Еще дальше в исследовании загадочного поведения квантовых объектов продвинулся Гейзенберг, которому удалось обнаружить в проблеме (волна/частица) совершенно неожиданный поворот мысли и придать этой дуальности новый физический смысл. Рассмотрим подробнее процесс взаимодействия светового кванта (фотона) с веществом и вспомним, что способность видеть основана на регистрации фотонов, излучаемых объектом или отраженных от него (например, ночная тьма наступает после захода Солнца, когда линия горизонта прерывает поток солнечного света). Гейзенберг продемонстрировал, что эта ситуация выглядит иначе при освещении фотоном какой-либо субатомной частицы. Действительно, давайте представим себе крошечный фотон (математики называют такие сверхмалые объекты бесконечно малыми), сталкивающийся с отдельным (таким же бесконечно малым) электроном. Конечно, отраженный фотон приносит нам «информацию» о местоположении электрона, но совершенно ясно, что соударение одновременно изменяет это положение из-за самого процесса столкновения, так что получаемая нами информация является недостоверной и фактически говорит лишь о положении электрона до столкновения, а не в текущий момент времени. Читатель может легко сообразить, что посылка следующего фотона (для уточнения информации) не исправляет положения, поскольку он тоже несколько сместит координату электрона и т. д. Кстати, эта ситуация не является выдуманной, а целиком и полностью соответствует условиям и ограничениям реальных экспериментов с квантовыми объектами. Например, длина волны видимого света слишком велика для точного определения координаты электрона, вследствие чего экспериментаторы для повышения точности вынуждены пользоваться электромагнитным излучением с более короткими волнами (например, рентгеновскими лучами), однако такие кванты несут больше энергии и, естественно, значительно сильнее смещают электроны с исходных позиций.

Таким образом, мы никогда не можем точно определить координаты конкретного электрона, а можем лишь указать его положение в момент измерения и приблизительно вычислить (исходя из массы и других параметров столкновения) вероятность его местоположения в некотором диапазоне в последующие моменты времени.

Гейзенберг получил ставшее знаменитым соотношение, связывающее неопределенности в вычислении координат электрона и его импульса, возникающие при любых попытках одновременного измерения этих параметров. Уравнение было названо принципом неопределенности и получило широкую известность и популярность во многих далеких от физики сферах деятельности (например, в поп-культуре), где этому принципу, разумеется, были даны совершенно произвольные и неожиданные толкования.

Введенная Гейзенбергом неопределенность имеет весьма необычный и произвольный характер, так что ее учет может показаться даже «занудством» для всех тех, кому хотелось бы верить в существование физического мира, управляемого строгими и незыблемыми законами, когда при достаточном умении и наличии соответствующей аппаратуры можно осуществлять любые необходимые измерения. В 1927 г. Гейзенберг показал, что обнаруженный им принцип в несколько необычном смысле позволяет прояснить описанную выше запутанную ситуацию с определением координат электрона. Действительно, в соответствии с принципом неопределенности, мы не можем точно определить траекторию электрона, но вполне можем получить вероятность значений его координат в виде некоторой волновой функции. Иными словами, с математической точки зрения, в микромире электрон может быть эквивалентно описан и как волна, и как частица, т. е. проблема связана не с отсутствием достаточно точных методов детектирования микрочастицы, а с принципиальной неопределенностью того, что мы привыкли называть и считать «реальностью».

Из сказанного следует, что электрон имеет дуальную природу, поскольку может выступать в качестве волны, частицы или даже комбинации этих представлений. Почему? Да просто потому, что он способен вести себя по-разному! Вот уже несколько десятков лет физикам приходится удовлетворяться этим ответом, хотя очень многим из них он представляется неубедительным и неточным (Эйнштейн, например, относился к этому ответу с почти нескрываемой неприязнью!). Читателю можно лишь напомнить, что теория относительности действительно весьма сложна и трудна для понимания, но обладает внутренней логикой, собственными строгими законами и позволяет предсказывать результаты экспериментальных наблюдений. Физиков особенно раздражало и сбивало с толку, что в построениях Гейзенберга поведение электрона становилось непредсказуемым.

