9. Принцип дополнительности

В методологии квантовой физики важную роль играет принцип допол­нительности, который впервые был сформулирован Н.Бором осенью 1927 г.. в Комо (Италия) на международном конгрессе по физике. Как отмечает известный историк науки М.Джеммер, часто встречающееся утверждение, что Бор вывел понятие дополнительности из соотношений неопределен­ности Гейзенберга, является ошибочным как с исторической, так и с концептуальной точек. На самом деле появление соотношений неопределенности Гейзенберга зимой 1927 года (уже в октябре 1926г. в письме Паули Гейзенберг отмечал, что из-за некоммутативности основного перестановочного соотношения для координаты и импульса pq-qp » h в квантовой механике "нет смысла говорить о положении частицы, движущейся с определенной скоростью") Бор рас­сматривал как подтверждение общей идеи дополнительности, которая вызревала в его сознании по крайней мере с 1925 года в связи с дуа­лизмом волновых и корпускулярных свойств вещества и излучения. Больше того, определенно известно, что в полемике с Гейзенбергом о смысле соотношения неопределенностей Бор противопоставил формально-матема­тическому подходу Гейзенберга, опиравшемуся на использование в ка­честве исходного понятия частицы, свой логический подход в интерпретации квантового формализма, который с самого начала бази­ровался на понятии дуализма волна-частица, поэтому исходная позиция Бора представляется более "симметризованной" и выигрышной по срав­нению с позицией Гейзенберга, допускавшего выделенное значение поня­тия частицы и рассматривавшего лишь неизбежные ограничения определения ее характеристик, вытекавшие из соотношения неопределенностей.

Далее, обращаясь к основным соотношениям E=hn и p=hk, Бор задается вопросом о том, как оказалось возможным, что эти соотно­шения связывают (и что это означает?) взаимно отрицающие одна другую и противоречащие одна другой характеристики микрообьектов: корпуску­лярные (E и p) и волновые (n и k). Ведь определение частоты волны или волнового числа k представляется несовместимым с определением скорости, а значит и энергии E, и импульса р. То же обстоятельство, что в этих и подобных соотношениях связь между взаимно противореча­щими характеристиками каждый раз достигается через постоянную Планка, указывает одновременно на необходимый и фундаментальный характер этой связи.

Именно это совершенно новое и неслыханное для методологии клас­сической физики взаимное отрицание фундаментальных понятий в сочета­нии с невозможностью обойтись без любого из них привело Бора к пони­манию того, что для прояснения сложившейся в квантовой физике ситуа­ции одной изобретательности в развитии формализма и его интерпрета­ции недостаточно, а требуется некое новое логическое понятие, выра­жающее новую истину этой новой ситуации в физике. Таким понятием и оказалось понятие дополнительности.

В 1932г. в докладе "Свет и жизнь" Бор так разъяснил взаимную дополнительность волновых и корпускулярных свойств света: "Следует особо подчеркнуть, что световые кванты не могут рассматриваться как части, которым можно было бы приписать точно определенный путь в смысле обычной механики. Если бы мы, желая убедиться в том, что све­товая энергия идет только по одному из двух путей между источником и экраном, задержали один из лучей непрозрачным телом, то интерферен­ционные полосы исчезли бы начисто; совершенно так же и в любом явлении, для которого существенна волновая природа света, невозможно проследить путь индивидуального светового кванта, не нарушая сущест­венно само исследуемое явление. Действительно, пространственная не­прерывность распространения света в нашей картине и атомистичность световых эффектов являются дополнительными аспектами одного и того же явления. Дополнительность мы понимаем в том смысле, что оба аспекта отображают одинаково важные свойства световых явлений, причем эти свойства не могут вступать в явное противоречие друг с другом, посколь­ку более подробный анализ их на основе понятий механики потребовел бы взаимно исключающих экспериментальных установок".

Само имя этого нового понятия – "дополнительность" – непосредст­венно указывает на логический характер соотношения между двумя взаимно противоположными способами описания или наборами представлений, которые хотя и исключают друг друга, но в то же время оба необходимы для дости­жения исчерпывающего описания. Бор подчеркивает, что дополнительность, согласуя и увязывая взаимно отрицающие и противоречащие друг другу способы описания, сама никогда не ведет к противоречию, поскольку суть дела состоит в том, что взаимно дополнительные стороны никогда не проявляются в эксперименте одновременно, а лишь взаимно уступая одна другой в строгом соотношении очерченном принципом неопределенности.

"С одной стороны, – пишет Бор, – определение состояния физиче­ской системы, как оно обычно понимается, требует исключения всех вне­шних возмущений. Но в этом случае согласно квантовому постулату всякое наблюдение будет невозможно и, прежде всего, понятия пространства и времени потеряют свой прямой смысл. С другой стороны, если с целью сделать наблюдение возможным мы допускаем определенное взаимодействие с соответствующими средствами измерения, не принадлежащими к рассматри­ваемой системе, становится невозможным однозначное определение состоя­ния системы, и не может быть речи о причинности в обычном смысле этого слова. Итак, сама природа квантовой теории толкает нас к тому, чтобы рассматривать пространственно-временную координацию и требование причинности, объединение которых характерно для классических теорий, как дополнительные, но исключающие друг друга характеристики описания, символизирующие идеализацию соответственно наблюдения и определения состояния ".

Акцентирование внимания на логической сути принципа дополнитель­ности позволило Бору сразу же увидеть, что идея дополнительности носит весьма общий характер и выходит далеко за пределы физики. В связи с этим Бор замечает, что целостность живых организмов, харак­теристики людей, обладающих сознанием, а также и созданных ими че­ловеческих культур представляют черты целостности, отображение которых требует типично дополнительного способа описания .

Первоначально сам Н. Бор и другие физики явление дополнитель­ности объясняли влиянием макроскопического измерительного прибора на состояние микрообьекта. Например, стремление достичь в экспе­рименте точного измерения координаты частицы сопровождается неизбеж­ной потерей информации о "дополнительной" величине – импульсе частиц вследствие взаимодействия прибора с измеряемой частицей. На этом начальном этапе развития представлений о явлении дополнительности обычно неявно предполагалось, что координата и импульс частицы имеют вполне определенные и совместно существующие значения. И толь­ко лишь грубость (макроскопичность) наблюдательных средств мешают их точному определению. Отсюда и соответствующая философская терми­нология того периода: "неконтролируемое взаимодействие" прибора и частицы, "приборный идеализм" или даже "приборный агностицизм".

Однако последующие развитие квантовой теории привело к более глубокому пониманию роли прибора как устройства по "приготовлению" определенного состояния квантовой системы. Пришлось отказаться от представления о существовании квантового объекта самого по себе, безотносительно к экспериментальной ситуации задаваемой данным прибором. Больше того, оказалось, что прибор фактически осу­ществляет "приготовление" определенного состояния квантовой системы. Состояния же квантовых систем, в которых бы взаимно дополнительные величины имели бы одновременно точно определенные значения, принци­пиально невозможны. При этом если одна из таких величин точно определена, то значение другой полностью неопределенно.

Постепенно стало проясняться, что подлинный источник явления дополнительности – феномен новой неклассической и нетривиальной целостности квантовых систем, на что Бор указывал с самого начала.

Суть принципа дополнительности состоит в том, что воспроизведе­ние целостности исследуемого явления (объекта) требует применения взаимоисключающих, но дополнительных друг к другу поня­тий, классов понятий или экспериментальных устройств (установок). Одновременно отсюда видно, что целостность явления (или объекта), о которой идет речь в связи с принципом дополнительности отнюдь не тождественна классической интегративной (или суммативной) целостности, а является совершенно новой чертой действительности, не известной классической физике.

Приведем теперь краткий перечень понятий и ситуаций, требующих существенно дополнительного способа описания.

В физике в общем случае дополнительными друг к другу являются физические величины, которым соответствуют операторы, не коммути­рующие между собой. Например, направление и величина момента коли­чества движения, кинетическая и потенциальная энергии, фаза электро­магнитной волны и число фотонов, переносимых ею, координата и импульс частицы, четырехмерный пространственно-временной объем и плотность массы-энергии в нем и т.п.

Но, как отмечалось, Н.Бор первым же вывел введенное им понятие дополнительности далеко за пределы физики. При этом руководящим мо­тивом этого расширения сферы применимости понятия дополнительности было стремление найти адекватные средства отображения явления целост­ности: Так, цельность живых организмов, – писал Бор,- и характерис­тики людей, обладающих сознанием, а также и человеческих культур представляют черты целостности, отображение которых требует типично дополнительного способа описаниям. В этом отношении открывается практически безграничное поле применимости понятия дополнительности: разум и инстинкт в поведении человека, понятия сво­боды воли и детерминизма в психологии, попытка проследить за движе­нием мысли и сама эта мысль, интроспективное наблюдение за своими собственными чувствами привязанности и сами эти чувства любви и при­вязанности, разрушающее влияние физического наблюдения на организм как предмет наблюдения, механицизм и витализм в биологии, личная сво­бода и социальное равенство в социологии, правосудие и милосердие в юриспруденции, и т.д.

Но если в физическом мире за различными проявлениями феномена дополнительности стоит квантовое свойство целостности физических состояний и систем, то в биологии, психологии, социологии или культуре в целом за явлением дополнительности мы находим черты целостности свойственные организму, психике, сознанию и поведению.

Нам остается теперь прояснить основания явления дополнительности в гносеологическом и мировоззренческом плане. В этом отношении обра­щение к концепции целостности делает принцип дополнительности триви­ально неизбежным. В самом деле истоки дополнительности коренятся уже в исходном тезисе о взаимной дополнительности исходных понятий мно­жества и целого, в описании природы, свойств мира как многообразия и как неделимого и неразложимого на множества целого. Все же конкрет­ные отношения дополнительности которые были здесь названы (и не наз­ваны), есть в конечном счете только проявления этого исходного или фундаментального отношения дополнительности в свойствах природы. Так дополнительность в определении коорцинаты и импульса, волновых и корпускулярных свойств, пространственно-временной координации собы­тий и причинного их объяснения, потенциально возможного и актуально множественного аспектов системы, несиловых квантовых корреляций и физически-причинных связей и т.д. очевидным образом свертывается к квантовому свойству целостности физических систем, представленному постоянной Планка h (или отношением некоммутативности), как исход­ному.

Что же касается мира культуры, социума, психологии и биологии, то и здесь имеются свои гносеологические и онтологические основания явления дополнительности. И первым шагом в их прояснении является изучение фундаментальных философских проблем в основаниях соответст­вующих областей знания, что составляет предмет философии науки.