Альтернативна реальність. Копенгагенська інтерпретація квантової механіки

Фізики з Австрії та США опублікували результати опитування своїх колег щодо того, як вони розуміють квантову механіку. Результати виявилися суперечливими - незважаючи на те, що класична копенгагенська інтерпретація все ще почувається досить бадьоро, до неї поступово підбирається теорія квантової інформації. Гіпотеза багатьох світів здає свої позиції.

Коріння проблеми

Історія квантової механіки починається наприкінці XIX століття, коли статистична фізика зіткнулася з парадоксом, який отримав назву ультрафіолетової катастрофи. Зіткнення це було тим більше несподіваним, що йшлося про, здавалося б, просте фізичне завдання: опис випромінювання, пов'язаного з нагріванням тіла, - метал, камінь або вугілля в каміні. Скажімо, добре відомо, що свічення нагрітого металу зі зростанням температури змінюється від червоного до світло-блакитного. Чому це так?

Виявилося, що вирішення цього завдання зводиться до вивчення випромінювання так званого абсолютно чорного тіла, абстракції, що представляє собою тіло, яке поглинає все випромінювання, що впало на нього. Назва, як виявилося, було обрано досить невдало - наприклад, з достатньою мірою точності абсолютно чорним тілом можна вважати Сонце.

І в цей момент фізики зіткнулися ось з чим: модель випромінювання, яка була у них на руках (так званий закон Релея-Джинса), непогано описувала випромінювання для довгих хвиль, але для коротких не працювала зовсім. Більше того, вона давала неможливий результат: енергія, що випромінюється тілом, дорівнює нескінченності. Цей феномен і отримав ім'я ультрафіолетової катастрофи.

У 1900 році Макс Планк запропонував абсолютно неочевидне пояснення того, що результати експериментів з короткими хвилями суперечать теорії - щоправда, сам термін "ультрафіолетова катастрофа" з'явився лише в 1911 році, а нескінченність енергії була виявлена Релеєм та Джинсом вже після появи планківського пояснення. Планк заявив, що випромінювання випромінюється не безперервно, як вважалося раніше, а порціями (квантами). Енергія кожного кванта виявляється пов'язана із частотою випромінювання простим лінійним законом. На основі цих припущень він вивів свій закон випромінювання, який показав чудове узгодження з експериментальними даними та приніс Планку Нобелівську премію з фізики у 1918 році.

Виявлений закон неможливо було пояснити з погляду фізики того часу, що суворо поділяла дві основні сутності - поля та частки. Виникло нетривіальне і, швидше, філософське питання: якщо фізика описує нашу звичайну дійсність, то яку дійсність описують нові рівняння? Так разом із квантовою механікою (саме з моменту публікації роботи Планка багато хто відраховує історію нової фізичної теорії) постала і проблема інтерпретації квантової механіки.

Спочатку, звичайно, дивність рівнянь Планка не викликала у фізиків особливого хвилювання - їм здавалося, що будівля фізики непорушна, тому дивні рівняння знайдуть пояснення в рамках класичної теорії (самі фізики, звичайно, свою класичну фізику ще не вважали - тим же рівнянням Максвелла не було тоді та 20 років). Більше того, з порційністю фізикам вже доводилося стикатися: ідея існування найменшої неподільної порції електричного заряду, що дорівнює заряду електрона, на той момент була загальновизнаною.

Ситуація з квантами посилилася 1905 року. Справа в тому, що в 90-х роках XIX століття фізики активно вивчали фотоефект - явище випромінювання електронів речовиною під впливом світла. З експериментів їм вдалося встановити кілька емпіричних законів. В 1905 Альберт Ейнштейн запропонував пояснення всім цим законам, поширивши теорію порційного випромінювання Планка на світ. Теорія, що вийшла, знову давала прекрасне узгодження з експериментальними даними і знову не поміщалася в класичну картину світу.

Копенгагенська інтерпретація

Через буквально 20 років науковий світ перебував у стані непримиренного протистояння. Суть розбіжностей зводилася до питання, наскільки добре квантова теорія описує реальність (самі рівняння і те, що вони чудово працюють, ні в кого заперечень викликали). Противники молодої фізики стверджували, що всі ці корпускулярно-хвильові дуалізми (властивості матерії бути частинкою і хвилею одночасно) та інші об'єкти, що суперечать тодішньому здоровому фізичному сенсу, є просто наслідком недосконалості математичного апарату. На боці класиків билися Ейнштейн, Планк, Шредінгер. Останній, до речі, вигадав свого кота саме для того, щоб продемонструвати абсурдність нової теорії.

В 1935 Альберт Ейнштейн, Борис Подільський і Натан Розен опублікували статтю, в якій описали уявний експеримент, який отримав назву парадоксу Ейнштейна-Подільського-Розена. Суть феномена зводилася до того що, що у квантовому світі існує явище заплутаності. Через це у певному випадку вимір стану одного об'єкта дозволяє визначити стан іншого, віддаленого від першого на довільну відстань. При цьому здається, що порушується причинно-наслідковий зв'язок. Цей феномен був запропонований як підтвердження неповноти квантовомеханічного опису світу. Парадокс дозволяється завдяки тому факту, що передачі відомої інформації про другому об'єкті потрібен канал зв'язку, який порушує причинно-наслідковий зв'язок. Пізніше явище заплутаності неодноразово спостерігалося практично.

Адепти ж квантової механіки відстоювали реальність всіх цих загадкових явищ (хоча пізніше стало зрозуміло, що серед цих учених є серйозні розбіжності). У період з 1924 по 1927 Нільс Бор і Вернер Гейзенберг, одні з головних захисників «нової фізики», сформулювали основні положення «реальності» у сенсі квантової механіки. Ці положення були представлені широкому науковому загалу в 1927 році, коли Гейзенберг прочитав серію лекцій в університеті Чикаго про те, що з себе являє квантова механіка. Так на світ з'явилася копенгагенська інтерпретація квантової механіки (і Бор, і Гейзенберг на той час працювали в університеті Копенгагена) - найпоширеніша і найпопулярніша інтерпретація.

Головною відмінністю мікросвіту від звичного нам макросвіту проголошувалась імовірнісна природа процесів, що там відбуваються. Матерія демонструє корпускулярно-хвильовий дуалізм. Основним об'єктом опису системи ставала хвильова функція, яка характеризує амплітуду ймовірності виявити систему у тому чи іншому стані у цій конкретній точці. Згодом хвильова функція еволюціонує, і це еволюція описується так званим рівнянням Шредингера. По суті стану системи виявляються «розмазані» за часом та простором. Традиційно це інтерпретується як перебування квантової системи у кількох станах одночасно.

У разі виміру відбувається колапс хвильової функції одного з класичних станів. Це з тим, що це вимірювальні прилади і всі виміри у фізиці вважаються класичними. З цієї причини, крім іншого, неможливо отримати всю можливу інформацію про систему. Ілюстрацією останнього становища є знаменитий принцип невизначеності Гейзенберга, який стверджує, що добуток невизначеностей при вимірі імпульсу і координати якоїсь механічної системи завжди більше деякого ненульового значення. Зрештою, остання вимога – для досить великих систем квантовий опис наближається до класичного.

Копенгагенська інтерпретація дозволила фізиці змиритися з багатьма парадоксальними результатами спостережень. Наприклад можна розглянути так званий двощілинний досвід. Представимо екран, який відгороджений від джерела світла світлонепроникною поверхнею, в якій прорізано дві щілини. Коли світло проходить через щілини, на екрані виникає послідовність світлих та темних смуг – типова інтерференційна картина. Це з тим, що світло - хвиля і, проходячи через щілини, поділяється на пару хвиль, взаємодіючих між собою. При цьому така картина спостерігається і у разі прольоту одиничних фотонів.

Якщо в обох щілин поставити детектори, які реєструватимуть фотони, що проходять через них, то спрацьовуватиме завжди тільки один з детекторів. Це і є демонстрація корпускулярно-хвильового дуалізму. Більше того, якщо один із детекторів прибрати та не фіксувати проходження фотона, інтерференційна картина на екрані все одно зникає. З погляду копенгагенської інтерпретації це є прямою демонстрацією того, що при вимірі (нехай навіть із негативним результатом) відбувається колапс хвильової функції.

Нові реальності

У XX століття копенгагенська інтерпретація вважалася стандартним поясненням квантової механіки. Ситуація змінилася до кінця століття - у фізиці стали виникати питання, які навіть не спадали на думку класикам. Ось, наприклад, хвильова функція – це що? Зручний інструмент для опису чи якийсь реально існуючий об'єкт? Або, скажімо, як бути з квантовою заплутаністю?

