Андрей Король (аспирант УНЦ ОИЯИ 2004)

Современные интерпретации квантовой механики

(реферат по книге А.Ю. Севальникова «Современное физическое познание»)

 

В настоящее время существует множество трактовок квантовой механики. Любая интерпретация квантовой теории может быть только тогда адекватной, когда она одновременно «схватывает» все характерные особенности описания квантово-механической реальности. Существующие же интерпретации «ухватывают» лишь те или иные из этих особенностей, оставляя в тени другие. Так, в трактовке Уилера внимание акцентируется в основном на принципе «участия», «зависимости от иного», у Пригожина на динамическом аспекте, у Бома на целостности и динамичности и т.д.

Здесь представляется возможным дать лишь краткий обзор существующих точек зрения, так как подробный анализ занял бы слишком много места.

1. Копенгагенская трактовка квантовой механики является наиболее известной и сформулирована в основном Н.Бором. Эта точка зрения развивалась в работах не только Бора, но и В.Гейзенберга, В.Паули, уточнялась впоследствии учениками Бора. Необходимо отметить, что первоначально «копенгагенская трактовка» никогда не фиксировалась зачинателями в каком-либо одном единственном тексте. Она существует скорее во множестве интерпретаций, которые хотя и не различаются в своем  физическом содержании, но имеют ряд различий философского плана [Bohr, 1966; Heisenberg, 1959; v. Weizsaecker. 1971].

В этой трактовке утверждается - и это является центральным пунктом в ней - что в виду неустранимых парадоксов квантовой механики, мы можем знать с определенностью как «реальные» только результаты измерений. В сфере применимости квантовой механики нельзя задавать вопросы о том, что представляет собой, например, электрон, когда фактически не производится его наблюдение с помощью экспериментальной установки того или иного типа (выявляющей либо корпускулярные, либо волновые его свойства). Квантово-механические предсказания относятся лишь к ситуациям фактического наблюдения. Как уже отмечалось во введении, такая точка зрения является ограничительной, т.к. она запрещает спрашивать о сущности явления до измерения. Бор не отрицает реальности окружающего мира, но указывает на принципиальную невозможность более подробного анализа взаимодействия между микрообъектом и прибором. С его точки зрения объяснение квантово-механического явления состоит не в сведении его к какому-либо «механизму», стоящему за этим явлением, но в построении теории нового типа и ее интерпретации (концепция дополнительности).

2. Развитием копенгагенской трактовки является интерпретация, предложенная учеником Бора Дж. Уилером.

В копенгагенской интерпретации квантовой механики можно вычленить два независимых тезиса: 1. Не существует никакой реальности вне наблюдения. 2. Наблюдение «создает» реальность. Копенгагенская школа настаивает на существовании только «феноменологической» реальности. Бор подчеркивал: «Не существует никакого квантового мира. Существует только абстрактное квантово-механическое описание». [цит. по: Herbert, 1987.S.33].

Уилеровская трактовка состоит в акцентировании второго тезиса копенгагенской интерпретации, и ее вполне можно назвать принципом «участия». С этой точки зрения, бытие Вселенной есть результат «акта участия наблюдателя» в процессе самоосуществления Вселенной, «ввергающей себя в бытие посредством актов участия» [Хютт, 1991, с.70]. Факт редукции волновой функции происходит в определенный момент процесса измерения, при этом реализуется одна из возможностей поведения микрообъекта в тех или иных внешних условиях. Прибор и «наблюдатель» регистрируют этот факт редукции и тем самым доводят физический процесс до полноты, явленности. Согласно рассматриваемой точке зрения без редукции на завершающей стадии эксперимента не имеет смысла говорить о существовании физических процессов вообще. «Вид» реальности конституируется самим актом установления факта редукции волновой функции к фактически полученному результату. Поскольку акт редукции регистрируется наблюдателем, постольку правомерен «взгляд, по которому наблюдатель столь же существенен для проявления Вселеной как и Вселенная для проявления наблюдателя» [Wheeler, 1977. р. 27].

3. Третьей интерпретацией является очень своеобразная, но на находящая поддержку у многих физиков теория множественности миров Эверетта, по которой реальность состоит из перманентно увеличивающегося числа параллельных миров [Everett, 1957].

В этой концепции утверждается, что любое квантово-механическое измерение «раскалывает», «расслаивает» его на копии, причем каждый из них является реально существующей и в каждой из них реализуются те или иные возможности, описываемой первоначальной волновой функцией. Для случая со шредингеровским котом, например, это означает, что такая экспериментальная установка приводит к двум мирам, которые реальны, но в дальнейшем никак друг с другом не связаны. В одном из этих миров кот Шредингера мертв, а в другом все еще жив. Эверетовская интерпретация множественности миров активно обсуждается в связи с космологическими проблемами.

4. В четвертой, квантовологической интерпретации предполагается, что все парадоксы квантовой механики могут быть разрешены на основе неклассических логик. Сторонники этой трактовки (Биргхоф, Нейман, Финкельштейн и др.) убеждены в том, что квантовая теория совершила настолько глубокую революцию в нашем сознании, что недостаточно просто заменить старые концепты на новые. Делается утверждение о содержательном статусе логики, о реальности логики квантовой. Так, например, Дж. Баб писал: «Как значение перехода от классической релятивистской механики состоит в выяснении того, что геометрия может играть в физике роль объясняющего принципа, что геометрия не априорна...,так и значение квантовой революции состоит в выяснении того, что логика может играть роль объясняющего принципа, что она в той же мере не априорна. Не существует логического пространства априори в том смысле, что законы логики характеризуют необходимые свойства любых лингвистических схем, подходящих для описания и сообщения опытных данных. Мы должны принципиально изменить само наше мышление, и в первую очередь, лежащую в основе всего нашего познания, составляющую ее костяк, двузначную аристотелевскую логику и  перейти в простейшем её случае к трехзначной небулевой логике, в рамках которой парадоксы не возникают.

5. В неореалистических трактовках предполагается, что мир, как в области макроявлений, так и микроявлений состоит из обычных классических объектов, свойства которых не зависят от наблюдения. По этим трактовкам, математический аппарат квантовой теории является лишь удобным феноменологическим аппаратом, правильно описывающим эксперименты. Представители этого направления, зачинателем которого был Эйнштейн, верят в построение более глубокой теории, позволяющей объяснять квантовую теорию, но базирующейся по сути дела на обычных классических представлениях.

Здесь можно выделить теории волны-пилота Луи де Бройля и квантового потенциала Бома, различные теории со скрытыми параметрами. В теории де Бойля, например, квантовая частица «ведется» определененной волной-пилотом, подчиняющейся уравнению Шредингера. Таким образом  Бом, Луи де Бройль, Вижье пытались свести квантовую теорию к классической детерминистической теории. После известных опытов по проверке неравенств Белла и экспериментов с «отложенным выбором» необходимо признать существенную неудовлетворительность этих трактовок.

6. В интерпретации, тесно связанной с теорией измерения фон Неймана утверждается, что непосредственно само сознание наблюдателя (связанного с измерительной аппаратурой) и создает реальность. На этой трактовке мы остановимся более подробно несколько ниже.

7. В качестве следующей интерпретации квантовой механики выделим трактовку Пригожина. Здесь утверждается, что мы должны отказаться от понятия «галилеевского объекта». Наука классического типа подошла к своему концу, и мы должны отказаться от ее понятий. По Пригожину, фундаментальную роль в современной физике (и не только в квантовой механике) играет понятие «стрела времени» и, следовательно, процессы необратимости. Они «имеют преимущество» перед процессами обратимыми, а последние — есть всего лишь частный случай, т. е. «классическое исключение» из общего правила. В квантовой механике акт измерения есть как раз необратимый процесс, элемент необратимости, вмешивающийся в систему.

Пригожин, ссылаясь на Дж.Белла, М.Гелл-Манна, Джеймса Б.Хартла и др. современных известных физиков, настаивает на необходимости исключения из квантовой механики «субъективного элемента, связанного с наблюдателем» [Пригожин, 2000, с. 50].

8. В качестве следующей трактовки квантовой механики выделим холистскую интерпретацию, родоначальником которой можно назвать позднего Давида Бома [Bohm, 1980; 1986]. По этой трактовке весь Универсум должен пониматься как вид особой голограммы. Весь мир отражается во всех своих частях, подобно тому, как кусочек голограммы содержит всю информацию обо всей целой голограмме. Бом говорит о том, что в отдельных частях структуры как бы «свернуты», «завернуты», и потом могут быть, соответственно, извлечены. «Имплицитный порядок» («implicate order») задан повсюду. «Составными элементами» этого являются не классические «галилей-декартовские» объекты, a действие, движение, или, как их называет сам Бом - «holomovents» или некоторые целостные «голономные» движения.

 «Внутренний порядок», холистический момент являются для Бома отличительными признаками квантовой механики. ЭПР – пара демонстрирует «неразложимость» мира, его нелокальный характер. Бом утверждает, что мы должны отказаться от картезианского дуализма, картезианского понимания объекта и перейти к холистической, целостной трактовке.

Другим вариантом такой интерпретации квантовой механики является точка зрения швейцарского физика Ганса Примаса. Его основная идея состоит в том, что мы должны отказаться от разделения мира на единые объекты или события. Сам мир для Примаса является целостным, неделимым и единственным объектом.

9. В качестве следующей трактовки выделим трактовку квантовой теории Д.И. Блохинцевым. Центральным в ней является понятие квантового ансамбля. «Концепция квантовых ансамблей очень близка к концепции классического ансамбля Гиббса, хорошо известного из статистической термодинамики... Квантовый ансамбль в полной аналогии с классическим ансамблем Гиббса образуется путем неограниченного повторения ситуаций, образованной одной и той же микросистемой μ (но не одним ее экземпляром!), погруженной в одну и ту же макрообстановку М.

Таким образом, в квантовой механике микросистема μ рассматривается в связи с той макроскопической обстановкой М, в которую она помещена и которая диктует ей «состояние» в квантовомеханическом смысле» [Блохинцев, 1976, с. 616-617].

Концепция Д.И.Блохинцева отличается от копенгагенской тем, что подчеркивает статистический характер квантовых ансамблей, отличает принципиальным образом эту статистику от классической, «отводит более скоромную роль наблюдателю, повсюду подчеркивает объективный характер квантовых ансамблей и управляющих ими закономерностей» [Блохинцев, 1976, с. 616].

10. В качестве совершенно особой трактовки выделим формулировку КМ Ричардом Фейнманом, предложенной им еще в 1942 году. Этот подход не базируется на уравнении Шредингера и вместо гамильтонова метода использует лагранжев метод. Такая формулировка называется ныне методом квантования путем континуального интегрирования. Основным объектом в подходе Фейнмана является пропагатор K(q, t; q₀, t₀), который позволяет выразить волновую функцию ψ(q, t), через ее начальное значение ψ₁(q₀, t₀), в момент времени t = t₀.

Это пропагатор записывается в виде

K(q, t; q₀ , t₀) =?d{x} exp [(2π/h) ?L(x, x`) dt],

где x`=dx/dt.

Интегрирование в показателе экспоненты производится в пределах

времени от t₀ до t, и является выражением для классического действия S. Само интегрирование в пропагаторе K(q, t; q₀ , t₀) распространяется не только на классические траектории, но и на все мыслимые траектории, соединяющие точки (x₀,t₀) и (x,t), что соответствует выполнению принципу суперпозиции. В этой формулировке в основу положены вклады вдоль траекторий, равные по модулю единице и отличающиеся лишь значением фаз. «Все траектории вносят вклад, одинаковый по абсолютной величине фаза каждого вклада представляет собой (выраженное в единицах h/2π) классическое действие, то есть взятый вдоль данной траектории интеграл от функции Лагранжа по времени» [Фейнман, 1955, с.175].

11. Последняя известная трактовка, которую мы рассмотрим, восходит к Гейзенбергу и развивалась Фоком. Как уже утверждалось, копенгагенская трактовка, разделяемая в принципе большинством физиков того времени, утверждает, что не стоит искать более глубокого описания и понимания реальности, данной нам в эксперименте. Только феномены являются реально существующими, и помимо них нет никакой более глубокой реальности. Гейзенберг был одним из немногих физиков, пытающихся понять и описать «квантовую реальность».

По Гейзенбергу, за квантовым феноменом действительно нет никакой реальности, но в совершенно ином смысле, чем вкладывал в это утверждение Бор. За квантовым феноменом нет никакой реальности в том смысле, что находящееся за ним это только «полуреальность», не мир фактически существующего, а всего лишь потенция, «тенденция» к осуществлению.

Гейзенберг утверждал, что квантовая механика возвращает нас к аристотелевскому понятию «dynamis» — бытию в возможности. С его точки зрения в квантовой теории мы возвращаемся к идее множественности бытия, а именно двухуровневой, двухмодусной онтологической картине — мы имеем модус бытия в возможности и модус бытия действительного, мир фактически существующего.

Гейзенберг не развил достаточно последовательно такую трактовку, и фактически это было осуществлено Фоком. Эта интерпретация будет ниже обсуждаться очень подробно, здесь же мы отметим, что Фок вводит понятие «потенциальных возможностей» и «осуществившегося» в результате измерения, практически полностью согласуясь в этом с Гейзенбергом.

Последнюю точку зрения разделяет достаточно большое количество физиков и философов как у нас, так и за рубежом (к ней также можно вполне отнести, например, попперовскую концепцию предрасположенности («propensity»), а также, развиваемую оксфордским философом науки Р.Харре, концепцию «affordances» [Harre, 1990]. По Попперу, волновая функция описывает непосредственно не известные из классической физики свойства отдельных объектов, а диспозиции (потенции, предрасположенности) объектов проявлять те или иные свойства, подлежащие измерению. Квантовая реальность - это реальность диспозиций, т.е. реальность не актуально присущих, всегда имеющихся свойств объектов, а реальность предрасположенностей их поведения. Вероятности в квантовой механике с необходимостью должны считаться «физически реальными», являются «физическими предрасположенностями... к реализации сингулярного события». Понятие propensity, по Попперу, отсылает нас к «ненаблюдаемым диспозиционным свойствам физического мира, ... наблюдению же доступны только некоторые наиболее внешние проявления этой реальности» [Поппер, 1983, с. 421-422].

По Харре, реальность также «распадается» на латентную и «манифистицируемые» стороны, причем то, что проявляется, «оказывается способным к проявлению», зависит, по Харре, существеннейшим образом от «человеческих артефактов» - прибора, экспериментальной установки. Формулируя свою концепцию, Харре пишет: «Можно сказать, … что природа + аппараты ЦЕРНа обеспечили (сделали возможными) для нас W-частицы. Это совсем иная вещь, чем сказать, что природа минус аппараты ЦЕРНа дала нам возможность обладать W-частицами. Я думаю, что у нас нет никаких оснований, чтобы так говорить. Я надеюсь понятно, что отказ от последней формулировки не предполагает утверждения, что W-частицы являются артефактами - они вполне реальны, но как возможности, даваемые природой. Они то, что мир делает возможным для нас, будучи вопрошаемой именно этим способом» [Harre, 1990, р. 156].

Если соотнести рассмотренные интерпретации с выделенными нами в первой главе особенностями квантово-механического описания реальности, можно придти к следующему выводу. Каждая из рассмотренных интерпретаций содержит ряд спорных положений и трудностей, и подвергается сомнению представителями конкурирующих трактовок. При этом необходимо отметить, что редко какая из интерпретаций «покрывает» выделенные выше основные аспекты описания квантовой реальности.

Не обсуждая пока подробно детали всех рассмотренных интерпретаций, отметим сейчас лишь следующее. Большинство современных интерпретаций тяготеет к холистическому взгляду на мир, рассматривая его как единое целое. Универсум, с позиций холизма, не может рассматриваться как скопления одиночных, друг с другом взаимодействующих, но существующих самих по себе объектов, поскольку эти объекты существуют только в связи с их отношением к наблюдателю и его абстракциям» [Primas, 1984, S.258] — утверждает один из представителей этой точки зрения.

Эта интерпретация достаточно интересна и изначально содержит в себе парадокс. Так, мир, с одной стороны, неразделим, являясь, в конце концов, единственным объектом, который даже собственно и анализировать никоим образом нельзя, так как все друг с другом связано; а с другой стороны, в любом описании, в каждом физическом эксперименте предполагается, постулируется существование некоррелируемых, отдельных друг от друга систем. И это парадокс. В такой интерпретации, по Примасу человек должен пониматься как создатель природы, «fabricator mundi» в смысле Леонардо да Винчи [Primas, S.256], и «при этом мы не можем больше исключать духовные абстракции наблюдателя» [там же, S.258]. Речь не идет о том (у Примаса), чтобы включать свойства индивидуального наблюдателя в теорию. Свойства наблюдаемого не зависят от свойств и особенностей наблюдателя, но зависят от его позиций - что и как наблюдать. Такого рода точку зрения можно назвать вполне умеренной, так как представители ряда других трактовок тем или иным образом прямо стремятся включить свойства наблюдателя (а именно его сознание) в теорию.