Глава X
Квантовая механика

Из всех философских вопросов, поднятых современной физической теорией, наиболее острыми и существенными были вопросы квантовой механики. В философии естествознания учеными двух предшествующих поколений были выдвинуты несколько проблем — таких, например, как интерпретация специальной теории относительности, — которые привлекали внимание ученых на протяжении нескольких десятилетий или более, но сейчас уже утратили большую часть своей привлекательности; другие вопросы — такие, как обсуждение теории информации и искусственного интеллекта, — лишь недавно приобрели свое значение. Однако в случае с высокоматематизированным аппаратом квантовой механики спор продолжается уже более 50 лет, прошедших после первых публикаций[1]. В этом споре участвуют ученые многих стран, в том числе и из СССР. Структура квантовой механики может быть разделена на математический формализм и его физическую интерпретацию. Математический формализм, составляющий основу квантовой механики, есть дифференциальное волновое уравнение, решение которого определяет пси (Ψ) функцию; это волновое уравнение было впервые выведено Эрвином Шредингером, который пытался применить сделанное Луи де Бройлем расширение корпускулярно-волнового дуализма не только к свету, но и к элементарным частицам материи. Достоинством этого формализма является то, что он предлагает, на вероятностной основе, числовые величины, делающие возможным более сложное математическое описание микрофизических состояний, включая предсказание будущих состояний, что было невозможным в любом другом формализме. Недостатком математического аппарата квантовой механики является то, что единственная широко принятая (а по мнению некоторых, единственно возможная) его физическая интерпретация противоречит нескольким из наиболее основных человеческих интуитивных представлений о материи. В особенности квантово-механические вычисления, в отличие от классических законов макроскопической области, не дают величин для пространственного положения и импульса микрочастиц с произвольной точностью. Согласно хорошо известному соотношению неопределенности, чем точнее известно /316/ положение микрочастицы, тем менее точно известен ее импульс, и наоборот[2].

Ввиду успеха математического аппарата квантовой механики для выведения полезных физических величин возникал естественный вопрос: каково физическое значение волновой функции? Может ли материя действительно иметь волновую природу? Как раз вопросу физической интерпретации математического аппарата квантовой механики были посвящены работы многих философов и естествоиспытателей[3].

Эволюция квантово-механических теорий — это путь, загроможденный неудовлетворительными объяснениями. Де Бройль изначально предположил, что материя волнообразна и что волны, описываемые квантовой механикой, не «представляют» систему, а сами есть система[4]. Это объяснение вызывает огромные трудности, которые мы не будем здесь рассматривать из-за их большой сложности. Природу некоторых из этих трудностей мы можем указать, заметив, что буквальное признание физической реальности волновой функции приведет к таким понятиям, как физическое пространство с почти бесконечной размерностью. И наиболее наглядным является неспособность такой интерпретации удовлетворительно объяснить, почему отдельный микрообъект при взаимодействии с чувствительной эмульсией оставляет пятно, а не отпечаток фронта волны[5]. Макс Борн первоначально выдвинул альтернативу: материя корпускулярна, а волновая функция описывает не частицы, а наши знания о них. Эта оригинальная теория, к сожалению, столкнулась с не меньшими трудностями при согласовании с физическими фактами, лучшей иллюстрацией которых может служить сейчас уже классический эксперимент по интерференции от двух щелей. Частицы пролетают через две узкие щели, а затем ударяются об экран, покрытый чувствительной эмульсией, и создают интерференционную картину, которая может быть объяснена лишь на основе волновых характеристик микротел.

Копенгагенская интерпретация, разработанная Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, устранила противоречия предыдущих интерпретаций /317/ утверждением того, что никакое наблюдаемое не имеет величины до тех пор, пока не произведено измерение этого наблюдаемого. Как заявил Гейзенберг, «траектория» возникает только вследствие того, что мы ее наблюдаем»[6]. Таким образом, бессмысленно говорить о характеристиках материи в любой особый момент, не обладая эмпирическими данными, относящимися к этому моменту. Бессмысленно говорить о положении частицы («положение» является свойством корпускулярной теории) без измерения положения; также необоснованно было бы говорить об импульсе (волновое свойство) без его измерения. Такое примирение классически несовместимых характеристик путем утверждения их существования лишь в момент измерения обычно называется «дополнительностью» и является центром наиболее критических обсуждений квантовой механики.

