Канке В.А. Энциклопедия философии науки

Глава 22. Философия физики

на, например в случае построения им модели «стационарной» Вселенной или при известном неприятии вероятностного квантовомеханического описания. Все это, разумеется, ни в коей мере нельзя расценивать как отрицание высокой философской культуры А. Эйнштейна. О ней, в частности, свидетельствуют и его знаменитые слова: «...в наше время физик вынужден заниматься философскими проблемами в гораздо большей степени, чем это приходилось делать физикам предыдущих поколений. К этому физиков вынуждают трудности их собственной науки» [24, с. 248].

22.4. Квантовая механика

Одна из самых увлекательных историй развития физики, как и науки в целом, связана с изобретением квантовой механики. По определению, речь идет о науке, изучающей поведение объектов, в котором имеют место дискретности, квантованности. В 1900 г. М. Планку, для того чтобы объяснить непротиворечиво природу теплового излучения тел, пришлось ввести представление об излучении энергии порциями (квантами). Энергия (Е) каждой такой порции

вычисляется по формуле E = hν , где h – постоянная Планка, ν – ча- стота колебаний. Первая четверть ХХ в. была отмечена целым рядом выдающихся исследований микроявлений: объяснение механизма фотоэффекта А. Эйнштейном (1905), создание модели атома Э. Резерфордом (1911) и Н. Бором (1913).

В 1924 г. Л. де Бройль выдвинул гипотезу корпускулярно-волно- вого дуализма: микрочастица – это и частица, и волна. Данные экспериментов свидетельствовали в пользу гипотезы де Бройля, но многим она казалась противоречивой. Дело в том, что используемые де Бройлем понятия «волна» и «частица» взяты из классической физики. Волны – весьма протяженный объект, а частица – намного более локальна, чем волна. А потому не ясно, как объект может быть и волной, и частицей одновременно. Среди физиков нарастало напряжение. Ощущалась острейшая потребность в новой физической теории. Вопрос стоял предельно остро: как добиться понимания экспериментальных фактов? Решающие успехи в создании квантовой механики были достигнуты лишь в 1925–1928 гг. [25] прежде всего

451

Часть 2. Специальная философия науки

благодаря работам В. Гейзенберга, Э. Шредингера, М. Борна, Н. Бора, П. Дирака, П. Иордана.

К успеху привела такая стратегия: сначала математика, а затем понимание ее физического смысла и в результате интерпретация природы квантовых явлений. На этом пути грандиозных достижений добился, в частности, Э. Шредингер [26, с. 330–331]. Из общих соображений стало ясно, что уравнения квантовой механики должны быть волновыми (ведь квантовые объекты обладают волновыми свойствами). В этой связи за основу была принята волновая функция ψ :

где Е – энергия; t – время; рx – импульс по оси x; х – координата (это уравнение описывает движение свободной частицы по оси х). «Тре-

+∞

бование конечности интеграла ∫ | ψ |2 dx тотчас же дает нам, что

−∞

уравнение имеет регулярные решения не для всех значений параметра Е, а только для дискретного множества» [26, с. 331]. В результате удалось, по крайней мере, в математической форме, объединить волновые и дискретные черты микрочастиц. В продолжение этой логики можно записать уравнение

Уравнения (1)–(3) представляют основное содержание математического аппарата квантовой механики. Вопрос состоит в том, как интерпретировать его на область физических явлений. Как выяснилось, это вполне возможно.

Согласно М. Борну волновая функция представляет волну вероятности. Постепенно было выяснено, что объектом экспериментального исследования является не волновая функция, а выражаемые

452

Глава 22. Философия физики

через Ψ физические величины. Каждой физической величине сопоставляется соответствующий оператор. Квадраты модулей |сi|2 (i = 1, 2,...) определяют распределение вероятностей для значений измеряемой физической величины. Если два оператора не коммутируют друг с другом, т. е. то соответствующие им величи- ны связаны друг с другом соотношением неопределенностей, впервые обнаруженных В. Гейзенбергом. Рассмотрим одно из соотношений неопределенностей:

∆ x∆ p≥x /2,

где ∆ x – неопределенность координаты х; ∆ px – неопределенность импульса рõ. Из рассматриваемого уравнения следует, что при одновременном измерении х и рõ им всегда присущи неопределенности. В случае если процесс измерения позволяет уменьшить неопределенность одной из двух величин, возрастает неопределенность другой. Что же касается величин, соответствующих коммутирующим операторам, то при их одновременном измерении можно избежать всяких неопределенностей.

