текст
Интеллектуальный зверинец
В странном мире мы живем. В масштабе наших реалий многое, если не все, определено, объяснимо и предсказуемо: стакан падает вниз и разбивается, горячий чай остывает, суп, забытый на плите, прокисает, а наша сборная по футболу проигрывает решающий матч. В царстве тотального детерминизма властвуют законы классической механики, а для точного описания физических взаимосвязей достаточно дифференциального и интегрального исчислений.
Недаром профессор Мюнхенского университета Филипп фон Йолли (Philipp von Jolly; немецкий физик и математик) отговаривал Макса Планка (Max Planck) от намерения посвятить себя теоретической физике: «Вы погубите свой талант! Термодинамика поставит точку в физике как науке». И ведь с обывательской точки зрения старик был совершенно прав! Доказательством этому стала промышленная революция и появление таких механизмов и устройств, как паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, автомобиль, самолет, радио. Все они работали (и работают), опираясь на простые и непротиворечивые законы Ньютона и уравнения электромагнитного поля Максвелла. Человеку (не специалисту в теоретической физике) достаточно иметь представление об этих простых и доступных для наблюдения соотношениях, чтобы прослыть образованным и культурным индивидом.
Действительно, многие явления, связанные с теплотой, можно объяснить с помощью молекулярно-кинетической теории, основанной на простейших положениях механики. «Шарики»-молекулы (или атомы, не столь важно) летают в пространстве, стукаясь друг о друга и о стенки сосудов и подчиняясь великим законам сохранения импульса и энергии. Проблема заключается не в том, что действуют какие-то неведомые физические законы, а в том, что частиц очень и очень много. Если, исходя из принципа детерминизма, построить огромный арифмометр, способный рассчитывать положение и скорость ВСЕХ частиц во Вселенной, то мы сможем абсолютно точно знать все, что происходило и произойдет в любой момент времени. Не правда ли, похоже на всеведущего Бога?
Занятная штука: механике совершенно безразлично, куда идет время. Представьте: два шарика, столкнувшись, разлетаются в разные стороны, сохраняя суммарный импульс. Запустите «пленку» задом наперед – и принципиально ничего не изменится, картина взаимодействия будет такой же реальной, и общий импульс останется тем же самым! То, что справедливо для пары шариков, должно действовать и для сотни, тысячи, миллиона, миллиарда. Говоря иначе, поведение механической системы полностью обратимо. Вопрос в том, насколько удастся ее изолировать…
Но в жизни-то все по-другому! Биллиардные шары, раскатившиеся по столу, сами по себе никогда снова не соберутся в треугольник, даже если «запустить» их обратно точно по пройденным траекториям. Второе начало утверждает, что в результате любого самопроизвольного процесса возрастает энтропия системы, то есть степень ее хаотичности. В справедливости этого закона можно убедиться у себя дома: попробуйте не убираться хотя бы полмесяца! То-то. Порядок требует труда.
Впервые сформулированный немецким физиком Рудольфом Клаузиусом (Rudolf Clausius) закон, однако, подвергся суровой критике. Главный аргумент его противников можно было бы выразить так: «Какой беспорядок? Какой хаос? Сударь, да любой живой организм – лучшее опровержение вашего закона! Из беспорядочной кучи клеток возникает зародыш-эмбрион, потом он превращается в младенца и выходит на свет. Некоторые из них даже дорастают до магистров естественных наук, утверждающих, что Природа склонна к беспорядку!» Креационисты ликовали, узрев в этом противоречии прямое указание на божественное вмешательство.
Зловредный «демон» породил парадокс, разрешить который через полвека смогли физики Лео Силард (Leó Szilárd) и Леон Бриллюэн (Léon Brillouin). Они обратили внимание, что «демон Максвелла» тоже является частью системы, поэтому нельзя не учитывать, что будет происходить с ним. А он просто постареет! Ведь сортировка – это процесс накопления информации, ведущий к росту энтропии (другими словами, чем меньше знаешь, тем дольше живешь)…
Существо, придуманное Максвеллом, «умерло» не напрасно. Термодинамика превратила стройное и логически завершенное здание классической физики в иррациональный призрак, подчиняющийся странным и противоречащим здравому смыслу законам. Но об этом – чуть дальше, а пока навестим химическую лабораторию немецкого ученого Фридриха Августа Кекуле (Friedrich August Kekulé).
Сего мужа принято считать отцом органической химии, и очень обидно, что знают о нем только профессионалы да преподаватели: этот человек достоин преклонения. За что? За гениальное прозрение, увиденное во сне: мифического Уробороса, гигантскую змею, пожирающую собственный хвост. Именно этот образ подтолкнул Кекуле к потрясающему открытию – циклической форме молекул бензола. В пору (середина XIX века), когда «шарики» атомов и «гроздья» молекул представлялись лишь абстрактными моделями для решения ограниченного круга задач, «Ньютон» от химии создал стройную систему, ставшую плацдармом грандиозного научного и технического прорыва. А первым ее элементом стало шестигранное кольцо из атомов углерода. Самыми ярыми оппонентами Фридриха Кекуле стали не религиозные фанатики, а коллеги-химики. Их понять можно: наука только освободилась от алхимического тумана, и вот на тебе – на передовой линии их встречает существо из сказок!
Знали бы они, что очень скоро передовая наука в глазах обывателя превратится в гигантское собрание «китайских грамот», сложных, непонятных и порой даже непредставимых.
