"Дао физики" - читать интересную книгу автора (Капра Фритьоф)

Глава 10. ЕДИНСТВО ВСЕГО СУЩЕГО

Хотя духовные традиции, описанные в предыдущих пяти главах, отличаются во многих деталях, их характеризует одно и то же мировоззрение. Оно основано на мистическом, то есть прямом, не опосредованном рассудком восприятии действительности, которое имеет определенное количество характерных черт, не зависящих от того, на каком географическом, историческом и культурном фоне разворачивается данная традиция. Индуист и даос могут выделять разные аспекты этого мировосприятия, японский и индийский буддисты могут по-разному описывать свои ощущения, но основные элементы мировоззрения всех этих традиций совпадают. Кроме того, все говорит о том, что эти элементы наличествуют и в мировоззрении современной физики.

Самая важная характерная черта восточного мировоззрения, можно сказать, его сущность, — осознание единства и взаимосвязанности всех вещей и явлений, восприятие всех явлений природы в качестве проявлений лежащего в основе единства. Все вещи рассматриваются как взаимозависимые и нераздельно связанные части этого космического целого, как различные проявления одной и той же высшей реальности. Восточные традиции неоднократно упоминают о высшей, неделимой реальности, воплощениями которой служат все вещи, являясь, таким образом, ее составными частями. В индуизме она называется Брахман, в буддизме — ДХАРМАКАЙЯ, в даосизме — Дао. Поскольку она находится вне всех понятий и категорий, буддисты также называют ее ТАТХАТА, или «таковость»: «То, что в душе, называется „таковостью“, есть единство множественности вещей, великое всеобъемлющее целое» [2,55].

В обычной жизни мы не осознаем этого единства, разделяя мир на самостоятельные предметы и события. Безусловно, это разделение помогает нам иметь дело с нашим повседневным окружением, не являясь, тем не менее, фундаментальным свойством действительности. Это абстракция, порожденная нашим разграничивающим и категоризирующим интеллектом. Уверенность в реальности наших абстрактных понятий самостоятельных «вещей» и «событий» — не более, чем иллюзия. Индуисты считают, что эта иллюзия порождена АВИДЬЕЙ, то есть неведением ума, околдованного МАЙЕЙ. Поэтому основной задачей восточных мистических традиций является «исправление» сознания при помощи медитации, которая делает его уравновешенным и спокойным. САМАДХИ, что значит на санскрите «медитация», буквально переводится как «душевное равновесие». Здесь имеется в виду то уравновешенное и безмятежное состояние сознания, при котором становится возможным восприятие принципиального единства Вселенной: "Входя в чистейшее САМАДХИ, обретаешь проницательнейшее прозрение, позволяющее осознать абсолютное единство Вселенной [2, 93].

Принципиальное единство Вселенной осознается не только мистиками, это — одно из основных открытий, или, вернее сказать, откровений современной физики. Оно становится очевидным уже на уровне атома и делается все более несомненным по мере дальнейшего проникновения в толщу вещества, вплоть до мира субатомных частиц. Сравнивая современную физику с восточной философией, мы будем постоянно обращаться к теме единства всех вещей и событий. Обсуждая различные модели субатомной физики, мы увидим, что они снова и снова воплощают одно и то же прозрение, заключающееся в том, что все составные части материи и основные явления, в которых они принимают участие, взаимосвязанны, родственны и взаимозависимы, что они не могут иметь различную природу, и должны рассматриваться в качестве неотъемлемых частей одного целого.