Физики и философы естествознания не приходят к согласию ни по одному из определений дополнительности, хотя удовлетворительным является вышеизложенное определение, то есть противоречащие характеристики микрообъекта могут быть совместимыми при условии: существование отдельных характеристик утверждается лишь в отдельные моменты измерения. Другой формулировкой, обходившей вопрос «существования» характеристик, но тем не менее широко используемой, является утверждение о том, что квантовое описание явлений распадается на два взаимоисключающих класса, которые следует сочетать для того, чтобы иметь полное описание с помощью классических понятий. Именно эта последняя точка зрения была поддержана Оппенгеймером, когда он утверждал, что понятие дополнительности «признает: каждый из различных путей обсуждения физического опыта может иметь свою обоснованность и каждый может быть необходимым для адекватного описания физического мира и, несмотря на это, может находиться во взаимоисключающих отношениях с другим; таким образом, в ситуации, где подходит один, может не быть соответствующей возможности для приложения другого»[7]. Необходимо также добавить, что даже такие первоначальные лидеры квантовой механики, как Бор и Вольфганг Паули, не смогли достичь согласия в определениях дополнительности[8]. Основной проблемой в истории естествознания постоянно была вербальная интерпретация математических отношений.

До второй мировой войны взгляды советских физиков на квантовую механику были достаточно сходными со взглядами ведущих ученых во всем мире. Русская физика во многом была частью центрально- и западно-европейской физики. Работы таких ученых, как Бор и Гейзенберг, влияли на естествоиспытателей в Советском Союзе, так же как и на всех других ученых. В самом деле, советские физики говорили о «Русском филиале» копенгагенской школы, состоящей из группы талантливых физиков-теоретиков, включающей М.П. Бронштейна, Л.Д. Ландау, И.Е. Тамма и В.А. Фока. Однако, несмотря на внешнее согласие по квантовой механике с учеными других стран (или, более точно, расхождения, сходные с расхождениями ученых других стран), еще в 20-е годы /318/ отдельные советские физики осознавали, что диалектический материализм может со временем получить такую интерпретацию, которая сможет воздействовать и на их исследования[9]. Кроме того, Ленин посвятил целую книгу «Материализм и эмпириокритицизм» кризису в интерпретациях физики и особенно критиковал неопозитивизм Эрнста Маха, из которого происходит большая часть философии современной физики. Ленинское заявление о том, что диалектический материалист должен признавать существование материи отдельно и независимо от сознания, хотя и не прямо противоречило квантовой механике, однако могло рассматриваться, по крайней мере, как не сочетающееся с нежеланием копенгагенской школы рассматривать материю в отсутствие чувственных измерений. А распространение понятия дополнительности за пределы физики на другие области, включая этические и культурные проблемы, которое делалось некоторыми представителями копенгагенской школы, почти гарантировало конфликт с представителями марксизма[10]. Еще в 1929 г. ведущий советский философ того времени А.М. Деборин[11] читал в Академии наук лекцию «Ленин и кризис современной физики». Но первая серьезная критика традиционной интерпретации квантовой механики появилась в физическом журнале, а не в философском в 1936 г в статье К.В. Никольского[12]. Имел место спор между Никольским и В.А. Фоком, ведущим интерпретатором квантовой механики в Советском Союзе на протяжении более сорока лет, который изначально был приверженцем копенгагенской школы. В этом споре Никольский назвал копенгагенскую интерпретацию «идеалистической» и «махистской»[13], двумя ярлыками, которые получили после второй мировой войны широкое хождение среди советских марксистских критиков. Взгляд самого Никольского на квантовую механику заслуживает изучения и еще по одной причине: он был чисто статистическим подходом и мало отличался от послевоенной «ансамблевой» интерпретации Д.И. Блохинцева, которая будет обсуждаться более подробно далее.

