Под знаком кванта

Дополнительность — вот то слово и тот поворот мысли, которые стали доступны всем благодаря Бору. До него все были согласны, что несовместимость двух типов приборов непременно влечет за собой противоречивость свойств, измеряемых с их помощью. Бор отрицал такую прямолинейность суждений и разъяснял: да, свойства эти действительно несовместимы, но для полного описания квантового объекта оба они равно необходимы и поэтому не противоречат, а дополняют друг друга.

В действительности с такой ситуацией мы встречаемся повсеместно. Всем нам памятно детство, когда в солнечный день мы с помощью линзы поджигали бумагу и сухие былинки. Это — одна характеристика солнечного луча: он несет энергию в виде фотонов. Но если тот же солнечный луч пропустить не через линзу, а через призму, то мы увидим спектр. Это — другая, дополнительная характеристика того же луча: он состоит из волн различной длины. Линза и призма — различные приборы, которые позволяют нам наблюдать различные физические явления, характеризующие разные дополнительные свойства единого квантового объекта. Эти свойства нельзя наблюдать одновременно, в одном и том же опыте, с одним и тем же прибором, но они равно необходимы, чтобы представить себе сущность солнечного луча во всей его полноте.

Приведенное рассуждение о дополнительности двух несовместимых измерений можно пояснить простой аналогией. Представьте, что вы хотите узнать содержимое «черного ящика», который устроен специальным образом, а именно — наподобие хорошо известной камеры-обскуры. Эта камера,

в отличие от обычной, имеет два отверстия и соответственно две фотопластинки на противостоящих им стенках ящика. Пока оба отверстия закрыты, мы ничего не знаем о предмете в ящике, он для нас попросту не существует. Открывая их поочередно, мы получим на фотопластинках две проекции изучаемого предмета. Каждая из них, взятая в отдельности, недостаточна, однако обе они равно необходимы для воссоздания объемной картины изучаемого объекта.

Две различные проекции предмета соответствуют двум разным, дополнительным типам измерений в квантовой механике. Очевидно, осуществить оба измерения одновременно мы не можем, поскольку при одновременном открывании отверстий в нашей камере-обскуре, кроме тени от предмета, создаваемой нужным отверстием, на каждую из фотопластинок попадет свет от другого, «дополнительного» отверстия и оба изображения будут испорчены. Ясно также, что если изучаемый объект очень мал, то уже при первом измерении-наблюдении мы нарушим его первоначальное состояние, например сдвинем его или повернем. А это означает, что при открывании второго отверстия мы получим на другой фотопластинке не истинную, а искаженную проекцию предмета. В этих условиях объемную картину можно восстановить лишь приблизительно, но это все-таки лучше, чем хотя и точное, но плоское изображение. Квантовая механика утверждает, что для воссоздания «объемной картины» атомного объекта достаточно двух его «плоских проекций», то есть двух дополнительных измерений, например измерений координаты и импульса.

В переводе на язык абстрактных понятий предыдущие аналогии можно обобщить следующим образом. Квантовый объект — это «вещь в себе», пока мы не указали способа его наблюдения. Различные свойства объекта требуют разных способов наблюдения, иногда несовместимых между собой. В действительности понятия «объект» и «наблюдение» — лишь удобные абстракции, необходимые для описания более общего .понятия «экспериментальная ситуация». Физическая наука изучает не объекты сами по себе, а конкретные реализации экспериментальной ситуации, которые мы называем «явлениями». С точки зрения опыта любое явление — это упорядоченный набор чисел, которые суть результаты измерений реакции объекта на воздействие прибора избранного типа. Выбирая разные, дополнительные приборы, мы меняем экспериментальную ситуацию; реализуя ее, воздействуем на разные характеристики объекта; наконец, наблюдая следствия этого воздействия, мы получаем различные наборы чисел, то

159 есть изучаем разные явления. И хотя дополнительные явления невозможно изучить одновременно, в одном опыте, тем не менее они характеризуют единый квантовый объект и равно необходимы для полной его характеристики.

Всегда было важно, какие вопросы мы задаем природе. Задавая вопросы природе квантовой, мы должны быть особенно внимательны, ибо от их выбора зависит способ расчленения единой природы на две части: объект + наблюдатель. Принцип дополнительности утверждает, что существует по крайней мере два качественно различных способа такого расчленения. В знакомой нам цепочке познания новейшей физики:

явление —образ понятие формула ->■ опыт