Физическая картина мира в аспекте классической, неклассической и постнеклассической рациональности

При осуществлении квантовых переходов (в форме квантовых событий) квантовый объект проявляет другой способ существования (и взаимодействия). Изменение объекта в этом случае не описывается уравнением Шрёдингера, однако с помощью волновой функции могут быть определены вероятности тех или иных скачкообразных переходов - событий. Эти переходы и регистрируются приборами и вообще независимо от наблюдений познающего субъекта оставляют следы в виде изменений объектов микро- или макромасштаба.

Два способа существования квантовых объектов внутренне связаны между собой: хотя эволюция возможностей, представленная в формализме теории изменением волновой функции по уравнению Шредингера, непосредственно наблюдаема, она четко выявляется в статистике квантовых переходов, т. е. в процессе реализации возможностей. Об этой эволюции можно судить опосредствованным образом, тем не менее, есть все основания говорить о ней как об объективно реальном физическом процессе. К нему же относится и единая сущность корпускулярно-волнового дуализма. Корпускулярная и волновая картины в этом аспекте есть не что иное, как различные интерпретации самой математической схемы. Такое осмысление корпускулярно-волнового дуализма привело Н. Бора к принципу дополнительности. Действительно, осуществление возможности проявления корпускулярных свойств ликвидирует проявление волновых свойств и наоборот. Тождество слияния волновых и корпускулярных свойств микрообъектов в форме возможности и их взаимоисключение в процессе перехода из формы возможности в форму действительности получило своё объяснение в форме принципа дополнительности.

Ни одна физическая теория, включая и общую теорию относительности, не приводила к столь большим гносеологическим трудностям, как квантовая механика. Это связано с тем, что квантовая механика выявила ограниченность применимости детерминизма классической механики к описанию поведения микрообъектов, хотя и сохранила его для измеряющих устройств. Отсюда следует, что квантовая механика для своего обоснования нуждается в классической механике. И их соотношение раскрывается в рамках именно принципа дополнительности, который был сформулирован Н. Бором следующим образом: «Как бы далеко ни выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий». Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. - М., 1961. - С. 9. Квантовая механика, таким образом, одновременно и отрицает механику классическую, и предполагает её в качестве основы. Принципиальная невозможность построения квантовой механики без привлечения механики классической в качестве основы квантово-механического способа описания выражает суть «квантовой гносеологии» и глубочайшие корни адекватности концепции дополнительности квантово-механическому описанию реальности. Собственно квантовое описание необходимо обосновывается описанием классическим и само по себе лишено физического содержания, хотя квантово-механическое описание несводимо к классическому описанию.

Концепция дополнительности, таким образом, определяет тенденцию к смене типа физического знания. Если идущий от Коперника и Галилея классический тип знания характеризуется представлением содержания знания в виде картины движения вещей, тел, полей в отрыве от указания на средства и условия познания и саму познавательную деятельность (гносеологические моменты начисто исключаются из физической теории), то в квантовой механике все элементы методологии дополнительности входят в саму квантовую механику, определяя её интерпретацию и тем самым физическое содержание. Все эти элементы-принципы сохраняют ярко выраженный гносеологический характер, т. е. служат одновременно и принципами познания. «Гарантию дают законы квантовой механики: невозможно подслушать передаваемый код, не оставив следа, так как невозможно получить информацию о квантовой системе, не изменив ее состояния» Менский М.Б. Квантовая механика, сознание и мост между двумя культурами // Вопросы философии. 2004. № 6. - С. 65.. Поэтому полная квантово-механическая картина реальности является не только картиной объекта, но и картиной познания этого объекта. Другая черта гносеологической ситуации, возникшей в квантовой механике и сделавшей необходимым принцип дополнительности, связана с соотношением неопределенностей Гейзенберга. Последнее констатирует ограничение возможностей одновременного измерения определенных пар величин, которые называются механически сопряженным, как, например, координата частицы и её количество движения (т. е. масса, умноженная на скорость). При этом считается, что каждая из этих величин в отдельности может быть измерена с любой степенью точности. Чем точнее измеряется одна величина из пары, тем необходимо менее точной становится другая, произведение обеих ошибок измерения не опускается ниже определенной границы, которая с точностью до численного множителя есть открытая Планком знаменитая квантовая постоянная. Гейзенберг вывел это соотношение не непосредственно из математического аппарата квантовой механики, а на основании рассуждений, относящихся к некоторым мысленным экспериментам с одной микрочастицей.

В этих суждениях основную роль играет сопоставление классических корпускулярных и волновых понятий в применении к отдельным атомным объектам. «Однако был ли данный «принцип неопределённости» свойством самой реальности, или же он просто отражал ограниченность человеческих возможностей наблюдать и измерять происходящее на субатомном уровне? Этот вопрос привел к жарким спорам о том, как следует интерпретировать саму квантовую теорию, и размежевал позиции Эйнштейна и датчанина Нильса Бора». Мел Томпсон. Философия науки. - М.: Фаир-Пресс, 2003. - С. 55. Оставляя на потом подробный разбор идеалистического толкования этого соотношения Гейзенбергом и Бором, отметим, что соотношения неопределённостей можно написать не только для р_х и х, а также для энергии и времени, числа частиц и фаз волны в квантовых волновых полях. Это обстоятельство не случайно. Оказывается, что соотношение неопределённости может быть выведено из математического аппарата квантовой механики и является, по существу, логическим следствием новой теории. Соотношение неопределенностей, выведённое Гейзенбергом на основании мысленных экспериментов, относится к единичному эксперименту, в то время как соотношение, выведённое из математического аппарата квантовой механики, относится к совокупности тождественных экспериментов. Причём последнее соотношение выводится исходя из свойств волновой функции и в зависимости от физического смысла последней получает свой физический смысл. Можно показать, что соотношение неопределённостей является отражением реально существующих волново-корпускулярных свойств, присущих микрочастицам.

По поводу дополнительности координаты и импульса частицы существуют разные мнения. Сам Н. Бор отождествлял дуализм и дополнительность - дуализм волны и частицы был для него лишь наглядным способом выражения дополнительности способов описания. Макс Борн, упрекая Бора за неточность формулировок, считал «абсолютно ошибочным» рассматривать понятия волны и частицы как дополнительные, ибо они не находятся в отношении взаимного исключения и дополнения, а необходимы оба для полного описания квантово-механической ситуации. Аспект частиц и волн можно назвать «дуалистическим аспектом» и говорить о «дуалистичности описания», но здесь нет ничего дополнительного. Дополнительными, то есть взаимно исключающими, одновременно неприменимыми, но дополняющими друг друга, Борн считал понятия координаты и импульса, а также относящиеся к ним приборы. «Элементарная частица после измерения обладает свойством локализации в этой области. Но такой результат измерения не гарантирует, что частица обладала этим свойством и перед измерением. Разумеется, этого не может быть в классической физике, что и составляет специфическую черту измерений квантовых систем. Это положение, по существу, является следствием знаменитого принципа неопределенности». Менский М.Б. Квантовая механика, сознание и мост между двумя культурами // Вопросы философии. 2006. № 4. - С. 67.

Сформулированный Гейзенбергом принцип, который назван принципом неопределенности, выявил глубокую специфичность квантового мира, в котором в принципе невозможно одновременно с одинаковой точностью определить положение и импульс микрообъекта. Такая неклассическая ситуация в поведении объектов в микромире потребовала критического пересмотра самого понятия «частицы», точно локализованной во времени и пространстве. Можно говорить лишь о вероятности того, где в данный момент времени находится частица, и это является неизбежным следствием введения в физическую теорию постоянной Планка, представлений о квантовых скачках. Пределы неточности, устанавливаемые этим принципом, почти невозможно преодолеть, поэтому этот принцип в квантовой физике имеет статус фундаментального. Отсюда вытекает важный в философском отношении вывод: имманентной характеристикой квантовой картины мира является объективная неопределенность. Причём неопределенность и вероятностный характер предсказания является присущей чертой не только системы, но и её настоящих состояний.

Таким образом, в квантовой механике возникает всестороннее основание для преодоления лапласовского детерминизма. Кроме того, квантовая механика показала необоснованность и следующего требования лапласовского детерминизма: рассматривать любую неопределенность в параметрах явлений микромира как результат неточности наших знаний и наших измерений.

Многие физики, в том числе А. Эйнштейн, Л. де Бройль, защищали точку зрения, согласно которой существующая квантовая теория не даёт полного отражения объективной реальности. Некоторые параметры, характеризующие состояние квантового объекта, считали они, не получили отражения в теории (такие параметры назвали «скрытыми»). «Наиболее известными «неоклассическими» теориями явились теории со скрытыми параметрами (переменными). В них постулируется, что волновая функция определяет состояние системы не полностью, наряду с ней существуют некие скрытые параметры, точное знание которых могло бы дать возможность однозначного предсказания результатов измерения соответствующих физических величин»..Князев В.Н. Философия физики // Философия науки: методология и история конкретных наук. - М.: Канон, 2007. - С. 86.