Перейдем к анализу ключевых философских вопросов квантовой механики. Большое значение в ее осмыслении имеет разработанный Н. Бором (1928) принцип дополнительности. Размышляя над содержанием квантовой механики, особенно о соотношениях неопределенностей, Н. Бор пришел к выводу, что квантовые объекты относительны к средствам наблюдения. О параметрах квантовых явлений можно судить лишь после того, как они взаимодействовали со средствами наблюдения, т. е. с приборами. «Поведение атомных объектов невозможно резко отграничить от их взаимодействия с измерительными приборами, фиксирующими условия, при которых происходят явления» [27, с. 406]. Исследователи вынуждены прибегать к использованию различных экспериментальных установок. «...Данные, при разных условиях опыта, не могут быть охвачены однойединственной картиной; эти данные должны рассматриваться как дополнительные в том смысле, что только совокупность разных явлений может дать более полное представление о свойствах объекта» [27, с. 407]. В этом как раз и состоит содержание принципа дополнительности.

453

Часть 2. Специальная философия науки

В классической физике считалось, что измерение не влияет на объект исследования. Измерение оставляет объект неизменным, и, следовательно, все данные измерений самоочевидно свидетельствуют о нем как таковом. Согласно квантовой механике каждое отдельно проведенное измерение, осуществленное с использованием макросредств, разрушает микрообъект. Это обстоятельство существенно усложняет процесс синтеза данных измерений по сравнению с тем, что имеет место в классической механике и теориях относительности А. Эйнштейна. Данные неквантовых измерений не взаимодополнительны, они просто-напросто сосуществуют. Как видим, Н. Бор придал понятию «дополнительность» нетривиальный смысл – не тот, который вкладывает в него так называемый здравый смысл. Нетрудно увидеть, что принцип дополнительности позволяет обойти трудности, связанные с пониманием корпускулярно-волнового дуализма. Он является результатом приписывания корпускулярных и волновых свойств частице как таковой, вне ее соотнесенности с макрообстановкой. Дуализма мысли нет тогда, когда четко руководствуются данными эксперимента. Эти данные в принципе не могут противоречить друг другу. Природа не противоречит сама себе.

Но можно ли говорить о природе микрообъектов вне их контакта с макрообстановкой? Разве не существуют электроны, обволакивающие ядро атома? На эти вопросы В.А. Фок отвечал вполне определенно: «Пока прибор не выбран и не приведен в действие, существуют только потенциальные возможности, совокупность которых и характеризует состояние объекта» [28, с. 649]. Имеется в виду, что эти потенциальные возможности объективны и не зависят от субъекта. Пожалуй, В.А. Фок выразился здесь неосторожно. Акцентирование потенциальных возможностей микрообъекта оставляет в тени его актуальные признаки. Самостоятельность квантового объекта имеет место не только при его взаимодействии с макрообстановкой, но и в микромире. Принцип дополнительности не лишен слабых мест. В частности, в нем практически не анализируется сам процесс взаимодействия микрообъекта с прибором.

Квантовые состояния, декогеренция и процесс измерения. Посредством волновой функции в современной квантовой механике записывают состояния трех типов: чистые, смешанные и запутанные.