В первую очередь это коснулось понятий о природе атома и элементарных частиц материи. Общепринятая модель «миниатюрной Солнечной системы» («солнце» которой – ядро, а планета-электрон удерживается на орбите силой электрического притяжения) была предложена Резерфордом в начале XX века. Основой модели послужил знаменитый эксперимент с альфа-частицами (ядрами гелия), бомбардировавшими тонкий золотой лист. Однако уже в конце 1920-х годов планетарная модель навсегда ушла из научного оборота в исторические хроники, и ей на смену пришел «квантовый» атом, в котором электроны в принципе не могут иметь никаких орбит.
Почему же до сих пор он так и не прижился в массовом сознании? Физик Фриц Рорлих (Fritz Rohrlich) однажды заметил, что «в языке нет слов для описания квантового мира». Настоящий атом тем более сложно представить себе в виде графического образа. Как изобразить нечто походящее то на волну, то на частицу, а чаще всего – ни на то ни на другое и нисколько не напоминающее что-либо знакомое по повседневному опыту? Ответ прост: никак!
Любая элементарная частица, и электрон в том числе, после 1930 года описывается волновой функцией ψ (пси), указывающей, что она с определенной вероятностью как-то проявляет себя в некоей области пространства. Только в момент измерения функция, представляющая собой каталог (суперпозицию) всех возможных состояний электрона, сводится к единственно возможному состоянию. На профессиональном языке это явление называется редукцией вектора состояния, и именно оно ответственно за так называемый парадокс «кота Шредингера».
Но вернемся к знаменитому коту. Впервые он появляется в переписке Шредингера с Альбертом Эйнштейном в 1935 году. Последний считал, что пси-функция дает только статистическое описание совокупности систем, и не имеет отношения к реальности (как какой-нибудь «средний» россиянин). Шредингер же, в свою очередь, настаивал на том, что злосчастная функция отражает действительное состояние системы, но содержит в себе проблему: «Пусть в изолированной комнате находится счетчик Гейгера и малое количество урана – настолько малое, что в течение следующего часа вероятность деления одного атома в точности равна вероятности, что ни один атом не распадется. Промежуточный размножитель устроен так, что деление единственного ядра приводит к разрушению склянки, содержащей синильную кислоту. Эта склянка и еще – прискорбное обстоятельство – некий кот также находятся внутри комнаты. Тогда по прошествии часа пси-функция всей системы будет содержать смесь в равных долях мертвого кота и кота живого… Отсюда возникает проблема квантового измерения. Нужно в тот или иной момент произвести редукцию волнового пакета, то есть перейти от суперпозиции двух состояний (мертвый кот и живой кот) к одному-единственному». При этом «кот Шредингера» – существо крайне уязвимое, да еще и безголосое! Проще говоря, пока комната закрыта – мы не знаем, жив кот или мертв. Ведь в принципе нет никаких способов (ни прямых, ни косвенных) измерить микроскопические параметры без изменения свойств системы. Как выразился однажды сам «владелец» кота, «таинственная граница между объектом и субъектом разрушена».
Действительно, в классической науке (и в быту тоже) считалось, что идеальный наблюдатель никак не воздействует на объект измерения. А для кота Шредингера зритель – отнюдь не постороннее лицо, а полноправный участник внутрисистемных событий. Так что, с точки зрения теоретиков-«идеалистов», редукция (то есть определение состояния системы) происходит в тот момент, когда наблюдатель заглядывает в комнату через окошко (воистину, перефразируя строки известного стихотворения, «взглядом можно убить, взглядом можно спасти…»). «Материалисты» утверждают, что редукция волнового пакета происходит в момент срабатывания механизма, разбивающего склянку, так как именно переход от микроскопического уровня (атома урана) к макроскопическому (устройству механизма) уничтожает квантовые эффекты. Но окончательного ответа на вопрос, где же «кончается» квантовое измерение, в котором возможна удивительная для мира макрообъектов неопределенность, нет до сих пор.
Среди новейших научных концепций громко заявила о себе теория хаоса. В 1972 году она была интересно проиллюстрирована метеорологом Эдвардом Лоренцем (Edward Lorenz). Желая показать, как незначительное возмущение может столкнуть систему в хаотическое поведение (такие системы называются чувствительными к начальным условиям), Лоренц выступил с докладом, озаглавленным: «Может ли бабочка в Бразилии взмахом крыла вызвать смерч в Техасе?».
На первый взгляд «буря», вызванная полетом «бабочки Лоренца», может полностью устранить проблему «кота Шредингера». Действительно, если макросистема может произвольно переходить в состояние хаоса из-за столь незначительных воздействий, то в микромире и наблюдателя не надо, чтобы перевести объекты в другое состояние! Однако «эффект бабочки», ставший излюбленным сюжетом художественного осмысления теории хаоса (так, в фильме «Гавана» герой Роберта Редфорда рассуждает о стрекозе у побережья Китая, вызвавшей ураган в Карибском море, а охотник в знаменитом рассказе Рэя Бредбери «И грянул гром» изменяет настоящее, нечаянно раздавив доисторическую бабочку), не так однозначен и универсален. Например, он полностью игнорирует «эффект диссипации» (лат. dissipatio – рассеивание), то есть нивелирования (сглаживания) малозначительных воздействий на макросистемы.
Питомец Шредингера и другие обитатели интеллектуального зверинца показали, что окружающий нас мир – совсем не жесткая детерминистская конструкция, в которой все можно потрогать, увидеть и измерить. В основе нашего бытия – сложные и неосязаемые взаимосвязи, в которых нет ничего принципиально предопределенного и фатального. Кот мурлыкает! Или не мурлыкает…
Читать журнал "Машины и Механизмы" здесь: //21mm.ru/journal/diary/review/?journal=9105
Наука
Ким Александров
Машины и Механизмы
Всего 0 комментариев
Все сингулярно: от теории к фактам
Дофаминовый рай
Еще один титан
«Холодец» всмятку
