Новости    Библиотека    Энциклопедия    Биографии    Ссылки    Карта сайта    О сайте


предыдущая главасодержаниеследующая глава

1. Возникновение и развитие квантовой теории. Трудности в ее физической интерпретации

Начало математического описания объективных явлений микромира связано с именами М. Планка, А. Эйнштейна, Н. Бор, Л. де Бройля, В. Гейзенберга, Э. Шредингера, В. Паули и других. Исходя из материалистического положения о единстве всего материального мира де Бройль пришел к заключению, что вещество, как и излучение, должно обладать волновыми свойствами. При этом де Бройль использовал то обстоятельство, что вещество и свет движутся в пространстве по одному и тому же закону, подчиняясь соответственно так называемым принципам Мопертюи и Ферма, что свидетельствует о родственности их природы. Де Бройль допустил, что электрону, имеющему энергию Е и компоненты импульса Рх, Ру, Рz, должна соответствовать волна


В теории де Бройля раскрывается связь между скоростью и массой частиц, с одной стороны, и соответствующей ее волновому движению длиной волны - с другой:


где h - постоянная Планка, m - масса частицы, v - скорость, λ - длина волны.

Оставляя пока в стороне конкретный анализ тех трудностей, с которыми столкнулся де Бройль, пытаясь интерпретировать движение как совокупность волны с "привязанной" к ней частицей, можно с уверенностью сказать, что первые попытки де Бройля послужили толчком для дальнейшего анализа явлений микромира.

Непосредственно после работ де Бройля в 1925-1926 гг. появились статьи австрийского физика Э. Шредингера, в которых впервые было дано уравнение для движения частицы с энергией Е в поле с потенциальной энергией U. Это уравнение имеет вид


Здесь ∇2 означает

ψ - волновая функция, характеризующая волновые свойства микрообъекта, m - масса частиц, h - постоянная Планка, Е - энергия частицы, U - потенциальная энергия поля. Это уравнение есть результат применения принципа Гюйгенса к волнам вещества, причем роль времени в формулировке принципа Гюйгенса здесь играет действие. Уравнение Шредингера имеет решение лишь при определенных дискретных значениях энергии Е, что нашло экспериментальное подтверждение в прерывном характере энергетических уровней атомов.

Итак, следует отметить, что теорию Шредингера и теорию де Бройля объединяет логически то обстоятельство, что они соединяют в себе наиболее широкие обобщения классической механики (принцип наименьшего действия), с одной стороны, и волновой оптики - с другой. С той только разницей, что в теории де Бройля классическая оптика выступала в виде геометрической оптики, подчиняющейся принципу Ферма, в то время как в теории Шредингера ее заменила более общая волновая оптика, подчиняющаяся принципу Гюйгенса.

Что касается физического смысла полученного уравнения Шредингера, то он оставался довольно неясным. Ясно было только то, что ψ функции являются некими характеристиками состояния микрочастиц. Первоначально де Бройль и Шредингер предположили, что волновая функция ψ представляет некоторое распределенное в пространстве поле, подобное электромагнитному и другим известным ранее полям. При этом, как предполагал Шредингер, стационарным состояниям атомов соответствуют собственные колебания этого поля- Однако, как это было доказано, подобная точка зрения на волновую функцию является ошибочной. Это можно показать исходя хотя бы из следующих соображений. Пока мы рассматриваем одну частицу, можно связать с волновой функцией ψ распространяющиеся в пространстве волны, определяющие ряд эффектов в движении микрочастиц со скоростью v, связанной соотношением де Бройля с фазовой скоростью волн u: Здесь мы еще не вышли за пределы наших классических, вернее, макроскопических представлений. Но с переходом к системам, содержащим n частиц (n>1), положение с наглядностью принимает плачевный вид. Обобщенное уравнение Шредингера, призванное описывать такой процесс, имеет вид:


где m1, m2...- массы движущихся частиц, a ∇21, ∇22... - соответствующие операторы Лапласа.

В данном уравнении волновая функция ψ - это функция не трех пространственных координат и времени, а Зn координат и времени, т. е. она задана не в реальном трехмерном пространстве, а в так называемом 3n-мерном конфигурационном пространстве; при этом волновое уравнение теряет непосредственный наглядный характер. Следовательно, обобщение понятия волновой функции на случай многих взаимодействующих частиц приводит к определенной абстракции, лишенной непосредственной наглядности. Вышеуказанные соображения, призванные показать несостоятельность попытки де Бройля и Шредингера интерпретировать функцию как некое реальное поле, не являются единственными. К аналогичным выводам можно прийти анализируя явление редукции волновой функции при измерении, что будет рассмотрено ниже.

Необходимо отметить, что подобную "потерю наглядности" нельзя рассматривать как попытку оторвать математическое описание явления от самого явления, объективно развивающегося в пространстве и времени вне нашего сознания. История развития науки показала, что относительно не наглядные символические построения с течением времени получают физическую, пространственно-временную интерпретацию и становятся элементами реальной картины мира.

Наиболее важным, плодотворным результатом теорий де Бройля и Шредингера является тот факт, что в новой картине мира состояние физической системы описывается волновой функцией, являющейся математическим отражением объективных корпускулярно-волно-вых свойств микрочастиц.

Как Шредингер, так и де Бройль пытались адекватно отобразить объективные явления микромира с помощью классических обобщений, т. е. на базе макроскопической механики и волновой оптики. Однако при таком подходе в значительной степени не учитывалась качественная специфика микромира. Почти одновременно с де Бройлем и Э. Шредингером В. Гейзенберг создал так называемую матричную механику, являющуюся, по существу, своеобразным изложением квантовой механики. При этом Гейзенберг, так же как и де Бройль и Шредингер, исходя из опытных данных пытался перейти от непрерывно-классических понятий обычной механики к дискретно-квантовым. Если Шредингер и де Бройль ставили перед собой задачу более углубленного изучения волн "материи" обычными методами макроскопической физики, то выступление Гейзенберга с его математической трактовкой квантовой механики базировалось на утверждении, что в теорию микромира должны входить только наблюдаемые величины. Причем свое утверждение Гейзенберг возвел в ранг принципа "принципиальной наблюдаемости", трактуемого в чисто позитивистском духе: физическая реальность существует постольку, поскольку она является предметом наблюдения. Он стремился целиком отказаться от классических представлений, связанных с картиной электрона, движущегося в атоме по определенной орбите с определенным импульсом. Это было обоснованное, стихийно-материалистическое стремление отобразить качественную особенность новых явлений, поэтому, собственно говоря, Гейзенберг и пришел к тем же результатам, что и Шредингер и де Бройль. Совершенно ясно, что проникновение в мир ничтожно малых по своим размерам частиц, количественно резко отличающихся от макромира, должно было привести к открытию новых качественных характеристик данного вида материи, новых законов природы. Однако позитивистский тезис Гейзенберга о "принципиально наблюдаемых величинах" ни в какой мере не согласовывается с основами его теории и является чисто идеалистическим наслоением. Некоторые зарубежные физики придают этому принципу чуть ли не главное значение в создании квантовой теории. Причем этот вопрос трактуется примерно так: Гейзенберг исходя из "начала принципиальной наблюдаемости" полностью отказался от понятия электронных орбит в атомах, которому на опыте не соответствует ничего наблюдаемого, и обратился к изучению непосредственно наблюдаемых (и измеримых) величин - к частотам излучения и к интенсивности излучения. Исходя из этих данных он создал новую квантовую механику. Как правильно отметил Д. И. Блохинцев, такой взгляд на сущность квантовой механики является субъективно-идеалистическим, опирающимся, по существу, на маховскую концепцию "комплекса ощущений" и внутренне несостоятельным (147. 1951. 14(2)). Дело не в том, наблюдаются или не наблюдаются те или иные величины, вводимые в теорию,- дело в их своеобразной, неклассической природе, обнаруженной атомной физикой.

