Альтернативные реальности. Копенгагенская интерпретация квантовой механики

Физики из Австрии и США опубликовали результаты опроса своих коллег по поводу того, как они понимают квантовую механику. Результаты оказались противоречивы - несмотря на то, что классическая копенгагенская интерпретация все еще чувствует себя довольно бодро, к ней постепенно подбирается теория квантовой информации. Гипотеза же многих миров сдает свои позиции.

Корни проблемы

История квантовой механики начинается в конце XIX века, когда статистическая физика столкнулась с парадоксом, получившим название ультрафиолетовой катастрофы. Столкновение это было тем более неожиданным, что речь шла про, казалось бы, простую физическую задачу: описание излучения, связанного с нагревом тела, - будь то металл, камень или уголь в камине. Скажем, хорошо известно, что свечение нагретого металла с ростом температуры меняется от красного к светло-голубому. Почему это так?

Оказалось, что решение этой задачи сводится к изучению излучения так называемого абсолютно черного тела, абстракции, представляющей собой тело, которое поглощает все упавшее на него излучение. Название, как оказалось, было выбрано довольно неудачно - например, с достаточной степенью точности абсолютно черным телом можно считать Солнце.

И в этот момент физики столкнулись вот с чем: модель излучения, которая была у них на руках (так называемый закон Рэлея-Джинса) неплохо описывала излучение для длинных волн, но для коротких не работала совершенно. Более того, она давала невозможный результат: энергия, излучаемая телом, равна бесконечности. Этот парадокс и получил имя ультрафиолетовой катастрофы.

В 1900 году Макс Планк предложил совершенно неочевидное объяснение тому, что результаты экспериментов с короткими волнами противоречат теории - правда, сам термин «ультрафиолетовая катастрофа» появился только в 1911 году, а бесконечность энергии была обнаружена Рэлеем и Джинсом уже после появления планковского объяснения. Планк заявил, что излучение испускается не непрерывно, как считалось ранее, а порциями (квантами). Энергия каждого кванта оказывается связана с частотой излучения простым линейным законом. На основе этих предположений он вывел свой закон излучения, который показал отличное согласование с экспериментальными данными и принес Планку нобелевскую премию по физике в 1918 году.

Обнаруженный закон невозможно было объяснить с точки зрения физики того времени, строго разделявшей две основные сущности - поля и частицы. Возник нетривиальный и, скорее, философский вопрос: если физика описывает нашу обычную действительность, то какую действительность описывают новые уравнения? Так вместе с квантовой механикой (именно с момента публикации работы Планка многие отсчитывают историю новой физической теории) появилась и проблема интерпретации квантовой механики.

Сначала, конечно, странность уравнений Планка не вызывала у физиков особого волнения - им казалось, что здание физики незыблемо, поэтому странные уравнения найдут объяснения в рамках классической теории (сами физики, конечно, свою физику классической еще не считали - тем же уравнениям Максвелла не было тогда и 20 лет). Более того, с порционностью физикам уже приходилось сталкиваться: идея существования мельчайшей неделимой порции электрического заряда, равной заряду электрона, на тот момент была общепризнанной.

Ситуация с квантами усугубилась в 1905 году. Дело в том, что в 90-х годах XIX века физики активно изучали фотоэффект - явление испускания электронов веществом под воздействием света. На основании экспериментов им удалось установить несколько эмпирических законов. В 1905 году Альберт Эйнштейн предложил объяснение всем этим законам, распространив теорию порционного излучения Планка на свет. Получившаяся теория вновь давала прекрасное согласование с экспериментальными данными и вновь не помещалась в классическую картину мира.

Копенгагенская интерпретация

Спустя буквально 20 лет научный мир находился в состоянии непримиримого противостояния. Суть разногласий сводилась к вопросу о том, насколько хорошо квантовая теория описывает реальность (сами уравнения и тот факт, что они прекрасно работают, ни у кого возражений не вызывали). Противники молодой физики утверждали, что все эти корпускулярно-волновые дуализмы (свойства материи быть частицей и волной одновременно) и прочие противоречащие тогдашнему здравому физическому смыслу объекты являются просто следствием несовершенства математического аппарата. На стороне классиков сражались Эйнштейн, Планк, Шредингер. Последний, кстати, придумал своего кота как раз для того, чтобы продемонстрировать абсурдность новой теории.

В 1935 году Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен опубликовали статью, в которой описали мысленный эксперимент, получивший название парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена. Суть парадокса сводилась к тому, что в квантовом мире существует явление запутанности. Из-за этого в некотором случае измерение состояния одного объекта позволяет определить состояние другого, удаленного от первого на произвольное расстояние. При этом кажется, что нарушается причинно-следственная связь. Этот парадокс был предложен как доказательство неполноты квантовомеханического описания мира. Парадокс разрешается благодаря тому факту, что для передачи известной информации о втором объекте требуется канал связи, который не нарушает причинно-следственную связь. Позже явление запутанности неоднократно наблюдалось на практике.

Адепты же квантовой механики отстаивали реальность всех этих загадочных явлений (хотя позже стало понятно, что и среди этих ученых имеются серьезные разногласия). В период с 1924 по 1927 год Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, одни из главных защитников «новой физики», сформулировали основные положения «реальности» в смысле квантовой механики. Эти положения были представлены широкой научной общественности в 1927 году, когда Гейзенберг прочитал серию лекций в Чикагском университете о том, что из себя представляет квантовая механика. Так на свет появилась копенгагенская интерпретация квантовой механики (и Бор, и Гейзенберг в ту пору работали в университете Копенгагена) - самая, пожалуй, распространенная и популярная интерпретация.

Главным отличием микромира от привычного нам макромира провозглашалась вероятностная природа происходящих там процессов. Материя демонстрирует корпускулярно-волновой дуализм. Основным объектом описания системы становилась волновая функция, которая характеризует амплитуду вероятности обнаружить систему в том или ином состоянии в данной конкретной точке. Со временем волновая функция эволюционирует, и эта эволюция описывается так называемым уравнением Шредингера. По сути состояния системы оказываются «размазаны» по времени и пространству. Традиционно это интерпретируется как нахождение квантовой системы в нескольких состояниях одновременно.

В случае измерения происходит коллапс волновой функции к одному из классических состояний. Это связано с тем, что все измерительные приборы и все измерения в физике считаются классическими. По этой причине, помимо прочего, невозможно получить всю возможную информацию о системе. Иллюстрацией последнего положения является знаменитый принцип неопределенности Гейзенберга, утверждающий, что произведение неопределенностей при измерении импульса и координаты какой-нибудь механической системы всегда больше некоторого ненулевого значения. Наконец, последнее требование - для достаточно больших систем квантовое описание приближается к классическому.

Копенгагенская интерпретация позволила физике смириться с многими парадоксальными результатами наблюдений. Для примера можно рассмотреть так называемый двухщелевой опыт. Представим экран, который отгорожен от источника света светонепроницаемой поверхностью, в которой прорезаны две щели. Когда свет проходит через щели, на экране возникает последовательность светлых и темных полос - типичная интерференционная картина. Это связано с тем, что свет - волна и, проходя через щели, разделяется на пару волн, взаимодействующих между собой. При этом такая картина наблюдается и в случае пролета единичных фотонов.

Если у обеих щелей поставить детекторы, которые будут регистрировать проходящие через них фотоны, то срабатывать будет всегда только один из детекторов. Это и есть демонстрация корпускулярно-волнового дуализма. Более того, если один из детекторов убрать и не фиксировать прохождение фотона, интерференционная картина на экране все равно исчезает. С точки зрения копенгагенской интерпретации это является прямой демонстрацией того, что при измерении (пусть даже с отрицательным результатом) происходит коллапс волновой функции.

Новые реальности

В середине XX века копенгагенская интерпретация считалась стандартным объяснением квантовой механики. Ситуация изменилась к концу века - в физике стали возникать вопросы, которые даже не приходили в голову классикам. Вот, например, волновая функция - это что? Удобный инструмент для описания или же некий реально существующий объект? Или, скажем, как быть с квантовой запутанностью?

В настоящее время вопрос интерпретации считается скорее философским, нежели физическим. Известный физик Ашер Перес - автор одноименного парадокса - считает, что интерпретации суть не более чем набор правил для оперирования экспериментальными данными, поэтому единственное требование, которое можно предъявить к интерпретациями - чтобы эти наборы правил были эквивалентны друг другу (среди прочего, это связано с тем фактом, что, как уже говорилось выше, математический аппарат у всех интерпретаций совершенно одинаковый).

В настоящее время помимо копенгагенской интерпретации существует несколько ранее считавшихся немного безумными или даже научно-фантастическими альтернатив, которые со временем уверенно подвинули классику. И это не считая типично инструменталистской интерпретации Дэвида Мермина, выраженной в знаменитом афоризме «Заткнись и считай».

Самой популярной из альтернатив является так называемая многомировая интерпретация, принадлежащая Хью Эверетту. Примечательно, что Эверетт оставил физику после нескольких работ, в том числе и из-за той критики, которой научное сообщество подвергло его взгляды. В основе многомировой интерпретации - отрицание реальности коллапса волновой функции, то есть разделения взаимодействий на классические и квантовые.

Для этого Эверетт ввел понятие квантовой декогеренции, суть которой, достаточно условно (пытаясь пояснить формулы словами, всегда сталкиваешься с некоторыми неизбежными упрощениями), заключается в том, что исследуемая система и наблюдатель - измерительный прибор - оказываются объединены в одну огромную (по меркам микромира) систему. Факт этого включения и приводит к кажущемуся ощущению «классичности» - ведь тезис о том, что большие системы должны быть похожи на классические, этой интерпретацией не отрицается. При этом каждый из возможных вариантов включения системы оказывается реализован. С точки зрения двухщелевого опыта, если за одной из щелей стоит детектор, то при подлете фотона к поверхности с прорезями Вселенная раздваивается. В результате в одной из реальностей наблюдатель регистрирует фотон, а в другой - нет. При этом все бесчисленные Вселенные оказываются частью некоего глобального квантового мира, который никогда не теряет своей когеренции.

Помимо многомировой интерпретации, есть еще и информационная интерпретация - точнее, даже несколько интерпретаций такого рода. В их основе лежит идея о том, что при измерении наблюдатель извлекает из системы некоторую информацию. Эта информация, с одной стороны, воспринимается как результат наблюдения, с другой - меняет саму измеряемую квантовую систему, поскольку та информацию теряет. Эти идеи носят идеалистический характер, поскольку помещают в основу реальности информацию, а не материю.

Наконец, последней интерпретацией, которую стоит упомянуть (на самом деле их много больше), это интерпретация Пенроуза. В ней коллапс волновой функции признается объективной реальностью, то есть физическим процессом. Согласно этой теории, коллапс происходит случайно, а сам наблюдатель никакой роли в этом процессе не играет.

Разброд и шатание

В 1997 году известный физик и космолог Макс Тегмарк опросил 48 участников конференции «Фундаментальные проблемы в квантовой теории», чтобы выяснить, какая интерпретация этой самой теории кажется им предпочтительной. Несмотря на то, что опрос носил в целом неформальный характер, Тегмарк обнаружил, что многомировая интерпретация квантовой механики уступила копенгагенской, но не слишком (13 голосов против восьми). Это довольно неожиданный результат, если учесть, что в свое время, как говорилось выше, автор теории многомировой интерпретации Эверетт был вынужден уйти из науки.

Теперь сразу три физика из Австрии и США повторили опрос Тегмарка. Местом его проведения была выбрана конференция «Квантовая механика и природа реальности», проходившая в июле 2011 года в Австрии. Каждому участнику съезда предлагалось выбрать из предложенных ответы к 16 вопросам. Сами исследователи признают, что, как и опрос Тегмарка, их исследование носило не слишком формальный характер. Ученым, например, разрешалось давать на один вопрос несколько ответов. Кроме этого в исследовании приняли участие 33 человека - то есть на 15 меньше, чем в предыдущем опросе.

Оказалось, что 64 процента опрошенных уверены: случайность - это фундаментальное свойство природы. При этом 48 процентов заявили, что до измерения свойства объекта не определены. Это основные положения именно копенгагенской интерпретации. Что касается проблемы измерения - видимого и необратимого коллапса волновой функции - то тут мнения очень сильно разделились. Оказалось, что 27 процентов опрошенных считают ее псевдопроблемой (то есть математическим артефактом), еще 15 процентов полагают, что понятие декогеренции снимает вопрос об измерениях, 39 процентов думают, что эта проблема решена, и 24 процента - что эта проблема представляет серьезную трудность в квантовой картине мира. В сумме получается больше 100 процентов, но это именно потому, что можно было давать больше одного варианта ответа, а проценты считались как отношение количества ответов к количеству участников, помноженное на 100.

Наиболее интересными были ответы на вопросы о квантовой информации - оказалось, что 76 процентов опрошенных считают идею квантовой информации «глотком свежего воздуха» для основ квантовой механики. Довольно необычный сдвиг для физиков, известных своим прожженным материализмом. Еще у физиков спрашивали, когда появится квантовый компьютер, и 42 процента опрошенных заявили, что это произойдет через 10-25 лет.

Что касается самого главного вопроса: «какой интерпретации придерживаетесь вы?» - то тут результаты были следующими. Оказалось, что 42 процента поддерживают копенгагенскую интерпретацию, 24 процента - теорию квантовой информации и только 18 - многомировую интепретацию квантовой механики. Еще 9 процентов придерживаются интерпретации Пенроуза об объективности коллапса волновой функции.

Вместо заключения

Здесь, конечно, следовало бы сделать вывод о неожиданном укреплении позиций классики, которое, судя по всему, вызвано постепенным спадом интереса к многомировой интерпретации. Также можно было бы отметить популярность квантовой информации, которая, разумеется в ближайшее время будет только расти - ведь многие называют этот подход перспективным.

Делать эти выводы, однако, бессмысленно. Похоже, такого же мнения придерживаются и сами ученые - на вопрос «будут ли через 50 лет проводиться конференции по основам квантовой механики?» 48 процентов опрошенных ответили «да» и еще 24 - «кто знает». Действительно, кто ж его знает?

В 1927 году два основателя квантовой механики - Нильс Бор и Вернер Гейзенберг - сформулировали первую версию так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики. В целом она заключается именно в том, на что мы опирались все это время:

1) система описывается исключительно своей волновой функцией;

2) волновая функция показывает, что определенные измерения сугубо вероятностны;

3) как только мы делаем измерение, происходит коллапс волновой функции, и у нас остается конкретное число.

И хотя мы собираемся описать некоторые другие точки зрения, любой физик, работающий от звонка до звонка, считает копенгагенскую интерпретации^ общепринятой версией событий, в основном потому, что она позволяет нам производить вычисления, не слишком задумываясь о том, что все это на самом деле значит .

Однако даже среди горячих сторонников квантовой механики существуют определенные разногласия относительно того, что на самом деле гласит копенгагенская интерпретация. Существует ли на самом деле волновая функция? И правда ли это, что реальность системы заключается только в том, что мы наблюдаем? Лично нам кажется, что это пустые придирки. Лично нам гораздо ближе версия Дэвида Мермина: «Если бы меня заставили изложить суть копенгагенской интерпретации одной фразой, я бы ответил: "Заткнись и считай!"»

Ближе к делу: как получается, что то, что мы что- то наблюдаем, приводит к коллапсу наблюдаемого? Вообще-то мы и сами состоим из субатомных частиц, которые также подчиняются законам квантовой механики. Откуда Вселенная знает, как перейти из состояния неопределенности до того, как произошло измерение, к определенности после этого?

У наблюдения есть последствия и похуже коллапса волновой функции. Вспомните наш разговор о том, что ваша волновая функция простирается до далеких звезд и, строго говоря, существует вероятность, что вас туда спонтанно телепортирует? Так вот, когда вас наблюдают здесь, на Земле, у вашей волновой функции происходит коллапс, а значит, ваша волновая функция где бы то ни было еще исчезает. Если вас это не беспокоит, советуем задуматься. Что-то происходящее здесь мгновенно влияет на происходящее в нескольких световых годах отсюда - а значит, это влияние распространяется со скоростью больше скорости света.

