Три парадигмы "новой" квантовой механики
Задача по преобразованию парадокса "корпускулярно-волнового дуализма" в "новую" квантовую механику реализуется в 1925–1927 гг.[1] Психологически "старая" и "новая" квантовые механики тесно связаны, но логического перехода от первой ко второй нет. Появление "новой" квантовой механики – это скачок, "научная революция" в смысле Куна.
Как и положено научной революции, в ее ходе возникают новые парадигмы и объединенные вокруг них сообщества, но в случае квантовой механики возникло сразу три парадигмы, которые будем называть "копенгагенской", "антикопенгагенской" ("эйнштейновской") и "теорфизической" (близкие тем, которые выделил К. Поппер [32]).
Правда, в истории квантовой механики они фигурировали под именем "интерпретаций" и часто воспринимались как различные "интерпретации волновой функции" (по аналогии с "вероятностной интерпретацией волновой функции" М. Борна). Такому восприятию способствовали два обстоятельства.
Первое связано со спецификой истории формирования современной ("новой") квантовой механики. Первые наиболее четкие формулировки постулатов появились со стороны создателей математического представления (математический слой на схеме 9.2.1), физические сущности в виде корпускулярно-волнового поведения, боровской модели атома и ряда других были сначала в тени. Центральным элементом этого представления считалась волновая функция (здесь и далее ограничимся представлением Шрёдингера). Последующие этапы формирования квантовой механики воспринимались современниками как поиск смысла, т.е. интерпретации волновой функции и ее аналогов.
Второе обстоятельство состояло в том, что такое представление находилось в полном соответствии с феноменалистической установкой позитивистской философии науки. В "общепринятом взгляде" неопозитивистов (см. параграф 5.2) и ряда физиков (ср. представление Мандельштама в параграфе 9.3) центральным моментом теории считалось математическое выражение (уравнение, выражающее закон природы). Интерпретации здесь отвечало приписывание физических значений некоторым элементам этих математических выражений. Это представление отвечает стандартному представлению интерпретации как установлению соответствия (установление гомоморфизма) между элементами формул и "наблюдаемыми" измеримыми величинами. Однако построение модели, особенно "модели для" типа ПИО (подпараграф 9.1.1), есть нечто большее, чем интерпретация. Кун сравнивал научную революцию, что в нашем случае отвечает построению новых ПИО, со сменой гештальта, противопоставляя революцию изменению интерпретации[2]. На то, что мы имеем дело с тремя "парадигмами", а не интерпретациями, указывает характерное для разных парадигм взаимное неприятие аргументов друг друга представителями разных "интерпретаций". Так, Эйнштейн в 1949 г., после четверти века споров с Борном, писал, что, "несмотря на многочисленные попытки", он "так и не смог... уяснить" "точной формулировки" "боровского принципа дополнительности" [55, с. 674]. М. Борн же утверждал, что "взгляды Эйнштейна представляют собой философское убеждение, которое не может быть ни доказано, ни опровергнуто физическими аргументами. Единственное, что можно сделать в плане возражения этой точке зрения – эго сформулировать другое понятие реальности..." [7, с. 170].
В философии науки обсуждается главным образом первая пара "интерпретаций" (парадигм), формировавшихся в споре друг с другом. Этот спор концентрировался вокруг нескольких основных вопросов: 1) существует ли состояние квантовой системы объективно и независимо от измерения; 2) является ли вероятностное описание отдельной микрочастицы принципиальным фактом квантовой механики; 3) полна ли "новая" квантовая механика, или в ней существуют фундаментальные "парадоксы" вокруг измерения состояний квантовой частицы (микрочастицы)? При этом ключевым являлся первый вопрос (табл. 15.2.1).
Таблица 15.2.1
Три "интерпретации" квантовой механики
|
Интерпретация |
Существует ли состояние квантовой системы объективно и независимо от измерения? |
Является ли вероятностное описание отдельной микрочастицы принципиальным фактом квантовой механики? |
Полна ли "новая" квантовая механика? |
|
"Копенгагенская" |
Нет |
Да |
Да |
|
"Антикопенгагенская" |
Да |
Пет |
Нет |
|
"Теорфизическая" |
Да |
Да |
Да |
Эйнштейн и его соратники (Шрёдингер, Де Бройль и др.) настаивали на положительном ответе на первый вопрос и отрицательном ответе на два последних. Они утверждали, что сложившаяся к 1927 г. формулировка квантовой механики не полна. Свою позицию они выразили в виде ряда "парадоксов", якобы возникающих в предлагаемой копенгагенцами формулировке квантовой механики (классический набор состоит из анализируемых ниже парадоксов "кошки Шрёдингера", "редукции (коллапса) волновой функции" и мысленного эксперимента А. Эйнштейна – Б. Подольского – Н. Розена, говорящих, с их точки зрения, о ее неполноте и незаконченности). С этой парадигмой тесно связаны позитивные исследовательские программы построения альтернативной квантовой механики типа теорий скрытых параметров (Д. Бом и др.) и близких им по духу "статистических интерпретаций", согласно которым результаты квантовой механики применимы не к отдельным частицам, а лишь к ансамблям частиц[3] [44], а также различные теоремы (Белла и др.), доказывающие бесперспективность теорий со скрытыми параметрами.
