Masot-Conde F. Understanding Einstein’s Viewpoint on Quantum Mechanics // Acta Baltica Historiae et Philosophiae Scientiarum. Königstein, 2015. Vol. 3, №2. P. 53–65.

Ключевые слова: Бор; Эйнштейн; квантовая механика; копенгагенская интерпретация; теория де Бройля-Бома; уравнение Шрёдингера; измерение; полнота теории, принцип неопределённости Гейзенберга; скрытые параметры; физическая реальность.

В своей статье адъюнкт-профессор университета Севильи Фатима Масот-Конде (PhD по физике) защищает эйнштейновскую точку зрения на квантовую механику в свете идеи подобия между математикой и природой. Она подвергает сомнению копенгагенскую интерпретацию, а в качестве альтернативы берет теорию де Бройля-Бома, позволяющую остаться в рамках детерминизма, не разрушая его принципов.

Полемика между Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором о квантовой механике считается классикой. Эйнштейн отклонял квантовую механику из-за ее непредсказуемой сущности, в то время как Бор не испытывал по этому поводу никаких затруднений, признав пределы, наложенные природой на человеческие знания и приняв статистическое описание мира. Со временем истинность квантовой механики стала несомненной. Это, вероятно, означает, что мировоззрение Бора было ближе к истине и следует отказаться от идеи Эйнштейна, что природа работает как детерминистский часовой механизм. С другой стороны, несмотря на успех квантовой теории, некоторые ее выводы и следствия все еще кажутся абсурдными, а мир при этом все больше проявляет свою математическую сущность, что, возможно, делает Эйнштейна не столь уж неправым.

Как пишет автор, известное противостояние между Эйнштейном и Бором на ранних этапах развития квантовой механики можно кратко выразить в двух фразах: эйнштейновской – «Бог не играет в кости», и ответной – «Не наше дело предписывать Богу, как ему следует управлять этим миром» (р. 54). Обе показывают радикально различное видение математической природы мира: если Эйнштейн верил в детерминистский механизм, где математика является естественным языком интерпретации предсказуемого физического поведения; то квантовая теория Бора открыла представление о неопределенном мире, где математика является всего лишь инструментом статистического описания (при своей безусловной эффективности). Для Эйнштейна действительность существует независимо от наблюдателя, никак не нуждаясь в его существовании, она есть прекрасный и точный механизм, управляемый красивыми и понятными законами. Напротив, о действительности Бора вообще не имеет смысла говорить, до тех пор, пока над ней не производится измерение, в ходе которого она обретает свою конкретность. Принципиальное различие между обоими представлениями заключается в том, что мир Эйнштейна понятен (если причины существуют, их можно отследить и, в конечном счете, понять их), и таким образом историческое научное стремление по поиску скрытой логики физических явлений, оказывается не бесполезным усилием. С другой стороны, в мире Бора существует наложенный на природу предел – черный ящик размерностей Планка, – который невозможно преодолеть, где квантовые частицы ведут себя абсолютно непредсказуемым способом, что ставит неизбежный предел нашему пониманию. Вид детерминизма, на котором строится мировоззрение Эйнштейна, подразумевает, что причины и следствия логически связаны, он не совместим с вероятностной точкой зрения, на которой строится копенгагенская интерпретации квантовой механики, возглавляемая Бором, где причинно-следственная связь в некоторой точке нарушается[1]. Однако наше понимание природы основано строго на принципе причинной связи, которая далека от того, чтобы быть применимой к определенным масштабам, структурам и ограниченным диапазонам достоверности. Вместо этого, отмечает автор, необходима более глубокая функция физической действительности или, по крайней мере, функция, необходимая человеческому интеллекту, чтобы быть в состоянии создать согласующуюся систему понимания реальности, называемую научной картиной мира.

Копенгагенская интерпретация квантовой механики была сформулирована Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом во время совместной работы в Копенгагене в 1927 г. Они усовершенствовали вероятностную интерпретацию волновой функции, данную Максом Борном, и попытались ответить на ряд вопросов, возникающих вследствие корпускулярно-волнового дуализма, свойственного квантовой механике. Согласно данной интерпретации, физический мир состоит из квантовых объектов и классических измерительных приборов. Уравнение Шрёдингера описывает изменение квантового состояния объектов[2]. Изменение состояния классических измерительных приборов описывается необратимым статистическим процессом измерения характеристик квантовых микрообъектов. В процессе взаимодействия микрообъекта с атомами измерительного прибора происходит редукция волновой функции измеряемого микрообъекта, то есть сведение суперпозиции к одному состоянию. Этот результат не следует из уравнения Шрёдингера. Согласно копенгагенской интерпретации, квантовая механика описывает не микрообъекты сами по себе, а их свойства, проявляющиеся в макроусловиях, создающихся классическими измерительными приборами в процессе акта наблюдения.

