Интерпретации квантовой механики

Многомировая интерпретация

Самой странной из интерпретаций квантовой механики является теория многих миров, предложенная в 1957г. Хью Эвереттом. Он не признавал коллапса волновой функции при эксперименте, а считал, что все другие возможности, описываемые волновой функцией, реализуются в других вселенных. Если в эксперименте могут реализоваться 5 значений, то одно из пяти реализуется в нашем мире, а остальные 4 – ещё в 4-х Вселенных. «Мы оказались в той Вселенной, – пишет Иен Барбур, поясняя позицию Хью, – в которой произошло именно то, что мы видим, и у нас нет доступа к другим вселенным, в которых наши двойники наблюдают осуществление иных возможностей».

На наш взгляд, теория многих миров является спорной, как минимум, по двум обстоятельствам. Во-первых, эта теория «представляется принципиально недоказуемой, так как между различными мирами невозможно никакое сообщение». Во-вторых, существование большого количество атомов и столь же большого количества квантовых событий обязывает Вселенные размножаться катастрофически быстро. Поэтому большинство учёных предпочитает теории бесконечного увеличения числа миров простую теорию, согласно которой возможности, не реализовавшиеся в нашей Вселенной, не реализовались нигде.

Математическое основание материи

Эта концепция была предложена математиком Иоганном Нейманом: «Полное существование динамических характеристик вещей происходит тогда, когда они восприняты человеческим сознанием». Последователи Неймана утверждают больше: «все характеристики, не только динамические, созданные алгеброй, но и вся Вселенная существует в полуреальном состоянии, пока человеческие наблюдения не сделают её вполне реальной». Кречет В. Г., соглашаясь с этой интерпретацией, пишет: «Нарушение неравенств Белла в квантовой физике показывает, что дополнительные свойства квантовых объектов не "существуют" независимо от наблюдателя и возникают (или "творятся") при наблюдении».

Такое идеалистическое понимание квантовой физики было очень широко распространено благодаря популярным работам Артура Эддингтона и Джеймса Джинса. Эддингтон считал, что «разум получает из Природы лишь то, что он сам в неё поместил». Человек сам навязывает природе придуманные им законы.

Действительно, современная физика показывает, что атомы являются по большей части пустым пространством, состоящим из небольшого ядра, окруженного вращающимися электронами. И даже они - не материя в классическом значении; они похожи на сгустки сконденсированной энергии. «По сравнению с твердым телом субстанциональный мир в повседневном восприятии физики представляют нам как "мир теней"». Поэтому критики этой интерпретации обоснованно обвиняют Эддингтона, что он спутал энергию с духом или идеей. Мир энергии существует как мир материи, а квантовая механика заменила старые понятия материализма новыми понятиями.

В свою очередь, Джинс предложил математический аргумент в защиту идеализма. Квантовая теория не может изобразить Вселенную в доступной для нас форме, схожей с чем-либо из нашей повседневной реальности, она может сделать это лишь математически. Джинс считал, что «Вселенная начинает выглядеть скорее более похожей на великий замысел, чем на великую машину. Разум больше не кажется случайным гостем в сфере материи». Критики отвечали, что Джинс исказил природу квантовой механики. Нэнси Пирсей (Pearcey) пишет: «Согласно его (Джинса – В. Р.) аргументам, мы должны полагать, что квантовая механика разделом чистой математики, свободным творчеством математической мысли. Но даже в квантовой физике, ученые всё же проверяют свои теории на опыте. Тесты могут косвенными, и учёные все же ссылаются своими теориями на физический мир, а не на просто ментальный или математический мир».

Мы считаем, что наука начинается из предположения, что объективная реальность «где-то» есть, и её можно исследовать. Даже если мы не можем познать её вполне, даже если наш акт наблюдения влияет на неё, все-таки ещё должно быть что-то независимое от нашего сознания. «Мир должен существовать с присущей ему собственной структурой, которую мы можем представить в наших теориях и проверить их». В противном случае если мир является созданием нашего разума, тогда у него нет присущей структуры, он может меняться согласно нашим убеждениям. Значит, нет смысла науке проверять теории на реальном мире, поскольку он все равно «прогнётся» под научные представления. Такие аргументы ставят под сомнение достоверность самой науки.