Действительной основой для создания новой теории послужило не пресловутое "начало принципиальной наблюдаемости", а новые, До этого неизвестные факты, значение которых получило далеко не полное объяснение в первоначальных постулатах Бора. Выше отмеченные факты заключались в том, что измеряемые на опыте атомные частоты ωik и интенсивности излучения Iik характеризовались Двумя квантовыми индексами i и k (i и к - индексы начального и конечного состояния атомной системы). Такой характер частот и интенсивностей, излучаемых атомными системами, показал неприменимость к ним классической механики и послужил основой построения квантовой механики. Между прочим, тогда не было еще доказано, что представление об электронных орбитах в атомах не соответствует действительности. Поэтому вышеуказанные данные давали на первом этапе только возможность предположить несостоятельность применения классической механики к атому. Это означает, что Гейзенберг использовал фактическую (а не принципиальную) ненаблюдаемость орбит и опирался на опытные данные, противоречащие классической механике. Если бы не влияние субъективного идеализма, то, очевидно, Гейзенберг не возвел бы опытный факт в махистский принцип "принципиальной наблюдаемости", который в корне противоречит физике микромира и диалектико-материалистической теории познания.

Одновременно с математической интерпретацией явлений микромира Гейзенберг вводит также свой так называемый принцип неопределенности, опирающийся на соотношение неопределенностей для импульса и координаты микрочастицы:


где Δх - неопределенность в измерении координаты микрообъекта в некоторый момент времени; Δрх - неопределенность в измерении соответствующей составляющей импульса микрообъекта в тот же момент времени. Причем Гейзенберг вывел это соотношение не непосредственно из математического аппарата квантовой механики, а на основании рассуждений, относящихся к некоторым мысленным экспериментам с одной микрочастицей. Рассмотрим для примера мысленный эксперимент Гейзенберга с дифракционной щелью. Предположим, что электрон, имеющий импульс р, проходит через вертикальную щель d. Если мы будем сужать щель, то можно будет определить координату электрона в направлении щели. При этом неточность в определении координаты электрона будетΔx≈d. Однако, проходя через щель, электрон (вследствие дифракции) приобретает добавочный импульс в направлении щели согласно уравнению де Бройля. Отсюда следует, что

Как легко видеть, в этих суждениях основную роль играет сопоставление классических корпускулярных и волновых понятий в применении к отдельным атомным объектам. Оставляя на дальнейшее подробный разбор истолкования этого соотношения Гейзенбергом и Бором, отметим, что соотношения неопределенностей можно написать не только для рх и х, но и для энергии и времени, числа частиц и фаз волны в квантовых полях. Это не случайно. Оказывается, что соотношение неопределенности может быть выведено из математического аппарата квантовой механики и является, по существу, логическим следствием новой теории. Используя свойства волновой функции в ее статистической интерпретации при помощи суперпозиции, можно вывести соотношение для Δх2 и Δp2ч. Оно имеет вид:


и относится к совокупности частиц. Итак, соотношение неопределенностей, выведенное Гейзенбергом на основании мысленных экспериментов, относится к единичному эксперименту, в то время как соотношение, выведенное из математического аппарата квантовой механики, относится к совокупности тождественных экспериментов. Причем последнее соотношение выводится исходя из свойств волновой функции и в зависимости от физического смысла последней получает свой физический смысл. Можно показать, что соотношение неопределенностей является отражением реально существующих корпускулярно-волновых свойств, присущих микрочастицам. В квантовой механике наличие у микрообъектов этих свойств отражается в том, что, в отличие от статистических представлений классической физики, вероятности и статистические средние выражаются через волновые функции и операторы. При этом, если некоторая волновая функция, характеризующая микрообъект, является собственной функцией оператора, можно вычислить собственное значение оператора. Если же волновая функция не является собственной функцией оператора, то можно вычислить только среднее значение оператора, которое также может быть найдено на опыте. Все это означает, что нахождение собственного или среднего значения оператора представляет собой измерение квантовой величины, с которой сопоставляется оператор. Далее, в квантовой механике доказывается, что если операторы коммутируют, то они имеют общие волновые функции, следовательно, собственные значения таких операторов совместимы. Если же операторы не коммутируют, то они не имеют общих волновых функций, поэтому собственные значения этих операторов несовместимы. Например, для операторов импульса и координаты перестановочные соотношения имеют вид:


где - совокупность (е = 1, 2, 3) проекций импульса (вернее, операторы проекций импульса), - операторы координат.

Собственные значения этих операторов несовместимы, а это и есть соотношение неопределенностей в операторной форме. По существу, выше написанное соотношение есть соотношение между квантовым импульсом и координатой со всеми специфическими корпускулярно-волновыми свойствами квантовых объектов, выражаемыми математически с помощью замены обычных классических величин. Из операторной формулировки соотношения неопределенностей может быть выведена приведенная выше обычная форма записи этого соотношения:


Создание квантовой механики было новым, крупным шагом в познании законов движения, углублением наших знаний об объективном мире. Рассмотрим, например, качественное различие между законами движения частицы в классической и квантовой механике при условии, что частица не может выйти за пределы ограниченной области пространства. Согласно классической механике, частица может обладать любой, в том числе сколько угодно малой, энергией или вообще находиться в покое. Квантовая механика показала, что пространственное ограничение движения частицы неразрывно связано с количеством ее энергии. Так, например, в пространстве, в котором выделен куб с ребром "а", минимальная энергия частицы, связанная с ограничением ее движения, равна:


Так как законы движения, описываемые классической механикой, на ребра куба в сантиметрах, h - постоянная Планка. В условиях атомных размеров (r - атома ~ 10-8см, m = 9*10-28г)

Так как законы движения, описываемые классической механикой, установлены для больших масс и малых (по сравнению со скоростью света) скоростей, то существующая в природе связь между энергией частицы и пространственным ограничением ее движения и не была выявлена.

В условиях действия законов классической механики, даже при небольших (по ее масштабам) величинах массы и энергии, минимальная энергия представляет исчезающе малую величину. Так, например, возьмем тело массой в 1 г и ограничим его движение размерами порядка 1 см. При этих условиях минимальная энергия составит:


Приравняв эту энергию к кинетической энергии движения частицы найдем скорость:


Для того чтобы при равномерном движении с такой скоростью частица сместилась на 1 см, потребовалось бы около ~1026 с, или ~1019 лет. Поэтому классическая механика могла с полным основанием считать, что покой является одним из возможных состояний частицы и что локализация частицы в пространстве никак не связана с количеством энергии. Но для частиц с достаточно малой массой неприменимы представления классической механики о покое, о независимости энергии частицы от ее локализации в пространстве. Из законов движения, установленных квантовой механикой, следует, что всякое пространственное ограничение движения неизбежно связано с повышением интенсивности движения и поэтому никакое взаимодействие не может прекратить движение частицы.

Квантовая механика показала одну из форм противоречивых тенденций, свойственных механическому движению, заключающуюся в том, что всякая тенденция к пространственному ограничению движения неразрывно соединена с тенденцией к увеличению количества движения. Взаимосвязь между этими двумя противоречивыми тенденциями количественно выражается соотношением неопределенности, гласящим, что произведение Δx* Δpx≥h.

Чем резче проявляется пространственное ограничение движения, локализация объекта, тем меньше Δх и, следовательно, тем больше Δрх, т. е. резче становится тенденция к возрастанию количества движения, к увеличению скорости движения и преодолению пространственного ограничения.

Квантовая механика в своей основе отрицает представление о. движении как сумме состояний покоя. Она глубже раскрывает сущность движения, так как показывает, что всякое явление, ограничивающее положение частицы в пространстве, в то же время изменяет ее количество движения.

Некоторые зарубежные физики и философы пытаются истолковать эти объективные свойства движущейся материи, вскрытые квантовой механикой, с позиций агностицизма. Так. известный швейцарский физик-теоретик В. Паули в 1948 г. писал: "Законы природы препятствуют наблюдателю достигнуть одновременного знания энергетически-импульсных и пространственно-временных величин атомного объекта. Знание одних величин достигается безвозвратной потерей знания других величин, и экспериментатору предоставляется свобода выбора между двумя взаимоисключающими экспериментальными установками" (184.1948.7-8, 307).

Дело не в том, что "природа препятствует" эксперименту, а в том, что нельзя измерить то, чего нет в природе, а именно: мы только мысленно можем изолировать, разорвать связи между материей, движением, пространством и временем, но в действительности они неразрывно связаны. В макромире при малых скоростях движения тел (по сравнению со скоростью света в вакууме) эта взаимосвязь не так бросалась в глаза, хотя теория относительности доказала ее существование. В микромире она приобрела принципиальное значение, так как были установлены новые связи между характеристиками пространства, времени и движения. "Независимости" ряда характеристик движущейся материи пришел конец, тем более что особая, неклассическая сущность микрообъектов потребовала новых понятий для своего отображения.

