Принцип додатковості

Виникнення і розвиток квантової теорії призвело до зміни класичних уявлень про структуру матерії, рух, причинності, простір, час, характер пізнання і т.д., що сприяло корінному перетворенню картини світу. Для класичного розуміння матеріальної частинки було характерно різке її виділення з навколишнього середовища, володіння власним рухом і місцем знаходження у просторі. У квантовій теорії частинка стала представлятися як функціональна частина системи, в яку вона включена, не має одночасно координат і імпульсу. У класичній теорії рух розглядалося як перенесення частинки, що залишається тотожне самій собі, по певній траєкторії. Двоїстий характер руху частинки зумовив необхідність відмови від такого подання руху. Класичний (динамічний) детермізм поступився місцем імовірнісному (статистичному). Якщо раніше ціле розумілося як сума частин, то квантова теорія виявила залежність властивостей частинки від системи, в яку вона включена. Класичне розуміння пізнавального процесу було пов'язано з пізнанням матеріального об'єкта як існуючого самого по собі. Квантова теорія продемонструвала залежність знання про об'єкт від дослідницьких процедур. Якщо класична теорія претендувала на завершеність, то квантова теорія з самого початку розгорталася як незавершена, яка грунтується на ряді гіпотез, сенс яких спочатку був далеко не ясний, а тому її основні положення отримували різне тлумачення, різні інтерпретації.

Розбіжності виявилися насамперед з приводу фізичного сенсу подвійності мікрочастинок. Де Бройль спочатку висунув концепцію хвилі-пілота, відповідно до якої хвиля і частинка співіснують, хвиля веде за собою частинку. Реальним матеріальним утворенням, яке зберігає свою стійкість, є частинка, оскільки саме вона володіє енергією та імпульсом. Хвиля, що несе частинку, керує характером руху частинки. Амплітуда хвилі в кожній точці простору визначає ймовірність локалізації частинки поруч з цією точкою. Шредінгер проблему подвійності частинки вирішує по суті шляхом її зняття. Для нього частинка виступає як чисто хвильовий обєкт. Інакше кажучи, частинка є місце хвилі, в якому зосереджена найбільша енергія хвилі. Інтерпретації де Бройля і Шредінгера являли собою по суті спроби створити наочні моделі в дусі класичної фізики. Однак це виявилося неможливим.

Гейзенбергом була запропонована інтерпретація квантової теорії, виходячи (як було показано раніше) з того, що фізика повинна користуватися лише поняттями і величинами, заснованими на вимірюваннях. Гейзенберг тому і відмовився від наочного уявлення руху електрона в атомі. Макроприлади не можуть дати опис руху частинки з одночасною фіксацією імпульсу і координат (тобто в класичному сенсі) з причини принципово неповною контрольованості взаємодії приладу із частинкою - в силу співвідношення невизначеностей вимір імпульсу не дає можливості визначити координати і навпаки. Інакше кажучи, через принципової неточності виміру передбачення теорії можуть мати лише імовірнісний характер, причому ймовірність є наслідком принципової неповноти інформації про рух частинки. Ця обставина привела до висновку про катастрофу принципу причинності в класичному сенсі, що припускав пророкування точних значень імпульсу та координати. У рамках квантової теорії, таким чином, мова йде не про помилки спостереження або експерименту, а про принципову нестачу знань, які і виражаються за допомогою функції ймовірності.

Інтерпретація квантової теорії, здійснена Гейзенбергом, була розвинена Бором і отримала назву копенгагенської. У рамках даної інтерпретації основним положенням квантової теорії виступає принцип додатковості, що означає вимогу застосовувати для отримання в процесі пізнання цілісної картини досліджуваного об'єкта взаємовиключні класи понять, приладів і дослідницьких процедур, які використовуються в своїх специфічних умовах і взаімодоповнюють один одного. Даний принцип нагадує співвідношення невизначеностей Гейзенберга. Якщо мова йде про визначення імпульсу та координати як взаємовиключних і взаємодоповнюючих дослідницьких процедур, то для ототожнення цих принципів є підстави. Проте сенс принципу додатковості ширше, ніж співвідношення невизначеностей. Для того, щоб пояснити стійкість атома, Бор поєднав в одній моделі класичні і квантові уявлення про рух електрона. Принцип додатковості, таким чином, дозволив класичні уявлення доповнити квантовими. Виявивши протилежність хвильових і корпускулярних властивостей світла і не знайшовши їх єдності, Бор схилився до думки про два, еквівалентних один одному, способи опису - хвильовому і корпускулярному - з наступним їх поєднанням. Так що точніше говорити про те, що принцип додатковості виступає розвитком співвідношення невизначеності.

Ряд вчених витлумачили порушення принципу класичного детермінізму в рамках квантової теорії на користь індетермінізма. У дійсності ж тут принцип детермінізму змінював свою форму. У рамках класичної фізики, якщо в початковий момент часу відомі положення і стан руху елементів системи, можна повністю передбачити її положення в будь-який майбутній момент часу. Всі макроскопічні системи були підпорядковані цим принципам. Навіть у тих випадках, коли доводилося вводити ймовірності, завжди передбачалося, що всі елементарні процеси суворо детермінізовані і що тільки їх велика кількість і безладність поведінки змушує звертатися до статистичних методів. У квантовій теорії ситуація принципово інша. Для реалізації принципів детермінізаціі тут необхідно знати координати та імпульси, і це співвідношенням невизначеності забороняється. Використання ймовірності тут має інший зміст у порівнянні зі статистичною механікою: якщо в статистичній механіці ймовірності використовувалися для опису великомасштабних явищ, то в квантовій теорії ймовірності, навпаки, вводяться для опису самих елементарних процесів. Все це означає, що у світі великомасштабних тел діє динамічний принцип причинності, а у мікросвіті - імовірнісний принцип причинності.