С упоминанием «чисто статистического» подхода Никольского было /319/ бы уместным сделать здесь несколько замечаний по поводу понятия вероятности, которое является решающим для любой интерпретации квантовой механики. Вероятность в квантовой механике интерпретировалась различными учеными как в эпистемологическом, так и в статистическом смыслах. Статистический, или частотный, подход, использованный Никольским, был попыткой объективной интерпретации, в которой вероятность рассматривалась как присущая природе черта. С другой стороны, некоторые ученые рассматривали вероятность в квантовой механике, особенно через призму изначально данного Борном определения, как следствие имеющихся эпистемологических допущений. Эти ученые обсуждали даже такие необычные построения, как «волны знания». Различение этих двух подходов, которое часто терялось в дискуссиях по квантовой механике, является абсолютно необходимым для принятия решения: будет ли несводимо вероятностная теория также и обязательно идеалистической.

Интерпретация физического значения волновой функции, данная Фоком в 1936 г., практически совпадала с интерпретацией копенгагенской школы, совмещавшей особое внимание Бора к математическому описанию человеческого знания о микромире с его собственным выделением роли измерения; во введении к русскому переводу спора 1935 г., в котором против Бора выступали Эйнштейн, Подольский и Розен, Фок писал:

«В квантовой механике понятие о состоянии сливается с понятием «сведения о состоянии, получаемые в результате определенного максимально точного опыта». В ней волновая функция описывает не состояние в обыкновенном смысле, а, скорее, эти «сведения о состоянии»[14].

Значение этих довоенных взглядов Фока заключается в их тонком отличии от взглядов, выражавшихся им после войны, когда он попал под сильное давление, которое преследовало цель заставить его отказаться от представлений копенгагенской школы[15]. Тем не менее смена во взглядах Фока была малой, в сравнении с зигзагамн, имевшими место во взглядах других советских философов и естествоиспытателей.

Дебаты 30-х годов не оставили, однако, долговременного отпечатка на отношении к квантовой механике в Советском Союзе. Многие философы даже восприняли большую часть копенгагенской интерпретации. В начале 1947 г. украинский философ М.Э. Омельяновский (который составил вместе с Фоком и Блохинцевым триумвират, представления которого будут детально разобраны далее) обосновывал позицию по квантовой механике, которая была настолько близка к копенгагенскому направлению, что это вызвало значительные осложнения для автора уже через несколько месяцев после публикации. Его книга 1947 г. стала представлять больший интерес позднее, поскольку в ней содержались взгляды, к которым Омельяновский в дальнейшем снова вернулся и последовательно их разработал[16]. /320/

В этой работе, «В.И. Ленин и физика XX века», Омельяновский принял большую часть общепринятой интерпретации квантовой механики. Он признал и использовал такие термины, как «принцип неопределенности» и «принцип дополнительности Бора». (Годом позже этот термин у Омельяновского превратился в «так называемый принцип дополнительности».) Он выступал против такого использования этих понятий, которое могло бы привести к отрицанию физической реальности, что, по его словам, было сделано некоторыми исследователями (включая Бора), но главным тезисом книги была защита необычных, но необходимых понятий современной физики от приверженцев лапласовского детерминизма, явно устаревшего к тому времени[17]. Однако, хотя бы в ретроспективе, среди аргументов Омельяновского можно было заметить основу его собственной интерпретации квантовой механики и его последующего критического отношения к копенгагенской школе. Хотя он соглашался с копенгагенской терминологией, он подчеркивал, что корректная интерпретация квантовой механики начинается с распознавания особенных свойств микрочастиц, а не с проблем познания.

«Итак, мы приходим к заключению, что принцип неопределенности Гейзенберга, как и принцип дополнительности Бора, есть некоторое обобщенное выражение фактов двойственной (корпускулярной и волновой) природы микроскопических тел»[18].

Таким образом, принцип неопределенности не был в действительности эпистемологическим ограничением или ограничением знания, а прямым результатом объединенной волнообразной и корпускулообразной природы микрообъекта, что было материальным обоснованием того, почему классические понятия не могут быть применены к микромиру. Ввиду этого материального источника явления канонически сопряженных параметров никогда нельзя рассчитывать на одновременно точные величины для координаты и импульса элементарных частиц. Омельяновский скоро подвергся критике за его признание основного положения современных идей квантовой механики, и в конце концов он опубликовал второе издание своей книги, для которой характерно отрицание принципа дополнительности[19].

Наиболее существенным послевоенным событием для советской науки стала речь А.А. Жданова, произнесенная на дискуссии по книге Г.Ф. Александрова «История западноевропейской философии» 24 июня 1947 г. Это событие хорошо известно историкам Советского Союза. Жданов упомянул о специфически научных вопросах лишь в конце речи, и немного суждений было посвящено квантовой механике.

«Кантианские выверты современных буржуазных атомных физиков приводят их к выводам о «свободе воли» у электрона, к попыткам изобразить материю /321/ только лишь как некоторую совокупность волн и к прочей чертовщине»[20].

Хотя речь Жданова сейчас известна как начало наиболее напряженной идеологической кампании в истории советской науки — ждановщины, — первые несколько номеров нового журнала «Вопросы философии» были удивительно неортодоксальными[21]. Воспринимая серьезно лозунг журнала — «развивать и продолжать» марксистско-ленинскую теорию, — редакторы поддерживали жизненно важные дискуссии по некоторым философским вопросам. Не было области, в которой эта актуальность была бы настолько очевидной, как в философии физики; второй номер «Вопросов философии» содержал статью видного советского физика-теоретика М.А. Маркова, специалиста по релятивистской теории элементарных частиц, которая все еще остается наиболее откровенной публикацией со времен второй мировой войны[22]. Мы, возможно, никогда не узнаем, почему Марков выбрал именно этот момент усиления идеологического контроля после осуждения Ждановым Александрова, для того чтобы так подставить себя под лавину критики, однако этому существует несколько возможных объяснений. Марков был научным исследователем из Института физики АН СССР, организации, которая в прошлом наиболее стойко отстаивала общепринятые в мире научные взгляды и продолжавшая придерживаться их и в будущем, за что подвергалась острой критике политических активистов[23]. Возможно, физики-теоретики Академии начиная с 30-х годов осознавали, что при имеющейся свободе действий диалектического материализма он может быть использован против принятых интерпретаций квантовой механики, и решили, что начинающаяся идеологическая кампания несет в себе опасность навязывания официальной позиции квантовой механике. В этой ситуации необходимо было заранее сделать попытку самим сформировать такую официальную позицию, которая соответствовала бы представлениям современной квантовой механики. Марков, наверное, хорошо понимал, насколько спорной покажется его статья, однако надеялся, что, во-первых, она найдет поддержку и, во-вторых, что, даже если его точка зрения будет отвергнута, окончательный компромисс будет более приемлемым для физиков в результате твердо занятых им позиций. Более того, Марков мог получить некоторый выигрыш из междоусобицы профессиональных философов. Как показал ход дебатов, главный редактор нового философского журнала «Вопросы философии» вызывал антипатии у старой гвардии, которая в свое время выпускала «Под знаменем марксизма», являвшийся главным советским философским журналом с 1922 по 1944 г. Следовательно, обсуждение Маркова было многоплановым: оно было /322/ попыткой физиков защитить квантовую механику, оно было веским аргументом в борьбе среди философов и это была решающая битва, в которой определялось, кто же — физики или философы — будет иметь основное влияние в послевоенной философии естествознания.

Марков полностью принимал современную квантовую теорию и поддерживал позиции Бора в его споре с Эйнштейном, Подольским и Розеном. Таким образом, Марков рассматривал квантовую механику как полную в том смысле, что ни один эксперимент, не противоречащий квантовой механике, не может принести не предсказанные ею результаты. Соответственно, Марков отвергал все попытки объяснения поведения макрочастиц на базе теорий «скрытых параметров», которые позже могут сделать возможным возвращение к понятиям классической физики: «нельзя смотреть на квантовую механику как на испорченную «нашим незнанием» механику классическую»[24]. Такие дополнительные функции, как «импульс» и «положение», просто не имеют одновременных величин, и заявлять, что они их имеют, значило бы противоречить квантовой теории[25].

Не только точка зрения Маркова на сопряженные параметры была типична для копенгагенской школы, но и его подход к естествознанию имел мало диалектико-материалистических черт, несмотря на его эпиграфы из классиков марксизма. Он требовал, чтобы не делалось заявлений, которые невозможно проверить эмпирически; он принимал теорию относительности, включая относительность пространственных и временных интервалов. Без колебаний он использовал термин «дополнительность». Марков признавал, что его взгляд на естествознание был «материалистическим», и критиковал Джеймса Джинса и других зарубежных комментаторов науки, но нигде в своей статье он не сделал попытки иллюстрировать релевантность диалектического материализма к естествознанию.

Марков утверждал, что «истина» может быть получена из нескольких источников. Когда мы говорим о знании микромира, которое мы получаем с помощью приборов, то мы говорим о знании, происходящем из трех источников: природы, прибора и человека. Язык, которым мы пользуемся для описания нашего знания, так или иначе всегда является «макроскопическим», так как это единственный язык, который мы имеем. Измеряющий прибор играет роль «переводчика» микроявлений на доступный человеку макроязык. «Под физической реальностью понимается та форма реальности, в которой реальность проявляется в макроприборе»[26]. Таким образом, согласно Маркову, наше представление реальности субъективно потому, что оно выражается макроскопическим языком и «подготавливается» в акте измерения, но оно объективно в том смысле, что физическая реальность в квантовой механике есть макроскопическая форма реальности микромира.

Роль измерительного прибора является одним из наиболее щекотливых вопросов квантовой механики. Взгляды Маркова в общем совпадали с копенгагенской интерпретацией, согласно которой волна, описывающая физическое состояние, расширяется в направлении все больших величин вплоть до момента измерения, когда происходит редукция волнового пакета к точной величине. Такая интерпретация в действительности предполагает, что дополнительные микрофизические величины не /323/ имеют собственных определенных значений и что, напротив, такие величины определяются или «приготовляются» измерением.

За принятие копенгагенской интерпретации Марков подвергся критике с нескольких сторон, от догматических идеологов и до заурядных физиков, надеявшихся, что взгляды Бора и его коллег будут в конце концов заменены интерпретациями, более сочетающимися с обыденными представлениями. Статья Маркова очень скоро вызвала напряженнейший спор по вопросам природы физической реальности и диалектико-материалистической интерпретации квантовой механики[27]. В этот спор были вовлечены десятки участников.

Полемика началась статьей А.А. Максимова в «Литературной газете», что было несколько необычным для комментариев по философии естествознания[28]. Статья называлась «Об одном философском кентавре» и содержала серьезные обвинения против Маркова. Как видно из названия, Максимов рассматривал Маркова как странное существо, сочетающее западные идеалистические воззрения на философию естествознания с заверениями в своей лояльности по отношению к диалектическому материализму.