Итак, вначале была построена математическая часть квантовой механики вместе с некоторыми, на первый взгляд формальными, правилами, связывающими теорию с экспериментом. Причем математический аппарат нерелятивистской квантовой механики, не содержащий никаких внутренних противоречий, успешно применялся к решению конкретных задач атомной физики. Однако физическое толкование его оставалось неясным. На повестку дня встала необходимость удовлетворительной физической интерпретации готового математического аппарата квантовой механики. Необыкновенная новизна идей этой механики, крушение старых классических концепций при применении их к явлениям микромира поставили перед физиками не только задачу физического осмысливания полученных данных, но и проблему философского обобщения новых идей. Однако при решении поставленной выше задачи ряд физиков Запада, создателей квантовой механики, часто давали ошибочные философские толкования физических процессов. В первую очередь это объясняется тем, что физики капиталистических стран были стихийными материалистами, но не знали или игнорировали диалектический материализм, единственно научное и верное учение о движении и развитии материального мира. Поэтому, встретившись с неприменимостью механистического материализма, пытавшегося объяснять все явления природы при помощи законов механики Ньютона, к явлениям микромира, эти ученые искали ответы с помощью господствующей в буржуазном обществе антинаучной идеалистической философии. Как известно, в своей научной деятельности большинство физиков капиталистического мира стоят на стихийно-материалистических позициях, но в области философских обобщений результатов даже своих собственных исследований они нередко скатываются на позиции идеализма и агностицизма.

В. И. Ленин вскрыл суть этого процесса, заключающегося "в отбрасывании объективной реальности вне сознания, т. е. в замене материализма идеализмом и агностицизмом" (2, 18, 272- 273).

Для выяснения физического смысла понятий квантовой механики многое сделали Н. Бор, В. Гейзенберг и М. Борн.

Рассмотрим физическую и философскую концепции так называемой копенгагенской школы, выдвинутые в работах Бора и Гейзенберга, посвященных квантовой механике.

В квантовой механике рассматривается частица и непрерывная волна ψ(волновая функция частицы), однако ни ту, ни другую нельзя представить себе классически. Нельзя считать, что частица находится в какой-то определенной точке пространства, имеет определенный импульс и траекторию. Она может проявлять себя как находящаяся в определенной точке пространства или имеющая определенный импульс лишь в тот момент, когда производится наблюдение или измерение. Частица в каждый данный момент обладает целым рядом возможных состояний движения, причем эти различные возможности могут осуществляться в момент измерения с некоторыми вероятностями. Это означает, что волна ψ характеризует неопределенность положения частицы, которая может обнаружить свое присутствие в любой точке области распространения волны с вероятностью, пропорциональной квадрату амплитуды волны ψ в этой точке. Так же обстоит дело и в отношении движения: функция ψ может быть разложена в ряд или интеграл Фурье, и это разложение представляет все возможные результаты измерения количества движения. Причем вероятность каждого возможного результата такого измерения дается квадратом соответствующего коэффициента разложения Фурье. Настоящая интерпретация развивается в чрезвычайно общей форме, применимой ко всякой измеримой величине; с математической стороны она чрезвычайно изящна и оперирует со всеми средствами линейного анализа: теория функции и собственных значений, разложение в ряды по собственным функциям, матричное исчисление, пространство Гильберта и т. д. При этом неизбежным следствием этого формализма является соотношение неопределенностей Гейзенберга.

Представители "копенгагенской школы" приходят к выводу, что частица не является определенным объектом в пространстве и времени - она представляет собой лишь совокупность возможностей, связанных с вероятностями. Что касается волновой функции ψ, то она даже в большей степени, чем частица, теряет свое прежнее физическое значение. Она есть только представление вероятностей, зависящее от знаний, которыми располагает тот, кто ее применяет; ψ-функция персональна и субъективна, как и распределение вероятности, и подобно этому распределению может внезапно изменяться, когда тот, кто ее использует, получает новые данные: Гейзенберг назвал это "сведением (reduction) волнового пакета при измерении". Вместе с тем исчезает свойственное классической физике понимание детерминизма явлений, опирающееся на возможность составить себе точное представление о физической реальности в пространстве и времени. Это означает, что нельзя больше достоверно предвидеть явления, которые будут происходить. Мы можем лишь определять вероятности различных возможных явлений. Несмотря на то что в промежутках между измерениями вероятности изменяются вполне определенным образом в соответствии с волновым уравнением, каждое новое измерение или наблюдение, давая новые сведения о процессе или явлении, прерывает установленный до измерения ход изменения вероятностей.

Рассмотрим философский аспект этой концепции. Следует отметить, что вышеизложенная интерпретация Бора и Гейзенберга не только сводит все физические закономерности к вероятности, но и придает этому понятию смысл, который явился совершенно новым в то время. Если в классических теориях, например таких, как кинетическая теория газов, вероятностные законы рассматривались как результат нашего незнания полностью детерминированных, но беспорядочных и сложных перемещений огромного числа молекул, то чисто вероятностная трактовка квантовой механики отрицает классическое объяснение вероятностных законов. Вероятностное описание в квантовой механике, по мнению Бора, обусловлено не тем, что мы не знаем скрытых параметров, которыми являются координаты и скорость микрочастицы, а тем, что скрытые параметры, по-видимому, не существуют, так как частица может обнаружиться с определенными координатами или вполне определенной скоростью лишь мимолетно, в момент наблюдения или измерения.

Переходя к анализу вероятностной интерпретации квантовой механики отметим в первую очередь, что одной из основных идей Бора была идея о том, что квантово-механическое описание свойств микрообъекта должно сочетаться с классическим описанием экспериментальной установки, являющейся средством наблюдения или измерения. С помощью прибора, описываемого классически, мы получаем распределение вероятностей (математически выражаемое ψ-функцией) для той или иной величины, характеризующей микрообъект. Бор подчеркивает, что "описание экспериментальной установки и регистрация наблюдений всегда должны быть выражены на обычном языке, пользующемся терминологией классической физики" (184.1948.7-8, 315). Мысль Бора о том, что проведение эксперимента с микрочастицами требует привлечения измерительных приборов, подчиняющихся законам классической физики, ни у кого не вызывает сомнений. Однако если обратиться к философской трактовке последнего обстоятельства Бором и Гейзенбергом, то сразу же бросается в глаза гипертрофия роли прибора, что неизбежно приводит к недооценке роли абстракции и того отправного момента в материалистической теории познания, что предметом изучения квантовой теории являются объективные, реальные свойства микрообъектов, а не показания приборов, которые только переводят на классический язык с определенной степенью точности качественно и количественно отличные от макромира события в микромире. Хорошо известно, что такие свойства томных объектов, как заряд, масса, спин и законы взаимодействия частиц с внешними полями, совершенно объективны и абсолютно не зависят от средств наблюдения. При этом перечисленные свойства микрообъектов требуют привлечения для своей характеристики новых, квантово-механических понятий. Эта ситуация особенно характерна для задач многих тел. Поэтому показания приборов, вообще говоря, играют важную, но не единственную роль в изучении микроявлений.

Развивая мысль о роли прибора в познании микроявлений, Н. Бор писал: "Тот факт, что квантовые явления не могут быть анализированы в духе классической физики, влечет за собой невозможность разделить поведение атомных объектов от их взаимодействия с измерительными приборами, которые фиксируют условия, в которых происходят явления. В частности, неделимость типичных квантовых эффектов выражается в том, что всякая попытка подразделить явления требует изменения экспериментальной установки, каковое изменение вносит новые источники неконтролируемого взаимодействия между объектами и измерительными приборами" (184.1948.7-8, 317).

Мысль, высказанная в первом предложении, правильна потому, что как сами состояния атомных объектов, так и изменения этих состояний, естественно, зависят от внешних условий, окружающих атомный объект. Поэтому необходимо определенным образом их фиксировать. Что касается второго предложения, то невозможность отделения поведения атомных объектов от их взаимодействия с измерительными приборами Бор понимает не в смысле взаимосвязи между изучаемым явлением (микрообъектом) и окружающим его полем вместе с внешними предметами (последнее, безусловно, верно), а в том смысле, что сам атомный объект как бы растворяется в измерительном приборе, становясь менее реальным, чем измерительный прибор. Переоценка роли прибора, несомненно, является данью позитивистской философии и обусловлена влиянием махизма. Слова же Бора о так называемом неконтролируемом взаимодействии требуют особого рассмотрения.

