Наблюдатель и квантовая механика

Идеалистические концепции, согласно которым наблюдатель оказывает определяющее влияние на объект, не навязаны физике извне. Они имеют корни в самом физическом познании и возникают в результате одностороннего, преувеличенного развития «одной из черточек, сторон, граней познания...» '.

Рассматривая проблему наблюдателя в специальной теории относительности под этим углом зрения, мы могли заметить, что в ходе развития теории создавались предпосылки для исключения идеалистически гипертрофированной трактовки роли наблюдателя. Если в первоначальных ее формулировках роль наблюдателя всячески подчеркивалась, причем не только в философской, но и в физической литературе, то в дальнейшем была найдена интерпретация Минковского, которая элиминировала наблюдателя. Совершенно иная картина наблюдалась в квантовой механике. В более поздних интерпретациях квантовой теории роль наблюдателя подчеркивалась в значительно большей степени, чем в ранних.

Основным уравнением квантовой механики является уравнение Шредингера

iħ(∂Ψ/∂t) = ĤΨ

представляющее собой математическое описание изменения волновой функции Ψ во времени; здесь Н — гамильтониан, или оператор энергии, а h == ħ /2n, где ħ — постоянная Планка. Первоначально волновая функция отождествлялась с классическим полем, распределенным в пространстве аналогично электромагнитному полю. Согласно Э. Шредингеру, который предложил эту интерпретацию волновой функции, стационарным состояниям атома соответствуют собственные колебания поля. В отличие от Э. Шредингера, Л. де Бройль рассматривал поле

' В. И. Ленин. Пола. собр. соч., т. 29, стр. 322.

как носитель частиц. Такого рода модель получила название волны-пилота.

В изложенных интерпретациях квантовой механики наблюдатель не играл качественно новой роли в структуре физического знания по сравнению с его ролью в классических теориях, например в механике Ньютона или электродинамике Максвелла. Однако, как выяснилось в дальнейшем, эти интерпретации были ошибочными в физическом отношении. Было установлено, что волновую функцию нельзя рассматривать как описание поля и волн в классическом их смысле. В связи с этим М. Борн предложил понимание волновой функции, согласно которому последняя описывает особого рода волны — так называемые волны вероятности. Борновская интерпретация привела к новой постановке вопроса о роли наблюдателя в структуре квантовой механики.

В новой интерпретации волновая функция уже не отождествлялась с классическим полем, а рассматривалась как описание измерений, проводимых над квантовым объектом. Квадрату модуля волновой функции соответствуют вероятности исходов таких измерений. Если мы запишем волновую функцию в координатном представлении, то квадрат ее модуля — |Ψ|^2, помноженный на элемент конфигурационного пространства dq, определит вероятность того, что измерения квантового объекта обнаружат его в этом элементе dq.

Сама по себе вероятностная трактовка волновой функции не содержит в себе ничего идеалистического. Наоборот, она является более глубокой в физическом отношении, полнее соответствует природе квантовых объектов. Именно с ней были связаны последующие достижения квантовой механики. Но вместе с тем она явилась предпосылкой одного из вариантов операционалистской интерпретации квантовой механики, согласно которому эта теория описывает не объективные законы микромира, а измерительные операции наблюдателя.

Квантовая механика, принимающая вероятностную трактовку волновой функции, конечно, не эквивалентна операционалистской точке зрения. Операционализм в квантовой механике представляет собой такую же односторонность, как и в специальной теории относительности. Для его критики важное значение имеет уточнение понятий «прибор», «измерение».

Когда в квантовой механике говорится об измерительном приборе, под этим не обязательно подразумевается прибор, созданный и контролируемый человеком. Прибор в данном случае означает классический объект, т. е. объект, которому в любой момент времени могут быть приписаны такие динамические характеристики, как импульс и координата, время и энергия. Прибор подчиняется законам классической механики и может быть описан на ее языке. Аналогичным образом уточняется и понятие измерения, под которым не обязательно понимается деятельность экспериментатора, направленная на определение численных характеристик, свойств квантовых объектов. Измерение означает взаимодействие, существующее между квантовым объектом и классическим объектом'.

Если будет принята такая трактовка прибора и измерения, то станет совершенно ясно, что квантовая механика дает объективное описание микромира. Она имеет дело не с операциями, осуществляемыми человеком, а с объективными свойствами микромира. Правда, квантовая механика, как и любая другая научная теория, имеет дело не с объектами самими по себе, а со свойствами объектов, которые выявляются в их взаимодействиях с другими объектами. Свойства, которые отображаются квантовой механикой, представляют собой свойства микромира, проявляющиеся во взаимодействии квантовых объектов с классическими объектами.

Известно, что в разных объективных условиях могут проявляться различные свойства данного объекта. Это — общее правило, справедливое и для микромира. Но микрообъекты обладают следующей важной особенностью:

различные типы внешних условий могут оказаться для них несовместимыми. Например, рассеяние электронов в кристалле выявляет их волновые свойства. Но вместе с тем эти же макроусловия исключают возможность точной пространственной локализации электронов.

Таким образом, объекты микромира обладают специфической относительностью. Эта относительность была названа В. А. Фоком относительностью к средствам наблюдения. Она может рассматриваться как квантовоме-ханический аналог относительности к системам отсчета,

' См. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Квантовая механика. М., 1974, стр.15.

с которой имеет дело специальная теория относительности. Как и в последнем случае, эта относительность носит объективный характер1.

Критикуемая нами версия квантовой механики соответствует бриджменовскому операционализму, усматривающему в измерительной деятельности предмет физического познания. Наряду с ней существует еще одна версия, связанная с истолкованием такого специфического явления, как редукция волновой функции. Сущность этого явления состоит в следующем. Волновая функция описывает распределение вероятностей взаимодействий квантового объекта с классическим объектом. На ее основе можно предсказать вероятности исходов измерений. Фактическое осуществление измерения указывает на то, какая из возможностей реализовалась. Реализация одной из возможностей приводит к изменению волновой функции, ее редукции к реализованной возможности. При этом первоначальная волновая функция должна быть заменена новой в соответствии с результатами измерений.

Редукция волновой функции, казалось бы, означает, что знание человека влияет на состояние квантовой системы. Действительно, информация о реализовавшихся вероятностях побуждает нас изменить описание состояния квантовой системы на языке волновой функции. Именно это обстоятельство и служит исходным пунктом для такой интерпретации квантовой механики, сущность которой состоит в рассмотрении знаний наблюдателя как источника изменения квантового объекта. Данная интерпретация носит идеалистический характер и опирается, как мы увидим, на позитивистский критерий реальности. Рассмотрим ее подробнее.

Известный западногерманский физик и философ К. Ф. фон Вайцзеккер в статье «Классическое и квантовое описания» отмечает, что квантовая механика допускает два способа изменения волновой функции:

1 Представляется, что предложенный В. А. Фоком термин «относительность к средствам наблюдения» неадекватен выражаемой этим термином идее и недостаточно передает мысль об объективном характере относительности. Ведь указанная относительность имеет место и в тех ситуациях, когда нет ни наблюдателя, ни наблюдения. Она представляет собой относительность проявления свойств микрообъектов к несовместимым макроусловиям. Поэтому ее лучше назвать «относительностью к макроусловиям», что более точно передает содержание мысли В. А. Фока об объективном характере этой относительности,

а) непрерывно, согласно закону движения, и б) прерывно, согласно изменению знания. Первый способ соответствует ее изменению согласно уравнению Шредингера, второй — редукции волновой функции. Если бы, продолжает Вайцзеккер, имело место только а), то тогда можно было бы сказать, что волновая функция относится к свойствам вещей и характеризует объективное состояние последних. Если бы имело место только б), то вектор состояния (т. е. волновую функцию) можно было бы квалифицировать как выражение нашего знания. Однако в действительности квантовая механика не может освободиться ни от а), ни от б) и принимает оба эти способа изменения волновой функции. Поэтому волновая функция в разных ситуациях имеет различное содержание. В одном случае она выступает объективной характеристикой объектов, в другом — субъективной, зависящей от знаний наблюдателя '.

Проблема редукции волновой функции — одна из наиболее сложных и актуальных в квантовой механике. Ей посвящается значительное число работ как теоретико-физического, так и философского плана. Некоторые ученые находят, что допущение редукции волновой функции приводит к рассогласованности квантовой теории. Например, Й.-М. Яух отметил, что измерительный процесс в квантовой механике характеризуется чертами, несовместимыми с уравнением Шредингера. Во-первых, измерение завершается необратимой записью результата, что противоречит временной обратимости квантовомеха-нического уравнения движения. Во-вторых, в данном индивидуальном эксперименте результат измерения выступает одной из нескольких возможных альтернатив. Повторение эксперимента при идентичных начальных условиях может привести к другой альтернативе. Но это, указывает Яух, несовместимо с унитарной эволюцией по уравнению Шредингера, которая всегда трансформирует одно чистое состояние в другое чистое состояние2.

Призвание редукции вполне законным с точки зрения квантовой механики явлением не влечет автоматически идеалистической интерпретации роли наблюдателя.

1 С. F. von Weizsacker. Classical and quantum descriptions.— «The physicist's conception of nature». Dordrecht — Boston, 1973, p.656.

2 J.-M. Jauch. Problem of measurement in quantum mechanics. — «The physicist's conception of nature», p. 685.

Эта интерпретация неизбежна только в том случае, если принимается позитивистская концепция реальности. Именно на такую концепцию, на наш взгляд, опирается Вайцзеккер.

Вайцзеккер полагает, что единственная форма реальности, с которой имеет дело квантовая механика,— это факты. Под этим углом зрения он формулирует «золотое правило» копенгагенской интерпретации квантовой механики (golden Copenhagen rule): «Квантовая теория есть теория о вероятностной связи фактов» '. Следуя этой концепции реальности, он, по существу, отрицает объективно-реальный референт вероятностей. Вероятностям не соответствуют факты. Поэтому они не описывают реальность и изменяются с изменением знания.

Для критики идеалистической интерпретации редукции волновой функции как проявления влияния знаний наблюдателя на состояние квантовой системы важное значение имеет отказ от позитивистского понятия реальности. Понятие реального, точнее, объективно-реального, которым оперирует квантовая механика, достаточно широко. Оно охватывает не только область актуально заданного, но и потенциально возможного. Именно потенциальные возможности квантовой системы составляют объективно-реальный референт тех вероятностей, которыми пользуется квантовая механика. Этот момент был подчеркнут В. А. Фоком в его оригинальной философской интерпретации квантовой механики. Фок, в частности, отметил:

«Описываемое волновой функцией состояние объекта является объективным в том смысле, что оно представляет объективную (не зависящую от наблюдателя) характеристику потенциальных возможностей того или иного результата взаимодействия атомного объекта с прибором» 2. Аналогичной точки зрения по данному вопросу придерживается М. Э. Омельяновский3. На наш взгляд, развиваемая этими и другими советскими авторами концепция объективной реальности может служить основой для преодоления идеалистической интерпретации редукции волновой функции.

' С. F. von Weizsacke'-. Classical and quantum descriptions, p. 656.

2 В. А. Фок. Об интерпретации квантовой механики. — «Философские проблемы современного естествознания». М., 1959, стр. 223.

3 См. М. Э. Омельяновский. Диалектикав современной физике.М., 1973.

Измерение квантового объекта, которое представляет собой не что иное, как его взаимодействие с классическим объектом, означает реализацию определенных потенциальных возможностей, описываемых волновой функцией. Этот объективный процесс вносит изменения в сферу объективных потенциальных возможностей квантового объекта. Изменение последних представляет собой объективно-реальный процесс. Однако это реальное не укладывается в рамки позитивистского понимания реальности как совокупности фактов. Оно относится не к актуально заданному, а к потенциально возможному.

Объективный характер редукции волновой функции может быть понят, если утверждение о том, что сумма всех вероятностей равна единице, рассматривать не просто как математическое правило, а как физический закон. По мнению В. С. Готта, такой закон относится к наиболее общим физическим законам сохранения и может быть назван законом сохранения вероятности'. Исходя из этого закона, редукцию можно интерпретировать как процесс, который имеет объективное содержание и не зависит от наблюдателя. Если одна из возможностей поведения квантового объекта реализовалась, то вероятность, соответствующая этой возможности, оказывается равной единице. Вместе с тем в соответствии с законом сохранения вероятности, утверждающим, что сумма всех вероятностей равна единице, остальные вероятности, описываемые волновой функцией, автоматически обращаются в нуль. Наблюдатель не является причиной всех этих изменений, поскольку они могут происходить и в его отсутствие. Но он может в соответствии с этими объективными изменениями заменить одну волновую функцию другой.

В связи с проблемой объективного описания микромира целесообразно коснуться также соотношений неопределенностей Гейзенберга для координаты и импульса

∆q∆p ≈ h

и для времени и энергии

∆E∆t ≈ h.

Соотношения неопределенностей иногда интерпретируются как соотношения неточностей. Такая интерпретация предполагает, что в процессе измерения наблюда-

' См. В. С. Готт, В. С. Тюхтин, Э. М. Чудинов. Философские проблемы современного естествознания. М., 1974, стр. 109.

тель влияет на состояние микрообъекта, и это исключает возможность точного определения координаты и импульса или времени и энергии. Здесь также подразумевается, что микрообъекты обладают указанными характеристиками и в некотором смысле аналогичны классическим объектам. Однако измерение оказывает такое «возмущающее» воздействие на состояние микрообъекта, что, например, точно замерив координату, мы лишаем себя возможности измерить импульс и что одновременное измерение этих динамических характеристик может быть осуществлено лишь с определенными погрешностями.

Такого рода интерпретация затемняет объективное содержание соотношений неопределенностей и придает им субъективистский оттенок. Поэтому не случайно, что она стала объектом философской критики со стороны противников субъективизма в физике. Однако эта критика не всегда носит рациональный и эффективный характер. В качестве примера мы можем привести критику указанной интерпретации, данную К. Поппером. Поппер справедливо отмечает, что интерпретацию соотношений неопределенностей Гейзенберга как соотношений неточностей следует считать субъективистской. В противовес ей он предлагает свое понимание этих соотношений. Но попперовская концепция приводит к пересмотру не только философской оценки соотношений неопределенностей, но и их физического содержания. В квантовой физике соотношения неопределенностей получаются и на основе идеализированных экспериментов по измерению микрообъектов, и как следствия из принципов квантовомеханической теории. Поппер, однако, не согласен с последним обстоятельством. Он полагает, что соотношения неопределенностей независимы от принципов квантовой механики. Так, соотношение неопределенностей для энергии и времени представляется ему следствием планковского квантового постулата (E=hv, где E — энергия, h — постоянная Планка, a v —частота), а соотношение неопределенностей для координаты и импульса — следствием так называемого принципа Дуана. Согласно последнему, соотношение неопределенностей для координаты и импульса связано с характером прохождения электрона через щель диафрагмы и взаимодействия с краями этой щели. Это взаимодействие приводит к статистическому рассеянию импульса. Если щель диафрагмы имеет фиксированные

размеры Аx, то серия прохождений электронов дает рассеяние для импульса ∆p = h/∆x.

Эта трактовка, как отмечает сам Поппер, по существу расходится с самими соотношениями неопределенностей:

«Эксперименты такого рода... опровергают гейзенберговскую интерпретацию неопределенностей, поскольку обеспечивают большую точность, чем эта интерпретация допускает» '. Чтобы получить рассеяние импульса А Р, необходимо в каждом отдельном эксперименте определять импульс с точностью, превышающей Aр, что запрещается соотношением неопределенностей.

Но дело не только в самой физике. Попперовская критика интерпретации соотношений неопределенностей как соотношений неточностей вовсе не устраняет философские дефекты этой интерпретации. Она также базируется на предположении, что микрообъект совершенно аналогичен классическому объекту. Такая трактовка микрообъектов не соответствует их сущности и представляет собой одну из главных причин, обусловливающих неправильное понимание природы квантовомеханического познания.

Обе изложенные здесь интерпретации соотношения неопределенностей основаны на философском постулате о качественном однообразии материального мира, об отсутствии качественного отличия микромира от макромира. Этот постулат не соответствует природе мира. В действительности микромир качественно отличается от макромира. Соотношения неопределенностей являются как раз выражением этого обстоятельства. Их следует интерпретировать как указание на пределы, за которыми классические понятия утрачивают силу. Так, невозможность одновременного определения импульса и координаты частицы отнюдь не является следствием возмущающего действия измерительного прибора, а означает, что микрообъект объективно не имеет в данный момент времени координаты и импульса. Если наличие координаты и импульса в данный момент времени указывает на классическую природу объекта, то невозможность обладания объектом этими свойствами свидетельствует о его неклассическом характере. Соотношение неопределенностей может рассматриваться как своеобразное определение неклассического характера объектов микромира.

' К. Popper. Objective knowledge, p. 303.

* * *

Вывод, вытекающий из нашего рассмотрения специальной теории относительности и квантовой механики, состоит в том, что наблюдатель не играет в них той роли, которая ему отводится идеалистическими концепциями. Предметы этих теорий — явления и законы, которые они изучают,— носят объективный характер и не зависят от наблюдателя. Это обстоятельство является важнейшей предпосылкой применения к рассмотренным теориям понятия объективной истины.