Копенгагенская интерпретация квантовой механики кратко. Что такое копенгагенская интерпретация? Смысл волновой функции

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Концептуальное содержание квантовой механики является далеко не тривиальным. Неудивительно поэтому, что оно интерпретируется по-разному. Нам предстоит сначала в полной мере окунуться в мир квантово-механического плюрализма, а затем, освоив его, сделать решающие выводы.

Копенгагенская интерпретация

Термин "копенгагенская интерпретация" использовал В. Гейзенберг, явно подчеркивая им приоритет Н. Бора, жителя датской столицы Копенгагена . Самого Гейзенберга считают копенгагенцем № 2. Ни Гейзенберг, ни кто-либо другой никогда не давал четкого определения содержания копенгагенской интерпретации. Вместе с тем было известно, что воззрения Бора и Гейзенберга не совпадали. Таким образом, "копенгагенская интерпретация" является термином для обозначения спектра воззрений. Яркими "копенгагенцами" являлись Дж. фон Нейман, П. Дирак, В. А. Фок, Л. Д. Ландау.

1) волновая функция относится к отдельному квантовому объекту;
2) поведение квантовых объектов невозможно отделить от результатов измерений;
3) измерение вызывает коллапс волновой функции;
4) скрытые параметры невозможны;
5) квантовая механика дает полное, исчерпывающее описание поведения квантовых объектов.

Ученые спорят

Плюрализм воззрений копенгагенцев состоял в том, что Дж. фон Нейман не придерживался убеждения Бора, согласно которому результаты измерений описываются классическим образом, равно как и его приверженности принципу дополнительности. Сам Бор не склонен был абсолютизировать процесс измерения столь же решительно, как это делал В. Гейзенберг. Фон Нейман к тому же придерживался позиции, что результаты измерений относятся к отдельному объекту лишь в случае, если они являются собственными значениями соответствующих им операторов.

Еще одна особенность "копенгагенцев" состоит в том, что они избегали пространственно-временного изображения квантово-механических процессов. Как показал Р. Фейнман, такое изображение вполне возможно.

Ансамблевая, или статистическая, интерпретация

Ее создателем чаще всего считают А. Эйнштейна. Крупнейшими представителями этой интерпретации являются также наш соотечественник Д. И. Блохинцев и современный канадский физик Л. Балленстайн. По сути, именно этими именами представлены три наиболее актуальных этапа в развитии ансамблевой интерпретации, которая всегда признавалась очевидной альтернативой копенгагенской интерпретации.

Эйнштейн, признавая квантовую статистику, полагал, что даже она недостаточна для выражения подлинной природы квантовых объектов, в реальности которых он не сомневался. Квантовая механика неполна.

Д. И. Блохинцев, опираясь на воззрения не Эйнштейна, а фон Неймана и своих коллег Л. И. Мандельштама и К. В. Никольского, сформулировал новую версию ансамблевой интерпретации. Суть его воззрения состоит в том, что на первый план выдвигается не поиск скрытых параметров, а оператор плотности. В статье, в которой он, по сути, подводил итоги своего творчества, связанного с осмыслением квантовой механики, Блохинцев отмечал, что "необходимость введения в квантовую механику оператора плотности, как понятия более общего, нежели волновая функция, основывается на том, что в квантовой области измерения, производимые над системами, описываемыми волновой функцией ψ (“чистый” ансамбль), переводят эти системы в состояния, описываемые набором волновых функций, т.е. в “смешанный” ансамбль.

Поэтому, если мы хотим рассматривать теорию квантовых измерений как главу квантовой механики, то нельзя исключить из рассмотрения смешанные ансамбли, которые не имеют аналогов в классической механике. Они являются аналогами механики статистической. В этом пункте лежит вся суть отличия моей концепции квантовой механики от концепции копенгагенской школы.

Н. Бор явно предпочитал рассматривать ситуацию, когда атомная система описывается волновой функцией (т.е. чистый ансамбль). При таком подходе сам процесс измерения полностью исключается из квантово-механического рассмотрения и тем более не может быть предметом теоретического расчета. Интерпретация измерения при таком подходе ограничивается пониманием измерения как явления изменения информации. Следует подчеркнуть, что в рамках анализа, сосредоточенного на чистом ансамбле, такое толкование измерения логически последовательно и единственно возможно. Но оно исключает на самом деле существующую возможность, на основе той же квантовой механики, исследовать и рассчитать явления измерения. В этой связи концепция фон Неймана, основанная на понятии статистических совокупностей, представляется более широкой основой для понимания квантовой механики, нежели концепция, основанная на более ограниченном понятии волновой функции" .

