Динамика квантовых процессов. 
Спор Бор – Эйнштейн

Осмысление физического содержания квантовой механики наиболее продуктивно происходило в полемике выдающихся физиков друг с другом. Обилие мнений способствовало, в конечном счете, прогрессу научного знания. История развития науки свидетельствует: научные достижения невозможны без проблематизации знания. В этой связи для судеб квантовой механики решающее значение имели споры Эйнштейна с Бором.

Каждый из них стремился досконально выяснить содержание квантовой механики. Особенно много внимания они уделяли физическому смыслу новой теории. Исходные метанаучные установки Бора и Эйнштейна были различными. Бор в отличие от Эйнштейна, пытаясь выявить физический смысл квантовой механики, не критиковал ее. Эвристика же Эйнштейна имела негативно-критическую направленность. В отличие от Бора его не устраивала квантовая механика, которая, по его мнению, не выражала подлинный физический смысл микродинамических процессов.

Эйнштейн называл позицию Бора «ортодоксальной» и противоречивой^[1]. «Если подсистемы, А и В образуют некоторую общую систему, описываемую своей ?-функцией (обозначим ее ???), то нет никаких оснований для того, чтобы считать, будто каждая из подсистем, А и В в отдельности существует (находится в реальном состоянии) независимо от другой даже в том случае, если в рассматриваемый момент времени подсистемы пространственно разделены. Поэтому утверждение о том, что в последнем случае любое измерение, производимое над системой А, не оказывает (непосредственного) влияния на реальное состояние подсистемы В, в рамках квантовой теории ни на чем не основано и (как показывает парадокс^[2]) является неприемлемым»^[3].

Согласно Эйнштейну, квантовая механика была бы непротиворечивой, если бы она описывала каждую подсистему по отдельности и, следовательно, позволяла бы представить в деталях механизм их взаимодействий. Используемый математический аппарат необходимо наполнить физическим содержанием. А для этого следует представить указанный механизм взаимодействий. Отмечу, что представить его в актуальном виде не удалось ни Эйнштейну, ни Бору. Это впервые сделает Ричард Фейнман. Пока же вновь обратимся к нашим концептуальным дуэлянтам.

Бор в отличие от Эйнштейна сумел сформулировать целых четыре принципа, которые часто считают основополагающими для квантовой механики. Автор имеет в виду принципы 1) соответствия; 2) дополнительности; 3) относительности к средствам наблюдения; 4) макроскопичности результатов измерений.

" Принцип соответствия выражает тенденцию использовать при систематическом развитии теории квантов каждую черту классической теории. Но целесообразная интерпретация такого рода производится с учетом существенного различия между постулатами обеих теорий"^[4]. Видимо, выполнение принципа соответствия укрепляло уверенность Бора в полноте квантовой механики. Эта теория, мол, по крайней мере, не менее последовательна, чем классическая механика.

Согласно принципу дополнительности, «данные, при разных условиях опыта, не могут быть охвачены одной-единственной картиной; эти данные должны рассматриваться как дополнительные в том смысле, что только совокупность различных явлений может дать более полное представление о свойствах объектов»^[5].

Бор, по сути, отказывался от признания корпускулярно-волнового дуализма, изобретенного Луи де Бройлем. Нет дуализма, есть дополнительность черт явлений, кажущихся на первый взгляд противоречивыми. Но утверждая, что «данные, при разных условиях опыта, не могут быть охвачены одной-единственной картиной», Бор, как представляется автору, допускал серьезную ошибку. В том-то и дело, что сама квантовая механика является такой теорией. Корпускулярная и волновая картины относятся к классической физике. Но в ее области они не дополнительны, а противоречат друг другу. Поэтому и возник термин «корпускулярно-волновой дуализм». В отличие от Бора автор полагает, что сама дополнительность нуждается в объяснении. Недостаточно, ссылаясь на эксперименты, всего лишь констатировать ее. Концептуальные системы дополнительны лишь в случае, если они охватываются одной и той же теорией, сколько бы модификаций у нее ни было.

Переходим к принципу относительности к средствам наблюдения: «Поведение атомных объектов невозможно резко отграничить от их взаимодействия с измерительными приборами, фиксирующими условия, при которых происходят явления»^[6].

В классической физике считалось, что измерение не влияет на объект исследования. Измерение оставляет объект неизменным, и, следовательно, все данные измерений, это, мол, самоочевидно, свидетельствуют о нем как таковом. Согласно квантовой механике, каждое отдельно проведенное измерение, осуществленное с использованием макросредств, разрушает микрообъект. К тому же его определенность зависит от типа используемого прибора. В классической физике такого рода феномены не были известны.

Но можно ли говорить о природе микрообъектов вне их контакта с макрообстановкой? Разве не существуют электроны, обволакивающие ядро атома? На эти вопросы В. А. Фок, последователь Бора, отвечал вполне определенно: «Пока прибор не выбран и не приведен в действие, существуют только потенциальные возможности, совокупность которых и характеризует состояние объекта»^[7]. Имеется в виду, что эти потенциальные возможности объективны и не зависят от субъекта.

При анализе процессов измерения приходится иметь дело с довольно необычной ситуацией, а именно, фиксируются такие значения признаков микрообъектов, которые образуются в результате взаимодействия этих микрообъектов с измерительными приборами. До процесса измерения микрообъект обладал возможностью проявления этих признаков. Фок поэтому рассуждал о потенциальных возможностях, противопоставляя их реальным результатам измерения. Однако микрообъект со всеми его признаками реален не только в процессе измерения, но и до него. Квантовые возможности реальны! Они являются динамическими факторами. Речь должна идти о двух типах реальности, до и после измерения.

Наконец, обратимся к принципу макроскопичности результатов измерения: " Как бы далеко ни выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий" ^[8]. С точки зрения автора, с этим утверждением не следует соглашаться. Рассматриваемая аргументация Бора не производит сильного впечатления. Он утверждал, что «обоснование этого состоит просто в констатации точного значения слова „эксперимент“. Словом „эксперимент“ мы указываем на такую ситуацию, когда мы можем сообщить другим, что именно мы сделали и что именно мы узнали. Поэтому экспериментальная установка и результаты наблюдений должны описываться однозначным образом на языке классической физики»^[9].

Но когда физики рассуждают об измерении собственных значений операторов, то вопреки Бору они ни на йоту не выходят за рамки квантовой физики. Назначение эксперимента состоит в переходе от гипотетических признаков к экспериментальным. Совершая такой переход, исследователи остаются в рамках определенной теории, а не прыгают от одной теории к другой.

Рассмотрение принципов Бора позволило более рельефно представить проблемный характер квантовой механики. Но все четыре его принципа мало что разъясняют относительно механизма квантово-механической динамики. Поясню суть рассматриваемой ситуации в контексте ранее рассматривавшегося методического примера Фейнмана.

Пулеметные пули движутся по некоторым траекториям. Сталкиваясь со стенками щели, они отскакивают от них в разные стороны. Динамическая картина выглядит достаточно простой. Понимание механизма волн в средах, в частности на поверхности воды, также не вызывает особых затруднений: частицы поверхностного слоя воды поднимаются и опускаются под действием некоторых сил. Намного сложнее выглядит ситуация в случае квантовых объектов, например, электронов и фотонов.

При прохождении через щели пластины они ведут себя специфическим образом. В частности, нет возможности указать, через какую щель прошла частица. Многим физикам хотелось бы представить себе эволюцию квантово-механической системы максимально детально, определяя характер соответствующих динамических процессов в пространстве и во времени. Схема объяснения такая: указываются два последовательных состояния, а также тот динамический фактор, который обусловил переход между ними. В прояснении этой динамической картины более других преуспел Р. Фейнман. Он много и очень плодотворно занимался развитием пространственно-временной трактовки квантовой механики^[10]. Его выводы оказались поучительными.

• 1. Вероятность события получается как квадрат величины комплексного числа, называемого «амплитудой» .
• 2. Амплитуда получается сложением вместе вкладов всех историй в конфигурационном пространстве.
• 3. Вклад истории в амплитуду пропорционален , где S — действие, выражаемое временны? м интегралом лагранжиана по соответствующему пути.

Приведенные три положения как раз и представляют в концептуальном виде динамику квантовой механики. Речь идет именно о динамике, потому что решающей характеристикой оказывается действие S. Представить себе динамику наглядно, т. е. минуя концептуальные представления, содержавшиеся в положениях 1−3, невозможно. Мыслить приходится концептуально! Обособленность частиц друг от друга признается, их динамические факторы доминируют над пространственновременны? ми характеристиками. Эти характеристики, разумеется, не следует отождествлять с функциональным пространством, представляющим волновые функции и лишь косвенным образом пространственные и временны? е характеристики.

Выводы

• 1. Квантово-механические процессы не лишены только для них характерной динамики.
• 2. Для осмысления квантово-механических процессов понадобились новые принципы, в частности принципы дополнительности и относительности к средствам наблюдения.
• 3. Квантовая механика руководствуется принципом детерминизма.

• [1] Эйнштейн А. Замечания к статьям // Эйнштейн А. Собрание научных трудов: в 4 т. М.: Наука, 1967. Т. 4. С. 308−309.
• [2] Речь идет о парадоксе Эйнштейна — Подолького — Розена (ЭПРпарадоксе). См. параграф 5.3.
• [3] Эйнштейн А. Замечания к статьям // Эйнштейн А. Собрание научных трудов. Т. 4. С. 308−309.
• [4] Бор Н. Атомная теория и механика // Бор Н. Избранные научные труды: в 2 т. М.: Наука, 1971. Т. 2. С. 15.
• [5] Там же. С. 47.
• [6] Там же. С. 406.
• [7] Фок В. А. Квантовая физика и философия // Бор Н. Избранные научные труды: в 2 т. М.: Наука, 1971. Т. 2. С. 649.
• [8] Бор Н. Дискуссия с Эйнштейном по проблемам теории познания в атомной физике // Бор Н. Избранные научные труды: в 2 т. М.: Наука, 1971. Т. 2. С. 406.
• [9] Там же.
• [10] Фейнман Р. Развитие пространственно-временной трактовки квантовой механики // Успехи физических наук. 1967. Том. 91. № 1. С. 29−48.