<<
>>

Копенгагенская интерпретация квантовой механики.

Теперь стояла задача как интерпретировать этот новый формализм, т.е. придать его формальным конструктам физический смысл. Первый принципиальный шаг в этом направлении сделал В. Гейзенберг, выдвинув свой знаменитый принцип неопределенности в статье "О наглядном содержании квантово- теоретической кинематики и механики" .
На основе теории преобразований Дирака-Иордана доказывается, что основой статистического характера соотношений квантовой механики служит характерная неточность определения классических переменных при их
одновременном измерении: А р- A q > . "Чем точнее определено
2 71
положение, — пишет В. Гейзенберг, — тем менее точно известен импульс, и наоборот» . В этом Гейзенберг усмотрел «наглядное содержание" (по названию статьи) основного перестановочного соотношения: pq-qp = h/27ii. Значит величины, которые в классической физике в измерительных процедурах получали точное значение, в границах применимости квантовой теории приобретают существенную (атрибутивную) неопределенность. Это связано с принципом квантования (Гейзенберг, 1925 г.), гласящим, что точные значения любой динамической переменной, характеризующей "поведение" квантового объекта, совпадают с собственными значениями соответствующей наблюдаемой, а среднее значение этой переменной совпадает со средним значением этой наблюдаемой . Иначе говоря, связь между этими переменными вытекает из теоремы Шрёдингера, согласно которой соотношение между дисперсиями (т.е. неопределенностями) как коммутирующих, так и не коммутирующих двух динамических переменных выражается формулой:
AL Ам> —\lM-ML\. 2і 1
Подстановка в это общее соотношение неопределенностей соответствующих операторов приводит к гейзенберговскому h *
Ар-Aq> .
2 7Ї
Возвращаясь к статье Гейзенберга, можно заметить, что основной философский вопрос, поднятый им, заключается в следующем: какова истинная природа неопределенности? Атрибутивная , т.е онтологическая или зависит от точности измерения (операционалистский подход), т.е. гносеологическая? Были попытки одностороннего истолкования соотношения неопределенностей Гейзенберга "как чисто гносеологический эффект, обусловленный специфическими погрешностями квантово-механических измерений и, следовательно, не имеющий глубоких объективных оснований (соотношения: А р- A q > h;
А Е- A t > h трактуются как соотношения неточностей) не состоятельны" . Имеются в виду трактовки Маргенау, Сюссмена, отчасти Гейзенберга и др., которые подвергнуты критике Н. Бором, В. А. Фоком и др. с позиций неустранимого (атрибутивного) характера неопределенности квантовых процессов.
Не будет ошибкой, если мы остановимся на некоторых эвристических предпосылках мировоззренческо-методологического характера (кроме рассмотренного выше математического), приведшего Гейзенберга к принципу неопределенности. Их (предпосылок) несколько: 1) под влиянием работ (и дискуссий) Шрёдингера, Гейзенберг пришел к заключению, что в новую квантовую механику все же нужно вложить определенное наглядное содержание (некоторый отказ от радикальной не наглядности); 2) он считал, что классические понятия типа "положение", или "скорость», или "траектория" нельзя использовать в квантовой физике.
Так же, как Эйнштейн при построении теории относительности, анализируя преобразования Лоренца, исходил из операции измерения, так и при интерпретации квантовой механики нужно провести анализ основных понятий механики применительно к квантовым объектам, исходя из рассмотрения операции измерения (принцип наблюдаемости); 3) Гейзенберг следовал методологическому правилу Эйнштейна: природа устроена таким образом, что допускает использование именно этого математического аппарата ("похоже на то, что природу можно описать только квантово-механически" и 4) эйдетическую интерпретацию этого соотношения Гейзенберг осуществлял с помощью мысленных экспериментов (к примеру, с "у — микроскопом" ) по определению положения электрона .
Вообще говоря, на наш взгляд, принцип неопределенности мог быть открыт до Гейзенберга Дираком и Иорданом в их теории преобразований. Об этом свидетельствуют высказывания Дирака и Иордана. "В квантовой теории нельзя ответить ни на один вопрос относительно числовых значений и q, и р одновременно" . Похожий вывод сделал Йордан: "При
данном значении q все значения р равновозможны" . Следовательно, и Дирак, и Иордан хорошо понимали, что невозможно задать точные значения q и р одновременно. Таким образом, можно полагать, что они, не заметив этот принцип, прошли рядом. Сложилась отдаленно похожая картина, напоминающая процесс формирования СТО: Лоренц, Пуанкаре и Эйнштейн одновременно пришли к основным его идеям. Но, как мы знаем, в силу различия их мировоззрений они пришли к разным интерпретациям. В этой связи можно утверждать, что Гейзенберг же, в отличие от Дирака и Иордана, заметил (и количественно исследовал) принцип неопределенностей в силу философского склада своего ума. Он постоянно размышлял над философскими проблемами квантовой механики . Отталкиваясь от траектории движения электрона в камере Вильсона, он задавался простым, как он пишет, вопросом: "Если бы мы захотели знать как скорость, так и положение волнового пакета, то какой максимальной точности мы могли бы достичь, исходя из того принципа, что в природе встречаются ситуации, поддающиеся представлению в математической схеме квантовой механики?" . Это и есть указанное нами выше методологическое правило Эйнштейна, которое помогло выбрать ("заметить") Гейзенбергу его принцип. "Итак, мы наконец узнали, как описать феномен, подобный движению электрона, однако заплатили за это очень дорогой ценой, а именно: наше истолкование означало, - продолжает Гейзенберг, - что волновой пакет, представляющий электрон, изменяется в каждой точке наблюдения, т.е. около каждой капельки воды в камере Вильсона" . Отсюда можно сделать вывод: все классические понятия ("положение", "координаты" и др.) могут быть определены для квантовых процессов при условии допущения объективной неопределенности, заданной соотношением Гейзенберга, т.е. именно оно делает допустимым использование классических понятий.
Проблема интерпретации квантовой механики, ее нового "математического наряда" настоятельно потребовала определения границ и возможностей применения в ней онтологических и эпистемологических представлений классической науки. Первым это заметили представители так называемой "копенгагенской школы" во главе с Н.Бором. Подтверждением этого обстоятельства служат не только найденное В. Гейзенбергом соотношение неопределенностей (рассмотренные нами
выше), но и выдвинутый Бором принцип дополнительности (1928 г.). Он гласит: "При описании "поведения" квантового объекта на языке классических понятий классическое пространственно-временное описание (локализация в классическом пространстве-времени) и классическое причинное описание (классические законы сохранения) взаимоисключают («дополняют») друг друга" . Тот факт, что принцип неопределенности Гейзенберга подвергнут нами анализу раньше принципа дополнительности Бора—не значит, что вслед за М.Э. Омельяновским разделяем его точку зрения о том, что второй принцип логически и исторически вытекает из первого ; а также не считаем, что они тождественны или синонимичны (В.А. Фок ). Говоря о соотношении этих двух принципов, мы склонны разделить точку зрения самого Гейзенберга: "Мы, не без содействия Оскара Клейна, признали, что в основе наши точки зрения не расходятся и что соотношение неопределенностей представляет собой лишь частный случай общего принципа дополнительности" . Более того, эти соотношения (рассмотренные совместно), на наш взгляд, являются математическим выражением последнего:
АР;-Ах;> , АМ;-Аф;> , АЕг At > ,
где і — 1,2,3; Р;— проекция импульса; М— проекция момента; Е — полная энергия; xt — координата; ф, — угол поворота относительно одной из осей; t — время.
Значит в них динамические переменные (р, М, Е) выражают причинное описание и кинематические переменные (х, ф, t) — пространственно-временное. Классическое пространственное и классическое временное описания исключают классическое причинное, лишь будучи взяты совместно. В отдельности же они вполне совместимы с этим описанием .
