Вернер Карл Гейзенберг (1901-1976) – выдающийся физик-теоретик, член ряда академий и научных обществ мира. Он стоял у истоков квантовой механики, был одним из авторов этой физической теории, лично знал таких великих физиков XX в. как Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Нильс Бор. В. Гейзенберг не только физик, но и весьма авторитетный философ, значимость которого не ниже других известных философов XIX - XX вв. Таковы краткие сведение о Гейзенберге – физике и философе. Читать Гейзенберга, скажу я вам, это просто удовольствие. Во всяком случае, это так, когда я просматриваю извлечения из его книг, сокращенные мною в десяток раз. Книги эти: "Шаги за горизонт" и "Физика и философия", а также статья "О наглядном содержании квантовотеоретической кинематики и механики".
Я постарался скомбинировать высказывания Гейзенберга о физике, физиках и философии в короткой статье, акцентируясь в основном на материалах, подтверждающих или иллюстрирующих положения моих предыдущих статей. Итак, слово Гейзенбергу.
---------------------
Однажды мне в руки попался тоненький томик из серии научных монографий, в котором Эйнштейн излагал в популярной форме свою специальную теорию относительности. Фамилия Эйнштейна встречалась мне в газетах, слышал я и о теории относительности, знал также, что она чрезвычайно трудна для понимания. Все это, естественно, крайне увлекало меня, и я попытался основательно вникнуть в это небольшое сочинение. Через некоторое время я решил, что полностью понял его математическую сторону — она, в сущности, сводилась к особенна простому случаю преобразований Лоренца, — но скоро я увидел, что настоящие трудности эйнштейновской теории заключаются в чем-то ином. Требовалось признать, что понятие одновременности проблематично и что вопрос о том, являются ли одновременными два события в различных точках, зависит в конечном счете от состояния движения наблюдателя. Понять такую постановку проблемы мне было чрезвычайно трудно, и тот факт, что Эйнштейн при случае сдабривал свой текст обращениями вроде «дорогой читатель», нисколько не облегчало понимание.
В то же время меня волновали собственные проблемы. Противоречия, возникшие в квантовой теории строения атома, — я упоминал о них раньше — со временем стали еще более вопиющими и неразрешимыми. Новые эксперименты, например так называемые эффект Комптона и эффект Штерна — Герлаха, показали, что без радикального изменения системы физических понятий объяснить подобные явления уже не удастся. В этой ситуации мне вспомнилась мысль, вычитанная мною у Эйнштейна, а именно требование, чтобы физическая теория содержала лишь величины, которые поддаются непосредственному наблюдению. Смысл требования был в том, чтобы обеспечить связь математических формул с явлениями. Следуя этой мысли, я пришел к математической структуре, которая, похоже, действительно соответствовала атомным явлениям. Она была затем развернута мною совместно с Борном, Йорданом и Дираком в замкнутую квантовую механику, выглядевшую столь убедительно, что, собственно, в ее правильности уже нельзя было сомневаться. Но мы еще не знали, как следует интерпретировать эту квантовую механику, как следует говорить о ее содержании.
Я стремился обсудить возникшие проблемы и свои мысли с Эйнштейном. То, что я возбудил интерес Эйнштейна (это было в Берлине, весной 1926 года, на коллоквиуме о новой квантовой механике), было заметно по тому, что он сам попросил меня сопровождать его домой, чтобы в спокойной обстановке обсудить у него подробнее проблемы квантовой теории. Так мне впервые довелось говорить с самим Эйнштейном. По пути домой он расспрашивал меня о моем становлении как физика, о моей учебе у Зоммерфельда. Но дома он тотчас приступил к центральному вопросу о философском обосновании новой квантовой механики. Он заметил мне, что в моем математическом описании вообще нет понятия «траектория электрона», хотя ведь путь электрона вроде бы непосредственно наблюдается в камере Вильсона. Ему казалось абсурдным, предположение, что в камере Вильсона есть траектория электрона, а внутри атома — нет; ведь понятие траектории не должно зависеть от величины пространства, в котором происходит движение электронов. Я защищался, прежде всего тем, что подробно обосновал необходимость отказаться от понятия траектории электрона внутри атома. Я подчеркнул, что такие траектории нельзя непосредственно наблюдать; реально регистрируются лишь частоты излучаемого атомом света, его интенсивности и вероятности переходов, ню не траектория непосредственно. И поскольку разумно вводить в теорию лишь величины, поддающиеся непосредственному наблюдению, именно понятие траектории электрона непосредственно в теорию входить как раз и не должно. К моему изумлению, Эйнштейн далеко не удовлетворился таким обоснованием. Он возразил, что любая теория обязательно содержит и ненаблюдаемые величины и что требование применять лишь наблюдаемые величины вообще не может быть проведено последовательным образом. И когда я сказал, что всего лишь применяю ту философию, которую он положил в основу своей специальной теории относительности, он ответил просто: «Может быть, раньше я использовал и даже формулировал такую философию, но все равно она бессмысленна». Итак, Эйнштейн успел уже пересмотреть свою философскую позицию по данному вопросу. Затем он указал мне на то, что уже само по себе понятие наблюдения является проблематичным. Каждое наблюдение, аргументировал он, предполагает однозначно фиксируемую нами связь между рассматриваемым явлением и возникающим в нашем сознании чувственным ощущением. Однако мы можем уверенно говорить об этой связи лишь при условии, что известны законы природы, которыми она определяется. Если же — что явно имеет место в современной атомной физике — сами законы ставятся под сомнение, то теряет свой ясный смысл также и понятие «наблюдение». В такой ситуации теория прежде всего должна определить, что поддается наблюдению. Этот довод был для меня абсолютно новым и произвел на меня тогда глубокое впечатление; позже он сыграл важную роль также и в моей собственной работе и оказался чрезвычайно плодотворным в процессе развития новой физики.
