2.3. Квантовая механика: вероятностная и причинная трактовки

Самое непонятное в нашем мире то, что он все-таки понятен.

Альберт Эйнштейн

В начале XX в. в результате осмысления целого ряда экспериментальных и теоретических результатов, абсолютно необъяснимых с точки зрения существовавшей на тот момент физики, родилась революционная физическая теория – квантовая, или волновая, механика. Идеи квантовой механики с точки зрения противоречия так называемому «здравому смыслу» – стереотипам обыденного познания – оставляет далеко позади даже теорию относительности. Не будет преувеличением сказать, что квантовая механика перевернула взгляд на мир – как онтологически, так и гносеологически. Как уже отмечалось в гл.1, ее философское осмысление продолжается по сей день. Сразу же отметим, что здесь в наши задачи не входит разбор многочисленных философских следствий квантовой механики. Интересующийся читатель может обратиться, например, к [4]. Нас здесь интересуют ее результаты относительно причинности – или, строже говоря, детерминизма.

Уместно также подчеркнуть перед дальнейшими рассуждениями, что квантовая механика не является плодом фантазии физиков-теоретиков. Она подтверждена огромным количеством экспериментов, то есть истинна в той мере, в какой мере вообще может быть истинно научное знание. В частности, квантовая механика послужила теоретической основой полупроводниковой электроники – и, если Вы читаете этот текст с монитора, этот факт является подтверждением квантовой механики.

Одним из фундаментальных результатов квантовой механики явился коренной пересмотр взглядов на свойства вещества. До этого считалось, что вещество состоит из классических частиц, которые можно представить себе, например, как упругие шарики. Классическая частица имеет в данный момент времени единственное, вполне определенное положение в пространстве (координаты) и вполне определенную скорость (и направление) движения. Это прекрасно согласуется с нашими обыденными представлениями.

Квантовая механика выяснила, что частица материи – такая, например, как электрон, протон или любая другая – классической частицей не является. Она имеет в какой-то мере свойства классической частицы, а в какой-то мере – свойства волны. Это явление называется корпускулярно-волновым дуализмом. На нем основано современное понимание термина «частица», которое будет разъяснено ниже.

Свойства волн и классических частиц весьма различны. Например, классическим частицам, как отмечалось, свойственно иметь в данный момент времени единственные, вполне определенные положение в пространстве и направление движения. Волновые колебания могут охватывать сколь угодно большой объем пространства и распространятся во все стороны одновременно. В данной точке пространства может в данный момент находиться только одна классическая частица, в то же время через одну и ту же точку может распространяться какое угодно количество волн.

Для описания корпускулярно-волновых свойств материи в квантовой механике используются особые математические объекты – так называемые волновые функции, зависящие от координат и времени. Волновую функцию можно понимать⁴ как способ описания поведения частицы. Для этого волновой функции приписывается определенный смысл, а именно:

Волновая функция задает вероятность нахождения частицы в данной области пространства в данный момент времени⁵.

Ключевым здесь является слово «вероятность». Таким образом, частица не имеет строго предопределенного, неизбежного положения в пространстве. В результате опыта частицу, хотя и с разной вероятностью, можно обнаружить в любой точке пространства. Волновые свойства частицы, о которых упоминалось выше, связаны с неопределенностью ее положения в пространстве (а также скорости движения). И, как это уже отмечалось в п.2.2.,

такая трактовка квантовой механики рассматривает случайность как объективное свойство материального мира.

Это автоматически исключает лапласовский детерминизм. Как указано в предыдущем пункте, развитие теории вероятностей строго логически приводит к стохастическому детерминизму. Таким образом, мы приходим к выводу, что при таком понимании смысла волновой функции

для материального мира характерен не лапласовский детерминизм, а стохастический.

Квантовыми свойствами обладают не только «элементарные частицы», но и любые составленные из них тела – атомы, молекулы, любые их ансамбли, в том числе читатель и автор этих строк. Возникает закономерный вопрос: почему же тогда люди в течение тысячелетий не подозревали, что им самим и окружающим телам присущи такие свойства? Как объясняется наш повседневный опыт и законы, известные из классической физики? Стохастический детерминизм дает ответ на этот вопрос: в массовых случайных явлениях некоторые свойства почти неизбежны. Окружающие нас тела состоят из непредставимо огромного числа частиц. Поэтому многие их свойства, в том числе те, которые называются физическими законами, до такой степени близки к неизбежности, что отклонений от них никто никогда не наблюдал и вряд ли кто-нибудь пронаблюдает.

Этот результат очень привлекателен с точки зрения этических парадоксов неизбежности. Правда, нет прямой гарантии, что квантовая неопределенность обеспечивает человеку свободу воли. В самом деле, в макроскопических масштабах физика наблюдает практическую предопределенность – и не так важно, являются ли события неизбежными или настолько близкими к неизбежности, что отклонений от них не случалось еще никогда. Если человеческое поведение описывается такими же законами, свобода выбора у человека на практике будет отсутствовать. Некоторые физики утверждают поэтому, что квантовая механика к свободе человеческого поведения отношения иметь не может, потому что «квантовые эффекты на макроскопических масштабах несущественны».

Однако данное утверждение некорректно. Действительно, неопределенности положения письменного стола, который по законам квантовой механики может вдруг оказаться на крыше, никто еще не наблюдал. Однако тот простой факт, что электроны в атоме не падают на ядро, благодаря чему существуют атомы и все, что из них состоит, является чисто квантовым эффектом. Попытки его объяснить и были одной из причин создания квантовой механики. Далее, тот факт, что в недрах звезд (в том числе и Солнца) протекают термоядерные реакции, есть тоже квантовый эффект. С точки зрения классической физики даже в недрах звезд температура для этого недостаточно высока. Едва ли кто-нибудь может назвать эти явления «несущественными в макроскопических масштабах». Список примеров можно продолжать.

Таким образом, вероятностная трактовка квантовой механики не исключает свободы воли, хотя и не гарантирует ее. Этот замечательный результат и был воспринят философией. При этом вероятностная трактовка практически всегда преподносится в научно-популярной литературе как единственно возможная (о том, почему это так, см. примечание в конце этого пункта). Поэтому очень многие, в том числе многие профессиональные философы (см., например, [1]), воспринимают квантовую механику почти как гарантию свободы выбора, или даже без «почти».

Однако вероятностная трактовка квантовой механики не является единственно возможной. Это отмечает целый ряд компетентных исследователей, например, крупный физик-теоретик нашего времени С. Хокинг [5].

Волновые функции сами по себе описываются вполне предопределяющими законами, соответствующими лапласовскому детерминизму. Вспомним, что случайность как объективное свойство материи появилась у нас в связи с трактовкой волновой функции как задающей положение частицы. При этом полагалось, что материя «на самом деле» состоит из частиц, пусть и не классических, а волновые функции – лишь способ их описания, нуждающийся в трактовке. Однако есть другой путь.

Можно предположить, что материальными являются квантовые волны, которые непосредственно и без всяких вероятностных трактовок описываются волновыми функциями. Квантовая волна, строго говоря, находится во всех точках пространства одновременно, и в этом проявляет свойства волн. Однако в разных точках пространства она находится в разной мере, и в этом проявляет свойства частиц. В этой трактовке существуют не частицы, проявляющие в какой-то мере свойства волн – существуют волны, проявляющие в какой-то мере свойства частиц. (В частности, на макроскопических масштабах они ведут себя практически как классические частицы.) Само понятие частицы выступает здесь гносеологической фикцией, способом описания, заведомо приближенной моделью. Соответственно и «вероятность нахождения частицы в данной точке» не означает случайности событий как таковых – она возникает только из-за замены понятия квантовой волны понятием частицы. Вероятность является лишь частью модели, удобной для интеграции квантовых идей с классической физикой, построенной на понятии «частица». Самим квантовым волнам никакой случайности не присуще – уже упоминалось, что волновые функции подчиняются вполне предопределяющим законам.

Таким образом,

такая трактовка квантовой механики оставляет в силе лапласовский детерминизм.

Итак, для интерпретации квантовой механики существенны два понятия: «частица» (неклассическая) и «волновая функция». Из этих понятий нужно выбрать одно, претендующее на объективное, адекватное описание материального объекта, истинное в той мере, в какой истинна сама квантовая механика. Другое понятие окажется тогда лишь введенным для удобства способом описания, нуждающимся в дополнительной трактовке. Как мы видели, от этого выбора зависит вывод о неизбежности или случайности всех происходящих событий.

Квантовая механика допускает две различные философские трактовки, одна из которых приводит к стохастическому детерминизму (возможно, допускающему свободу воли), другая – к лапласовскому.

Вопрос состоит в том, какое понимание выбрать, и как убедиться в том, что оно выбрано правильно.

Отметим, что обе версии удовлетворяют принципу соответствия, согласно которому более глубокая физическая теория должна включать в себя менее глубокую (но тоже подтвержденную рядом экспериментальных фактов) как частный случай. Действительно, и квантовые волны, и неклассические частицы на макроскопических масштабах ведут себя практически как частицы классические, оставляя в силе физические законы, известные Лапласу и Ньютону.

Верная трактовка не может быть выявлена расчетами, ибо речь идет не о математических свойствах волновой функции, а о том, какой физический смысл ей приписывать. Не может она быть выяснена и экспериментально, так как, как мы видели в предыдущем пункте, нет способа отличить в эксперименте онтологическую случайность от гносеологической.

Таким образом, мы приходим к выводу, что вопрос о выборе понимания квантовой механики в настоящее время средствами физики неразрешим. Возможно, средствами физики он не разрешим в принципе.

ПРИМЕЧАНИЕ

Несмотря на это, подавляющее большинство популяризаторов науки, ничтоже сумнящеся, выбирают вероятностную трактовку, а о причинной, как правило, даже не упоминают. Чтобы в этом убедиться, достаточно открыть десять разных научно-популярных книжек о физике.

Причина здесь, на взгляд автора, не столько в тоске по свободе воли (хотя, наверное, и в ней тоже), сколько в желании быть понятным читателю. Квантовые идеи и без того очень сложны для восприятия, чтобы еще заменять наглядное понятие «частица» абстрактным и загадочным «квантовая волна, непосредственно описывающаяся волновой функцией». Есть немалый шанс, что в такой ситуации любопытствующий просто закроет книгу. Известно высказывание Хокинга: «Мне сказали, что каждая включенная в книгу формула уменьшит число моих читателей вдвое» [5]. И в этом совете, несомненно, есть немалая доля истины. С другой стороны, такая неполнота картины приводит к ошибочному выводу, что квантовая механика неизбежно ведет к стохастическому детерминизму.

Особенно это вредно в связи с тем, что профессиональные философы, пишущие как исследовательские работы, так и учебники (что особенно важно), пользуются услугами тех же самых популяризаторов. Это понятно, ибо редкий философ имеет достаточную физико-математическую подготовку, чтобы изучить и осмыслить квантовую механику самостоятельно (это, собственно, не входит в сферу профессиональной пригодности философа.) Но это приводит к тому, что в умах миллионов людей и в академической философии утверждается излишне узкое понимание квантовой механики и ложное ощущение, что парадокс свободы воли квантовой механикой вполне разрешен.

Более того, и молодое поколение физиков, выросшее на этих научно-популярных книжках, с детства привыкает смотреть на вероятностную трактовку квантовой механики как на нечто то ли строго доказанное, то ли вообще само собой разумеющееся. Все это не может не настораживать.

Автор рекомендовал бы таким популяризаторам все же изменить свою позицию. Справился же с изложением обоих вариантов Хокинг, так и не применив ни единой формулы. Автор надеется, что и он сам тоже более или менее справился.

Значит, должны справиться и они.