Проблема реальности в современной физике. Полемика Эйнштейна и Бора

Проблемы  реальности в современной  физике. Полемика Альберта Эйнштейна и Нильса Бора 

       1. Значение современной физики в наше время 

       Когда сегодня говорят о современной  физике, то первая мысль, которая при  этом возникает, связана с атомным оружием. Каждый знает, какое огромное влияние оказывает это оружие на политическую жизнь нашего времени. Каждый также знает, что сегодня физика оказывает на общее положение в мире гораздо большее влияние, чем когда-либо прежде. Все же мы должны спросить, действительно ли изменения, произведенные современной физикой в политической сфере, являются важнейшим ее результатом. Что останется от влияния современной физики, если мир в своей политической структуре будет соответствовать новым техническим возможностям?

       Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вспомнить, что каждое орудие несет в себе дух, благодаря которому оно создано. Так как каждая нация и каждая политическая группировка независимо от ее географического расположени  или культурных традиций должна быть заинтересована в новом оружии, то дух современной физики будет  проникать в сознание многих народов  и будет связан самыми различными путями с прежними традициями. Что  в конце концов произойдет на нашей  земле в результате столкновения специальной области современной  науки и весьма различных древних  традиций? В тех частях мира, в  которых развито современное  естествознание, непосредственные интересы, направленные с давних времен прежде всего на практическое применение открытий естествознания в промышленности и  технике, сочетаются с рациональным анализом внешних и внутренних условий  такого применения. Народам этих стран  сравнительно легко будет справиться с новыми идеями, ибо у них было достаточно времени для медленного и постепенного приспособления к  современному техническому и естественнонаучному  методу мышления. Однако в других частях мира эти идеи довольно неожиданно сталкиваются с основными религиозными и философскими представлениями  национальной культуры. Ввиду того что результаты современной физики снова ставят нас перед необходимостью обсуждения таких основополагающих понятий, как реальность, пространство и время, это столкновение может  привести к совершенно новому изменению  мышления, пути которого нельзя еще  предвидеть. Характерной чертой столкновения современного естествознания с прежним  традиционным методом мышления является полная интернациональность современного естествознания. Одна сторона в этом обмене идей, именно прежняя традиция, неодинакова в различных частях мира, а другая - повсюду одна и  та же, и, следовательно, результаты этого  обмена быстро распространяются на все  области, где вообще имеет место дискуссия.

       По  этой причине весьма важной задачей, быть может, является попытка, не прибегая только к специальному языку, обсудить идеи современной физики, рассмотреть  философские выводы из них и сравнить их с некоторыми из прежних традиций. Вероятно, лучший путь обсуждения проблем  современной физики заключается  в историческом описании развития квантовой  теории, которая в действительности есть только особый раздел атомной физики; сама атомная физика опять же есть только весьма ограниченная область современного естествознания. Однако можно, пожалуй, сказать, что самые большие изменения в представлениях о реальности произошли именно в квантовой теории; новые идеи атомной физики сконцентрированы и, так сказать, выкристаллизованы в той окончательной форме, которую приняла наконец квантовая теория. Глубокое впечатление и тревогу эта область современного естество знания вызывает в связи с чрезвычайно дорогим и сложным экспериментальным оборудованием, необходимым для исследований по ядерной физике. Все же в отношении того, что касается эксперименталь ной техники, современная ядерная физика является только прямым следствием метода исследования, который всегда, со времен Гюйгенса, Вольта и Фарадея, определял развитие естествознания. Точно так же можно сказать, что обескураживающая математическая сложность некоторых разделов квантовой теории представляет собой лишь крайнее развитие методов, которые были открыты Ньютоном, Гауссом и Максвеллом. Но изменения в представления о реальности, ясно выступающие в квантовой теории , не являются простым продолжением предшествующего развития. По-видимому, здесь речь идет о на стоящей ломке в структуре естествознания. Поэтому следующая глава должна быть посвящена обсуж дению исторического развития квантовой теории. 