В этой главе я расскажу о том, как теория атомных явлений, то есть квантовая теория, обнаруживает принципиальное единство Вселенной, тщательно анализируя процесс наблюдения. Должен заметить, что, хотя я постарался выбросить всю математику и как можно больше упростить анализ, последующие рассуждения могут показаться читателю слишком сухими и техническими. Возможно, к этому лучше подходить как к «йогическому» упражнению, которое, как многие упражнения, использующиеся восточными традициями, не похоже на развлечение, но в результате приводит к глубокому блистательному прозрению сущности вещей. Прежде чем окунуться в среду физики, хотелось бы еще раз напомнить о различии между математическим скелетом теории и ее словесным описанием. Математическая сторона квантовой теории неоднократно подвергалась экспериментальной проверке, и теперь является общепринятым описанием всех атомных явлений — последовательным и непротиворечивым. Однако словесное истолкование квантовой теории не имеет столь твердой почвы под ногами. И действительно, вот уже на протяжении более сорока лет физики не могут остановиться на какой-либо метафизической модели, которая четко соответствовала бы квантовой теории.

Этот рассказ основан на так называемой копенгагенской интерпретации квантовой теории, разработанной в конце двадцатых годов нашего века Бором и Гейзенбергом и до сих пор являющейся наиболее общепринятой моделью. Я буду опираться на описание этой модели, данное в работе Генри Стаппа из Калифорнийского университета и сосредотачивающееся на соответствующих аспектах квантовой теории и на определенной разновидности экспериментальных ситуаций, которая часто встречается в субатомной физике (другие аспекты теории мы будем рассматривать позже) [70, 1303]. Стапп самым очевидным образом доказывает, что одно из следствий квантовой теории — представление о принципиальной взаимосвязанности всех явлений природы, а также описывает теорию в том контексте, который будет необходим в дальнейшем, при рассмотрении релятивистских моделей субатомных частиц.

Отправной пункт копенгагенской интерпретации — разделение физического мира на наблюдаемую систему («объект») и наблюдающую систему. Наблюдаемая система может быть атомом, субатомной частицей, атомным процессом и т. д. Наблюдающая система состоит из экспериментального оборудования и одного или нескольких людей-наблюдателей. Значительная сложность заключается в том, что две эти системы рассматриваются совершенно по-разному. Наблюдающую систему описывают в терминах классической физики, что не может быть сделано по отношению к наблюдаемому «объекту» с должной последовательностью. Мы знаем, что классические представления неадекватны на уровне атома, но пользуемся ими для описания экспериментов и подведения итогов. И нет возможности избежать этого парадокса. Технический язык классической физики — лишь очищенный и усовершенствованный повседневный язык, и для описания результатов экспериментов мы не располагаем ничем иным.

Квантовая теория описывает наблюдаемые системы в терминах вероятностей. Это значит, что мы никогда не можем с точностью утверждать, где будет находиться в определенный момент субатомная частица и каким образом будет происходить тот или иной атомный процесс. Все, что мы можем сделать, это предсказать вероятности. Например, большинство частиц, известных в настоящее время, неустойчивы, то есть они, по прошествии определенного времени, распадаются, или «разлагаются», на другие частицы. И точно сказать, когда это произойдет, нельзя. Мы можем только предсказать вероятность распада частицы по прошествии определенного времени, то есть указать среднюю продолжительность существования большей части частиц какой-то определенной разновидности. То же самое можно сказать о «способе» распада. Как правило, частица может распасться на различное количество разнообразных частиц, и снова мы не можем предугадать, какие именно частицы станут продуктом распада исходной частицы. Единственное, что мы можем сказать, это то, что из некоторого большого количества частиц, скажем, шестьдесят процентов частиц распадутся одним образом, еще тридцать — другим, и, наконец, еще десять процентов — третьим. Понятно, что для того, чтобы проверить истинность таких статистических выкладок, нужно произвести множество измерений. И это действительно так — ведь для того, чтобы произвести один эксперимент в области физики высоких энергий, фиксируются и подвергаются анализу десятки тысяч столкновений частиц, и только тогда можно определить вероятность какого-либо процесса.

Важно осознать, что статистические формулировки законов атомной и субатомной физики не отражают нашего незнания физической ситуации, как в случае с использованием вероятностей страховыми компаниями или игроками в азартные игры. В квантовой теории вероятность следует воспринимать как основополагающее свойство атомной действительности, управляющее ходом всех процессов и даже существованием материи. Субатомные частицы не столько существуют в определенное время в определенных местах, сколько «могут существовать», а атомные явления не столько происходят определенным образом в определенные моменты времени, сколько «могут происходить».

