Физик странный и неожиданный

С.В. Багоцкий

Двадцатого декабря 2017 года исполняется 100 лет со дня рождения выдающегося американского физика и философа Дэвида Джозефа Бома (1917–1992). Человек, который подверг сомнению копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, создатель голографической модели Вселенной, друг Джидду Кришнамурти.

pic_2017_12_48.jpg

Дэвид Бом родился в еврейской семье, эмигрировавшей в США из закарпатского городка Мукачево (до 1917 года территория Австро-Венгрии, после 1939 года — Советского Союза). Отец Дэвида был владельцем мебельного магазина, однако мальчик не питал склонности к бизнесу, предпочитая размышлять о мировых проблемах. Эти размышления привели его к мысли стать физиком.

После окончания колледжа Дэвид Бом поступил в Калифорнийский университет в Беркли — один из самых сильных в США. Там он познакомился с выдающимся физиком Робертом Оппенгеймером (1904–1967) и вскоре вошел в число его любимых учеников. По вечерам у Оппенгеймера собиралась компания молодых физиков и начинались бесконечные беседы о мировых проблемах. По всей видимости, эти беседы сформировали Бома и как исследователя, и как личность.

Дэвиду Бому не особенно нравилась экспериментальная работа. Он больше любил размышлять и поэтому специализировался по теоретической физике. С 1947 по 1950 год Бом работал в Принстоне вместе с Альбертом Эйнштейном, который высоко ценил молодого коллегу. Будучи исследователем романтического склада, Бом интересовался самыми разными проблемами, от элементарных частиц до физики твердого тела.

В компании учеников Оппенгеймера Бом познакомился с коммунистическими идеями и вступил в Коммунистический союз молодежи США. Через несколько лет, в эпоху маккартизма, ему из-за этого пришлось несколько месяцев отсидеть в тюрьме. После освобождения Бом переехал в Бразилию, а затем в Израиль.

Сидя в тюрьме, Дэвид Бом, как и подобает настоящему человеку науки, размышлял о физике. Результатом его размышлений стала книга «Квантовая механика» (1951), содержащая четкое изложение взглядов, общепринятых в науке того времени. Но уже в 1952 году он опубликовал две статьи, в которых высказал прямо противоположные мысли.


Чтобы разобраться в сути идей, предложенных Бомом, следует вспомнить историю квантовой механики. До 1900 года в физике господствовала волновая теория света. Однако в 1900 году Макс Планк показал, что трудности в теории излучения абсолютно черного тела легко преодолеваются, если предположить, что свет излучается отдельными частичками — квантами. При этом энергия отдельного кванта пропорциональна частоте волны. А в 1905 году Альберт Эйнштейн предложил объяснение для парадоксов фотоэффекта (испускание электронов веществом под действием света или другого электромагнитного излучения): например, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Это становится понятным, если предположить, что свет поглощается отдельными частицами, энергия которых пропорциональна частоте волны. (В 1929 году американский физикохимик Гильберт Льюис назвал эти частицы света фотонами.) В 1913 года Нильс Бор предложил свою модель строения атомов, согласно которой электроны в атоме могут находиться лишь в состояниях с дискретными уровнями энергии. Переход электрона из одного состояние в другое происходит при излучении или поглощении кванта, энергия которого равна разнице энергий между двумя состояниями. С точки зрения классической физики все это выглядело необъяснимо.

В 1923 году французский физик Луи де Бройль высказал предположение о том, что не только волны могут обладать свойствами частиц, но и любые частицы — свойствами волн. Это предположение экспериментально подтвердили в 1927 году Клинтон Дэвиссон и Лестер Джермер в опыте по дифракции электронов.

Все эти результаты наводили на мысли о том, что микромир не подчиняется законам классической физики, в нем действуют иные законы. С середины 1920-х годов начинаются попытки сформулировать эти законы. В 1925 году Вернер Гейзенберг, Паскуаль Иордан и Макс Борн предложили описывать поведение объектов микромира с помощью особым образом построенных матриц, а в 1926 году Эрвин Шредингер — с помощью волнового уравнения, названного несколько позже уравнением Шредингера.

