Причинність класична і причинність квантова

План

1. Причинність класична і причинність квантова

2. Принцип додатковості

Імовірнісна інтерпретація квантової механіки дуже многим довелася не по душі і викликала численні спроби повернення до колишньої, класичної схеми опису. Це прагнення будь-що-будь використовувати старі знання в нових умовах по-людськії зрозуміло, але нічим не виправдано. Воно нагадує бажання відставного солдата осмислити все різноманіття життя з позицій статуту стройової служби. Безумовно, його обурить безладдя в дискоклубі, і досить важко пояснити йому, що там діють трохи інші закони, чим на армійському плацу.

Ще не так давно несумлінні інтерпретатори квантової механіки з підозрілою запопадливістю намагалися скасувати її тільки на тій підставі, що вона не узгоджувалася з придуманими ними схемами. Вони обурювалися "свободою волі", що нібито було даровано електрону, шельмували співвідношення невизначеностей і всерйоз доводили, що квантова механіка — непотрібна наука, раз вона розглядає не реальні події, а їх імовірності. Але навіть ті, хто шанобливо поставився до теорії атома, не завжди чітко усвідомлювали, як розуміти причинність атомних явищ, якщо кожне з них є випадковим, і наскільки достовірними є її передбачення, якщо всі вони засновані на понятті ймовірності.

Життєве поняття причинності — "усяке явище має свою причину" — не потребує пояснень, однак для науки воно даремне. Причинність у науці вимагає закону, за допомогою якого можна простежити послідовність подій у часі. Якщо вдатися до мови формул, то цей закон набуває вигляду диференціального рівняння, яке дістало назву рівняння руху. У класичній механіці такі рівняння - рівняння руху Ньютона — дозволяють визначити наперед траєкторію руху частинки, якщо точно задати її початкову швидкість і координату. Саме така, швидко окреслена схема пояснення й передбачення явищ природи завжди була ідеалом причинного опису в класичній фізиці. Вона не залишає місця для сумнівів і невірних суджень, і щоб підкреслити цю її якість, причинність у класичній фізиці назвали детермінізмом.

У квантовій фізиці така причинність відсутня. Але там є своя, квантово-механічна причинність і свій закон — рівняння Шредінгера. Закон цей ще могутніший порівняно з рівнянням Ньютона, оскільки вловлює і виділяє закономірності навіть у хаосі випадкових квантових подій — подібно до калейдоскопу, що у випадковому сполученні скелець дозволяє побачити фігури, які мають зміст і красу.

Випадковість одиничних квантових подій — не результат дії невідомих причин, а первинний елементарний закон, якому вони підпорядковуються, це — відправна точка теорії, а не факт, що потребує пояснення. Імовірність — властивість і категорія, властива самій квантовій реальності, а не зручний математичний прийом, який використовують для описування результатів експерименту.

Незважаючи на логічну красу таких побудов, звикнути до них і визнати їх природними все-таки досить важко. Як завжди в квантовій фізиці, ці логічні труднощі пояснюються особливостями нашої мови й нашого виховання. Поняття "закономірність" і "випадковість", "вірогідність" та "імовірність" виникли задовго до квантової механіки, і зміст, що у них звичайно вкладають, не залежить від бажання квантових фізиків.

Проблема ймовірності — це проблема спостереження: що відбудеться, якщо ми зробимо щось. У класичній фізиці два однакові експерименти за однакових початкових умовах завжди повинні привести до одного і того ж кінцевого результату. У цьому суть класичної причинності, чи детермінізму. Своєрідність квантово-механічної причинності полягає в тому, що навіть за незмінних умов вона може передбачити лише ймовірність результату окремого експерименту, однак цілком вірогідно передбачає розподіл результатів, коли кількість тих же самих експериментів велика. З квантової точки зору, традиційним є таке формулювання закону причинності: "знаючи точне сьогодення, можна з упевненістю передбачити майбутнє"є Однак воно містить невірну передумову: через співвідношення невизначеностей ми в принципі не можемо знати сьогодення у всіх деталях. Висновок, однак, залишається вірним, якщо розуміти його тепер по-новому.

Можна без кінця жонглювати парадоксами на зразок "закономірна випадковість", "достовірна ймовірність", однак це нічого не додасть до наших знань про атом. Просто потрібно хоча б колись зрозуміти, що ймовірнісний опис атома не є результатом усереднення поки ще невідомих субатомних явищ, а є принциповою межею можливостей сьогоднішньої науки. Доки залишаються чинними співвідношення невизначеностей Гейзенберга, ми не можемо безмежно уточнювати наші знання про індивідуальні квантові об'єкти. По суті, нам це не потрібно: усі тіла в природі складаються з величезної кількості атомів, а властивості таких систем квантова механіка передбачає цілком правильно, тобто без жодної довільності.

