А. А. Тяпкин

Одна из самых ярких и драматических страниц в истории развития научного познания мира связана с возникновением квантовой механики, давшей строгое количественное описание всему многообразию загадочных явлений атомного мира. Фундаментальные представления новой механики не были, однако, выведены непосредственно на основе ясного понимания необходимой трансформации закономерностей обычной механики при переходе к движению микрочастиц.

Теория атомных явлений строилась заново, на основе полного отказа от концепций классической механики. Самым необычным в построении квантовой механики было то, что сначала был, так сказать, нащупан каркас математического аппарата будущей теории и только затем была найдена физическая трактовка величин, входящих в найденные математические уравнения. Современная квантовая теория в полной мере несет отпечаток этого необычного феноменологического пути построения. Собственно, формулировка качественно своеобразных закономерностей микромира, непосредственно связанная с интерпретацией всего аппарата квантовой механики, и по сей день вызывает разногласия в некоторых, казалось бы незначительных, деталях, за которыми часто на самом деле кроются совершенно различные взгляды на сущность установленных квантовой механикой закономерностей. Важнейшие вопросы понимания квантовой механики, не получившие еще общепринятого решения, нуждаются в дальнейшем уточнении формулировки самих основ квантовой теории, в выяснении некоторых аспектов соотношения квантовых и классических закономерностей.

Решение проблем, связанных с интерпретацией квантовой механики, в настоящее время приобретает особо актуальное значение в связи с необходимостью дальнейшей радикальной перестройки физических представлений для теоретического обобщения богатого экспериментального материала в физике элементарных частиц.

Феноменологический путь построения квантовой механики не мог не привести к формальному пониманию этой теории со значительными проблемами в объяснении особенностей движения микрочастиц. Сейчас не принято обращать внимание и на необычность построения квантовой теории, и на ограниченность достигнутого на этом пути понимания теории. В 1939 г.; однако, Л. И. Мандельштам в своих лекциях [1, стр. 345] весьма определенно подчеркивал необычность для теоретической физики построения квантовой механики, когда сначала было выдвинуто фундаментальное уравнение для некоторой неизвестной физической величины, а затем, после анализа многих гипотез, методом подбора была найдена статистическая трактовка квадрата модуля этой величины, названной волновой функцией. Столь же определенно Л. И. Мандельштам указывал и на неполноту понимания основных вопросов теории, обращая внимание на отсутствие согласия среди самих создателей квантовой механики.

С тех пор, однако, мало что добавилось к пониманию сущности квантовой теории. Лишь возросла уверенность в невозможности более глубокого понимания, чем достигнутое формальное объяснение квантовых эффектов.

За эти годы успешного применения аппарата квантовой механики значительно поубавилось число физиков, согласных с мнением А. Эйнштейна о неполноте квантовой механики или солидарных с мнением Л. И. Мандельштама. Огромные успехи практического приложения теории к атомным явлениям позволили многочисленным сторонникам Н. Бора убедить большинство физиков в научной несостоятельности поиска более полного описания этих явлений. Однако ход развития науки неминуемо заставляет нас вернуться к рассмотрению тех же проблем, к переоценке утвердившихся мнений.

Уже дивно прошла пора бурного развития приложений квантовой теории к различным областям атомного мира, когда можно было получать ценные физические результаты, не выводя ни одного нового фундаментального уравнения или теоремы и не заботясь об углублении понимания используемого аппарата. Передний фронт теоретической физики за последние десятилетия из атомного мира переместился в область ядерной физики и физики элементарных частиц, столкнувшись здесь с колоссальными трудностями при решении новых проблем на основе использования прежнего вооружения квантовой механикой и теорией относительности. Сегодняшняя теоретическая физика крайне нуждается в переоценке ценностей, ей необходимо радикальное изменение используемого аппарата. А эта задача вряд ли может быть решена на основе формального понимания существующего аппарата теоретической физики, без существенного углубления квантовой теории.

Вот почему, помимо всеми признанной работы на переднем крае теоретической физики, где трудится подавляющее большинство физиков-теоретиков, необходимо также проводить и работу в глубоком тылу теоретической физики по ликвидации пробелов в понимании основных, ранее установленных, закономерностей и по поиску более полного описания этих явлений.

Правда, уже само вступление на этот путь сопряжено с трудностями преодоления широко распространенного мнения об исчерпывающей полноте современной квантовой механики, с проявлением не только большой самостоятельности в суждениях, но и большой нескромности расхождения во взглядах с самыми крупнейшими авторитетами в физике.

Поэтому и мне, формулируя постановку задачи о поиске нового представления квантовой механики, однозначно описывающего наряду с результатами необратимых измерений также и скрытые от непосредственных наблюдений детали движения микрообъектов, приходится начинать с нескромного критического разбора взглядов великих физиков.

О неполноте существующего квантовомеханического описания движения микрообъектов

В дискуссии с А. Эйнштейном Н. Бор одержал победу не только над ошибочной уверенностью Эйнштейна в существовании атомных явлений, результаты измерений которых не описываются аппаратом квантовой механики. Вместе с этим, как бы заодно, было несправедливо отвергнута и ценная идея Эйнштейна о необходимости дальнейшего развития теории с целью установления пространственно-временного описания явлений микромира. Ценность постановки этой задачи не умаляется и тем, что Эйнштейн на этом пути ошибочно надеялся исключить вероятность из описания квантовых явлений. Нельзя сказать, чтобы эта положительная сторона позиции Эйнштейна, потерявшись среди ошибочных высказываний, осталась полностью не замеченной ею оппонентами. В. Гейзенберг, например, в своей книге «Физика и философия» весьма точно формулирует и эту сторону позиции Эйнштейна: «...Эта интерпретация все-таки не дает никакого описания того, что происходит на самом деле, независимо от наблюдений или между нашими наблюдениями. Что-нибудь должно ведь, однако, происходить, в этом мы можем не сомневаться. Это «что-нибудь» нельзя, возможно, описать с помощью понятий электрона или волны, или светового кванта, но поскольку оно не описывается каким-либо образом, задача физики еще не выполнена» [2, стр. 116]. В свою очередь и М. Борн пришел к выводу, что «отклонение Эйнштейном современной квантовой механики обусловлено не столько вопросом о детерминизме, сколько его верой в объективную реальность физического бытия независимо от наблюдателя» [3, стр. 131].

Неполнота квантовой механики очевидна в смысле отсутствия пространственно-временного описания движения микрочастиц, скрытого от непосредственного наблюдения, но однозначно связанного с результатами необратимых процессов измерения. Даже самые рьяные сторонники копенгагенской интерпретации вряд ли серьезно сомневаются в существовании в заданных макроусловиях движения микрообъектов до измерений. Они лишь считают, что задачей физической теории яв ляется описание только результатов необратимых измерений, а не описание скрытой от наблюдения пространственно-временной картины движения микрообъекта. В соответствии с этим Н. Бором и было сформулировано понятие физической реальности, а физический принцип неопределенности обобщен в философский принцип дополнительности. Ограниченность такой точки зрения особенно наглядно выявляется в отказе последовательных приверженцев копенгагенской школы дать объяснение интерференции одиночных фотонов после прохождения полупрозрачного зеркала. Этот опыт был в свое время предложен для рассмотрения А. Эйнштейном. Квантовая механика в ее современном состоянии действительно не описывает и не объясняет реально существующий процесс движения фотона от полупрозрачного зеркала до фотопластинки, регистрирующей явление интерференции при многократном повторении опыта [4, стр. 379]. Но вместо того, чтобы в отсутствии описания этого, безусловно реально существующего, но непосредственно не наблюдаемого движения увидеть ограниченность решаемой квантовой механикой задачи, Н. Бор саму постановку задачи об описании такого движения объявляет выходящей за рамки задач физической теории [5, стр. 583]. Так, Н. Бору удалось уйти и от ответа на поставленный Эйнштейном вопрос, и одновременно сохранить миф о полноте квантовомеханического описания. Такая неестественная позиция, основанная на философском пересмотре понятия физической реальности, могла надолго утвердиться в физике только потому, что квантовая механика, минуя описание скрытого от непосредственного наблюдения движения микрообъектов, тем не менее действительно дает полное описание результатов необратимых процессов измерений.

Выдвинутый Н. Бором принцип дополнительности не только отражает тот факт, что в различного вида опытах мы познаем дополняющие друг друга стороны реальности, экспериментальное исследование которых невозможно совместить в опытах одного какого-либо вида. Принцип дополнительности, однако, не ограничивается этим обобщением содержания физического принципа неопределенности. Он бездоказательно запрещает и теоретическое объединение в один физический образ сведений, получаемых в несовместимых экспериментах. И именно в этом отношении принцип дополнительности выходит за 'рамки обобщения физической закономерности, сформулированной впервые В. Гейзенбергом в принципе неопределенности. В пользу такого толкования принципа дополнительности Н. Бор приводил только философские аргументы, которые в литературе подвергались убедительной критике со стороны философов и физиков. Но эта критика, относящаяся к "формулировке и философскому обоснованию принципа дополнительности, не переросла в отрицание глубоко антинаучного применения этого принципа. Напротив, теперь в статьях многих философов, причисляющих себя к лагерю материалистов можно найти и многочисленные попытки обоснование принципа дополнительности на основе материалистической диалектики.

Никем не доказана теорема о невозможности однозначного статистического описания квантовых явлений на основе совместного использования одновременно неизмеримых физических величин. Копенгагенская школа объявила такое описание вне физической реальности, исходя из позитивистского принципа наблюдаемости, согласно которому в физическую теорию должны вводиться только непосредственно наблюдаемые величины. Удивительно, конечно, как сторонники таких взглядов не замечают опровержения выдвинутого принципа наблюдаемости самой квантовой механикой, в основе которой лежит использование непосредственно неизмеряемой волновой функции. Физики-материалисты тот же не доказанный в теории вывод обычно обосновывают в соответствии со своими философскими взглядами. Для этого оказывается достаточным в позитивистском тезисе «не измеряется — значит не существует» сделать только перестановку причины со следствием. Нарушение же принципа наблюдаемости в теоретической физике при этом объявляется несовместимым с материалистической философией, так как оно будто бы ведет к агностицизму. К сожалению, и в философских работах по вопросам квантовой механики не была в должной мере показана неправомерность отождествления ненаблюдаемости с непознаваемостью.