Философскую основу копенгагенской интерпретации составляют гносеологические принципы: принцип наблюдаемости (исключение, насколько возможно, из физической теории утверждений, которые не могут быть проверены непосредственным наблюдением), принцип дополнительности (волновое и корпускулярное описание микрообъектов являются дополнительными друг к другу), принцип неопределённости[3] (координата и импульс микрообъектов не могут быть определены независимо друг от друга и с абсолютной точностью), принцип статистического детерминизма (данное состояние замкнутой физической системы определяет её последующее состояние не однозначно, а лишь с определённой вероятностью, описывающей меру возможности осуществления заложенных в прошлом тенденций изменения) и принцип соответствия (законы квантовой механики переходят в законы классической, когда можно пренебречь величиной кванта действия).

Копенгагенская интерпретация предполагает, что на волновую функцию могут влиять два процесса: унитарная эволюция согласно уравнению Шрёдингера и процесс измерения. По поводу первого процесса не возникает разногласий ни у кого, а по поводу второго имеется ряд различных интерпретаций, даже в пределах самой копенгагенской интерпретации[4]. С одной стороны, можно полагать, что волновая функция является реальным физическим объектом и что она во время второго процесса претерпевает коллапс, с другой стороны, можно считать, что волновая функция – лишь вспомогательный математический инструмент (а не реальная сущность), единственное предназначение которой дать возможность рассчитывать вероятности. Бор подчёркивал, что единственное, что можно предсказывать – это результаты физических опытов, поэтому дополнительные вопросы относятся не к науке, а к философии. Бор разделял философскую концепцию позитивизма, которая требует, чтобы наука говорила только о реально измеримых вещах. Согласно копенгагенской интерпретации, физика – это наука о результатах измерительных процессов. Измышления на тему того, что происходит за ними («на самом деле»), неправомерны. Копенгагенская интерпретация отбрасывает вопросы типа «где была частица до того, как зарегистрировали её местоположение» как бессмысленные. Акт измерения вызывает мгновенное схлопывание, «коллапс волновой функции». Это означает, что процесс измерения случайно выбирает в точности одну из возможностей, допустимых волновой функцией данного состояния, а волновая функция мгновенно изменяется, чтобы отразить этот выбор. Этот необходимый «мгновенный» коллапс волновой функции во всём пространстве вызывает обвинения в нелокальности[5]; а также оставляет непроясненным физический смысл этого «явления», так как, согласно теории относительности Эйнштейна, мгновенность или одновременность имеет смысл только для наблюдателей, находящихся в одной системе отсчёта, единого для всех времени не существует.

Попытка уйти от индетерминизма квантовой механики предпринята в интерпретации де Бройля-Бома[6]. Она постулирует (в дополнение к волновой функции на пространстве всех возможных конфигураций) реальную конфигурацию, которая существует, даже не будучи измеряемой. Эволюция конфигурации во времени (то есть позиции всех частиц или конфигурации всех полей) определяется волновой функции с помощью управляющего уравнения (теория волны-пилота). Теория была развита де Бройлем в 1920-х годах, но в 1927 году он был вынужден отказаться от неё в пользу господствовавшей тогда копенгагенской интерпретации. Дэвид Бом, недовольный преобладающей ортодоксальной теорией, вновь открыл теорию волны-пилота де Бройля в 1952 году. Данная теория детерминированная и явно нелокальная: скорость любой частицы зависит от значения управляющего уравнения, которая зависит от конфигурации системы, заданной её волновой функцией; последняя зависит от граничных условий системы, которой в принципе может быть вся Вселенная. Явная нелокальность теории устраняет «проблему измерения», которая обычно относится к теме интерпретации квантовой механики в ее копенгагенском изложении. Из-за своей нелокальности данная интерпретация считалась недопустимой основными теоретиками. С 1990-х годов возрождается интерес к разработке ее расширений в попытках примирить ее со специальной теорией относительности и квантовой теорией поля.