Так, мы не можем точно сказать, где в данный момент находится электрон данного атома. Его местонахождение зависит от действия силы притяжения ядра и воздействия других электронов того же атома. Эти обстоятельства создают вероятностную модель местонахождения электрона в различных областях атома. Иллюстрация на рис. 9 может служить примером нескольких вероятностных моделей. Электрон, вероятнее всего, находится там, где фон светлый, и, менее вероятно, там, где фон темный. Очень важный момент — то, что весь паттерн соответствует одному электрону в данный момент. Внутри паттерна мы не можем указать конкретное местонахождение электрона, мы можем лишь с какой-то вероятностью указать область его пребывания. На языке формальной математики эти тенденции, или вероятности, выражаются вероятностной функцией — математической величиной, характеризующей вероятности местонахождения электрона в разных точках в разное время.

Контраст между двумя типами описания — классические термины для подготовки эксперимента и вероятностные функции для наблюдаемых объектов — приводит к серьезным метафизическим проблемам, которые до сих пор остаются нерешенными. Тем не менее, на практике эти проблемы попросту обходят, описывая наблюдающую систему в операциональных терминах, то есть в терминах предписаний, позволяющих ученым подготовить и провести эксперимент. Благодаря этому измерительные приборы и сами ученые представляют собой единую комплексную систему, которая не делится на самостоятельные, четко определенные части. Поэтому не нужно описывать экспериментальное оборудование как систему самостоятельной физической природы. Для дальнейшего описания процесса наблюдения мы приведем конкретный пример с простейшей физической единицей — субатомной частицей, такой, как электрон. Если мы задались целью наблюдать и измерять такую частицу, нам сначала придется ее изолировать или даже создать в процессе того, что называется подготовкой эксперимента. После того, как частица готова для наблюдения, можно измерить ее характеристики, и в этом состоит процесс измерения. Можно символически описать ситуацию следующим образом. Частицу А готовят в точке А, затем она перемещается из А в В и подвергается измерениям в точке В. На практике и подготовка и измерение частицы могут представлять собой целый ряд довольно сложных процессов. Так, например, в физике высоких энергий при подготовке столкновений частиц частицы-снаряды разгоняются, вновь и вновь двигаясь по круговой дорожке, до тех пор, пока их энергия не возрастет до нужного уровня. Этот процесс происходит в ускорителе частиц. Когда необходимое количество энергии приобретено, частицы покидают ускоритель (А) и перемещаются в район мишени (В), где сталкиваются с другими частицами. Столкновения происходят в пузырьковой камере: частицы оставляют видимые следы, которые потом фотографируются. Подвергая математическому анализу следы частиц, ученые могут говорить о свойствах частиц; при этом часто используют компьютеры: анализ очень сложен. Все эти процессы составляют акт измерения.

Важным моментом является то, что частица — это промежуточная система между процессами в точках А и В. Она существует и имеет смысл только в этом контексте — не как самостоятельная единица, а как промежуточное звено между процессами подготовки и измерения. Свойства частицы нельзя определить независимо от этих процессов. Если в подготовку эксперимента вносятся изменения, свойства частицы тоже изменяются.

С другой стороны, если мы говорим о «частице» или какой либо другой наблюдаемой системе, мы, очевидно, подразумеваем, что существует некоторая самостоятельная единица, которую сначала подготавливают, а потом измеряют. Основная проблема наблюдения в атомной физике, по словам Генри Стаппа, заключается в том, что «наблюдаемая система должна быть изолированной, чтобы ее можно было определить, и, в то же время, взаимодействующей для того, чтобы ее можно было наблюдать» [70, 1303]. Квантовая теория решает эту проблему прагматическим образом, выдвигая требование, которое заключается в том, что наблюдаемая система должна быть свободна от внешних воздействий, вызванных процессом наблюдения, на протяжении определенного периода времени между подготовкой и последующим измерением. Это возможно в том случае, если подготавливающие и измеряющие приспособления находятся на большом физическом удалении, так что наблюдаемый объект может переместиться из точки подготовки в точку измерения.

Насколько же большим должно быть пространство между приборами и объектом? В принципе, оно должно быть бесконечно большим. В рамках квантовой теории, понятие самостоятельной физической единицы четко определено только при том условии, что эта единица достаточно удалена от средств наблюдения. На практике это невозможно, да и не нужно. Здесь нам следует не забывать об основном принципе современной науки — принципа относительности всех понятий и теории. В данном случае это означает, что понятие самостоятельной физической единицы не обязательно должно быть четко определено: достаточно приблизительного определения. Это делается следующим образом. Наблюдаемый объект — это воплощение взаимодействия между процессами подготовки и измерения. Как правило, это взаимодействие носит сложный характер и состоит из различных эффектов, действующих на различных расстояниях — имеет различные «ранги», как говорили физики. Теперь, если наиболее важная часть взаимодействия имеет длинный ранг, проявление этого эффекта с длинным рангом переместится на большое расстояние. В таком случае оно будет свободно от внешних воздействий и сможет рассматриваться в качестве самостоятельной физической единицы. Поэтому в рамках квантовой теории все самостоятельные физические единицы представляют собой идеальные модели, имеющие значение лишь при таком условии, что основная часть взаимодействия характеризуется длинным рангом. Подобную ситуацию можно четко определить с математической точки зрения. В физическом отношении она объясняется тем, что измерительные приборы находятся настолько далеко, что в основном взаимодействуют не с исходной, то есть подготовленной частицей, а с частицей или, в более сложных случаях, целой цепочкой частиц, возникшей при участии исходной частицы. Безусловно, помимо этого основного эффекта, будут присутствовать и другие, но ими можно пренебречь в силу достаточного удаления измерительных приборов. Только если приборы не удалены на достаточное расстояние, становятся важными и эффекты короткого ранга. В этом случае вся макроскопическая система образует единое целое, и понятие изолированного объекта утрачивает смысл.

Так, квантовая теория свидетельствует о принципиальном единстве Вселенной. Она показывает, что нельзя разложить мир на независящие друг от друга мельчайшие составляющие. В послесловии мы более подробно поговорим об этой квантовой взаимосвязанности в терминах «нелокальных» соединений, постулированных теоремой Белла. Углубляясь в толщу материи, мы обнаруживаем, что она состоит из частиц, которые, тем не менее, не похожи на «строительные кирпичики» в понимании Демокрита и Ньютона. Это просто идеальные модели, удобные с практической точки зрения, но лишенные фундаментального знания. По словам Нильса Бора, «изолированные материальные частицы — это абстракции, свойства которых могут быть определены и зафиксированы только при их взаимодействии с другими системами» [6,57].

Копенгагенская трактовка квантовой теории не является общепринятой. Было выдвинуто несколько альтернативных вариантов интерпретации, и возникающие при этом философские проблемы еще очень далеки от решения. И все же всеобщая взаимосвязанность всех вещей и событий, очевидно, принципиально присуща атомной действительности, несмотря на разнообразие интерпретаций математического содержания теории. Следующий отрывок из недавней публикации Дэвида Бома, одного из главных оппонентов копенгагенской трактовки, красноречиво свидетельствует об этом: «Возникает новое представление о неразрывном единстве, отрицающее классические понятия о том, что мир можно разложить на самостоятельные, не зависящие друг от друга части... Общепринятые классические понятия о том, что фундаментальной реальностью являются именно эти независимые „элементарные составные части“ мира и что самые разнообразные системы возникают вследствие различных соединений и взаиморасположений этих частей, превращаются в свою противоположность, что неделимое квантовое единство всей Вселенной является наиболее фундаментальной реальностью, а эти относительно независимые составные части — только лишь частные единичные формы внутри этого единства» [5, 96]. Итак, на уровне атома твердые материальные объекты классической физики превращаются в вероятностные схемы, которые, к тому же, отражают не столько вероятности вещей, сколько вероятности соединений между ними. Квантовая теория заставляет нас взглянуть на мир не как на коллекцию физических объектов, а как на сложную сеть взаимоотношений различных частей единого целого. И в то же время именно так всегда воспринимали мир восточные мистики, и высказывания некоторых из них почти полностью совпадают со словами атомных физиков. Вот два примера:

Если эти утверждения могут служить образцом того, какой представляется природа восточным мистикам, то два следующих утверждения, сделанных атомными физиками, могут рассматриваться в качестве точного описания мистического мировосприятия:

Образ переплетенной космической сети, порожденной исследованиями современной атомной физики, широко использовался на Востоке для того, чтобы охарактеризовать мистическое восприятие природы. Для индуистов Брахман — это основная нить космической сети, конечная основа всего сущего:

В буддизме образ космической сети играет еще более важную роль. Основное содержание «Аватамсака-сутры» (см. гл. 6) — описание мира как совершенной сети взаимоотношений, в которой все вещи и явления взаимодействуют друг с другом бесконечно сложным образом. Буддизм Махаяны располагает большим количеством притч и сравнений, иллюстрирующих эту вселенскую взаимосвязанность, некоторые из которых мы будем обсуждать в дальнейшем в связи с релятивистской версией «философии сети» в современной физике.. И наконец, космическая сеть играет главную роль о тантрическом буддизме, одно из течений Махаяны, возникшем в Индии примерно в третьем веке н. э. и представляющем собой основную школу тибетского буддизма на данный момент. Сочинения этой школы называются тантрами (санскритский корень этого слова означает «ткать»). Это название должно указывать на взаимопереплетенность и взаимозависимость всех вещей и явлений.

В восточном мистицизме эта вселенская взаимопереплетенность всегда включает и человека-наблюдателя вместе с его сознанием, и то же самое можно сказать об атомной физике. На уровне атома «объекты» могут быть поняты только в терминах взаимодействия между процессами подготовки и наблюдения. Конечным звеном цепочки всегда будет человеческое сознание. Измерения — это такие взаимодействия, которые порождают определенные «ощущения» в нашем сознании — например, зрительное ощущение вспышки света или темного пятнышка на фотографической пластинке — а законы атомной физики говорят нам, с какой вероятностью будет атомный объект порождать определенное ощущение если мы позволим ему взаимодействовать с нами. «Естественные науки, — говорит Гейзенберг, — не просто описывают и объясняют явления природы; это часть нашего взаимодействия с природой» [34, 81].

Определяющей чертой атомной физики является то, что человек-наблюдатель необходим не только для того, чтобы наблюдать свойства объекта, но и для того, чтобы дать определение самим этим свойствам. В атомной физике мы не можем говорить о свойствах объекта как таковых. Они имеют значение только в контексте взаимодействия объекта с наблюдателем. По словам Гейзенберга, «то, с чем мы имеем дело при наблюдении, это не сама природа, но природа, доступная нашему методу задавать вопросы» [34, 58]. Наблюдатель решает, каким образом он будет осуществлять измерения, и в зависимости от его решения получают характеристику свойства наблюдаемого объекта. Если эксперимент проводится по-другому, то свойства наблюдаемого объекта тоже изменяются.

Приведем несложный пример с субатомной частицей. Наблюдая такую частицу, можно захотеть измерить, среди других свойств, положение частицы и ее импульс (величину, определяющуюся произведением массы частицы на ее скорость). В следующей главе мы увидим, что один из важных законов квантовой теории, принцип неопределенности Гейзенберга, свидетельствует, что эти две величины не могут быть одновременно измерены с одинаковой точностью. Мы можем или получить точные сведения о местонахождении частицы и при этом не знать ничего о ее импульсе (а следовательно, и скорости), или наоборот: либо же обе величины будут охарактеризованы грубо и неопределенно. Важным моментом является то, что это ограничение не имеет никакого отношения к несовершенству наших измерительных приборов. Это принципиальное ограничение, обусловленное самой природой атомной действительности. Если мы собираемся точно определить местонахождение частицы, она просто НЕ ИМЕЕТ определенного импульса, а если мы хотим измерить импульс, она не имеет точного местонахождения.

