Принцип дополнительности

Принцип дополнительности, сформулированный Н. Бором в 1927 году, является одной из самых глубоких философских и естественнонаучных идей нашего времени. С этой идеей можно сравнить лишь такие идеи, как принцип относительности или представления о физическом поле.

Толчком к созданию Бором его принципа дополнительности оказались результаты Гейзенберга - его знаменитое "соотношение неопределенностей". Бор обратил внимание на тот факт, что координату и импульс частицы нельзя измерить не только одновременно, но и с помощью одного прибора. Эти измерения должны выполняться с использованием приборов, существенно различаются; несовместимость этих приборов естественно обусловлено противоречивостью свойств исследуемых с их помощью. Эти свойства действительно несовместимы, но все равно необходимы для полного описания объекта. Дополнительность - так определил Бор эти свойства.

Действительно, поток света мы исследуем с двух позиций. Во-первых, с помощью различных специальных методов исследуются спектральные характеристики света - которые длины волн у излучении, а, во-вторых, - его энергетические характеристики, поскольку определяется распределение энергии в спектре. В первом случае изучаются волновые свойства света, а во втором - корпускулярные, так как энергию переносят фотоны. Эти характеристики изучаются с помощью принципиально различных приборов; они являются взаимодополняющими, так как волновые и корпускулярные показатели одинаковой степени необходимы для полного описания такого явления, как свет.

В переводе на язык абстрактных понятий приведенное рассуждение можно обобщить следующим образом. Квантовый объект - это "вещь в себе", пока мы не определили способа его наблюдения. Различные свойства требуют использования различных способов, иногда несовместимых между собой. Фактически возникает "экспериментальная ситуация", действующими лицами которой выступают взаимосвязанные "объект" и "наблюдение"; друг без друга они не имеют смысла. Результат реализации экспериментальной ситуации (явление) отражает влияние прибора на исследуемый объект. Выбирая различные приборы, мы меняем экспериментальную ситуацию и изучаем разные явления. И хотя дополнительные явления нельзя изучить одновременно, в одном опыте, они одинаково необходимы для полного описания объекта исследования.

Корпускулярно-волновой дуализм вызывает у неопытного человека вполне естественное сопротивление - понятие "частица" и "волна" нам трудно объединить в сознании. Эту причину несовместимости в нашем сознании дополнительных понятий, однако, можно объяснить. Чтобы объяснить результаты исследования микромира, мы вынуждены прибегать к наглядных образов, которые возникли еще в донаучные времена, и эти образы не совсем пригодными для наших целей. Среди основных положений формальной логики - «правило исключенного третьего": из двух противоположных высказываний одно является истинным, другое - ложным, а третьего не дано. В классической физике не было случая, который бы вызвал сомнение в этом правиле, поскольку понятие "частица" и "волна" действительно противоположные и несовместимые. Но оказалось, что в квантовой физике они одинаково хорошо применимы для описания свойств тех же объектов, и использовать их надо одновременно. Бор объяснил, что нельзя безоговорочно применять классические понятия для описания квантовых явлений. В квантовой физике меняются не только понятия, но и постановка вопросов о сущности физических явлений. Паули даже предлагал назвать квантовую механику «теорией дополнительности» по аналогии с теорией относительности Эйнштейна.

На идеально поставленный вопрос можно ответить коротко: "да" или "нет". Бор доказал, что вопрос "волна или частица" применительно к атомной объекта поставлена неправильно, таких раздельных свойств атом не имеет, и поэтому на этот вопрос нельзя дать однозначный ответ "да" или "нет". Квантовый объект - это не частица и не волна, и ни то, ни другое одновременно. Квантовый объект - это нечто третье, такое, что не равна сумме свойств волны и частицы, подобно тому, как русалка - это не сумма женщины и рыбы. У нас нет органов чувств и образов, чтобы представить себе свойства этой атомной реальности. Две дополнительные свойства квантового объекта нельзя разделить, не разрушив при этом полноту и единство природы.

Гейзенберг отверг идеализацию классической физики - понятие "состояние физической системы, независимый от наблюдения". Этим он предсказал один из последствий принципа дополнительности, поскольку "состояние" и "наблюдения" - дополнительные понятия. Взятые порознь - они неполные, и поэтому могут быть определены только совместно, одно через другое. Более строго, они вообще не существуют порознь: мы всегда наблюдаем не вообще что-то, а непременно какое-то состояние. Г наоборот: всякий состояние - это вещь в себе до тех пор, пока мы не найдем способ его наблюдения.

Понятие "волна" и "частица", "состояние" и "наблюдения" - это идеализации, необходимые для понимания квантового мира. Классические картины е дополнительными в том смысле, что для полного описания сущности квантовых явлений необходимо их гармоническое сочетание. Однако в рамках привычной логики они могут существовать независимо, если области их применимости взаимно ограничены.

Эти и другие подобные примеры, как показал Бор, являются отдельными проявлениями общего правила * любое истинно глубокое явление природы нельзя определить однозначно с помощью слов нашего языка; оно требует для своего определения по крайней мере двух взаимоисключающих дополнительных понятий. Это означает, что при условии сохранения нашего языка и привычной логики мышления в форме дополнительности устанавливает пределы для точной формулировки понятий, соответствующих истинно глубоким явлениям природы. Такие определения или однозначные, но неполные или полные, но тогда неоднозначны, поскольку включают в себя дополнительные понятия, несовместимые в пределах обычной логики. Среди таких понятий - понятие "жизнь", "квантовый объект", "физическая система" и даже само понятие "Познание природы".

Бор проводил огромную и напряженную работу, исследуя применение понятия дополнительности и в других, кроме физики, областях знания. Эту задачу он считал не менее существенной, чем чисто физические исследования.

Или сводятся биологические закономерности к физико-химических процессов? На первый взгляд, все биологические процессы определяются движением частиц, из которых состоит живая материя. Предельное выражение такой точки зрения - определение физиологии как "физической химии азотсодержащих коллоидов". Но такой взгляд отражает только одну сторону дела. Другая сторона, более важная - закономерности живой материи, хотя и определяются законами физики и химии, но не сводятся к ним. Для биологических процессов характерна финалистична закономерность, которая отвечает на вопрос "зачем?". Физику же интересуют только вопросы "почему?" и как?". Виталисты считают существенной только биологическую закономерность, отрицая физико-химический аспект биологических процессов.

Правильное понимание биологии возможно только на основе дополнительности физико-химической причинности и биологической целеустремленности. Понятие дополнительности позволяет осуществлять описание живых процессов на основе взаимодополняющих подходов.

В статье "Свет и жизнь" Бор замечает, что "непрерывный обмен веществ между организмом и окружающей средой необходим для поддержания жизни, в результате чего четкое выделение организма как физико-химической системы представляется невозможным. Поэтому можно считать, что любая попытка провести резкую грань , что позволяет осуществить исчерпывающий физико-химический анализ, вы зовет такие изменения в обмене веществ, которые несовместимы с жизнью организма ... ".

Действительно, пытаясь изучить детали механизма жизнедеятельности клетки, мы подвергаем ее различным, порой губительным воздействиям - нагреванию, пропусканию электрического тока, исследованию в электронном микроскопе и т.д. В конце концов мы разрушим клетку и поэтому ничего не узнаем о ней как о целостном живой организм. Однако ответ на вопрос "Что такое жизнь?" требует и анализа, и синтеза одновременно. Процессы эти несовместимы, но не противоречивы, а дополнительные, и необходимость принимать их во внимание одновременно - лишь одна из причин, по которым до сих пор не существует ответа на вопрос о сущности жизни.

Бор много размышлял над применением понятия дополнительности в психологии. Он говорил: "Мы все знаем старое высказывание о том, что, пытаясь анализировать наши переживания, мы перестаем их испытывать. В этом смысле слова мы обнаруживаем, что между психологическими опытами, для описания которых целесообразно употреблять слова" мысли "и" чувства ", существует соотношение дополнительности, подобное тому, которое существует между данными о поведении атомов ".

Физическая картина явления и его математическое описание являются дополнительными. Создание физической картины требует пренебрежения деталями и не ведет к математической точности. И наоборот, попытка точного математического описания явления затрудняет его понимание.

Наука - это только один из способов изучения окружающего мира; другой, дополнительный способ, воплощенный в искусстве. Совместное существование искусства и науки - одна из иллюстраций принципа дополнительности. Стержень науки - логика и опыт; основа искусства - интуиция и прозрения. Они не противоречат, а дополняют друг друга: настоящая наука подобна искусства - точно так же, как настоящее искусство всегда включает в себя элементы науки. В высших своих проявлениях они неразличимы и неразделимы, как свойства "волна-частица" в атоме. Они отражают различные дополнительные стороны человеческого опыта и лишь взятые вместе дают нам полное представление о мире. Мы только не знаем, к сожалению, "соотношение неопределенностей" для сопряженной пары понятий «наука-искусство", а потому и степень убыточности при одностороннем восприятии жизни.

Эта аналогия, как и любая аналогия, и неполна, и нестрогая. Она только помогает почувствовать единство и противоречивость всей системы человеческих знаний.

На вопрос "Что является дополнительным к понятию истины?" Бор ответил: "Ясность".

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >