Принцип дополнительности в квантовой механике. Принцип дополнительности. Нильс Бор. принцип дополнительности в массовой культуре и религии
Принцип, который Бор назвал дополнительностью - одна из самых глубоких философских и естественнонаучных идей нашего времени, с которой можно сравнить лишь такие идеи, как принцип относительности или представление о физическом поле. Его общность не позволяет свести его к какому-либо одному утверждению - им надо овладевать постепенно, на конкретных примерах. Проще всего (так поступил в свое время и Бор) начать с анализа процесса измерения импульса р и координаты х атомного объекта.
Нильс Бор заметил очень простую вещь: координату и импульс атомной частицы нельзя измерить не только одновременно, но вообще с помощью одного и того же прибора. В самом деле, чтобы измерить импульс р атомной частицы и при этом не очень сильно его изменить, необходим чрезвычайно легкий подвижный «прибор». Но именно из-за его подвижности положение его весьма неопределенно. Для измерения координаты х мы должны, поэтому взять другой - очень массивный «прибор», который не шелохнулся бы при попадании в него частицы. Но как бы ни изменялся в этом случае ее импульс, мы этого даже не заметим.
Когда мы говорим в микрофон, то звуковые волны нашего голоса преобразуются там, в колебания мембраны. Чем легче и подвижнее мембрана, тем точнее она следует за колебаниями воздуха. Но тем труднее определить ее положение в каждый момент времени. Эта простейшая экспериментальная установка является иллюстрацией к соотношению неопределенностей Гейзенберга: нельзя в одном и том же опыте определить обе характеристики атомного объекта - координату х и импульс р. Необходимы два измерения и два принципиально разных прибора, свойства которых дополнительны друг другу.
Дополнительность - вот то слово и тот поворот мысли, которые стали доступны всем благодаря Бору. До него все были убеждены, что несовместимость двух типов приборов непременно влечет за собой противоречивость их свойств. Бор отрицал такую прямолинейность суждений и разъяснял: да, свойства их действительно несовместимы, но для полного описания атомного объекта оба они равно необходимы и поэтому не противоречат, а дополняют друг друга.
Это простое рассуждение о дополнительности свойств двух несовместимых приборов хорошо объясняет смысл принципа дополнительности, но никоим образом его не исчерпывает. В самом деле, приборы нам нужны не сами по себе, а лишь для измерения свойств атомных объектов. Координата х и импульс р - это те понятия, которые соответствуют двум свойствам, измеряемым с помощью двух приборов. В знакомой нам цепочке познания
явление -> образ -> понятие -> формула
принцип дополнительности сказывается, прежде всего, на системе понятий квантовой механики и на логике ее умозаключений.
Дело в том, что среди строгих положений формальной логики существует «правило исключенного третьего», которое гласит: из двух противоположных высказываний одно истинно, другое - ложно, а третьего быть не может. В классической физике не было случая усомниться в этом правиле, поскольку там понятия «волна» и «частица» действительно противоположны и несовместимы по существу. Оказалось, однако, что в атомной физике оба они одинаково хорошо применимы для описания свойств одних и тех же объектов, причем для полного описания необходимо использовать их одновременно.
Люди, воспитанные на традициях классической физики, восприняли эти требования как некое насилие над здравым смыслом и поговаривали даже о нарушении законов логики в атомной физике. Бор объяснил, что дело здесь вовсе не в законах логики, а в той беспечности, с которой иногда без всяких оговорок используют классические понятия для объяснения атомных явлений. А такие оговорки необходимы, и соотношение неопределенностей Гейзенберга δx δp ≥ 1/2h точная запись этого требования на строгом языке формул.
Причина несовместимости дополнительных понятий в нашем сознании глубока, но объяснима. Дело в том, что познать атомный объект непосредственно - с помощью наших пяти чувств - мы не можем. Вместо них мы используем точные и сложные приборы, которые изобретены сравнительно недавно. Для объяснения результатов опытов нам нужны слова и понятия, а они появлялись задолго до квантовой механики и никоим образом к ней не приспособлены. Однако мы вынуждены ими пользоваться - у нас нет другого выхода: язык и все основные понятия мы усваиваем с молоком матери и, во всяком случае, задолго до того, как узнаем о существовании физики.
Принцип дополнительности Бора - удавшаяся попытка примирить недостатки устоявшейся системы понятий с прогрессом наших знаний о мире. Этот принцип расширил возможности нашего мышления, объяснив, что в атомной физике меняются не только понятия, но и сама постановка вопросов о сущности физических явлений.
Но значение принципа дополнительности выходит далеко за пределы квантовой механики, где он возник первоначально. Лишь позже - при попытках распространить его на другие области науки - выяснилось его истинное значение для всей системы человеческих знаний. Можно спорить о правомерности такого шага, но нельзя отрицать его плодотворность во всех случаях, даже далеких от физики.
Сам Бор любил приводить пример из биологии, связанный с жизнью клетки, роль которой вполне подобна значению атома в физике. Если атом - последний представитель вещества, который еще сохраняет его свойства, то клетка - это самая малая часть любого организма, которая все еще представляет жизнь в ее сложности и неповторимости. Изучить жизнь клетки - значит узнать все элементарные процессы, которые в ней происходят, и при этом понять, как их взаимодействие приводит к совершенно особому состоянию материи - к жизни.
При попытке выполнить эту программу оказывается, что одновременное сочетание такого анализа и синтеза неосуществимо. В самом деле, чтобы проникнуть в детали механизмов клетки, мы рассматриваем ее в микроскоп - сначала обычный, затем электронный - нагреваем клетку, пропускаем через нее электрический ток, облучаем, разлагаем на составные части... Но чем пристальнее мы станем изучать жизнь клетки, тем сильнее мы будем вмешиваться в ее функции и в ход естественных процессов, в ней протекающих. В конце концов, мы ее разрушим и поэтому ничего не узнаем о ней как о целостном живом организме.
И все же ответ на вопрос «Что такое жизнь?» требует анализа и синтеза одновременно. Процессы эти несовместимы, но не противоречивы, а лишь дополнительны - в смысле Бора. И необходимость учитывать их одновременно - лишь одна из причин, по которой до сих пор не существует полного отверз на вопрос о сущности жизни.
Как и в живом организме, в атоме важна целостность его свойств «волна - частица». Конечная делимость материи породила не только конечную делимость атомных явлений - она привела также X пределу делимости понятий, с помощью которых мы эти явления описываем.
Часто говорят, что правильно поставленный вопрос - уже половина ответа. Это не просто красивые слова.
Правильно поставленный вопрос - это вопрос о тех свойствах явления, которые у него действительно есть. Поэтому такой вопрос уже содержат в себе все понятия, которые необходимо использовать в ответе. На идеально поставленный вопрос можно ответить коротко: «да» или «нет». Бор показал, что вопрос «Волна или частица?» в применении к атомному объекту неправильно поставлен. Таких раздельных свойств у атома нет, и потому вопрос не допускает однозначного ответа «да» или «нет». Точно так же, как нет ответа у вопроса: «Что больше: метр или килограмм?», и у всяких иных вопросов подобного типа.
Два дополнительных свойства атомной реальности нельзя разделить, не разрушив при этом полноту и единство явления природы, которое мы называем атомом. В мифологии такие случаи хорошо известны: нельзя разрезать на две части кентавра, сохранив при этом в живых и коня и человека.
