Подписывайтесь на нас в соцсетях

fb.com/scientificatheism.org

• Плоды просвещения
• Закон есть закон
• Что день грядущий...
• О непонятном
• Случай
• Слова, слова, слова
• Софисты
• Парадоксы
• Два полюса – схоластика и естествознание
• Поповская логика
• Как верить в бога в XX веке
• Физики показывают пример придирчивости
• Лжехимия
• Лжебиология
• От Адама до наших дней
• Под знаком стрельца
• Алло, соедините с загробным миром!
• Теория всевозможных чудес
• Черная и белая магия
• Теперь она называется парапсихологией
• Стара, как мир
• Слова на прощанье

Перейдем теперь к другой теме. Речь пойдет об очень простых с виду утверждениях, касающихся самых различных событий, происходящих в мире.

Начнем с явных несуразностей. Сказать: его дом наводится слева — значит ничего не сказать. Так же точно бессмысленно утверждение: это дерево видно под углом тридцать градусов. Ясно, эти фразы бессмысленны по той причине, что не указана реальная обстановка, для которой такие утверждения делаются. Если мы не укажем, по отношению к чему слева расположен дом и с какого места дерево видно под углом тридцать градусов, то наши утверждения будут лишены содержания — в жизни им ничего не соответствует.

Разумеется, сказанное не вызывает сомнения даже у самого наивного читателя. Но уже фразы "Камень подает по вертикали" или "Друзья встречались всегда в одном и том же месте" кажутся вполне осмысленными. И это происходит лишь по той причине, что говорящий молчаливо предполагает вполне определенную обстановку наблюдения этих явлений. Он, скажем, сидит перед своим домом на крылечке и все события отмечает с этой естественной позиции.

Однако физики с давних времен стали подчеркивать, что всякие суждения о движении и о месте в пространстве становятся осмысленными лишь тогда, когда будет указана система координат, по отношению к которой фиксируется покой или движение тела. Указывать на это обстоятельство совершенно необходимо. Если этого не делать, то люди, мучающие семь мудрецов вопросами, будут приставать к ним, желая выяснить: "А как двигался камень на самом деле?"

Так, камень, падающий по вертикали, с точки зрения земного наблюдателя, будет описывать криволинейную траекторию для наблюдателя, находящегося в движущемся поезде. Я не стану останавливаться на этих азах физики и отошлю забывчивого читателя к другой книге (Л. Ландау и А. Китайгородский "Физика для всех").

Уже в гимназии прошлого века учили, что движение представляется разным с разный точек зрения. Поэтому с чепуховыми рассуждениями, забывающими про невозможность описать движение, не указав систему отсчета, приходится сталкиваться довольно редко.

Но в XX веке физикам пришлось с недоверчивостью отнестись к утверждениям, которые на первый взгляд носят совершенно невинный характер. Казалось бы, что надо добавлять к фразе: "Событие А произошло одновременно с событием Б", или: "Событие А произошло на 10 секунд раньше события Б". Кажется, совершенно очевидно: в одно время так в одно время; раньше так раньше. Не зависят же такие суждения от того, где находится и что делает наблюдатель?!

Оказывается, зависят. И чтобы это доказать, Альберту Эйнштейну пришлось с исключительной придирчивостью отнестись к, казалось бы, элементарно простым и очевидным суждениям о времени.

Впервые в истории науки отчетливо прозвучало требование докапываться до смысла утверждения, выясняя, что же оно означало бы, будучи воплощенным в опыте.

Положим, в середине огромного вагона зажигается электрическая лампочка. Свет от нее падает на фотореле, установленные в передней и задней (по ходу и против хода движения) дверях вагона и автоматически их открывает (пример из книжки Л. Ландау и Ю. Румера "Что такое теория относительности"). Реле отрегулированы так, чтобы двери открывались одновременно.

Ага, значит, можно говорить — одновременно.

Можно, но с добавлением — одновременно для наблюдателя в вагоне. А вот для наблюдателя, который находится на платформе, две двери откроются в разное время.