Сам Эйнштейн не принял данную интерпретацию, несмотря на то, что она полностью вписывалась в ход его мыслей. Как отмечает автор, по всей видимости, это неприятие не имело никакого отношения к самой теории Бома, а произошло из-за того, что она появилась после копенгагенской интерпретации, на основании которой Эйнштейн уже составил свое впечатление о всей квантовой механике, и не был готов так легко изменить его. Интерпретацию Бома он считал всего лишь вынужденным решением, отчаянной попыткой спасти копенгагенскую интерпретацию от абсурда (р. 62).

В заключение автор резюмирует. Из-за экспериментальных успехов квантовой механики сражение Эйнштейна против нее, по-видимому, проиграно. Однако признание того факта, что природа может быть хаотичной в момент измерения, приводит к странным выводам о характере природы в момент измерения, в то время как до и после измерения она считается вполне определенной. Эта выборочная неопределенность относится либо к самой природе, либо к нашему представлению о ней. В обоих случаях последствия фатальны для наших попыток найти рациональное основание мира, который оказывается сущностно случайным. Но цель науки – понять материальный мир, для чего он должен быть в принципе объяснимым (иначе, научная деятельность оказывается бессмысленной). Этот принцип постижимости природы подвергается серьезным испытаниям со стороны квантовой механики. Недавние экспериментальные результаты подтвердили существование чисто случайных атомных переходов (квантовых скачков), вызванных измерением, выявляя этим еще большую непостижимость Вселенной, чем представлялось до этого. Детерминированный подход Бома, заключает автор, должен быть использован для объяснения этих квантовых переходов, чей случайный характер представляет реальную проблему для нашей системы понимания мира (р. 64).

Р.С. Гранин

[1] Закон причинности в квантовой механике выполняется по отношению к волновой функции, изменение которой во времени полностью определяется её начальными условиями, а не по отношению к координатам и скоростям частиц, как в классической механике. Вследствие того, что физический смысл имеет лишь квадрат модуля волновой функции, начальные значения волновой функции невозможно полностью найти в принципе, что приводит к неопределённости знаний о начальном состоянии квантовой системы (Электронный словарь. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Копенгагенская_интерпретация (дата обращения: 12.05.2017)).

[2] Уравнение Шрёдингера – линейное дифференциальное уравнение в частных производных, описывающее изменение в пространстве и во времени чистого состояния, задаваемого волновой функцией, в гамильтоновых квантовых системах. Сформулировано Эрвином Шрёдингером в 1925 г., опубликовано в 1926 г. Данное уравнение не выводится, а постулируется методом аналогии с классической оптикой, на основе обобщения экспериментальных данных (Электронный словарь. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Уравнение_Шрёдингера (дата обращения: 12.05.2017)).

[3] Принцип неопределённости Гейзенберга в квантовой механике – фундаментальное соображение (соотношение неопределённостей), устанавливающее предел точности одновременного определения пары характеризующих систему квантовых наблюдаемых, описываемых некоммутирующими операторами (координаты и импульса, тока и напряжения, электрического и магнитного поля). Согласно данному принципу чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую. Соотношение неопределённостей задаёт нижний предел для произведения среднеквадратичных отклонений пары квантовых наблюдаемых. Принцип неопределённости, открытый Вернером Гейзенбергом в 1927 г., является одним из краеугольных камней физической квантовой механики. Является следствием принципа корпускулярно-волнового дуализма (Электронный словарь. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Принцип_неопределённости (дата обращения: 12.05.2017)).

[4] Оригинальная формулировка копенгагенской интерпретации породила ряд вариаций. Наиболее уважаемая основана на подходе непротиворечивых событий («Копенгаген прав?») и понятии квантовой декогеренции, которая позволяет рассчитывать нечёткую границу между «микро» и «макро» мирами. Другие вариации различаются степенью «реалистичности» волнового мира.

[5] Принцип локальности или близкодействия утверждает, что на объект влияет только его непосредственное окружение, а предельная скорость распространения любого взаимодействия не превышает скорости света в вакууме.

[6] Другими известными интерпретациями квантовой механики являются: «никакая» интерпретация, многомировая интерпретация, интерпретация Блохинцева, объективная редукция, транзакционная интерпретация, интерпретация Фока, реляционная квантовая механика, теологическая интерпретация.