не подлинная действительность. И, разделяя эту действительность на объективную и субъективную, мы далеко не уйдем. <...> По-видимому, с общими проблемами философии всё обстоит точно так же. Мы вынуждены говорить в образах и символах, которые не в точности улавливают то, что мы реально имеем в виду. Иногда мы не в состоянии даже избежать противоречий, и все же с помощью этих образов мы можем как-то приблизиться к действительному положению вещей». 

Тот самый конгресс

Осенью 1911 года в Брюсселе прошел первый Сольвеевский конгресс — конференция только по приглашениям и только для самых авторитетных экспертов. Тема — «Излучение и кванты». Это событие станет поворотным моментом для современной физики и нашего базового понимания действительности. 

Конгресс имел такой грандиозный успех, что стал регулярным мероприятием. В период с 1911 по 2014 год в Брюсселе состоялось 26 Сольвеевских конгрессов по физике и 23 — по химии. Самым известным был пятый, созванный в 1927 году, под председательством нидерландского лауреата Нобелевской премии Хендрика Лоренца, преобразования которого стали центральным элементом специальной теории относительности Эйнштейна. Темой V конгресса стали электроны и фотоны.

V Сольвеевский конгресс (1927): 1-й ряд (слева направо): Ирвинг Ленгмюр, Макс Планк, Мария Кюри, Хендрик Лоренц, Альберт Эйнштейн, Поль Ланжевен, Шарль Гюи, Чарльз Вильсон, Оуэн Ричардсон. 2-й ряд (слева направо): Петер Дебай, Мартин Кнудсен, Уильям Брэгг, Хендрик Крамерс, Поль Дирак, Артур Комптон, Луи де Бройль, Макс Борн, Нильс Бор. Стоят (слева направо): Огюст Пикар, Эмиль Анрио, Пауль Эренфест, Эдуард Герцен, Теофил де Дондер, Эрвин Шрёдингер, Жюль Эмиль Вершафельт, Вольфганг Паули, Вернер Гейзенберг, Ральф Фаулер, Леон Бриллюэн.
V Сольвеевский конгресс (1927): 1-й ряд (слева направо): Ирвинг Ленгмюр, Макс Планк, Мария Кюри, Хендрик Лоренц, Альберт Эйнштейн, Поль Ланжевен, Шарль Гюи, Чарльз Вильсон, Оуэн Ричардсон. 2-й ряд (слева направо): Петер Дебай, Мартин Кнудсен, Уильям Брэгг, Хендрик Крамерс, Поль Дирак, Артур Комптон, Луи де Бройль, Макс Борн, Нильс Бор. Стоят (слева направо): Огюст Пикар, Эмиль Анрио, Пауль Эренфест, Эдуард Герцен, Теофил де Дондер, Эрвин Шрёдингер, Жюль Эмиль Вершафельт, Вольфганг Паули, Вернер Гейзенберг, Ральф Фаулер, Леон Бриллюэн.

Из 29 участников пятого Солвеевского конгресса 17 станут лауреатами Нобелевской премии; Мария Кюри, единственная женщина с момента начала проведения конференций, которая будет также и единственным ученым, получившим две Нобелевские премии по двум разным направлениям. 

Однажды вечером во время конференции 1927 года группа молодых физиков из числа приглашенных на конгресс, в том числе 27-летний Вольфганг Паули, который еще не изобрел синхроничность на пару с Карлом Юнгом, и 26-летний Вернер Гейзенберг, который только что в том же году открыл свой революционный принцип неопределенности, засиделась в холле отеля за бурной дискуссией на стыке физики и метафизики. Причина — беспокойство молодых ученых по поводу ... религиозных взглядов Эйнштейна:

«Эйнштейн всё время говорит о Боге: что нам с этим делать? Чрезвычайно трудно представить, чтобы такой ученый, как Эйнштейн, имел такие сильные связи с религиозной традицией». (Полный текст дискуссии в изложении Гейзенберга).

Объясняя свою точку зрения, Гейзенберг отмечал, что в религии мы рассуждаем о ценностях, о смысле самой жизни. Это называют счастьем, спасением, волей Божией, смыслом и т.д. Но несмотря на все множество различных религиозных традиций, он был убежден, что везде речь идет об отношении людей к некому центральному миропорядку. Различные культуры, религии по-разному мыслят эту субъективную сферу: здесь возникают нарушения этого порядка, возникают локальные частные порядки, демоны, бесчинства и т.д.:

«Но, в конечном итоге, всегда побеждает центральный порядок, или, пользуясь античной терминологией, “единое”, в отношение с которым мы вступаем на языке религии». (Вернер Гейзенберг. Физика и философия. Часть и целое — М., 1990)
Вернер Гейзенберг во время лекции
Вернер Гейзенберг во время лекции

Что увидел Гейзенберг?

А в чем, кстати, состоял принцип неопределенности Гейзенберга? Вернемся к началу 1927 года и резюмируем в общих чертах. Итак, за полгода до дискуссии в холле отеля Вернер Гейзенберг опубликовал статью, в которой утверждалось, что невозможно проводить наблюдения на квантовом уровне, не нарушая наблюдаемый объект. Вся информация поступает к человеку посредством органов чувств, поэтому если исследователь собирается, например, наблюдать за электроном, ему сначала нужно найти способ сделать его доступным для зрения. Для взаимодействия с электроном ему понадобится фотон — световой пучок. Однако это взаимодействие нарушит наблюдаемый электрон. Иными словами, мы можем наблюдать какой-то объект, но при этом нам придется его изменить, чтобы за ним наблюдать. И здесь возникает парадокс: получается, ни один объект нельзя описать достоверно в один момент времени?  

Вернер Гейзенберг на лекции
Вернер Гейзенберг на лекции

Это понимание и вызвало буквально потрясение основ в физике, которое, как это часто бывает с научными потрясениями, имело далеко идущие философские последствия. Еще с Бэкона и Декарта исследователи исходили из предположения, что если они хотят полностью описать предмет, они смогут это сделать. Теперь внезапно они поняли, что это невозможно. Уверенность, которая поддерживала взаимодействие науки с природой, реальностью, вселенной как бы вы это ни называли — оказалась, ретроспективно, иллюзией. Что же физик измеряет, если он со своими приборами непоправимо вмешивается в измеряемое?

Эйнштейн и границы

Кстати, три года спустя Эйнштейн сам прощупал эту границу в своей исторической беседе с индийским поэтом и философом Рабиндранатом Тагором, первым неевропейцем, получившим Нобелевскую премию по литературе:

Эйнштейн: Вы верите в Бога, изолированного от мира?
Тагор: Не изолированного. Неисчерпаемая личность человека постигает Вселенную. Ничего непостижимого для человеческой личности быть не может. Это доказывает, что истина Вселенной является человеческой истиной.
Чтобы пояснить свою мысль, я воспользуюсь одним научным фактом. Материя состоит из протонов и электронов, между которыми ничего нет, но материя может казаться сплошной, без связей в пространстве, объединяющих отдельные электроны и протоны. Точно так же человечество состоит из индивидуумов, но между ними существует взаимосвязь человеческих отношений, придающих человеческому обществу единство живого организма. Вселенная в целом так же связана с нами, как и индивидуум. Это — Вселенная человека. Высказанную идею я проследил в искусстве, литературе и религиозном сознании человека.
Эйнштейн: Существуют две различные концепции относительно природы Вселенной:
1) мир как единое целое, зависящее от человека;
2) мир как реальность, не зависящая от человеческого разума.
Тагор: Когда наша Вселенная находится в гармонии с вечным человеком, мы постигаем ее как истину и ощущаем ее как прекрасное.
Эйнштейн: Но это — чисто человеческая концепция Вселенной.
Тагор: Другой концепции не может быть. Этот мир — мир человека. Научные представления о нем — представления ученого. Поэтому мир отдельно от нас не существует. Наш мир относителен, его реальность зависит от нашего сознания. Существует некий стандарт разумного и прекрасного, придающий этому миру достоверность, — стандарт Вечного Человека, чьи ощущения совпадают с нашими ощущениями. (Полный текст беседы)
Альберт Эйнштейн и Рабидранат Тагор
Альберт Эйнштейн и Рабидранат Тагор

Новая гармония противоречий

Вернемся к дискуссии молодых ученых. Итак, часть из них отстаивала точку зрения, что религия — всего лишь донаучный мир суеверий, другие предполагали, что наука никогда не сможет вытеснить, а сможет только дополнить основные принципы, с помощью которых теология укрепляет общество. 