454

Глава 22. Философия физики

Чистое состояние описывается следующей линейной функцией (здесь и далее в правой части уравнения указываются всего два члена):

Характерная особенность чистого состояния состоит в том, что существует согласованность, когеренция, между c1ψ 1 è cψ2 2 , которая обеспечивает их суперпозицию (наложение), приводящую к интерференционным картинам. Хорошо известно, что интерференционная картина может быть разрушена в результате взаимодействия микрообъекта с макроприбором. При этом состояние микрообъекта уже

состояния c1ψ 1 è cψ2 2 . Подобные состояния называются смесью ψ 1 èψ 2. Наиболее непривычными являются так называемые запутанные (entangled) состояния. Их обычно записывают так:

дой из подсистем является запутанным. Интерференция нарушена, в качестве остатка от нее осталась лишь корреляция: «если первая система находится в состоянии | ψ i> (i = 1, 2), то вторая – в состоянии

| ϕ i> » [29, c. 632].

Как убедительно показал М.Б. Менский, «декогеренция приподнимает завесу таинственности, которой окутано квантовое измерение» [29, c. 640]. Взаимодействие квантовой системы с прибором (в общем случае с ее окружением) приводит к декогеренции этой системы – она переводится в смешанное состояние. Но при этом всегда надо иметь в виду следующую тонкость. Первый этап взаимодействия микросистемы с макроокружением переводит их, строго говоря, не в смешанное, а в запутанное состояние. Но измерение не заканчивается лишь первым этапом. На втором этапе измерения тип используемого прибора приводит к «вырезанию» у микрочастицы одной из ее составляющих. Только теперь микросистема переходит из

455

Часть 2. Специальная философия науки

запутанного состояния в смешанное. Современные представления о декогеренции не отменяют принципа дополнительности Н. Бора, но существенно уточняют его содержание. Квантовомеханическая классика фиксировала процесс измерения как переход чистое состояние – смесь состояний. Теперь же этот переход понимается как более многозвенный: чистое состояние – корреляция запутанных состояний – смесь состояний. Результаты измерений позволяют судить обо всех трех состояниях квантовомеханических систем. Концепция декогеренции объясняет, причем непротиворечиво, все квантовомехани- ческие парадоксы. Некоторые из них мы рассмотрим ниже.

Парадокс Эйнштейна–Подольского–Розена и квантовые корреляции. ЭПР-парадокс [30] – самый знаменитый в истории квантовой механики казус. Авторы ЭПР-парадокса утверждали, что вероятностное квантовомеханическое описание физической реальности не является полным. Вопрос ставился предельно остро: какой именно является физическая реальность и действительно ли она адекватно описывается квантовой механикой. В современных работах содержание ЭПР-аргументации обычно рассматривается на основе мысленного эксперимента, предложенного Д. Беллом. Допустим, что две частицы, имеющие суммарный спин, равный нулю, после их короткого взаимодействия разлетелись на сколь угодно большое расстояние друг от друга. При этом чистое состояние системы перешло в запутанное. Состояние двух частиц после распада записывается в следующем виде [29, c. 632]:

ãäå |↑> i означает состояние i-й частицы со спином, направленным вверх относительно выделенной оси, а |↓> i – состояние i-й частицы вдоль той же оси со спином вниз. Направление спина каждой из ча- стиц не определено. Но если произведено измерение над первой ча- стицей и получен результат |↑> 1 , то в силу уравнения можно предсказать, что состояние второй частицы есть |↓> 2 (если же зафиксировано |↓> 1 , то ему соответствует |↑> 2 ). Согласно А. Эйнштейну и его соавторам парадокс состоял в том, что состояние второй частицы

456

Глава 22. Философия физики

предсказывалось без всякого измерения над ней. Так как с достоверностью (т. е. вероятностью равной единице) предсказано состояние второй частицы, то ее необходимо считать элементом физической реальности, которая неадекватно описывается вероятностной схемой квантовой механики.