Такой подход к интерпретации квантовой механики называют неоклассическим. Сторонники этого подхода (Д. Бом и др.) полагают, что классический принцип причинности можно сохранить, если ввести в теорию некие скрытые неизвестные пока параметры. Однако, хотя квантовая механика постоянно развивалась и обогащалась новым содержанием, ввести в неё такие «скрытые параметры», которые позволили бы отказаться от рассмотренной выше особенности квантово-механических измерений, так не удалось. Более того, было доказано и теоретически, и экспериментально, что дополнить квантовую теорию «скрытыми параметрами» указанного типа принципиально невозможно. Вероятностный характер поведения квантовых объектов оказался их фундаментальным свойством.

Наиболее распространенным является подход, предложенный Нильсом Бором и Максом Борном и получивший название копенгагенской интерпретации. Разъясняя смысл этого подхода, Борн писал: «Природа не может быть описана с помощью частиц или волн в отдельности, а только с помощью более сложной математической теории. Этой теорией является квантовая механика, которая заменяет собой обе эти модели и только с определенными ограничениями представляет ту или иную из них». Борн М. Физика в жизни моего поколения. - М.: ИЛ, 1963. - С. 266. Концепция целостного описания системы «объект - условия его познания» нашла своё отражение в принципе дополнительности Н. Бора, согласно которому вся информация о микрообъектах может быть получена только с помощью макроприборов, работающих в определенных диапазонах, позволяющих довести эту информацию, в конечном итоге, до органов чувств познающих субъектов. Макроприборы подчиняются законом классической физики и должны переводить информацию о явлениях в микромире на язык классической физики. Следовательно, любое явление в микромире не может быть проанализировано как само по себе, отдельно взятое, а обязательно должно включать в себя взаимодействие с классическим макроскопическим прибором. С помощью конкретного макроскопического прибора мы можем исследовать либо корпускулярные свойства микрообъектов, либо волновые, но не те и другие одновременно. Обе стороны предмета должны рассматриваться как дополнительные друг к другу.

В мире квантовых явлений мы имеем дело с закономерностями, не поддающимися детерминистическому анализу. «Квантовая теория, созданная в ответ на насущную потребность объяснения новых неожиданных экспериментальных открытий, - вскоре превратилась в почти необозримую terra incognita - бескрайний простор для исследований». Илья Пригожин. Изабелла Стенгерс. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой. - М.: Прогресс, 1986. - С. 286. Существенно новой чертой исследования этих явлений оказывается фундаментальное различие между макроскопическим измерительным прибором и микроскопическими изучаемыми объектами.

«В основе так называемой многомировой интерпретации квантовой механики лежит предположение, что все микроскопические и макроскопические объекты (включая даже людей с их сознанием) подчиняются законам квантовой механики и описываются волновой функцией. При этом волновая функция выступает как реальный объект, который эволюционирует во времени в соответствии с уравнением Шрёдингера. Все физические процессы (в том числе процессы измерения) описываются этим уравнением». Князев В.Н. Философия физики // Философия науки: методология и история конкретных наук. - М.: Канон, 2007. - С. 86. Работу приборов приходится описывать на языке классической физики, где взаимодействием между прибором и объектом можно пренебречь, но в квантовой физике оно составляет неотъемлемую часть самого явления. Эта особенность приводит к тому, что повторение одного и того же опыта даёт, вообще говоря, разные результаты, которые, следовательно, могут выражаться в форме вероятностных (статистических) закономерностей. Принципы неопределенности и дополнительности отражают фундаментальную неопределенность явлений природы. Квантовый объект не может быть рассмотрен сам по себе, не обладает индивидуальными свойствами, а находится в классически определенных внешних условиях. Таким образом, в квантовой механике формулируется концепция целостности, отличная от механической концепции целого и части, ибо объект вне целого и внутри целого не один и тот же; отдельный объект рассматривается лишь в отношении к чему-либо, свои свойства он проявляет лишь по отношению к конкретной целостности, чем и определяется статистическая природа его поведения. Интерпретация Бором квантовой теории означает, по существу, отказ от классических представлений о частицах как «внеположенных», «себетождественных», «индивидуальных».

