«Принципы неопределенности, дополнительности и соответствия»

Точное знание координаты электрона означает полное незнание его импульса, и наоборот. Такая ситуация совершенно необъяснима с точки зрения классической физики. Немало усилий было приложено физиками для устранения возникшего противоречия с целью сохранения классического идеала описания движения физических объектов. Наиболее революционно настроенные ученые посчитали, что подобное неклассическое поведение объектов в микромире требует критического пересмотра самого понятия «частицы», точно локализованной во времени и пространстве. Можно говорить лишь о вероятности того, где в данный момент времени находится частица, и это является неизбежным следствием введения в физическую теорию постоянной Планка, представлений о квантовых скачках. Физическая интерпретация «неклассического» поведения микрообъектов была впервые дана Вернером Гейзенбергом, указавшим на необходимость отказа от представлений об объектах микромира как об объектах, движущихся по строго определенным траекториям, для которых однозначно с полной определенностью могут быть одновременно указаны и координата и импульс частицы в любой заданный момент времени. Надо принять в качестве закона, описывающего движение микрообъектов, тот факт, что знание точной координаты частицы приводит к полной неопределенности ее импульса, и наоборот, точное знание импульса частицы – к полной неопределенности ее координаты. Исходя из созданного им математического аппарата квантовой механики, Гейзенберг установил предельную точность, с которой можно одновременно определить координату и импульс микрочастицы, и получил следующее соотношение неопределенностей этих значений:

ΔХ • ΔР_Х ≥ h, 

где ΔХ – неопределенность в значении координаты; ΔР_Х – неопределенность в значении импульса. Произведение неопределенности в значении координаты и неопределенности в значении импульса не меньше, чей величина порядка постоянной Планка h. 

Чем точнее определена одна величина, скажем, X (ΔХ → 0), тем больше становится неопределенность другой: ΔР_Х → ∞. Если же точно определен импульс частицы Р (ΔР_Х →∞), то неопределенность координаты стремится к бесконечности (ΔХ  → ∞).

Итак, соотношение неопределенности накладывает определенные ограничения на возможность описания движения частицы по некоторой траектории; понятие траектории для микрообъектов теряет смысл.

Анализируя соотношения неопределенностей, Бор выдвигает принцип дополнительности, согласно которому точная локализация микрообъекта в пространстве и времени и точное применение к нему динамических законов сохранения исключают друг друга. Бор показал, что из-за соотношения неопределенностей корпускулярная и волновая модели описания поведения квантовых объектов не входят в противоречие друг с другом, потому что никогда не предстают одновременно. В одном и том же эксперименте не представляется возможным одновременно проводить измерения координат и параметров, определяющих динамическое состояние системы, например, импульса. Если в одной экспериментальной ситуации проявляются корпускулярные свойства микрообъекта, то волновые свойства оказываются незаметными. В другой экспериментальной ситуации, наоборот, проявляются волновые свойства и не проявляются корпускулярные. То есть в зависимости от постановки эксперимента микрообъект показывает либо свою корпускулярную природу, либо волновую, но не обе сразу. Эти две природы микрообъекта взаимно исключают друг друга, и в то же время должны быть рассмотрены как дополняющие друг друга. Если вернуться к рассмотренному нами опыту с двумя отверстиями, то, согласно Бору, мы имеем две различные экспериментальные ситуации: одну – с одним открытым отверстием, когда точно известна координата электрона, и поведение электрона соответствует поведению частицы; и вторую – с двумя открытыми отверстиями, в которой появляется интерференционная картина на экране, по которой мы определяем импульс, и поведение электрона сопоставляем с волной. То есть говорить об электроне как об индивидуальной «себетождественной» частице вне зависимости от конкретной экспериментальной ситуации, в которой он проявляет свои свойства, не имеет физического смысла. Это составляет сформулированный Бором принцип физической целостности при описании объектов микромира. Выделим суть принципа дополнительности Бора.

Вся информация о микрообъектах может быть получена с помощью только макроприборов, работающих в определенных диапазонах, позволяющих довести эту информацию, в конечном итоге, до органов чувств познающих субъектов. Макроприборы подчиняются законам классической физики и должны переводить информацию о явлениях в микромире на язык понятий классической физики. Следовательно, любое явление в микромире не может быть проанализировано как само по себе отдельно взятое, а обязательно должно включать в себя взаимодействие с классическим микроскопическим прибором. С помощью конкретного макроскопического прибора мы можем исследовать либо корпускулярные свойства микрообъектов, либо волновые, но не и те, и другие одновременно. Обе стороны предмета должны рассматриваться как дополнительные по отношению друг к другу.