Н. Бор раскритиковал «натуральную философию» авторов ЭПРпарадокса [31, с. 182]. Нельзя утверждать реальность частицы, в том числе и ее параметров, вне ее процесса измерения [31, с. 190]. Но этот аргумент был, по сути, учтен в ЭПР-статье. Он отвергался, ибо реальность величин для второй системы зависит согласно ЭПР-аргу- ментам от процесса измерения, производимого над первой частицей [30, с. 610]. Но не может же взаимодействие от одной частицы к другой передаваться с бесконечно большой скоростью, это противоре- чило бы концепции близкодействия. Данный аргумент не смутил Н. Бора, отмечавшего свойственную «квантовым эффектам неделимость» [27, с. 428]. Измерение, произведенное над первой частицей, в силу ее неотделимости от второй имеет значение для всей системы. Развивая воззрения Н. Бора, его последователи (В.А. Фок, А.Д. Александров, И.З. Цехмистро) будут отмечать, что нельзя любое взаимодействие понимать как силовое. Связь между двумя разлетевшимися частицами сохраняется, но она имеет, как выражается И.З. Цехмистро, импликативно-логический (от лат. imlicatio – сплетение, переплетение) характер [32].

Согласно нашим наблюдениям абсолютное большинство физиков не видят в ЭПР-парадоксе нечто трудное для понимания. Они не награждают коррелятивные связи между двумя удалившимися друг от друга частицами импликативно-логическим содержанием. Импликация (запутанность) совсем не обязательно предполагает целостность, несепарабельность. Предварительно провзаимодействовавшие частицы действительно расходятся и теряют друг с другом всякую связь. Коррелятивная связь не имеет пространственной протяженности. Она характерна для запутанных состояний не потому, что измерение, проведенное над первой частицей, вызывает импульс, достигающий второй частицы. Уравнение, записанное для запутанных состояний двух частиц, выражает их коррелятивные связи, и только. Квантовая корреляция в отличие от классической имеет вероятностный характер. И все же слабая сторона анализов А. Эйнш-

457

Часть 2. Специальная философия науки

тейна и Н. Бора состоит, на наш взгляд, в том, что оба они не уделяли должного внимания философии квантовомеханической корреляции.

Неравенства Дж. Белла и нелокальность. Обсуждая ЭПР-пара- докс, Дж. Белл в 1964 г. высказал ряд новых идей [33], которые вызвали к жизни нескончаемую череду острейших дискуссий [34]. Беллу удалось существенно прояснить всю проблематику так называемых скрытых параметров. Исследователи, недовольные тем, что квантовая механика дает вероятностное описание физических процессов, часто постулируют наличие у микрообъектов не открытых пока «скрытых» параметров, которые позволяли бы описать поведение объектов однозначно и строго детерминистично. Впервые доказательство невозможности «скрытых» параметров дал фон Нейман [35, с. 234–244]. Это доказательство имело математический характер и было получено в результате принятия ряда постулатов, обязательность которых оспаривается. Белл сумел представить неравенства, справедливость которых можно проверить в эксперименте (опыты А. Аспекта, Н. Гицина и др.). В результате проблема «скрытых» параметров была переведена из разряда философских и математических на почву физических исследований. Именно поэтому неравенства Белла привлекли внимание физиков.

Дж. Белл показал, что в квантовомеханическом анализе следует проводить различие между сепарабельностью (пространственно разделенные системы обладают отдельными состояниями) и локальностью (состояние системы может быть изменено только эффектами близкодействия) [34, с. 172]. Согласно фон Нейману сепарабельность всегда связана с локальностью. Сам Белл предложил вариант нелокальной теории со «скрытыми» параметрами. Что касается экспериментов по проверке неравенств Белла, то они, как считает большинство их интерпретаторов, свидетельствуют против реальности «скрытых» параметров и, следовательно, подтверждают вероятностную трактовку квантовомеханического формализма.

Вопрос о соотношении сепарабельности и несепарабельности, а также локальности и нелокальности в значительной степени остается открытым. В статье М.Б. Менского неравенства Белла интерпретируются на основе представлений о запутанных состояниях и их квантовой корреляции [29, с. 633–634]. При такой интерпретации ги-

458

Глава 22. Философия физики

потеза о нелокальности остается не у дел. Отвергается возможность передачи сигнала со сверхсветовой скоростью. Возможность сепарабельности квантовых систем допускается. В рассматриваемой интерпретации фактически отсутствуют такие черты квантовой реальности, которые никак не проявляются в экспериментальных данных. Именно поэтому рассматриваемая интерпретация представляется нам более предпочтительной.

