Представьте себе также ученого, вооруженного идеальным микроскопом. Его задача — разглядеть влетевший в ящик электрон и зафиксировать его положение.
Чтобы что-нибудь увидеть, надо на предмет направить луч света, не так ли? Но луч света состоит из частиц-фотонов. Что же произойдет, когда очередь из фотонов обстреляет электрон? Прежде всего под их ударами он изменит направление своего полета. Это нехорошо. Потому что изменится импульс, и мы увидим уже не первоначальный электрон, а измененный. А нельзя ли как-нибудь увидеть электрон, не сбивая его с пути? Такую задачу предложил однажды Гейзенберг своим коллегам в Копенгагене. Физики-теоретики очень любят мысленные эксперименты. Это как бы пробные камни, на которых они проверяют свои идеи.
Коллеги Гейзенберга задумались, но были вынуждены признать, что, пожалуй, никакого иного способа увидеть и не испортить движения электрона придумать нельзя, кроме как уменьшить количество фотонов, обстреливающих летящий электрон, до минимума. Ну, скажем, до одного фотона, но и этого много.
Гейзенберг предложил уменьшить энергию фотона, «освещающего» электрон, настолько, чтобы он не оказывал на летящий электрон никакого воздействия. Как это сделать? Можно попробовать, зная, что энергия фотона по формуле Планка пропорциональна частоте E = hv, уменьшать частоту, то есть увеличивать длину световой волны. Но чем длиннее волна света, тем более расплывчатыми станут границы и контуры мелкого предмета в нашем сверхмикроскопе…
В. Гейзенберг и Н. Бор в столовой Копенгагенского института
Что же получается? Ясно увидеть частицу (иначе говоря — определить ее положение) можно, лишь согласившись на то, что при этом будет в корне испорчено ее движение (скорость, траектория, импульс).
А определить движение частицы можно, лишь согласившись с тем, что мы заранее откажемся от знания ее местонахождения…
Этот вывод был назван Гейзенбергом «соотношением неопределенностей». Он сыграл весьма важную роль во всем дальнейшем развитии физики микромира.
Многие физики и философы, познакомившись с новым принципом, почувствовали растерянность. Ведь с самого начала, с самого возникновения точной науки физики, ученые пребывали в уверенности, что любое движение и развитие материального мира имеют свои причины и однозначно подчиняются строгим и определенным законам природы.
Подобный взгляд был наиболее четко выражен французским математиком и астрономом П. Лапласом, утверждавшим, что если бы существовал такой разум, который имел бы полные сведения о состоянии Вселенной в данный момент, то для него «не существовало бы ничего недостоверного, и будущее, как и прошедшее, было бы в его глазах настоящим».
Надо признать, что у ученых классического периода физики были основания для подобного утверждения. Зная силы, действующие в мировом пространстве, астрономы с большой точностью, например, предсказывали солнечные затмения. Зная направление и силу удара, специалисты по механике могли заранее начертить траекторию движения биллиардного шара.
И если согласиться с тем, что весь наш мир, вся наша Вселенная получила некогда в начале своего «сотворения» общий толчок, то можно было прийти к выводу, что именно этот первоначальный толчок и предопределил все ее развитие на будущее. Мир оказывался строго детерминированным, запрограммированным на все время своего существования. И знай мы все начальные условия этой программы, будущее нашего мира не являлось бы для нас закрытой книгой.
Такое представление об однозначно запрограммированном мире носило название «лапласовского детерминизма» и являлось одной из основ классической физики.
И вдруг появляется квантовая механика, появляется принцип неопределенности, требующие определять движение электрона законами, в которых существенную роль играет вероятность… Имея дело со статистическими законами, квантовая механика давала возможность получить из всех данных о начальных условиях не однозначно определенную программу «поведения» микрообъектов, а лишь вероятностную характеристику будущего положения электронов и других внутриатомных частиц. Это положение как нельзя лучше соответствовало корпускулярно-волновому характеру частиц, подчеркивало дуализм их истинной природы.
Но одновременно отказ от механического «лапласовского» детерминизма приводил и к целому ряду трудностей. Физика теряла наглядность. Описания явлений приобретали абстрактную, чисто математическую форму, за которой уже не просматривались четкие силуэты физических объектов.