В даний час питання інтерпретації вважається скоріше філософським, ніж фізичним. Відомий фізик Ашер Перес - автор однойменного парадоксу - вважає, що інтерпретації суть не більше ніж набір правил для оперування експериментальними даними, тому єдина вимога, яку можна пред'явити до інтерпретації - щоб ці набори правил були еквівалентні один одному (серед іншого, це пов'язано з тим фактом, що, як говорилося вище, математичний апарат в усіх інтерпретацій абсолютно однаковий).

В даний час крім копенгагенської інтерпретації існує кілька альтернатив, які раніше вважалися трохи божевільними або навіть науково-фантастичними, які з часом впевнено посунули класику. І це крім характерно інструменталістської інтерпретації Девіда Мерміна, вираженої у знаменитому афоризмі «Заткнися і рахуй».

Найпопулярнішою з альтернатив є так звана багатосвітова інтерпретація, що належить Х'ю Еверетту. Примітно, що Еверетт залишив фізику після кількох робіт, у тому числі й через ту критику, на яку наукове співтовариство піддало його погляди. В основі багатосвітової інтерпретації – заперечення реальності колапсу хвильової функції, тобто поділу взаємодій на класичні та квантові.

Для цього Еверетт ввів поняття квантової декогеренції, суть якої досить умовно (намагаючись пояснити формули словами, завжди стикаєшся з деякими неминучими спрощеннями), полягає в тому, що досліджувана система і спостерігач - вимірювальний прилад - виявляються об'єднані в одну величезну (за мірками мікросвіту) систему. Факт цього включення і призводить до відчуття «класичності», що здається, - адже теза про те, що великі системи повинні бути схожі на класичні, цією інтерпретацією не заперечується. У цьому кожен із можливих варіантів включення системи виявляється реалізований. З точки зору двощілинного досвіду, якщо за однією із щілин стоїть детектор, то при підльоті фотона до поверхні з прорізами Всесвіт роздвоюється. В результаті в одній із реальностей спостерігач реєструє фотон, а в іншій – ні. При цьому всі незліченні Всесвіти виявляються частиною якогось глобального квантового світу, який ніколи не втрачає своєї когеренції.

Крім багатосвітової інтерпретації, є ще й інформаційна інтерпретація – точніше, навіть кілька інтерпретацій такого роду. У основі лежить ідея у тому, що з вимірі спостерігач витягує із системи деяку інформацію. Ця інформація, з одного боку, сприймається як результат спостереження, з іншого - змінює саму квантову систему, що вимірюється, оскільки та інформацію втрачає. Ці ідеї мають ідеалістичний характер, оскільки поміщають основою реальності інформацію, а чи не матерію.

Нарешті, останньою інтерпретацією, яку варто згадати (насправді їх набагато більше), це інтерпретація Пенроуза. У ній колапс хвильової функції визнається об'єктивною реальністю, тобто фізичним процесом. Відповідно до цієї теорії, колапс відбувається випадково, а сам спостерігач жодної ролі у цьому процесі не грає.

Розбрід і хитання

У 1997 році відомий фізик і космолог Макс Тегмарк опитав 48 учасників конференції «Фундаментальні проблеми в квантовій теорії», щоб з'ясувати, яка інтерпретація цієї теорії здається їм кращою. Незважаючи на те, що опитування мало загалом неформальний характер, Тегмарк виявив, що багатосвітова інтерпретація квантової механіки поступилася копенгагенською, але не надто (13 голосів проти восьми). Це досить несподіваний результат, зважаючи на те, що свого часу, як говорилося вище, автор теорії багатосвітової інтерпретації Еверетт був змушений піти з науки.

Тепер одразу три фізики з Австрії та США повторили опитування Тегмарка. Місцем його проведення було обрано конференцію «Квантова механіка та природа реальності», яка проходила в липні 2011 року в Австрії. Кожному учаснику з'їзду пропонувалося вибрати із запропонованих відповіді до 16 питань. Самі дослідники визнають, що, як і опитування Тегмарка, їхнє дослідження мало не надто формальний характер. Вченим, наприклад, дозволялося давати одне питання кілька відповідей. Окрім цього у дослідженні взяли участь 33 особи – тобто на 15 менше, ніж у попередньому опитуванні.

Виявилося, що 64 відсотки опитаних упевнені: випадковість – це фундаментальна властивість природи. При цьому 48 відсотків заявили, що до вимірювання якості об'єкта не визначено. Це основні положення саме копенгагенської інтерпретації. Що ж до проблеми виміру - видимого і незворотного колапсу хвильової функції - то думки дуже сильно розділилися. Виявилося, що 27 відсотків опитаних вважають її псевдопроблемою (тобто математичним артефактом), ще 15 відсотків вважають, що поняття декогеренції знімає питання про виміри, 39 відсотків думають, що цю проблему вирішено, і 24 відсотки - що ця проблема становить серйозну труднощі у квантовій. картини світу. У сумі виходить більше 100 відсотків, але саме тому, що можна було давати більше одного варіанта відповіді, а відсотки вважалися як відношення кількості відповідей до кількості учасників, помножену на 100.

Найцікавішими були відповіді на питання про квантову інформацію - виявилося, що 76 відсотків опитаних вважають ідею квантової інформації «ковтком свіжого повітря» для основ квантової механіки. Досить незвичайне зрушення для фізиків, відомих своїм пропаленим матеріалізмом. Ще фізики запитували, коли з'явиться квантовий комп'ютер, і 42 відсотки опитаних заявили, що це відбудеться через 10-25 років.

Що стосується найголовнішого питання: «який інтерпретації дотримуєтеся ви?» - то тут результати були такими. Виявилося, що 42 відсотки підтримують копенгагенську інтерпретацію, 24 відсотки – теорію квантової інформації та лише 18 – багатосвітову інтерпретацію квантової механіки. Ще 9 відсотків дотримуються інтерпретації Пенроуза щодо об'єктивності колапсу хвильової функції.

Замість ув'язнення

Тут, звичайно, слід зробити висновок про несподіване зміцнення позицій класики, яке, судячи з усього, викликане поступовим спадом інтересу до багатосвітової інтерпретації. Також можна було б відзначити популярність квантової інформації, яка, зрозуміло найближчим часом тільки зростатиме - адже багато хто називає цей підхід перспективним.

Робити ці висновки, проте, безглуздо. Схоже, такої ж думки дотримуються і самі вчені - на запитання «Чи через 50 років проводитимуться конференції з основ квантової механіки?» 48 відсотків опитаних відповіли «так» і ще 24 – «хто знає». Справді, хто його знає?

1927 року два засновники квантової механіки - Нільс Бор і Вернер Гейзенберг - сформулювали першу версію так званої копенгагенської інтерпретації квантової механіки. Загалом вона полягає саме в тому, на що ми спиралися весь цей час.

1) система описується виключно своєю хвильовою функцією;

2) хвильова функція показує, що певні виміри суто ймовірнісні;

3) щойно ми робимо вимір, відбувається колапс хвильової функції, і ми залишається конкретне число.

І хоча ми збираємося описати деякі інші точки зору, будь-який фізик, що працює від дзвінка до дзвінка, вважає копенгагенську інтерпретацію загальноприйнятою версією подій, в основному тому, що вона дозволяє нам робити обчислення, не надто замислюючись про те, що все це насправді значить .

Однак навіть серед гарячих прихильників квантової механіки є певні розбіжності щодо того, що насправді говорить копенгагенська інтерпретація. Чи існує насправді хвильова функція? І чи це правда, що реальність системи полягає тільки в тому, що ми спостерігаємо? Особисто нам здається, що це порожні причіпки. Особисто нам набагато ближче версія Девіда Мерміна: «Якби мене змусили викласти суть копенгагенської інтерпретації однією фразою, я відповів би: "Заткнися і вважай!"»

Ближче до справи: як виходить, що те, що ми щось спостерігаємо, призводить до колапсу того, що спостерігається? Взагалі ми й самі складаємося з субатомних частинок, які також підпорядковуються законам квантової механіки. Звідки Всесвіт знає, як перейти зі стану невизначеності до того, як відбувся вимір до визначеності після цього?