Часть и целое

До сер. XX в. считалось, что протоны, нейтроны и электроны неделимы и являются основными строительными блоками материи. Однако, в результате экспериментов на ускорителях высоких энергий в 1950-1960гг. были открыты многие другие виды частиц, также имеющих массу, заряд и спин. Причём, время существования некоторых из них составляло миллиардную долю секунды или меньше. Дальнейшие исследования заставили ученых предположить о существовании кварков, ещё более мелких частиц, составляющих элементарные частицы. Однако свойство их таково, что они не могут существовать свободно. К примеру, сам протон состоит из 3-х кварков, и, чтобы их отделить друг от друга, необходимо большое количество энергии, в результате чего появляются новые кварки и новые протоны, другие частицы. «Кварки – это частицы, – резюмирует Иен Барбур, – которые, по-видимому, могут существовать только в рамках целого».

Классическая физика, рассматривая атом гелия, видела в нём отдельные компоненты: ядро, состоящее из 2-х протонов и 2-х нейтронов, и вращающиеся вокруг него электроны. Однако квантовая теория рассматривает атом гелия как целое, в котором нет различимых частей. Волновая функция атома не является суммой волновых функций элементарных частиц, входящих в него. Поэтому Луи де Бройль писал: «Связанный электрон – это состояние системы, а не независимая единица».

Такая зависимость частей от целого наблюдается и на более высоком уровне: энергетическое состояние атомов в кристаллической решётке, групповое взаимодействие магнитных доменов при охлаждении металла, «кооперативное» поведение электронов при сверхпроводимости. Здесь законы поведения системы невозможно вывести из законов поведения её составляющих. «Существование любого объекта определяется его взаимодействием с другим и участием в более общих системах. Без подобных холических квантовых явлений не было бы ни химических свойств, …ни ядерной энергии, ни жизни», – заключает Барбур.

Теорема Белла

Теперь мы рассмотрим, как происходило экспериментальное подтверждение целостности мира на основании квантовой теории.

В 1935г. Эйнштейн предложил тип эксперимента, провести который стало возможно лишь недавно. Источник испускает две частицы, А и В, которые разлетаются в противоположных направлениях. Пусть начальный спин системы равен нулю, тогда спин В должен быть равен по величине и противоположен по знаку спину А. С помощью детектора можно измерить определенный компонент спина частицы А, и можно определить вероятность точного значения соответствующего компонента спина В (он будет равным и противоположным). Его также можно измерить вторым детектором.

Квантовая теория описывает каждую частицу в полете как смешение волн, представляющих с одинаковой вероятностью различные предполагаемые ориентации спина. Каждая группа волн дает определенное значение, только когда проводится измерение. Поэтому значение компонента спина частицы В будет равно значению спина частицы А, но противоположно.

Эйнштейн не мог с этим согласиться и считал, что во время полета спин В уже должен обладать определенным значением, а не возможным распределением. Он сделал два допущения: частицы обладают определенными классическими свойствами, даже когда мы их не наблюдаем; и взаимодействие двух изолированных частей не может осуществляться быстрее, чем со скоростью света. Эйнштейн был уверен, что вероятностное описание мира есть неполное описание. Квантовая теория, по мнению ученого, должна была оперировать со скрытыми переменными, не нарушающими законы причинности.

Бор же считал, что невозможно говорить о свойстве частицы безотносительно к процессу измерения. Поэтому мы должны признать две частицы и два детектора единой системой, а её волновая функция будет заключать в себе обе частицы, несмотря на то, что они удалены друг от друга.

