Копенгагенская и ансамблевая интерпретации квантовой механики
Концептуальное ОГЛАВЛЕНИЕ квантовой механики является далеко не тривиальным. Неудивительно поэтому, что оно интерпретируется по-разному. Нам предстоит сначала в полной мере окунуться в мир квантово-механического плюрализма, а затем, освоив его, сделать решающие выводы.
Копенгагенская интерпретация
Термин "копенгагенская интерпретация" использовал В. Гейзенберг, явно подчеркивая им приоритет Н. Бора, жителя датской столицы Копенгагена[1]. Самого Гейзенберга считают копенгагенцем № 2. Ни Гейзенберг, ни кто-либо другой никогда не давал четкого определения содержания копенгагенской интерпретации. Вместе с тем было известно, что воззрения Бора и Гейзенберга не совпадали. Таким образом, "копенгагенская интерпретация" является термином для обозначения спектра воззрений. Яркими "копенгагенцами" являлись Дж. фон Нейман, П. Дирак, В. А. Фок, Л. Д. Ландау.
На взгляд автора, ключевыми для копенгагенской интерпретации являются следующие пять утверждений:
1) волновая функция относится к отдельному квантовому объекту;
2) поведение квантовых объектов невозможно отделить от результатов измерений;
3) измерение вызывает коллапс волновой функции;
4) скрытые параметры невозможны;
5) квантовая механика дает полное, исчерпывающее описание поведения квантовых объектов.
Ученые спорят
Плюрализм воззрений копенгагенцев состоял в том, что Дж. фон Нейман не придерживался убеждения Бора, согласно которому результаты измерений описываются классическим образом, равно как и его приверженности принципу дополнительности. Сам Бор не склонен был абсолютизировать процесс измерения столь же решительно, как это делал В. Гейзенберг. Фон Нейман к тому же придерживался позиции, что результаты измерений относятся к отдельному объекту лишь в случае, если они являются собственными значениями соответствующих им операторов.
Еще одна особенность "копенгагенцев" состоит в том, что они избегали пространственно-временного изображения квантово-механических процессов. Как показал Р. Фейнман, такое изображение вполне возможно.
Ансамблевая, или статистическая, интерпретация
Ее создателем чаще всего считают А. Эйнштейна. Крупнейшими представителями этой интерпретации являются также наш соотечественник Д. И. Блохинцев и современный канадский физик Л. Балленстайн. По сути, именно этими именами представлены три наиболее актуальных этапа в развитии ансамблевой интерпретации, которая всегда признавалась очевидной альтернативой копенгагенской интерпретации.
Эйнштейн, признавая квантовую статистику, полагал, что даже она недостаточна для выражения подлинной природы квантовых объектов, в реальности которых он не сомневался. Квантовая механика неполна.
Д. И. Блохинцев, опираясь на воззрения не Эйнштейна, а фон Неймана и своих коллег Л. И. Мандельштама и К. В. Никольского, сформулировал новую версию ансамблевой интерпретации. Суть его воззрения состоит в том, что на первый план выдвигается не поиск скрытых параметров, а оператор плотности. В статье, в которой он, по сути, подводил итоги своего творчества, связанного с осмыслением квантовой механики, Блохинцев отмечал, что "необходимость введения в квантовую механику оператора плотности, как понятия более общего, нежели волновая функция, основывается на том, что в квантовой области измерения, производимые над системами, описываемыми волновой функцией ψ (“чистый” ансамбль), переводят эти системы в состояния, описываемые набором волновых функций, т.е. в “смешанный” ансамбль.
Поэтому, если мы хотим рассматривать теорию квантовых измерений как главу квантовой механики, то нельзя исключить из рассмотрения смешанные ансамбли, которые не имеют аналогов в классической механике. Они являются аналогами механики статистической. В этом пункте лежит вся суть отличия моей концепции квантовой механики от концепции копенгагенской школы.
