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.

2747 0 0

отправить по e-mail

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.

Однако, как это часто случается, на самом деле все обстоит сложнее. Символично, что толчком к революции в естествознании послужили сложности в термодинамике, упорно не желавшей укладываться на отведенные ей «полочки» классической науки о природе.

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?

Камнем преткновения стало Второе начало термодинамики, утверждавшее, что всякая работа сопровождается рассеиванием энергии. В этих немногих словах зашифрован крах классической физики, такой удобной, стройной и понятной, но, как оказалось, весьма и весьма ограниченной по применению в гигантской картине мироздания. Прежде всего это касается так называемой «стрелы времени», упрямо летящей только в будущее.

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.

И вот здесь появился первый обитатель интеллектуального «зоопарка». Его «отцом» стал британский физик Джеймс Максвелл (James Maxwell). (Позднее с легкой руки открывателя электрона Джозефа Джона Томпсона гипотетическое существо стало именоваться «демоном».) В 1867 году он поставил мысленный эксперимент. Коробка разделена перегородкой с отверстием. «Горячие» частицы газа со скоростью выше средней пропускались умным «демоном Максвелла» в левую часть, а медленные частицы так и оставались в правой. Этот физический призрак играл роль клапана-«швейцара», при этом не вносящего в систему «коробка – перегородка – газ» никаких энергетических изменений. Так что же произойдет в конце концов? В левой части газ определенно станет горячее, а в правой – холоднее, то есть система перейдет на другой уровень упорядоченности.

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».

Эрвин Шредингер (Erwin Schrödinger; 1887–1961) – один из основоположников квантовой механики, во многом представлял собой эталон настоящего Ученого, то есть человека, которого этические аспекты работы волновали не меньше, чем профессиональные. Австрийский физик считал, что конечной целью науки и мерилом ценности ее достижений является ответ на вопрос: «Кто мы такие?». В поисках ответа в 1944 году Шредингер написал книгу «Что такое жизнь?», ставшую катализатором появления молекулярной биологии. Среди читателей его книги были и будущие первооткрыватели двойной спирали ДНК – Фрэнсис Крик (Francis Crick) и Джеймс Уотсон (James Watson).

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

Наш журнал ММ Поддержать ММ

Наука

Ким Александров

Машины и Механизмы