С позиций принципа дополнительности Н. Бора прогресс познания представляется как растущая и переплетенная сеть дополнительных друг другу пониманий различных аспектов природы, причём любые реальные теоретические перспективы в принципе неотделимы от системы классических понятий. Поэтому описание квантово-механического объекта должно одновременно включать в себя возможные классические точки зрения на этот объект. А эти точки зрения, согласно Н. Бору, фиксированы, гносеологически выверены макроскопической природой нашего существования. См.: Бор Н. Избранные научные труды: В 2 т. - М.: Наука, 1970. Т. II. - С. 208-282. А дополнительность корпускулярной и волновой картин описания микрообъекта позволяет охватить всё многообразие поведения микрообъекта, создавая целостную картину квантово-механической реальности.

В.А. Фок, анализируя ситуацию дополнительности, развил концепцию относительности к средствам наблюдения, в чем проявился общий гносеологический принцип относительности к средствам абстрагирования. Принцип относительности к средствам наблюдения в рамках квантовой механики рассматривается как фундаментальный принцип относительности к классическим системам отсчёта, который «…содержит в «снятом» преобразованном виде и суть принципов относительности к средствам наблюдения В.А. Фока, дополнительности Н. Бора, неопределенности В. Гейзенберга, вариационного квантово-механического принципа суперпозиции, квантовомеханического принципа квантования». Румлянский П.М. Методологические принципы физики в системе развивающегося знания. - Кишинёв: Штиинца, 1986. - С. 119. Основой такого единства выступает «скрытая» симметрия волны и частицы, которая позволила связать в единый концептуальный узел основные принципы, определяющие содержание квантово-механической теории и квантово-механической реальности». Абдулкадыров Ю.Н. Роль принципа симметрии в научном познании. - Махачкала, 2007. - С. 159.

Точка зрения Н. Бора, В. Гейзенберга и их сторонников, названная копенгагенской интерпретацией квантовой механики, конечно, не могла быть воспринята безоговорочно многими физиками, оставшимися верными идеалу строго детерминированного причинно-следственного описания движения физических объектов. По целому ряду оснований такой подход вызвал серьёзные критические возражения. Против самой идеи существования в физике «неконтролируемых возмущений», как известно, резко выступал в ряде своих работ по философским проблемам квантовой физики В.А. Фок. См.: Фок В.А. О роли принципов относительности в теории тяготения Эйнштейна // Вопросы философии. 1961. № 12. - С. 52.

А. Эйнштейн также не принял принципиально статистический характер копенгагенской интерпретации квантовой теории. Дискуссия между Бором и Эйнштейном длилась около десяти лет и сыграла очень важную роль в формировании основ квантовой теории. Именно этот спор привёл к более глубокому пониманию концепции целостности. Своё содержательное развитие эта концепция получила благодаря работе трёх авторов - А. Эйнштейна, Б. Подольского и Н. Розена «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», опубликованной в 1935 г. В этой работе формируется парадокс, названый парадоксом Эйнштейна - Подольского - Розена (ЭПР-парадокс). В ЭПР-парадоксе предложена следующая ситуация. Пусть некоторая частица самопроизвольно распадается на две частицы, которые расходятся на столь большое расстояние друг от друга, что физическое взаимодействие между ними исключается. Тогда если квантовая механика верна, то измерение, произведенное над одной из частиц, должно приводить к однозначному предсказанию соответствующей характеристики (импульса, момента импульса, спина - в зависимости от типа измерения над первой частицей) другой. Иными словами, без эксперимента над второй частицей, без возмущения её, на основании квантовой механики должно получаться определенное числовое значение её характеристик независимо от акта воздействия. В настоящее время ЭПР-парадокс надёжно подкреплен экспериментами. Известно, что Бор дал немедленный ответ на рассуждения авторов парадокса, утверждая, что физическую реальность необходимо трактовать на основе идеи неразделенности экспериментальной ситуации, неделимости и целостности квантовых явлений.