Атомный объект - это и не частица, и не волна и даже ни то, ни другое одновременно. Атомный объект - это нечто третье, не равное простой сумме свойств волны и частицы. Это атомное «нечто» недоступно восприятию наших пяти чувств, и, тем не менее, оно, безусловно, реально. У нас нет образов и органов чувств, чтобы вполне представить себе свойства этой реальности. Однако сила нашего интеллекта, опираясь на опыт, позволяет познать ее и без этого. В конце концов (надо признать правоту Борна), «...теперь атомный физик далеко ушел от идиллических представлений старомодного натуралиста, который надеялся проникнуть в тайны природы, подстерегая бабочек на лугу».
Когда Гейзенберг отбросил идеализацию классической физики - понятие «состояние физической системы, независимое от наблюдения», - он тем самым предвосхитил одно из следствий принципа дополнительности, поскольку понятия «состояние» и «наблюдение» - дополнительные в смысле Бора. Взятые в отдельности, они неполны и поэтому могут быть определены только совместно, друг через друга. Говоря строго, эти понятия вообще не существуют порознь: мы всегда наблюдаем не вообще нечто, а непременно какое-то состояние. И наоборот: всякое «состояние» - это вещь в себе до тех пор, пока мы не найдем способ его «наблюдения».
Взятые по отдельности понятия: волна, частица, состояние системы, наблюдение системы - это некие абстракции, не имеющие отношения к атомному миру, но необходимые для его понимания. Простые, классические картины дополнительны в том смысле, что для полного описания природы необходимо гармоничное слияние этих двух крайностей, но в рамках привычной логики они могут сосуществовать без противоречий лишь в том случае, если область их применимости взаимно ограничена.
Много размышляя над этими и другими похожими проблемами, Бор пришел к выводу, что это не исключение, а общее правило: всякое истинно глубокое явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий. Это означает, что при условии сохранения нашего языка и привычной логики мышление в форме дополнительности ставит пределы точной формулировке понятий, соответствующих истинно глубоким явлениям природы. Такие определения либо однозначны, но тогда неполны, либо полны, но тогда неоднозначны, поскольку включают в себя дополнительные понятия, несовместимые в рамках обычной логики. К таким понятиям относятся понятия «жизнь», «атомный объект», «физическая система» и даже само понятие «познание природы».
С давних пор известно, что наука - это лишь один из способов изучить окружающий мир. Другой, дополнительный, способ воплощен в искусстве. Само совместное существование искусства и науки - хорошая иллюстрация принципа дополнительности. Можно полностью уйти в науку или всецело жить искусством - оба эти подхода к жизни одинаково правомерны, хотя взятые по отдельности и неполны. Стержень науки - логика и опыт. Основа искусства - интуиция и прозрение. Но искусство балета требует математической точности, а «...вдохновение в геометрии столь же необходимо, как и в поэзии» Они не противоречат, а дополняют друг друга: истинная наука сродни искусству - точно так же, как настоящее искусство всегда включает в себя элементы науки. В высших своих проявлениях они неразличимы и неразделимы, как свойства «волна - частица» в атоме. Они отражают разные, дополнительные стороны человеческого опыта и лишь взятые вместе дают нам полное представление о мире. Неизвестно, к сожалению, только «соотношение неопределенностей» для сопряженной пары понятий «наука - искусство», а потому и степень ущерба, который мы терпим при одностороннем восприятии жизни.
Конечно, приведенная аналогия, как и всякая аналогия, и неполна и нестрога. Она лишь помогает нам почувствовать единство и противоречивость всей системы человеческих знаний.
Принцип, который очень точно и емко Бор назвал дополнительностью, — одна из самых глубоких философских и естественно-научных идей настоящего времени. С ним можно сравнить лишь такие идеи, как принцип относительности или представление о физическом поле.
«За годы, предшествующие выступлению Н. Бора в Комо, имели место многочисленные дискуссии о физической интерпретации квантовой теории, — пишет У.И. Франкфурт. — Суть квантовой теории — в постулате, согласно которому каждому атомному процессу свойственна прерывность, чуждая классической теории. Квантовая теория признает в качестве одного из своих основных положений принципиальную ограниченность классических представлений при их применении к атомным явлениям, чуждую классической физике, но в то же время интерпретация эмпирического материала основывается главным образом на применении классических понятий. Из-за этого при формулировке квантовой теории возникают существенные трудности. Классическая теория предполагает, что физическое явление можно рассматривать, не оказывая на него принципиально неустранимого влияния».
Для доклада на Международном физическом конгрессе в Комо «Квантовый постулат и новейшее развитие атомной теории» ввиду важности обсуждавшихся проблем Бору была предоставлена четырехкратная норма времени. Дискуссия по его докладу заняла все оставшееся время конгресса.
«...Открытие универсального кванта действия, — говорил Нильс Бор, — привело к необходимости дальнейшего анализа проблемы наблюдения. Из этого открытия следует, что весь способ описания, характерный для классической физики (включая теорию относительности), остается применимым лишь до тех пор, пока все входящие в описание величины размерности действия велики по сравнению с квантом действия Планка. Если это условие не выполняется, как это имеет место в области явлений атомной физики, то вступают в силу закономерности особого рода, которые не могут быть включены в рамки причинного описания... Этот результат, первоначально казавшийся парадоксальным, находит, однако, свое объяснение в том, что в указанной области нельзя более провести четкую грань между самостоятельным поведением физического объекта и его взаимодействием с другими телами, используемыми в качестве измерительных приборов; такое взаимодействие с необходимостью возникает в процессе наблюдения и не может быть непосредственно учтено по самому смыслу понятия измерения...
Это обстоятельство фактически означает возникновение совершенно новой ситуации в физике в отношении анализа и синтеза опытных данных. Она заставляет нас заменить классический идеал причинности некоторым более общим принципом, называемым обычно «дополнительностью». Получаемые нами с помощью различных измерительных приборов сведения о поведении исследуемых объектов, кажущиеся несовместимыми, в действительности не могут быть непосредственно связаны друг с другом обычным образом, а должны рассматриваться как дополняющие друг друга. Таким образом, в частности, объясняется безуспешность всякой попытки последовательно проанализировать «индивидуальность» отдельного атомного процесса, которую, казалось бы, символизирует квант действия, с помощью разделения такого процесса на отдельные части. Это связано с тем, что если мы хотим зафиксировать непосредственным наблюдением какой-либо момент в ходе процесса, то нам необходимо для этого воспользоваться измерительным прибором, применение которого не может быть согласовано с закономерностями течения этого процесса. Между постулатом теории относительности и принципом дополнительности при всем их различии можно усмотреть определенную формальную аналогию. Она заключается в том, что подобно тому, как в теории относительности оказываются эквивалентными закономерности, имеющие различную форму в разных системах отсчета вследствие конечности скорости света, так в принципе дополнительности закономерности, изучаемые с помощью различных измерительных приборов и кажущиеся взаимно противоречащими вследствие конечности кванта действия, оказываются логически совместимыми.
Чтобы дать по возможности ясную картину сложившейся в атомной физике ситуации, совершенно новой с точки зрения теории познания, мы хотели бы здесь прежде всего рассмотреть несколько подробнее такие измерения, целью которых является контроль за пространственно-временным ходом какого-либо физического процесса. Такой контроль в конечном счете всегда сводится к установлению некоторого числа однозначных связей поведения объекта с масштабами и часами, определяющими используемую нами пространственно-временную систему отсчета. Мы лишь тогда можем говорить о самостоятельном, не зависимом от условий наблюдения поведении объекта исследования в пространстве и во времени, когда при описании всех условий, существенных для рассматриваемого процесса, можем полностью пренебречь взаимодействием объекта с измерительным прибором, которое неизбежно возникает при установлении упомянутых связей. Если же, как это имеет место в квантовой области, такое взаимодействие само оказывает большое влияние на ход изучаемого явления, ситуация полностью меняется, и мы, в частности, должны отказаться от характерной для классического описания связи между пространственно-временными характеристиками события и всеобщими динамическими законами сохранения. Это вытекает из того, что использование масштабов и часов для установления системы отсчета по определению исключает возможность учета величин импульса и энергии, передаваемых измерительному прибору в ходе рассматриваемого явления. Точно так же и наоборот, квантовые законы, в формулировке которых существенно используются понятия импульса или энергии, могут быть проверены лишь в таких экспериментальных условиях, когда исключается строгий контроль за пространственно-временным поведением объекта».
Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, нельзя в одном и том же опыте определить обе характеристики атомного объекта — координату и импульс.
Но Бор пошел дальше. Он отметил, что координату и импульс атомной частицы нельзя измерить не только одновременно, но вообще с помощью одного и того же прибора. Действительно, для измерения импульса атомной частицы необходим чрезвычайно легкий подвижный «прибор». Но именно из-за его подвижности положение его весьма неопределенно. Для измерения координаты нужен очень массивный «прибор», который не шелохнулся бы при попадании в него частицы. Но как бы ни изменялся в этом случае ее импульс, мы этого даже не заметим.
«Дополнительность — вот то слово и тот поворот мысли, которые стали доступны всем благодаря Бору, — пишет Л.И.Пономарев. — До него все были убеждены, что несовместимость двух типов приборов непременно влечет за собой противоречивость их свойств. Бор отрицал такую прямолинейность суждений и разъяснял: да, свойства их действительно несовместимы, но для полного описания атомного объекта оба они равно необходимы и поэтому не противоречат, а дополняют друг друга.
Это простое рассуждение о дополнительности свойств двух несовместимых приборов хорошо объясняет смысл принципа дополнительности, но никоим образом его не исчерпывает. В самом деле, приборы нам нужны не сами по себе, а лишь для измерения свойств атомных объектов. Координата х и импульс р — это те понятия, которые соответствуют двум свойствам, измеряемым с помощью двух приборов. В знакомой нам цепочке познания — явление — образ, понятие, формула, принцип дополнительности сказывается прежде всего на системе понятий квантовой механики и на логике ее умозаключений.
Дело в том, что среди строгих положений формальной логики существует «правило исключенного третьего», которое гласит: из двух противоположных высказываний одно истинно, другое — ложно, а третьего быть не может. В классической физике не было случая усомниться в этом правиле, поскольку там понятия «волна» и «частица» действительно противоположны и несовместимы по существу. Оказалось, однако, что в атомной физике оба они одинаково хорошо применимы для описания свойств одних и тех же объектов, причем для полного описания необходимо использовать их одновременно».
Принцип дополнительности Бора — удавшаяся попытка примирить недостатки устоявшейся системы понятий с прогрессом наших знаний о мире. Этот принцип расширил возможности нашего мышления, объяснив, что в атомной физике меняются не только понятия, но и сама постановка вопросов о сущности физических явлений.
Но значение принципа дополнительности выходит далеко за пределы квантовой механики, где он возник первоначально. Лишь позже — при попытках распространить его на другие области науки — выяснилось его истинное значение для всей системы человеческих знаний. Можно спорить о правомерности такого шага, но нельзя отрицать его плодотворность во всех случаях, даже далеких от физики.
«Бор показал, — отмечает Пономарев, — что вопрос «Волна или частица?» в применении к атомному объекту неправильно поставлен. Таких раздельных свойств у атома нет, и потому вопрос не допускает однозначного ответа «да» или «нет». Точно так же, как нет ответа у вопроса: «Что больше: метр или килограмм?», и у всяких иных вопросов подобного типа.
Два дополнительных свойства атомной реальности нельзя разделить, не разрушив при этом полноту и единство явления природы, которое мы называем атомом...
Атомный объект — это и не частица, и не волна и даже ни то, ни другое одновременно. Атомный объект — это нечто третье, не равное простой сумме свойств волны и частицы. Это атомное «нечто» недоступно восприятию наших пяти чувств, и тем не менее оно, безусловно, реально. У нас нет образов и органов чувств, чтобы вполне представить себе свойства этой реальности. Однако сила нашего интеллекта, опираясь на опыт, позволяет познать ее и без этого. В конце концов (надо признать правоту Борна), «...теперь атомный физик далеко ушел от идиллических представлений старомодного натуралиста, который надеялся проникнуть в тайны природы, подстерегая бабочек на лугу».
методологич. принцип, выдвинутый дат. физиком Н. Бором в связи с интерпретацией квантовой механики. Он формулируется так: в процессе познания для воспроизведения целостности объекта необходимо применять взаимоисключающие, "дополнительные" классы понятий, каждый из к-рых применим в своих особых условиях. Д. п. часто отождествлялся с соотношением неопределенности Гейзенберга. Такое рассмотрение имело, напр., основание в том, что при определенности координаты микрочастицы имеет место неопределенность импульса, и наоборот. Тем самым открывалась возможность использовать эти две характеристики микрообъекта как взаимоисключающие. Однако содержание Д. п. значительно шире, и к этому принципу Бор подошел независимо от соотношения неопределенностей еще на ранних этапах развития квантовой физики. Для объяснения устойчивости атомов и особенностей их излучения Бор ввел свои известные постулаты. Благодаря им удалось непоследовательно соединить в одной модели классич. и квантовые представления о движении электрона. Но применение классич. представлений к области малых квантовых чисел (типично квантовым явлениям) не давало адекватных результатов. Необходимо было философски осмыслить данную ситуацию. Бор выдвигает идею новой формы связи классических и квантовых понятий. Новая идея, получившая в дальнейшем название "дополнительности", устанавливала эту связь, механически перенося старые понятия на новую область, в результате чего классические понятия "дополнялись" квантовыми. В последующем развитии квантовой теории возникли, казалось, непреодолимые гносеологические трудности (о физической природе микрочастиц, о возможности соединения в одной картине их взаимоисключающих сторон). Одной из попыток разрешения этих трудностей и явилась детальная разработка Бором Д. п. Свое название "Complementarity" эта идея получила в период формулировки основных принципов квантовой механики. Осенью 1927 на международном конгрессе физиков в Комо (Швейцария) Бор говорил, что "при описании атомных явлений квантовый постулат выдвигает перед нами задачу развития некоторой теорий „дополнительности“" ("Atomic theory and the description of nature", Camb., 1934, p. 55). Ее осн. требование – необходимость применения взаимоисключающих неадекватных (классич.) понятий в виде "дополнительных пар" для анализа противоречивых свойств квантовых объектов. Бор указывал в докладе "Свет и жизнь" (1932): "Пространственная непрерывность нашей картины распространения света и атомизм световых эффектов являются дополнительными аспектами в. том смысле, что они одинаково объясняют важные черты световых явлений, которые никогда не могут быть приведены в непосредственное противоречие друг с другом, так как их глубокий анализ в терминах механики требует взаимоисключающих экспериментальных устройств" ("Atomic physics and human knowledge", ?. ?., , p. 5). Правильно вскрывая противоречивую природу света, противоположность волновых и корпускулярных свойств, Бор, однако, не видел возможности их внутреннего единства и выдвинул мысль о двух эквивалентных аспектах описания: л и б о корпускула, л и б о волна с последующим в н е ш н и м соположением обоих аспектов (физич. картины микроявлений), что и составляет методологич. суть Д. п. В этом наглядно сказывается непоследовательность филос. позиции Бора. В 30–40-х гг. Бор дал позитивистскую интерпретацию Д. п., выдвинув представление, что Д. п. служит для того, "чтобы символизировать фундаментальное ограничение объективного существования явления независимо от средств наблюдения" (там же, р. 7), и выступив с требованием "радикального пересмотра взглядов на проблему физической реальности" ("Квантово-механическое описание физической реальности", в журн.: "Успехи физ. наук", т. 16, вып. 4, 1936, с. 448). Гейзенберг усматривает прямую связь Д. п. с соотношением неопределенностей. Это приводит его к противопоставлению категорий пространства и времени категории причинности: "Пространственно-временное описание процессов, с одной стороны, и классический закон причинности – с другой, представляют дополнительные, исключающие друг друга черты физических процессов" ("Физические принципы квантовой теории", М.