Три фундаментални ограничения на модерната наука (Част 1)

Понастоящем съществува мнението, че модерната наука ще продължава да напредва неограничено и рано или късно ще открие една цялостна и логична теория за Вселената. Въпреки това, наред с растящия си прогрес, модерната наука разкрива и собствените си ограничения. Едни от най-големите открития на модерната наука са именно откритията за собствените ѝ ограничения.

Алберт Айнщайн в Университета Принстън, февруари 1938 г. Айнщайн получава Нобелова награда за физика през 1921 г. На неговите четири публикации за теорията на относителността се придава заслугата за промяната на възгледите ни за Вселената.

Ограничение в модерната физика

В различни области на модерната западна култура, които са тясно свързани с развитието на модерната наука, отново и отново, по различно време и от различни хора се откриват фундаментални ограничения. Тези ограничения намаляват обхвата на модерната наука.

В три ключови области, основните проблеми споделят въпроса с парадокса. В сърцето на модерната физика принципът на неопределеността присъства дори и в по-развити теории отвъд квантовата механика. Следвайки формалната логика, най-известният инструмент за моделиране на човешкото разсъждаване и разбиране бързо изпада в парадокс. Дори във философията, която все още играе важна роля в прогреса на модерните науки като физиката например, дуализмът и парадоксът са неизбежни в рационалните заключения относно същността на Вселената.

Разбира се, модерната наука ще продължи да напредва в областта на физиката и в не толкова трудни науки като биологията. Въпреки това, конкретни фундаментални въпроси не могат да бъдат разрешени, отделяйки им повече време и изследвания. Тези ограничения предполагат, че отправната точка на модерната наука, която затваря Вселената в кутия, може би е сериозно сгрешена.

В тази поредица от няколко части ще започнем с физика.

Началото на края на класическата механика

Когато едно вещество бъде нагорещено, то започва да се нагрява, става яркочервено, а при по-високи температури – бяло. От дълго време познатите закони за радиацията и топлината не успяват да обяснят този феномен. Немският физик д-р Макс Планк (Dr. Max Planck), смятан за бащата на квантовата теория, се опитва да предостави физично обяснение на феномена на атомно равнище.

Накрая, след усилена работа през 1900 г., Планк неохотно заключва, че излъчващият атом може да емитира само отделни кванти енергия. Той не желаел да направи такова заключение, защото то било в противоречие с установените закони на класическата физика, които не поставят фиксирани константи за нивата на енергия.

По-късно заключенията на Планк за квантите енергия стават важна основа на квантовата теория и това е само началото на противоречията между квантовата теория и по-разумната класическа теория на Нютон. Класическата механика е тясно свързана с нашето всекидневие. Обаче атомите и по-малките от тях частици изглежда имат мистериозни характеристики, които са доста по-различни от нашите обичайни представи за света.

Възходът на квантовата механика

От повтарящите се аномалии и натрупаните експериментални данни, които противоречат на класическата механика, физиците са принудени радикално да се отклонят от класическата физика на Нютон и да се осмелят да поемат дългия и криволичещ път към квантовата механика.

Друг немски физик, д-р Вернер Хайзенберг (Dr. Werner Heisenberg), който открил принципа на неопределеността, пише в книгата си „Физика и философия: Революцията в модерната наука”: „Спомням си дискусиите с Бор, които продължаваха много часове до късно през нощта и приключваха почти безнадеждно; и когато в края на дискусията се разхождах сам в съседния парк, аз отново и отново си повтарях въпроса: „Възможно ли е природата да бъде толкова абсурдна, колкото изглежда от тези атомни експерименти?”

Но независимо от това, въпреки концептуалните затруднения, квантовата механика се е превърнала в един от най-успешните формализми на модерната наука. Общо взето, квантовата механика може да опише голям брой физични феномени и химични свойства на материята с невероятна точност. И нейните приложения силно са повлияли развитието на нашето модерно, технологично общество.