Известно, что за мысль о неконтролируемом взаимодействии в процессе измерения ухватились некоторые физики и философы-идеалисты, пытаясь обосновать с помощью этого утверждения идеалистический вывод о непознаваемости процесса взаимодействия. Однако слова Бора о неконтролируемом взаимодействии можно понимать как своего рода попытку пояснить на языке классической физики то положение вещей, которое возникает из соотношений неопределенности Гейзенберга, в применении к взаимодействию между объектом и прибором. Поэтому весьма неудачный термин Бора "неконтролируемость" означает попросту невозможность поставить добавочное измерение, не нарушая условий данного измерения или нового состояния микрообъекта.

Бор не дает строгого определения измерительного прибора. Неясно, считает ли он, что измерительный прибор содержит в себе ту часть экспериментальной установки, где объект находится в фиксированных внешних условиях и где явление развивается без искажений, или же он относит к прибору ту часть опытной установки, которая вступает в действие только в последней стадии эксперимента и регистрирует результаты измерения. Как показал академик В. А. Фок, Бор не проводит разграничения между частями измерительного прибора, поэтому слова о "неконтролируемом взаимодействии" относятся, по-видимому, только к регистрирующей части установки. Утверждение же, что измерительные приборы фиксируют условия, в которых происходят явления, очевидно, относится только к рабочей части, где оно развивается без помех. Имея в виду упомянутую выше неточность Бора в определении понятия прибора, В. А. Фок пишет: "В результате этой неточности (возможно, умышленной) затушевано существенно важное различие между поведением объекта в фиксированных внешних условиях и его поведением в условиях, не вполне определенных. Поведение объекта в фиксированных внешних условиях в поле определяется начальным состоянием и свойствами самого объекта и может быть весьма точно описано на языке квантовой механики. Результат же последнего этапа измерения, связанного с взаимодействием объекта с регистрирующей частью измерительного прибора, должен уже описываться на языке классической физики, причем вероятность того или иного результата вычисляется по формулам квантовой механики" (147.1951.45(1), 7).

Таким образом, становится очевидным, что как идея о растворении атомного объекта в измерительных приборах, так и утверждение о непознаваемости процессов в области микромира свидетельствуют о реальных трудностях квантовой механики. Интересен также тот вывод, который Бор пытается сформулировать в весьма общей форме на основании приведенных выше высказываний: "При таком положении вещей приписывание атомным объектам обычных, условно принятых, физических атрибутов (conventional physical attributes) связано с неоднозначностью" (184.1948.7-8, 317),

Неясно, что понимает здесь Бор под условными физическими атрибутами. Фраза была бы верна, если бы под условными физическими атрибутами понимались такие классические понятия, как координата и импульс микрочастицы. Тогда это означало бы, что приписывание микрообъекту при всех условиях определенной координаты или определенного импульса объективно не имеет смысла, поскольку, согласно квантовой механике, классические понятия в атомных системах имеют ограниченную применимость. Однако если следовать этой линии Бора буквально, то под физическими атрибутами могут пониматься и такие объективные свойства микрочастицы, как заряд, масса, спин и т. п., присущие ей независимо от измерений. Поэтому приписывание этим объективным свойствам микрочастиц какой-то мистической неоднозначности является в первую очередь физической ошибкой.