В 1926 году Макс Борн предположил, что волновыми свойствами обладает вероятность нахождения частицы в определенной точке. Эта идея легла в основу копенгагенской интерпретации квантовой механики, которую создали в 1927 году Нильс Бор и Вернер Гейзенберг (впрочем, сам термин «копенгагенская интерпретация» появился значительно позже).

Копенгагенская интерпретация принципиально различает квантовые состояния объектов и их наблюдаемые в эксперименте параметры. Квантовое состояние описывается уравнением Шредингера и характеризуется набором вероятностей, которые могут принимать те или иные параметры при измерении. Измерение — это процесс взаимодействия объекта микромира с объектом макромира, подчиняющимся законам классической физики. Именно в результате измерения параметр квантового объекта приобретает определенное значение. Вне измерения говорить о параметрах бессмысленно: имеет смысл говорить лишь о волновой функции, зависящей от координат и, в общем случае, от времени. Из волновой функции можно вычислить вероятности разных значений параметров, которые будут получены при ближайшем измерении.

В квантовом мире однозначные причинно-следственные связи существуют только для волновых функций, но не для реально измеряемых параметров.

Важно, что процесс измерения меняет волновую функцию. Это обстоятельство порождает принцип неопределенности: есть пары параметров, значение которых нельзя одновременно определить достаточно точно. Чем точнее определяется один параметр, тем с большей ошибкой определяется другой. Произведение ошибок при определении двух параметров не может быть меньше постоянной Планка. Этот вывод сформулировал в 1927 году Вернер Гейзенберг.

Главное в копенгагенской интерпретации квантовой механики — принципиальная неоднозначность результатов измерений. Квантовые частицы ведут себя, как герои Достоевского — их наблюдаемое поведение непредсказуемо, можно говорить лишь о вероятности того, что они будут вести себя определенным образом.

Копенгагенская интерпретация была доложена Нильсом Бором на Пятом Сольвеевском конгрессе в 1927 году в Брюсселе. Против нее решительно выступили многие физики, для которых принципиальная непредсказуемость результатов измерений была неприемлемой. В частности, Альберт Эйнштейн. «Я убежден, что Бог не играет в кости», — говорил великий физик. «Эйнштейн, не указывайте Богу, что ему делать», — парировал Бор.

Альтернативные интерпретации не имели успеха, и в 1930-х годах копенгагенская интерпретация квантовой механики стала общепринятой. Лишь 20 лет спустя на нее посягнул Дэвид Бом.


В 1935 году Эйнштейн вместе с Борисом Яковлевичем Подольским и Натаном Розеном предложил идею мысленного эксперимента, позволяющего одновременно измерить и координату, и импульс частицы с точностью, превосходящей ограничения принципа неопределенности. Сущность идеи заключается в том, что одна квантовая частица распадается на две, у одной части с большой точностью измеряется координата, у другой импульс, а остальное определяется с помощью вычислений, основанных на законах сохранения. Эта идея получила название «парадокса Эйнштейна–Подольского–Розена» (парадокс ЭПР). Почему такой эксперимент невозможен, стало понятно только в 1960-х годах.

Вероятностная интерпретация не удовлетворяла и Луи де Бройля. В 1927 году он предложил гипотезу «волны-пилота», предполагавшую существование у квантовых объектов детерминированных параметров: эти внутренние, неизвестные нам параметры, которые имеют однозначное значение и однозначно определяют результаты измерения. Они получаются из волновой функции с помощью «управляющего уравнения». Но здесь есть маленькое коварство. Волновая функция задана на всем пространстве, а частица будет обнаружена в некой конкретной точке. Следовательно, скрытые параметры частицы нелокальны, и в предельном случае их значение определяется тем, что происходит во всей Вселенной.

Вслед за де Бройлем Дэвид Бом склонялся к мысли о том, что существует единая волновая функция для Вселенной, из которой получается все остальное. Поэтому все в мире связано со всем. Сегодня предложенная им интерпретация квантовой теории известна как теория де Бройля — Бома, теория волныпилота, механика Бома или причинная интерпретация.