       1. Проблемы реальности в современной физике 

       В истории науки поразительные  открытия и новые идеи всегда приводили  к научным дискуссиям; эти дискуссии  вызывают появление полемических публикаций, и такая критика часто совершенно необходима для развития последних. Но эти споры почти никогда  ранее не достигали той степени  резкости, которую они приобрели  после создания теории относительности, а также, в меньшей степени, квантовой теории. В обоих случаях научные проблемы в конечном счете были связаны даже со спорными вопросами политики, и некоторые физики пытались содействовать победе своих взглядов, прибегая к помощи политических методов. Эту бурную реакцию на новейшее развитие современной физики можно понять, только признав, что это развитие привело в движение сами основы физики и, возможно, естествознания вообще и что это движение вызвало ощущение, будто вся почва, на которую опирается естествознание, уходит из-под наших ног. Но вместе с тем это означает, пожалуй, и то, что еще не найден правильный язык, на котором можно говорить о новом положении дел, и что неточные и отчасти неправильные утверждения, высказанные в ряде случаев в пылу воодушевления новыми открытиями, вызвали появление всякого рода недоразумений. Здесь речь идет в самом деле о трудноразрешимой, принципиальной проблеме. Усовершенствованная экспериментальная техника нашего времени ввела в поле зрения естествознания совершенно новые стороны явлений природы, стороны, которые не могут быть описаны с помощью понятий повседневной жизни или только с помощью понятий предшествующей физики. Но в таком случае, каким языком они должны описываться?

       Первичным языком, который вырабатывают в процессе научного уяснения фактов, является в  теоретической физике обычно язык математики, а именно, математическая схема, позволяющая физикам предсказывать результаты будущих экспериментов. Физик может довольствоваться тем, что он обладает математической схемой и знает, как можно ее применять для истолкования своих опытов. Но ведь он должен говорить о своих результатах также и не физикам, которые не будут удовлетворены до тех пор, пока им не будет дано объяснение и на обычном языке, на языке, который может быть понят каждым. Но и для физика возможность описания на обычном языке является критерием того, какая степень понимания достигнута в соответствующей области. В каком объеме возможно вообще такое описание? Можно ли, например, говорить о самом атоме? Это настолько же языковая, насколько и физическая проблема, и поэтому прежде всего необходимо сделать несколько замечаний о языке вообще и о научном языке в особенности.

       В теоретической физике мы пытаемся понять группы явлений, вводя математические символы, которые могут быть поставлены в соответствие некоторым фактам, а именно результатам измерений. Для символов мы находим имена, которые  делают ясной их связь с измерением. Этим способом символы связываются, следовательно, с обыденным языком. Но затем символы связываются  между собой с помощью строгой  системы определений и аксиом, и в конце концов законы природы  приобретают вид уравнений между  символами. Бесконечное многообразие решений этих уравнений соответствует  тогда бесконечному многообразию единичных  явлений, возможных в данной области  природы. Таким образом, математическая схема отображает рассматриваемую  группу явлений в той мере, в  которой соблюдаются соотношения  между символами и измерениями. Эти соотношения позволяют также  затем выразить сами законы природы  в понятиях обыденного языка, так  как наши эксперименты, состоящие  из действий и измерений, всегда могут  быть описаны этим языком.