Арифметика несложная. Возьмем фантастические цифры, чтобы вычисления были более яркими. Длина вагона 5400000 километров, а скорость поезда, в котором и наш вагон, 240000 километров в секунду. В основе расчета лежит закон природы, установленный опытом Майкельсона: свет распространяется во все стороны с одинаковой скоростью 300000 километров в секунду, при этом скорость света одинакова по отношению к любому наблюдателю.

Для наблюдателя в вагоне время, которое затратит свет на то, чтобы добраться как до передней двери, так и до задней, равно 9 секундам (разделите 2 700 000 на 300000). Для наблюдателя на платформе скорость света та же самая. Но задняя дверь идет навстречу лучу. С ней свет встретится через 5 секунд (разделите те же 2700000 на сумму скоростей света и вагона). Напротив, луч догоняет переднюю дверь и доберется до нее через 45 секунд (делим ту же длину на разность скоростей света и вагона). Итак, передняя дверь откроется на 40 секунд позже задней.

Результат кажется поразительным. И все же он строгое следствие опытных фактов. Может быть, кто-либо из физиков до Эйнштейна приходил к такому выводу, но отворачивался от него, считая более вероятным по-сомневаться в опытах Майкельсона, нежели согласиться с выводом, противоречащим вере (именно вере, а не знанию) в абсолютность времени.

Эйнштейн преподнес естествоиспытателям первый урок правильного обращения с суждениями о мире. Утверждения имеют смысл лишь тогда, когда они сами или их следствия могут быть в принципе подвергнуты опытной проверке. Утверждение, что между событиями прошло столько-то секунд; может быть проверено не вообще, а лишь при указании расположения и движения наблюдателя.

Итак, строго говоря, сказать "прошло пять секунд"— значит ничего не сказать. Чтобы фраза была осмысленной, надо добавить: "...с точки зрения такого-то наблюдателя". Но все же с утверждениями о промежутках времени дело обстоит не совсем так, как с недоговоренными фразами (вроде: "Дерево видно под углом 30 градусов"), с которых мы начали этот раздел.

Недоговоренные фразы, в которых забыта относительность пространства (то есть необходимость указания, от какого места и в каком направлении отсчитываются расстояния), не несут никакой информации и полностью бесполезны.

Что же касается фразы "прошло пять секунд", то в житейской практике она имеет полный смысл. Ведь относительность промежутка времени мы способны заметить лишь в том случае, когда речь идет о явлениях, протекающих по отношению к наблюдателю со скоростями, близкими к скорости света.

Хотя время относительно, как и пространство, но при малых скоростях предположение об абсолютности времени никак не противоречит опыту.

Отсюда мораль: в утверждении об абсолютности времени заключена солидная доля истины. Лишь для быстрых движений начинает ощущаться ошибочность этого простого положения.

Мы уже повторяли много раз, что последующее развитие науки не отменяет закона природы, а может лишь ограничить область его применения. Если эти модели и гипотезы хорошо объясняют некий класс явлений, то нельзя безжалостно списывать их со счетов тогда, когда они окажутся беспомощными в описании более широкого класса явлений. Не следует шельмовать их обидными словами и тем более не стоит обвинять их авторов в глупости и ошибках. Раз модель явления приносит пользу при описании действительности, значит она содержит в себе элемент истины, то есть она, иными словами, в какой-то степени отражает мир.

Теория относительности ярким образом проиллюстрировала относительность истины и заблуждения. За этим первым уроком вскоре последовал и второй. Материалом для него послужила физика атома.

Картина строения атома была нарисована в первой четверти нашего века. В центре атома находится крошечное ядро. Около ядра движутся электроны. В каком-то смысле атом напоминает планетную систему. Физики иллюстрировали свои статьи наглядными рисунками, на которых ядра и электроны фигурировали в виде круглых телец. Зрительным образом электрона или ядра служила твердая горошинка.

Много особенностей в поведении вещества объясняла такая нехитрая модель. Ясно, что она содержала в себе долю истины. Но только долю, и, как оказалось позже, небольшую.

Представление об электронах как о горошинках было таким простым, таким ясным и наглядным, к нему так быстро привыкали, что нокаут, нанесенный этой модели открытием дифракции электронов, воспринялся очень болезненно.