–Л., 1932, с. 51). В последующем Бор придает Д. п. всеобъемлющий характер, выходящий далеко за пределы физич. явлений. "Цельность живых организмов и характеристики людей, обладающих сознанием, а также и человеческих культур, представляют черты целостности, отображение которых требует типично дополнительного способа описания" ("Квантовая физика и философия", в журн.: "Успехи физ. наук", т. 67, вып. 1, 1959, с. 42). В работах ряда ученых, разделявших крайне позитивистские взгляды (П. Иордан, Ф. Франк, Г. Рейхенбах и др.), Д. п. использовался для пропаганды "краха причинности", "свободы воли" электрона и пр. Ошибочно абсолютизируя роль измерит. прибора, трактуя ее как "неконтролируемое взаимодействие", "приготовление субъектом физической реальности", они не смогли научно объяснить специфику познания микромира. Невозможность одноврем. определения координаты и импульса обусловлена, по их мнению, не противоречивой, корпускулярно-волновой природой микрообъектов, а использованием двух взаимоисключающих классов приборов: одного – для определения пространственно-временных характеристик, другого – импульсно-энергетических. Т.о., специфика процесса познания микроявлений объясняется ими не особенностями познаваемого объекта, а, наоборот, его природа рассматривается как следствие специфики познания. Среди понятий или ситуаций, требующих "дополнительного способа описания", указываются, напр., такие, как разум и инстинкт, свобода воли и детерминизм в психологии; понятие и звуковой фон в лингвистике; механицизм и витализм в биологии; личная свобода и социальное равенство в социологии; правосудие и милосердие в юриспруденции и др. При конкретном анализе этих противоречий с позиции Д. п. иногда обнаруживается внешнее сходство с диалектикой. На этом основании в зап. лит-ре, в частности в швейцарском журнале "Dialectika", стало модным отождествление диалектич. противоположностей с "дополнительностями" (взаимоисключающими сторонами познаваемого объекта) и, соответственно, диалектики с методом "дополнительности". Это отождествление необоснованно. Д. п. предполагает механистический разрыв противоположностей, а затем их внешнее рядоположение, в то время как для диалектики характерны не только взаимоисключение, но и объективная взаимосвязь, взаимопроникновение противо-положностей. Концепция "дополнительности" была подвергнута критическому анализу со стороны ряда советских и зарубежных ученых: П. Ланжевена, С. И. Вавилова, В. А. Фока, Луи де Бройля, Д. И. Блохинцева, М. Э. Омельяновского, И. В. Кузнецова, С. Г. Суворова, Л. Яноши и др. Этот критический анализ способствовал расчищению пути для дальнейшего развития физической теории. Тем не менее нек-рые рациональные выводы из методологической концепции Бора, в к-рой стихийно отразились элементы диалектики, могут в силу этого оказаться полезными при разрешении некоторых трудностей в развитии современной физики, напр. в построении теории "элементарных" частиц. Таким образом, методологическая роль Д. п. изменяется с развитием квантовой физики, его значение уменьшается в ходе развития физической теории. Концепция, выдвинутая Бором, сыграла положительную вспомогательную роль на ранних этапах построения и интерпретации квантовой теории. Однако последующая абсолютизация "дополнительного способа описания" и неправомерное возведение его в ранг метода исследования не соответствовали требованиям адекватного, все более углубляющегося познания. Рациональный смысл идеи "дополнительности" и ее первоначальное значение оказались утраченными, когда с ней стали связывать агностицизм, различные субъективистские взгляды на физическую реальность, на проблему причинности и т.п. Но объективное содержание исследований Бора и выводы, логически следующие из них, в известной мере способствовали обогащению научных представлений о диалектическом характере процессов природы. Они показывают необходимость сознательного применения адекватного метода познания – аналога диалектических процессов действительности. Лит.: Блохинцев Д. И., Основы квантовой механики, 2 изд., М.–Л., 1949; его же, Критика философских воззрений так называемой "копенгагенской школы" в физике, в сб.: Философские вопросы современной физики, М., 1952; Александров А. Д., Против идеализма и путаницы в понимании квантовой механики, "Вестн. ЛГУ", 1949, No 4; Кузнецов И. В., Вернер Гейзенберг и его философские позиции в физике, в кн.: Гейзенберг В., Философские проблемы атомной физики, пер. ?. ?. Овчинникова, М., 1953; Омельяновский М. Э., Философские вопросы квантовой механики, М., 1956; ?ок В. ?., Критика взглядов Бора на квантовую механику, в сб.: Философские вопросы современной физики. Под редакцией И. Кузнецова и М. Омельяновского, М., 1958; Сачков Ю. В., О материалистическом истолковании квантовой механики, М., 1959; Философские вопросы современной физики. Сб. [Под редакцией И. В. Кузнецова и М. Э. Омельяновского], М., 1959; Проблема причинности в современной физике. [Под редакцией И. В. Кузнецова и др.], М., I960. А. Познер. Москва.
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 (калибровоч-ные 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.
Принцип причинности
Один из важнейших принципов, ограничивающих поиски новых теорий - принцип причинности. Физики под этим понимают тезис, согласно которому причина должна предшествовать следствию. Такое требование на первый взгляд кажется очевидным, вытекающим из определения понятий причины и следствия. Однако содержательность принципа причинности состоит именно в том, что он может не выполняться и допускает экспериментальную проверку. Согласно принципу наблюдаемости нужно прежде всего определить причинность в форме, позволяющей проверку, подобно тому как это сделал Эйнштейн с понятием одновременности.
Пусть В есть следствие А. Допустим, что причина А отличалась от нуля в течение очень малого интервала времени вблизи момента t. Если причинность соблюдается, то следствие В будет отлично от нуля только в моменты t, более поздние, чем t. В принципе это запаздывание можно измерить. Если обнаружится, что В существует при t меньших чем t, значит причинность нарушена.
Запишем наше определение причинности в более конкретной форме. Скажем, А - волна, падающая на рассеиватель, а В - волна рассеяния. Тогда символически B=SA. Назовем S функцией рассеяния. Тот факт, что, согласно причинности, В в момент t определяется значениями A R предшествующие моменты, накладывает жесткие ограничения на свойства функции рассеяния S. Эти ограничения можно проверить на опыте.
Чтобы сохранить причинность при поисках новых уравнений, ставится требование локальности взаимодействий. Это означает, что взаимодействие, скажем, частицы с полем определяется значением поля в той точке пространства и времени, в которой находится частица. В случае двух полей взаимодействие определяется их значениями в одной и той же точке пространства-времени.
Взаимодействие между двумя полями в разных точках передается с помощью того же или другого поля со скоростью, согласно теории относительности, не превышающей скорости света. Этим обеспечивается причинность: следствие сдвинуто по сравнению с причиной на время распространения взаимодействия. Так, взаимодействие между двумя движущимися электронами осуществляется через посредство электромагнитного поля, локально взаимодействующего с каждым из электронов.
Локальность уравнений есть количественное выражение идеи близко-действия, принятой в физике еще в прошлом веке.
Требование локальности ограничивает поиски уравнений и делает их более красивыми.
Во всех сделанных до сих пор экспериментах причинность соблюдалась. Однако для сверхмалых масштабов, на которых, как мы увидим, происходят значительные флуктуации геометрии пространства-времени, понятия “до” и “после” делаются неопределенными и смысл причинности может измениться.
Теория относительности и теория тяготения
История создания специальной теории относительности (СТО) - один из лучших примеров того, как конкретная философия дает толчок науке. Идея о том, что в науке не должно быть понятий, которые нельзя сформулировать на языке реального или мысленного эксперимента - принцип наблюдаемости,- заставила Эйнштейна подвергнуть сомнению интуитивное понятие одновременности и ввести определение, проверяемое на опыте. Из этого определения немедленно следуют все результаты специальной теории относительности - и Лоренцово сокращение, и замедление процессов в движущейся системе координат, если наблюдать за ними из неподвижной.
Относительность одновременности
В популярной статье 1898 г. “Измерение времени” Анри Пуанкаре высказал замечательную мысль об условности определения одновременности. Обсуждалась только одновременность событий в двух удаленных точках неподвижной системы координат. Пуанкаре заключает: “Одновременность двух событий или порядок их следования, равенство двух длительностей должны определяться таким образом, чтобы формулировка законов природы была настолько простой, насколько это возможно. Другими словами, все эти правила, все эти определения являются лишь плодом неосознанного соглашения”.
Для двух точек неподвижной системы координат выбора нет; единственное приемлемое для физика “соглашение” - устанавливать одновременность двух событий с помощью световых сигналов, используя проверенное на опыте постоянство скорости света в пустоте. По Эйнштейну, в любой инерциальной системе координат вспышки света в разных точках считаются одновременными, если свет одновременно приходит в точку, лежащую на равном расстоянии от них. Из этого определения сразу же следует относительность одновременности: события, одновременные для неподвижного наблюдателя, неодновременны для движущегося.
Из мысли об условности одновременности два великих человека - Пуанкаре и Эйнштейн - сделали разные выводы. Эйнштейн, установив относительность одновременности в разных инерциальных системах, заключает, исходя из принципа наблюдаемости, что время течет по-разному для неподвижного и движущегося объекта. Пуанкаре же принял ньютонову концепцию абсолютного времени и пространства. Он придер-живался конвенционалистской философии, согласно которой в основе математических и естественнонаучных теорий лежат произвольные соглашения. Пуанкаре считал утверждения Эйнштейна условными и не принял теорию относительности.
Лоренц, Пуанкаре и СТО
Теория, выдвинутая Лоренцом и развитая Пуанкаре, отличается от той, которую мы называем теорией относительности. У Лоренца и у Пуанкаре, в отличие от Эйнштейна, лоренцово сжатие получается не как неизбежное следствие кинематики, а как результат изменения баланса сил между молекулами твердого тела при движении.
В 1909 г. в Геттингене Пуанкаре прочел лекцию “Новая механика”, где перечислил постулаты, принятые в его теории: 1) независимость физических законов от выбранной инерциальной системы; 2) скорость материального тела не должна превышать скорости света; и, наконец, 3) тела сжимаются вдоль движения. Об этом третьем постулате Пуанкаре говорил: “Необходимо принять гораздо более странную гипотезу, противоречащую всему, к чему мы привыкли: тело при движении испытывает деформацию в направлении движения... как ни странно, приходится признавать, что эта третья гипотеза превосходно подтверждена...” Из этих слов видно, что, с позиции Лоренца - Пуанкаре, сокращение Лоренца выглядит удивительным событием, которое почему-то должно выполняться для всех видов сил. Между тем у Эйнштейна оно является прямым следствием его двух постулатов: требования неизменности законов природы при изменении инерциальной системы и постоянства скорости света.
Идея произвольных соглашений неприменима в опытных науках. Системы координат Птолемея и Коперника логически равноправны, но без “соглашения” Коперника не были бы найдены законы Кеплера и закон тяготения. Можно построить новую механику и на “соглашении” Лоренца - Пуанкаре. Но именно из-за третьего постулата она была бы несравненно сложнее теории относительности. Так, в этой теории, например, приходится выяснять вид сил, обеспечивающих равновесие электрона, вводить “давление Пуанкаре”.
Очевидно, что без перехода к гелиоцентрической системе не было бы небесной механики, так же как без “соглашения” Эйнштейна не было бы ни теории тяготения, ни современных теорий поля.
Из всех возможных соглашений только одно приводит к новому качеству. Это и доказывает неприемлемость конвенционализма.
Лоренц и Пуанкаре внесли глубочайший вклад в теорию относительности, но не сделали того переворота, который совершил Эйнштейн. После работы Пуанкаре 1898 г. и работы Лоренца 1904 г. оставалось сделать еще одно решительное усилие - принять относительность пространства-времени, но этот шаг требовал другого типа мышления, другой философии. Лоренцу помешала его глубокая приверженность философии физики прошлого века. Могучая математическая интуиция Пуанкаре оказалась непригодной для этой задачи - здесь требовалась интуиция физическая. Его математическое прошлое, возможно, и породило слишком гибкую конвенционалистскую теорию познания, несовместимую с философией физики.
В статье “Анри Пуанкаре и физические теории” Луи де Бройль говорил: “Молодой Альберт Эйнштейн, которому в то время исполнилось лишь 25 лет и математические знания которого не могли идти в сравнение с глубокими познаниями гениального французского ученого, тем не менее раньше Пуанкаре нашел синтез, сразу снявший все трудности, использовав и обосновав все попытки своих предшественников. Этот решающий удар был нанесен мощным интеллектом, руководимым глубокой интуицией и пониманием природы физической реальности...”
Теория тяготения и современная физика
Общая теория относительности или теория тяготения представляет собой обобщение специальной на неинерциальные системы. На современную теоретическую физику теория тяготения оказала влияние не только сама по себе. Главную роль сыграли те общие идеи, которые Эйнштейн использовал при ее создании. Это, прежде всего, идея о том, что нужно искать уравнения для поля тяготения. Было несколько попыток (одна из них принадлежала Пуанкаре) объяснить поправки к небесной механике, рассматривая звезды как систему тяготеющих центров с запаздывающим взаимодействием, т. е. с учетом конечной скорости распространения взаимодействия. Эйнштейн сразу же отказался от этого направления и ввел полевые переменные.
Трудно представить себе более поучительное занятие для молодого физика-теоретика, чем изучение десятилетней истории создания теории тяготения. Эйнштейна поразила колоссальная точность, с которой соблюдается принцип эквивалентности,- пропорциональность весовой и инертной масс для любого тела, независимо от его устройства. Он начал, как и полагается физику, с простейших следствий, вытекающих из принципа эквивалентности сил гравитации и “сил инерции” для равноускоренного и вращательного движений. Универсальность принципа эквивалентности убедила Эйнштейна в необходимости той удивительной связи геометрии с гравитацией, которая следует из его теории тяготения. С помощью своего университетского сокурсника Гросмана он понял, что для обобщения его идей на случай произвольных систем координат нужно использовать Риманову геометрию, затем овладел соответствующей техникой и поставил задачу нахождения общековариантных уравнений, связывающих четырехмерную геометрию с плотностью материи.
Уравнения Эйнштейна обладают свойством калибровочной инвариантности. Это означает, что существует широкий класс преобразований метрического тензора, не изменяющих физические свойства гравитационного поля, подобно тому как остаются неизменными электрические и магнитные поля при определенных преобразованиях описывающего их векторного потенциала. Калибровочная инвариантность - характерная черта всех современных теорий поля. К сожалению, без формул лучше пояснить это невозможно.
Еще одна особенность современных теорий поля, использованная при создании уравнений тяготения,- требование симметрии. Уравнения тяготения получаются, как уже упоминалось, из требования ковариантности (одинаковой вариантности) всех слагаемых уравнения при произвольных локальных преобразованиях координат.
Таким образом, общие идеи теории тяготения, включая и неосуществленные попытки создать теорию поля, объединяющую гравитацию и электродинамику, повлияли на ход развития и направление поисков современной теоретической физики. Из всех существующих физических теорий теория тяготения, возможно, самая совершенная с эстетической и философской точек зрения. Ландау считал ее самой красивой.
Нужно ли искать альтернативу этой теории? Теория тяготения логически замкнута и однозначно описывает экспериментальные данные. Поэтому, как мне кажется, нет пи экспериментальных, ни теоретических оснований для поисков альтернативного описания. Впрочем, понятие красоты не абсолютно объективно и поэтому может появиться теория, которая авторам покажется более красивой. Но она будет вправе претендовать на научную ценность только в том случае, если объяснит какие-либо явления, необъяснимые с точки зрения классической теории тяготения. Попытки новой интерпретации уже завершенной теории, как правило, выдвигаются теми научными работниками, которых Паули иронически называл “Grundleger und Neubegrunder”. Этот вид активности если и помогает развитию науки, то только косвенно, побуждая точнее формулировать основы уже существующей и доказавшей свою плодотворность теории.
Квантовая теория
Философские аспекты квантовой механики не раз обсуждались на страницах этого журнала. Мне придется повторить несколько известных истин, чтобы показать их связь с конкретной философией.
Главное открытие квантовой теории - вероятностное описание микромира. Волновая функция, описывающая поведение частиц,- не физическое поле, а поле вероятности. Этим объясняются все удивительные особенности квантовой теории.
Принцип дополнительности
Прежде несколько слов о неожиданной диалектике Нильса Бора. Бор говорил: “Каждое высказанное мною суждение надо понимать не как утверждение, а как вопрос”. Или: “Есть два вида истины-тривиальная, отрицать которую нелепо, и глубокая, для которой обратное утверждение - тоже глубокая истина”. Можно сформулировать эту мысль иначе: содержательность утверждения проверяется тем, что его можно опровергнуть. Вот еще слова Бора: “Никогда не выражайся яснее, чем ты думаешь”. На вопрос, какое понятие дополнительно понятию истины, Бор ответил: “Ясность”.
Принцип дополнительности, о котором сейчас пойдет речь,- вершина боровской диалектики.
Слова Гегеля о единстве и борьбе противоположностей, как и всякое слишком общее суждение, от частого употребления сделались тривиальными. Боровская идея дополнительности дает мысли Гегеля новое воплощение.
В начале 1927 г. произошли два важных события: Вернер Гейзенберг получил соотношение неопределенностей, а Нильс Бор сформулировал принцип дополнительности.
Анализируя все возможные мысленные эксперименты по измерению координаты и скорости частицы, Гейзенберг пришел к заключению, что возможность одновременного их измерения ограничена.
Мы недаром употребляем слово “неопределенность” - не ошибка, не незнание, а именно неопределенность. Ведь принципиальная невозможность измерить означает, согласно принципу наблюдаемости, неопределенность самого понятия,
Соотношение неопределенностей Гейзенберга есть количественное проявление принципа дополнительности Бора. Вот несколько примеров дополнительности понятий.
Частица-волна - две дополнительные стороны единой сущности. Квантовая механика синтезирует эти понятия, поскольку она позволяет предсказать исход любого опыта, в котором проявляются как корпускулярные, так и волновые свойства частиц.
Непрерывность и скачкообразность физических явлений - понятия дополнительные. Измерения всегда приводят к непрерывным функциям. В реальности скачки, хоть и на малом интервале, но сглажены. Так, в атомах энергетические скачки сглажены конечной шириной спектральных линий, в фазовых переходах - конечным числом молекул образна. Б этом смысле утверждение древних “природа не делает скачков” правильно. Но вместе с тем такое сглаживание не снимает скачкообразную закономерность, она остается как разумное приближение, точность которого растет по мере выключения сглаживающих явлений.
Существует вызывающая много споров проблема - как логически согласовать необратимость макроскопических явлений с обратимостью уравнений механики, которая определяет движение отдельных частиц макроскопической системы? Как однозначные законы механики частиц согласуются с вероятностным описанием статистической физики?
Замечательный ленинградский физик-теоретик Николай Сергеевич Крылов, скончавшийся, когда ему еще не было и 30 лет, в своей книге “Обоснование статистической физики” глубоко проанализировал упомянутую трудность и впервые ввел понятие “перемешивания” в фазовом пространстве как необходимое условие статистического описания. Он высказал мысль о том, что существует дополнительность между статисти-ческими характеристиками - температурой, плотностью, давлением и микроскопическим описанием частиц, входящих в систему. Крылов показал, что попытка определить координаты и скорости частиц исключает возможность статистического описания. К несчастью, ранняя смерть не позволила ему развить эту идею.
Физическая картина явления и его строгое математическое описание дополнительны. Создание физической картины требует качественного подхода, пренебрежения деталями и уводит от математической точности. И наоборот - попытка точного математического описания настолько усложняет картину, что затрудняет физическое понимание. В этом смысл слов Бора, утверждавшего, что ясность дополнительна истине.
Бор много сделал для применения идеи дополнительности в других областях знаний. Сводятся ли биологические закономерности к физико-химическим процессам? Все биологические процессы определяются движением частиц, составляющих живую материю. Но такой взгляд отражает только одну сторону дела. Другая сторона, более важная - закономерности живой материи, которые хотя и определяются законами физики и химии, но не сводятся к ним. Для биологических процессов характерна финалистическая закономерность, отвечающая на вопрос “зачем”. Физика же интересуется только вопросами “почему” и “как”. Правильное понимание возможно только на основе взаимодополнительного описания биологии, единства физико-химической причинности и биологической це-ленаправленности.
Согласно Бору, проблема свободы воли решается дополнительностью мыслей и чувств - пытаясь анализировать переживания, мы их изменяем, и наоборот - отдаваясь чувствам, теряем возможность анализа.
Лингвист как-то пожаловался мне, что трудно примирить два направления, существующие в его науке. Одни утверждают, что смысл фразы целиком определяется совокупностью входящих в нее слов. Другие, в том числе мой собеседник, считают, что слова - это лишь символы, намекающие на содержание. В пример он приводил фразу: “У кого в 1978 г. была А. П. Иванова со своим пульпитом?” Ясно, что врач спрашивает, у какого специалиста лечилась раньше его пациентка. Но как сконструировать машину для перевода, которая правильно передала бы смысл?
Я предложил моему знакомому обратиться к идеям Бора. Через некоторое время он написал мне: “Ваша мысль о принципе дополнительности применительно к двум сторонах языка хороша и пришлась кстати. Она позволяет осмыслить противоречивость этих двух сторон как благо, как свидетельство известной целостности, а не как занозу...”.
В физике идея Бора приводит к количественным соотношениям, что и доказывает ее важность. В других областях идея дополнительности на первый взгляд кажется почти тривиальной. Однако ее ценность доказывается тем, что она помогает в поисках направления развития: в приведенном примере - выработать рациональные пути построения машины для перевода.
Особенности квантовой теории
Из принципа дополнительности следуют все непривычные особенности квантовой теории. Перечислим некоторые из них.
1. Предсказания квантовой механики неоднозначны; они дают лишь вероятность того или иного результата.
Эта неоднозначность противоречит детерминированности классической физики. Успехи небесной механики в XVII-XVI II вв. внушили глубокую веру в возможность однозначных предсказаний. Пьер Лаплас говорил: “Разум, который для какого-нибудь данного момента знал бы все силы, действующие в природе, и относительное расположение ее составных частей, если бы он, кроме того, был достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, обнял бы в единой формуле движения самых” огромных тел во Вселенной и самого легкого атома; для него не было бы ничего неясного, и будущее, как и прошлое, было бы у него перед глазами...”. Иными словами, зная координаты и скорости всех частиц, можно предсказать будущее и узнать прошлое Вселенной. Так же детерминированы и предсказания классической электродинамики.
В квантовой механике неопределенность принципиальна, она следует из дополнительности квантовой природы микрообъектов в классических методов описания. Определить состояние системы, задав “координаты и скорости всех частиц”, невозможно. Самое большее, что можно сделать,- задать в начальный момент волновую функцию, описывающую вероятность тех или иных значений координат и скоростей. Квантовая механи-ка позволяет найти волновую функцию в любой более поздний момент. Причинность в лапласовом смысле нарушена, но в более точном квантово-механическом понимании она соблюдается. Из максимально полно определенного начального состояния однозначно следует единственное конечное состояние. Изменился только смысл слова “состояние”.
2. Вероятностное описание физических явлений (статистическая (физика) до квантовой механики возникало при описании сложных систем, где малое изменение начальных условий за достаточно большое время приводит к сильному изменению состояния. Эти системы описываются строго однозначными уравнениями классической механики, и вероятность появляется при усреднении по интервалу начальных состояний.
В противоположность этому, согласно квантовой механике, вероятное описание справедливо как для сложных, так и для самых простых систем и не требует никакого дополнительного усреднения начальных условий.
3. Причина вероятностного характера предсказаний в том, что свойства микроскопических объектов нельзя изучать, отвлекаясь от способа наблюдения. В зависимости от него электрон проявляет себя либо как волна, либо как частица, либо как нечто промежуточное. Разумеется, есть свойства, не зависящие от способа наблюдения: масса, заряд, спин частицы, барионный заряд, магнитный момент... Но всякий раз, когда мы хотим одновременно измерить какие-либо дополнительные друг другу величины, результат будет зависеть от способа наблюдения. Это свойство квантовых объектов В. А. Фок называл “относительностью к средствам наблюдения”.
Причины этого неустранимы - мы вынуждены описывать квантовые объекты на языке классической физики, на котором говорят наши средства наблюдения и на котором мы формулируем свои мысли. Мы неизбежно пользуемся субъективными инструментами для описания объективного, но ничего при этом не теряем. Мы как бы узнаем форму многомерного предмета, изучая его трехмерные проекции, рассекая его по разным плоскостям.
4. Волновая функция - не физическое поле, а поле информации. После каждого измерения волновая функция изменяется скачком. В самом деле, пусть электрон имеет определенный импульс. В этом состоянии до падения на фотопластинку электрон можно было бы с одинаковой вероятностью найти в любом -месте; после почернения зерна пластинки неопределенность его положения за ничтожное время изменилась скачком - теперь она задается размером зерна.
Ясно, что никакое физическое поле не может обладать такими свойствами. Из-за конечной скорости распространения света нельзя за короткое время изменить физическое поле в большой области пространства. Скачкообразное изменение волновой функции означает только другой тип наблюдения, другое дополнительное условие - в нашем примере мы ищем волновую функцию сначала при условии, что отобран заданный импульс электрона, а затем при условии, что почернело данное зерно. Вот близкая аналогия: представим себе телескоп, быстро переведенный с одной звезды на другую, далекую,- произошел лишь отбор места наблюдения, не связанный ни с какими физическими воздействиями телескопа на звезды или одной звезды на другую.
5. В квантовой механике выполняется принцип суперпозиции - полная волновая функция складывается из волновых функций взаимоисключающих событий. Как мы знаем, в электродинамике принцип суперпозиции нарушается в сильных полях. Можно представить себе такую квантовую теорию, где этот принцип в некоторых условиях перестанет точно соблюдаться и для волновой функции. Но почти невозможно представить квантовую теорию, в которой нарушались бы соотношение неопределенностей и вероятностное толкование волновой функции.
Эйнштейн и Бор
Глубокие физические идеи - всегда плод философского осмысления физики. Во всех главных своих творениях - гипотеза световых квантов, теория относительности, теория тяготения, космология - Эйнштейн выступал как философ физики.
У Бора дар философского осмысления проявился при создании физической интерпретации квантовой теории. Философские идеи Бора подготовили подсознание физиков для таких открытий, как соотношение неопределенностей и вероятностное толкование волновой функции.
Интересно проследить, как развивались взгляды этих двух великих философов физики.
До 1925 г. Бор - будущий создатель принципа дополнительности - выступал против эйнштейновой гипотезы световых квантов, пытаясь сохранить классическую электродинамику. Между тем открытый Эйнштейном в 1905 г. дуализм волн-частиц был первым физическим примером дополнительности. Позже, когда почти все физики приняли вероятностную интерпретацию волновой функции, Эйнштейн отнесся к этому толкованию отрицательно, хотя сам в работе 1916 г. впервые ввел вероятности переходов...
Их спор о физическом смысле квантовой механики и о справедливости соотношения неопределенностей продолжался много лет, начиная с 1927 г. Когда Эйнштейн почувствовал, что не может найти слабого места в логике квантовой механики, он заявил, что эта вполне последовательная точка зрения противоречит его физической интуиции и, по его убеждению, не может быть окончательным решением: “Господь Бог не играет в кости...”.
В 1935 г. появилась работа Эйнштейна, Подольского и Розена “Может ли квантовомеханическое описание физической реальности считаться полным?”. Допустим, что две подсистемы некоторое время взаимодействовали, а потом разошлись на далекое расстояние. Авторы замечают: “Поскольку эти системы ужа не взаимодействуют, то в результате каких бы то ни было операций на первой системе во второй системе уже не может получиться никаких реальных изменений”. Между тем, согласно квантовой механике, с помощью измерений в первой системе можно изменить волновую функцию второй системы...
Проследим это явление на простом примере. Допустим, что мы измерили импульсы двух частиц до столкновения, и пусть после столкновения одна остается на Земле, а другая летит на Луну. Если земной наблюдатель после столкновения получит определенное значение импульса оставшейся частицы, он по закону сохранения импульса может рассчитать импульс частицы на Луне. Следовательно, волновая функция этой частицы в результате измерения на Земле определится -она соответствует определенному импульсу.
Если понимать волновую функцию как физическое поле, то такой результат невозможен. Если же учесть, что волновая функция - волна информации, он естествен: это обычное изменение вероятности предсказаний с появлением новой информации. Мы задаем вопрос: какова вероятность, что лунный экспериментатор найдет то или иное значение импульса своей частицы при дополнительном условии, что найден определенный импульс земной частицы? Это означает, что нужно взять весь набор многократных измерений импульса в обеих лабораториях и отобрать из этого набора те случаи, когда на Земле получился заданный импульс. При этом условии лунные данные будут соответствовать определенному и известному импульсу согласно закону сохранения импульса. Влияние измерений в одной подсистеме па предсказания о поведении другой подсистемы нужно понимать именно в смысле отбора случаев, соответствующих определенному условию. Понятно, что при изменении условий отбора волновая функция изменяется. Это явление есть и в классической физике, и в повседневной жизни. Вероятность предсказаний скачком изменяется при изменении условий отбора событий.