У спостереження є наслідки і гірші від колапсу хвильової функції. Згадайте нашу розмову про те, що ваша хвильова функція тягнеться до далеких зірок і, строго кажучи, існує ймовірність, що вас туди спонтанно телепортує? Так от, коли вас спостерігають тут, на Землі, у вашої хвильової функції відбувається колапс, а значить, ваша хвильова функція будь-де ще зникає. Якщо вас це не турбує, радимо замислитись. Щось, що відбувається тут миттєво впливає на те, що відбувається в декількох світлових роках звідси - а значить, цей вплив поширюється зі швидкістю більше швидкості світла.

Давайте забудемо про все це і просто подивимося, що каже нам Бор про кота. Живий чи мертвий шредінгерівський кіт? Відповідно до копенгагенської інтерпретації, так.

Серйозно.

Копенгагенська інтерпретація каже нам: «І те, й інше з певною ймовірністю. Якщо ми відкриємо ящик, то відбудеться колапс хвильової функції, і залишиться лише одна можливість, яку ми й спостерігаємо».

Нісенітниця яка! Що за дурниці - думати, ніби кіт може бути водночас і живим, і мертвим! Саме це й хотів сказати Шредінгер .

Тепер з погляду квантової механіки подивимося на старовинну загадку: якщо дерево падає в лісі, де його ніхто не чує, чи робить воно гуркіт? "Ні, - відповідає копенгагенська інтерпретація. - Для початку, воно навіть і не падає, поки не з'являється свідчень того, що це сталося". Яка безглуздість - тільки уявіть собі, що такий великий предмет, як вікове дерево, настільки схильний до впливу того, спостерігають його чи ні. Це правда. Але в чому ж різниця між деревом та котом? Чи котом та ядром атома?

Бор вважав, що у ситуацію впливає непросто спостереження, а усвідомлене спостереження. Якби замість шредінгерівського кота у нас був би шредінгерівський аспірант, ми б практично не сумнівалися, що більш-менш осудний аспірант спостерігав би за системою сам. Чому ж так важливо, щоб спостерігачем була саме людина?

З філософської точки зору найсерйозніша проблема з копенгагенською інтерпретацією виражається одним питанням: чи є різниця між тим, що знає вчений, і тим, що знає Всесвіт?

Здоровий глузд підказує, що у випадку шредінгерівського кота різниця дуже велика. Очевидно, що Всесвіт повинен знати, живий кіт або мертвий, навіть якщо вчений не знає. У певному сенсі копенгагенська інтерпретація стверджує, що неважливо, чи знає Всесвіт про те, чи живий кіт чи мертвий, до того, як ящик відкриють. Це не змінить нічого, що спостерігається.

Тут чогось не вистачає. З одного боку, ми вже бачили в досвіді з двома щілинами, що пряме або опосередковане спостереження електрона здатне змусити його перейти зі стану невизначеності до поведінки, що відповідає частинці. Якщо ми не турбуватимемо електрон, дивлячись на нього, він буквально пройде через обидві щілини. А «вибирає» лише одну він лише в тому випадку, якщо у нас вистачає нахабства підглядати за ним.

Якщо все саме так, у чому тоді принципова відмінність шредінгерівського кота? Це просто складніша система, в яку з нагоди входить не просто один електрон, але ще й радіоактивний зразок, флакон отрути та квадрильйони атомів,

складових кота. Ті з нас, хто дотримується механістичного погляду на Всесвіт, вважають, що це призведе до неможливої ситуації, оскільки насправді ми маємо подивитися на речі набагато ширші.

Оскільки всі частинки у Всесвіті тією чи іншою мірою взаємодіють, Всесвіт загалом, у тому числі і вчені, та їх обладнання, є одна гігантська хвильова функція. Якщо сприйняти це твердження буквально, стає, м'яко кажучи, ніяково. Це означає, що всі спостереження, відчуття і вчинки як такі є комбінація більш ніж однієї можливості, просто ймовірність однієї з них набагато, набагато більше ймовірності інших.

Особисто нам ймовірність такого «всесвіту суперпозиції» здається настільки неприємною, що ми віддамо перевагу жити у всесвіті, де реальність формується під впливом свідомості .

Копенгагенська інтерпретація - це пояснення квантової механіки, сформульоване Нільсом Бором та Вернером Гейзенбергом у 1927 році, коли вчені спільно працювали в Копенгагені. Бор і Гейзенберг змогли удосконалити ймовірнісну інтерпретацію функції, сформульовану М. Борном, і спробували дати відповідь на низку питань, виникнення яких обумовлено корпускулярно-хвильовим дуалізмом. У цій статті будуть розглянуті основні ідеї копенгагенської інтерпретації квантової механіки та їх вплив на сучасну фізику.

Проблематика

Інтерпретаціями квантової механіки називали філософські погляди на природу квантової механіки як теорії, яка описує матеріальний світ. З їхньою допомогою можна було відповісти на питання про сутність фізичної реальності, спосіб її вивчення, характер причинності та детермінізму, а також сутність статистики та її місце в квантовій механіці. Квантову механіку прийнято вважати найрезонанснішою теорією в історії науки, проте консенсусу в її глибинному розумінні досі не існує. Існує низка інтерпретацій квантової механіки, і сьогодні ми познайомимося з найпопулярнішою з них.

Основні ідеї

Як відомо, фізичний світ складається з квантових об'єктів та класичних приладів для вимірювання. Зміна стану вимірювальних приладів визначає незворотний статистичний процес зміни характеристик мікрооб'єктів. Коли мікрооб'єкт вступає у взаємодію Космосу з атомами вимірювального приладу, суперпозиція зводиться одного стану, тобто відбувається редукція хвильової функції вимірювального об'єкта. Рівняння Шредінгера не визначає цей результат.

З погляду копенгагенської інтерпретації, квантова механіка описує не власними силами мікрооб'єкти, які властивості, що виявляються у макроумовах, створюються типовими вимірювальними приладами під час спостереження. Поведінка атомних об'єктів не можна відмежувати від взаємодії з приладами для вимірювань, які фіксують умови походження явищ.

Погляд на квантову механіку

Квантова механіка є статичною теорією. Це пов'язано з тим, що вимірювання мікрооб'єкта призводить до зміни його стану. Так виникає ймовірнісний опис вихідного положення об'єкта, що описується хвильовою функцією. Комплексна – центральне поняття квантової механіки. Хвильова функція змінюється до виміру. Результат цього виміру залежить від хвильової функції, імовірнісним чином. Фізичним значенням має лише квадрат модуля хвильової функції, який підтверджує ймовірність того, що мікрооб'єкт, що вивчається, знаходиться в певному місці простору.

У квантовій механіці закон причинності виконується щодо хвильової функції, що змінюється у часі залежно від початкових умов, а чи не щодо координат швидкості частинок, як і класичному трактуванні механіки. Через те, що фізичним значенням наділений лише квадрат модуля хвильової функції, її початкові значення не можна визначити в принципі, що призводить до неможливості отримати точні знання про початковий стан системи квантів.

Філософська основа

З філософського погляду, основою копенгагенської інтерпретації є гносеологічні принципи:

Спостережуваність. Його суть полягає у виключенні з фізичної теорії тих тверджень, які не можна перевірити у вигляді безпосереднього спостереження.
Додатковість. Припускає, що хвильовий та корпускулярний опис об'єктів мікросвіту доповнюють один одного.
Невизначеність. Говорить про те, що координату мікрооб'єктів та їхній імпульс не можна визначити окремо, і з абсолютною точністю.
Статичного детермінізму. Припускає, що теперішній стан фізичної системи визначається її попередніми станами не однозначно, а лише з ймовірністю здійснення тенденцій зміни, закладених у минулому.
Відповідності. Відповідно до цього принципу, закони квантової механіки перетворюються на закони класичної механіки, коли є можливість знехтувати величиною кванта дії.

Переваги

У квантовій фізиці відомості про атомні об'єкти, отримані за допомогою експериментальних установок, перебувають у своєрідному співвідношенні один з одним. У Вернера Гейзенберга проглядається зворотна пропорційність між неточностями фіксування кінетичних та динамічних змінних, що визначають стан фізичної системи у класичній механіці.

Вагомою перевагою копенгагенської інтерпретації квантової механіки є той факт, що вона не оперує детальними висловлюваннями безпосередньо про величини, що фізично не спостерігаються. Крім того, при мінімумі передумов вона вибудовує понятійну систему, яка вичерпним чином описує експериментальні факти, наявні на даний момент.

Сенс хвильової функції

Згідно з копенгагенською інтерпретацією, хвильова функція може бути підвладна двом процесам:

Унітарна еволюція, яка описується рівнянням Шредінгера.
Вимірювання.