       Но  самая трудная проблема в отношении  применения языка возникает в  квантовой теории. Здесь нет никаких  простых направляющих принципов, которые  бы нам позволили связать математические символы с понятиями обычного языка. Единственное, что прежде всего  знают, это тот факт, что наши обычные  понятия не могут быть применены  к строению атома. Снова можно  было бы считать естественным исходным пунктом физического истолкования формализма тот факт, что математическая схема квантовой механики для  расстояний, больших по сравнению  с протяженностью атома, приближается к математической схеме классической механики. Но даже это утверждение  может быть высказано с некоторыми оговорками. И для больших расстояний существует много решений квантовомеханических уравнений, для которых найти  аналогичные решения в пределах классической физики невозможно. В  таких квантовомеханических решениях проявляет себя обсужденная выше интерференция вероятностей, вовсе  не существующая в классической физике. Поэтому даже в предельном случае очень больших размеров связь  математических символов, с одной  стороны, с измерениями и обычными понятиями с другой, нисколько не тривиальна. Чтобы достигнуть однозначности такой связи, необходимо привлечь к рассмотрению еще вторую сторону проблемы. Необходимо обратить внимание на то, что система, которую следует рассматривать согласно методам квантовой механики, на самом деле является частью значительно большей системы, в конечном счете -- всего мира. Она находится во взаимодействии с этой большой системой, и мы должны добавить еще, что микроскопические свойства большей системы, по крайней мере в значительной степени, неизвестны. Эта формулировка, несомненно, правильно описывает положение дел, ибо система вовсе не могла бы быть предметом измерений и теоретических исследований, если бы она вообще не принадлежала к миру явлений, если бы ее не связывало никакое взаимодействие с большей системой, частью которой является наблюдатель. Взаимодействие с этой большей системой, с ее в значительной степени неизвестными, микроскопическими особенностями вводит тогда в описание -- а именно и в квантовомеханическое, и в классическое описание -- новый статистический элемент, который должен быть принят во внимание при рассмотрении системы. В предельном случае больших размеров этот статистический элемент в такой степени уничтожает результаты интерференции вероятностей, что теперь квантовомеханическая схема действительно сближается со схемой классической физики. В этом пункте можно поэтому установить однозначную связь между математическими символами квантовой теории и понятиями обычного языка, и этого соответствия оказывается фактически достаточно также для истолкования экспериментов. То, что остается, -- это проблемы, снова затрагивающие скорее область языка, чем область фактов, так как понятие "факт" предполагает, что феномен может быть описан на обычном языке. 

       Вторая  проблема, которую надо здесь кратко обсудить, касается онтологии, лежащей в основе модифицированной логической схемы. Если пара комплексных чисел характеризует в только что описанном смысле некоторое высказывание, то должны существовать в природе состояние или ситуация, в которых это высказывание является истинным. Попробуем в этой связи употреблять слово «состояние». «Состояния», соответствующие дополнительным высказываниям, будут тогда называться, согласно Вейцзеккеру, «сосуществующими состояниями». Это выражение «сосуществующие» правильно описывает положение дел; в самом деле, было бы затруднительно назвать их, например, «различными состояниями», потому что каждое состояние в определенной степени содержит и другие «сосуществующие состояния». Это понятие «состояния» представляло бы собой в таком случае первое определение квантовомеханической онтологии. Но тогда сразу же будет ясно, что употребление слова «состояние», особенно выражения «сосуществующее состояние», связано с онтологией, столь отличной от обычной материалистической онтологии, что можно сомневаться, целесообразно ли еще здесь применение такой терминологии. Если, с другой стороны, слово «состояние» понимать в том смысле, что оно обозначает скорее возможность, чем реальность, можно даже просто заменить слово «состояние» словом «возможность», то понятие «сосуществующие возможности» представляется вполне приемлемым, так как любая возможность может включать другую возможность или пересекаться с другими возможностями.

       Все эти сложные определения и  различия можно обойти, если ограничить применение языка описанием фактов, т. е. в нашем случае результатов  экспериментов. Но если говорить о самих  атомных частицах, то необходимо или  использовать (как дополнение к обычному языку) только математическую схему, или  комбинировать ее с языком, который  употребляет измененную логику или вообще не пользуется никакой разумно определенной логикой.

       В экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь  реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой  степени. Они образуют скорее мир  тенденций или возможностей, чем  мир вещей и фактов. 

       2. Полемика Альберта Эйнштейна и Нильса Бора 

       Глубокие   физические идеи — всегда плод философского осмысления физики. Во всех главных  своих творениях — гипотеза световых квантов, теория относительности, теория тяготения, космология — Эйнштейн выступал как философ физики.

       У Бора дар философского осмысления проявился  при создании физической интерпретации квантовой теории. Философские идеи Бора подготовили подсознание физиков для таких открытий, как соотношение неопределенностей и вероятностное толкование волновой функции.

       Интересно проследить, как развивались взгляды  этих двух великих философов физики.