Главный смысл работ Бома заключался в том, что они расшатали веру в единственность копенгагенской интерпретации квантовой механики. Пять лет спустя аспирант из Принстона Хью Эверетт (1930–1982) в своей диссертации предложил принципиально новую многомировую интерпретацию. (Она предполагает существование параллельных, или множественных, вселенных — в них действуют одни и те же законы природы, им свойственны одни и те же мировые константы, но они находятся в различных состояниях. Это допущение позволяет уйти от головоломных парадоксов копенгагенской интерпретации.) Свои идеи Эверетт обсуждал с Нильсом Бором, но патриарх их не одобрил, и в дальнейшем Эверетт ушел из физики, занявшись (вполне успешно) математическим моделированием в бизнесе.

Однако в 1997 году на симпозиуме в Балтиморе его организаторы устроили среди 48 физиков опрос о том, какая интерпретация квантовой механики представляется наиболее правильной. Из них 18 честно ответили «не знаю», 13 поддержали копенгагенскую интерпретацию, 8 — интерпретацию Эверетта, 4 — интерпретацию Бома, 5 — другие интерпретации.

В 1955 году Дэвид Бом по приглашению Натана Розена приезжает в Израиль, где работает в ведущем института страны — Технионе в Хайфе. С 1957 года и до выхода на пенсию в 1984 году он жил и работал в Великобритании.

В 1950-х годах Дэвид Бом вместе со своим израильским учеником Якиром Аароновым выполнили очень интересную теоретическую работу, которую затем удалось подтвердить экспериментально. Ее сущность заключается в том, что электрон может чувствовать наличие электромагнитного поля там, где вероятность нахождения электрона равна нулю. Это явление получило название «эффекта Ааронова — Бома».

Совсем недавно, в 2012 году, восьмидесятилетний Якир Ааронов опубликовал сумасшедшую теорию, согласно которой процесс измерения может влиять не только на будущее, но и на прошлое состояние волновой функции.

pic_2017_12_50-2.jpg
Якир Ааронов

В конце 1950-х годов Дэвид Бом познакомился с сочинением индийского философа Джидду Кришнамурти (1895–1986), а вскоре и с ним самим. Их дружба продолжалась четверть века.

На рубеже XIX—XX веков в мире появилось множество «духовных учителей», призывающих слушателей перестроить свое сознание ради усвоения неких высших истин. Среди таких учителей были Анни Безант (1847–1933) и Чарльз Ледбитер (1854–1934). Они были поклонниками и пропагандистами учения, получившего название «теософия», и жили в Индии. Однажды Ледбитер встретил мальчика, чья аура, «лишенная малейших признаков эгоизма», ему очень понравилась. Теософы взяли мальчика на воспитание и всерьез занялись его образованием, полагая, что в будущем из него выйдет великий учитель. Этим мальчиком и был Джидду Кришнамурти.

Джидду действительно стал странствующим философом и проповедником, но сформировавшиеся у него взгляды оказались не вполне такими, как ожидали его учителя. Он считал, что никто в мире не обладает монополией на истину и что нет и в принципе не может быть такого «гуру», который привел бы своих учеников к истине за ручку. Человек должен искать истину сам, и он может найти частичную истину, но она бесконечна, поэтому бесконечен и ее поиск. «Истина, будучи безграничной, бесконечной, недостижимой каким бы то ни было путем, не может быть организована; и не следует формировать никаких организаций, дабы вести людей или держать их определенного направления», — говорил он также. Подобная точка зрения делала невозможным его сотрудничество с теософами, да и с любыми другими движениями, претендующими на обладание абсолютной истиной.

Кришнамурти отрицал свою принадлежность к какой-либо национальности, касте, религии или философии. Он ездил по свету, выступал перед людьми, писал книги. Самые известные среди них — «Первая и последняя свобода» и «Единственная революция». Как сказала одна из исследовательниц деятельности Кришнамурти Мэри Латьенс: «Он поставил себе задачу высвободить людей из пут, отделяющих одного человека от другого, таких, как раса, религия, национальность, деление на классы, традиции, чтобы посредством этого трансформировать человеческую психику».