Некоторое понимание ситуации возникло лишь после появления еще одной гипотезы Бора, согласно которой электрон проявляет волновые или корпускулярные свойства в зависимости от того, какой тип детектора и принцип регистрации (волновой или корпускулярный соответственно) использует экспериментатор для определения параметров движения. Для изучения квантовых частиц можно и нужно применять оба типа детекторов, но при интерпретации полученных данных следует всегда учитывать дуальную природу изучаемых объектов. Гипотеза Бора, получившая название принципа дополнительности, не снимала основного противоречия теории, заключающегося в том, что при измерении параметров атомной системы мы изменяем значения этих параметров, т. е. получаем не точные значения, а лишь некоторые наборы вероятностей или потенциальных возможностей параметров.

В этой связи нельзя не вспомнить одну из самых знаменитых дискуссий в истории науки вообще между Бором и Эйнштейном о принципиальной неопределенности поведения квантовых систем. Многим кажется, что ученые слишком увлекаются своей работой и порой забывают или недостаточно глубоко размышляют о человеческой душе и религиозных проблемах, но приводимый ниже отрывок из переписки двух великих физиков доказывает обратное.

Эйнштейн – Бору Квантовая механика заслуживает самого глубокого уважения, но внутренний голос говорит мне, что она не является окончательным откровением. Эта теория содержит очень многое, но, похоже, мы не приближаемся к главному ответу. В любом случае, я не верю, что Бог играет в кости!

Бор – Эйнштейну: Не наше дело указывать Богу, как управлять миром!

Конечно, учет религиозных соображений и мотивов может лишь усложнить поиск научной истины (о чем и свидетельствует история Галилея, с которой начинается наша книга), однако процитированный диалог показывает, что ученые, подобно всем остальным людям, страстно жаждут найти смысл в кажущейся хаотичной сумятице повседневной жизни. Это обстоятельство во многом определяет непреходящий интерес к квантово-механическим парадоксам, поскольку никого не может оставить равнодушным следующая проблема: если миром управляют случайности, то совершенно непонятно, что скрывается за столь важными для нас понятиями, как смысл, значение, цель и т. д. Еще более показательна в этом смысле следующая фраза Эйнштейна: «Наука без религии – неполноценна, религия без науки – слепа». Разумеется, это не означает, что мы должны обратиться в религиозных ортодоксов и уподобиться известному теологу Карлу Эверетту, который считает, что динозавры никогда не существовали, поскольку о них не упоминает Библия.

Конечно, известна философская позиция, прекрасно выраженная поэтом Арчибальдом МакЛейшем: «Стихотворение должно просто существовать, а не выражать какие-то конкретные мысли и мнения!», хотя следует особо подчеркнуть, что для большинства религиозных и метафизических систем окружающий нас мир не просто «существует», но и «означает» что-то очень важное. Квантовая физика заставляет нас еще раз задуматься над этими важнейшими вопросами смысла человеческого существования.

В микромире можно наблюдать много других удивительных эффектов (электрон может одновременно находиться в двух разных точках, протон может проходить через потенциальный энергетический барьер и т. д.). Одно из самых странных предсказываемых явлений заключается в теоретической возможности непосредственного «общения» квантовых частиц на любых расстояниях, причем со скоростью, существенно превышающей скорость света (возможно, даже с бесконечной). Мы не знаем и не можем представить себе, о чем могут переговариваться элементарные частицы (возможно, они просто сообщают друг другу «сверни направо… меняй курс…измени направление спина»), однако сама возможность передачи информации со сверхсветовой скоростью заставляет задуматься о совершенно неизвестных нам физических законах и ограничениях. Электрон может не только выступать в качестве волны или частицы, но и даже выбирать форму своего существования. С другой стороны, он фактически как бы и не существует до того момента, пока мы не зарегистрировали его каким-то образом (например, прибором или следом в пластинке слюды). Некоторые физики даже считают, что конкретно воспринимаемый нами мир существует именно в результате нашего восприятия, т. е. могут существовать и множество других миров или реальностей, но все они исчезают в момент нашего восприятия одного конкретного мира.