       До 1925 г. Бор — будущий создатель принципа дополнительности — выступал против эйнштейновой гипотезы световых квантов, пытаясь сохранить классическую электродинамику. Между тем, открытый Эйнштейном в 1905 г. дуализм волн-частиц был первым физическим примером дополнительности. Позже, когда почти все физики приняли вероятностную интерпретацию волновой функции, Эйнштейн отнесся к этому толкованию отрицательно, хотя сам в работе 1916 г. впервые ввел вероятности переходов...

       Их  спор о физическом смысле квантовой  механики и о справедливости соотношения  неопределенностей продолжался  много лет, начиная с 1927 г. Когда  Эйнштейн почувствовал, что не может  найти слабого места в логике квантовой механики, он заявил, что  эта вполне последовательная точка  зрения противоречит его физической интуиции и, по его убеждению, не может  быть окончательным решением: “Господь Бог не играет в кости...”.

       В 1935 г. появилась работа Эйнштейна, Подольского  и Розена “Может ли квантовомеханическое описание физической реальности считаться полным?” Допустим, что две подсистемы некоторое время взаимодействовали, а потом разошлись на далекое расстояние. Авторы замечают: “Поскольку эти системы уже не взаимодействуют, то в результате каких бы то ни было операций на первой системе во второй системе уже не может получиться никаких реальных изменений”. Между тем, согласно квантовой механике, с помощью измерений в первой системе можно изменить волновую функцию второй системы...

       Проследим это явление на простом примере. Допустим, что мы измерили импульсы двух частиц до столкновения, и пусть  после столкновения одна остается на Земле, а другая летит на Луну. Если земной наблюдатель после столкновения получит определенное значение импульса оставшейся частицы, он по закону сохранения импульса может рассчитать импульс  частицы на Луне. Следовательно, волновая функция этой частицы в результате измерения на Земле определится — она соответствует определенному импульсу.

       Если  понимать волновую функцию (функцию, используемую в квантовой механике для описания чистого состояния квантовомеханической системы) как физическое поле (поле в физике — одна из форм материи, характеризующая все точки пространства и времени, и поэтому обладающая бесконечным числом степеней свободы), то такой результат невозможен. Если же учесть, что волновая функция — волна информации, он естествен: это обычное изменение вероятности предсказаний с появлением новой информации. Мы задаем вопрос: какова вероятность, что лунный экспериментатор найдет то или иное значение импульса своей частицы при дополнительном условии, что найден определенный импульс земной частицы? Это означает, что нужно взять весь набор многократных измерений импульса в обеих лабораториях и отобрать из этого набора те случаи, когда на Земле получился заданный импульс. При этом условии лунные данные будут соответствовать определенному и известному импульсу согласно закону сохранения импульса (сумма импульсов всех тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная). Влияние измерений в одной подсистеме на предсказания о поведении другой подсистемы нужно понимать именно в смысле отбора случаев, соответствующих определенному условию. Понятно, что при изменении условий отбора волновая функция изменяется. Это явление есть и в классической физике, и в повседневной жизни. Вероятность предсказаний скачком изменяется при изменении условий отбора событий.

       Волновая  функция представляет собой метод  описания чистого состояния квантовомеханической системы. Смешанные квантовые состояния (в квантовой статистике) следует  описывать оператором типа матрицы  плотности. То есть, некая обобщённая функция от двух аргументов должна описать корреляцию (статистическую взаимосвязь двух или нескольких случайных величин (либо величин, которые можно с некоторой допустимой степенью точности считать таковыми); при этом, изменения одной или нескольких из этих величин приводят к систематическому изменению другой или других величин) нахождения частицы в двух точках.

       Следует понимать, что проблема, которую  решает квантовая механика, — это  проблема самой сути научного метода познания мира. Если представить себе бильярдный стол, закрытый непроницаемой  крышкой, и единственным способом исследования вопроса, есть ли на нём бильярдные шары, предположить закатывание в  стол других шаров, то мы и получаем ту самую проблему, для решения  которой привлечён метод квантовой  механики. Пока вброшенный шар проходит сквозь стол без изменения траектории, предсказуемо, мы можем сделать вывод  о том, что на траектории шара других шаров нет. Если в результате взаимодействия шаров на столе мы получаем выкатившиеся несколько шаров с различными конечными импульсами и точками, в которых шары покинули стол, то мы можем лишь предполагать о том, каким образом происходило взаимодействие в системе. Если же лузы в бильярдном столе ограничивают возможность  шаров покидать стол (энергетический барьер), то система запутывается ещё  больше. Подобный пример с бильярдом  очень наглядно демонстрирует те трудности, с которыми сталкиваются исследователи, разрабатывая инструменты  квантовой механики.

