Атомная модель Бора и принцип дополнительности

Имя Нильса Бора является одним из самых значимых имен, связанных с развитием квантовой теории. В 20-х гг. XX в. Гейзенберг, Шредингер и Дирак далеко продвинулись в развитии квантовой механики. В 1913 г. Нильс Бор вместо планетарной модели атома, похожей на Солнечную систему, предложил свою собственную модель. Эта новая модель атома соответствовала «квантовой» концепции эллиптической орбиты Кеплера–Ньютона^[73]. Планетарная модель атома Резерфорда оставляла без ответа вопрос, почему электроны не падают на поверхность ядра. Бор заявил, что это происходит вследствие того, что электроны постоянно излучают энергию. Электроны в виде «квантов». Бор также заявил, что атомы обладают различной траекторией движения, т. е. различными энергетическими уровнями. Между этими энергетическими уровнями происходит «скачок» электрона, и в результате данного скачка выделяется энергия в виде «квантов». Данная модель атома, предложенная Бором, лучше всего показана на примере самого простого атома водорода. Однако, как она действует в случае со сложными атомами, не было до конца понятно^[74]. Несмотря на некоторые недостатки модели Бора, химикам удалось выяснить, как атомы взаимодействуют друг с другом и образуются молекулы. Химическая реакция между атомами объяснялась как процесс обмена электронами^[75].

Бор сыграл немаловажную роль в процессе устранения недостатков собственной модели. Он также принимал активное участие в формировании научной и философской сторон квантовой теории. Большинство ученых называют квантовую механику Бора «копенгагенским толкованием квантовой механики». Упоминание города Копенгагена связано с тем, что Бор жил в этом городе и большую часть своих работ, посвященных этой теории, он выполнял в Копенгагене самостоятельно или в тандеме с такими великими учеными, как, например, Гейзенберг. К отличительным чертам копенгагенского толкования можно отнести: индетерминизм и внешнюю причинность. И, как мы убедимся далее, они рассматриваются как черты, присущие природе; т. е., согласно этой интерпретации, индетерминизм и внешняя причинность являются онтологическими^[76].

Принцип дополнительности Нильса Бора (the Principle of Complementarity) занимает важное место в квантовой теории и в изучении философии данной теории. В процессе эксперимента с двумя щелями мы наблюдали дилемму «частица – волна» в проведенных экспериментах над такими микрочастицами, как электроны и фотоны. В результате экспериментов мы получили объяснение удивительному феномену. Эти и другие противоречия, связанные с природой света, Бор старался объяснить при помощи принципа дополнительности^[77]. Занятая Бором позиция наблюдателя во время объяснения этого принципа значительно отличается от позиции наблюдателя в классической физике, где он не влияет на события и осуществляет свои задачи независимо от происходящего. Джон Хедли Брук замечает, что Бор в молодости находился под влиянием Кьеркегора, который отводил особую роль личности в философии и проводил параллели с квантовой теорией^[78]. Благодаря экспериментам в процессе исследования квантовой теории было выяснено, что процесс наблюдения все же оказывает влияние на события^[79]. Ян Барбур следующим образом резюмирует принцип дополнительности Бора:

1. Мы не можем избежать применения традиционных инструментов объяснения в процессе участия в эксперименте наблюдателя или механизма.

2. Между процессом наблюдения и наблюдаемыми объектами нельзя провести четкой границы; процесс наблюдения влияет на наблюдателя. Поэтому мы не можем вычертить атом таким, каким он на самом деле является. Между объектом и субъектом не должно быть никаких границ, они могут быть созданы только с целью проведения анализа. Создавая их, мы не можем избежать использования традиционных инструментов. Мы не просто зрители, мы актеры, которые при помощи свободной воли внесут поправки в опыт.

3. Применение таких понятий, как волны и частицы, неизбежно и даже полезно, однако в случае различных опытов мы обязаны использовать различные модели. Эти альтернативы мы рассматриваем не в качестве «противоречий», а в качестве «дополнительности» потому, что мы не столкнемся с ними в одинаковых экспериментальных условиях. (Например, в случае одного эксперимента электрон является частицей, а в случае другого – волной.)

4. В общем, мы никогда не сможем постигнуть весь мир атома, так как этому помешают рамки наших понятий^[80].

В процессе попыток понять структуру света во время одних опытов мы видим, что свет состоит из частиц, а во время других отмечаем его волновую природу. То же самое относится и к частицам других атомных уровней. Однако в этом случае мы не сможем сделать предположений, что они относятся и к частицам, и к волнам. В данном случае Бор считает, что «мы» определим особенности существования атомного уровня при помощи проведенных экспериментов и концептуальных подходов. Однако при исследованиях на атомном уровне невозможно оказать влияние на наблюдаемый объект. Например, представим себе, что мы рассматриваем электрон под микроскопом: для того чтобы мы имели возможность увидеть электрон, фотон света, столкнувшись с электроном, должен обратно вернуться на микроскоп. В результате этого столкновения изменится местоположение электрона. О выбранном нами типе наблюдения, дифференциации понятий и о воздействии на осуществление наблюдения при получении знания Бор говорил как об «атоме в себе»^[81]. В итоге он заявил, что «мы не можем постичь природы вещи» и пришел к схожему с Кантом выводу^[82]. Однако Бор не считал это мнение исключительно привилегией философии и стремился отнести его к сфере эпистемологии, исследуя процесс наблюдения на атомном уровне.