После выхода в свет статьи Максимова редакторы «Вопросов философии» приступили к публикации дискуссии по квантовой механике. Несколько авторов (Д. С. Данин, М.В. Волькенштейн и М.Г. Веселов) открыто поддержали Маркова, указывая на многочисленные ошибки Максимова. Известный физик Д.И. Блохинцев тоже высказал достаточно позитивные взгляды на интерпретацию квантовой механики, выдвинутую Марковым. Однако другие критики указывали на «антропоморфизм» Маркова в естествознании как результат его акцента на роль «наблюдателя» (Л.И. Сторчак) и на игнорирование им партийной лояльности, или партийности (И.К. Крушев, В.А. Михайлов)[29]. Но все же фактором, определившим конечное неодобрение статьи Маркова, стала дискуссия, несомненно, устроенная партией, с целью заменить Б.М. Кедрова на посту главного редактора «Вопросов философии» Д.И. Чесноковым. Ясно, что нападки Максимова на Маркова сыграли важную роль в поражении Кедрова[30]. В редакционной заметке нового состава редколлегии журнала (1948, № 3) отмечалось, что журнал не занял правильных позиций относительно квантовой механики, что особенно проявилось в случае со статьей Маркова, которая «ослабила позиции материализма». Статья содержала серьезные ошибки философского характера и в сущности своей была отходом от диалектического материализма в направлении идеализма и агностицизма[31].

Говоря об отдельных ученых, можно отметить, что непосредственной жертвой дела Маркова стал Кедров, но если иметь в виду философию естествознания, то жертвой стал принцип дополнительности. Рассматривая обсуждение квантовой механики в Советском Союзе, мы можем назвать период с 1948 по примерно 1960 г. эпохой изгнания принципа /324/ дополнительности[32]. Лишь немногие ученые, особенно В.А. Фок, делали в то время попытки рассматривать дополнительность как неотъемлемую часть квантовой теории.

Это критическое отношение к дополнительности после 1948 г. нашло свое ясное выражение в статье Я.П. Терлецкого, которая непосредственно предшествовала окончательному заключению редколлегии «Вопросов философии» по обсуждению Маркова. Терлецкий писал, что статья Маркова в действительности являлась попыткой обосновать признание дополнительности в результате придаваемой измерительным приборам роли «переводчиков» реальности, когда утверждения микрофизики часто становятся противоречивыми. Такая позиция, по мнению Терлецкого, была именно реставрацией мнения Маха о том, что естествоиспытатели должны описывать природу в терминах ощущений. Истинный же диалектико-материалистический подход, по словам Терлецкого, показал, что принцип дополнительности ни в коем случае не является основным физическим принципом и что квантовая механика вполне может «обойтись без него»[33].

Таким образом, в результате «дела Маркова» победу одержали идеологи-догматики. Идеолог Максимов одержал верх над творческим физиком-теоретиком из Академии наук Марковым. Но вместе с тем стало достаточно ясно, что Максимов был не в состоянии выдвинуть такую интерпретацию квантовой механики, которая имела бы шансы получить официальный статус[34]. Его статьи по квантовой механике ясно демонстрировали его невежество в данной области. И тот же Максимов одновременно противостоял не только эйнштейновской, но и галилеевской относительности, утверждая, что каждый объект обладает абсолютной траекторией и что метеорит запечатлевает на земле эту траекторию в результате столкновения[35]. Максимов был явным представителем псевдонауки, и его роль как в квантовой механике, так и в теории относительности носит чисто разрушительный характер: он выискивал среди советских естествоиспытателей «махистов» и «идеалистов», находя себе определенную поддержку в этой деятельности, но он не предлагал сколь-нибудь разумных альтернатив существующим интерпретациям физической теории. Как в случае с теорией относительности, Максимов быстро утратил свое влияние и среди советских интерпретаторов квантовой теории. После 1948 г. наступил период доминирования физиков и тех немногих философов, которые обладали достаточным знанием физики, однако все они испытали воздействие атмосферы, созданной делом Маркова. Примерно до 1958 г. главным интерпретатором квантовой механики был философ естествознания Омельяновский, который приблизился к теориям физика Блохинцева, защитника «ансамблевой» интерпретации. Также важной фигурой был Фок, который называл свою интерпретацию признанием «реальности квантовых состояний». Многие другие ученые также повлияли на обсуждения диалектического материализма и квантовой /325/ механики. Сюда входили А.Д. Александров, Я.П. Терлецкий, Б.Г. Кузнецов, а также иностранные ученые Луи де Бройль, Ж.П. Вижье и Давид Бом.