Давайте забудем обо всем этом и просто посмотрим, что говорит нам Бор про кота. Жив или мертв шредингеровский кот? Согласно копенгагенской интерпретации, да.

Серьезно.

Копенгагенская интерпретация говорит нам: «И то и другое с определенной вероятностью. Если мы откроем ящик, то произойдет коллапс волновой функции, и останется только одна возможность, которую мы и пронаблюдаем».

Чушь какая! Что за глупости - думать, будто кот может быть одновременно и живым, и мертвым! Именно это и хотел сказать Шредингер .

Теперь посмотрим с точки зрения квантовой механики на старинную загадку: если дерево падает в лесу, где его никто не слышит, производит ли оно грохот? «Нет,- отвечает копенгагенская интерпретация.- Для начала, оно даже и не падает, пока не появляется наблюдаемых свидетельств того, что это произошло». Какая нелепость - только представьте себе, что такой крупный предмет, как вековое дерево, настолько подвержен влиянию того, наблюдают его или нет. Это правда. Но в чем же разница между деревом и котом? Или котом и ядром атома?

Бор считал, что на ситуацию влияет не просто наблюдение, а осознанное наблюдение. Если бы вместо шредингеровского кота у нас был бы шре- дингеровский аспирант, мы бы практически не сомневались, что более или менее вменяемый аспирант наблюдал бы за системой сам. Почему же так важно, чтобы наблюдателем был именно человек?

С философской точки зрения самая серьезная проблема с копенгагенской интерпретацией выражается одним вопросом: есть ли разница между тем, что знает ученый, и тем, что знает Вселенная?

Здравый смысл подсказывает, что в случае шредингеровского кота разница очень велика. Очевидно, что Вселенная должна «знать», жив кот или мертв, даже если ученый не знает. В некотором смысле копенгагенская интерпретация утверждает, что неважно, знает ли Вселенная о том, жив кот или мертв, до того, как ящик откроют. Это не изменит ничего наблюдаемого.

Здесь чего-то не хватает. С одной стороны, мы уже видели в опыте с двумя щелями, что прямое или косвенное наблюдение электрона способно заставить его перейти из состояния неопределенности к поведению, подобающему частице. Если мы не будем тревожить электрон, глядя на него, он буквально пройдет через обе щели. А «выбирает» только одну он лишь в том случае, если у нас хватает наглости подглядывать за ним.

Если все обстоит именно так, в чем тогда принципиальное отличие шредингеровского кота? Это просто более сложная система, в которую по случаю входит не просто один электрон, но еще и радиоактивный образец, флакон яда и квадрильоны атомов,

составляющих кота. Те из нас, кто придерживается механистического взгляда на Вселенную, сочтут, что это приведет к невозможной ситуации, поскольку на самом деле мы должны посмотреть на вещи гораздо шире.

Поскольку все частицы во Вселенной в той или иной степени взаимодействуют, Вселенная в целом, в том числе и ученые, и их оборудование, есть одна гигантская волновая функция. Если воспринять это утверждение буквально, становится, мягко говоря, не по себе. Это значит, что все наблюдения, ощущения и поступки как таковые суть комбинация более чем одной возможности, просто вероятность одной из них гораздо, гораздо больше вероятности остальных.

Лично нам вероятность такой «вселенной суперпозиции» кажется настолько неприятной, что мы предпочтем жить во вселенной, где реальность формируется под воздействием сознания .

Копенгагенская интерпретация - это объяснение квантовой механики, сформулированное Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом в 1927 году, когда ученые совместно работали в Копенгагене. Бор и Гейзенберг смогли усовершенствовать вероятностную интерпретацию функции, сформулированную М. Борном, и попробовали дать ответ на ряд вопросов, возникновение которых обусловлено корпускулярно-волновым дуализмом. В данной статье будут рассмотрены основные идеи копенгагенской интерпретации квантовой механики, и их влияние на современную физику.

Проблематика

Интерпретациями квантовой механики называли философские воззрения на природу квантовой механики, как теории, которая описывает материальный мир. С их помощью можно было ответить на вопросы о сущности физической реальности, способе ее изучения, характере причинности и детерминизма, а также сущности статистики и ее месте в квантовой механике. Квантовую механику принято считать наиболее резонансной теорией в истории науки, однако консенсуса в ее глубинном понимании до сих пор не существует. Существует ряд интерпретаций квантовой механики, и сегодня мы познакомимся с наиболее популярной из них.

Основные идеи

Как известно, физический мир состоит из квантовых объектов и классических приборов для измерения. Изменение состояния измерительных приборов описывает необратимый статистический процесс изменения характеристик микрообъектов. Когда микрообъект вступает во взаимодействие с атомами измерительного прибора, суперпозиция сводится к одному состоянию, то есть происходит редукция волновой функции измерительного объекта. Уравнение Шредингера не описывает этот результат.

С точки зрения копенгагенской интерпретации, квантовая механика описывает не сами по себе микрообъекты, а их свойства, которые проявляются в макроусловиях, создающихся типичными измерительными приборами при наблюдении. Поведение атомных объектов нельзя отграничить от их взаимодействия с приборами для измерений, которые фиксируют условия происхождения явлений.

Взгляд на квантовую механику

Квантовая механика является статической теорией. Это обусловлено тем, что измерение микрообъекта приводит к изменению его состояния. Так возникает вероятностное описание исходного положения объекта, описываемое волновой функцией. Комплексная - центральное понятие квантовой механики. Волновая функция изменяется до нового измерения. Результат этого измерения зависит от волновой функции, вероятностным образом. Физическим значением обладает лишь квадрат модуля волновой функции, который подтверждает вероятность того, что изучаемый микрообъект находится в определенном месте пространства.

В квантовой механике закон причинности выполняется относительно волновой функции, изменяющейся во времени в зависимости от начальных условий, а не относительно координат скорости частиц, как в классической трактовке механики. Из-за того, что физическим значением наделен только квадрат модуля волновой функции, ее начальные значения нельзя определить в принципе, что приводит к некой невозможности получить точные знания о начальном состоянии системы квантов.

Философская основа

С философской точки зрения, основой копенгагенской интерпретации являются гносеологические принципы:

Наблюдаемости. Его суть состоит в исключении из физической теории тех утверждений, которые нельзя проверить посредством непосредственного наблюдения.
Дополнительности. Предполагает, что волновое и корпускулярное описание объектов микромира дополняют друг друга.
Неопределенности. Говорит о том, что координату микрообъектов и их импульс нельзя определить по отдельности, и с абсолютной точностью.
Статического детерминизма. Предполагает, что теперешнее состояние физической системы определяется ее предыдущими состояниями не однозначно, а лишь с долей вероятности осуществления тенденций изменения, заложенных в прошлом.
Соответствия. Согласно этому принципу, законы квантовой механики преобразуются в законы классической механики, когда есть возможность пренебречь величиной кванта действия.

Преимущества

В квантовой физике сведения об атомных объектах, полученные посредством экспериментальных установок, пребывают в своеобразном соотношении друг с другом. В Вернера Гейзенберга просматривается обратная пропорциональность между неточностями фиксирования кинетических и динамических переменных, определяющих состояние физической системы в классической механике.

Весомым преимуществом копенгагенской интерпретации квантовой механики является тот факт, что она не оперирует детальными высказываниями непосредственно о физически ненаблюдаемых величинах. Кроме того, при минимуме предпосылок она выстраивает понятийную систему, исчерпывающим образом описывающую экспериментальные факты, имеющиеся на данный момент.

Смысл волновой функции

Согласно копенгагенской интерпретации, волновая функция может быть подвластна двум процессам:

Унитарной эволюции, которая описывается уравнением Шредингера.
Измерению.

Касательного первого процесса в научных кругах сомнений не возникло ни у кого, а второй процесс вызвал дискуссии и породил ряд толкований, даже в рамках самой копенгагенской интерпретации сознания. С одной стороны, есть все основания полагать, что волновая функция представляет собой не что иное, как реальный физический объект, и что она претерпевает коллапс во время второго процесса. С другой стороны, волновая функция может выступать не реальной сущностью, а вспомогательным математическим инструментом, единственное предназначение которой состоит в предоставлении возможности рассчитать вероятность. Бор сделал акцент на том, что единственное, что может быть предсказано - это результат физических опытов, поэтому все второстепенные вопросы должны относиться не к точной науке, а к философии. Он исповедовал в своих наработках философскую концепцию позитивизма, требующую, чтобы наука обсуждала только реально измеряемые вещи.