В сущности, спор Бора с Эйнштейном был спором двух философий, двух теорий познания - ясного взгляда старой физики, взращенного на классической механике и электродинамике с их однозначной детерминированностью, и более гибкой философии, вобравшей в себя новые факты квантовой физики XX в. и вооруженной принципом дополнительности.
Нужно ли искать другую интерпретацию?
Квантовая механика вместе с теорией измерений представляет собой непротиворечивую и необыкновенно красивую теорию. Все попытки ее “усовершенствовать” пока оказывались несостоятельными.
В результате бурных споров о полноте квантовомеханического описания возникла идея: не объясняется ли неопределенность в поведении электрона тем, что его состояние зависит не только от импульса, координаты и проекции спина, но еще от каких-то внутренних скрытых параметров? Тогда неопределенность результата, как и в статистической физике, возникнет из-за неопределенности этих параметров. В принципе, если бы стали известны значения скрытых параметров, предсказания сделались бы определенными, как в классической механике. При единичном предсказании подбором скрытых параметров удается получить те же результаты, что и в квантовой механике. Однако при предсказании последовательных событий это не всегда возможно. Первое измерение так ограничивает область значений скрытых параметров, что их свободы ко второму измерению уже недостаточно для согласия с квантовой механикой.
В 1965 г. Д. Белл показал, при каких экспериментах можно увидеть различие между предсказаниями квантовой механики и теории скрытых параметров. Такой опыт был выполнен в 1972 г. С. Фридманом и Д. Клаузером. Они наблюдали свет, испускаемый возбужденными атомами кальция. В условиях их эксперимента атом кальция испускал после-довательно два кванта видимого света, которые можно было отличить с помощью обычных цветовых фильтров. Каждый квант попадал в свой счетчик, проходя через поляриметр, который отбирал определенное направление поляризации. Изучалось число совпадений как функция угла между направлением поляризации двух квантов. Теория скрытых переменных предсказывала провалы на кривой, изображающей эту зависимость. На опыте не только не оказалось никаких провалов, но вся экспериментальная кривая в точности совпала с теоретической кривой, полученной из квантовой механики. Позже были поставлены другие, более точные опыты, которые тоже согласовались с квантовой механикой.
Итак, теория скрытых параметров, по крайней мере в ее теперешнем виде, противоречит опыту. Квантовая механика лишний раз подтвердилась. Но утверждение о незыблемости квантовой механики, особенно когда речь идет о неизведанной области сверхмалых масштабов, противоречило бы духу философии квантовой физики.
Квантование полей
Применение квантовой механики к электромагнитному полю и другим полям, т. е. к системам с бесконечным числом степеней свободы, не потребовало каких-либо изменений в методах описания природы, установленных теорией относительности и квантовой механикой. Для того чтобы применить квантовую механику, разработанную для систем с конечным числом степеней свободы к полю, т. е. к системе с континуальным числом степеней свободы, рассматривались все возможные колебания в ящике достаточно большого, но конечного объема. Тогда множество степеней свободы - счетное (их можно пронумеровать) - это степени свободы всех возможных стоячих волн в ящике. Квантовая механика применяется к каждому отдельному колебанию. Оказалось, что в пустом пространстве, когда в нем нет никаких реальных частиц, происходят колебания всех возможных полей, рождаются и исчезают частицы и античастицы.
Конец 20-х гг., когда начала создаваться квантовая электродинамика, можно считать началом исследования главного объекта современной фундаментальной физики - вакуума.
Квантовая электродинамика
Электромагнитные волны не взаимодействуют сами с собой; каждая отдельная стоячая волна есть периодически колеблющаяся система - осциллятор. Поэтому задача квантования электромагнитного поля сводится к задаче квантования независимых осцилляторов.
Для полноты картины рассмотрим также принципы дополнительности Бора и неопределенности Гейзенберга. Размышляя над проблемными вопросами квантовой механики, Нильс Бор отмечал, что данные различных экспериментов не объединяются одной картиной. Недостаточность этого воззрения рассматривалась в парагарфе 5.2.
Почему же Бор так энергично выступал в защиту принципа дополнительности, причем вплоть до конца своих дней? Надо полагать, сама формулировка принципа дополнительности появилась не случайно, а явилась реакцией на какую-то актуальную проблему.
Это действительно так. Попытки описать результаты квантово-механических измерений посредством концептов классических концептов, как известно, неудовлетворительны. Если же к ним добавить принцип дополнительности, то создается иллюзия, что проблемная ситуация разрешена. Именно эта иллюзия и привела Бора к принципу дополнительности. Он упорно придерживался ошибочного убеждения, что результаты квантовомеханических измерений должны описываться посредством понятий классической физики. Но поскольку они противоречивы, то их необходимо сопроводить принципом дополнительности. Но дело в том, что после этого они не перестанут быть противоречивыми. Такова подоплека его ошибки. Таким образом, принцип дополнительности не является принципом квантовой механики.
Интересно, что Бор придавал принципу дополнительности общефилософскую значимость. "В общефилософском аспекте знаменательно здесь то, что в отношении анализа и синтеза в других областях знания мы встречаемся с ситуациями, напоминающими ситуацию в квантовой механике. Так, цельность живых организмов и характеристики людей, обладающих сознанием, а также и человеческих культур представляют черты целостности, отображение которых требует типично дополнительного способа описания" . Имеется в виду, что анализ и синтез дополняют друг друга. Одно дело, если рассматриваются части системы, другое – когда система фигурирует как целое. Анализируя, мы не учитываем, а порой и разрушаем целое. Когда же рассматриваем целое, то не принимаем во внимание, что оно состоит из некоторых частей.
На первый взгляд, рассуждения Бора представляются не только правильными, но и в высшей степени оригинальными. Но при ближайшем рассмотрении выясняется, что они никак не свидетельствуют в пользу принципа дополнительности. По сути, он рассуждает о природе так называемых системных признаков. Дело в том, что взаимодействие частей системы приводит к образованию интегративных свойств, которыми эти части не обладают. Например, молекула воды обладает такими свойствами, которыми не обладают два атома водорода и атом кислорода, образующие ее состав. Это обстоятельство прекрасно объясняется квантовой химией, только и всего. Характеристики атомов и молекул не дополнительны в том специфическом смысле, который постулировал Бор. Суть рассматриваемой ситуации с системными признаками достаточно проста : они являются результатом взаимодействия некоторых объектов. Чтобы это понять, нет необходимости прибегать к услугам принципа дополнительности, который ничего не разъясняет.
Последовательность квантовых принципов может быть представлена в следующем виде:
постулат волновой функции => принцип Паули => операциональный принцип => принцип визуализации => принцип наблюдаемости => принцип относительности к средствам наблюдения.
Выводы
- 1. Итак, основные вехи научной трансдукции размечены принципами, которые образуют некоторую иерархию.
- 2. Перестановка принципов местами недопустима.
- Бор Н. Квантовая физика и философия // Бор Н. Избранные научные труды: в 2 т. М.: Наука, 1971. Т. 2. С. 532.
- Справедливости ради отметим, что при объяснении природы системных признаков исследователи встречаются со значительными трудностями, но они преодолеваются без обращения к принципу дополнительности. См.: Каике В. А. Философия науки: краткий энциклопедический словарь. М.: "Омега-Л", 2008. С. 181–183.