       В сущности, спор Бора с Эйнштейном был  спором двух философий, двух теорий познания — ясного взгляда старой физики, взращенного на классической механике и электродинамике с их однозначной  детерминированностью, и более гибкой философии, вобравшей в себя новые  факты квантовой физики XX в. и  вооруженной принципом дополнительности.

       Принцип дополнительности — один из важнейших  принципов квантовой механики, сформулированный в 1927 году Нильсом Бором. Согласно этому принципу, для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Например, дополнительными в квантовой механике являются пространственно-временная (при экспериментальном исследовании микрообъектов могут быть получены точные данные об их поведении в пространстве и времени) и энергетически-импульсная картины (либо об их энергиях и импульсах).

       Этот  принцип получил широкое распространение. Его пытаются применять в психологии, биологии, этнографии, лингвистике и даже в литературе.

       Наука - это поиск. Интеллектуальной дуэли  Эйнштейна и Бора, которая длилась  почти двадцать лет, физика во многом обязана своим прогрессом. Эйнштейн ставил вопросы - Бор отвечал на них. Эйнштейн придумывал парадоксы - Бор  находил объяснения. Делать это было необходимо. "Ведь если бы Эйнштейн оказался прав,- говорил Бор,"то все  бы рухнуло!" А Эйнштейн писал: "Я  вижу, что был довольно резок, но ведь ссорятся по-настоящему только братья или близкие друзья".

       Таким образом, подведя итоги вышесказанному, можно сделать вывод, что современная физика действительно тестно связана с атомным оружием, с квантовой теорией, которая в действительности является особым разделом атомной физики, с теорией относительности, с теорией тяготения, с принципом дополнительности, являющимся один из важнейших принципов квантовой механики и многими другими принципами и явлениями.

       Существует  огромное количество нерешенных физикой  проблем от фундаментальных, связанных  с элементарными частицами и  проблемой строения и развития Вселенной, до более частных, связанных с  поиском путей эффективного использования  основных законов для объяснения наблюдаемых явлений и предсказания новых.

       В теории функции кроме числовых значений функции, зависящих от значений аргумента, фигурируют операторы, превращающие уже не одно значение функции в другое, а один вид функции в другой вид. Крупные физические открытия всегда в какой-то мере играли аналогичную роль. Они не только увеличивали число известных людям закономерностей природы, но изменяли также методы науки, стиль научного мышления, характер пути, ведущего от частных наблюдений к общим законам. В обобщениях Эйнштейна и Бора «операторный» эффект гораздо сильнее, чем в теориях прошлого. В руках Эйнштейна и Бора физика изменила не только содержание результатов научной мысли. Она радикально изменила логическую структуру и математический аппарат. Более того, изменилось, стало принципиально иным отношение физики к логике и математике. Физика неизбежно должна включать в свои рамки геометрические аксиомы и логические принципы в качестве физических констатации. Вместе с тем она может представить соотношения и связи физических объектов в масштабах Вселенной в целом и становится, таким образом, общей концепцией мироздания. Наряду с беспрецедентным проникновением собственно физических понятий и методов во все области науки преобразующее воздействие физики XX столетия на науку и культуру определяется новыми математическими и логическими принципами, которые получили в физике онтологический смысл.

       Поэтому имя Эйнштейна будет всегда символом не только гигантского приращения сведений о Вселенной, но и гигантского  преобразования вида функции, связывающей  результаты научных обобщений с  их исходными данными. Речь идет о  преобразовании и наделении физическим содержанием математических понятий. Имя Бора также будет символом преобразования вида функции, связывающей  выводы науки с наблюдениями, но здесь уже речь идет о преобразовании логики научных умозаключений.