Читать книгу "Планк. Квантовая теория - Alberto Tomas Perez Izquierdo"

Подбрасывая шестигранный кубик, мы говорим, что вероятность выпадения одной из шести граней равна одному к шести. Как правило, результат мы считаем случайным. Но если бы мы могли с точностью определить положение и начальную скорость кубика, его ориентацию в момент подкидывания, характеристики вещества, из которого сделаны кубик и стол, то мы могли бы точно предсказать и результат падения, поскольку кубик следует классическому детерминизму.

Для объяснения глубокого смысла детерминизма Планк выбрал кинетическую теорию теплоты. Она основывается на понятии энтропии, макроскопической величины, тесно связанной с вероятностью различных механических состояний специфической системы. Системы стремятся к наибольшей энтропии, к равновесию, потому что это наиболее вероятностные состояния. Видимый мир кажется неопределенным и случайным. Но если мы взглянем на микроскопический мир, то увидим, что молекулы сталкиваются друг с другом, следуя абсолютно детерминистским законам механики. Так, для изучения изменения энтропии заданной системы вычисляется среднее статистическое значение из каждого отдельного столкновения. Планк делает вывод о том, что макроскопические величины являются средними статистическими значениями и могут быть подвержены случайным флуктуациям, но если мы рассмотрим ситуацию детально на микроскопическом уровне, то обнаружим, что поведение любой системы — результат действия детерминистских законов.

А что же с квантовой механикой? Когда Планк в 1933 году писал о причинности в серии эссе «Куда идет наука», квантовая механика была практически сформирована. Часть принятой доктрины составляли принцип неопределенности Гейзенберга и вероятностная интерпретация волновой функции Шрёдингера. Согласно этим двум принципам мы не можем с точностью определить, где находится электрон, но можем рассчитать вероятность его пребывания в определенном месте в данный момент. Планк принял это положение вещей как прогресс в развитии квантовой доктрины, но, как Эйнштейн или Шрё- дингер, считал, что последнее слово еще не сказано.

В конечном счете Планк твердо верил в закон причинности и следующий из него детерминизм в отношении физических принципов. Но что можно сказать о человеке? Ученый полагал, что принцип причинности совместим с понятием свободы воли. Для того чтобы уяснить это кажущееся противоречие, нужно провести различие между человеком-объектом и человеком-субъектом: между «другим» и «самим». Когда психолог изучает людей, он считает, что их поведение основано на законе причинности, что их поступки следуют по цепи причинности, что каждый поступок человека имеет причину. Глубокое исследование личности позволяет предсказать ее поведение. Планк отмечал, что если бы поведение людей было непредсказуемым, мир погрузился бы в хаос, потому что мы никогда не знали бы, как себя вести и к чему готовиться.

Однако положение вещей меняется, когда мы наблюдаем сами за собой, потому что объект не может быть одновременно субъектом, глаз не может видеть сам себя. Мы можем изучить цепи причинности, которые привели к тому, что мы приняли то или иное решение в прошлом, но не можем предсказать сами себя в момент принятия решений, потому что сами являемся частью условий, определяющих наше будущее. Предсказать самих себя логически невозможно: по словам Планка, это сравнимо с тем, чтобы представить квадратный круг. Наше поведение свободно, решения принимаем мы сами в каждый момент времени. Наука вынуждена уступить дорогу морали.

Что мы можем сказать об этом с высоты прошедших лет? Относительно квантовой механики следует отметить, что вероятностность не потеряла своей фундаментальной роли, и детерминистская теория, о которой мечтали Эйнштейн, Шрёдингер и Планк, так и не появилась на свет. Момент распада радиоактивного ядра невозможно предсказать. Мы можем рассчитать вероятность того, что это произойдет в тот или иной момент; можем рассчитать с абсолютной точностью среднюю величину атомов, распадающихся в секунду у заданного образца; естественно, можем определить, какие изотопы элемента нестабильны и рано или поздно распадутся, а какие стабильны. Но мы не можем с точностью предсказать, в какой момент произойдет сам факт распада. Эта ситуация отличается от примера с кубиком; случайность имеет существенный характер и является частью природы вещей. Достижения техники последних десятилетий никак не опровергли, а напротив, принесли новые доказательства этого утверждения. Практически ситуация аналогична теории о теплоте. Мы наблюдаем поведение не одного, а триллионов атомов, поэтому средние значения очень точны. Именно поэтому прогнозы квантовой механики, как это ни парадоксально, являются самыми точными в науке.

Другая произошедшая революция связана с тем, что индетерминизм стал обнаруживаться в физических законах повсеместно. В конце 1960-х американский метеоролог Эдвард Лоренц сделал вывод, что незначительные изменения начальных условий упрощенной системы атмосферной конвекции воздуха могут иметь различные последствия. Этот вывод получил название эффекта бабочки. Научное понятие, соответствующее поэтическому эффекту бабочки, — детерминированный хаос. Этот термин зачастую неправильно интерпретируется: по большому счету торнадо происходят в определенных регионах планеты при определенных атмосферных условиях. На Аляске не бывает муссонов, а в Мадриде не бывает ураганов.

Своей фразой Лоренц хотел показать: конкретное поведение атмосферы в конкретный день и в конкретном месте сильно зависит от начальных условий, и следствием их незначительного изменения может стать то, что торнадо придет в другой день, а не сегодня.

Взмах крыльев бабочки в Бразилии вызовет торнадо в штате Техас.

Эдвард Лоренц, объяснение эффекта бабочки

В принципе, можно подумать, что детерминированный хаос недалек от примера с подбрасываемым кубиком. В конце концов, движение кубика тоже чувствительно к начальным условиям, и если мы подбросим кубик чуть сильнее или чуть выше, то получим совсем другой результат. Но у кубика есть много свойств, которые мы не можем контролировать: потертость одной из граней, небольшие скосы поверхностей, неровности стола и так далее. То, что описал Лоренц, представляет собой систему с тремя переменными, поведение которой непредсказуемо. Сегодня известно много примеров, аналогичных примеру Лоренца, их изучение привело к появлению таких математических структур, как фрактал и странный аттрактор. Любопытно, что в результате всего этого непредсказуемость проникла в недра классической механики, то есть в наш повседневный мир. В данном конкретном случае физика идет в противоположном направлении по отношению к тому, что ожидал Планк. Но из этого не стоит делать слишком радикальных выводов. С тех пор как был принят принцип неопределенности, благодаря более глубокому пониманию динамики физических систем, развитию информатики и, конечно, более совершенной сети наблюдения метеорологический прогноз является более точным, чем когда-либо.

Что касается социальных наук, то можно сказать, что их путь противоположен пути, пройденному физикой. Принцип причинности остается фундаментальным для ученых, исследующих общество и человека. Когда статистическая аномалия повторяется или ее значение велико, необходимо искать ее причину. Этот подход позволил получить новые лекарства, определить факторы риска того или иного заболевания иногда для целых народов. Появляется все больше исследований, соотносящих поведение человека с генетическим наследством, социальными или экономическими условиями, семьей. Все это довольно сложно, но можно сказать, что конечная цель предполагает обнаружение причин всего, что с нами происходит. Вопросы о свободе воли, волновавшие Планка, не теряют актуальности: являемся ли мы в конечном счете «бездушными автоматами в железных рамках закона причинности»? Есть ли в цепи причинности природных явлений место для свободного и ответственного волеизъявления индивидуума?