Приверженцы "копенгагенской" парадигмы ("интерпретации"), выдвинутой Бором, Гейзенбергом, Борном, считающейся наиболее популярной (ее часто называют "ортодоксальной"), наоборот, давали положительные ответы на два последних вопроса и отрицательный на первый. Они полагали, что сложившаяся к 1927 г. формулировка квантовой механики полна, считали, что вероятностные утверждения квантовой механики следует относить к отдельному микрообъекту (а не ансамблю), исключали парадоксы, провозглашая "неклассическую" трактовку отношения между состоянием физической системы и измерением – до измерения "нет состояния". Например, в устах копенгагенца М. Борна это звучит так: "Физик должен иметь дело не с тем, что он может мыслить (или представлять), а с тем, что он может наблюдать. С этой точки зрения состояние системы в момент времени t, когда не проделывается никаких наблюдений, не может служить предметом рассмотрения" [7, с. 173]. То есть Борн просто отбрасывает (запрещает) сформулированные "реалистом" Эйнштейном вопросы.
Как уже было сказано в начале главы, философские проблемы квантовой механики возникают в рамках спора групп Бора и Эйнштейна вокруг "парадоксов", связанных с трактовкой измерения. В философском плане эти две группы придерживаются соответственно антиреалистической инструменталистски-феноменалистической (конструктивистской) и реалистической позиций (см. гл. 8).
Дух первой из них весьма четко выразил В. Паули: "Появление в физике волновой или квантовой механики в 1927 г. показало, что можно избавиться от кажущихся неразрешимыми противоречий при использовании различных описаний, при условии отказа от традиционных идей и идеалов о причинности и реальности природы... Эйнштейн, однако, отстаивал более ограниченную концепцию реальности, основанную на полном различии между объективно существующим физическим состоянием и любым типом наблюдения... Я бы назвал это... идеалом изолированного наблюдателя". Паули вторит Уиллер: "Кажется, что мы были вынуждены заявлять, что явление вовсе не является явлением до тех пор... пока оно не становится наблюдаемым явлением. Вселенная не существует где-то там, независимо от процесса наблюдения. Напротив, в некотором странном смысле, она вселенная участника наблюдения" [1, с. 79, 81, 82]. Отсюда возникает общий философский вопрос: "Существует ли объективная реальность?.. Обладает ли электрон некоторыми характеристиками сам по себе... объективно, до того как мы измеряем эти характеристики? Ортодоксальная копенгагенская интерпретация не дает нам положительного ответа на этот вопрос. Утверждается, что свойства электрона фактически порождаются процедурой взаимодействия с измерительным прибором", – говорит Аккарди, приводя в своей книге подборку высказываний физиков по этой проблеме [2, с. 7–8]. Довольно авторитетный автор книг и статей на эти темы Д'Эспанья утверждает, что якобы "доктрина о том, что мир состоит из объектов, существование которых не зависит от сознания человека, оказывается в противоречии с квантовой механикой и экспериментально установленными фактами". Очень похожие высказывания мы можем найти и у Бора: "Ограничение возможности говорить о явлениях как объективно существующих, наложенных на нас самой природой, находит свое выражение, насколько мы можем наблюдать, именно в квантовой механике" [1, с. 45–47].