Копенгагенська інтерпретація передбачає, з одного боку, опис експериментів в поняттях класичної фізики, а з іншого - визнання цих понять неточно відповідними дійсному стану речей. Саме ця суперечливість і обумовлює ймовірність квантової теорії. Поняття класичної фізики складають важливу складову частину природної мови. Якщо ми не будемо використовувати цих понять для опису експериментів, що проводяться, то ми не зможемо зрозуміти один одного.

Ідеалом класичної фізики є повна об'єктивність знання. Але в пізнанні ми використовуємо прилади, а тим самим, як каже Гейнзерберг, в опис атомних процесів вводиться суб'єктивний елемент, оскільки прилад створений спостерігачем. "Ми повинні пам'ятати, що те, що ми спостерігаємо, - це не сама природа, а природа, яка виступає в тому вигляді, в якому вона виявляється завдяки нашому способу постановки питань. Наукова робота у фізиці полягає в тому, щоб ставити питання про природу на мові, якою ми користуємося, і намагатися отримати відповідь в експерименті, виконаному за допомогою наявних у нас в розпорядженні засобів. При цьому згадуються слова Бора про квантові теорії: якщо шукають гармонії в житті, то ніколи не можна забувати, що у грі життя ми одночасно і глядачі, і учасники. Зрозуміло, що в нашому науковому відношенні до природи наша власна діяльність стає важливою там, де нам доводиться мати справу з областями природи, проникнути в які можна тільки завдяки найважливішим технічним засобам"

Класичні уявлення простору і часу також виявилося неможливим використовувати для опису атомних явищ. Ось що писав з цього приводу інший творець квантової теорії: "існування кванта дії виявило абсолютно непередбачений зв'язок між геометрією і динамікою: виявляється, що можливість локалізації фізичних процесів в геометричному просторі залежить від їх динамічного стану. Загальна теорія відносності вже навчила нас розглядати локальні властивості простору -часу в залежності від розподілу речовини у Всесвіті. Однак існування квантів вимагає набагато більш глибокого перетворення і більше не дозволяє нам представляти рух фізичного об'єкта вздовж певної лінії в просторі-часу (світовий лінії). Тепер не можна визначити стан руху, виходячи з кривої, що зображає послідовні положення об'єкта в просторі з плином часу. Тепер потрібно розглядати динамічний стан не як наслідок просторово-часової локалізації, а як незалежний і додатковий аспект фізичної реальності "

Дискусії з проблеми інтерпретації квантової теорії оголили питання про саме статус квантової теорії - чи є вона повною теорією руху мікрочастинки. Вперше питання таким чином було сформульовано Ейнштейном. Його позиція одержала вираження в концепції прихованих параметрів. Ейнштейн виходив з розуміння квантової теорії як статистичної теорії, що описує закономірності, які стосуються поведінки не окремої частинки, а їх ансамблю. Кожна частинка завжди строго локалізована, одночасно володіє певними значеннями імпульсу та координати. Співвідношення невизначеностей відображає не реальний пристрій дійсності на рівні мікропроцесів, а неповноту квантової теорії - просто на її рівні ми не маємо можливості одночасно вимірювати імпульс і координату, хоча вони насправді існують, але як приховані параметри (приховані в рамках квантової теорії). Опис стану частинки за допомогою хвильової функції Ейнштейн вважав неповним, а тому і квантову теорію представляв у вигляді неповної теорії руху мікрочастинки.

Бор в даній дискусії зайняв протилежну позицію, що виходить з визнання об'єктивної невизначеності динамічних параметрів мікрочастинки як причини статистичного характеру квантової теорії. На його думку, заперечення Ейнштейном існування об'єктивно невизначених величин залишає непоясненим властиві мікрочастинок хвильові риси. Повернення до класичних уявленнях руху мікрочастинки Бор вважав неможливим.

У 50-х рр.. ХХ століття Д. Бом повернувся до концепції хвилі-пілота де Бройля, представивши псі-хвилю у вигляді реального поля, пов'язаного з частинкою. Прихильники копенгагенської інтерпретації квантової теорії і навіть частина її противників позицію Бома не підтримали, проте вона сприяла більш поглибленому опрацюванню концепції де Бройля: частинка стала розглядатися у вигляді особливого обєкту, що виникає і рухається в псі-поле, але зберігає свою індивідуальність. Роботи П. Віж'є, Л. Яноші, що розробляли дану концепцію, були оцінені багатьма фізиками як занадто "класичними".

У вітчизняній філософській літературі радянського періоду Копенгагенська інтерпретація квантової теорії була піддана критиці за "прихильність до позитивістським установкам" в трактуванні процесу пізнання. Проте поруч авторів відстоювалася справедливість копенгагенської інтерпретації квантової теорії. Зміна класичного ідеалу наукового пізнання некласичним супроводжувалася розумінням того, що спостерігач, намагаючись побудувати картину об'єкта, не може відвернутися від процедури вимірювання, тобто дослідник виявляється не в змозі вимірювати параметри досліджуваного об'єкта такими, якими вони були до процедури вимірювання. В. Гейзенберг, Е. Шредінгер і П. Дірак поклали принцип невизначеності в основу квантової теорії, в рамках якої частинки вже не мали визначених і не залежних один від одного імпульсу і координат. Квантова теорія, таким чином, внесла в науку елемент непередбачуваності, випадковості. І хоча Ейнштейн не зміг погодитися з цим, квантова механіка узгоджувалася з експериментом, а тому стала основою багатьох областей знання.

Поиск по сайту: