Розділ «3.5 Квантова механіка»

Принцип додатковості, сформульований Н. Бором у 1927 році, є однією з найглибших філософських та природничонаукових ідей нашого часу. З цією ідеєю можна порівняти лише такі ідеї, як принцип відносності або уявлення про фізичне поле.

Поштовхом до створення Бором його принципу додатковості виявилися результати Гейзенберга — його знамените "співвідношення невизначеностей". Бор звернув увагу на той факт, що координату та імпульс частинки не можна виміряти не тільки одночасно, але й за допомогою одного приладу. Ці вимірювання мають виконуватися з використанням приладів, що істотно розрізняються; несумісність цих приладів природно зумовлюється суперечливістю властивостей, що досліджуються з їх допомогою. Ці властивості дійсно несумісні, але однаково необхідні для повного опису об'єкта. Додатковість — так визначив Бор ці властивості.

Справді, потік світла ми досліджуємо із двох позицій. По-перше, за допомогою різних спеціальних методів досліджуються спектральні характеристики світла — які довжини хвиль є у випромінюванні, а, по-друге, — його енергетичні характеристики, оскільки визначається розподіл енергії в спектрі. У першому випадку вивчаються хвильові властивості світла, а в другому — корпускулярні, тому що енергію переносять фотони. Ці характеристики вивчаються за допомогою принципово різних приладів; вони є взаємодоповнюючими, так як хвильові та корпускулярні показники однаковою мірою необхідні для повного опису такого явища, як світло.

У перекладі на мову абстрактних понять наведене міркування можна узагальнити у такий спосіб. Квантовий об'єкт — це "річ у собі", поки ми не визначили способу його спостереження. Різні властивості вимагають використання різних способів, іноді несумісних між собою. Фактично виникає "експериментальна ситуація", дійовими особами якої виступають взаємозалежні "об'єкт" і "спостереження"; одне без одного вони не мають сенсу. Результат реалізації експериментальної ситуації (явище) відбиває вплив приладу на досліджуваний об'єкт. Вибираючи різні прилади, ми змінюємо експериментальну ситуацію і вивчаємо різні явища. І хоча додаткові явища не можна вивчити одночасно, в одному досліді, вони однаково необхідні для повного опису об'єкта дослідження.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм викликає в недосвідченої людини цілком природний опір — поняття "частинка" і "хвиля" нам важко об'єднати у свідомості. Цю причину несумісності в нашій свідомості додаткових понять, однак, можна пояснити. Щоб пояснити результати дослідження мікросвіту, ми змушені вдаватися до наочних образів, які виникли ще в донаукові часи, і ці образи є не зовсім придатними для наших цілей. Серед основних положень формальної логіки — "правило виключеного третього": із двох протилежних висловлювань одне є істинним, інше — хибним, а третього бути не може. У класичній фізиці не було випадку, який би викликав сумнів у цьому правилі, оскільки поняття "частинка" і "хвиля" дійсно протилежні й несумісні. Але виявилося, що у квантовій фізиці вони однаково добре застосовні для опису властивостей тих самих об'єктів, і використовувати їх треба одночасно. Бор пояснив, що не можна беззастережно застосовувати класичні поняття для опису квантових явищ. У квантовій фізиці змінюються не тільки поняття, але і постановка питань про сутність фізичних явищ. Паулі навіть пропонував назвати квантову механіку "теорією додатковості" за аналогією з теорією відносності Ейнштейна.

На ідеально поставлене питання можна відповісти коротко: "так" чи "ні". Бор довів, що питання "хвиля чи частинка" стосовно до атомного об'єкта поставлено неправильно, таких роздільних властивостей атом не має, і тому на це питання не можна дати однозначну відповідь "так" чи "ні". Квантовий об'єкт — це не частинка і не хвиля, і ні те, ні інше одночасно. Квантовий об'єкт — це щось третє, таке, що не дорівнює сумі властивостей хвилі й частинки, аналогічно, як русалка — це не сума жінки й риби. У нас немає органів відчуттів і образів, щоб уявити собі властивості цієї атомної реальності. Дві додаткові властивості квантового об'єкта не можна розділити, не зруйнувавши при цьому повноту і єдність природи.

Гейзенберг відкинув ідеалізацію класичної фізики — поняття "стан фізичної системи, незалежний від спостереження". Цим він передбачив один з наслідків принципу додатковості, оскільки "стан" і "спостереження" — додаткові поняття. Узяті порізно — вони неповні, і тому можуть бути визначені тільки спільно, одне через інше. Більш строго, вони взагалі не існують порізно: ми завжди спостерігаємо не взагалі щось, а неодмінно якийсь стан. Г навпаки: усякий стан — це річ у собі доти, поки ми не знайдемо спосіб його спостереження.