Н. Бор явно предпочитал рассматривать ситуацию, когда атомная система описывается волновой функцией (т.е. чистый ансамбль). При таком подходе сам процесс измерения полностью исключается из квантово-механического рассмотрения и тем более не может быть предметом теоретического расчета. Интерпретация измерения при таком подходе ограничивается пониманием измерения как явления изменения информации. Следует подчеркнуть, что в рамках анализа, сосредоточенного на чистом ансамбле, такое толкование измерения логически последовательно и единственно возможно. Но оно исключает на самом деле существующую возможность, на основе той же квантовой механики, исследовать и рассчитать явления измерения. В этой связи концепция фон Неймана, основанная на понятии статистических совокупностей, представляется более широкой основой для понимания квантовой механики, нежели концепция, основанная на более ограниченном понятии волновой функции"[2].
Квантовые ансамбли всего лишь аналогичны ансамблям Гиббса, используемым в классической физике. Поэтому Блохинцев полагал, что он благополучно развел классическую и квантовую физику в разные стороны. Но при этом оставался открытым вопрос о природе отдельной частицы. Это не преминул отметить его главный оппонент В. А. Фок. Он обвинял Блохинцева в непоследовательности: волновая функция то считается характеристикой отдельной частицы, то характеристикой всего ансамбля, а не отдельной частицы[3]. Фок прав, сторонникам ансамблевой интерпретации никак не удается совладать с отдельными частицами. Либо полностью отрицается, что статистическая интерпретация в духе М. Борна относится к отдельной частице, либо она считается лишь представителем ансамбля.
С позиций современной теории декогеренции оплошность Блохинцева достаточно очевидна. Он ошибочно полагал, что процесс квантово-механического измерения полностью объясняется посредством оператора плотности, его, дескать, совсем не обязательно выводить. Поэтому он ставил его впереди концепта волновой функции, актуальность которого, по сути, принижалась.
Переходим к характеристике воззрений Баллентайна. К сожалению, в своей главной работе[4] он избегает лаконичных характеристик своей позиции, уместных в данной книге. Зато К. Эйлвард иллюстрирует основные положения воззрений Баллентайна в довольно эффектной манере[5]. Он показывает, что ансамблевая интерпретация квантовой механики приводит к выводам, которые никак не согласуются с копенгагенской интерпретацией. Для удобства пронумеруем его комментарии.
1. Не следует думать, что статистические результаты характеризуют отдельную частицу. Допустим, что проводятся испытания с игральной костью. Выпадают значения от 1 до 6. Среднее значение составляет, например, 2,4. Но это не означает, что у игральной кости есть сторона, на которой написано 2,4.
2. Корпускулярно-волновой дуализм несостоятелен. Частицы всегда являются частицами. Верно, что они описываются не классической, а квантовой статистикой. Но они не являются волнами, подобными, например, волнам на воде, которые действительно реальны.
3. Гейзенберговский принцип неопределенности является описанием статистических результатов, проведенных над ансамблем частиц. Вопреки Гейзенбергу отдельная частица не обладает неопределенными значениями параметров.
4. Парадокс шрёдингеровского кота был введен для того, чтобы показать ограничения копенгагенской интерпретации квантовой механики. Реальный кот, конечно же, всегда либо мертв, либо жив, и не представляет собой суперпозицию этих двух состояний.
5. О коллапсе волновой функции. Он не требуется ни формальным аппаратом квантовой механики, ни экспериментальными данными.
6. Утверждается, что одна и та же частица может находиться в различных местах. Но аппарат квантовой механики этого не требует.
7. Утверждается, что в конструировании квантовой реальности принимает участие сознание экспериментатора. В действительности же состояния квантовых объектов от него не зависят.
Итак, по мнению Эйлварда, ансамблевая интерпретация вносит окончательную ясность во многие спорные вопросы квантовой механики, вызванные к жизни копенгагенской интерпретацией.
Выводы
1. Основной недостаток копенгагенской интерпретации состоит в том, что не рассматривается механизм квантово-механических взаимодействий.
2. Сторонники ансамблевой интерпретации недостаточно вникают в существо физических процессов, связанных с элементами ансамбля, например с частицами.