Дэвид Бом и Джидду Кришнамурти много беседовали на научные и философские темы, даже выступали вместе, ведя диалоги перед публикой. Каждый находил у другого неожиданные параллели с собственными идеями; так, и квантовый физик, и индийский философ были убеждены в том, что все на свете взаимосвязано.

pic_2017_12_50-1.jpg
Джидду Кришнамурти и Дэвид Бом

В 1965 году ирландский физик-теоретик Джон Стюарт Белл сформулировал так называемую теорему Белла. Согласно этой теореме, возможны два принципиально разных способа описания событий, происходящих в квантовом мире: детерминистский и вероятностный. Но при этом детерминистский способ обязательно должен быть нелокальным, то есть учитывать взаимодействия с объектами, находящимися на очень далеком расстоянии, в пределе — со всеми объектами, имеющимися во Вселенной. С философской точки зрения это означает, что для детерминистического описания мира нужно учитывать связи всего со всем и рассматривать Вселенную как целостный объект. Эта подход лег в основу голографической модели Вселенной, которую Дэвид Бом начал разрабатывать в 1970-х годах.

Голографию изобрел в 1947 году работавший в Великобритании венгерский физик Денеш Габор. Ее сущность заключается в том, что реальные объекты можно трансформировать в параметры электромагнитного излучения, а потом с помощью этого излучения строить изображения объектов. В 1962 году советский физик Юрий Николаевич Денисюк придумал способ построения голографических изображений в трехмерном пространстве. На это его вдохновил рассказ Ивана Ефремова «Тень минувшего».

В модели Дэвида Бома объекты нашего мира — это голограммы, построенные, правда, не электромагнитным излучением, а какой-то внутренней, непосредственно не наблюдаемой, но объективной реальностью. Все электроны в мире одинаковы потому, что они являются разными голографическими изображениями чего-то одного и того же.

Вообще говоря, модель Бома нельзя считать вполне оригинальной: два с лишним тысячелетия назад нечто подобное утверждал Платон, сравнивший объекты окружающего мира с бледными тенями, отбрасываемыми их идеями на стену пещеры. В модели Платона идеи более реальны, чем объекты, в которых они воплощаются.

Для Бома немаловажное значение имеет то, что ненаблюдаемая реальность, порождающая природные объекты, в отличие от самих объектов, в соответствии с теоремой Белла не локализована в пространстве. Более того, в каждом отдельном участке пространства содержится полная информация, необходимая для того, чтобы построить изображение, а также вся информация о настоящем, прошлом и будущем. Таким образом, Вселенная представляет собой единое целое, все части которой взаимосвязаны.

Идеи Дэвида Бома в дальнейшем развивал голландский физик-теоретик Герард Хоофт (род. в 1946 году). На основании голографической концепции он сделал вывод о том, что внутренние свойства любой ограниченной системы однозначно определяются физическими параметрами ее границ. А в 2008 году американский астрофизик, философ и писатель Крейг Хоган распространил этот вывод на всю Вселенную.


Работы Дэвида Бома вдохновили американского нейрофизиолога Карла Прибрама (1919–2015) на создание голографической модели сознания.

Исходным шагом для построения этой модели стал поиск ответа на вопрос «где локализована память?». Впервые экспериментально ответить на этой вопрос попытался великий канадский нейрофизиолог и нейрохирург Уайлдер Грейвс Пенфилд (1891–1976). Он разработал методику электростимуляции отдельных частей мозга человека во время операции, что позволило многое узнать об их функциях. В конце 1920-х годов Пенфилд попытался понять, где в мозгу хранится память, и нашел участки мозга, при стимуляции которых возникали воспоминания о давно забытом. Эти воспоминания хирургу в подробностях рассказывали его пациенты, находившиеся под местной анестезией. Отсюда Пенфилд сделал два вывода: во-первых, человек помнит значительно больше, чем считали ранее, во-вторых, память локализована в определенных участках коры головного мозга — тех самых, при раздражении которых появлялись воспоминания. (Вообще говоря, второй вывод из экспериментов Пенфилда однозначно не следует. Его данные могут иметь и другое объяснение: раздражаемые участки лишь запускают процесс воспоминания.)

Карл Прибрам и его старший коллега Карл Спенсер Лэшли подошли к проблеме локализации памяти с другой стороны. Они вырабатывали у крыс различные навыки, а потом удаляли разные части мозга. И оказалось, что нет таких участков мозга, при удалении которых выработанные навыки полностью исчезают. А потом появились такие же данные и на людях. Это означало, что память не локализована в каких-то отдельных участках мозга. Лэшли обнаружил еще один потрясающий факт: удаление 98% зрительной коры у кошек не мешало им нормально ориентироваться с помощью зрения.

