2 Исторические этапы осмысления квантово-механического измерения
Аристотель в своем труде «Метафизика» цитирует идею о том, что существование любой вещи содержится в ней самой, и это можно познать не только с помощью разума, но и с помощью органов чувств. Заслуга Аристотеля в том, что он первым из философов увидел связь между онтологией и чувственным знанием. Аристотель создал онтологию как систему самых общих принципов бытия, выступающих как способ познания природы, с помощью которых он философски обосновал науку о движении - физику. Центральным понятием его онтологии является понятие «сущность» (бытие), которая есть сущность бытия каждой вещи, означающая «что эта вещь есть в себе». Философ отождествляет существование конкретной вещи с самим собой и считает, что ее существование автономно, и для ее существования ничего не нужно, т. е. наделяет ее признаками независимости, которые характеризуют субстанцию. Таким образом, идея тождества отдельной вещи и ее бытия представляет собой концепцию «бытия в вещах» Аристотеля [3].
Любая сущность по Аристотелю, представляет собой сочетание «формы» (идеи) и «материи», т. е. материал, способный принимать «форму». Например, чтобы объяснить существование кувшина, необходимо выделить все его общие черты, то есть форму (идею), и прикрепить их к материалу - металлу, пластику или глине. Итак, по мнению философа, мы получаем единый объект, воспринимаемый органами чувств. В данном случае под формой понимается изображение предмета, его идея, выраженная в логическом понятии. Этот момент связи логики и онтологии имел принципиальное значение для формирования научного знания. Учение о сущности и разделении бытия на конкретные независимые вещи привело философа к созданию формальной логики, устанавливающей нормы и правила научной рациональности. Все три закона логики (законы тождества, противоречия и исключения третьего) являются прямым следствием его онтологии. Из онтологии Аристотеля вытекала также возможность развития научного знания, размышления над отдельными вещами, выделения их специфических черт.
Таким образом, сущность аристотелевской онтологической парадигмы сводится к следующим положениям:
1. Тезис о субстанциальности единственной вещи как важнейшей форме бытия;
2. Взаимосвязь онтологии и логики. Онтология в логике «преломляется» в форме ее законов;
3. Онтология устанавливает систему гносеологических принципов и методических указаний, направленных на чувственное познание природы.
Онтологическая парадигма Аристотеля сыграла важную роль в развитии научных знаний в древности, прежде всего физики и космологии. Оно потеряло свое значение в эпоху становления современной науки, когда на смену учениям Аристотеля об элементах, составляющих небесный и земной миры, пришли учения Демокрита об атомах, которые составили онтологическую основу классической механики Галилей – Ньютон [4]. Но это вовсе не означает, что сегодня парадигма Аристотеля полностью «сошла со сцены», ее рецидив наблюдался на рубеже XIX - XX веков, когда была открыта внутренняя структура атомов и оказалось, что элементарные частицы являются не простейшими элементами материи, а сложными пространственными многомерными объектами.
Для описания поведения элементарных частиц тогда была принята «концепция частиц», суть которой заключалась в том, что все существующие формы материи, как материальные, так и полевые, являются частицами, при взаимодействии которых формируется вся физическая реальность. В настоящее время «понятие частиц» начинает сталкиваться с трудностями в физике, в теории струн, в космологии возникает проблема «темной материи», которая отвечает за ускоренное развитие Вселенной. Это означает, что «с точки зрения онтологии понятие «мир - совокупность частиц» можно рассматривать как некое первое приближение ...».
Сегодня в нанохимии и нанотехнологиях актуальны квантово-механические и квантово-химические интерпретации описания существования частиц в наномире. В нанохимии квантово-химические принципы описания реальности радикально меняют представление об объектах от микрочастиц до сложных молекул - кластеров. Их структура, свойства и химические связи описываются с точки зрения метода молекулярных орбиталей (МО), который подразумевает аналогию между структурой атома и структурой молекулы. Метод МО использует принцип суперпозиции атомных орбиталей, волновые представления об электроне и вероятностное нахождение электрона в определенном пространственном интервале.
Создание молекулярных машин в нанотехнологиях осуществляется с помощью компьютерного моделирования молекулярных устройств. Эта задача чрезвычайно сложна и требует много времени, поскольку на молекулярном уровне макроскопические законы механики, используемые для расчета узлов обычных машин, больше не действуют.
Законы сопротивления материалов и гидравлики больше не применимы - вместо этого вступают в действие законы квантовой механики, которые приводят к совершенно неожиданным последствиям с точки зрения классической механики, поэтому единственный вычислительный подход, приемлемый для молекулярной нанотехнологии, — это молекулярный подход (методы моделирования, которые ранее успешно применялись в вычислительной химии и молекулярной биологии - [5]).
Наиболее эффективными методами молекулярной нанотехнологии в области компьютерного моделирования являются молекулярная динамика, а также метод Монте-Карло, который недавно пришел из статистической физики. Одна из основных проблем заключается в том, что нанотехнология оперирует такими величинами, к которым законы классической физики больше не применяются. Например, движение легких электронов можно описать только квантово-механически, а движение тяжелых ядер, уже с гораздо меньшими ошибками, можно описать в рамках ньютоновской механики.
Чтобы отделить одно от другого, используется приближение Борна-Оппенгеймера, известное из квантовой механики. Это достигается за счет введения так называемого силового поля, которое является функцией потенциальной энергии молекулы от координат атомных ядер. В методе Монте-Карло рассматривается весь статистический набор энергетически выгодных положений атомов в молекуле, что позволяет определять наиболее энергетически выгодную пространственную структуру молекул, а также оценивать их термодинамические характеристики. Оба метода сводятся к решению квантово-механических уравнений, вычислению волновых функций и электронных энергий. Эти методы также опираются на основные концепции и принципы квантовой механики, такие как концепция электрона как волны, принцип суперпозиции и неопределенности.
Как будет показано ниже, эти квантово-механические интерпретации уходят корнями в метафизику Аристотеля и основаны на его концепции «быть в возможности».
Чтобы ответить на вопрос Аристотеля о том, что такое существование само по себе, сначала будут выявлены особенности описания квантово-механической реальности, затем они будут интерпретированы в системе категорий Аристотеля, и в дальнейшем будет показано, что квантово-механические описания существования наночастиц восходит к аристотелевской модели полифонического (мультимодального) бытия. Базовая онтология Аристотеля (сущность, возможность, реальность, энергия) будет говорить о реальном существовании наночастиц в противоположность эвристическим и общепринятым средствам квантовой механики (принципы дополнительности, корпускулярно-волновой дуализм, неопределенность).
В понимании квантово-механического измерения четко различают как минимум два этапа. В центре первого из них была концепция относительности к средствам наблюдения. Второй этап наиболее тесно связан с понятием декогеренции.
Героями первого этапа были Эйнштейн, Бор и Гейзенберг. Согласно Эйнштейну, то, что существует объективно, измеряется до процесса измерения; результат измерения не создается. Согласно Бору, поведение квантовых объектов невозможно отделить от измерительных приборов. Наиболее радикальную позицию занял Гейзенберг: теория должна включать только те переменные, которые фиксируются в эксперименте [6].
Второй этап ознаменовался работой над декогеренцией. Решительный прогресс был достигнут в 80-е годы. благодаря работам немецкого физика Д. Ци, поляка В. Зурека, а также нашего соотечественника М. Б. Менского. Все трое пришли к одинаковым выводам. М.Б. Менский подчеркивает, что в настоящее время можно детально выяснить, как ведет себя и измеряемая система, и прибор: «Упростив ситуацию до предела, можно сказать следующее. При измерении выбирается одна из альтернатив. Мы хорошо знаем, что происходит, когда выбирается одна из альтернатив, и можем рассчитать вероятность каждой из них. <...> Однако остается неясным, как и почему был сделан выбор».
Существует множество подходов к последовательному объяснению явления редукции (коллапса) волновой функции. Сторонники концепции декогеренции занимают наиболее значимые позиции.
Декогеренция — это процесс нарушения когерентности, вызванный взаимодействием квантово-механической системы с окружающей средой через необратимый с точки зрения термодинамики процесс. В ходе этого процесса сама система приобретает классические черты, соответствующие информации, доступной в среде. То есть система смешивается или запутывается с окружающей средой.
Последовательное использование концептуального аппарата квантовой механики позволяет не только объяснить эволюцию чистого состояния, но и объяснить переход от чистого состояния к матрице плотности смешанного состояния. Его появление определяется реальной динамикой процессов, а не сознанием экспериментатора. Декогеренция приводит к подавлению интерференционных процессов.
Математически это означает, что недиагональные члены матрицы компенсируют друг друга. Но с диагональными элементами ничего подобного не происходит. При переходе от чистого к коррелированному состоянию и далее к смешанному состоянию они сохраняются. Именно эти члены несут ответственность за результаты измерений.
Таким образом, концепция декогеренции позволяет последовательно объяснить парадокс редукции волновой функции. Строго говоря, коллапса волновой функции нет, но есть переход из запутанного состояния в смешанное. Все его параметры, в частности время перехода, можно рассчитать и определить экспериментально. В этом случае нет противоречий со специальной теорией относительности.