Сейчас та ситуация в какой-то степени кажется странной. Сменой вех в понимании времени физики должны были быть подготовлены к необходимости сопрягать слова и дела. Описывать любое явление они должны были таким образом, чтобы их утверждения могли быть проверены на опыте в принципе, а значит, не должны были описывать детали в строении атома, будто атом ничем в принципе не отличается от сложного механизма, состоящего из рычагов и шарикоподшипников. А они это сделали. И в этом их просчет.

Конструктор может описать форму, размеры, вес, цвет и прочие свойства каждой детали своего детища. Но ведь заранее ясно, что полностью такая программа невыполнима для атома.

Если законен подход к атому как к любой машине, то почему бы не спросить: какого цвета электрон? Вопрос как будто правильно поставлен. Но на самом деле он бессмыслен. Дело в том, что цветность связана с движениями электрона. Следовательно, понятие цвета к электрону неприменимо. Говорить о цвете электрона столь же бессмысленно, как рассуждать о слаженности футбольной игры одного-единственного игрока, тренирующегося на поле.

Уже на этом примере становится ясно, что суждения, вполне содержательные по отношению к большим предметам, могут стать бессмысленными в отношении микрочастиц.

Казалось бы, вполне осмысленная фраза: "Электрон прошел через отверстие в экране в таком-то направлении и, проходя через отверстие, имел такую-то скорость".

До того как было обнаружено на опыте, что все частицы обладают волновыми и корпускулярными свойствами, ни у кого не возникло сомнения, что этими словами можно описывать поведение электрона с тем же успехом, как, скажем, поведение маленькой горошинки.

Но на рубеже второй четверти нашего века было показано, что поток электронов, проходящих через отверстия в экране, создает интерференционную картину также, как и свет.

Это касается всех элементарных частиц. У более сложных и тяжелых частиц волновые свойства становятся тем менее заметными, чем больше их масса. Когда речь идет о больших молекулах, разговор на уровне горошинок становится оправданным.

Напомним, что интерференционные картины возникают лишь в волновых процессах и демонстрируют их в школе с помощью водяной ванны. Волны на воде складываются по простому закону: если в какую-нибудь точку обе волны приходят в фазе гребня, они усиливают друг друга, а если впадина одной волны накладывается на гребень другой, то в этом месте будет ровная водяная поверхность. Впрочем, не будем описывать школьные уроки. Бросьте в пруд близко друг от друга два камня и изучайте законы сложения волн.

Поведение водяных волн превосходно моделирует интерференцию света или потока электронов. Представьте себе экран с двумя близкими отверстиями. Волна доходит до плоскости экрана, проникает сквозь отверстия, и за экраном отверстия сами становятся источниками круговых волн. На другом экране — приемнике — возникает картина из чередующихся темных и светлых полос. Светлые там, где волны усиливают друг друга, а темные в тех местах, куда они приходят в противоположных фазах.

С точки зрения волновых представлений все ясно, все как на ладони. Понятно и со светом — это поток электромагнитных волн, а поток электронов — это поток электронов (шариков, как мы условились). Если один электрон прошел через одно отверстие, а другой через другое, то вроде бы им не положено знать про поведение друг друга, и на экране они должны дать однотонную картину! А если они, так сказать, незнакомы, то как можно объяснить на корпускулярном языке такую согласованность в их отклонениях, которая приводит к закономерному чередованию темных и светлых полос? Ведь если одну диафрагму загородить, то интерференционная картина исчезнет! Значит, оттого, что мы мешаем электронам проходить через одну диафрагму, меняется характер их прохождения через вторую и, может быть, они сами меняются! А это уж ни в какие ворота не лезет.

Итак, нельзя объяснять интерференцию электронов, говоря об этих частицах как о горошинках. Но, с другой стороны, ведь можно же физическими приборами проследить за движением одной частички и выяснить, через какое из отверстий она прошла? Можно! А тогда получается, что и нельзя и можно говорить о частицах на корпускулярном языке. Парадокс?

Мы уже предупреждали читателя: если использовать слова и логику для рассуждения об опытных фактах, то такие противоречия не могут возникнуть. Парадоксы появляются тогда, когда мы выходим за рамки эксперимента.