Теперь проследим как пришел Бор к принципу дополнительности, какими эвристическими идеями при этом руководствовался. Первой в этом ряду можно назвать идею корпускулярно-волнового дуализма (КВД), выбранного Бором путем отказа от формального подхода Гейзенберга, в качестве исходного пункта интерпретации квантовой теории, предварительно связав его (дуализм) с квантовым постулатом . В этом выборе Бор оттолкнулся не от математического формализма, как Гейзенберг, а от логики, т.е. посредством отказа от дееспособности закона исключенного третьего в квантовой теории, назвав этот отказ "дополнительностью". "В соотношениях неопределенности Гейзенберга, — пишет М. Джеммер, — Бор увидел математическое выражение, определяющее пределы, до которых дополнительные понятия могут перекрываться, т.е. могут применяться одновременно, хотя, конечно, и нестрого" .
В этих соотношениях Бор видел математический формализм, в пределах которого дополнительность не ведет к логическому противоречию. Вместе с тем суть гейзенберговского формализма, по Бору, состояла "в неизбежности квантового постулата при оценке возможностей измерения" . Одной из эвристических "меток" на пути к концепции дополнительности явилась "нечеткость" понятия наблюдения, т.е. вмешательство наблюдения в ход атомных процессов ("возмущение явлений посредством их наблюдения"), приведшее В.А. Фока к принципу фундаментальной роли измерительного прибора в НКМ В этой связи
стоит упомянуть влияние на Бора психологических идей У. Джемса наряду с философскими идеями С. Кьеркегора и X. Гёффдинга в становлении копенгагенской интерпретации квантовой механики . Здесь обнаруживается удивительная аналогия между физикой и психологией в анализе понятия наблюдения, а именно, касающаяся трудности разграничения объекта наблюдения и средства наблюдения. Более всего поражает сходство ниже приведенных цитат Джемса и Бора, которые "проливают свет» на выбор Бором термина "дополнительность". Джемс пишет, что «у некоторых лиц все возможное сознание может быть расщеплено на несколько частей, существующих одновременно, но игнорирующих друг друга и делящих объекты знания между собой. Еще более примечательно, что они являются «дополнительными"" . Далее, несколькими страницами позже, он продолжает: "Мало что есть более удивительного, чем эти отношения взаимного исключения..." . Упомянутое нами только что цитированное высказывание Джемса приводит Бора к принципу дополнительности в его начальной формулировке: "В соответствии с самой природой квантовой теории мы должны считать пространственно-временное представление и требование причинности, соединение которых характеризует классические теории, как дополнительные, но исключающие одна другую черты описания содержания опыта" . Надо полагать, что классическое причинное пространственное и временное описание под воздействием процедуры переключения гештальта Джемса «расщепляется» на взаимоисключающие, но дополнительные по отношению друг к другу составляющие: классическое пространственно-временное и классическое причинное описание.
Итак, пишет Бор: "Мы стоим перед выбором: или следить за траекторией частицы, или же наблюдать интерференцию. Дополнительные явления протекают при взаимно исключающих друг друга экспериментальных условиях" . Это высказывание Бора, на наш взгляд, "ужасно" напоминает некоторые сужения С. Кьеркегора,
касающиеся диалектики выбора "или/или": "Мое или/или обозначает... не выбор между добром и злом, оно означает тот акт выбора, посредством которого выбирают добро и зло, или отбрасывают добро и зло" . Следовательно, Кьеркегора не интересует то, к чему мы придем в результате выбора — к добру или к злу, а его интересует сама процедура выбора единства добра-зла или отказа от этого единства. Следовательно, этот выбор антиномичен, как бы взаимно исключает друг друга. Чем не принцип дополнительности, но только в области нравственных императивов?
Возвращаясь к началу наших рассуждений о принципе дополнительности и говоря об эмпирических следствиях из него, можно заметить, что он накладывает определенные ограничения на применимость классических понятий в квантовой области явлений, т.е. указывает на «недостаточность наших выразительных средств» (В. Гейзенберг). Иначе говоря, можно предположить о возможности существования немакроскопической эпистемологии и логики, но и немакроскопической методологии и философии из принципа дополнительности, т.е. сам принцип Бора является следствием более общего принципа онтологического негеоцентризма (как форма проявления негеоцентрического микромира в геоцентрическом макромире) .
Теперь выскажем несколько суждений о философских основаниях выбора Бором принципа дополнительности в качестве интерпретации КВД . Несколькими страницами ранее мы писали о "теории двойного
решения" Л.де Бройля из-за математических трудностей, переросшей в модель-теорию "волны-пилота". В этой модели частицы уже не рассматривались как сингулярности волнового поля, а постулировалось их независимое существование. Значит на Солвеевском конгрессе физиков (Брюссель, октябрь 1927 г.) были предложены две альтернативные интерпретации КВД де Бройля и Бора: "1) в случае интерпретации де Бройля — при описании поведения микрообъектов на языке макропонятий макроскопическое пространственно-временное и макроскопическое причинное описание совместимы друг с другом (принцип унитарности описания); 2) в случае интерпретации Бора — при описании поведения микрообъектов на языке макропонятий макроскопическое пространственно-временное и макроскопическое причинное описания взаимоисключают друг друга (принцип дополнительности описания)" .
Каждый из них, надо полагать, исходил в своем выборе описания из определенных философско-методологических предпосылок. По- видимому, де Бройль в выборе модели "волны-пилота" исходил из картезианского принципа "механистического" моделирования любых явлений, в отношении которого применимо классическое причинно- временное (унитарное) описание . В случае Бора — ситуация гораздо сложнее: принципиальным для него является признание неделимой целостности процесса наблюдения, согласующейся с квантовым постулатом (это новое немакроскопическое представление, существенно ограничивающее пределы применимости макропонятий). Если модель "волны-пилота" де Бройля не выходит за рамки классических представлений макромира, то новое описание поведения микрообъектов на языке принципа дополнительности выходит за эти рамки. Это означает, что квантовая механика «имеет дело» с миром иной онтологической природы, чем классическая механика. Поэтому в рамках копенгагенской интерпретации возникает антиномия — противоречие (в отличие от логического противоречия) в границах применимости классических понятий. "Таким образом, в основе рассуждения Бора, при поисках им
правильной интерпретации КВД, содержался своеобразный принцип антиномичности познания: при переходе от мира одной природы к миру другой природы в старой системе понятий неизбежно должны возникать особые противоречия (антиномии)" . Можно предположить, что данный принцип, навеянный негативной диалектикой Канта, выполнил селективную функцию при отборе принципа дополнительности Н. Бором в качестве интерпретации КВД не в пользу каким-либо другим физическим принципам (в том числе принципу унитарности) .
<< | >>
Источник: Очиров Д.Э.. Методологическая физика. -Улан-Удэ: Изд-во ВСГТУ, 2004- 346 с.. 2004

Еще по теме Копенгагенская интерпретация квантовой механики.:

  1. Копенгагенская интерпретация квантовой механики.
  2. СООТНОШЕНИЕ ЭВРИСТИЧЕСКОЙ И РЕГУЛЯТИВНОЙ ФУНКЦИИ ФИЛОСОФСКИХ ПРИНЦИПОВ в ФОРМИРОВАНИИ НОВОЙ ФИЗИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
  3.   2.1.3. Квантовая механика и объективность научного знания  
  4. Объективность как адекватность квантовой теории  
  5. Философия квантовой теории
  6. Науки о природе и науки о культуре
  7. Литература
  8. МИФ КОНЦЕПТУАЛЬНОГО КАРКАСА
  9. Соответствие и дополнительность как историко-научные принципы.
  10. § 3. Рационалистическая активность и ее пределы
  11. БОР
  12. 4.1.2. К положительной концепции веры
  13. Различные взгляды на универсальную реальность Different opinions on universal reality