Дополнительность Бора

«Закон природы выражается тем проще, чем более общим он является.»
Макс Планк

Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, нельзя в одном и том же опыте определить обе характеристики атомного объекта — координату и импульс. А что если предположить, что микрочастица —это не корпускула и не волна, а нечто третье?

Развивая принцип неопределенности Гейзенберга, Бор пошел дальше. Он отметил, что координаты и импульс частицы нельзя измерить не только одновременно, но вообще с помощью одного и того же прибора.

Так, для измерения импульса микрочастицы необходим чрезвычайно легкий и подвижный «инструмент». Но именно из-за его подвижности положение его весьма неопределенно. Для измерения же координаты нужен очень массивный «инструмент», который оставался бы неподвижным при попадании в него частицы. Но изменения импульса мы при этом не заметим.

Разносторонний взгляд на вещи

Сейчас это очевидно, но до Бора все были убеждены, что несовместимость двух типов приборов влечет за собой противоречивость их свойств. Бор отрицал такую прямолинейность суждений и объяснил, что свойства их действительно несовместимы, но для полного описания атомного объекта оба они одинаково необходимы и поэтому не противоречат, а дополняют друг друга. Этот принцип и получил название дополнительности Бора и был им сформулирован в 1927 году.

Среди положений формальной логики существует «правило исключенного третьего», согласно которому из двух противоположных высказываний одно истинно, другое — ложно, а третьего быть не может. В классической физике все хорошо соотносилось с вышеуказанным принципом, поскольку там понятия «волна» и «частица» действительно противоположны и несовместимы по существу. В атомной же физике оба понятия одинаково хорошо применимы для описания свойств одних и тех же объектов, причем для полного описания необходимо использовать их одновременно.

«...Теперь атомный физик далеко ушел от идиллических представлений старомодного натуралиста, который надеялся проникнуть в тайны природы, подстерегая бабочек на лугу» (Макс Борн)

Таким образом, принцип дополнительности Бора примирил недостатки устоявшейся системы понятий с новыми знаниями о мире. Этот принцип расширил возможности нашего мышления, объяснив, что в атомной физике меняются не только понятия, но и сама постановка вопросов о сущности физических явлений.

На самом же деле значение принципа дополнительности выходит далеко за пределы квантовой механики. Позднее этот принцип был распространен и на другие области науки.

Например, сам Бор любил приводить пример из биологии, связанный с жизнью клетки, сравнивая ее роль с ролью атома в физике. Изучить жизнь клетки — значит узнать все элементарные процессы, которые в ней происходят, и при этом понять, как их взаимодействие приводит к совершенно особому состоянию материи—к жизни. Однако при попытке выполнить эту программу одновременное сочетание анализа и синтеза неосуществимо. В самом деле, чтобы проникнуть в детали механизмов клетки, мы воздействуем на нее, то есть вмешиваемся в ее функции, а значит, ничего не узнаем о ней как о целостном живом организме.

«Противоположности — не противоречия, они — дополнения» (Нильс Бор)

Третье состояние материи

Фактически Бор показал, что сам вопрос «Что такое атомная частица—это все-таки частица или же волна?» поставлен некорректно применительно к атомным объектам. У атома нет раздельных свойств частицы или волны, поэтому на поставленный вопрос нельзя ответить однозначно, подобно тому, как нельзя ответить на вопрос «Что больше — вольт или килограмм?».

Нельзя разделить дополняющие друг друга свойства атома, не разрушив при этом его единство. Составляющие атом частицы — это и не частицы, и не волны, а также ни то ни другое одновременно. Это нечто третье, которое нельзя представить как простую сумму корпускулярных и волновых свойств частицы. И хотя это «нечто» и недоступно нашему восприятию, тем не менее, оно реально существует. Как существует мелодия, представляющая собой нечто большее, чем набор составляющих ее нот.

Если мы возьмем отдельно понятия «состояние» и «наблюдение», то, согласно Бору, они будут дополнительные. Ведь взятые каждый в отдельности они неполны, а значит, могут быть определены только друг через друга. Фактически эти понятия не существуют отдельно. Мы всегда наблюдаем только конкретное состояние объекта! Само же состояние объекта остается вещью в себе, пока мы не найдем способ его «наблюдения».

На дверях своего дома Нильс Бор повесил подкову. Увидев ее, один его гость спросил: — Неужели вы, ученый-физик с мировым именем, верите, что подкова над дверью приносит счастье? —Нет, — сказал Бор, — я, конечно, не верю. Но вы знаете, она приносит счастье даже тем, кто не верит...

Понятия «волна», «частица», «состояние квантовой системы», «наблюдение системы», взятые по отдельности, — это только абстракции, не имеющие никакого отношения к миру атомов, но они необходимы для его понимания.

Наука—это только один из способов познать окружающий нас мир. Другой, дополнительный, способ — искусство. Совместное существование искусства и науки может служить хорошей иллюстрацией принципа дополнительности. Можно либо в полной мере заняться наукой, не имея понятия об искусстве, и наоборот. Оба эти отношения к жизни в одинаковой мере правомерны, но взятые по отдельности неполны по своей сути.