В 1932 г. Иоганн фон Нейман доказал, что детерминистская теория, в которой результаты измерения всегда согласуются с предсказаниями квантовой механики, не может содержать скрытых параметров. Этим опровергалось существование в квантовой теории скрытых переменных, благодаря которым её законы имеют вероятностный характер. Однако позднее, в 1965 г., Джон Белл, опровергая существование скрытых переменных, показал, что теорема Неймана запрещает существование локальных детерминистических моделей со скрытыми переменными, предсказания которых совпадают с предсказаниями квантовой механики. Более того, Белл показал, что такие модели со скрытыми переменными должны приводить к некоторым неравенствам, нарушающим корреляции между микрочастицами. Эти микрочастицы, образуя в начальный момент времени единую систему, потом разлетаются на большое расстояние друг от друга, сохраняя целостность системы. Квантовая механика, учитывая «размытость» начального состояния, «…приводит к более сильным корреляциям, … и неравенства Белла в ней не выполняются».

Чуть позднее Кошен и Шпеккер предложили более простое опровержение существования скрытых параметров: «в квантовой механике случайность сочетается с необходимостью таким образом, что делает невозможным сведение случайности к скрытым параметрам».

Это ещё раз свидетельствует о полноте квантовой теории и об отсутствии скрытых классических переменных.

В 1983г. Элайн Аспект провёл эксперимент, предложенный Эйнштейном в 1935 г. В эксперименте частицы вели себя так, будто между ними существовало некоторое сообщение, однако, они были настолько далеки друг от друга, что между ними за это время не могло возникнуть никакого взаимодействия.

По мнению большинства физиков, частицы А и Б появились в результате одного события, поэтому являются единой системой даже находясь далеко друг от друга. Квантовая волновая функция должна включать обе частицы. Только после наблюдения мы можем признать, что они отличны друг от друга и существуют независимо.

Однако есть и другое понимание. Так, физик Пол Дэвис говорит: «Интересующая система не может рассматриваться как собрание объектов, но как неделимое и единое целое». Полкинхорн так же обращает внимание на целостность квантовых систем: «Квантовые состояния демонстрируют неожиданную степень совместности... Эксперименты ведут к удивительно интеграционистскому взгляду на взаимоотношение систем, которые однажды взаимодействовали друг с другом, сколь бы сильно они ни разделились впоследствии».

Обнаруженные в эксперименте Аспекта дальнодействующие мгновенные аказуальные корреляции между частицами подтверждают связанность, согласованность и единство материальных явлений на квантовом уровне. Сила, осуществляющая это единство, как мы увидим ниже, характеризуется нематериальными свойствами.

Копенгагенская интерпретация

Её предложил Нильс Бор. В основу был положен принцип неопределённости. Бор считал, что электрон реально не обладает характеристиками координат и импульса до тех пор, пока не проведены измерения. На возражение, что невозможно измерить то, чего не существует, Бор отвечал, что «спорна любая действительность для понятия положения и движущей силы». Согласно Бору, положение и скорость не присущи электрону, они – продукт взаимодействия измерительным прибором. Копенгагенская интерпретация не утверждает, что все характеристики квантовых объектов есть результат взаимодействия с измерительным прибором. Статические атрибуты: заряд, масса, спин – стабильны. В отношении этих характеристик квантовые объекты ведут себя согласно классической физике. «Загадочны» только динамичные характеристики: положение, скорость, направление спина – их существование есть акт взаимодействия с измерительной системой. Здесь можно привести аналогию с цветом, который не является врождённым атрибутом, а зависит от цвета освещения. Несмотря на явный субъективизм в измерении динамических величин, Бор не считал, что квантовые объекты является созданием нашего ума: они существуют объективно. Поэтому Бор соглашался, что «мы не можем знать, что такое квантовый мир сам по себе». Мы можем только знать различные способы, которыми он отвечает на наши исследования. Вместе с тем Копенгагенская интерпретация не объясняет парадоксальность коллапса волновой функции: все возможности каким-то образом существуют в потенции до тех пор, пока волновая функция не сколлапсирует, и одно конкретное состояние мгновенно не станет действительностью.

Интерпретация квантовой механики Шрёдингера

Как уже было сказано, Бор предполагал, что акт измерения вызывает динамические характеристики из мира возможностей. Эрвин Шрёдингер, попытался показать нелепость такого понимания с помощью рассуждения, известного под названием «кот Шрёдингера». Суть его в следующем. Поместим кота в закрытый ящик рядом с крупинкой радия, чей период полураспада известен. Условия эксперимента таковы, что мы на 50% уверены, что один атом испустит альфа-частицу в течение одного часа. Если это произойдёт, то специальный механизм разобьёт ампулу с ядом, и животное умрёт. Согласно Копенгагенской интерпретации, через один час, если мы не откроем ящик, кот должен будет находиться в двух состояниях: быть и живым, и мёртвым. Конечно, если мы откроем ящик, то волновая функция сколлапсирует, и кот будет действительно живым или действительно мёртвым.

Шрёдингер этим хотел показать, что Копенгагенская интерпретация наделяет эксперимент «магической силой» выводить вещи из небытия. Тем не менее, эта интерпретация остаётся господствующей в мире ученых, которые, учитывая «кота Шрёдингера», фокусируют внимание на человеке-наблюдателе: «Если мы хотим, чтобы квантовый объект проявлял себя как частица, мы выбираем эксперимент частицы. Если мы хотим, чтобы он проявлял себя как волна, мы выбираем волновой эксперимент». В подтверждение этого Уилер пишет: «Никакой элементарный феномен не является реальным феноменом, пока он не будет наблюдаемым феноменом».

Сам Шредингер приписывает объективную реальность не частицам, а волнам, и не согласен интерпретировать волны только как волны вероятности. Он считает, что функция распределения вероятностей аналогична векторам электрического и магнитного полей в теории Максвелла. Более того, она, как и эти векторы, недоступна наблюдению. Единственное, что доступно наблюдению, это сила и энергия, которые являются квадратичными функциями полей. В случае с функцией вероятности, также наблюдаемой является только лишь квадрат её модуля, т.е. вероятность события.

Сущностная непознаваемость мира для Шрёдингера очевидна: «…Никогда нельзя сказать, что в действительности имеет место или в действительности происходит, но лишь указать, что будет наблюдаться в данном частном случае». Действительно, функция распределения вероятности есть функция 3N переменных и времени. Она существует в абстрактном гильбертовом пространстве, которое с реальным трехмерным пространством ничего общего не имеет.

Только при рассмотрении задачи одного или двух тел можно говорить о распространении волн вероятности во времени и пространстве, т.е. в нашем мире. Поэтому волны вероятности не реальны, а, правильнее сказать, метафизичны нашему трёхмерному бытию.

«Теоретические и практические достижения западной мысли за последние полтора столетия... не слишком обнадеживают.... Требование – все трансцендентное должно исчезнуть – не может быть последовательно проведено в теории познания, т.е. именно в той области, для которой этот тезис и предназначался в первую очередь, – писал Эрвин Шредингер. – Причина заключается в том, что мы не можем обойтись здесь без путеводной нити метафизики (выделено нами – В. Р.)».

Интерпретация Бома

Другая интерпретация предложена Дэвидом Бомом. Волновая функция для него, также как и для Шрёдингера, является математическим представлением некоторого реального, объективного поля, несмотря на трудности, возникающие при N>2. В понимании Бома координаты и импульсы частиц являются «скрытыми переменными», которые можно измерить лишь путём непрерывного наблюдения, что фактически невозможно.

Бом разработал уравнения для квантового потенциала, действующего как некая мгновенная волна, направляющая частицы. Эта волна несет закодированную информацию как о близких, так и об удаленных событиях, и не уменьшается с увеличением расстояния. Бом считает, что существует холический внутренний порядок, информация которого разворачивается во внешний порядок определенных полей и частиц. В качестве грубой аналогии можно предложить телевизионный сигнал, в котором информация зримого образа свёрнута в электромагнитную волну, или голографическую фотографию, в плоскости содержащую информацию об объёме.

Интерпретация Бома рисует впечатляющую целостность, допуская мгновенные нелокальные непричинные связи. События, разделенные в пространстве и времени, соотносимы, поскольку они разворачиваются из одного внутреннего порядка. Между ними не существует прямых причинных связей, так как одно событие само по себе не влияет на другое. Даная теория не нарушает релятивистского запрета на передачу сигналов со скоростью выше скорости света, поскольку её нельзя использовать для того, чтобы посылать сигнал с одного детектора на другой.

Несмотря на то, что точка зрения Бома согласуется с экспериментами, большинство физиков всё же разделяет взгляды Бора, т.к. пока не существует экспериментальных опровержений теории последнего. Интерпретация Бома и его коллег по теории квантового потенциала может быть проверена опытами, но этого пока ещё не сделано.

Интерпретация Гейзенберга

Гейзенберг основы понимания природы бытия усматривал в греческой философии. Жизнь Сократа, по Платону, состояла в постоянном обсуждении языковых понятий и границ наших средств выражения. Гейзенберг считает, что вопрос об объективности наших знаний о мире решается степенью объективности понятий, которые выработаны в процессе взаимного общения с миром, и, строго говоря, субъективны: «Значения всех понятий и слов, образующиеся посредством взаимодействия между миром и нами самими, не могут быть точно определены. А это значит, что мы не знаем точно, в какой степени они могут нам помочь в познании мира.… Поэтому путем только рационального мышления никогда нельзя прийти к абсолютной истине (выделено нами – В. Р.)». Естественная наука не просто описывает и объясняет природу, она описывает природу таким способом, каким мы её спрашиваем.

Гейзенберг соглашался с Копенгагенской интерпретацией, что «мы не можем описывать природу, не вводя себя самих в качестве самостоятельных сущностей в это описание». Но он не соглашался, что мир существует лишь благодаря нашему его восприятию: «Тот факт, что в физике природу можно описать посредством простых математических законов, учит нас тому, что мы имеем здесь дело с подлинными чертами реальности, а вовсе не с тем, что мы в некотором смысле слова изобрели сами».

Для Гейзенберга неопределённость есть свойство природы. Природа не определена, как предполагает классическая физика, но она неопределённа. Гейзенберг восстановил Аристотелевскую терминологию потенции и акта. «Всё, что мы наблюдаем в мире явлений, - говорил Аристотель, - представляет собой оформленную материю». Материя, следовательно, является реальностью не сама по себе, но представляет собой только возможность, "потенцию", она существует лишь благодаря форме. По Аристотелю, материя не является каким-либо определённым веществом, как воздух, вода, огонь или даже пространство; она является тем «нечто», которое может перейти благодаря форме в актуально свершившееся.

Атомная область есть область возможности, говорил Гейзенберг, будущее событие не предрешено до тех пор, пока из диапазона возможностей одна не реализовалась. Когда учёный вторгается своим измерительным прибором в атомную систему, он актуализирует конкретный результат из того, что было нечёткой областью возможностей. Гейзенберг писал: «Переход от "возможности" к "действительности" происходит во время акта наблюдения».

Полное взаимопревращение элементарных частиц в энергию и обратно побуждает Гейзенберга видеть в «энергии» современной физики первоматерию Аристотеля: «Таким образом, энергию можно считать основной субстанцией, первоматерией. Фактически она обладает существенным свойством, принадлежащим субстанции: она сохраняется». Благодаря энергии частица «актуализируется», и в мире существуют изменения состояния.

Взаимные превращения частиц Гейзенберг считает неоспоримым доказательством единства материи: «Все элементарные частицы "сделаны" из одной и той же субстанции, из одного и того же материала, который мы можем назвать энергией, или универсальной материей; они – только различные формы, в которых может проявляться материя».

Уравнение Шрёдингера, называемое Гейзенбергом как «математическое уравнение всей материи», имеет собственные решения – волновые функции, которые суть элементарные частицы. Поэтому Гейзенберг соглашается с Пифагором, сказавшим: «Все вещи суть числа». Для ученого «…все элементарные частицы, в конечном счёте, суть математические формы, только гораздо более сложной и абстрактной природы». Они являются первообразами, идеями материи, которыми определяется всё происходящее.