Щодо першого процесу у наукових колах сумнівів не виникло ні в кого, а другий процес викликав дискусії і породив низку тлумачень, навіть у рамках самої копенгагенської інтерпретації свідомості. З одного боку, є всі підстави вважати, що хвильова функція є не що інше, як реальний фізичний об'єкт, і що вона зазнає колапсу під час другого процесу. З іншого боку, хвильова функція може бути не реальною сутністю, а допоміжним математичним інструментом, єдине призначення якої полягає у наданні можливості розрахувати ймовірність. Бор наголосив на тому, що єдине, що може бути передбачено - це результат фізичних досвідів, тому всі другорядні питання повинні ставитися не до точної науки, а до філософії. Він сповідував у своїх напрацюваннях філософську концепцію позитивізму, яка вимагає, щоб наука обговорювала лише реально вимірювані речі.

Двощілинний досвід

У двощілинному досвіді світло, що проходить через дві щілини, падає на екран, на якому з'являються дві інтерференційні лінії: темна і світла. Цей процес пояснюється тим, що світлові хвилі можуть в одних місцях взаємно посилюватися, а в інших взаємно гаситися. З іншого боку, експеримент ілюструє, що світло має властивості потоку частини, а електрони можуть проявляти хвильові властивості, даючи при цьому інтерференційну картину.

Можна припустити, що досвід проводиться з потоком фотонів (або електронів) настільки низької інтенсивності, що через щілини проходить щоразу тільки по одній частинці. Тим не менш, при складанні точок попадання фотонів на екран, від хвиль, що накладаються, виходить така ж незважаючи на те, що досвід стосується нібито окремих частинок. Це пояснюється тим, що ми живемо в «імовірнісному» всесвіті, в якому кожна майбутня подія має переділений ступінь можливості, а ймовірність того, що наступного часу станеться щось абсолютно непередбачене, досить мала.

Запитання

Щілинний досвід ставить такі питання:

Якими будуть правила поведінки окремих частинок? Закони квантової механіки вказують на місце екрану, в якому опиняться частки, статистично. Вони дозволяють розрахувати місце розташування світлових смуг, в яких, швидше за все, виявиться багато частинок, і темних смуг, куди, ймовірно, потрапить менше частинок. Проте закони, яким підпорядковується квантова механіка, що неспроможні передбачити, де фактично виявиться окрема частка.
Що відбувається з часткою в момент між випромінюванням та реєстрацією? За результатами спостережень, може скластися враження, що частка перебуває у взаємодії з обома щілинами. Здається, що це суперечить закономірностям поведінки точкової частки. Тим більше, що при реєстрації частки вона стає точковою.
Під дією чого частка змінює свою поведінку зі статичної на нестатичну, і навпаки? Коли частка проходить крізь щілини, її поведінка обумовлюється нелокалізованою функцією хвиль, одночасно проходить через обидві щілини. У момент реєстрації частки вона завжди фіксується як точкова і ніколи не виходить розмитого хвильового пакета.

Відповіді

Копенгагенська теорія квантової інтерпретації відповідає на ці запитання наступним чином:

Принципово неможливо усунути імовірнісний характер передбачень квантової механіки. Тобто він не може точно свідчити про обмеження людських знань про якісь приховані змінні. Класична фізика посилається на ймовірність у тих випадках, коли потрібно описати процес типу підкидання. Тобто ймовірність замінює неповне знання. Копенгагенська інтерпретація квантової механіки Гейзенберга і Бора, навпаки, стверджує, що результат вимірювань у квантовій механіці принципово недетермінований.
Фізика є наукою, яка вивчає результати вимірювальних процесів. Розмірковувати про те, що відбувається в їхньому слідстві, неправомірно. Згідно з копенгагенською інтерпретацією, питання про те, де була частка до моменту її реєстрації, та інші подібні вигадки безглузді, а отже, мають бути виключені з роздумів.
Акт виміру призводить до миттєвого колапсу хвильової функції. Отже, процес вимірювання випадковим чином вибирає лише одну з можливостей, які допускає функція хвильова даного стану. А щоб відобразити цей вибір, хвильова функція має миттєво змінитись.

Формулювання

Формулювання копенгагенської інтерпретації в оригінальному вигляді породило кілька варіацій. Найбільш поширена з них ґрунтується на підході несуперечливих подій та такому понятті, як квантова декогеренція. Декогеренція дозволяє розрахувати нечітку межу між макро- та мікросвітами. Інші варіації відрізняються за рівнем «реалістичності хвильового світу».

Критика

Повноцінність квантової механіки (відповідь Гейзенберга і Бора на перше питання) зазнала сумніву в уявному експерименті, який проводив Ейнштейн, Подільський і Розен (ЕПР-парадокс). Таким чином вчені хотіли довести, що існування прихованих параметрів необхідне для того, щоб теорія не призводила до миттєвої та нелокальної «дальнодії». Однак під час перевірки ЕПР-парадоксу, яка стала можливою завдяки нерівностям Белла, було доведено, що квантова механіка вірна, і різні теорії прихованих параметрів не мають експериментального підтвердження.

Але найбільш проблематичною стала відповідь Гейзенберга і Бора на третє питання, яке ставило вимірювальні процеси в особливе положення, але не визначало наявність у них відмінних рис.

Багато вчених, як фізики, і філософи, навідріз відмовлялися приймати копенгагенську інтерпретацію квантової фізики. Перша причина полягала в тому, що тлумачення Гейзенберга і Бора було не детерміністичним. А друга - у тому, що воно вводило невизначене поняття виміру, яке перетворювало імовірнісні функції на достовірні результати.

Ейнштейн був упевнений, що опис фізичної реальності, що дається квантовою механікою у тлумаченні Гейзенберга та Бора, є неповноцінним. За словами Ейнштейна, він знаходив частку логіки в копенгагенській інтерпретації, але його наукові інстинкти відмовлялися приймати її. Тому Ейнштейн було відмовитися від пошуків повнішої концепції.

У своєму листі Борну Ейнштейн казав: "Я впевнений, що Бог не кидає кістки!". Нільс Бор, коментуючи цю фразу, сказав Ейнштейну, щоб той не вказував Богові, що робити. А у своїй розмові з Абрахамом Пайсом Ейнштейн вигукував: «Ви й справді думаєте, що Місяць існує лише тоді, коли Ви на нього дивитеся?».

Вигадав уявний експеримент із котом, за допомогою якого він хотів продемонструвати неповноцінність квантової механіки під час переходу від субатомних систем до мікроскопічних. Водночас проблемним вважався необхідний колапс хвильової функції у просторі. Відповідно до теорії відносності Ейнштейна, миттєвість і одночасність мають сенс лише спостерігача, що у одній системі відліку. Таким чином, не існує часу, який міг би стати єдиним для всіх, а отже, миттєвий колапс не може бути визначений.

Розповсюдження

Неофіційне опитування, проведене в наукових колах у 1997 році, показало, що домінуюча раніше копенгагенська інтерпретація, коротко розглянута вище, підтримується менш ніж половиною респондентів. Тим не менш, вона має більше прихильників, ніж в інших інтерпретацій окремо.

Альтернатива

Багатьом фізикам ближча інша інтерпретація квантової механіки, яка отримала назву «ніяка». Суть цього тлумачення вичерпно виражається у вислові Девіда Мерміна: «Заткнися і обчислюй!», яке часто приписують або Полю Діраку.

Копенгагенська інтерпретація квантової теорії далеко забрала фізиків від простих матеріалістичних поглядів, що панують у природознавстві XIX століття. Так як ці погляди були не тільки найтіснішим чином пов'язані з природознавством того часу, але й дуже докладно проаналізовані в деяких філософських системах і завдяки цьому дуже глибоко проникли в саме мислення людства, то цілком зрозуміло, що було зроблено багато спроб зазнати копенгагенської інтерпретації критики і замінити її іншою, більш відповідною уявленням класичної фізики та матеріалістичної філософії.

Ці спроби робляться з позицій, які можна поділити на три різні групи. Представники першої групи хоч і приймають повністю копенгагенську інтерпретацію експериментів, принаймні оскільки це стосується експериментів, проведених до теперішнього часу, але не задоволені мовою, що використовується при цьому, тобто лежить в основі її філософією, і замінюють її іншою. Іншими словами; вони намагаються змінити філософію, не змінюючи у своїй фізики. У деяких роботах представників цієї першої групи згода з копенгагенською інтерпретацією обмежується експериментальними передбаченнями цієї інтерпретації щодо всіх експериментів, які були досі проведені або які лише стосуються звичайної фізики електронів.

Представники другої групи ясно уявляють собі, що копенгагенська інтерпретація є єдино прийнятним тлумаченням, якщо експериментальні дані справді усюди узгоджуються з прогнозами цієї інтерпретації. Тому у роботах цієї групи робляться спроби у певних критичних пунктах змінити квантову теорію. Нарешті, представники третьої групи просто висловлюють свою загальну незадоволеність квантовою теорією, не висуваючи у своїй певних контрпредложений, чи то вони фізичного чи філософського характеру. До представників цієї групи можна віднести Ейнштейна, Лауе та Шредінгера. Історично заперечення проти копенгагенської інтерпретації висувалися насамперед цією групою.

Усі опоненти квантової теорії єдині, проте, у одному пункті. Було б бажано, на їхню думку, повернутися до уявлення про реальність, властивого класичній фізиці, або, говорячи більш загальною філософською мовою, до онтології матеріалізму, тобто до уявлення про об'єктивний, реальний світ, дрібні частини якого існують настільки ж об'єктивним чином, що й каміння та дерева, незалежно від того, спостерігаємо ми їх чи ні.

Але, як роз'яснено в одному з попередніх розділів, це неможливо або, у всякому разі, внаслідок природи атомних явищ, можливо, не повністю. Нашим завданням не може бути висловлювання побажань щодо того, якими мають бути, власне, атомні явища. Нашим завданням може бути лише розуміння їх.

Коли розбирають роботи представників першої групи, то важливо з самого початку мати на увазі, що тлумачення, що містяться в цих роботах, не можуть бути спростовані експериментом, оскільки вони тільки повторюють копенгагенську інтерпретацію іншою мовою. З строго позитивістської точки зору можна було б навіть сказати, що тут ми маємо справу зовсім не з контрпропозиціями, висунутими проти копенгагенської інтерпретації, а з їх точним повторенням іншою мовою. Тому можна лише сперечатися про доцільність цієї мови. Ця група контрпропозицій використовує ідею прихованих параметрів. Так як закони квантової теорії пророкують результати експерименту, взагалі кажучи, лише статистично, то, ґрунтуючись на класичній точці зору, можна було б припустити, що існують приховані параметри, які, будучи не спостерігаються в будь-якому звичайному експерименті, насправді визначають результат експерименту, як це завжди вважалося раніше відповідно до принципу причинності. Тому в деяких роботах була спроба винайти такі параметри всередині рамок квантової механіки.

У цьому плані висунув, наприклад, свої контрпропозиції проти копенгагенської інтерпретації Бом, ідеї якого нещодавно були певною мірою підтримані де Бройлем 10 . Інтерпретація Бома розроблена до деталей. Тому вона може бути основою обговорення. Бом розглядає частки як об'єктивно існуючі структури, подібно до матеріальних точок класичної механіки. Хвилі в конфігураційному просторі є в його інтерпретації також «об'єктивно існуючими», подібно до електричних полів. Щоправда, конфігураційний простір є простір багатьох вимірювань, які стосуються різних координат всіх належних систем частинок. У зв'язку з цим виникає перша проблема: що мають на увазі, коли називають хвилі в конфігураційному просторі «реально існуючими»? Конфігураційний простір є дуже абстрактним простором. Слово «реальне» походить від латинського слова «res» і означає «предмет», «річ». Але речі існують у звичайному, тривимірному, а чи не в абстрактному конфігураційному просторі. Розгляд хвиль у конфігураційному просторі як об'єктивних мало виправдання лише тому випадку, якби ми цим розглядом хотіли сказати, що це хвилі залежить від наблюдателя. Але все ж таки їх навряд чи можна назвати справді існуючими, або реальними, якщо ми тільки не хочемо довільно змінювати значення слів. Бом визначає потім лінії, що перетинають поверхні постійної фази під прямим кутом, як можливі траєкторії частинок. Яка з цих ліній виявиться дійсною траєкторією частинки, залежить, на думку Бора, від історії системи та властивостей вимірювального приладу, і вирішити це питання, не знаючи про систему та вимірювальний прилад більше того, що фактично може бути відомо, не можна. Ця історія (системи та приладу) фактично містить у такому разі «приховані параметри», а саме реальну траєкторію електрона до того, як експеримент розпочався.

Одним із наслідків цієї інтерпретації, як підкреслив Паулі, є те, що електрони багатьох атомів у стаціонарному стані мають спочивати, що вони, отже, не повинні здійснювати жодних рухів по орбітах навколо атомного ядра. Це здається здавалося б суперечить експерименту, оскільки виміру швидкостей електронів переважно стані (наприклад, з допомогою Комптон-эффекта) завжди дають у результаті деякий розподіл електронів основного стану за швидкостями, яке відповідно до правил квантової механіки дається квадратом хвильової функції у просторі швидкостей (імпульсів). У цьому випадку Бом може відповісти, що вимір не підлягає більше розгляду на підставі колишніх законів. Тому хоча при звичайній оцінці результату вимірювання як розподіл за швидкостями виходитиме квадрат хвильової функції в просторі швидкостей (імпульсів), але якщо при розгляді вимірювальної апаратури брати до уваги квантову теорію і особливо введені квантово-механічні потенціали Бором ad hoc, то висновок - в Насправді електрони в стаціонарному стані завжди спочивають - був би все-таки припустимий. Цьому відповідає той факт, що введені Бором у зв'язку з цим квантові потенціали мають дуже дивні властивості; наприклад, вони відмінні від нуля на будь-якій скільки завгодно великій відстані. Такою ціною Бом сподівається отримати можливість стверджувати: "Для нас немає необхідності відмовлятися в галузі квантової теорії від точного, раціонального та об'єктивного опису індивідуальних систем". Але такий об'єктивний опис викриває себе при цьому як різновид ідеологічної надбудови, лише дуже мало пов'язаної з безпосередньою фізичною реальністю. Бо приховані параметри в інтерпретації Бора такі, що вони ніколи не можуть зустрітися в описі реальних процесів, оскільки квантова теорія залишається незмінною.

Щоб уникнути цієї проблеми, Бор висловив сподівання, що у майбутніх експериментах (наприклад, на відстанях, менших 10 –13 див) приховані параметри все-таки матимуть фізичний сенс і цим квантова теорія може бути хибною. Бор щодо висловлювання таких надій зазвичай говорить, що за структурою вони подібні приблизно до такого твердження: «Можна сподіватися, що згодом виявиться, що в деяких випадках 2 X 2 = 5, бо це було б вигідно для наших фінансів». Насправді виконання надій Бора позбавило б грунту як квантову механіку, а цим і інтерпретацію Бора. Звичайно, в той же час необхідно підкреслити, що наведена аналогія, хоча вона і представляється повною, не є з точки зору логіки чарівним аргументом проти можливого майбутнього зміни квантової теорії в напрямі, що пропонується Бором. Бо в принципі можна собі уявити, що, наприклад, подальший розвиток математичної логіки може надати певний сенс твердженню, що у виняткових випадках 2X2 може дорівнювати 5 і що в такому випадку ця узагальнена математика, можливо, навіть буде використовуватися для обчислень в галузі економіки. І все ж таки на підставі фактів, не вдаючись навіть до переконливих логічних аргументів, ми переконані, що такі зміни в математиці нічим не зможуть допомогти нашим фінансам. Тому незрозуміло і те, як можуть бути застосовані для опису фізичних явищ ті математичні ідеї, на які Бом вказує на можливе здійснення своїх надій.

Якщо відволіктися від цієї можливої зміни квантової теорії, то мова Бома, як уже зазначалося, не говорить щодо фізики нічого іншого, ніж мова копенгагенської інтерпретації. У такому разі залишається лише питання про доцільність цієї мови. Поряд з тим, що ми вже зазначали про траєкторії частинок, коли розглядали ці міркування як непотрібну ідеологічну надбудову, слід зазначити, що мова Бома руйнує властиву квантової теорії симетрію координат і швидкостей, чи, точніше кажучи, координат та імпульсів. Так як властивості симетрії завжди мають відношення до найпотаємнішої фізичної сутності теорії, то залишається незрозумілим, що ми виграємо від усунення їх у відповідній мові.

Подібне ж заперечення в дещо іншій формі можна привести і проти статистичної інтерпретації Боппа і дещо відмінної від неї інтерпретації Феньєша. Бопп приймає як основний квантово-механічний процес виникнення і знищення частинок, які є реальними в класичному сенсі слова, а саме в сенсі матеріалістичної онтології, і закони квантової механіки розглядаються як особливий випадок кореляційної статистики, яка тут застосовується до процесів виникнення та породження частинок. Така інтерпретація може бути проведена, як показав Бопп, без суперечностей, і вона проливає світло на цікаві зв'язки між квантовою теорією та кореляційною статистикою. З фізичної точки зору вона веде до тих самих висновків, що і копенгагенська інтерпретація. У позитивістському сенсі вона, отже, знову ж таки ізоморфна цієї інтерпретації, так само як і інтерпретація Бома. Однак у її мові порушується симетрія хвиль і частинок, зазвичай особливо характерною рисою математичної схеми квантової теорії. Вже 1928 р. Йордан, Клейн і Вигнер показали, що ця математична схема то, можливо витлумачена як як квантування руху частинок, а й як квантування тривимірних матеріальних хвиль. Отже, підстави вважати хвилі матерії менш реальними, ніж частинки. Симетрія хвиль і частинок могла б в інтерпретації Боппа зберегтися, мабуть, у тому випадку, якби відповідна кореляційна статистика була розвинена й у застосуванні до матеріальних хвиль у просторі та часі і якби, таким чином, можна було залишити відкритим питання про те, частинки чи хвилі слід вважати справжньою реальністю.

Припущення реальному сенсі матеріалістичної онтології існування частинок завжди необхідно веде до спроб вважати, що у крайньому разі можливі відхилення від співвідношення невизначеностей. Наприклад, Феньеш стверджує, що існування співвідношення невизначеностей, яке він також пов'язує з певними статистичними співвідношеннями, аж ніяк не виключає можливість одночасного і скільки завгодно точного виміру координат і швидкості. Проте Феньеш не вказує, як такі виміри мають практично виглядати, і тому його міркування, мабуть, залишаються абстрактно-математичними.

Вейцель, пропозиції якого споріднені з пропозиціями Бома і Феньєша, пов'язує приховані параметри, що шукаються, з новим, придуманим ad hoc сортом частинок, зеронами, які ніяким способом неможливо спостерігати. Уявлення такого роду таїть у собі небезпеку, що взаємодія реальних частинок із зеронами призведе до розсіювання енергії за велику кількість ступенів свободи поля зеронів, отже вся термодинаміка перетвориться на хаос. Вейцель не пояснив, як зможе подолати цю небезпеку.

Точку зору, з якої виходили у критиці копенгагенської інтерпретації всі групи розглянутих досі фізиків, ймовірно, можна найкраще охарактеризувати, якщо згадати дискусію, присвячену спеціальній теорії відносності. Ті, хто не був задоволений усуненням Ейнштейном абсолютного простору та абсолютного часу, могли аргументувати приблизно так. Спеціальна теорія відносності аж ніяк не довела, що не існує абсолютного простору та абсолютного часу. Вона лише показала, що справжній простір і час у всіх звичайних експериментах себе не проявляють. Але якщо правильно врахувати відповідні закони природи і таким чином ввести для рухомих систем координат правильні часи, що здаються, то ніщо не буде говорити проти припущення про абсолютний простір. Було б навіть правдоподібно припустити, що центр тяжкості нашої Галактики (принаймні приблизно) лежить в абсолютному просторі. Критик спеціальної теорії відносності міг ще додати, що можна сподіватися, що у майбутньому виміри зроблять визначення абсолютного простору, так би мовити «прихованого параметра» теорії відносності, і тим самим теорія відносності буде спростована.

Цю аргументацію не можна, як це відразу видно, спростувати експериментально, тому що при цьому не робиться жодних тверджень, що відрізняються від тверджень спеціальної теорії відносності. Але така інтерпретація теорії відносності порушувала б, принаймні на мові, що застосовується, якраз найважливіша властивість симетрії теорії відносності, а саме інваріантність щодо перетворень Лоренца, і тому її слід вважати неприйнятною.

Аналогія обговорень спеціальної теорії відносності з обговореннями квантової теорії очевидна. Закони квантової механіки такі, що введені приховані параметри ad hoc ніколи не можна буде спостерігати. Крім того, найважливіші властивості симетрії були б порушені, якби ми ввели в інтерпретацію теорії приховані параметри як фіктивні величини.

Заперечення, які містяться у роботах Блохінцева та Олександрова, за самою постановкою досить відмінні від обговорених вище. Ці заперечення від початку обмежуються виключно філософською стороною питання. У фізичному плані Блохінцев та Олександров без жодних застережень погоджуються з копенгагенською інтерпретацією. Тим паче різкими виявляються зовнішні форми полеміки: «Серед найрізноманітніших ідеалістичних напрямів у сучасній фізиці так звана «копенгагенська школа» – найбільш реакційна. Викриттю ідеалістичних та агностичних спекуляцій цієї школи навколо корінних проблем квантової механіки та присвячена дана стаття», – пише Блохінцев у вступі до однієї зі своїх статей. Різкість полеміки показує, що тут йдеться не лише про науку, а й про вірування. Мета критики висловлена на закінчення статті цитатою з твору Леніна: «Як не дивно з погляду «здорового глузду» перетворення невагомого ефіру на вагому матерію і назад, як не «дивно» відсутність у електрона будь-якої іншої маси, крім електромагнітної, як не дивно обмеження механічних законів руху однією лише областю явищ природи та підпорядкування їх глибшим законам електромагнітних явищ і т. д. – все це лише зайве підтвердженнядіалектичного матеріалізму». Хоча передумови робіт Блохінцева і Александрова лежать поза природознавства, все ж таки обговорення їх аргументів дуже повчальне.

У разі головне завдання полягає у порятунку матеріалістичної онтології, тому атакам піддається передусім запровадження інтерпретацію квантової теорії спостерігача. Александров пише: «Тому під результатом виміру в квантової механіки треба розуміти об'єктивний ефект взаємодії електрона з відповідним об'єктом. Розмови про спостерігачі потрібно виключити і мати справу з об'єктивними умовами та об'єктивними ефектами, фізична величина є об'єктивною характеристикою явища, а не результатом спостереження». Хвильова функція характеризує, згідно з Олександровим, об'єктивний стан електрона.

У своєму викладі Олександров упускає, що взаємодія системи з вимірювальним приладом у тому випадку, коли прилад і система вважаються ізольованими від решти світу і в цілому розглядаються відповідно до квантової механіки, як правило, не веде до певного результату (наприклад, до почорніння фотопластинки в певної точки). Коли проти цих висновків висувають твердження: «Але насправді платівка після взаємодії почорніла в певному місці», то тим самим від квантово-механічного розгляду ізольованої системи, що складається з електрона і платівки, відмовляються. У цьому полягає фактичний характер події, яка може бути описана за допомогою понять повсякденного життя, у математичному формалізмі квантової теорії безпосередньо не міститься і до копенгагенської інтерпретації входить завдяки введенню уявлення про спостерігача. Звичайно, не слід розуміти запровадження спостерігача неправильно, в сенсі внесення до опису природи якихось суб'єктивних рис. Спостерігач виконує швидше функції реєструючого «пристрою», тобто реєструє процеси у просторі та часі; причому справа не в тому, чи є спостерігач апаратом чи живою істотою; але реєстрація, тобто перехід від можливого до дійсного, у разі, безумовно, необхідна і може бути виключена з інтерпретації квантової теорії. У цьому пункті квантова теорія тісно пов'язана з термодинамікою, оскільки всякий акт спостереження по всій своїй природі є незворотним процесом. Тільки за допомогою таких незворотних процесів формалізм квантової теорії може бути несуперечливим чином пов'язаний із дійсними процесами у просторі та часі. З іншого боку, незворотність, якщо її знову перекласти на мову математичного зображення подій, є наслідком неповноти знань, які спостерігач має про систему, і тому не є чимось цілком об'єктивним.

Формулювання Блохінцева дещо інші, ніж Александрова. «У квантовій механіці стан частки характеризується справді не «сам собою», а приналежністю частки тому чи іншому ансамблю (змішаному чи чистому). Ця приналежність має цілком об'єктивний характері і залежить від відомостей спостерігача». Такі формулювання відводять насправді дуже далеко (навіть занадто далеко) від онтології матеріалізму. Справа в тому, що, наприклад, у класичній термодинаміці становище інше. При визначенні температури системи спостерігач має на увазі, що система є лише одним зразком, вибраним з канонічного ансамблю, і він, отже, може вважати, що система, очевидно, має різні енергії. Проте насправді система має у класичній фізиці у певний час лише певне значення енергії, й інші значення не реалізуються. Спостерігач, отже, впаде в помилку, якщо вважатиме за можливе, що в даний момент існує інше значення енергії. Звідси канонічний ансамбль містить висловлювання як про саму систему, а й неповноті відомостей спостерігача про систему. Коли Блохінцев намагається в квантової теорії вважати належність системи до ансамблю чимось цілком об'єктивним, він вживає слово «об'єктивний» у сенсі, що відрізняється від вживання його в класичній фізиці, бо в ній ця приналежність означає, як уже було зазначено, висловлювання не тільки про системі, а й про ступінь знання системи спостерігачем. При розгляді квантової теорії необхідно коротко згадати про один виняток. Якщо ансамбль характеризується в квантової теорії лише єдиною хвильовою функцією в конфігураційному просторі (а не як звичайно – статистичною матрицею), то створюється особлива ситуація (так званий «чистий випадок»), в якому опис може бути названий у певному сенсі об'єктивним і в якому елемент неповного знання безпосередньо не виявляється. Але оскільки всяке вимір (через пов'язані з ним незворотних процесів) знову вводить потім елемент неповного знання, те й ситуація «чистого випадку» все-таки не відрізняється принципово від іншого, раніше обговореного більш загального випадку.

З усього розглянутого вище передусім видно, як важко втиснути нові ідеї в стару систему понять попередньої філософії, або, вживаючи старовинний вираз, як важко наповнити новим вином старе хутро. Такі спроби завжди неприємні, тому що змушують знову і знову займатися латанням неминучих дір у старих хутрах, замість насолоджуватися новим вином. З погляду здорового глузду не можна очікувати, що мислителі, які створили діалектичний матеріалізм понад сто років тому, могли передбачати розвиток квантової теорії. Їхні уявлення про матерію та реальність не можуть бути пристосовані до результатів нашої сьогоднішньої витонченої експериментальної техніки.

Тут, мабуть, слід зробити додатково кілька зауважень щодо позиції дослідника природи щодо певного світогляду. При цьому байдуже, про релігійний чи політичний світогляд йдеться. Принципова відмінність релігійного і політичного світоглядів, що полягає в тому, що останнє має відношення до безпосередньої матеріальної реальності світу навколо нас, тоді як перше має об'єктом іншу реальність, що лежить по той бік матеріального світу, у цій постановці проблеми несуттєво. Тут слід обговорити проблему самої віри. З того, що було досі сказано, виходить, що вчений ніколи не повинен покладатися на якесь єдине вчення, ніколи не повинен обмежувати методи свого мислення однією-єдиною філософією. Вчений має бути готовий до того, що завдяки новим експериментальним даним можуть бути змінені й основи його знання. Але ця вимога з двох міркувань знову була б занадто велике спрощення нашого становища в житті.

Перше міркування полягає в тому, що весь образ нашого мислення формується в нашій юності, завдяки тим ідеям, з якими ми в цей час стикаємося, або тому, що ми вступаємо в контакт з видатними особистостями, у яких ми вчимося. Цей спосіб мислення надаватиме вирішальний вплив на всю нашу подальшу роботу, і внаслідок цього цілком можливі труднощі в процесі пристосування до інших ідей і систем мислення. Друге міркування полягає в тому, що ми завжди належимо якомусь суспільству чи спільності. Цю спільність пов'язують воєдино спільні ідеї, загальний критерій моральних цінностей або спільну мову, якою говорять про загальні проблеми життя. Ці спільні ідеї можуть підтримуватися авторитетом церкви, партії чи держави, і навіть якщо це не буде, все одно дуже важко відійти від загальноприйнятих ідей, не протиставляючи себе суспільству. Але результати наукових роздумів можуть суперечити деяким із загальноприйнятих ідей. Без сумніву, було б нерозумно вимагати, щоб вчений взагалі не був лояльним членом суспільства, щоб він принципово відмовився від усіх благ, які можна отримати, належать колективу, і було б так само нерозумно бажати, щоб спільні ідеї колективу чи суспільства, які з науковою точки зору завжди необхідно є спрощенням, слід змінювати відразу ж після чергового успіху наукового пізнання, що ці спільні ідеї повинні бути, отже, такими ж мінливими, як і наукові теорії. Тому і в наш час ми знову приходимо до старої проблеми двоїстості істини, яка неодноразово виникала в історії християнської релігії в епоху пізнього середньовіччя. У той час з'явилося дуже спірне вчення про те, що позитивна релігія незалежно від того, яку форму вона може набути, є для величезної більшості людей потребою, тоді як вчений шукає власне істину з того боку релігії і може знайти її тільки там.

Наука є езотеричним вченням, – так було сказано, – вона призначена лише небагатьом. В наш час функції позитивної релігії в деяких країнах взяли на себе політичні вчення та громадські організації, але проблема по суті залишилася тією ж. Першою вимогою щодо вченого повинна завжди залишатися вимога інтелектуальної чесності, тоді як суспільство часто проситиме вченого, внаслідок мінливості науки, почекати принаймні кілька десятиліть, перш ніж публічно висловлювати свою думку, що розходиться з загальноприйнятою. Простого вирішення цієї проблеми – якщо однієї терпимості недостатньо, – мабуть, немає. Але, мабуть, можна знаходити деяку втіху в тому факті, що тут йдеться, безсумнівно, про досить стару проблему, яка стосується життя людини за всіх часів.

Тепер знову повернемося до контрпропозицій копенгагенської інтерпретації квантової теорії та розглянемо при цьому контрпропозиції представників другої групи. У цих контрпропозиціях спроба побудови іншої філософської інтерпретації пов'язана навіть із прагненням змінити квантову теорію. Добросовісна спроба в цьому напрямку зроблено Яноші, який усвідомив, що припущення про сувору справедливість квантової механіки змушує нас відійти від уявлень про реальність класичної фізики. Він тому намагається так змінити квантову механіку, щоб багато її результатів залишалися чинними, але її структура наближалася до структури класичної фізики. Напрямком своєї атаки він обрав так звану редукцію хвильового пакета, тобто той факт, що хвилева функція, що описує систему, в момент, коли спостерігачеві стає відомим результат спостереження, змінюється стрибком. Яноші констатує, що цю редукцію не можна вивести з рівняння Шредінгера, і вважає, що звідси можна зробити висновок про наявність непослідовності «ортодоксальної» інтерпретації. Як відомо, редукція хвильового пакета з'являється в копенгагенській інтерпретації завжди в тих випадках (мовою формалізму – завжди для «статистичної суміші» станів), коли завершується перехід від можливого до дійсного, тобто коли дійсне вибирається з можливого, що, згідно з звичайним описом, робить спостерігач. В основі цього лежить припущення, що інтерференційні члени частково погашаються внаслідок неконтрольованих взаємодій вимірювального приладу із системою та рештою світу (мовою формалізму – взаємодія «приготує» суміш). Яноші намагається в цьому пункті, вводячи згасання, так змінити квантову механіку, щоб інтерференційні члени після закінчення кінцевого часу зникали самі собою. Навіть якби це відповідало дійсності, - а всі проведені дотепер експерименти не дають для цього жодних підстав, - то при такій інтерпретації, як зазначає сам Яноші, залишився б ще ряд небажаних наслідків (наприклад, хвилі, що поширюються швидше за швидкість світла, зміна часової послідовності причини і наслідки для спостерігача, що рухається, тобто виділення певних систем відліку і т. д.). Тому ми навряд чи погодимося пожертвувати простотою квантової теорії заради такого роду уявлень, поки нас не примусить до цього експеримент.

Серед інших опонентів «ортодоксальної» інтерпретації квантової теорії Шредінгер займає у певному сенсі виняткову позицію, оскільки він хотів би приписувати об'єктивну реальність не часткам, а хвилі і не згоден інтерпретувати хвилі лише як хвилі ймовірності. У своїй роботі «Чи існують квантові стрибки?» він намагається взагалі відкинути квантові стрибки. Але у роботі Шредінгера насамперед міститься деяке нерозуміння звичайної інтерпретації. Він упускає з уваги, що хвилями ймовірності у звичайній інтерпретації є лише хвилі у конфігураційному просторі – те, що мовою математики можна назвати матрицями перетворення, – а чи не тривимірні хвилі матерії чи випромінювання. Останні об'єктивно реальні настільки ж великий і настільки ж малою мірою, що й частки, хоча вони безпосередньо не мають відношення до хвиль ймовірності, але мають, подібно максвелловскому полю, безперервної щільністю енергії та імпульсу. Звичайно, Шредінгер правильно підкреслює, що ці процеси можна вважати безперервнішими, ніж це робиться в більшості випадків. Однак Шредінгер не може цим усунути зі світу елемент перервності, який в атомній фізиці виявляється всюди, наприклад, дуже наочно – на сцинтиляційному екрані. У звичайній інтерпретації квантової теорії цей елемент міститься у переході від можливого до дійсного. Сам Шредінгер не робить жодних контрпропозицій щодо того, як він уявляє собі, наприклад, запровадження скрізь спостережуваного елемента перервності інакше, ніж це робиться у звичайній інтерпретації.

Нарешті, критика, яка міститься в різних роботах Ейнштейна, Лауе та інших, зосереджується навколо питання, чи дає копенгагенська інтерпретація можливість однозначного, об'єктивного опису фізичних фактів. Її найважливіші аргументи можуть бути виражені приблизно в наступній формі. Математична схема квантової теорії здається цілком достатнім описом статистики атомних явищ. Але, навіть якщо її твердження щодо ймовірностей атомних процесів цілком правильні, ця інтерпретація все ж таки не дає жодного опису того, що відбувається насправді, незалежно від спостережень або між нашими спостереженнями. Адже щось має, однак, відбуватися – у цьому ми можемо не сумніватися. Це «щось», можливо, і не можна описати за допомогою понять електрона, або хвилі, або світлового кванта, але, оскільки воно не описується якимось чином, завдання фізики ще не виконане. Не можна припустити, що квантова фізика належить лише до акту спостереження. Фізик повинен припускати у своїй науці, що він вивчає світ, який створив не він сам і який існував би також і без нього і здебільшого таким самим. Тому копенгагенська інтерпретація не дає жодного дійсного розуміння атомних процесів.

Легко бачити, що ця критика вимагає просто повернення старої матеріалістичної онтології. Що можна відповісти на цю критику з точки зору копенгагенської інтерпретації?

Можна сміливо сказати, що фізика є частиною природознавства й у ролі повинна прагнути до опису і розуміння природи. Проте розуміння будь-якого роду, чи воно науковим чи ні, залежить від нашої мови, від того, що ми можемо передавати наші думки. Будь-який опис явищ, дослідів та його результатів також грунтується мовою як у єдиному засобі розуміння. Слова цієї мови висловлюють поняття повсякденного життя, які у науковій мові фізики можна уточнити до понять класичної фізики. Ці поняття є єдиним засобом однозначної передачі повідомлень про процеси, розташування приладів у дослідах та їх результатах. Тому коли фізика-атомника просять дати опис того, що реально відбувається в його дослідах, то слова «опис», «реальність» і «відбувається» можуть належати лише до понять повсякденного життя чи класичної фізики. Як тільки фізик спробував відмовитися від цієї бази, він втратив би можливість однозначно пояснюватися і не зміг би розвивати свою науку далі. Тому будь-яке висловлювання у тому, що насправді відбувається чи сталося, є висловлюванням, що використовує поняття класичної фізики. Воно за своєю природою внаслідок законів термодинаміки і співвідношення невизначеностей виявляється неповним щодо тих деталей атомних процесів, про які у разі йдеться. Вимога, що слід описувати і те, що в квантово-механічному процесі відбувається в проміжку між двома наступними один за одним спостереженнями, є contradictio in adjecto, тому що слово «описувати» має відношення тільки до застосування класичних понять, тоді як ці поняття не можуть бути застосовані у проміжках між двома спостереженнями. Вони можуть застосовуватися лише у момент спостереження.

Необхідно також наголосити, що копенгагенська інтерпретація квантової теорії аж ніяк не є позитивістською. У той час як позитивізм виходить із чуттєвих сприйняттів елементів буття, копенгагенська інтерпретація розглядає описувані в класичних поняттях об'єкти та процеси, тобто фактичне, як основа будь-якого фізичного пояснення. Водночас визнається також, що статистичність природи законів мікрофізики усунена не може, оскільки будь-яке знання «фактичного» з квантово-механічних законів природи є знанням неповним.

Онтологія матеріалізму ґрунтувалася на ілюзії, що в атомну область можна екстраполювати спосіб існування, безпосередньо це навколишнього світу. Але ця екстраполяція неможлива.

Можна було б додати ще деякі зауваження щодо формальної структури контрпропозицій щодо копенгагенської інтерпретації. Усі висунуті досі контрпропозиції щодо копенгагенської інтерпретації змушують жертвувати суттєвими властивостями симетрії квантової теорії. Тому цілком можна припустити, що копенгагенська інтерпретація є необхідною, якщо ці властивості симетрії, подібно до властивості інваріантності щодо перетворень Лоренца, вважати суттєвими властивостями природи. На користь цього говорять і всі проведені експерименти.

Копенгагенська інтерпретація- інтерпретація (тлумачення) квантової механіки, яку сформулювали Нільс Бор і Вернер Гейзенберг під час спільної роботи в Копенгагені близько 1927 року. Бор і Гейзенберг удосконалили ймовірнісну інтерпретацію хвильової функції, дану М. Борном, і спробували відповісти на ряд питань, що виникають внаслідок властивого квантової механіки корпускулярно-хвильового дуалізму, зокрема на питання про вимір.

Енциклопедичний YouTube

1 / 5
Фізичний світ складається з квантових (малих) об'єктів та класичних вимірювальних приладів.

Квантова механіка є статистичною теорією, внаслідок того, що вимір початкових умов мікрооб'єкта змінює його стан і призводить до імовірнісномуопис вихідного положення мікрооб'єкта, яке описується хвильовою функцією . Центральним поняттям квантової механіки є комплексна хвильова функція. Можна змінити хвильову функцію до нового вимірювання. Його очікуваний результат залежить ймовірно від хвильової функції. Фізично значущим є лише квадрат модуля хвильової функції, що означає можливість знаходження мікрооб'єкта, що вивчається, в деякому місці простору.
Закон причинності в квантової механіки виконується стосовно хвильової функції, зміна якої у часі повністю визначається її початковими умовами, а чи не стосовно координат і швидкостям частинок, як і класичної механіці. Внаслідок того, що фізичний сенс має лише квадрат модуля хвильової функції, початкові значення хвильової функції неможливо повністю знайти в принципі, що призводить до невизначеності знань про початковий стан квантової системи.

…співвідношення невизначеностей Гейзенберга…дають зв'язок (зворотну пропорційність) між неточностями допустимого в квантовій механіці фіксування тих кінематичних і динамічних змінних, якими в класичній механіці визначається стан фізичної системи.

Серйозною перевагою копенгагенської інтерпретації є те, що вона не використовує детальних висловлювань про безпосередньо фізично не спостерігаються величини і при мінімумі передумов, що використовуються, вибудовує систему понять, які вичерпним чином описують наявні на сьогодні експериментальні факти.

Сенс хвильової функції

Копенгагенська інтерпретація передбачає, що на хвильову функцію можуть впливати два процеси:
- унітарна еволюція відповідно до рівняння Шредінгера
- процес виміру
З приводу першого процесу немає розбіжностей ні в кого, а щодо другого є ряд різних інтерпретацій, навіть у межах самої копенгагенської інтерпретації. З одного боку, можна вважати, що хвильова функція є реальним фізичним об'єктом і що вона під час другого процесу зазнає колапсу; з іншого боку, можна вважати, що хвильова функція - лише допоміжний математичний інструмент (а не реальна сутність), єдине призначення якої - це давати нам змогу розраховувати ймовірності. Бор підкреслював, що єдине, що можна пророкувати - це результати фізичних дослідів, тому додаткові питання стосуються не науки, а філософії. Бор поділяв філософську концепцію позитивізму, яка вимагає, щоб наука говорила лише про реально виміряні речі.
Ілюструючи це, Ейнштейн писав Борну: « Я переконаний, що Бог не кидає кістки», - а також вигукував у розмові з Абрахамом Пайс : « Ви й справді думаєте, що Місяць існує тільки коли ви на неї дивитеся?». Н. Бор відповідав йому: «Ейнштейн, не вказуйте Богу, що робити». Ервін Шредінгер придумав знаменитий уявний експеримент про кота Шредінгера, яким він хотів показати неповноту квантової механіки при переході від субатомних систем до макроскопічних.
Аналогічно викликає проблеми необхідний «миттєвий» колапс, хвильовий функції у всьому просторі. Теорія щодо Ейнштейна говорить, що миттєвість, одночасність, має сенс тільки для спостерігачів, що знаходяться в одній системі відліку - не існує єдиного для всіх