|
Живое море электронов
В начале своей карьеры Бом также разделял позицию Бора, но недоумевал, почему Бор и его коллеги так мало внимания уделяют вопросам взаимосвязи в микромире. После окончания Государственного колледжа в штате Пенсильвания он поступил в Калифорнийский университет в Беркли и до получения докторской степени в 1943 году работал в Лоренсовской радиационной лаборатории (Lawrence Berkeley Radiation Laboratory). Там он встретился с еще одним поразительным примером квантовой взаимосвязи.
В лаборатории Бом начал проводить серьезные исследования в области плазмы. Плазма – это газ, состоящий из большого количества электронов и положительно заряженных ионов и атомов. К своему удивлению, Бом обнаружил, что, будучи в плазме, электроны перестают вести себя как отдельные частицы и становятся частью коллективного целого. В то время как индивидуальные движения электронов имели случайный характер, большое количество электронов приводило к эффектам, носившим удивительно организованный характер. Подобно некой амебе, плазма постоянно регенерировала сама себя и окружала оболочкой все инородные тела – она вела себя аналогично живому организму, когда в его клетку попадает инородное вещество [4]. Бом был настолько поражен органическими свойствами плазмы, что часто представлял электронное море как «живое существо» [5].
В 1947 году Бом принял предложение занять должность ассистента в Принстонском университете (что было признанием его заслуг) и продолжил начатое еще в Беркли исследование поведения электронов в металлах. Снова и снова он обнаруживал, что кажущееся хаотичным движение индивидуальных электронов-частиц способно производить в совокупности высокоорганизованное движение. Подобно плазме, которую он изучал в Беркли, он столкнулся с ситуацией, где не только две частицы согласовывают между собой свое поведение, – он увидел целый океан частиц, каждая из которых как будто знала, что делают остальные триллионы частиц. Бом назвал такие коллективные движения частиц плазмонами, а их открытие принесло ему славу выдающегося физика.
Разочарование Бома
Чувствуя важность взаимосвязи микрочастиц и не разделяя некоторые из укоренившихся взглядов в физике, Бом стал все более критически относиться к боровской интерпретации квантовой теории. После трех лет преподавания этого предмета в Принстоне он решил написать учебник, который мог бы помочь ему глубже разобраться в предмете. После написания книги он понял, что по-прежнему не удовлетворен изложением квантовой физики. Отослав экземпляры книги Бору и Эйнштейну, от стал ждать их отзыва. От Бора ответа не последовало, однако Эйнштейн написал, что, поскольку они оба работают в Принстоне, можно встретиться и обсудить книгу. На первой встрече, которая ознаменовала собой начало их живой дискуссии в течение шести месяцев, Эйнштейн восторженно отозвался о работе Бома, заявив, что никогда ранее не видел, чтобы квантовую теорию излагали с такой ясностью. Тем не менее он признал, что, как и у Бома, у него есть много оснований не соглашаться с положениями теории.
Во время беседы оба физика выразили восхищение способностью теории предсказывать явления. Однако они не могли принять того, что теория не дает базисной структуры мира. Бор и его последователи, напротив, заявляли, что квантовая теория завершена и нет никакой возможности получить большую ясность картины, наблюдаемой в квантовой области. Это было все равно что отрицать наличие какой-либо большей реальности, лежащей за пределами внутриатомного микромира, и не ждать ответов на дальнейшие вопросы, что, конечно же, задевало философскую чувствительность Бома и Эйнштейна. Во время их встреч обсуждались многие темы, наведшие Бома на дальнейшие размышления и способствующие укреплению в опасениях относительно толкований квантовой физики. В результате Бом решил искать альтернативный подход к описанию квантовых явлений. Когда в 1951 году его книга «Квантовая теория» вышла из печати, ее сразу же окрестили классическим трудом, но это была классика, к которой Бом уже относился с недоверием. Его сознание, вечно занятое поиском более глубоких объяснений, уже искало новые способы описания реальности.
Новый вид поля
После бесед с Эйнштейном Бом попытался найти рабочую альтернативу отстаиваемой Бором интерпретации реальности. Он начал с того, что предположил: частицы наподобие электронов действительно существуют в отсутствие наблюдателей. Он также предположил, что за пределами боровской реальности существует более глубокая реальность на субквантовом уровне, ожидающая ее открытия наукой. Исходя из этих гипотез, Бом увидел, что простым постулированием существования поля нового вида – поля на субквантовом уровне – он может объяснить открытия в квантовой физике с таким же успехом, что и Бор. Бом назвал свое новое гипотетическое поле квантовым потенциалом и предположил, что, как и гравитация, оно пронизывает все пространство. Однако в отличие от гравитационных, магнитных и других полей его действие не ослабевает с расстоянием. Несмотря на довольно тонкую природу нового поля, его сила распределена равномерно по всему пространству. Свое альтернативное видение квантовой теории Бом обнародовал в печати в 1952 году.
Реакция на его подход была в основном отрицательной. Некоторые физики настолько верили в то, что никакие альтернативы не возможны, что отвергли его теорию без рассмотрения. Другие обрушили на нее яростные атаки. В конце концов все возражения свелись к философским разногласиям: точка зрения Бора была настолько укоренена в физику, что альтернативный подход Бома казался более чем ересью.
Несмотря на остроту атак, Бом продолжал невозмутимо верить, что существует более глубокая реальность, нежели та, которую допускает Бор. Он также почувствовал, что классическое научное мировоззрение препятствует новым идеям, и в 1957 году в книге под названием «Причинность и вероятность в современной физике» он проанализировал несколько философских допущений, ответственных за такую ограниченность науки. Одним из таких широко распространенных допущений был постулат о том, что любая теория, в том числе и квантовая, может быть законченной. Бом критиковал этот постулат, указывая, что природа бесконечна. Поскольку ни одна из теорий не может объяснить то, что по своей природе бесконечно, Бом заключил, что для научного поиска было бы лучше, если бы ученые отказались от подобных допущений.
В своей книге он указывал, что причинность, трактуемая наукой, слишком ограничена. Большинство следствий рассматривались как происходящие по одной или нескольким причинам. Бом, однако, почувствовал, что следствие может иметь за собой бесконечное множество причин. Например, если вы спросите, что вызвало смерть Авраама Линкольна, вам ответят, что это была пуля, вылетевшая из револьвера Джона Бута. Но полный список причин, за которыми последовала смерть Линкольна, должен был бы включать все события, приведшие к производству данного ружья, все факторы, заставившие Бута желать смерти Линкольна, все шаги эволюционного развития человеческой расы и руки, способной удержать револьвер, и т. д. и т. п. Бом признавал, что в большинстве случаев можно игнорировать огромную вереницу причин, приводящих к конкретному следствию, но считал, что ученым очень важно помнить: ни одно из причинно-следственных отношений нельзя в действительности отделить от вселенной.
Если хочешь узнать о себе, спроси других
В это же время Бом продолжал шлифовать свой альтернативный подход к квантовой физике. Пристальное изучение свойств квантового потенциала привело его к еще более радикальному отходу от ортодоксального мышления. Классическая наука всегда рассматривала систему как простое сложение поведения ее отдельных частей. Однако гипотеза квантового потенциала, образно говоря, поставила эту точку зрения с ног на голову, определив поведение частей как производную от целого. Она не только включила в себя утверждение Бора о том, что элементарные частицы не являются независимыми «частицами материи», а представляют собой часть неделимого целого, но и постулировала целое как первичную реальность.
Эта гипотеза также объясняла, каким образом электроны в плазме (и других особых состояниях, таких как сверхпроводимость) могли вести себя как единое целое. Как указывает Бом, такие «электроны не рассеиваются, потому как благодаря действию квантового потенциала вся система приобретает координированное движение – это можно сравнить с балетом, в котором танцоры движутся синхронно в отличие от неорганизованной толпы». И он снова отмечает: «Такие квантовые целые состояния больше напоминают организованное поведение частей живого существа, чем функционирование отдельных частей машины» [6].
Еще более удивительное свойство квантового потенциала заключается в его связи с локализацией. На уровне нашего обычного опыта вещи обладают вполне конкретной локализацией, однако, в интерпретации Бома, на субквантовом уровне, то есть уровне, на котором работает квантовый потенциал, локализация отсутствует. Все точки пространства становятся едиными, и говорить о пространственном разделении становится бессмысленным. Физики называют такое свойство пространства «нелокальностью».