После конференции Гейзенберг рассказал об этой дискуссии отцу-основателю квантовой теории Нильсу Бору. И Бор удивил его тонким и необычайно проницательным взглядом на тему, о чем Гейзенберг много позже, в 1969 году, и рассказал в своей книге Der Teil und das Ganze: Gespräche im Umkreis der Atomphysik (фрагменты из нее были опубликованы в книге «Физика и философия. Часть и целое», 1990).

Вернер Гейзенберг и Нильс Бор в Копенгагене (начало 1930-х; Emilio Segrè Visual Archives, American Institute of Physics)
Вернер Гейзенберг и Нильс Бор в Копенгагене (начало 1930-х; Emilio Segrè Visual Archives, American Institute of Physics)

Так что же ответил ему Нильс Бор?

В религии язык используется совсем иначе, чем в науке. Язык религии более тесно связан с языком поэзии, чем с языком науки. Правда, мы склонны думать, что наука имеет дело с информацией об объективных фактах, а поэзия — с субъективными чувствами. Отсюда мы заключаем, что если религия действительно имеет дело с объективными истинами, она должна принять те же критерии истины, что и наука. Но лично я считаю слишком произвольным деление мира на объективную и субъективную стороны. Тот факт, что религии на протяжении веков говорили образами, притчами и парадоксами, просто означает, что нет других способов постичь действительность, к которой они относятся. Но это не значит, что это не настоящая действительность.

В хорошем произведении искусства, как и в хорошем научном произведении, каждая деталь должна быть изложена совершенно недвусмысленно; не может быть места простой случайности, а парадоксы просто означают, что нет других способов постичь реальность, к которой они относятся. Но это не значит, что это не настоящая реальность. И, разделяя эту действительность на объективную и субъективную, мы далеко не уйдем. 
Другой ракурс: Вернер Гейзенберг и Нильс Бор в Копенгагене (начало 1930-х; Emilio Segrè Visual Archives, American Institute of Physics)
Другой ракурс: Вернер Гейзенберг и Нильс Бор в Копенгагене (начало 1930-х; Emilio Segrè Visual Archives, American Institute of Physics)

С учетом монументального воздействия теории относительности Эйнштейна и того глубокого сдвига в мышлении, который привел к формулировке Нильсом Бором принципа дополнительности квантовой механики, он добавил: 

Вот почему я считаю великим освобождением мысли те достижения в физике за последние десятилетия, которые показали, насколько проблематичны такие понятия, как «объективный» и «субъективный». Всё началось с теории относительности. В прошлом утверждение о том, что два события являются одновременными, считалось объективным утверждением, которое можно было передать довольно просто и которое мог проверить любой наблюдатель. Теперь мы знаем, что «одновременность» содержит субъективный элемент, поскольку два события, которые кажутся одновременными для неподвижного наблюдателя, не обязательно одновременны для наблюдателя в движении. Однако релятивистское описание также является объективным, поскольку каждый наблюдатель может вычислить то, что другой наблюдатель воспримет или воспринял.

В квантовой механике отход от этого идеала стал еще более радикальным. Мы все еще можем использовать объективизирующий язык классической физики, чтобы формировать утверждения о наблюдаемых фактах. Например, мы можем сказать, что фотопластинка почернела или образовались облачные капли. Но мы ничего не можем сказать о самих атомах. И какие прогнозы мы основываем на таких выводах, зависит от того, как мы ставим наш эксперимент и как задаем вопрос, и здесь у наблюдателя есть свобода выбора.

Естественно, по-прежнему не имеет значения, является ли наблюдатель человеком, животным или устройством, но теперь уже невозможно делать прогнозы без ссылки на наблюдателя или средства наблюдения. В этом смысле можно сказать, что каждый физический процесс имеет объективные и субъективные особенности. Объективный мир науки XIX века был, как мы уже знаем, идеальным, предельным случаем, но это не вся реальность. По общему признанию, даже в наших будущих встречах с реальностью нам придется различать объективную и субъективную стороны, чтобы провести различие между ними. Но место разделения может зависеть от того, как на вещи смотреть; в какой-то мере его можно выбирать по желанию. 
Вернер Гейзенберг (справа) с Нильсом Бором (в центре) и Элизабет Гейзенберг (слева), 1937 год. Источник: Emilio Segrè Visual Archives, American Institute of Physics
Вернер Гейзенберг (справа) с Нильсом Бором (в центре) и Элизабет Гейзенберг (слева), 1937 год. Источник: Emilio Segrè Visual Archives, American Institute of Physics