В основе естествознания с момента его возникновения и вплоть до открытия Планка господствовала механистическая концепция целого и части. Принципы неопределенности и дополнительности отражают фундаментальную неопределенность явлений природы. Квантовый объект не может быть рассмотрен сам по себе, не обладает индивидуальными свойствами, а находится в классически определенных внешних условиях. Таким образом, в квантовой механике формулируется концепция целостности, отличная от механистической концепции целого и части, ибо объект вне целого и внутри целого не один и тот же; отдельный объект рассматривается лишь в отношении к чему-либо, свои свойства он проявляет лишь по отношению к конкретной целостности, чем и определяется статистическая природа его поведения., Говоря словами Н. Бора: «С открытием Планком элементарного кванта действия началась новая эпоха в физических науках. Это открытие обнаружило свойственную атомным процессам черту цельности, идущую гораздо дальше старой идеи об ограниченной делимости материи». Боровская интерпретация квантовой теории означает, по существу, отказ от классических представлений о частицах как «внеположенных », «себетождественных», «индивидуальных». Микрообъект постоянно чувствует на себе влияние целостности, элементом которой он является.

Точка зрения Н. Бора, В. Гейзенберга и их сторонников, названная копенгагенской интерпретацией квантовой механики, конечно, не могла быть воспринята безоговорочно многими физиками, оставшимися верными идеалу строго детерминированного, причинно-следственного описания движения физических объектов. Так, А. Эйнштейн не принял принципиально статистический характер копенгагенской интерпретации квантовой теории.

Дискуссия между Бором и Эйнштейном длилась около десяти лет и сыграла очень важную роль в формировании основ квантовой теории. Именно этот спор привел к более глубокому пониманию концепции целостности. Свое содержательное развитие эта концепция получила благодаря работе трех авторов – А. Эйнштейна, Б. Подольского и Н. Розена «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», опубликованной в 1935 году. В этой работе формулируется парадокс, названный парадоксом Эйнштейна – Подольского – Розена (ЭПР-парадокс). Если вся предыдущая полемика между Бором и Эйнштейном концентрировалась, в основном, вокруг принципа неопределенности (Эйнштейн предлагал пример, опровергающий соотношение неопределенностей, а Бор всегда доказывал ошибочность аргументов Эйнштейна), то в ЭПР-парадоксе предложена ситуация, приведшая, в конечном счете, вопреки ожиданиям ее авторов, к расширению принципа целостности. Ситуация, предлагаемая авторами парадокса, состоит в следующем: пусть некоторая частица самопроизвольно распадается на две частицы, которые расходятся на столь большое расстояние друг от друга, что физическое взаимодействие между ними исключается. Тогда, если квантовая механика верна, измерение, произведенное над одной из частиц, должно приводить к однозначному предсказанию соответствующей характеристики (импульса, момента импульса – в зависимости от типа измерения над первой частицей) другой. Иными словами, не произведя эксперимент над второй частицей, не возмущая ее, на основании квантовой механики должно получаться определенное числовое значение ее характеристик независимо от акта воздействия. Следует сказать, что в настоящее время ЭПР-парадокс надежно подкреплен экспериментами. Известно, что Бор дал немедленный ответ на рассуждения авторов парадокса, утверждая, что физическую реальность необходимо трактовать на основе идеи нераздельности экспериментальной ситуации, неделимости и целостности квантовых явлений. ЭПР-парадокс для своего решения открывает возможность для более полного использования концепции целостности, не апеллирующей к целостности экспериментальной ситуации. Здесь речь идет уже не о целостности экспериментальной ситуации, а о целостности квантовой системы, об особом коррелятивном, взаимосвязанном поведении квантовых объектов. Объекты, составлявшие некогда единое целое, разведенные друг от друга на расстояния, исключающие взаимодействия, сохраняют на себе печать прошлого, и любые изменения одного партнера приводят к коррелятивному поведению второго. Этот перенос состояния с одной частицы на другую, независимо от того, как далеко друг от друга они находятся, называют квантовой телепортацией. Мир предстает перед нами как единая целостная единица, несводимая к механическому разложению его на составные части. Таким образом, в квантовой механике сформировано представление о целостном, неразложимом характере мира, о не сведении его к отдельным элементам. Этот результат, имеющий глубокое мировоззренческое значение, является едва ли не самой удивительной страницей в истории физики и имеет далеко идущие перспективы по развитию телепортационных способов передачи информации. XXI век, по всей видимости, станет веком квантовой телепортации.