Объяснить, в чем тут дело, удалось одному из величайших физиков нашего века, Нильсу Бору. Путем рассмотрения различных мысленных опытов Бор показал, что невозможно в принципе одновременно следить за траекторией частицы и наблюдать интерференционную картину. Если начнем следить за движением электрона — разрушим (размажем) интерференционную картину. Будем разглядывать чередование полос на экране —ничего не сможем сказать о том, как двигались электроны.

"Оказалось, — пишет Бор, — невозможно провести резкую границу между поведением атомных объектов самих по себе и iix взаимодействием с измерительными приборами, которые определяют самые условия возникновения явлений".

Разговор об электроне как о горошинке оказался лишенным смысла. Мы не можем предложить в принципе такой опыт, который помог бы установить одновременно положение и скорость элементарной частицы. Таким образом, вопрос о том, чему равна скорость частицы, проходящей какую-то точку пространства, столь же бессмыслен, как и вопрос о том, кто ходит вниз головой — мы или наши антиподы.

Необходимо подчеркнуть, что речь идет вовсе не о незнании, а об отсутствии смысла. На отказе применять для электрона понятие траектории наука теряет столько же, сколько отказываясь от бога или от абсолютного пространства и времени, короче — от комбинаций любых слов, не имеющих отражения в реальной жизни.

Большой процент слушателей перебивает на этом месте лектора вопросом: "А как же частица движется, как она выглядит на самом деле?

Хотя мы, по сути дела, уже разбирали этот вопрос, но повторим ответ, прибегнув к небольшой перефразировке.

Когда кондуктор объявляет: "Приехали, конечная остановка!" — то всегда найдется человек, который спросит: "А дальше вагон не пойдет?" Кондуктор терпеливо (а иногда и не очень) повторяет: "Не пойдет!"

Вопрос о том, как частица движется и как она выглядит, поставлен плохо. На такой вопрос нельзя ответить потому, что вопрос бессмыслен. Нельзя об элементарной частице говорить как о горошине.

А как же о ней говорить?

Вот это уже превосходный вопрос, и на него исчерпывающим и подробным образом отвечает наука, называемая квантовой механикой. Оказывается, можно предложить для описания электронов особый язык, с помощью которого со стопроцентным успехом предсказывается результат эксперимента. Стоп! А как же быть с утверждением, что траекторию электрона предсказать нельзя? Нельзя, потому что ее нет, потому что это понятие лишено реального смысла? Значит ли это, что представление об электроне как о горошине есть полная глупость?

Здесь дело обстоит совершенно так же, как и с абсолютностью времени. Можно строго оговорить условия, при которых классический образ частицы как горошины, движущейся по осмысленной траектории, начинает выглядывать из тумана математических формул.

Эти условия формулирует "Принцип неопределенности Гейзенберга". В этой книге нет математических формул, и не стоит делать исключение и для этого принципа, который записывается всего лишь семью буквами латинского алфавита. Основное содержание его несложно — траектория частицы видна тем отчетливее, чем больше масса частицы. Молекула в этом смысле уже является классическим объектом, и о молекуле можно разговаривать на том же языке, что и о пылинках.

Правила языка квантовой механики для легчайших частиц, таких, как электроны, содержат в себе, например, следующие пункты. Фраза: "Электрон находится в данном месте" — имеет смысл. Но фраза — "Электрон находится в данном месте и имеет данную скорость" — лишена содержания.

Как видите, язык более сложный, чем для описания поведения горошинок. Не случайно квантовую механику не удается преподавать в школе. Хотя надо надеяться, что педагоги что-либо придумают. Очень было бы полезно.

Квантовая механика, так же как и теория относительности, учит нас придирчивости к языку, используемому для описания фактов. Если мы желаем избежать рениксы, то должны помнить, что утверждения о явлениях мира должны формулироваться так, чтобы в принципе была возможность их проверить.

Одновременно с этим мы еще и еще раз убеждаемся в том, что открытие новых законов природы не отменяет старые, а лишь ограничивает их области применения. Мы видим также, что упрощенные модели не являются стопроцентным заблуждением. Если они успешно применялись для описания части фактов, то, значит, в них содержится элемент истины.