Поняття "хвиля" й "частинка", "стан" і "спостереження" — це ідеалізації, необхідні для розуміння квантового світу. Класичні картини е додатковими в тому розумінні, що для повного опису сутності квантових явищ необхідне їх гармонійне сполучення. Однак у межах звичної логіки вони можуть існувати незалежно, якщо області їх застосовності взаємно обмежені.

Ці й інші подібні приклади, як показав Бор, є окремими проявами загального правила* будь-яке істинно глибоке явище природи не можна визначити однозначно за допомогою слів нашої мови; воно вимагає для свого визначення принаймні двох взаємовиключних додаткових понять. Це означає, що за умови збереження нашої мови й звичної логіки мислення у формі додатковості встановлює межі для точного формулювання понять, які відповідають істинно глибоким явищам природи. Такі визначення або однозначні, але неповні, або повні, але тоді неоднозначні, оскільки містять у собі додаткові поняття, несумісні в межах звичайної логіки. Серед таких понять — поняття "життя", "квантовий об'єкт", "фізична система" і навіть саме поняття "Пізнання природи".

Бор провадив величезну й напружену роботу, досліджуючи застосування поняття додатковості й в інших, крім фізики, галузях знання. Цю задачу він вважав не менш істотною, ніж чисто фізичні дослідження.

Чи зводяться біологічні закономірності до фізико-хімічних процесів? На перший погляд, усі біологічні процеси визначаються рухом частинок, з яких складається жива матерія. Граничне вираження такої точки зору — визначення фізіології як "фізичної хімії азотовмісних колоїдів". Але такий погляд відображає тільки одну сторону справи. Інша сторона, більш важлива — закономірності живої матерії, що хоч і визначаються законами фізики і хімії, але не зводяться до них. Для біологічних процесів характерна фіналістична закономірність, яка відповідає на питання "навіщо?". Фізику ж цікавлять тільки питання "чому?" і "як?". Віталісти вважають істотною тільки біологічну закономірність, заперечуючи фізико-хімічний аспект біологічних процесів.

Правильне розуміння біології є можливим тільки на основі додатковості фізико-хімічної причинності й біологічної цілеспрямованості. Поняття додатковості дозволяє здійснювати опис живих процесів на основі взаємодоповнюючих підходів.

У статті "Світло і життя" Бор зауважує, що "безупинний обмін речовин між організмом і навколишнім середовищем необхідний для підтримування життя, внаслідок чого чітке виділення організму як фізико-хімічної системи уявляється неможливим. Тому можна вважати, що будь-яка спроба провести різку грань, що дозволяє здійснити вичерпний фізико-хімічний аналіз, ви кличе такі зміни в обміні речовин, які є несумісними із життям організму...".

Дійсно, намагаючись вивчити деталі механізму життєдіяльності клітини, ми піддаємо її різним, часом згубним впливам - нагріванню, пропущенню електричного струму, дослідженню в електронному мікроскопі і т.д. Зрештою ми зруйнуємо клітину і тому нічого не довідаємося про неї як про цілісний живий організм. Проте відповідь на питання "Що таке життя?" вимагає і і аналізу, і синтезу одночасно. Процеси ці несумісні, але не суперечливі, а додаткові, і необхідність брати їх до уваги одночасно — лише одна з причин, із яких досі не існує відповіді на питання про сутність життя.

Бор багато міркував над застосуванням поняття додатковості в психології. Він казав: "Ми всі знаємо старе висловлення стосовно того, що, намагаючись аналізувати наші переживання, ми перестаємо їх відчувати. У цьому сенсі слова ми виявляємо, що між психологічними дослідами, для опису яких доцільно вживати слова "думки" і "почуття", існує співвідношення додатковості, подібне тому, яке існує між даними про поводження атомів".

Фізична картина явища і його математичний опис є додатковими. Створення фізичної картини вимагає нехтування деталями й не веде до математичної точності. І навпаки, спроба точного математичного опису явища утруднює його розуміння.

Наука — це тільки один зі способів вивчення навколишнього світу; інший, додатковий спосіб, втілений у мистецтві. Спільне існування мистецтва й науки — одна з ілюстрацій принципу додатковості. Стрижень науки — логіка й досвід; основа мистецтва — інтуїція і прозріння. Вони не суперечать, а доповнюють одне одного: справжня наука подібна до мистецтва — точно так само, як справжнє мистецтво завжди містить у собі елементи науки. У вищих своїх проявах вони нерозрізнені і нероздільні, як властивості "хвиля-частинка" в атомі. Вони відображають різні додаткові сторони людського досвіду й лише взяті разом дають нам повне уявлення про світ. Ми тільки не знаємо, на жаль, "співвідношення невизначеностей" для сполученої пари понять "наука-мистецтво", а тому і міру збитковості при однобічному сприйнятті життя.

Ця аналогія, як і будь-яка аналогія, і неповна, і нестрога. Вона тільки допомагає відчути єдність і суперечливість усієї системи людських знань.

На питання "Що є додатковим стосовно поняття істини?" Бор відповів: "Зрозумілість".