Д-р Мичио Каку (Dr. Michio Kaku), професор по теоретична физика в градския колеж на Ню Йорк, пише в книгата си „Отвъд Айнщайн: Космическото търсене на теорията на Вселената”: „Последствията от квантовата механика са около нас. Без квантова механика изобилието от познати обекти, като телевизията, лазерите, компютрите и радиото, би било невъзможно. Уравнението на Шрьодингер (Schrödinger) за вълните, например, обяснява много предварително познати, но объркващи факти, като проводимостта. Този резултат в последствие води до изобретяването на транзистора. Модерните електронни и компютърни технологии биха били невъзможни без транзистора, който от своя страна е резултат на чисто квантов механичен феномен.”

Големият успех на квантовата механика се дължи на формализма ѝ, който точно описва изобилието от феномени на микроскопично ниво, но засяга и този микрокосмос, в който квантовата механика има фундаментални ограничения.

Принципът на неопределеността

Основна характеристика на квантовата механика е принципът на неопределеността на Хайзенберг. Според този принцип е невъзможно да се измерят позицията и кинетичната енергия на атома или негова съставна част в даден момент. Колкото по-точно е измерена позицията, толкова по-неточно ще бъде измерена кинетичната енергия и обратно. Ако позицията бъде определена абсолютно точно, то кинетичната енергия става абсолютно неизвестна и обратно.

Въпреки че Хайзенберг представя принципа на неопределеността през 1927 г., той е актуален и до днес. Невъзможността за точно измерване едновременно на позицията и кинетичната енергия на микроскопични частици не се дължи на някакво ограничение на съвременните технологии. Според много физици това е унаследено ограничение, което не може да бъде разрешено от какъвто и да е бъдещ напредък на технологиите.

В „Отвъд Айнщайн: Космическото търсене на теорията на Вселената”, Каку пише: „Принципът на неопределеността прави невъзможно предсказването на точното поведение на отделните атоми, да не говорим за Вселената.”

И според д-р Брайън Грийн (Dr. Brian Greene) от Университета Колумбия (Ню Йорк), един от водещите теоретици за струните, бъдещият напредък на теорията за струните трябва да включва принципа на неопределеността, за да стане завършена теория, която обяснява видими квантови феномени. Грийн обяснява в книгата си „Елегантната вселена: суперструни, скрити измерения и търсенето на окончателната теория”, че принципът на неопределеността не е просто въпрос на разлика, причинена от измервателните техники:

„Дори без ‘директни сблъсъци’ с експерименталния пробиващ фотон, скоростта на електрона рязко и непредвидимо се променя от даден момент до следващия. […] Дори и в най-статичните условия, които можем да си представим, като празна област от пространството, принципът на неопределеността ни казва, че от гледна точка на микроскопичното там има огромно количество енергия.”

Хайзенберг вярва, че принципът на неопределеността възниква от дуализма на атомите и свойствата на вътрешноатомните частици между вълната и частицата. Този дуализъм не е заложен само в математическата схема на квантовата механика. Двойствеността може да се установи и от елементарни експерименти. Експериментите изглежда показват, че атомите и изграждащите ги частици имат характеристики както на частици, така и на вълни.

Една частица заема малка част от пространството и може да се сблъска с други частици, като солидни обекти. От друга страна, вълната се разпространява в пространството и може да минава покрай други вълни. Тези описания на частиците и вълните очевидно са противоположни и противоречащи си понятия.

Как може нещо да е частица и вълна едновременно? Когато даден електрон се разглежда само като частица или само като вълна, но не и като двете едновременно, ще последва непълно обяснение на наблюдавания феномен. От друга страна, когато аспектите на частица и вълна се комбинират, за да формират пълна теория за наблюдавания феномен, резултатите ще са противоречиви.

Според Хайзенберг опитите да се опишат атомните събития от гледна точка на класическата физика водят до противоречия, защото тези микроскопични частици не са като обикновените обекти от всекидневието ни.

В механиката на Нютон всеки обект има определена позиция и кинетична енергия във всеки един момент от време и обектът следва един единствен път на движение. С други думи, движението на материята е напълно определимо и има само един бъдещ резултат.

Когато позицията и кинетичната енергия на един обект са познати, неговото движение може да бъде предсказано чрез прецизни математически изчисления. Нютоновата механика успешно описва и предсказва движенията на планетите в небесата, както и събитията на Земята. Въпреки това, тя не може да опише феномена на атомите и вътрешноатомните частици.