Следовательно, в атомной физике ученый не может играть роль стороннего наблюдателя, он обречен быть частью наблюдаемого им мира до такой степени, что он сам воздействует на свойства наблюдаемых объектов. Джон Уилер считает, что активное участие наблюдателя — самая важная особенность квантовой теории, и предлагает поэтому заменить слово «наблюдатель» словом «участник». По словам самого Уилера: «Самое важное в квантовом принципе — это то, что он разрушает представление о мире, „бытующем вовне“, когда наблюдатель отделен от своего объекта плоским стеклянным экраном толщиной в двадцать сантиметров. Даже для того, чтобы наблюдать такой крошечный объект, как электрон, приходится разбить стекло. Наблюдатель должен забраться под стекло сам, разместить там свои измерительные приборы. Он должен сам решить, что измерять — импульс или местонахождение. Если ввести туда оборудование, способное измерить одну из этих величин, это исключит возможность размещения аппаратуры, способной измерить другую. Более того, в процессе измерения изменяется состояние самого электрона. После этого Вселенная никогда не станет такой, какой она была раньше. Для того, чтобы описать то, что происходит, нужно зачеркнуть слово „наблюдатель“ и написать „участник“. В каком-то непредвиденном смысле, наша Вселенная — это участвующая Вселенная» [56, 244].

Идея «соучастия вместо наблюдения» была сформулирована современной физикой совсем недавно, однако она хорошо знакома всем последователям мистицизма. Нельзя приобрести мистическое знание путем простого наблюдения — необходимо участвовать в процессе постижения истины всем своим существом. Понятие участника является ключевым для мистицизма Востока. Используя его, мистики приходят к выводу о том, что наблюдатель и наблюдаемое, субъект и объект не только не могут быть разделены — они просто неотличимы друг от друга. Их не устраивает такая ситуация, которая к настоящему времени возникла в атомной физике и при которой наблюдатель и наблюдаемое не могут быть разделены, но сохраняют отличия друг от друга. Они идут дальше, и при помощи глубокого погружения в медитацию достигают состояния, при котором отличия наблюдателя от наблюдаемого исчезают, не оставляя малейшего следа, а субъект и объект сливаются в единое неразделимое целое. Так, в Упанишадах говорится:

Так выглядит полное осознание единства всего сущего. Оно достигается, как утверждают мистики, в таком состоянии сознания, когда индивидуальность растворяется в недифференцированной цельности, когда созерцатель выходит за рамки человеческих чувств, и представление о «вещах» остается позади. По словам Чжуан-цзы, «Исчезает моя связь с телом и его частями. Отбрасываются за ненадобностью мои органы чувств. Таким образом, покидая свою материальную оболочку и прощаясь со своим знанием, я сливаюсь с Великим Проникновением. Это я и называю: сидеть, забыв обо всем» [17, гл 6].

Безусловно, современная физика работает в совершенно иных рамках и не может настолько далеко углубиться в переживание единства всех вещей. Однако ее теория атома — большой шаг в сторону мировоззрения восточного мистицизма. Квантовая теория опровергла представления об объектах, обладающих фундаментальной независимостью друг от друга, ввела понятие «участник» вместо понятия «наблюдатель» и даже, возможно, потребует включить в свое описание мира человеческое сознание (об этом мы поговорим в главе 18). Она стала рассматривать Вселенную в качестве переплетающейся сети физических и психологических взаимоотношений, части которой могут быть определены только в терминах их связей с целым. Для того, чтобы кратко охарактеризовать мировоззрение атомной физики, наилучшим образом подходят слова тантрийского буддиста Ламы Ангарики Говинды: