Принцип наблюдаемости

Важную роль в становлении физики XX в. сыграл принцип наблюдаемости: в науку должны вводиться только те утверждения, которые можно хотя бы мысленно, хотя бы в принципе проверить на опыте. впервые в физике XX в. принцип наблюдаемости был использован при создании теории относительности. Требование наблюдаемости заставило Эйнштейна ввести определение одновременности, проверяемое на опыте. В сущности, все следствия специальной теории относительности вытека­ют из этого определения. Принципом наблюдаемости и принципом соот­ветствия, согласно которому любая теория должна переходить в преды­дущую, менее общую теорию в тех условиях, в каких эта предыдущая была установлена, физики руководствовались при создании квантовой механики. Соотношение неопределенностей, т. е. взаимная неопределен­ность понятий координаты и скорости, есть результат ограниченной наблюдаемости этих величин.

Однако развитие теоретической физики, особенно во второй половине XX в., показало, что требование наблюдаемости не должно применяться слишком жестко.

Так, в квантовой механике замкнутые уравнения существуют не для наблюдаемых величин, а для волновой функции, через которую наблю­даемые выражаются квадратично.

Уже в классических теориях поля в электродинамике и теории гра­витации уравнения удобнее и проще формулировать не в терминах на­блюдаемых физических полей, а для вспомогательных полей (векторного потенциала в электродинамике или метрического тензора в теории тяго­тения). Эти поля допускают целый класс преобразований (калибровоч­ные преобразования), не изменяющих наблюдаемые величины. При квантовании введение таких калибровочных полей делается принципи­ально необходимым.

Поучительна история так называемой S- матрицы или матрицы рас­сеяния, предложенной Гейзенбергом в 1943 г. Это способ записать в компактной форме все результаты возможных экспериментов по изуче­нию системы. Введение S- матрицы позволило получить много важных со­отношений. Успех этого метода привел в 50-х гг. к идее получить замк­нутые уравнения для матрицы рассеяния, связывающие между собой все возможные амплитуды рассеяния, и таким образом построить теорию элементарных частиц, не обращаясь к их внутреннему устройству, свя­зывая непосредственно данные эксперимента. Но S-матрица имеет дело только с поведением частиц, разведенных на большие расстояния, где они изолированы друг от друга. Поэтому в ней теряются такие части­цы, как кварки, не существующие в изолированном виде. Не исследуя механизм взаимодействия элементарных частиц и полей на малых рас­стояниях, невозможно построить разумную теорию. Требование букваль­ной наблюдаемости оказалось слишком стеснительным для современной физики.

Дополнительность

В период мучительных споров, вызванных противоречием между ве­роятностным характером предсказании квантовой теории и однозначной причинностью классической физики, Нильс Бор ввел принцип дополнительности, согласно которому некоторые понятия несовместимы и долж­ны восприниматься только как дополняющие друг друга. Соотношение неопределенностей представляет собой количественное выражение этого принципа, применимого во многих областях. Идея дополнительности по­зволяет понять и примирить такие противоположности, как физическая закономерность и целенаправленное развитие живых объектов. Ниже мы обсудим этот принцип более подробно.

Теория познания Эйнштейна не допускала вероятностного описания действительности. Для Бора же идея дополнительности сделала вероят­ностную интерпретацию не только естественной, но и необходимой.