Так, например, раз уж соотношение неопределенностей запрещало частицам одновременно и занимать точно определенное положение и иметь точно определенный импульс, то не могли существовать и круговые орбиты электронов. Каждому состоянию частицы можно было приписать лишь свое распределение вероятностей, которое говорило бы только о возможности того, что электрон находится в заданной точке пространства, но ничего не говорило о том, как и куда он движется.
Были найдены и другие виды неопределенностей для иных пар величин, принятых за образец. Например, для энергии и времени, для момента количества движения и угла…
Но как же быть? Не становится ли в связи с этим наше представление о мире зыбким и призрачным, не расплывается ли четкая картина мира перед нашим взором? И не оказываются ли наши материалистические понятия о веществе и поле, как о частице и волне, изменчивыми и мимолетными?..
Эти сомнения повергали в уныние не только тех, кто из вторых рук узнавал о выводах новой теории, но и самих ее творцов.
Идея о том, что все существующее возникает и уничтожается закономерно, в результате действия определенных причин, родилась очень давно. В своих «Философских тетрадях» Владимир Ильич Ленин писал: «Тысячелетия прошли с тех пор, как зародилась идея «связи всего», «цепи причин». Это учение о всеобщей причинной материальной обусловленности природных, общественных и психических явлений называется детерминизмом.
Для своего времени, для той эпохи, когда мир считался единой замкнутой системой, такой взгляд, противопоставлявшийся идее божественного предопределения, мог считаться прогрессивным.
Но прошло время, и на смену существовавшим взглядам пришел неоспоримый «принцип неопределенности». Что же, детерминизм следует после этого отменить? Отменить сначала в малом, в микрообъектах, а там постепенно перебраться и в макромир?..
Нет! Слишком многообразны в материальном мире причинные связи, говорит диалектический материализм. Нельзя сложные и разнообразные законы природы выверять на простой модели принципов механического движения. Соотношение неопределенностей в микромире вовсе не означает, что для него вообще детерминизм теряет силу. Здесь оказывается непригоден механический детерминизм. Старый инструмент оказался для новой области знания слишком грубым, и нужен новый, хотя и основанный на том же принципе. Качественно различные формы движения материи нельзя сводить друг к другу и рассматривать все процессы по существующим грубым аналогиям. Нужно искать новые формы детерминизма, развивать его принципы дальше.
Бор, исходя из того же соотношения неопределенностей, пришел к выводу, что хотя понятия частицы и волны противоречивы, но они никогда «не работают» вместе, одновременно. Электрон и фотон в разных условиях опыта будут вести себя либо как волна, либо как частица. И каждый раз должны описываться единым, не противоречивым набором свойств, соответствующим их данной сущности. При этом другие свойства, другой их набор, не употребляющийся в данном описании, Бор предложил считать дополнительным. Он даже возвел это предложение в принцип, назвав его «принципом дополнительности». С помощью нового принципа классические понятия микромира дополнялись квантовыми и помогали ученым принять противоречивую природу исследуемых объектов. Принцип дополнительности стали всемерно развивать, и скоро эта идея, в общем специально предназначенная для развития квантовой физики, приобрела излишне всеобъемлющий характер, далеко выходящий за пределы физических явлений. Философы стали требовать «дополнительного» способа описания в других науках, совмещая несовместимое. Например, в психологии дополнительным к разуму рассматривался инстинкт. В юриспруденции — к правосудию — милосердие. В социологии — к личной свободе — социальное равенство и так далее.
В 1959 году в статье «Квантовая физика и философия» Бор писал: «Цельность живых организмов и характеристики людей, обладающих сознанием, а также и человеческих культур, представляют черты целостности, отображение которых требует типично дополнительного способа описания».
Такое широкое распространение физического принципа на явления биологического и даже социального характера было необоснованно. Но призрачная возможность заменить диалектику методом «дополнительности» увлекла ряд специалистов на Западе. И понадобились значительные усилия выдающихся ученых, зарубежных и советских, физиков и философов, чтобы расчистить путь истине и дать возможность физической теории развиваться дальше без помех.
В 1926—1927 годах, когда все эти теоретические споры только начинались, исход их далеко не был ясен. Ведь тогда убедительного доказательства двойной природы электрона не существовало. Никто еще в опыте не наблюдал его волновых свойств. А теория уже была готова и сторонники ее вступали в спор с теми, кто доказывал, что электрон — частица, и только.
Нужно было срочно придумывать и ставить такой опыт, который дал бы ясный ответ на вопрос о природе электрона. Время для такого эксперимента назрело…