Я также обсуждал эту проблему с Эйнштейном в 1954 году, за несколько месяцев до его смерти. Я провел с Эйнштейном очень приятные послеполуденные часы, и все же, когда дело коснулось интерпретации квантовой механики, ни я не мог убедить его, ни он — меня. Он все повторял: «Хорошо, я согласен, что каждый эксперимент, результаты которого поддаются расчету с помощью квантовой механики, кончится так, как вы говорите; тем не менее подобная схема не может служить окончательным описанием природы».
Это было время формирования новой структуры мышления. Ньютоновскую механику можно было какое-то время существенно расширять, сохраняя присущую ей систему понятий. Однако уже в XIX веке натолкнулись на границы такого типа мышления и постановки вопросов. Но только в XX веке теория относительности и квантовая механика заставили произвести по-настоящему радикальные изменения в основах физического мышления. В теории относительности выяснилось, что понятие времени ньютоновской механики может быть неприменимо, если речь идет о явлениях, где играют роль движения с очень большими скоростями. Поскольку независимость пространства и времени входила в число фундаментальных предпосылок и прежнего мышления, эту структуру мышления приходилось, согласно Эйнштейну, изменить, чтобы признать требуемую теорией относительности связь пространства и времени. Понятие абсолютной одновременности, казавшееся в ньютоновской механике очевидным, нужно было, как утверждал Эйнштейн, отбросить и заменить другим понятием, учитывающим зависимость от состояния движения наблюдателя. Здесь корень того, почему теория относительности не раз подвергалась критическим нападкам и ожесточенно отвергалась некоторыми физиками и философами. Они чувствовали себя просто не в состоянии пойти на требующееся здесь изменение структуры мышления. Несмотря на это, такая перестройка является условием понимания представлений сегодняшней физики.
Сравнивая эти представления с другими, более ранними революциями в истории физики, спросим, например, как именно возникла теория относительности. Отправной точкой здесь была электродинамика движущихся тел. Поскольку герцевские волны считались колебаниями гипотетической среды, эфира, поскольку, иными словами, их следовало рассматривать в системе ньютоновских понятий, и неизбежно возникал вопрос, что произойдет в эксперименте с телами, движущимися относительно эфира. Было выдвинуто необозримое количество проектов, уже в силу одной только сложности казавшихся ложными. Разумеется, очень заманчиво поразмышлять здесь о том, когда предложенная формула заранее кажется ложной, а когда нет, но я воздержусь от этого. Напомню лучше, что понятие «движение относительного эфира» уже в то время казалось многим физикам подозрительным, потому что ни разу еще не удавалось наблюдать эфир. Физики чувствовали себя заблудившимися в чаще леса и были поэтому рады, когда знаменитые майкельсоновские эксперименты позволили исследовать движение Земли относительно эфира. Результатом, как известно, было то, что и тут никакого эфира не обнаружилось. Как следствие среди физиков распространился общий скептицизм по отношению к понятию эфира и всех связанных с ним расчетов. Однако и после этого не появилось такой группы физиков, которая била бы тревогу и возвещала крушение физики. Напротив, решение старались найти в рамках существовавшей физики, внося в нее наивозможно малые изменения. Поэтому Лоренц предложил ввести для движущихся систем отсчета кажущееся время, связанное с временем, измеренным в покоящейся системе отсчета с помощью знаменитых преобразований Лоренца, и допустить, что это кажущееся время определяет разность хода световых лучей. И только после этого Эйнштейн заметил, что картина бесконечно упрощается, если в преобразовании Лоренца отождествить кажущееся время с действительным. Но тем самым Лоренцовы преобразования приобретали характер высказывания о структуре пространства и времени, и если это высказывание считать правильным, слова «пространство» и «время» означали уже нечто иное, чем в ньютоновской физике. Понятие одновременности было релятивизировано, и структура нашего физического мышления, в основания которого непременно входят понятия «пространство» и «время», изменилась. Эта революция также натолкнулась впоследствии на сильное сопротивление, вызвавшее бесчисленные дискуссии о теории относительности. Но сейчас мне важно лишь подчеркнуть, что и эта революция в физике произошла отнюдь не потому, что некто вознамерился разрушить или радикально перестроить здание классической физики.