Відповіді квантової механіки на питання, що ми задаємо природі, залежать від того, який бік атомного явища ми хочемо вивчити більш прискіпливо.

Вивчаючи природу, ми завжди свідомо чи несвідомо поділяємо її на дві частини — на об'єкт і спостерігача. Такий поділ не є однозначним; він залежить від того, яке явище ми вивчаємо і що ми хочемо про нього довідатися. Якщо під явищем ми розуміємо рух окремої частинки, то ця подія дискретна, випадкова і здебільшого не підлягає спостереженню. Але якщо явищем ми називаємо результат спостереження за рухом численних однакових квантових об'єктів, то ця подія безупинна, закономірна й описується хвильовою функцією.

Квантова механіка вивчає тільки такі явища та об'єкти. Для них вона дає достовірні та єдино правильні передбачення, що досі жодного разу не були спростовані досвідом.

Принцип додатковості

Принцип додатковості, сформульований Н. Бором у 1927 році, є однією з найглибших філософських та природничонаукових ідей нашого часу. З цією ідеєю можна порівняти лише такі ідеї, як принцип відносності або уявлення про фізичне поле.

Поштовхом до створення Бором його принципу додатковості виявилися результати Гейзенберга — його знамените "співвідношення невизначеностей". Бор звернув увагу на той факт, що координату та імпульс частинки не можна виміряти не тільки одночасно, але й за допомогою одного приладу. Ці вимірювання мають виконуватися з використанням приладів, що істотно розрізняються; несумісність цих приладів природно зумовлюється суперечливістю властивостей, що досліджуються з їх допомогою. Ці властивості дійсно несумісні, але однаково необхідні для повного опису об'єкта. Додатковість — так визначив Бор ці властивості.

Справді, потік світла ми досліджуємо із двох позицій. По-перше, за допомогою різних спеціальних методів досліджуються спектральні характеристики світла — які довжини хвиль є у випромінюванні, а, по-друге, — його енергетичні характеристики, оскільки визначається розподіл енергії в спектрі. У першому випадку вивчаються хвильові властивості світла, а в другому — корпускулярні, тому що енергію переносять фотони. Ці характеристики вивчаються за допомогою принципово різних приладів; вони є взаємодоповнюючими, так як хвильові та корпускулярні показники однаковою мірою необхідні для повного опису такого явища, як світло.

У перекладі на мову абстрактних понять наведене міркування можна узагальнити у такий спосіб. Квантовий об'єкт — це "річ у собі", поки ми не визначили способу його спостереження. Різні властивості вимагають використання різних способів, іноді несумісних між собою. Фактично виникає "експериментальна ситуація", дійовими особами якої виступають взаємозалежні "об'єкт" і "спостереження"; одне без одного вони не мають сенсу. Результат реалізації експериментальної ситуації (явище) відбиває вплив приладу на досліджуваний об'єкт. Вибираючи різні прилади, ми змінюємо експериментальну ситуацію і вивчаємо різні явища. І хоча додаткові явища не можна вивчити одночасно, в одному досліді, вони однаково необхідні для повного опису об'єкта дослідження.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм викликає в недосвідченої людини цілком природний опір — поняття "частинка" і "хвиля" нам важко об'єднати у свідомості. Цю причину несумісності в нашій свідомості додаткових понять, однак, можна пояснити. Щоб пояснити результати дослідження мікросвіту, ми змушені вдаватися до наочних образів, які виникли ще в донаукові часи, і ці образи є не зовсім придатними для наших цілей. Серед основних положень формальної логіки — "правило виключеного третього": із двох протилежних висловлювань одне є істинним, інше — хибним, а третього бути не може. У класичній фізиці не було випадку, який би викликав сумнів у цьому правилі, оскільки поняття "частинка" і "хвиля" дійсно протилежні й несумісні. Але виявилося, що у квантовій фізиці вони однаково добре застосовні для опису властивостей тих самих об'єктів, і використовувати їх треба одночасно. Бор пояснив, що не можна беззастережно застосовувати класичні поняття для опису квантових явищ. У квантовій фізиці змінюються не тільки поняття, але і постановка питань про сутність фізичних явищ. Паулі навіть пропонував назвати квантову механіку "теорією додатковості" за аналогією з теорією відносності Ейнштейна.

На ідеально поставлене питання можна відповісти коротко: "так" чи "ні". Бор довів, що питання "хвиля чи частинка" стосовно до атомного об'єкта поставлено неправильно, таких роздільних властивостей атом не має, і тому на це питання не можна дати однозначну відповідь "так" чи "ні". Квантовий об'єкт — це не частинка і не хвиля, і ні те, ні інше одночасно. Квантовий об'єкт — це щось третє, таке, що не дорівнює сумі властивостей хвилі й частинки,