Двухщелевой опыт

В двухщелевом опыте свет, проходящий через две щели, падает на экран, на котором появляются две интерференционные полосы: темная и светлая. Этот процесс объясняется тем, что световые волны могут в одних местах взаимно усиливаться, а в других - взаимно гаситься. С другой стороны, эксперимент иллюстрирует, что свет обладает свойствами потока части, а электроны могут проявлять волновые свойства, давая при этом интерференционную картину.

Можно допустить, что опыт проводится с потоком фотонов (или электронов) настолько низкой интенсивности, что через щели каждый раз проходит только по одной частице. Тем не менее, при сложении точек попадания фотонов на экран, от накладывающихся волн получается такая же несмотря на то, что опыт касается якобы отдельных частиц. Это объясняется тем, что мы живем в «вероятностной» вселенной, в которой каждое будущее событие имеет переделенную степень возможности, а вероятность того, что в следующий момент времени случится нечто абсолютно непредвиденное, довольно мала.

Вопросы

Щелевой опыт ставит такие вопросы:

Каковыми будут правила поведения отдельных частиц? Законы квантовой механики указывают на место экрана, в котором окажутся частицы, статистически. Они позволяют рассчитать местоположение световых полос, в которых, скорее всего, окажется много частиц, и темных полос, куда, вероятно, попадет меньше частиц. Однако законы, которым подчиняется квантовая механика, не могут предсказать, где фактически окажется отдельная частица.
Что происходит с частицей в момент между испусканием и регистрацией? По результатам наблюдений, может создаться впечатление, что частица пребывает во взаимодействии с обеими щелями. Кажется, что это противоречит закономерностям поведения точечной частицы. Тем более что при регистрации частицы она становится точечной.
Под действием чего частица меняет свое поведение со статического на нестатическое, и наоборот? Когда частица проходит сквозь щели, ее поведение обуславливается нелокализованной волновой функцией, одновременно проходящей через обе щели. В момент регистрации частицы она всегда фиксируется как точечная, и никогда не получается размытого волнового пакета.

Ответы

Копенгагенская теория квантовой интерпретации отвечает на поставленные вопросы следующим образом:

Принципиально невозможно устранить вероятностный характер предсказаний квантовой механики. То есть, он не может точно свидетельствовать об ограничении человеческих знаний о каких-либо скрытых переменных. Классическая физика ссылается на вероятность в тех случаях, когда нужно описать процесс типа подбрасывания То есть вероятность заменяет неполное знание. Копенгагенская интерпретация квантовой механики Гейзенберга и Бора напротив, утверждает, что результат измерений в квантовой механике принципиально недетерминирован.
Физика является наукой, изучающей результаты измерительных процессов. Размышлять о том, что происходит в их следствие, неправомерно. Согласно копенгагенской интерпретации, вопросы о том, где была частица до момента ее регистрации, и прочие подобные измышления бессмысленны, а значит, должны быть исключены из размышлений.
Акт измерения приводит к мгновенному коллапсу волновой функции. Следовательно, процесс измерения случайным образом выбирает лишь одну из возможностей, которые допускает волновая функция данного состояния. А чтобы отразить этот выбор, волновая функция должна мгновенно измениться.

Формулировки

Формулировка копенгагенской интерпретации в оригинальном виде породила несколько вариаций. Наиболее распространенная из них основывается на подходе непротиворечивых событий и таком понятии, как квантовая декогеренция. Декогеренция позволяет рассчитать нечеткую границу между макро- и микромирами. Остальные вариации разнятся по степени «реалистичности волнового мира».

Критика

Полноценность квантовой механики (ответ Гейзенберга и Бора на первый вопрос) подверглась сомнению в мысленном эксперименте, проводимом Эйнштейном, Подольским и Розеном (ЭПР-парадокс). Таким образом ученые хотели доказать, что существование скрытых параметров необходимо для того, чтобы теория не приводила к мгновенному и нелокальному «дальнодействию». Однако во время проверки ЭПР-парадокса, которая стала возможной благодаря неравенствам Белла, было доказано, что квантовая механика верна, и различные теории скрытых параметров не имеют экспериментального подтверждения.

Но наиболее проблематичным стал ответ Гейзенберга и Бора на третий вопрос, который ставил измерительные процессы в особое положение, но не определял наличие в них отличительных черт.

Многие ученые, как физики, так и философы, наотрез отказывались принимать копенгагенскую интерпретацию квантовой физики. Первая тому причина заключалась в том, что толкование Гейзенберга и Бора было не детерминистическим. А вторая - в том, что оно вводило неопределенное понятие измерения, которое превращало вероятностные функции в достоверные результаты.

Эйнштейн был уверен, что описание физической реальности, даваемое квантовой механикой в толковании Гейзенберга и Бора, неполноценно. По словам Эйнштейна, он находил долю логики в копенгагенской интерпретации, но его научные инстинкты отказывались ее принимать. Поэтому Эйнштейн не мог отказаться от поисков более полной концепции.

В своем письме Борну Эйнштейн говорил: «Я уверен, что Бог не бросает кости!». Нильс Бор, комментируя эту фразу, сказал Эйнштейну, чтобы тот не указывал Богу, что делать. А в своем разговоре с Абрахамом Пайсом Эйнштейн восклицал: «Вы и впрямь думаете, что Луна существует только тогда, когда Вы на нее смотрите?».

Придумал мысленный эксперимент с котом, посредством которого он хотел продемонстрировать неполноценность квантовой механики во время перехода от субатомных систем к микроскопическим. Вместе с тем, проблемным считался необходимый коллапс волновой функции в пространстве. Согласно теории относительности Эйнштейна, мгновенность и одновременность имеют смысл лишь для наблюдателя, находящегося в одной системе отсчета. Таким образом, не существует времени, которое могло бы стать единым для всех, а значит, мгновенный коллапс не может быть определен.

Распространение

Неофициальный опрос, проведенный в научных кругах в 1997 году, показал, что доминирующая ранее копенгагенская интерпретация, кратко рассмотренная выше, поддерживается менее чем половиной респондентов. Тем не менее, у нее больше приверженцев, нежели у других интерпретаций по отдельности.

Альтернатива

Многим физикам более близка другая интерпретация квантовой механики, которая получила название «никакая». Суть этого толкования исчерпывающе выражается в изречении Дэвида Мермина: «Заткнись и вычисляй!», которое часто приписывают или Полю Дираку.

Копенгагенская интерпретация квантовой теории далеко увела физиков от простых материалистических воззрений, господствующих в естествознании XIX столетия. Так как эти воззрения были не только самым тесным образом связаны с естествознанием того времени, но и очень обстоятельно проанализированы в некоторых философских системах и благодаря этому очень глубоко проникли в само мышление человечества, то вполне понятно, что было предпринято много попыток подвергнуть копенгагенскую интерпретацию критике и заменить ее другой, более соответствующей представлениям классической физики и материалистической философии.

Эти попытки предпринимаются с позиций, которые можно разделить на три различные группы. Представители первой группы хотя и принимают полностью копенгагенскую интерпретацию экспериментов, по крайней мере поскольку это касается экспериментов, проведенных до настоящего времени, но не удовлетворены используемым при этом языком, т. е. лежащей в основе ее философией, и заменяют ее другой. Другими словами; они пытаются изменить философию, не меняя при этом физики. В некоторых работах представителей этой первой группы согласие с копенгагенской интерпретацией ограничивается экспериментальными предсказаниями этой интерпретации относительно всех экспериментов, которые были до сих пор проведены или которые только имеют отношение к обычной физике электронов.

Представители второй группы ясно представляют себе, что копенгагенская интерпретация является единственно приемлемым истолкованием, если экспериментальные данные действительно повсюду согласуются с предсказаниями этой интерпретации. Поэтому в работах этой группы делаются попытки в определенных критических пунктах изменить квантовую теорию. Наконец, представители третьей группы просто выражают свою общую неудовлетворенность квантовой теорией, не выдвигая при этом определенных контрпредложений, будь они физического или философского характера. К представителям этой группы можно причислить Эйнштейна, Лауэ и Шредингера. Исторически возражения против копенгагенской интерпретации выдвигались прежде всего этой группой.

Все оппоненты квантовой теории едины, однако, в одном пункте. Было бы желательно, по их мнению, возвратиться к представлению о реальности, свойственному классической физике, или, говоря на более общем философском языке, к онтологии материализма, то есть к представлению об объективном, реальном мире, мельчайшие части которого существуют столь же объективным образом, что и камни и деревья, независимо от того, наблюдаем мы их или нет.

Но, как разъяснено в одной из предыдущих глав, это невозможно или, во всяком случае, вследствие природы атомных явлений, возможно не полностью. Нашей задачей не может являться высказывание пожеланий относительно того, какими должны быть, собственно говоря, атомные явления. Нашей задачей может быть только понимание их.

Когда разбирают работы представителей первой группы, то важно с самого начала иметь в виду, что толкования, содержащиеся в этих работах, не могут быть опровергнуты экспериментом, так как они ведь только повторяют копенгагенскую интерпретацию на другом языке. Со строго позитивистской точки зрения можно было бы даже сказать, что здесь мы имеем дело совсем не с контрпредложениями, выдвинутыми против копенгагенской интерпретации, а с их точным повторением на другом языке. Поэтому можно только спорить о целесообразности этого языка. Эта группа контрпредложений использует идею «скрытых параметров». Так как законы квантовой теории предсказывают результаты эксперимента, вообще говоря, только статистически, то, основываясь на классической точке зрения, можно было бы предположить, что существуют скрытые параметры, которые, будучи ненаблюдаемы в любом обычном эксперименте, в действительности определяют результат эксперимента, как это всегда считалось ранее в соответствии с принципом причинности. Поэтому в некоторых работах была предпринята попытка изобрести такие параметры внутри рамок квантовой механики.

В этом плане выдвинул, например, свои контрпредложения против копенгагенской интерпретации Бом, идеи которого недавно были до некоторой степени поддержаны также де Бройлем 10 . Интерпретация Бома разработана вплоть до деталей. Поэтому она может служить здесь основой обсуждения. Бом рассматривает частицы как объективно существующие структуры, подобно материальным точкам классической механики. Волны в конфигурационном пространстве являются в его интерпретации также «объективно существующими», подобно электрическим полям. Правда, конфигурационное пространство представляет собой пространство многих измерений, относящихся к различным координатам всех принадлежащих систем частиц. В связи с этим возникает первая трудность: что имеют в виду, когда называют волны в конфигурационном пространстве «реально существующими»? Конфигурационное пространство представляет собой очень абстрактное пространство. Слово же «реальное» происходит от латинского слова «res» и означает «предмет», «вещь». Но вещи существуют в обычном, трехмерном, а не в абстрактном конфигурационном пространстве. Рассмотрение волн в конфигурационном пространстве в качестве объективных имело бы оправдание лишь в том случае, если бы мы этим рассмотрением хотели сказать, что эти волны не зависят от наблюдателя. Но все же их вряд ли можно назвать действительно существующими, или реальными, если мы только не хотим произвольно менять значение слов. Бом определяет затем линии, пересекающие поверхности постоянной фазы под прямым углом, как возможные траектории частиц. Какая из этих линий окажется действительной траекторией частицы, зависит, по мнению Бора, от истории системы и свойств измерительного прибора, и решить этот вопрос, не зная о системе и измерительном приборе больше того, что фактически может быть известно, нельзя. Эта история (системы и прибора) фактически содержит в таком случае «скрытые параметры», а именно реальную траекторию электрона до того, как эксперимент начался.

Одним из следствий этой интерпретации, как подчеркнул Паули, является то, что электроны многих атомов в стационарном состоянии должны покоиться, что они, стало быть, не должны совершать никаких движений по орбитам вокруг атомного ядра. Это кажется на первый взгляд противоречащим эксперименту, так как измерения скоростей электронов в основном состоянии (например, с помощью Комптон‑эффекта) всегда дают в итоге некоторое распределение электронов основного состояния по скоростям, которое в соответствии с правилами квантовой механики дается квадратом волновой функции в пространстве скоростей (импульсов). В этом случае, однако, Бом может ответить, что измерение не подлежит больше рассмотрению на основании прежних законов. Поэтому хотя при обычной оценке результата измерения в качестве распределения по скоростям будет получаться квадрат волновой функции в пространстве скоростей (импульсов), но если при рассмотрении измерительной аппаратуры принимать во внимание квантовую теорию и особенно введенные Бором ad hoc квантово‑механические потенциалы, то вывод – в действительности электроны в стационарном состоянии всегда покоятся – был бы все‑таки допустим. Этому соответствует тот факт, что введенные Бором в этой связи квантовые потенциалы имеют очень странные свойства; например, они отличны от нуля на любом сколь угодно большом расстоянии. Такой ценой Бом надеется получить возможность утверждать: «Для нас нет необходимости отказываться в области квантовой теории от точного, рационального и объективного описания индивидуальных систем». Но такое объективное описание разоблачает себя при этом как разновидность идеологической надстройки, только в очень малой степени связанной с непосредственной физической реальностью. Ибо ведь скрытые параметры в интерпретации Бора таковы, что они никогда не могут встретиться в описании реальных процессов, поскольку квантовая теория остается неизменной.

Чтобы избежать этой трудности, Бор высказал надежду, что в будущих экспериментах (например, на расстояниях, меньших 10 –13 см) скрытые параметры все‑таки еще будут иметь физический смысл и тем самым квантовая теория может оказаться ложной. Бор по поводу высказывания таких надежд обычно говорит, что по структуре они подобны приблизительно такому утверждению: «Можно надеяться, что впоследствии окажется, что в некоторых случаях 2 X 2 = 5, ибо это было бы выгодно для наших финансов». На самом деле исполнение надежд Бора лишило бы почвы не только квантовую механику, но тем самым и интерпретацию Бора. Конечно, в то же время необходимо подчеркнуть, что приведенная аналогия, хотя она и представляется полной, не является с точки зрения логики неотразимым аргументом против возможного будущего изменения квантовой теории в предлагаемом Бором направлении. Ибо в принципе можно себе представить, что, например, последующее развитие математической логики может придать определенный смысл утверждению, что в исключительных случаях 2X2 может быть равно 5 и что в таком случае эта обобщенная математика, возможно, даже будет использоваться для вычислений в области экономики. И все же на основании фактов, не прибегая даже к убедительным логическим аргументам, мы убеждены, что такие изменения в математике ничем не смогут помочь нашим финансам. Поэтому непонятно и то, как могут быть применены для описания физических явлений те математические идеи, на которые Бом указывает как на возможное осуществление своих надежд.

Если отвлечься от этого возможного изменения квантовой теории, то язык Бома, как уже отмечалось, не говорит в отношении физики ничего иного, чем язык копенгагенской интерпретации. В таком случае остается только вопрос о целесообразности этого языка. Наряду с тем, что мы уже отмечали о траекториях частиц, когда рассматривали эти рассуждения как ненужную идеологическую надстройку, следует также отметить, что язык Бома разрушает присущую квантовой теории симметрию координат и скоростей, или, точнее говоря, координат и импульсов. Так как свойства симметрии всегда имеют отношение к сокровеннейшей физической сущности теории, то остается непонятным, что мы выиграем от устранения их в соответствующем языке.

Подобное же возражение в несколько другой форме можно привести и против статистической интерпретации Боппа и несколько отличной от нее интерпретации Феньеша. Бопп принимает в качестве основного квантово‑механического процесса возникновение и уничтожение частиц, которые являются реальными в классическом смысле слова, а именно в смысле материалистической онтологии, и законы квантовой механики рассматриваются как особый случай корреляционной статистики, которая здесь применяется к процессам возникновения и порождения частиц. Такая интерпретация может быть проведена, как показал Бопп, без противоречий, и она проливает свет на интересные связи между квантовой теорией и корреляционной статистикой. С физической точки зрения она ведет к тем же самым выводам, что и копенгагенская интерпретация. В позитивистском смысле она, следовательно, опять же изоморфна этой интерпретации, так же как и интерпретация Бома. Однако в ее языке нарушается симметрия волн и частиц, являющаяся обычно особенно характерной чертой математической схемы квантовой теории. Уже в 1928 г. Иордан, Клейн и Вигнер показали, что эта математическая схема может быть истолкована не только как квантование движения частиц, но и как квантование трехмерных материальных волн. Нет, следовательно, основания считать волны материи менее реальными, чем частицы. Симметрия волн и частиц могла бы в интерпретации Боппа сохраниться, пожалуй, в том случае, если бы соответствующая корреляционная статистика была развита и в применении к материальным волнам в пространстве и времени и если бы, таким образом, можно было оставить открытым вопрос о том, частицы или волны следует считать настоящей реальностью.

Предположение о реальном в смысле материалистической онтологии существовании частиц всегда необходимо ведет к попыткам считать, что по крайней мере в принципе возможны отклонения от соотношения неопределенностей. Например, Феньеш утверждает, что существование соотношения неопределенностей, которое он также связывает с определенными статистическими соотношениями, никоим образом не исключает возможность одновременного и сколь угодно точного измерения координат и скорости. Однако Феньеш не указывает, как такие измерения должны практически выглядеть, и поэтому его соображения, по‑видимому, остаются абстрактно‑математическими.

Вейцель, предложения которого родственны предложениям Бома и Феньеша, связывает искомые скрытые параметры с новым, придуманным ad hoc сортом частиц, зеронами, которые никаким способом невозможно наблюдать. Представление такого рода таит в себе опасность, что взаимодействие реальных частиц с зеронами приведет к рассеянию энергии по большому числу степеней свободы поля зеронов, так что вся термодинамика превратится в хаос. Вейцель не объяснил, как он сможет преодолеть эту опасность.

Точку зрения, из которой исходили в критике копенгагенской интерпретации все группы рассмотренных до сих пор физиков, вероятно, можно лучше всего охарактеризовать, если вспомнить дискуссию, посвященную специальной теории относительности. Те, кто не был удовлетворен устранением Эйнштейном абсолютного пространства и абсолютного времени, могли аргументировать примерно следующим образом. Специальная теория относительности никоим образом не доказала, что не существует абсолютное пространство и абсолютное время. Она только показала, что истинное пространство и истинное время во всех обычных экспериментах себя не проявляют. Но если правильно учесть соответствующие законы природы и таким образом ввести для движущихся систем координат правильные кажущиеся времена, то ничто не будет говорить против предположения об абсолютном пространстве. Было бы даже правдоподобно предположить, что центр тяжести нашей Галактики (по крайней мере приближенно) покоится в абсолютном пространстве. Критик специальной теории относительности мог еще добавить, что можно надеяться, что в будущем измерения сделают определение абсолютного пространства, так сказать «скрытого параметра» теории относительности, возможным и тем самым теория относительности будет опровергнута.

Эту аргументацию нельзя, как это сразу видно, опровергнуть экспериментально, так как при этом не делается никаких утверждений, отличающихся от утверждений специальной теории относительности. Но такая интерпретация теории относительности нарушала бы, по крайней мере на применяемом языке, как раз важнейшее свойство симметрии теории относительности, а именно инвариантность относительно преобразований Лоренца, и поэтому ее следует считать неприемлемой.

Аналогия обсуждений специальной теории относительности с обсуждениями квантовой теории очевидна. Законы квантовой механики таковы, что введенные ad hoc скрытые параметры никогда нельзя будет наблюдать. Кроме того, важнейшие свойства симметрии были бы нарушены, если бы мы ввели в интерпретацию теории скрытые параметры в качестве фиктивных величин.

Возражения, которые содержатся в работах Блохинцева и Александрова, по самой постановке довольно отличны от обсужденных выше. Эти возражения с самого начала ограничиваются исключительно философской стороной вопроса. В физическом плане Блохинцев и Александров без всяких оговорок соглашаются с копенгагенской интерпретацией. Тем более резкими оказываются внешние формы полемики: «Среди самых разнообразных идеалистических направлений в современной физике так называемая «копенгагенская школа» – наиболее реакционная. Разоблачению идеалистических и агностических спекуляций этой школы вокруг коренных проблем квантовой механики и посвящена данная статья», – пишет Блохинцев во введении к одной из своих статей. Резкость полемики показывает, что здесь идет речь не только о науке, но и о веровании. Цель критики высказана в заключение статьи цитатой из сочинения Ленина: «Как ни диковинно с точки зрения «здравого смысла» превращение невесомого эфира в весомую материю и обратно, как ни «странно» отсутствие у электрона всякой иной массы, кроме электромагнитной, как ни необычно ограничение механических законов движения одной только областью явлений природы и подчинение их более глубоким законам электромагнитных явлений и т. д. – все это только лишнее подтверждение диалектического материализма». Хотя, стало быть, предпосылки работ Блохинцева и Александрова лежат вне области естествознания, все же обсуждение их аргументов весьма поучительно.

В данном случае главная задача заключается в спасении материалистической онтологии, поэтому атакам подвергается прежде всего введение в интерпретацию квантовой теории наблюдателя. Александров пишет: «Поэтому под результатом измерения в квантовой механике нужно понимать объективный эффект взаимодействия электрона с подходящим объектом. Разговоры о наблюдателе нужно исключить и иметь дело с объективными условиями и объективными эффектами, физическая величина есть объективная характеристика явления, а не результат наблюдения». Волновая функция характеризует, согласно Александрову, объективное состояние электрона.

В своем изложении Александров упускает, что взаимодействие системы с измерительным прибором в том случае, когда прибор и система считаются изолированными от остального мира и в целом рассматриваются в соответствии с квантовой механикой, как правило, не ведет к определенному результату (например, к почернению фотопластинки в определенной точке). Когда против этих заключений выдвигают утверждение: «Но в действительности пластинка после взаимодействия все‑таки почернела в определенном месте», то тем самым от квантово‑механического рассмотрения изолированной системы, состоящей из электрона и пластинки, отказываются. В этом заключается фактический характер события, которое может быть описано с помощью понятий повседневной жизни, в математическом формализме квантовой теории непосредственно не содержится и в копенгагенскую интерпретацию входит благодаря введению представления о наблюдателе. Конечно, не следует понимать введение наблюдателя неправильно, в смысле внесения в описание природы каких‑то субъективных черт. Наблюдатель выполняет скорее функции регистрирующего «устройства», то есть регистрирует процессы в пространстве и времени; причем дело не в том, является ли наблюдатель аппаратом или живым существом; но регистрация, то есть переход от возможного к действительному, в данном случае, безусловно, необходима и не может быть исключена из интерпретации квантовой теории. В этом пункте квантовая теория самым тесным образом связана с термодинамикой, поскольку всякий акт наблюдения по всей своей природе является необратимым процессом. Только посредством таких необратимых процессов формализм квантовой теории может быть непротиворечивым образом связан с действительными процессами в пространстве и времени. С другой стороны, необратимость, если ее снова перевести на язык математического изображения событий, является следствием неполноты знаний, которые наблюдатель имеет о системе, и поэтому не является все‑таки чем‑то вполне объективным.

Формулировки Блохинцева несколько иные, чем Александрова. «В квантовой механике состояние частицы характеризуется действительно не «само по себе», а принадлежностью частицы тому или иному ансамблю (смешанному или чистому). Эта принадлежность имеет совершенно объективный характер и не зависит от сведений наблюдателя». Такие формулировки уводят на самом деле уж очень далеко (даже слишком далеко) от онтологии материализма. Дело в том, что, например, в классической термодинамике положение иное. При определении температуры системы наблюдатель подразумевает, что система представляет собой только один образец, выбранный из канонического ансамбля, и он, следовательно, может считать, что система, по‑видимому, обладает различными энергиями. Однако в действительности система имеет в классической физике в определенный момент времени только определенное значение энергии, все другие значения не реализуются. Наблюдатель, следовательно, впадет в ошибку, если будет считать возможным, что в данный момент существует другое значение энергии. Отсюда канонический ансамбль содержит высказывания не только о самой системе, но и о неполноте сведений наблюдателя о системе. Когда Блохинцев пытается в квантовой теории считать принадлежность системы к ансамблю чем‑то вполне объективным, он употребляет слово «объективный» в смысле, отличающемся от употребления его в классической физике, ибо в ней эта принадлежность означает, как уже было отмечено, высказывание не только о системе, но и о степени знания системы наблюдателем. При рассмотрении квантовой теории необходимо кратко упомянуть об одном исключении. Если ансамбль характеризуется в квантовой теории только единственной волновой функцией в конфигурационном пространстве (а не как обычно – статистической матрицей), то создается особая ситуация (так называемый «чистый случай»), в котором описание может быть названо в известном смысле объективным и в котором элемент неполного знания непосредственно не обнаруживается. Но так как всякое измерение (из‑за связанных с ним необратимых процессов) снова вводит потом элемент неполного знания, то и эта ситуация «чистого случая» все‑таки не отличается принципиально от другого, ранее обсужденного более общего случая.

Из всего рассмотренного выше прежде всего видно, как трудно втиснуть новые идеи в старую систему понятий предшествующей философии, или, употребляя старинное выражение, как трудно наполнить новым вином старые меха. Такие попытки всегда неприятны, потому что заставляют снова и снова заниматься латанием неизбежных дыр в старых мехах, вместо того чтобы наслаждаться новым вином. С точки зрения здравого смысла нельзя ожидать, что мыслители, создавшие диалектический материализм более ста лет назад, могли предвидеть развитие квантовой теории. Их представления о материи и реальности не могут быть приспособлены к результатам нашей сегодняшней утонченной экспериментальной техники.

Здесь, пожалуй, следует сделать дополнительно несколько замечаний о позиции естествоиспытателя в отношении определенного мировоззрения. При этом безразлично, о религиозном или политическом мировоззрении идет речь. Принципиальное различие религиозного и политического мировоззрений, заключающееся в том, что последнее имеет отношение к непосредственной материальной реальности мира вокруг нас, в то время как первое имеет объектом другую реальность, лежащую по ту сторону материального мира, в данной постановке проблемы несущественно. Здесь следует обсудить проблему самой веры. Из того, что было до сих пор сказано, следует вывод, что ученый никогда не должен полагаться на какое‑то единственное учение, никогда не должен ограничивать методы своего мышления одной‑единственной философией. Ученый должен быть готов к тому, что благодаря новым экспериментальным данным могут быть изменены и самые основы его знания. Но это требование по двум соображениям снова представляло бы собой слишком большое упрощение нашего положения в жизни.

Первое соображение состоит в том, что весь образ нашего мышления формируется в нашей юности, благодаря тем идеям, с которыми мы в это время сталкиваемся, или благодаря тому, что мы вступаем в контакт с выдающимися личностями, у которых мы учимся. Этот образ мышления будет оказывать решающее влияние на всю нашу последующую работу, и вследствие этого вполне возможны затруднения в процессе приспособления к совершенно другим идеям и системам мышления. Второе соображение состоит в том, что мы всегда принадлежим некоему обществу или общности. Эту общность связывают воедино общие идеи, общий критерий моральных ценностей или общий язык, на котором говорят о всеобщих проблемах жизни. Эти общие идеи могут поддерживаться авторитетом церкви, партии или государства, и даже если это не будет иметь место, все равно очень трудно отойти от общепринятых идей, не противопоставляя себя обществу. Но результаты научных размышлений могут противоречить некоторым из общепринятых идей. Без сомнения, было бы неразумно требовать, чтобы ученый вообще не был лояльным членом общества, чтобы он принципиально отказался от всех благ, которые можно получить, принадлежа коллективу, и было бы столь же неразумно желать, чтобы общие идеи коллектива или общества, которые с научной точки зрения всегда необходимо являются упрощением, следует менять сразу же вслед за очередным успехом научного познания, что эти общие идеи должны быть, следовательно, такими же изменчивыми, как и научные теории. Поэтому и в наше время мы снова приходим к старой проблеме двойственности истины, которая неоднократно возникала в истории христианской религии в эпоху позднего средневековья. В то время появилось весьма спорное учение о том, что положительная религия независимо от того, какую форму она может принять, является для огромного большинства людей потребностью, в то время как ученый ищет собственно истину по ту сторону религии и может найти ее только там.

Наука является эзотерическим учением, – так было сказано, – она предназначена только для немногих. В наше время функции положительной религии в некоторых странах взяли на себя политические учения и общественные организации, но проблема, в сущности, осталась той же. Первым требованием в отношении ученого должно всегда оставаться требование интеллектуальной честности, в то время как общество часто будет просить ученого, вследствие изменчивости науки, подождать по крайней мере несколько десятилетий, прежде чем публично высказывать свое расходящееся с общепринятым мнение. Простого решения этой проблемы – если одной терпимости недостаточно, – вероятно, нет. Но, пожалуй, можно находить некоторое утешение в том факте, что здесь речь идет, несомненно, о довольно старой проблеме, относящейся к жизни человека во все времена.

Теперь снова возвратимся к контрпредложениям копенгагенской интерпретации квантовой теории и рассмотрим при этом контрпредложения представителей второй группы. В этих контрпредложениях попытка построения иной философской интерпретации связана даже со стремлением изменить квантовую теорию. Добросовестная попытка в этом направлении предпринята Яноши, который осознал, что предположение о строгой справедливости квантовой механики заставляет нас отойти от представлений о реальности классической физики. Он поэтому пытается так изменить квантовую механику, чтобы многие ее результаты оставались в силе, но ее структура приближалась к структуре классической физики. Направлением своей атаки он избрал так называемую редукцию волнового пакета, то есть тот факт, что описывающая систему волновая функция в момент, когда наблюдателю становится известным результат наблюдения, меняется скачком. Яноши констатирует, что эта редукция не может быть выведена из уравнения Шредингера, и полагает, что отсюда можно заключить о наличии непоследовательности «ортодоксальной» интерпретации. Как известно, редукция волнового пакета появляется в копенгагенской интерпретации всегда в тех случаях (на языке формализма – всегда для «статистической смеси» состояний), когда завершается переход от возможного к действительному, то есть когда действительное выбирается из возможного, что, согласно обычному описанию, делает наблюдатель. В основе этого лежит предположение, что интерференционные члены частично погашаются вследствие неконтролируемых взаимодействий измерительного прибора с системой и остальным миром (на языке формализма – взаимодействие «приготовляет» смесь). Яноши пытается в этом пункте, вводя затухание, так изменить квантовую механику, чтобы интерференционные члены по истечении конечного времени исчезали сами по себе. Даже если бы это соответствовало действительности, – а все проведенные доныне эксперименты не дают для этого никаких оснований, – то при такой интерпретации, как отмечает сам Яноши, остался бы еще ряд нежелательных следствий (например, волны, распространяющиеся быстрее скорости света, изменение временной последовательности причины и следствия для движущегося наблюдателя, то есть выделение определенных систем отсчета и т. д.). Поэтому мы вряд ли согласимся пожертвовать простотой квантовой теории ради такого рода представлений, пока нас не принудит к этому эксперимент.

Среди других оппонентов «ортодоксальной» интерпретации квантовой теории Шредингер занимает в определенном смысле исключительную позицию, поскольку он хотел бы приписывать объективную реальность не частицам, а волнам и не согласен интерпретировать волны только как волны вероятности. В своей работе «Существуют ли квантовые скачки?» он пытается вообще отвергнуть квантовые скачки. Но в работе Шредингера прежде всего содержится некоторое непонимание обычной интерпретации. Он упускает из виду, что волнами вероятности в обычной интерпретации являются только волны в конфигурационном пространстве – то, что на языке математики можно назвать матрицами преобразования, – а не трехмерные волны материи или излучения. Последние объективно реальны в столь же большой и в столь же малой степени, что и частицы, хотя они не имеют непосредственно никакого отношения к волнам вероятности, но обладают, подобно максвелловскому полю, непрерывной плотностью энергии и импульса. Конечно, Шредингер правильно подчеркивает, что эти процессы можно считать более непрерывными, чем это делается в большинстве случаев. Однако Шредингер не может этим устранить из мира элемент прерывности, который в атомной физике обнаруживается повсюду, например очень наглядно – на сцинтилляционном экране. В обычной интерпретации квантовой теории этот элемент содержится в переходе от возможного к действительному. Сам Шредингер не делает никаких контрпредложений относительно того, как он представляет себе, например, введение всюду наблюдаемого элемента прерывности иначе, чем это делается в обычной интерпретации.

Наконец, критика, которая содержится в различных работах Эйнштейна, Лауэ и других, сосредоточивается вокруг вопроса о том, дает ли копенгагенская интерпретация возможность однозначного, объективного описания физических фактов. Ее наиболее важные аргументы могут быть выражены примерно в следующей форме. Математическая схема квантовой теории кажется вполне достаточным описанием статистики атомных явлений. Но, даже если ее утверждения относительно вероятностей атомных процессов вполне правильны, эта интерпретация все‑таки не дает никакого описания того, что происходит на самом деле, независимо от наблюдений или между нашими наблюдениями. Что‑нибудь должно ведь, однако, происходить – в этом мы можем не сомневаться. Это «что‑нибудь», может быть, и нельзя описать с помощью понятий электрона, или волны, или светового кванта, но, поскольку оно не описывается каким‑либо образом, задача физики еще не выполнена. Нельзя допустить, что квантовая физика относится только к акту наблюдения. Физик должен предполагать в своей науке, что он изучает мир, который создал не он сам и который существовал бы также и без него и в основном точно таким же. Поэтому копенгагенская интерпретация не дает никакого действительного понимания атомных процессов.

Легко видеть, что эта критика требует просто возврата к старой материалистической онтологии. Что же можно ответить на эту критику с точки зрения копенгагенской интерпретации?

Можно сказать, что физика является частью естествознания и в этом качестве должна стремиться к описанию и пониманию природы. Однако понимание любого рода, будь оно научным или нет, зависит от нашего языка, от того, что мы можем передавать наши мысли. Всякое описание явлений, опытов и их результатов также основывается на языке как на единственном средстве понимания. Слова этого языка выражают понятия повседневной жизни, которые в научном языке физики могут быть уточнены до понятий классической физики. Эти понятия представляют собой единственное средство однозначной передачи сообщений о процессах, расположении приборов в опытах и их результатах. Поэтому когда физика‑атомника просят дать описание того, что реально происходит в его опытах, то слова «описание», «реальность» и «происходит» могут относиться только к понятиям повседневной жизни или классической физики. Как только физик попытался бы отказаться от этой базы, он потерял бы возможность однозначно объясняться и не смог бы развивать свою науку далее. Поэтому всякое высказывание о том, что на самом деле происходит или произошло, является высказыванием, использующим понятия классической физики. Оно по самой своей природе вследствие законов термодинамики и соотношения неопределенностей оказывается неполным в отношении тех деталей атомных процессов, о которых в данном случае идет речь. Требование, что следует описывать и то, что в квантово‑механическом процессе происходит в промежутке между двумя следующими друг за другом наблюдениями, является contradictio in adjecto, так как слово «описывать» имеет отношение только к применению классических понятий, тогда как эти понятия не могут быть применены в промежутках между двумя наблюдениями. Они могут применяться только в момент наблюдения.

Необходимо также подчеркнуть, что копенгагенская интерпретация квантовой теории никоим образом не является позитивистской. В то время как позитивизм исходит из чувственных восприятий элементов бытия, копенгагенская интерпретация рассматривает описываемые в классических понятиях объекты и процессы, то есть фактическое, в качестве основы всякого физического объяснения. Вместе с тем признается также, что статистичность природы законов микрофизики устранена быть не может, так как всякое знание «фактического» в силу квантово‑механических законов природы является знанием неполным.

Онтология материализма основывалась на иллюзии, что в атомную область можно экстраполировать способ существования, непосредственно данное окружающего нас мира. Но эта экстраполяция невозможна.

Можно было бы добавить еще некоторые замечания относительно формальной структуры контрпредложений в отношении копенгагенской интерпретации. Все выдвинутые до сих пор контрпредложения в отношении копенгагенской интерпретации заставляют жертвовать существенными свойствами симметрии квантовой теории. Поэтому вполне можно предположить, что копенгагенская интерпретация является необходимой, если эти свойства симметрии, подобно свойству инвариантности относительно преобразований Лоренца, считать существенными свойствами природы. В пользу этого говорят и все проведенные до сих пор эксперименты.

Копенга́генская интерпрета́ция - интерпретация (толкование) квантовой механики , которую сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг во время совместной работы в Копенгагене около 1927 года . Бор и Гейзенберг усовершенствовали вероятностную интерпретацию волновой функции , данную М. Борном , и попытались ответить на ряд вопросов, возникающих вследствие свойственного квантовой механике корпускулярно-волнового дуализма , в частности на вопрос об измерении .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5
Физический мир состоит из квантовых (малых) объектов и классических измерительных приборов.

Квантовая механика является статистической теорией, вследствие того, что измерение начальных условий микрообъекта изменяет его состояние и приводит к вероятностному описанию исходного положения микрообъекта, которое описывается волновой функцией . Центральным понятием квантовой механики является комплексная волновая функция . Можно описать изменение волновой функции до нового измерения. Его ожидаемый результат зависит вероятностным образом от волновой функции. Физически значимым является лишь квадрат модуля волновой функции, означающий вероятность нахождения изучаемого микрообъекта в некотором месте пространства.
Закон причинности в квантовой механике выполняется по отношению к волновой функции, изменение которой во времени полностью определяется её начальными условиями, а не по отношению к координатам и скоростям частиц, как в классической механике. Вследствие того, что физический смысл имеет лишь квадрат модуля волновой функции, начальные значения волновой функции невозможно полностью найти в принципе, что приводит к неопределённости знаний о начальном состоянии квантовой системы.

…соотношения неопределённостей Гейзенберга…дают связь (обратную пропорциональность) между неточностями допустимого в квантовой механике фиксирования тех кинематических и динамических переменных, которыми в классической механике определяется состояние физической системы.

Серьёзным преимуществом копенгагенской интерпретации является то, что она не использует детальных высказываний о непосредственно физически не наблюдаемых величинах и при минимуме используемых предпосылок выстраивает систему понятий, которые исчерпывающим образом описывают имеющиеся на сегодня экспериментальные факты .

Смысл волновой функции

Копенгагенская интерпретация предполагает, что на волновую функцию могут влиять два процесса:
- унитарная эволюция согласно уравнению Шрёдингера
- процесс измерения
По поводу первого процесса не возникает разногласий ни у кого, а по поводу второго имеется ряд различных интерпретаций, даже в пределах самой копенгагенской интерпретации. С одной стороны, можно полагать, что волновая функция является реальным физическим объектом и что она во время второго процесса претерпевает коллапс , с другой стороны, можно считать, что волновая функция - лишь вспомогательный математический инструмент (а не реальная сущность), единственное предназначение которой - это давать нам возможность рассчитывать вероятности. Бор подчёркивал, что единственное, что можно предсказывать - это результаты физических опытов, поэтому дополнительные вопросы относятся не к науке, а к философии. Бор разделял философскую концепцию позитивизма, которая требует, чтобы наука говорила только о реально измеримых вещах.
Иллюстрируя это, Эйнштейн писал Борну : «Я убеждён, что Бог не бросает кости », - а также восклицал в беседе с Абрахамом Пайсом : «Вы и вправду думаете, что Луна существует лишь когда вы на неё смотрите? ». Н. Бор отвечал ему: «Эйнштейн, не указывайте Богу, что делать». Эрвин Шрёдингер придумал знаменитый мысленный эксперимент про кота Шрёдингера , которым он хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим .
Аналогично вызывает проблемы необходимый «мгновенный» коллапс волновой функции во всём пространстве. Теория относительности Эйнштейна говорит, что мгновенность, одновременность, имеет смысл только для наблюдателей, находящихся в одной системе отсчёта - не существует единого для всех