А теперь несколько слов о том упорном сопротивлении, с которым сталкивалось всякое изменение в структуре мышления. Работающий в науке человек знакомится на протяжении своей жизни с новыми явлениями или с новыми интерпретациями явлений, а может быть, даже и сам находит их. К этому привыкаешь, и ученый всегда готов наполнить свою мысль новым содержанием. Для него, стало быть, вовсе не характерно консервативное — в обычном смысле слова — стремление держаться только издавна привычных образцов. Поэтому прогресс в науке обходится, как правило, без сопротивления и пререканий. Дело, однако, оборачивается иначе, когда новая группа явлений заставляет произвести изменения в структуре мышления. Здесь даже наиболее выдающиеся физики испытывают величайшие затруднения, ибо требование изменить структуру мышления вызывает такое ощущение, будто почва уходит из-под ног. Ученый, которому усвоенная с юности структура мышления позволяла затем на протяжении ряда лет добиваться в своей науке немалых успехов, просто не может перестроить свое мышление на основании нескольких новых экспериментов. Изменение сознания, открывающее путь к новому образу мышления, может произойти в лучшем случае после многолетнего продумывания новой ситуации. Мне представляется, что серьезность возникающих здесь трудностей невозможно переоценить. Напротив, когда ощутишь всю глубину отчаяния, с которым умные и доброжелательные люди науки реагируют на требование изменить структуру мышления, приходится, собственно, только удивляться тому, что революции в науке вообще оказались возможны.
Но как же в таком случае они произошли? Пожалуй, правильное объяснение таково: научные деятели понимают, что новая структура мышления позволяет добиться в науке большего, чем старая, то есть новое оказывается более плодотворным. Ибо тот, кто однажды решил стать ученым, прежде всего стремится двигаться вперед, он хочет участвовать в открытии новых путей. Он не довольствуется повторением старого, не раз уже сказанного. Вот почему он интересуется такими проблемами, где ему, так сказать, «есть, чем заняться», где перед ним открывается перспектива успешной деятельности. Именно поэтому одержали победу теория относительности и квантовая теория.
Гипотетическая субстанция „эфир", игравшая столь важную роль в более ранних истолкованиях теории Максвелла в XIX столетии, как это уже упоминалось выше, была устранена теорией относительности. Это обстоятельство часто выражают также в виде утверждения, что теорией относительности было устранено абсолютное пространство. Но такое утверждение нуждается в некоторых оговорках. Правда, согласно специальной теории относительности, больше нельзя выбрать определенную систему отсчета, относительно которой эфир покоился бы и которая по этой причине заслуживала бы название „абсолютной". Но было бы все же неправильно утверждать, что теперь пространство будто бы потеряло все физические качества. Уравнения движения материальных тел или полей все еще принимают различный вид в „обычной" системе отсчета и в другой системе, равномерно вращающейся относительно „обычной" системы отсчета. Если ограничиваются теорией относительности 1905, 1906 годов, то существование, центробежных сил во вращающейся системе отсчета доказывает, что существуют физические свойства пространства, позволяющие отличить вращающиеся системы от невращающихся.
В философском плане это не кажется удовлетворительным, и было бы предпочтительнее приписывать физические свойства только физическим объектам, как, например, материальным телам или полям, а не пустому пространству. Однако если ограничиться рассмотрением электромагнитных процессов и механических движений, то наличие этих свойств у пустого пространства следует просто из фактов, которые не могут быть оспорены, например из факта существования центробежной силы.
Само собой напрашивается сравнение предпосылок квантовой теории со специальной теорией относительности. Согласно теории относительности, понятие "одновременно" нельзя, по Эйнштейну, определить иначе, как через эксперименты, в которых существенно знание скорости распространения света. Если бы существовало более "жесткое" определение одновременности, например, при помощи сигналов, распространяющихся с бесконечно большой скоростью, то теория относительности была бы невозможна. Но поскольку таких сигналов не существует и, более того, в определение одновременности уже входит скорость света, то создана почва для постулата постоянства этой скорости, и следовательно, данный постулат не противоречит разумному употреблению слов: "положение", "скорость", "время". Аналогично обстоит дело с определением понятий "положение электрона", "скорость" в квантовой теории. Все опыты, которые могут служить для определения этих слов, неизбежно содержат неопределенность, даваемую соотношением неопределенностей, хотя они и позволяют точно определить понятия р и q в отдельности. Если бы существовали эксперименты, которые одновременно давали возможность более "жесткого", чем предписываемого соотношением, определения р и q, то квантовая механика была бы невозможна.
P.S. Конечно, мне (автору статьи, а не Гейзенбергу) пришлось внести изменения в исходные тексты, чтобы сделать изложение статьи по теме физики и философии последовательным и связным. Однако все эти изменения находятся против исходных текстов в диапазоне от незначительных до минимальных.