В 1960-х годах Прибрам случайно познакомился с голографией и пришел к мысли, что в основе работы мозга лежат аналогичные принципы. Он предположил, что сохранение информации обеспечивают электрические колебания в сетях нейронных волокон (не связанные с обычными потенциалами действия). Эти колебания, будучи волнами, создают интерференционные картины, в которых и хранится информация, так же, как в голограмме. Тогда отдельные участки нервной ткани, как и любая часть голограммы достаточного размера, могут содержать всю сохраненную информацию. Такая идея позволяла объяснить отсутствие локализации памяти в мозге, а также ее огромную емкость, которую один из создателей кибернетики Джон фон Нейман оценил в 1020 бит.

Уже в 1970-х годах сын Карла Прибрама, профессиональный физик, посоветовал отцу прочесть работу Дэвида Бома, посвященную голографической модели Вселенной. Прибрам

был в восторге, незамедлительно познакомился с автором, и вскоре в околонаучной литературе их имена начали упоминаться вместе. Идеи Прибрама не получили широкого распространения, но с тех пор появились другие модели, использующие сходные соображения.

Дэвид Бом скоропостижно скончался от сердечного приступа 27 октября 1992 года в Лондоне, не успев закончить свою последнюю книгу «Неделимая Вселенная».

pic_2017_12_51.jpg
Карл Прибрам

Научное наследие Бома вызывает большие споры. И его труды, и труды его последователя Крейга Хогана весьма популярны среди любителей мистики. Ненаблюдаемая и пространственно нелокализованная внутренняя реальность Бома и Прибрама у многих ассоциируется с такими понятиями, как «биополе», «бессмертная душа», представления о внутренней ненаблюдаемой реальности — с представлениями об иллюзорности мира наблюдаемых нами объектов. Все это, разумеется, не так. Дэвид Бом не был мистиком, он был серьезным физиком. Физики же отличаются от мистиков тем, что исследуют мир, а не создают квазирелигиозные учения, основанные на озарениях и спекуляциях.

На сегодня идеи Бома и Прибрама остаются игрой ума. Однако эта игра не только занимательна, но и полезна. Она расширяет наши представления о пространстве логических возможностей, в котором следует искать истину.

В 1950-х годах в биологии произошла «информационная революция»: стало очевидным, что объекты живой природы могут существовать как в форме генотипа (последовательности нуклеотидов в ДНК), так ив форме фенотипа. Генотип не обладает физическими свойствами фенотипа, но вместе с тем этот фенотип порождает, поскольку информация о фенотипе хранится в генотипе. Представим, что Дэвид Бом окажется прав, — тогда «информационная революция» распространится на физику. Вслед за Платоном нам придется признать, что физические объекты имеют свой «генотип», и новая физика, которая возникнет на основе этой концепции, приобретет какие-то черты современной биологии. Но какой станет эта физика, представить в настоящее время невозможно.

Разные разности
Споры против полиуретана
Ученые создали биоразлагаемый материал с помощью почвенных штаммов бактерии Bacillus subtilis, способных разрушать термополиуретан. Решение очень простое — подмешать бактерии к полимерам. Причем не сами бактерии, а их споры, которые остаютс...
Бактериофаги против дезодорантов
Метагеномный анализ кожной флоры позволил найти главного злоумышленника, виновного в резком запахе пота — это бактерии Staphylococcus hominis. Но можно ли от них избавиться, не убивая другие кожные бактерии? Исследователи предложили логичное реш...
Липучка против трипсов
Химики ищут замену инсектицидам, подсматривая за тем, как разные растения сами защищаются от вредных насекомых. Некоторые растения выделяют липкие вещества из так называемых железистых волосков. К ним прилипают насекомые-вредители и погибают. Эта стр...
Этанол против гриппа
Во время пандемии ковида в соцсетях распространилось видео, на котором наш соотечественник демонстрировал свой метод лечения ковида — ингаляцию парами этанола. Но тогда над ним посмеялись и отмахнулись. Похоже — зря. Японские исследователи ...