Практически одновременно были созданы две эквивалентные математические теории, позволяющие описывать поведение объектов в микромире, – квантовая механика В. Гейзенберга и волновая механика Э. Шредингера. Шредингер, проникшись идеей де Бройля о волнах материи, создал свою теорию, в которой дискретные стационарные состояния уподоблялись стоячим волнам какой-либо системы. В аппарат квантовой теории прочно вошло в качестве ее основного уравнения – уравнение Шредингера относительно волновой функции ψ. Сам Шредингер интерпретировал ψ-функцию как реальный волновой процесс в пространстве и во времени, который, в конечном счете, должен приводить к отрицанию дискретных состояний и квантовых скачков. Однако копенгагенская школа физиков показала неадекватность подобных представлений, и волновая функция ψ стала интерпретироваться как волна вероятности, а квадрат ее модуля – как мера вероятности обладания микрообъектом определенной координаты или в другой, дополнительной к первой, физической ситуации – определенного импульса. Итак, волновая функция ψ, получившая свое название в связи с надеждой, что она описывает реальные волновые процессы, получила статус волны вероятности, чем еще раз подчеркивается статистический, вероятностный характер поведения микрообъектов. Казалось бы, что о причинно-следственном описании движения объектов следует забыть. Однако это не так. Уравнение Шредингера описывает эволюцию ψ-функции с течением времени, является детерминированным и обратимым. Детерминированность и обратимость уравнения Шредингера определяют ситуацию в квантовой механике, аналогичную ситуации в классической механике, однако квантовая механика обладает важным отличием, состоящим в том, что в квантовой теории предсказуемы только вероятности, а не отдельные события. Для того чтобы лучше разобраться в этом, следует выяснить, что означает понятие состояния в физике.

Все фундаментальные физические теории и частные законы не являются абсолютно точным отображением действительности. Они в большей или меньшей степени (в зависимости от введенных гносеологических предпосылок) соответствуют объективным закономерностям. По мере развития науки, углубления наших знаний менее точные теории сменяются более точными, описывающими те же самые формы движения материи, что и прежние теории, но охватывающие более широкий круг процессов. Именно так происходит, когда динамические теории сменяются статистическими.

Каждая фундаментальная теория имеет определенные границы применимости (гносеологические предпосылки). И эти границы устанавливаются весьма строго и точно, особенно если открыта более глубокая теория, описывающая те же самые процессы. Например, классическая механика Ньютона правильно описывает движение тел только в тех случаях, когда скорость их движения много меньше скорости света. Но это ограничение выявилось лишь после создания специальной теории относительности и релятивистской механики, справедливой для описания движения тел с любыми скоростями.

Но появление новой теории, например релятивистской механики, совсем не означает, что старая классическая механика утрачивает свою ценность. Движение макроскопических тел со скоростями, много меньшими скорости света, всегда будет описываться механикой Ньютона, потому что в этой области скоростей релятивистская механика дает ничтожные поправки, учет которых не имеет смысла.

Так мы подходим к принципу соответствия, утверждающему преемственность физических теорий. Идея Бора состояла в том, что поскольку законы классической механики подтверждаются с большой точностью в широкой области явлений, то следует считать, что и новая, более точная теория в применении к этим явлениям должна давать те же результаты, что и механика Ньютона. Никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в своей области.

В общей форме этот принцип формулируется так: теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, но сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новых теорий. Выводы новых теорий в области, где справедлива старая теория, переходят в выводы старых теорий.

Принцип соответствия представляет собой конкретное выражение в физике диалектики соотношения абсолютной и относительной истин. Каждая физическая теория – ступень познания – является относительной истиной. Смена физических теорий – это процесс приближения к абсолютной истине, процесс, который не будет никогда полностью завершен из-за бесконечной сложности и разнообразия окружающего нас мира.

Кроме того, новые теории не отрицают старых теорий именно потому, что старые теории с определенной степенью приближения отражают объективные закономерности природы. Таким образом, принцип соответствия отражает объективную ценность физических теорий.