С этим ограничением для "копенгагенцев" связан и "принцип дополнительности" Бора, который Гейзенберг тесно связывает с проблемой понимания квантовой механики [8, с. 112]. Иногда, в рамках "копенгагенской"
интерпретации, его называют "методологическим фундаментом квантовой механики" [2, с. 123]. "Принцип дополнительности" Бора был провозглашен им в 1927 г. сначала на Международном физическом конгрессе в Комо, а затем на Сольвеевском конгрессе. Много позже (в 1949 г.), с учетом длительной дискуссии с Эйнштейном и попытками снять обвинение квантовой механики в неполноте, он об этом говорил так: "В своем докладе я развил тогда точку зрения, которую кратко можно охарактеризовать словом “дополнительность”; эта точка зрения позволяет, с одной стороны, охватить характерную для квантовых процессов черту неделимости (“явления”. – А. Л.) и, с другой стороны, разъяснить существующие в этой области особенности постановки задачи о наблюдении" [6, т. 2, с. 406–407]. Связь "неделимости" и "наблюдения" обусловлена введением в "копенгагенской интерпретации" "принципиально неконтролируемого взаимодействия между объектами и измерительными приборами" [6] или "квантового постулата", согласно которому "в атомной физике всякое наблюдение системы сопряжено с ее возмущением. Иными словами, система в процессе наблюдения всегда является открытой" [13, с. 340, 336]. Согласно М. Джеммеру "в своем докладе Бор не определил дополнительность явным образом" (некоторые полагали, что "недоговоренность этого понятия является, вероятно, одной из причин его плодотворности"), однако "боровская концепция дополнительности выросла из принятия дуализма волна- частица", который Бор рассматривал как "исходный пункт интерпретации теории" и связывал с дополнительностью пространственно-временного и причинного (совпадающего у него с импульсно-энергетическим) описаний [13, с. 334, 336, 340–341, 343–344]. Таким образом, корпускулярно- волновую дополнительность можно взять в качестве основной и наиболее адекватной формулировки "принципа дополнительности" (кроме нее известны и другие [13, с. 343–344; 2, с. 122–210])[4]. Бор пытался этот дуалистический подход использовать как новый тип определения для новых не наглядных понятий, т.е. решить ту проблему, которую в используемом нами "объектном" подходе выполняет гильбертовский неявный тип определения системы понятий (см. подпараграф 9.1.3). Ему казалось, что ему это удалось. Эйнштейну так не казалось, и он был прав. Боровского принципа дополнительности, идущего от эмпирических проявлений квантовых объектов, явно недостаточно, чтобы четко определить понятия квантовой механики.
В обеих парадигмах большие проблемы возникают с пониманием квантовой механики. Как уже говорилось в параграфе 9.3, для физиков понимание связано с построением модели, а феноменалистско-инструменталистский подход, провозглашенный Паули, Борном и многими "копенгагенцами", моделей не предполагает. Реалисты же во главе с Эйнштейном порождали "парадоксы", а не позитивные модели. На этом фоне показательна позиция нобелевского лауреата в области квантовой механики Р. Фейнмана, который говорит не о неполноте, а о непонятности квантовой механики: "Квантовую механику никто не понимает, хотя многие считают, что в ней все “чисто” и очень хорошо" [35 с. 168][5].
С нашей точки зрения, причина непонимания, о котором говорит Р. Фейнман и др., заключается в применении неадекватных для этого случая классических понятий. Так, непонятность, даже парадоксальность "дуализма волна-частица" возникает при попытке понять квантово-механическое явление (типа поведения электрона) в логике классических понятий, где понятия "частицы" и "волны" являются альтернативными. Но с той же ситуацией мы столкнемся, если в понятиях классической механики попытаемся описать электромагнитную волну (с ее поперечным характером колебаний, требующим чрезвычайно твердого эфира, который мы почему-то не ощущаем) или поведение тел, движущихся с околосветовыми скоростями. И это естественно: если бы в старых понятиях можно было описать новые явления, то не надо было бы создавать новые разделы физики.
"Непонятность" – это исходное состояние, которое в ходе сложной работы преобразуется в новые "первичные идеальные объекты" и разделы науки (см. гл. 9). Для квантовой механики такой исходной непонятностью стал сформулированный А. Эйнштейном, Луи де Бройлем и др. "корпускулярно-волновой дуализм", который в 1925–1927 гг. трудами Шрёдингера, Гейзенберга, Борна, Бора, Дирака и др. был преобразован в новый ПИО – квантовую частицу.
Это происходит в рамках третьей парадигмы, которую мы назвали "теорфизической". К. Поппер выделяет ее со стороны сообщества, как третью группу физиков, работающих в квантовой механике, но не обращающих внимания на споры первых двух групп вокруг указанных "парадоксов" (они часто просто не знают о них[6]). Им часто приписывают так называемую минимальную феноменалистическую интерпретацию, в которой ограничиваются математическим формализмом и возможностью вычислять результаты. Но это неверно: физики в квантовой механике сплошь и рядом работают с моделями, которым приписывают онтологический, а не феноменологический статус, и в этом отношении обращаются с квантовыми частицами во многом аналогично обращению с частицами в классической механике. Если следовать завету Эйнштейна анализировать то, что физики-теоретики делают, а не то, что они об этом говорят, то вырисовывается описанная в параграфе 15.3 четкая парадигма, в которой отсутствуют "парадоксы".
В этой парадигме, как и в "копенгагенской", полагают, что сформировавшаяся к 1927 г. "новая" квантовая механика полна и свободна от "парадоксов", а ее принципиально вероятностное описание состояния физической системы относится к отдельной частице. Но в трактовке соотношения между состоянием физической системы и измерением здесь придерживаются эйнштейновской позиции: существует четкая граница между физической системой и измерительным прибором (в противоположность приведенному выше утверждению Бора), и состояние физической системы существует независимо от наличия измерения, которое лишь выявляет его.