Именно поэтому, как отмечал Бор, объективный язык не принадлежит религиозной риторике — религия и ее множественности лучше всего понимаются и лучше всего применяются к человеческой жизни как инструмент нравственного обогащения, а не как инструмент догматического ограничения, через призму взаимодополняемости: 

Тот факт, что разные религии пытаются выразить это содержание в совершенно разных духовных формах, не вызывает возражений. Возможно, нам следует рассматривать эти различные формы как дополнительные описания, которые, хотя и исключают друг друга, необходимы для передачи богатых возможностей, вытекающих из отношений человека с центральным порядком. 
Альбер Эйнштейн и Нильс Бор на VI Сольвеевском конгрессе (1930)
Альбер Эйнштейн и Нильс Бор на VI Сольвеевском конгрессе (1930)

Представляете, за четверть века до того, как американский математик и популяризатор науки Лилиан Розанофф Либер (1886 — 1986) в 1953 году продемонстрировала, как математические абстракции, такие как бесконечность, которые не имеют корреляции в физической реальности, предлагают аналог моральных вопросов, Бор размышлял, могут ли принципы религии содержать аналогичные абстракции, даже если их нельзя воспринимать как объективную истину: 

Иллюстрация Хью Либера к монографии Лилиан Либер Human Values and Science, Art and Mathematics (1961)
Иллюстрация Хью Либера к монографии Лилиан Либер Human Values and Science, Art and Mathematics (1961)
В математике мы можем дистанцироваться от содержания наших утверждений. В конечном итоге математика — это игра ума, в которую мы можем играть или не играть по своему усмотрению. С другой стороны, религия имеет дело с нами самими, с нашей жизнью и смертью; ее обещания предназначены для управления нашими действиями и, таким образом, по крайней мере косвенно, самим нашим существованием. Мы не можем просто бесстрастно смотреть на них со стороны. Более того, наше отношение к религиозным вопросам неотделимо от нашего отношения к обществу.

Даже если религия возникла как духовная структура определенного человеческого общества, остается спорным, оставалась ли она самой сильной социальной формовочной силой на протяжении всей истории, или же общество, однажды сформировавшись, развивает новые духовные структуры и адаптирует их к своему определенному уровню знаний.

В настоящее время, кажется, индивид может довольно свободно выбирать духовные рамки для своих мыслей и действий, и эта свобода отражает тот факт, что границы между различными культурами и обществами становятся более плавными. Но даже когда человек пытается достичь максимально возможной степени независимости, он все равно будет подчиняться существующим духовным структурам — сознательно или бессознательно. Ибо он тоже должен уметь говорить о жизни и смерти и человеческом состоянии другим членам общества, в котором ему довелось жить; он должен воспитывать своих детей в соответствии с нормами этого общества, вписываться в его жизнь.

Эпистемологические софизмы никак не могут помочь ему в достижении этих целей. Здесь также, отношения между критическим мышлением о духовном содержании данной религии и действиями, основанными на сознательном принятии этого содержания, дополняют друг друга. И такое принятие, если оно достигнуто сознательно, наполняет человека силой цели, помогает ему преодолевать сомнения и, если ему приходится страдать, дает ему утешение, которое дает только ощущение того, что он укрылся под всеобъемлющей крышей.

В этом смысле религия помогает сделать социальную жизнь более гармоничной; ее самая важная задача — напомнить нам языком картинок и притч о более широких рамках, в которых находится наша жизнь. 

Необратимые последствия

Итак, Бор обобщил принцип дополнительности и придал ему глубокий гносеологический смысл: всякое истинно глубокое явление природы, например «жизнь», «атомный объект», «физическая система», не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения по крайней мере двух взаимоисключающих дополнительных понятий. 

Например, физическая картина явления и его математическое описание дополнительны друг к другу. Физическая картина явления пренебрегает деталями и далека от математической точности, тогда как точное математическое описание явления, наоборот, затрудняет его ясное понимание. 

Или, допустим, искусство и наука — два дополнительных способа изучения окружающего мира. Наука основана на логике и опыте, искусство — на интуиции и прозрении. Они не противоречат, а дополняют друг друга.

Нильс Бор в рабочем кабинете
Нильс Бор в рабочем кабинете

Шли десятилетия, и принцип дополнительности Нильса Бора становился всё более и более философским: 

«Добиваясь гармонии человеческой жизни, никогда не забывай, что на сцене бытия мы сами являемся как актерами, так и зрителями» (Нильс Бор. Атомная физика и человеческое познание (сборник статей). — М., 1961).

Он нашел применение этой концепции в областях, выходящих далеко за рамки физики — психологии, биологии, истории, искусстве. Не исключено, что он не возражал бы против применения принципа дополнительности к акту письма — к отношениям между писателем и тем, над чем работает писатель. 

Почему бы и нет? Что бы вы ни писали, каждый раз, когда вы это пишете, вы сталкиваетесь с практически бесконечным количеством вариантов выбора. Вы можете выбирать среди сотен тысяч слов, вы можете располагать их в любом порядке, вы можете перемежать их бессмысленными или разумными замечаниями, вы можете разбивать их на главы, строфы, сцены, разделы, строки, акты, абзацы.

И многое другое. У вас есть вселенная выбора. Но вы должны где-то провести черту: 

«Концепция наблюдения настолько произвольна, насколько зависит от того, какие объекты включены в наблюдаемую систему». (Нильс Бор. Избранные научные труды. Т. II. М.: Наука, 1971)
Президент США Дуайт Эйзенхауэр вручает награду Нильсу Бору (1958)
Президент США Дуайт Эйзенхауэр вручает награду Нильсу Бору (1958)

Концепция незавершенной работы также произвольна, поскольку зависит от того, какие элементы — слова, пунктуация, порядок, ритм и т. д. — вы включаете в то, что пишете. 

Произвольно, но не случайно. Выбор того, где провести линию, довольно осознан: 

«Когда мы смотрим на Луну в телескоп, мы получаем свет от Солнца, отраженный от поверхности Луны, но обратная связь этого отражения слишком мала, чтобы оказывать какое-либо влияние на скорость тела такого же тяжелого как Луна».
Президент Датской королевской академии наук Нильс Бор (в центре) и академик АН СССР, физик Лев Ландау (справа) на празднике студентов Московского государственного университета в честь дня рождения Архимеда, 1961 год
Президент Датской королевской академии наук Нильс Бор (в центре) и академик АН СССР, физик Лев Ландау (справа) на празднике студентов Московского государственного университета в честь дня рождения Архимеда, 1961 год

Иными словами, вы должны учитывать эффекты столкновения между фотоном и электроном, но вы можете смело исключить из своих наблюдений афтершок после столкновения фотона и луны. Или, используя известный пример, приводимый Бором, если вы находитесь в темной комнате для изучения объекта, вы можете смело исключить гравитационное притяжение атома водорода на расстоянии 10 миллиардов световых лет от вас:

Решающим является здесь то, что, в такого рода опытах, тела, участвующие в обмене количеством движения и энергией с частицами, входят наряду с ними в состав системы, к которой должен применяться формальный аппарат квантовой механики. Что касается спецификации условий, необходимых для однозначного применения этого формального аппарата, то здесь важно то, что эти условия должны характеризовать всю установку в целом. В самом деле, присоединение какой-либо новой части прибора, например, зеркала, поставленного на пути частицы, вызвало бы новые интерференционные явления, каковые могут существенно повлиять на предсказания возможных результатов, которые в конце концов регистрируются.

В частности, должно быть очень ясно, что...однозначное использование пространственно-временных понятий при описании атомных явлений сводится к регистрации наблюдений которые относятся к изображениям на фотографическом объективе или к аналогичным практически необратимым эффектам усиления, такие как образование капли воды вокруг иона в темной комнате. (Нильс Бор «Дискуссии с Эйнштейном о проблемах теории познания в атомной физике», 1949)
амятник Альберту Эйнштейну и Нильсу Бору (Музеон, парк культуры им. Горького в Москве)
амятник Альберту Эйнштейну и Нильсу Бору (Музеон, парк культуры им. Горького в Москве)

Противоречие и необратимость. Где-то между этими двумя крайностями вы и проведете черту... #блогерскаяосень 

Learnoff в: Одноклассниках, ВКонтакте, Instagram, Telegram, ЯндексДзен, Наш сайт

Error

Anonymous comments are disabled in this journal

default userpic