Според Хайзенберг за разлика от класическата физика на Нютон, атомните събития са, подобно на концепцията за потенциалността от философията на Аристотел, „странен вид физична реалност точно по средата между възможността и реалността.” В квантовата механика атомните и вътрешноатомните събития се описват с вероятности и тенденции.

Квантовата механика въвежда концепцията за неопределеността в основите на модерната физика. Това е голям скок от класическата механика на Нютон, която доминира във физиката с векове. Това е и радикално отклонение от теорията на относителността. Айнщайн отхвърля тази интерпретация на квантовата механика точно заради принципа на неопределеността и намеква в писмо до физика д-р Макс Борн (Dr. Max Born), че Господ не играе на зарове.

Във „Физика и философия: Революцията в модерната наука”, Хайзенберг пише: „Промяната в концепцията за реалността, изразяваща се в квантовата теория, не е просто продължение на миналото; тя изглежда е истински пробив в структурата на модерната наука.”

Въпросът за интерпретациите на новата физика

Въпреки че квантовата механика е много успешна, трябва да напомним, че квантовата механика само описва и предсказва наблюдаеми физични явления, тя не описва вътрешната реалност на физичната материя. Всъщност с напредъка на квантовата механика се разработват различни и противоречащи си интерпретации за квантовата механика дори сред видни физици.

Едно от най-ранните разбирания за квантовата механика е интерпретацията от Копенхаген, която е разработена от датски физик, д-р Нилс Бор (Dr. Niels Bohr). Тази интерпретация гласи, че „няма дълбока реалност” и атомите, електроните и фотоните не съществуват като обекти в нашето ежедневие. Според това разбиране дадено явление действително съществува само когато може да бъде наблюдавано. Бор го описва по следния начин: „Няма квантов свят. Има само абстрактно квантово описание.”

От друга страна, Айнщайн е бил „реалист” и е считал, че квантовата механика просто не е цялостна и че съществува скрита детерминистична реалност зад квантовия феномен, която би могла да бъде открита в бъдеще. Въпреки че Айнщайн е бил от малцинството физици с тази гледна точка, има видни физици, които също са допринесли за развитието на квантовата механика и също са били реалисти.

Планк вярва в един обективен свят, който е независим от наблюдателя и твърдо се противопоставя на гледната точка за неопределеността на Хайзенберг, Бор и Борн. Д-р Луис де Броли (Dr. Louis de Broglie), най-известен с откритието си за вълновите свойства на електроните, се присъединява към статистическото разбиране, но след като се бори с него много години, най-накрая застава на страната на реалистите. Д-р Ервин Шрьодингер (Dr. Erwin Schrödinger), разработил вълновата механика, също е реалист и отдава много от късните си години на противопоставяне на статистическата интерпретация за квантовата теория, за която той прави толкова много.

Около десетилетие след смъртта на Айнщайн ирландският физик д-р Джон Стюарт Бел (Dr. John Stewart Bell) демонстрира, че позицията на реалистите изисква определени сили да са способни да пътуват по-бързо от скоростта на светлината, за да се отчете и наблюдава квантов феномен. И тъй като това противоречи на основата на добре установената теория на относителността, много физици отхвърлят позицията на реалистите.

През 1957 г. д-р Хю Евърет ІІІ (Dr. Hugh Everett III) представя разбирането си за паралелните светове, което изглежда разрешава проблема с квантовото измерване. Според това разбиране се създават паралелни вселени за всички възможни резултати от всяко измерване. Например, когато се хвърли монета, въпреки че се наблюдава само един резултат, се предполага, че другите възможни резултати се проявяват в паралелни вселени, които се създават в този момент. Тази интерпретация се смята за абсурдна от изтъкнати физици и философи.

Това са само малко примери за опитите да бъде дадена цялостна интерпретация на квантовата механика. Има много разбирания. Д-р Ник Хърбърт (Dr. Nick Herbert) сравнява осем от тях (включително тези, споменати по-горе) и пише в книгата си „Квантова реалност: Отвъд новата физика”: „Шокираща черта на тези осем квантови реалности обаче е, че те са експериментално неразличими. За всички възможни понастоящем опити, всяка от тези реалности предвижда един и същи феномен, който може да бъде наблюдаван […] Всички от тях, без изключение, са абсурдни.”

Източник: http://www.epochtimes-bg.com/2010-02/2010-07-10_01_d.html