Нелокальный аспект квантового потенциала позволил Бому объяснить связь между парными частицами без нарушения специальной теории относительности, запрещающей превышение скорости света. Для пояснения он предлагает следующий пример: Представьте себе рыбу, плавающую в аквариуме. Представьте также, что вы никогда раньше не видели рыбу или аквариум и что единственную информацию о них вы получаете через две телевизионные камеры, одна из которых направлена на торец аквариума, а другая смотрит сбоку. Если смотреть на два телевизионных экрана, можно ошибочно предположить, что рыбы на экранах разные. Действительно, поскольку камеры расположены под разными углами, каждое из изображений будет несколько отличаться. Но, продолжая наблюдать за рыбами, вы в конце концов понимаете, что между ними существует некая связь. Если поворачивается одна рыба, другая делает несколько другой, но синхронный поворот. Если одна рыба показывается анфас, другая предстает в профиль, и т. д. Если вы не знакомы с общей ситуацией, вы можете ошибочно заключить, что рыбы мгновенно координируют свои движения, однако это не так. Никакой мгновенной связи между ними нет, поскольку на более глубоком уровне реальности – реальности аквариума – существует одна, а не две рыбы. Именно это, отмечает Бом, и происходит с частицами, например с двумя фотонами, испускаемыми при распаде атома позитрония (см. рис. 8).
Рис. 8. Бом считает, что элементарные частицы связаны также, как изображения одной рыбы в двух гранях аквариума. Хотя частицы, наподобие электронов, кажутся отделенными друг от друга, на более глубоком уровне реальности – реальности аквариума – они являются лишь двумя аспектами глубокого космического единства.
Действительно, поскольку квантовый потенциал пронизывает все пространство, все частицы имеют нелокальную взаимосвязь. Картина реальности, которую раскрывал Бом, все более становилась похожа не на отдельное существование разрозненных элементарных частиц, движущихся в вакууме, но на непрерывную паутину событий, уложенных в пространство, которое само обладает такой же реальностью и разнообразием, как и материя, движущаяся сквозь него.
Идеи Бома по-прежнему не были убедительны для большинства ученых, но у некоторых физиков они вызывали интерес. Одним из таких физиков был Джон Стюарт Белл, теоретик из CERN'a – Центра ядерных исследований, расположенного близ Женевы, в Швейцарии. Как и Бом, Белл также был неудовлетворен квантовой теорией и искал ей альтернативу. Позднее он вспоминал: «В 1952 г. я увидел статью Бома. В ней он предлагал ввести некоторые переменные, чтобы дополнить квантовую механику. Это было впечатляюще» [7].
Белл также понял, что теория Бома предполагает наличие нелокальности, и начал думать о ее экспериментальной проверке. Эта проблема долго оставалась у него в уме, пока в 1964 году он не получил годичный отпуск для научной работы и не смог сконцентрироваться на этой идее. Затем он быстро нашел элегантное математическое обоснование эксперимента. Единственной проблемой было ограничение точности, обусловленное тогдашним развитием техники. Чтобы убедиться в том, что частицы, например в случае EPR-парадокса, не используют обычной связи, основные экспериментальные измерения должны были производиться за такой бесконечно малый промежуток, за который луч света не успевал бы пройти расстояние между частицами. Это означало, что измерительные приборы должны были производить необходимые отсчеты в течение нескольких миллиардных долей секунды.
Голограмма появляется на свет
К концу 1950-х годов Бом уже достаточно настрадался от маккартизма и решил перебраться в Англию, в Бристольский университет, где стал вести научную работу. Там вместе с молодым исследователем Якиром Аароновым он обнаружил еще один пример нелокального взаимодействия. Бом и Ааронов установили, что при определенных обстоятельствах электрон может «почувствовать» присутствие магнитного поля в области, где вероятность нахождения электрона равна нулю. Это явление известно сегодня под именем эффекта Ааронова-Бома. Когда исследователи опубликовали свое открытие, многие физики не поверили, что такой эффект возможен. Даже сегодня находятся скептики, которые, несмотря на многочисленные подтверждающие эксперименты, время от времени публикуют статьи, отрицающие существование данного эффекта.