Квантовые ансамбли всего лишь аналогичны ансамблям Гиббса, используемым в классической физике. Поэтому Блохинцев полагал, что он благополучно развел классическую и квантовую физику в разные стороны. Но при этом оставался открытым вопрос о природе отдельной частицы. Это не преминул отметить его главный оппонент В. А. Фок. Он обвинял Блохинцева в непоследовательности: волновая функция то считается характеристикой отдельной частицы, то характеристикой всего ансамбля, а не отдельной частицы . Фок прав, сторонникам ансамблевой интерпретации никак не удается совладать с отдельными частицами. Либо полностью отрицается, что статистическая интерпретация в духе М. Борна относится к отдельной частице, либо она считается лишь представителем ансамбля.

С позиций современной теории декогеренции оплошность Блохинцева достаточно очевидна. Он ошибочно полагал, что процесс квантово-механического измерения полностью объясняется посредством оператора плотности, его, дескать, совсем не обязательно выводить. Поэтому он ставил его впереди концепта волновой функции, актуальность которого, по сути, принижалась.

Переходим к характеристике воззрений Баллентайна. К сожалению, в своей главной работе он избегает лаконичных характеристик своей позиции, уместных в данной книге. Зато К. Эйлвард иллюстрирует основные положения воззрений Баллентайна в довольно эффектной манере . Он показывает, что ансамблевая интерпретация квантовой механики приводит к выводам, которые никак не согласуются с копенгагенской интерпретацией. Для удобства пронумеруем его комментарии.

1. Не следует думать, что статистические результаты характеризуют отдельную частицу. Допустим, что проводятся испытания с игральной костью. Выпадают значения от 1 до 6. Среднее значение составляет, например, 2,4. Но это не означает, что у игральной кости есть сторона, на которой написано 2,4.
2. Корпускулярно-волновой дуализм несостоятелен. Частицы всегда являются частицами. Верно, что они описываются не классической, а квантовой статистикой. Но они не являются волнами, подобными, например, волнам на воде, которые действительно реальны.
3. Гейзенберговский принцип неопределенности является описанием статистических результатов, проведенных над ансамблем частиц. Вопреки Гейзенбергу отдельная частица не обладает неопределенными значениями параметров.
4. Парадокс шрёдингеровского кота был введен для того, чтобы показать ограничения копенгагенской интерпретации квантовой механики. Реальный кот, конечно же, всегда либо мертв, либо жив, и не представляет собой суперпозицию этих двух состояний.
5. О коллапсе волновой функции. Он не требуется ни формальным аппаратом квантовой механики, ни экспериментальными данными.
6. Утверждается, что одна и та же частица может находиться в различных местах. Но аппарат квантовой механики этого не требует.
7. Утверждается, что в конструировании квантовой реальности принимает участие сознание экспериментатора. В действительности же состояния квантовых объектов от него не зависят.

Итак, по мнению Эйлварда, ансамблевая интерпретация вносит окончательную ясность во многие спорные вопросы квантовой механики, вызванные к жизни копенгагенской интерпретацией.

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

Проблематика

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

Основные идеи

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

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

Взгляд на квантовую механику

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

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

Философская основа

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

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

Преимущества

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

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

Смысл волновой функции

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

Унитарной эволюции, которая описывается уравнением Шредингера.
Измерению.

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

Двухщелевой опыт

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

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

Вопросы

Щелевой опыт ставит такие вопросы:

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

Ответы

Копенгагенская теория квантовой интерпретации отвечает на поставленные вопросы следующим образом:

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

Формулировки

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

Критика

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

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

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

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

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

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

Распространение

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

Альтернатива

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

Квантовая механика настолько неинтуитивна, что было придумано несколько «интерпретаций» в терминах более доступных нашему мозгу для визуализации. Классической является «Копенгагенская интерпретация», переданная нам отцами-основателями: Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули, Пол Дирак, Нильс Бор и др.

Основные идеи Копенгагенской интерпретации довольно просты, но в то же время абстрактны:

Волновая функция () следует унитарной эволюции во времени, описываемой .
Физическим смыслом волновой функции является амплитуда вероятности, квадрат которой есть вероятность обнаружить систему при измерении в определенном состоянии. При измерении функция «коллапсирует», то есть сосредотачивается в точке, соответствующей результату измерения. Вся остальная информация об исходной функции теряется.

На счет первого пункта споров не идет. Унитарная эволюция является самым незыблемым фундаментальным физическим принципом на данный момент от которого в ближайшее время отказываться не собираются. Но вот по поводу второго пункта разногласия до сих пор не утихают. Отчасти потому что пункт 2 противоречит пункту 1. Коллапс волновой функции не является унитарной операцией! Он не подчиняется уравнению Шредингера. Казалось бы парадокс и несогласованность самой квантовой теории налицо.

Тут есть один тонкий момент. Как нам показали отцы-основатели, роль наблюдателя в квантовой механике чрезвычайно важна. Квантовая механика субъективна. Все свои предсказания она выдает относительно наблюдателя — того субъекта кто ее использует. Экспериментатора. Тебя и меня. Поясним на примере. Представьте, что вы подкинули монетку и сейчас собираетесь посмотреть результат.

До того как вы подняли руку, результат можно оценить только с помощью распределения вероятностей. Если монета честная, то с вероятностью 50% выпадет орел и с 50% решка. Это все, что вы можете в данный момент сказать о системе. Но как только вы подняли руку и увидели результат — распределение вероятностей «коллапсирует» в одну точку — в тот результат который действительно выпал. То есть сейчас вы со 100% вероятностью можете сказать, что выпал орел.

Данный «коллапс» справедлив и для более сложных распределений вероятностей. Например, если подбрасывать два игральных кубика и смотреть вероятность выпадения того или иного числа (суммы выпавшего на первом и втором кубике — от 2 до 12), получим Гауссово распределение (выпадение семерки наиболее вероятно). Но когда мы реально смотрим на то что выпало в конкретном случае — это распределение коллапсирует в фактический результат (скажем в сумме выпало число шесть).

Квантовую механику можно рассматривать как обобщение теории вероятностей по аналогии с тем как комплексные числа являются обобщением действительных. Волновая функция условно является неким «квадратным корнем» из функции распределения вероятности. Для того чтобы найти вероятность — волновую функцию необходимо возвести в квадрат. Кроме того она комплекснозначная. Амплитуда вероятности в общем случае является комплексным числом. В остальном идея «коллапса» как получение новых знаний о системе и неактуальности предыдущей информации остается такой же.

Возьмем кубит, находящийся в :

\(\displaystyle |\psi\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}|0\rangle+\frac{1}{\sqrt{2}}|1\rangle\)

При измерении происходит коллапс вектора состояния и мы получаем только одно из двух слагаемых. Либо при измерении мы получили ноль и вектор состояния коллапсирует в \(\displaystyle |\psi\rangle\rightarrow |0\rangle\), либо единицу и вектор переходит в \(\displaystyle |\psi\rangle\rightarrow |1\rangle\).

Отличие от классической теории вероятностей заключается еще и в том, что с монеткой мы подсознательно знаем, что она уже лежит или орлом или решкой до того как мы подняли руку чтобы посмотреть на результат. В случае квантовых объектов . Система приобретает классические свойства (характеристики) именно в момент субъективного измерения. Нельзя предполагать, что кубит до измерения был в состоянии \(\displaystyle |0\rangle\) или \(\displaystyle |1\rangle\). Он был именно в суперпозиции. Но эта суперпозиция ненаблюдаема . Поэтому слово был можно применять лишь условно. Вектор состояния не является объективной реальностью, как не является ею функция распределения вероятностей в классическом случае.

В этом и состоит разрешение парадокса и других так называемых «парадоксов» в рамках Копенгагенской интерпретации — кот не является живым плюс мертвым. Это все равно что сказать: орел плюс решка, интерпретируя приведенную выше функцию распределения.

Кот или жив или мертв. Мы ничего более не обнаружим при измерении. Просто квантовыя механика запрещает нам неявно делать какие-либо выводы до фактического измерения и описывает систему суперпозицией. То что нельзя измерить — не существует. То что можно измерить, но еще не измерено тоже не существует объективно.

Запутанные состояния, так волновавшие Эйнштейна, также интерпретируются с вероятностных позиций как квантовые корреляции. Пусть система из двух спинов находится в :

\(\displaystyle |S\rangle=\frac{1}{\sqrt{2}}(|\uparrow\downarrow\rangle-|\downarrow\uparrow\rangle)\)

При измерении мы всегда обнаружим корреляции: если одной частицы направлен вверх относительно какой-либо оси, то спин второй частицы обязательно окажется направленным вниз относительно той же оси. И наоборот. Можно опять провести аналогию с классической теорией вероятностей. Возьмем красную и синюю таблетки. Перемешаем их у себя за спиной и зажмем в каждый кулак по штуке. Не разжимая руки мы не можем сказать где находится синяя, а где красная. Можно построить график распределения вероятности аналогичный приведенному для монетки.

Но как только мы откроем один кулак и увидим, что там, например, синяя — мы мгновенно узнаем, что в другом кулаке красная. И наоборот. Это получение информации коллапсирует приведенный выше вектор состояния в одно из слагаемых. Таблетки могут быть разнесены на разные концы Вселенной и все равно статистические корреляции сохранятся. Очевидно, что тут не идет речь о сверхсветовой скорости передачи информации, простые корреляции.

Единственно новой вещью в квантовомеханическом случае является невозможность предположить, что в правой руке была синяя, а в левой красная до измерения . или наиболее наглядно это разъясняют. Именно измерение данным наблюдателем какого-либо свойства (цвета в нашем случае) делает его реальным (объективным) для этого наблюдателя.

Квантовая механика субъективна. Она дает предсказания только для того кто ей пользуется. Только для него происходит субъективный коллапс вектора состояния, связанный с получением новой информации. Объективный мир существует только в его голове. Для всех других он такая же часть физического мира и подчиняется тем же самым квантовомеханическим законам с суперпозициями, комплексными числами и тому подобными вещами. является наглядной демонстрацией данного принципа.

Волновая функция (вектор состояния) ненаблюдаема. Это не классическое поле типа температуры или напряженности электрического поля. Эта функция скорее ближе к функции распределения вероятности, точнее ее можно рассматривать как некое ее обобщение. Саму квантовую механику можно рассматривать как обобщение теории информации + теории верояностей.

Самое важное в квантовом принципе – это то, что он

разрушает представление о мире, “бытующем вовне”, когда

наблюдатель отделён от своего объекта плоским стеклянным

экраном. Для того чтобы описать то, что происходит,

нужно зачеркнуть слово “наблюдатель” и написать

“участник”. В каком-то непредвиденном смысле

наша Вселенная – это участвующая Вселенная.

Дж. Уилер

Естествознание не просто описывает и объясняет природу;

оно является частью нашего взаимодействия с ней.

В. Гейзенберг

Отправной пункт копенгагенской интерпретации – разделение физического мира на наблюдаемую систему, объект: атом, субатомная частица, атомный процесс и наблюдающую систему: экспериментальное оборудование и наблюдатели. Здесь возникает парадокс: с помощью языка классической физики наблюдаемые системы не описываются. До сих пор нет общепризнанной языковой модели, которая соответствовала бы квантовой теории, хотя математическая модель неоднократно подвергалась экспериментальной проверке (Гейзенберг 1989: 19; Капра 1994: 110).

Квантовая теория описывает наблюдаемые системы вероятностно . Это значит, что мы никогда не можем с точностью утверждать, где находится частица, как происходит тот или иной атомный процесс, когда произойдёт распад частицы. Рассчитывается функция вероятности, описывающая не само течение событий, а тенденцию, возможность события. Статистические формулировки законов атомной физики не отражают нашего незнания, вероятность следует воспринимать как основополагающее свойство микромира (Гейзенберг 1989: 19-20; Капра 1994: 111-112).

В основу объяснения квантовых парадоксов был положен принцип неопределённости В. Гейзенберга . Физики повторяли: траекторию электрона в камере Вильсона можно наблюдать. Однако реально наблюдалась не она, а дискретные следы неточно определённых положений электрона. Ведь в камере Вильсона видны лишь отдельные капельки воды, которые намного протяжённее, чем электрон. Поэтому правильный вопрос должен гласить: можно ли в квантовой механике точно описать поведение электрона?

Можно говорить, как в механике Ньютона, о координате и скорости электрона. Эти величины можно и наблюдать и измерять. Но нельзя обе эти величины одновременно измерять с любой точностью. Точно описать поведение электрона нельзя, невозможно одновременно измерить точные значения двух параметров любой микрочастицы .

Проверка колоссального количества экспериментов по измерению различных параметров микрочастиц выявила неопределённость. Неопределённость в положении частицы, умноженная на неопределённость в её импульсе (скорость, умноженная на массу) не может быть меньше постоянной Планка, делённой на массу частицы. Это число не зависит от эксперимента и от частицы, а является фундаментальным свойством мира.

Δq(Е)·Δр(t) ≥ h/m, где:

Δ – приращение величин; q – импульс (V(скорость)·m(массу)); Е – энергия;

р – положение частицы; t – Вр; h – постоянная Планка, равная 6,62·10 -27 .

Невозможно одновременно измерить параметры микрочастицы, но можно указать вероятность, что в определённый следующий момент электрон будет найден в определённой точке камеры Вильсона. Создаётся вероятностная модель местонахождения электрона в различных областях атома (Капра 1994: 112-113).

В мысленном эксперименте В. Гейзенберг показал: в микромире реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы её или нет. В принципе, можно наблюдать электрон на его орбите, для этого нужен микроскоп с большой разрешающей силой. Однако такую разрешающую силу нельзя получить в микроскопе, применяющем обычный свет. Для этой цели будет пригоден микроскоп, использующий γ-лучи с длиной волны меньшей размеров атома. В процессе наблюдения, по меньшей мере, один квант γ-лучей пройдёт через микроскоп и столкнётся с электроном, что изменит его импульс и скорость.

Событие должно быть ограничено наблюдением. Результат наблюдения не может быть предсказан, предсказывается вероятность (не определённое событие, а ансамбль возможных событий). В описание атомных процессов вводится субъективный элемент, так как измерительный прибор создан наблюдателем. Мы должны помнить, что, то, что мы наблюдаем, это не сама природа, а природа, которая выступает в том виде, в каком она выявляется благодаря нашему способу постановки вопросов.

Внутри атома материя не существует в определённых местах, а, скорее, “может существовать”. Атомные явления не происходят в определённых местах, а, скорее “могут происходить”. Язык формальной математики квантовой теории называет эти возможности вероятностями и связывает их с математическими величинами, предстающими в виде волн. Фактически мы вообще не можем говорить о частицах. Целесообразно во многих экспериментах говорить о волнах материи, о стоячей волне вокруг ядра. Но это не настоящие трёхмерные волны, как, например, волны на поверхности воды. Это вероятностные волны – абстрактные математические величины, выражающие вероятности существования частиц в определённых точках Пр в определённые моменты Вр. Все законы атомной физики выражаются в терминах этих вероятностей. Мы никогда не можем с уверенностью говорить об атомном явлении, мы можем только сказать, насколько вероятно, что оно произойдёт (Гейзенберг 1989: 22-27; Боум 1990; Капра 1994: 59-60).

Другой путь решения противоречий квантовых явлений был связан с принципом дополнительности Бора. Картина волн материи Шрёдингера и корпускулярная картина содержат долю истины. Н. Бор, исходя из принципа неопределённости, разрешил корпускулярно-волновой парадокс. Согласно принципу неопределённости 2 характеристики частицы в одном эксперименте нельзя наблюдать одновременно,  , существуют дополнительные языки описания одной реальности, каждый может быть верным только отчасти.

Электрон в атоме – волна материи (Л. де Бройль), но электрон вылетает из атома и где-то находится, проявляется как частица. Н. Бор советовал применять обе картины как дополнительные, они исключают друг друга (одновременно одно и то же не может быть и волной и частицей), но и дополняют друг друга: открытое признание необходимости метафорического мышления в науке (В.В. Налимов).

А. Эйнштейн не был готов к признанию принципиально статистического характера новой теории и не хотел допустить невозможность познания всех определяющих моментов, необходимых для полной детерминации рассматриваемых процессов – Бог не играет в кости (Кузнецов 1968, 1968; Гейзенберг 1989: 203-207).

В 1982 г. в Париже А. Аспек провёл серию экспериментов по одновременному измерению направления поляризации 2 фотонов, испущенных одним атомом и движущихся в противоположные стороны. Результаты не оставляли сомнения: Эйнштейн был не прав, квантовую неопределённость невозможно обойти. Несмотря на это квантовая механика лежит в основе современной науки и техники, в основе работы полупроводниковых и интегральных схем, которые входят в телевизоры, компьютеры (Девис1989:53-54; Хокинг1990:54).

Квантовая теория радикально изменила представления о реальности.

Во-первых, было доказано единство объекта и субъекта . В атомной физике учёный не может играть роль стороннего наблюдателя, он – часть наблюдаемого им мира до такой степени, что он сам воздействует на свойства наблюдаемых объектов.

Атомные явления представляют более сложную реальность, чем та, с которой сталкиваются в классической макроскопической физике. Чувствительность объекта к вмешательству приборов демонстрирует свойства, не наблюдающиеся у объектов макроскопических исследований. Значит, описание объекта нельзя считать, как раньше, “обособленным” от процесса наблюдения.

На уровне атома объекты могут быть поняты только в терминах взаимодействия между процессами подготовки и наблюдения. Конечным звеном цепочки всегда будет сознание. Измерения – это такие взаимодействия, которые порождают определённые ощущения в сознании: зрительное ощущение вспышки света или тёмного пятнышка на фото пластинке. Законы атомной физики говорят нам, с какой вероятностью будет микрообъект порождать определённое ощущение, если мы позволим ему взаимодействовать с нами. Человек-наблюдатель необходим не только для того, чтобы наблюдать свойства объекта, но и для того, чтобы дать определения самим этим свойствам. В.В. Налимов приводит высказывания физиков о невозможности противопоставить сознание материи (Вайскопф 1977: 39-40; Боум 1990; Капра 1994: 60,118-119; Налимов 1993: 36-37).

Во-вторых, подтвердилась и старая идея о взаимосвязи всех явлений природы. Главным оппонентом копенгагенской трактовки был А. Эйнштейн, позже его ученик Д. Бом. Но и они признавали один из главных выводов квантовой теории: неделимое квантовое единство всей Вселенной является наиболее фундаментальной реальностью. Пытаясь объединить квантовую теорию и теорию относительности, Бом пришёл к выводу, что единство знания не в науке, а в философии. Научные интерпретации ведут к “дроблению” реальности, которая целостна и неделима. В любом эксперименте целостность нарушается. Великим открытием квантовой физики явилось обнаружение индивидуальных квантовых состояний, каждое из которых представляет собой неделимое целое, пока не подвергается воздействию средств наблюдения.

В третьих, на смену классическому, стереотипному, однозначному восприятию пришло вероятностное видение мира . То, что выводится из экспериментов, есть функция вероятности, которая описывает не определённое событие, а совокупность возможных событий: переход возможность–действительность совершается в процессе наблюдения.

В четвёртых, квантовая теория принесла не только идею неопределённости, но и идею квантованности , тождественности, идентичности, точности объектов , определённости природных веществ. В классической физике все свойства непрерывны (не существует двух классических систем, которые были бы одинаковы, из миллиардов планетарных систем звёзд не найдётся и двух совершенно одинаковых). Поведение объектов зависит от начальных условий, которые могут принимать непрерывный ряд значений. Атомным же явлениям свойственны определённые формы в противоположность произвольно меняющимся формам в классической механике. В рамках классической физики трудно понять, почему не существуют электроны с немного меньшим зарядом, или с другой массой?

В квантовой теории объекты квантованы, возможны не любые орбиты, а определённые. Идентичность атомов одного химического элемента, их высокая механическая устойчивость обусловлены волновой природой электронов. Стоячие волны могут иметь ограниченное количество очертаний. Два атома Fe или О идентичны, поскольку их электронные орбиты квантованы, одинаковы очертания электронных орбит, одинаково расстояние между ними.

В классической физике – неограниченное число вариантов, нет объяснения определённости материи. Но определённость существует только до некоторого порога, существуют пороговые уровни энергии, выше которых атомы разрушаются, существует порог, выше которого и ядро разлетается на части.

И, наконец, открылся сложный мир субатомных и виртуальных частиц . Квантовая теория доказывает ложность классических представлений о твёрдых телах и непроницаемых, подвижных микрочастицах. И. Ньютон считал: атомы не изнашиваются, не разбиваются на куски, нет такой силы, которая способна их разделить. Оказывается, атомы можно разрушить на более “элементарные” составляющие. Но до сих пор копенгагенская трактовка квантовой теории не является общепринятой из-за отрицания возможности онтологической трактовки явлений микромира. Были выдвинуты и альтернативные варианты объяснения поведения микрочастиц (Вайскопф 1977: 36-48; Гейзенберг 1989:23-25; Налимов, Дрогалина 1995:16-27; Боум 1990; Бом 1993: 7; Капра 1994: 62-63, 113-117).