Интересную концепцию нелокальности защищает И.З. Цехмистро. «Принятие квантовой теории означает, что, в конечном сче- те, мир существует как неделимая целостность, а не множество» [32, с. 452]. Уже три десятка лет тому назад И.З. Цехмистро утверждал, что на субквантовом уровне «весь мир есть одно» [36, с. 201]. «...В квантовой механике, производя измерение над одной из частиц, после того, когда они уже разлетелись и между ними нет никакого физического взаимодействия, мы определенным образом «влияем» и на вторую частицу» [36, с. 200]. Но как «влияем»? Может быть, перестраивая целостность субквантового мира? И почему постулируется «влияние», но отрицается наличие физического взаимодействия? А.И. Панченко, с симпатией отзываясь о работах И.З. Цехмистро, отмечает: «И все же понятие целостности как исходное онтологическое понятие физики является на сегодняшний день, можно сказать, полуинтуитивным» [34, с. 175]. На наш взгляд, введение представления о субквантовом уровне излишне. Квантовая механика описывает поведение микроявлений в макроусловиях. Что касается вакуума, то он также является предметом физического описания (в квантовой теории поля). Что бы ни говорили, а «бритва» Оккама получает в философии физики определенный смысл: нет необходимости преумножать физические сущности там, где в этом нет концептуальной необходимости.

Действительно ли квантовая механика не может обойтись без классической физики? Имея в виду относительность квантовых объектов к средствам наблюдения, Бор полагал, что «как бы далеко не выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий» [27, с. 406]. Это утверждение, часто воспроизводимое в наши дни, равносильно постулированию дополнительности классического и квантовомеханического способа описаний. На наш взгляд, она

459

Часть 2. Специальная философия науки

не существует. Во времена Бора (середина ХХ в.) считалось, что микроявления описываются квантовой механикой, а макроявления – классической физикой. В таком случае описание взаимодействия микрообъектов с макроскопическими условиями их наблюдения предполагает сочетание квантовой и классической физики. Именно так рассуждал Бор.

В наши дни хорошо известно, что квантовые закономерности характерны не только для микро-, но и для макроявлений. «Соотношения между физическими величинами в классической теории можно вывести из квантовой теории как приближенные соотношения между средними значениями этих величин» [37, с. 24]. Между квантовой и классической физикой существует принципиальная асимметрия. Классическая механика выводится из квантовой механики, последняя не выводится из классической физики. Вопреки мнению Бора опытные данные не «должны описываться при помощи класси- ческих понятий». Макроявления отличаются от микроявлений, но описание обоих миров осуществляется в рамках квантовой механики.

Субъект и его сознание в квантовой механике. Согласно принципу дополнительности субъект, осуществляющий измерение, производит некоторую селекцию и избирает соответствующую альтернативу. В этой связи встает вопрос о роли субъекта, в том числе его сознания. «По не совсем ясным причинам, – отмечал Е. Вигнер, – на явление сознания в научных дискуссиях наложено табу. Тем не менее, как видно из проведенного фон Нейманом блестящего анализа квантовомеханического измерения, даже сами законы квантовой механики со всеми их следствиями нельзя сформулировать без обращения к сознанию» [7, с. 161–162]. Следует отметить, что современные исследователи без какого-либо страха преодолевают отме- ченное Вигнером табу, но далеко не всегда успешно. При этом само сознание рассматривается, как правило, в качестве физического явления.

По мнению М.Б. Менского, «квантовая теория измерений может привести к теории сознания как фундаментального физического свойства, которым тем не менее обладает лишь живая материя» [29, с. 647]. Он специально подчеркивает, что физикам не обязательно рассматривать вопрос о сознании, который возникает, якобы, «лишь на метафизическом уровне рассмотрения» [38, с. 461].

460