Как всегда, Бом стоически продолжал сопротивляться, смело заявляя толпе, что «король голый». В интервью несколько лет спустя он подчеркнул значение бескомпромиссности: «На большом отрезке времени оказывается гораздо более опасным придерживаться иллюзий, чем встретиться лицом к лицу с истинными фактами» [8].
Тем не менее сдержанная реакция на его идеи относительно полноты и нелокальности, а также неясность дальнейших исследований в этом направлении заставили его переключиться на другие темы. В 1960-х годах он занялся пристальным изучением порядка. В классической науке все объекты обычно разделялись на две категории: объекты, обладающие упорядоченностью своих частей, и объекты, части которых находятся в неупорядоченном, или случайном состоянии. Снежинки, компьютеры и живые существа – все это примеры упорядоченных объектов. Рассыпанные зерна кофе на полу, обломки после взрыва, числа, генерируемые рулеткой, – примеры неупорядоченных объектов.
По мере того как Бом все более углублялся в изучаемый предмет, он стал понимать, что существуют различные степени порядка. Некоторые вещи более упорядоченны, чем другие, причем иерархия порядка бесконечна во вселенной. Из этого Бом сделал вывод, что то, что нам кажется неупорядоченным, вовсе может и не являться таковым. Возможно, порядок этих вещей имеет «такую бесконечно большую величину», что они только кажутся беспорядочными (интересно, что математики не могут определить случайность, и хотя некоторые последовательности чисел классифицируются как случайные, это только допущение).
Будучи погруженным в эти мысли, Бом увидел как-то в телевизионной программе Би-Би-Си устройство, способствовавшее дальнейшему развитию его идей. Устройство представляло собой специально спроектированный сосуд, содержащий большой вращающийся цилиндр. Пространство сосуда было заполнено глицерином – плотной, прозрачной жидкостью – с неподвижно плавающей в нем каплей чернил. Бома заинтересовало следующее. Когда ручку цилиндра поворачивали, чернильная капля расползалась по глицерину и казалась растворенной. Но как только ручку начинали крутить в противоположном направлении, слабая чернильная траектория медленно исчезала и превращалась в исходную каплю (см. рис. 9).
Рис. 9. Если каплю чернил поместить в цилиндрический сосуд, наполненный глицерином, а сам цилиндр повернуть вокруг оси, капля расползается и исчезает. Но если цилиндр повернуть в обратном направлении, капля снова восстанавливается. Бом использовал это явление как пример порядка, который может быть проявленным (явным) или скрытым (имплицитным).
Бом писал: «Этот опыт поразил меня тем, что в точности соответствовал моим представлениям о порядке, то есть когда чернильное пятно расползалось, оно все-таки имело «скрытый» (то есть непроявленный) порядок, который проявлялся, как только капля восстанавливалась. С другой стороны, на нашем обычном языке мы сказали бы, что чернила были в состоянии «беспорядка», растворившись в глицерине. Этот опыт привел меня к новому определению порядка» [9].
Это открытие сильно воодушевило Бома. Наконец он нашел метафору для понимания порядка, которая позволила не только свести воедино все его разрозненные мысли за многие годы, но и предоставила мощный аналитический аппарат в его распоряжение. Этой метафорой была голограмма.
Как только Бом начал внимательно изучать голограмму, он увидел, что она тоже представляла собой новый способ объяснения порядка. Как и чернильная капля в растворенном состоянии, интерференционные картины, записанные на кусочке голографической пленки, также казались хаотичными для невооруженного глаза. Однако оба явления обладают скрытым, или свернутым порядком, напоминающим порядок плазмы, состоящей из кажущегося случайным индивидуального поведения электронов. И это не было единственной блестящей догадкой, полученной с помощью голограммы.
Чем больше Бом думал об этом феномене, тем более он убеждался в том, что вселенная фактически использует голографический принцип в своей работе, да и сама представляет своего рода огромную, плавающую голограмму. Эта идея в конце концов позволила Бому выкристаллизовать различные догадки в целостную и поражающую своим радикализмом теорию. Свои первые статьи о голографическом характере вселенной Бом опубликовал в начале 1970-х годов, а в 1980 году издал законченный труд под названием «Полнота и импликативный порядок». Книга не просто соединяет воедино мириады идей, она дает столь радикально новую картину мироздания, что дух захватывает.
Источник: www.scorcher.ru.
Рейтинг публикации:
|
