Парадоксы в физике: новый подход
Е. Иванов
Июнь, 2004.
В
этой статье мы попытаемся по-новому взглянуть на проблему парадоксов в физике.
Неклассические физические теории (СТО, ОТО, квантовая теория) наполнены
парадоксами. Само возникновение этих теорий в значительной мере было связано с
попытками объяснить обнаруженные противоречия в поведении физических объектов.
Теория относительности пыталась разрешить противоречие между электродинамикой и
классической механикой (было установлено, что движение световых волн не удовлетворяет
принципу относительности Галилея, т.к. скорость света не зависит ни от движения
его источника, ни от движения приемника
и в вакууме всегда имеет одно и то же значение). Квантовую механику формально
также можно рассматривать как попытку объяснить парадоксальную двойственность
поведения микрообъектов: в одних
ситуациях они ведут себя как точечные объекты (корпускулы), а в других –
проявляют волновые свойства. Однако, разрешая одни парадоксы, эти теории порождают
новые парадоксы (парадокс близнецов, парадокс вращающегося кольца (“парадокс
Эренфеста“), парадокс “подводной лодки“,
парадокс рычага и др.– в СТО, парадокс редукции волновой функции,
парадокс кошки Шредингера, парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена - в квантовой
теории и др.). Создается впечатление, что нам так никогда и не удастся избавиться от парадоксов – устраняя одни
парадоксы, мы тут же обнаруживаем массу
новых.
В
чем же причина возникновения парадоксов? Обычно полагают, что парадоксы – суть
следствие несовершенства наших теорий. Нам говорят: природа не может сама по
себе быть противоречивой. Следовательно, совершенные теории должны быть лишены
парадоксов. Так ли это? Рассмотрим
внимательнее характер физических парадоксов. В некоторых случаях парадоксы,
видимо, носят мнимый характер и ощущение
парадоксальности возникает лишь в силу необычности передсказываемых
явлений (например, парадокс близнецов). В других случаях возникают истинные
противоречия. Эти противоречия можно разделить на “внутритеоретические“ и
“межтеоретические“. В первом случае противоречия возникают между различными
положениями внутри одной и той же теории. Примером здесь может служить
парадокс редукции волновой функции в
квантовой механике: с одной стороны, процесс измерения, как и любой другой
физический процесс, должен описываться в терминах волновых функций, подчиненных
уравнению Шредингера. Но в таком случае мы не получаем определенных результатов
измерения – в результате взаимодействия с микрообъектом прибор просто переходит
в состояние суперпозиции макросостояний, отражающих все возможные значения
измеряемой величины. Поэтому, для согласования математического аппарата с
реальным положением дел приходится вводить дополнительный постулат “редукции
волновой функции“, который никак не вписывается в Шредингеровский формализм
(редукция – нелинейный процесс, что противоречит линейности уравнения
Шредингера). Таким образом, постулат редукции волновой функции вступает в
противоречие с постулируемой
универсальностью Шредингеровского описания эволюции квантовых систем.
В других
случаях противоречия возникают при попытке соединить (или свести друг к
другу) физические теории, относящиеся к
различным уровням описания реальности. Существуют противоречия между
классической механикой и классической электродинамикой (что и породило теорию
относительности), между классической и квантовой механикой (квантовая механика
предсказывает “макроскопические суперпозиции“, которые должны возникать при
взаимодействии объектов макро и микромира,
которые реально не наблюдаются (т.н. парадокс “кошки Шредингера“),
предсказывает также ненаблюдаемое в
действительности расплывание волновых пакетов макрообъектов). Общепризнанно
наличие противоречий между классической и квантовой механикой, с одной стороны,
и термодинамикой, с другой (уравнения классической и квантовой механики
обратимы во времени, тогда как термодинамика постулирует существование
необратимости, которая реально обнаруживается в поведении большого числа
микрочастиц). Существует противоречие
между квантовой механикой и общей теорий относительности (что затрудняет
создание теории квантовой гравитации).
Создается впечатление, что природные объекты в разных ситуациях и в
разных пространственно-временных масштабах подчиняются различным, логически несовместимым
друг с другом законам. Так ли это на самом деле или же мы имеем дело с
иллюзией, порожденной несовершенством наших теорий?
С
нашей точки зрения нет ничего невозможного в том, чтобы сами физические объекты
обладали противоречивыми свойствами. Требование непротиворечивости основано на предположении,
что “мир природы“ представляет собой некую замкнутую в себе, самодостаточную
систему, которая самостоятельно производит все наблюдаемые нами физические
явления. Но вполне возможно, что
природа не является замкнутой и самодостаточной системой – а является частью
некой большей (“сверхфизической“)
системы, от которой она существенным образом зависит. В таком случае мы должны признать, что природа, возможно, не способна самостоятельно производить все
наблюдаемые физические феномены. Но тогда нет никакой необходимости требовать
самосогласованности физической картины мира. Разные фрагменты и уровни
реальности вполне могут быть подчинены совершенно различным и даже логически
несовместимым законам. Важно лишь, чтобы эти законы не обнаруживались одновременно
в одной и той же физической ситуации.
Наглядной
иллюстрацией здесь как раз может служить корпускулярно-волновой дуализм.
Согласно принципу дополнительности Н. Бора, волновые и копрускулярные свойства
микрообъектов проявляются в строго различных, непересекающихся ситуациях и
таким образом никаких явных противоречий в нашем опыте не возникает, несмотря
на логическую несовместимость описания одного и того же объекта как волны и как частицы. (Здесь напрашивается
очевидная аналогия с кинематографом:
различные “киночудеса“ и несогласованности в киноповествовании возможны,
очевидно, лишь в силу того, что “кинореальность“ не является чем-то замкнутым и
самодостаточным и она не производит самостоятельно свои собственные явления:
персонаж боевика падает не потому, что его “убила“ нарисованная на экране пуля.
Важно лишь чтобы противоречащие друг другу феномены “не попали в один и тот же кадр“).
Таким образом,
вполне возможно, что парадоксы физики (или, по крайней мере, некоторые из
них) отражают не дефекты наших теорий,
а отражают объективную несамосогласованность тех физических закономерностей,
которые в совокупности и образуют “мир природы“. Несамодостаточность физической
реальности предполагает, что регулярные, воспроизводимые и законосообразные
процессы в природе могу сочетаться с
процессами нерегулярными, невоспроизводимыми и противоречащими любым известным
законам природы. Т.е. должны существовать “аномальные явления“ или “чудеса“. И
они действительно существуют. Мы имеем здесь в
виду не только различные парапсихологические и прочие подобные
необъяснимые явления. Наличие жизни и
сознания - тоже есть своего рода чудо,
поскольку эти феномены необъяснимы с точки зрения современной физической
парадигмы [1].
Существование аномальных явлений – более всего
и побуждает нас признать несамодостаточность известной нам физической
реальности. “Сверхфизическая“ реальность, если она существует, с
необходимостью должна как-то
действовать в составе физической реальности – иначе она была бы принципиально
ненаблюдаемой. Поэтому отношение физического и “сверхфизического“ нужно
понимать не как отношение “видимого“ и “невидимого“ (воспринимаемого и невоспринимаемого) или “действующего“ и
“недействующего“, но как отношение регулярного и нерегулярного,
законосообразного и нарушающего эти законы, нормального и аномального.
1. Иванов Е.М. Я и Абсолют: О
перспективах решения психофизической проблемы. Саратов, 2003.