В основу понимания квантовой механики Бор положил так называемый принцип дополнительности, являющийся фундаментальным положением ее копенгагенской трактовки. Вводя этот принцип, Бор как бы "угадал" существующую объективную диалектику микрообъектов, но не преодолел до конца метафизический отрыв и противопоставление их корпускулярных и волновых свойств. Согласно этому принципу, возможны два класса экспериментальных установок: первый класс допускает определение импульсно-энергетических соотношений, второй- пространственно-временных. Одновременное применение обоих типов установок исключается. Иными словами, "квантовое описание" явлений распадается на два наблюдаемых класса, которые являются дополнительными друг к другу в том смысле, что в классической физике их совокупность дает полное описание. Отсюда видно, что в принципе дополнительности подчеркивается не сам факт существования новых по своей природе объектов с их новыми свойствами, а прежде всего возможности макроскопических измерительных приборов. На первый план выдвигаются не особенности микромира, следствием которых и является невозможность с любой степенью точности изучать их методами классической физики, а возможности наблюдателя, оперирующего с макроскопическими величинами и понятиями. Вместо признания того очевидного факта, что назначением квантовой механики является более глубокое изучение явлений микромира, Бор говорит: "Надлежащим средством для дополнительного способа описания является аппарат квантовой механики" (184.1948.7-8, 320). Подобные утверждения отводят квантовой механике только роль формального математического аппарата, призванного удовлетворительно описать результаты измерений. Бор считает, что математический аппарат квантовой механики имеет сугубо символический характер. Он говорит, что в этом аппарате "сохраняются канонические уравнения классической механики, но физические переменные заменяются символическими операторами, подчиненными некоммутативной алгебре" (184.1948.7-8, 320). Напрашивается вполне естественное возражение. Математика всегда оперирует символами, однако в физической теории эти символы допускают определенное физическое толкование. Это положение справедливо независимо от сложности используемого математического аппарата. По Бору же, получается, что классическая механика имеет дело с физическими величинами, а квантовая - лишь с символическими операторами. Такое противопоставление может быть истолковано как отрицание реальности существования и свойств объектов, являющихся предметом изучения квантовой механики. Бор не был идеалистом.В его мировоззрении постепенно пробивала себе дорогу диалектико-материалистическая тенденция. Он в конечном счете признавал реальность явлений, описываемых физикой. Но и в последний период своей жизни Бор отстаивал свои взгляды на истолкование принципов квантовой механики. Подтверждением этой точки зрения могут служить слова И. Е. Тамма: "Долгое время у нас говорили о копенгагенской школе, о копенгагенской интерпретации квантовой теории, наконец, о том, что Бор в последнее время изменил свою первоначальную точку зрения. Несомненно, что не существует сколько-нибудь правомерных интерпретаций квантовой теории, отличных от так называемой копенгагенской. Что же касается последнего вопроса, то в ФИАНе мы его задали Бору. Он определенно и четко сказал: "Я не менял в своих взглядах ни единого слога. Просто некоторые из нас раньше не понимали, а потом поняли и согласились" (126, 16-17).

Уточняя терминологию, Н. Бор вопреки собственным утверждениям усиливает тенденцию материалистического истолкования квантовой механики. В предисловии к сборнику "Атомная физика и человеческое познание" он пишет "Темой статей является теоретико-познавательный урок, преподанный нам современным развитием атомной физики, и его значение для анализа и синтеза во многих областях человеческого знания" (16, 9). И независимо от отношения Н. Бора к диалектико-материалистической философии - это урок в пользу диалектического материализма. Л. А. Слив в статье "Три встречи с Нильсом Бором" писал, что на его вопрос, признает ли Бор, что электрон существует вне нашего сознания и является объективной реальностью, он ответил: "Конечно, разве физик может изучать предмет, существующий только в его голове? Об этом философы могут спорить. Физик изучает реальные предметы и события" (126, 47). И дальше он говорил: "Когда я пишу о нарушении детерминизма в квантовой механике, я имею в виду причинность классической механики. Только такую причинность физики знали до квантовой механики и потому я не мог писать иначе, меня бы не поняли" (126, 47).

В своих ранних статьях по квантовой механике Н. Бор высказывался против принципа причинности, но в последних публикациях он выступает только против однозначной детерминированности, а не против принципа причинности вообще. Н. Бор утверждал, что соотношения неопределенности явным образом указывают на ограниченность причинного рассмотрения. Такое толкование неверно как с физической, так и с философской точки зрения. Действительно, отсутствие однозначного детерминированного классического описания еще не означает потери причинности в общефизическом и тем более в философском смысле. Квантовая механика указывает на ограниченность чисто классического описания и ставит задачу отыскания новых видов причинных связей между явлениями, объективно развивающимися в пространстве и времени. Если бы понятия координаты и импульса, например, были, как в классической (макроскопической) физике, неограниченно применимы к микрообъектам, то невозможность измерить их одновременно явно противоречила бы материалистическому принципу безграничной познаваемости мира. Квантовая механика отвергает детерминизм только лапласовского типа (механический детерминизм), однако она нисколько не противоречит принципу причинности, как его понимает диалектический материализм.

предыдущая главасодержаниеследующая глава










© Злыгостев Алексей Сергеевич, подборка материалов, оцифровка, статьи, оформление, разработка ПО 2001-2019
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник:
http://physiclib.ru/ 'Библиотека по физике'

Рейтинг@Mail.ru