Действительно, невозможность одновременного непосредственного измерения двух по отдельности измеряемых величин вовсе не означает непознаваемости физи ческих понятий, использующих обе эти величины, так как не доказана невозможность косвенного измерения таких величин на основе определения по результатам непосредственных измерений. Напротив, отказ от познания движения микрообъектов в заданных макроусловиях, например движения фотона в обсуждавшемся ранее опыте, есть прямая дань агностицизму. Таким образом, постановка вопроса о дальнейшем развитии теории квантовых явлений имеет прямое отношение к философским проблемам естествознания, так как против теоретического анализа непосредственно неизмеряемых величин выдвигались лишь ошибочные философские доводы.

Казалось бы, при такой ситуации философы-марксисты могли бы на деле оказать неоценимую помощь естествознанию, устранив ложные философские преграды на пути дальнейшего развития важнейшей физической теории. Однако вместо привлечения внимания к выяснению вопроса о сущности единства корпускулярных и волновых свойств микрообъектов теперь в философских работах мы зачастую встречаем отрицание постановки этого вопроса как не имеющего смысла [6, стр. 24].

Прямое отношение к философии имеет и выяснение принципиальных недостатков принятой сейчас формулировки существующего теоретического описания квантовых явлений. Общепринятое утверждение, что квантовая теория определяет состояние микросистем по отношению к приборам, описываемым классической механикой и являющимся своеобразными системами отсчета, приводит к принципиальной трудности последовательной формулировки квантовых процессов, происходивших в доисторические времена. Казалось бы, устранение этой трудности должно быть исходным моментом любого материалистического анализа квантовой теории. Однако в многочисленных трудах, посвященных философским проблемам квантовой механики, мы даже не встречаем постановки этого вопроса. Исключением является лишь (работа Б. Я. Пахомова, в которой правильно намечается путь устранения этой трудности.

Указанная трудность последовательной формулировки описания квантовых процессов в доисторические времена обусловлена в основном допущенной путаницей в определении понятий прибора и измерения в квантовой механике. Если бы при описании и изучении движения спутника Земля была бы причислена к прибору, то это вызвало бы немалое удивление. Аналогичное же недоразумение в квантовой механике продолжает оставаться в основе формулировки этой теории.

Действительно, физические условия движения микрообъектов, задаваемые классическим потенциалом, называют приготовляющей частью прибора, забывая, что предметом квантовой механики является не сам по себе микрообъект, а микрообъект, находящийся в определенных физических условиях. Процесс перехода микрообъекта из одних физических условий движения в другие неправомерно называют процессом измерения. На самом же деле с познавательной деятельностью субъекта принципиально связана лишь регистрация этого процесса детектором, вырабатывающим макроскопический сигнал.

Проверка предсказаний квантовой механики, помимо использования процесса макроскопического усиления для детектирования изменений квантовых состояний движений, требует, конечно, и контролируемых условий однозначного выделения исходного статистического ансамбля исследуемых квантовых систем, что невозможно без макроскопического задания физических условий движения макрообъектов. Однако только часть, детектирующую квантовые переходы, необходимо исключить при описании квантовых явлений, происходивших в доисторические времена, т. е. при описании их вне связи с экспериментальной проверкой теоретических предсказаний. Собственно, экспериментальный прибор, вырабатывающий макроскопически усиленный сигнал о квантовом переходе микрообъекта из одних физических условий в другие, вовсе не составляет неотъемлемую часть необратимого квантового процесса. К сожалению, на это обстоятельство не обращается внимание в монографии Д. И. Блохинцева [7] при разборе макроскопической природы детектора, макроскопической неустойчивости равновесия его начального состояния.

Например, процессы возбуждения атомов, излучения квантов света этими атомами, а также процессы фотоионизации атомов газа фотонами происходят вне всякой связи с познавательной деятельностью субъекта из макромира. Использование же в приборе уже созданного фотоэлектрона в качестве начального толчка для создания под действием электрического поля макроскопической лавины в электронном умножителе, газовом счетчике или искровой камере не может повлиять на происшедшие ранее квантовые процессы возбуждения атома, излучения им фотона и последующей фотоионизации атома в счетчике. Независимо от того, подано ли электрическое поле на счетчик или нет, т. е. зарегистрирован нами фотон или нет, сам процесс фотоионизации атома или образования комптоновского электрона нарушает когерентность волн (квантовые процессы 1-го рода, по терминологии фон Неймана [8]), устраняя возможность в последующем выделить макроскопическими средствами ансамбль, в котором проявились бы интерференционные эффекты.

Так, если в опыте с полупрозрачным зеркалом фотоны перед попаданием на фотопластинку будут проходить через два симметрично расположенных счетчика комптоновских электронов, то независимо от наличия напряжения на счетчиках произойдет стирание интерференционных полос на фотопластинке, пропорциональное эффективности процесса комптоновского рассеяния фотонов.