Отвечая на статью Эйнштейна, Подольского и Розена, Н. Бор писал: «Кажущееся противоречие на самом деле скрывает только существенную непригодность обычной точки зрения натуральной философии для описания физических явлений того типа, с которым мы имеем дело в квантовой механике. В самом деле, конечность взаимодействия между объектом и измерительным прибором, обусловленная самим существованием кванта действия, влечёт за собой - вследствие невозможности контролировать обратное действие объекта на измерительный прибор… необходимость окончательного отказа от классического идеала причинности и радикальный пересмотр наших взглядов на проблему физической реальности» Бор Н. Избранные научные труды. - М., 1971. - Т. II. - С. 181 - 182. .

Рассмотрев подробнее возможности квантово-механических измерений, обусловленные квантовостью взаимодействия, Н. Бор заключил: «Ввиду такого положения вещей не может быть и речи о каком-либо ином однозначном толковании символов квантовой механики, кроме того, которое заключено в известных правилах, относящихся к предсказанию результатов, получаемых при помощи данной экспериментальной установки, описываемой чисто классическим образом..» Там же. - С. 190.. Итак, физический смысл волновой функции, как и остальных теоретических символов, относится, по Бору, только к предсказанию результатов измерений, но не к реальности вне наблюдения или в промежутке между наблюдениями. Само слово «явление», писал Н. Бор позже, анализируя свои дискуссии с А. Эйнштейном, необходимо употреблять «исключительно в связи с наблюдениями, произведенными в точно определенных условиях, включающих указания о всем опыте в целом» Познер П.Р. Истины и парадоксы. - М., 1977. - С. 288..

Квантовая механика, вынужден был констатировать А. Эйнштейн, имея в виду «копенгагенское истолкование», «не пытается дать математическое представление того, что действительно имеет место, или того, что происходит в пространстве и во времени. В этом пункте современная квантовая теория радикально отличается от всех предшествующих физических теорий - как механических, так и полевых. «Квантовая механика привела к существенному изменению физической картины мира. Согласно принципу соответствия оказалось возможным истолковать научный однозначный закон классической механики как проявление движения множество частиц, подчиняющихся вероятностным законам». Перминов В.Я. Проблема причинности в философии и естествознании. - М.: Изд. МГУ, 1979. - С.151. Вместо того чтобы дать модель для изображения реальных пространственно-временных событий, она даёт распределения вероятности для возможных измерений как функций времени. Объективно существующая физическая реальность исчезала из поля зрения учёных. Этот момент глубоко тревожил А. Эйнштейна, как и многих других физиков. «Принципиально неудовлетворительным в этой теории, - писал он, - на мой взгляд, является её отношение к тому, что я считаю высшей целью всей физики: полному описанию реального состояния произвольной системы (существующего, по предположению, независимо от акта наблюдения или существования наблюдателя)» Эйнштейн А. Сборник научных трудов. - М.: Наука, 1965. Т. IV. - С. 296..

Характерно, что А. Эйнштейн хорошо понимал различие между философским принципом признания объективной реальности, который имеет программный характер для физики, и конкретными способами представления объективной реальности в физическом знании, т. е. конкретными образами той или иной физической картины мира: «Существует нечто вроде «реального состояния» физической системы, существующего объективно, независимо от какого бы то ни было наблюдения или измерения, которое в принципе можно описать с помощью имеющихся в физике средств. Этот тезис о реальности сам по себе не имеет ясности ввиду своего «метафизического» характера, он носит лишь программный характер. Однако все люди, в том числе и теоретически занимающиеся квантовой механикой, твёрдо придерживаются этого положения о реальности до тех пор, пока не обсуждаются основы квантовой механики.

Если же отбросить этот произвольный тезис о реальности, рассматриваемый в чисто логическом плане, то будет весьма трудно избежать солипсизма. В силу сказанного я отнюдь не стыжусь сделать понятие «реального состояния физической системы» центральным пунктом своих рассуждений» Там же. - С. 624..

ЭПР-парадокс открывает возможность для более полного использования концепции целостности, не апеллирующий к целостности экспериментальной ситуации. Здесь речь идёт уже не о целостности экспериментальной ситуации, а о целостности квантовой системы, об особом коррелятивном, взаимосвязанном поведении квантовых объектов. Объекты, составляющие некогда единое целое, разведенные друг от друга на расстояния, исключающие взаимодействия, сохраняют на себе печать прошлого, и любые изменения одного партнёра приводят к коррелятивному поведению второго. Этот перенос состояния с одной частицы на другую, независимо от того, как далеко друг от друга они находятся, называют квантовой телепортацией. Мир предстаёт перед нами как единая целостная единица, несводимая к механическому разложению его на составляющие части. Этот результат, имеющий не только глубокое мировоззренческое значение, является едва ли не самой удивительной страницей в истории физики и, как полагают исследователи, имеет далеко идущие перспективы.

Для полноты представлений о становлении квантовой картины мира и формировании общезначимого её понимания важно учитывать разные подходы к её интерпретации. В этом плане кроме копенгагенской интерпретации квантовой механики существуют и другие подходы, которые ориентируются на принципиально другие познавательные задачи. Если для А. Эйнштейна, как показано выше, поиск направлялся задачей построения такой физической картины мира, в которой могли бы быть согласованы фундаментальные закономерности физических явлений разной природы, то для Н. Бора, В. Гейзенберга, М. Борна поиск интерпретации в основном был связан с задачами достижения адекватного соответствия теоретического описания опытным данным. В целом, если суммировать все многообразие попыток интерпретации квантовой механики, то оно может быть сведено к следующим трём основным направлениям:

1. В основе лежит копенгагенская интерпретация, но уточняются и развиваются её идеи. Известно, например, что «копенгагенская школа» (Бор, Гейзенберг, Иордан, Франк и др.), да и подавляющее большинство физиков и философов, относят волновую функцию к отдельному микрообъекту. Но Бор, Дирак, Гейзенберг и другие представители «копенгагенской школы» истолковывают её чисто субъективистски, как «запись сведений наблюдателя о микрообъекте». При такой трактовке объективное состояние микрообъекта отождествляется со сведениями наблюдателя о нем. Пытаясь как можно дальше уйти от такой субъективистской, махистской точки зрения, сторонники «концепции квантовых ансамблей», на наш взгляд, впали в другую крайность. Преувеличивая статистический смысл волновой функции, они относят её лишь к квантовому ансамблю частиц, т. е. статистичность у них не связана с сущностью микрообъекта. В.А. Фок и Д.А. Александров (сторонники «концепции реальности квантовых состояний») показали, что вышеуказанная точка зрения противоречива уже в определении квантового ансамбля, т. е. в самой основе подобной теории.

В интерпретации квантовой механики В.А. Фок исходит из того, что уравнения квантовой теории изображают не непосредственную картину движения квантового объекта в пространстве и времени, а эволюцию во времени объективно присущих квантовым объектам потенциальных возможностей. Именно поэтому в классической физике мы имеем дело с континуумом, с точечным, дифференцируемым многообразием, на основе которого построена классическая концепция причинности. «В квантовой же физике определяющую роль играет квант действия, который вскрывает элемент дискретности и приводит к идее дополнительности. Это дало возможность В.А. Фоку развить интересную концепцию относительности к средствам наблюдения, в которой, по его мнению, обобщается известное понятие относительности к системе отсчёта». Ахундов М.Д. Проблема прерывности и непрерывности пространства и времени. - М.: Наука, 1974. - С. 227. Понятие квантово-механического состояния, выражаемого обычно волновой функцией, характеризует «свойственные данной физической системе при данных условиях потенциальные возможности». Фок В.А. Квантовая физика и философские проблемы. - М., 1964. - С. 68.

Чёткая формулировка этого фундаментального положения состоит в том, что объективная реальность квантовых процессов непосредственным образом представлена в основных понятиях и уравнениях теории в форме эволюции потенциальных возможностей квантового объекта.

2. Сторонники этого направления критикуют копенгагенскую интерпретацию как противоречивую и выдвигают объективную трактовку, исключающую относительность к средствам наблюдения (М. Бунге).

3. В отличие от сторонников двух первых интерпретаций, его сторонники обосновывают чисто информационное истолкование, согласно которому квантовая теория есть частный случай «абстрактной теории движения информации» (Ю.М. Ломсадзе) См.: Ломсадзе Ю.М. Квантовая теория и современная естественнонаучная картина мира // Философские науки. 1977. № 1.. Как основу такого подхода Ю.М. Ломсадзе рассматривает то понимание постановки измерения и соответствующего аппарата квантовой механики, которое было развито И. Фон Нейманом в его фундаментальном труде «Математические основы квантовой механики». Подвергнув тщательному анализу математический аппарат, описывающий процесс измерения в квантовой механике, он пришёл к заключению о наличии двух различающихся типов воздействий на систему: первый тип связан с изменениями, вызываемыми измерениями; второй - с непрерывными причинными изменениями системы с течением времени, характеризуемыми уравнением Шрёдингера.

Рассматривая данное различие, сторонники информационного подхода в интерпретации делят процесс измерения на два этапа: физическое взаимодействие квантового объекта с прибором и логический акт узнавания наблюдателем показаний прибора, не подчиняющийся динамике квантовой теории См.: Ломсадзе Ю.М. Логика доказательного истолкования квантовой теории // Теория познания и современная физика. - М., 1972. - С. 103.. Это утверждение, сформулированное в виде теоремы, было доказано И. Фон Нейманом, и оно говорит о принципиальной невозможности осуществления «редукции» волнового пакета посредством какого-либо физического (с точки зрения квантовой теории) процесса. В этом случае природа изменения функции состояния квантового объекта может быть интерпретирована как изменение информации наблюдателя о характеристиках объекта. Отсюда и следующая трактовка предмета квантовой теории: «Квантовая теория является, по существу, частным случаем абстрактной теории движения информации о микрообъектах или, как ещё можно сказать, наукой об изменении знаний о микрообъектах» Методологические проблемы теории измерений. - Киев, 1966. - С. 104.. Это означает, что в принципе не существует возможность однозначного предсказания результата единичного измерения на основе начальной функции состояния.

Таким образом, результат единичного измерения в квантовой механике не имеет физического смысла. Физический смысл результатов измерения может быть установлен только на основе определённой физической интерпретации квантовой теории, строго обусловливающей гносеологическую постановку задачи об измерении. Реализация этого методологического принципа была осуществлена в работах В.А. Фока. См.: Фок В.А. Квантовая физика и философские проблемы. - М., 1970. Но этот принцип нарушается в том способе доказательства информационной интерпретации функции состояния квантового объекта, который используют Ю.М. Ломсадзе и его сотрудники, ибо сначала на основе придания физического смысла результату единичного квантового измерения формируется парадокс «редукции» волнового пакета, и лишь затем, используя теорему, предлагается информационная интерпретация, якобы разрешающая парадокс. См.: Элентух И.П. Целостность методологического анализа фундаментальных проблем конкретных наук. -Томск, 1989. - С. 140.

Проводя итог, необходимо отметить о том, что многое в этой необычной картине мира квантовых процессов нуждается в дальнейшем развитии и уточнении. «По мере продвижения к познанию фундаментальных свойств микромира человечество, очевидно, будет сталкиваться с все возрастающей сложностью форм движения, а отнюдь не с возрастающей элементарностью. Не исключено, что сложность некоторых «элементарных систем» микромира не уступает сложности биологических систем». Волков Г.Н. Истоки и горизонты прогресса. Социологические проблемы развития науки и техники. - М.: Политиздат, 1976. - С. 70. Однако уже сегодня есть основания сказать, что вырисовывающиеся её контуры удовлетворяют системе важных мировоззренческих и методологических требований, по поводу которых с такой силой и остротой шли на протяжении десятилетий философские дискуссии.

2.3 Квантово-релятивистская физическая картина мира как синтез квантовой и релятивистской парадигм физики

Любая физическая картина мира представляет собой определённую концептуальную схему, которая может создаваться лишь в рамках определённого типа познавательных и экспериментально-измерительных процедур. При этом физическая картина мира чаще всего выступает неким основанием для развития новых физических теорий, идей и принципов. Но само формирование физической картины мира обычно опирается на основные парадигмы, определяющие фундамент одной или нескольких теорий. Под парадигмой в данном случае подразумевается система понятий, категорий и принципов, определяющих основу и характер теории.

После создания теории относительности и квантовой механики, естественно, встал вопрос о путях дальнейшего развития физики микромира. Поиски новых объединительных теорий стали одним из главных методологических ориентиров развития физики этого периода. Важным шагом на этом пути послужило полученное А.М. Дираком релятивистское волновое уравнение для электрона. Принципиальная новизна этого результата состояла в том, что в природе должна существовать совершенно новая частица, которая по своим характеристикам является антиподом электрона. Такая частица, названная позитроном, открытая на кончике пера, вскоре действительно была обнаружена.

Дальнейшие исследования в этом направлении были связаны с попытками объединить специальную теорию относительности и квантовую механику в рамках новой теории квантовой теории поля. Следует отметить, что после построения общей теории относительности А. Эйнштейн предпринял попытку создания единой теории поля путём объединения общей теории относительности и теории электромагнитных явлений. По аналогии с тем, что гравитационное поле в общей теории относительности идентифицировалось с кривизной четырёхмерного пространства-времени, А. Эйнштейн попытался и электромагнитное поле трактовать через геометрические свойства пространства-времени. См.: Эйнштейн А. Основные идеи и проблемы теории относительности // СНГ. - М.: Наука, 1986. - С. 120-129. Но дальнейшее развитие квантовой теории показало, что основное состояние всех квантовых полей - физический вакуум - образуют не только виртуальные электроны и позитроны, но все и другие известные частицы и античастицы, находящиеся в виртуальном состоянии. Для того чтобы объединить такие представления с представлениями о вакууме как о пустом четырёхмерном пространстве-времени, А. Эйнштейн выдвинул программу единой теории поля. Это программа Римана, Клиффорда и Эйнштейна, согласно которой в физическом мире не происходит ничего, кроме изменения кривизны пространства, подчиняющегося закону непрерывности. Такая теория, по мнению многих физиков, занимающихся этими проблемами, могла быть применимой ко всем известным физическим полям. Но их попытки её применения натолкнулись на принципиальные трудности, связанные, прежде всего, с устранением возникающих бесконечностей. И множество вариантов нелинейных и нелокальных квантовых теорий поля создавались именно для преодоления проблемы расходимостей.

Первой «полноценной» квантовой теорией поля является квантовая электродинамика, которая, по словам Ф. Дайсона, «сплетает специальную теорию относительности с квантовой механикой в ткань высокой прочности и является в некотором смысле самой совершенной и наиболее развитой частью физики». Дайсон Ф. Томонага, Швингер и Фейман - лауреаты Нобелевской премии по физике // Успехи физических наук. 1967. Т. 91. Вып. 1. - С. 71. Начало в создании этой теории было связано с попытками построения квантовой электродинамики с применением принципов квантовой механики к электродинамике Максвелла. Такой подход означал следующее: правила квантования накладывались на амплитуды электромагнитного поля, пространственно-временное описание которых определялось уравнениями Максвелла. Но этот подход натолкнулся на множество принципиальных трудностей. В частности, квантование электромагнитного поля влекло за собой хаотические изменения в значении любой компоненты поля.

Принципиальным в преодолении указанных трудностей явилось следующее предположение: физический смысл имеют лишь средние значения компонент поля, взятые по конечным пространственно-временным элементам. В этом случае при измерении компонент поля оказалось возможным использовать не точечные заряды, а конечные распределения заряда и тока, и был найден некий аналог соотношения неопределенностей Гейзенберга в применении к характеристикам поля, из которого следовало, что неопределённость среднего значения поля можно произвольно уменьшить путём увеличения плотности заряда «пробного тела». Такое положение приводило к тому, что нельзя было устанавливать никакой универсальный масштаб пространственно-временных размеров. Это связанно с тем, что источники электромагнитного поля рассматривались как классические распределения заряда и тока, и квантование распространяли только сами величины поля. В силу этого акты усреднения по конечным объёмам и интервалам времени носили характер искусственных приёмов, обусловленных спецификой измерительных процедур, а не содержанием самой теории. Для физической концепции в таких случаях становится важным чёткое разграничение формального (в данном случае познавательного приёма) и физического «размазывания» («размытость» самого заряда). Последнее оказалось возможным путём введения в структуру теории фундаментальной длины.

Следует также отметить, что в самой квантовой электродинамике также есть понятия, заимствованные из классической физики («точечность заряда», «локальность поля», «точечность взаимодействия»), которые приводят к бесконечным значениям таких величин, как масса, собственная энергия электрона, энергия нулевых колебаний поля и т. д.

Решить проблему расходимостей пытались путём введения в теорию понятий о дискретном пространстве и времени. См.: Ambarzumian V., Jwanenko D. Zur Frage nach Vermeidung der unendlichen Selbstruckwirkung des Electrons // Zeitschrift fыr Physik. 1930. Bd. 64. S. 563-567. ^, Ахундов М.Д. Проблема прерывности и непрерывности пространства и времени. - М.: Наука, 1974. - С. -186-215.^, Вяльцев А.Н. Дисконтное пространство и время. - М.: Наука, 1965. - С. 64-72. В рамках такого подхода появился ряд теорий, среди которых следует выделить: теорию пространственной решётки, теорию операторов координат, теорию «конечного» пространства-времени, теорию «искривлённого» пространства - 4 импульсов и теорию пространственно-временного кода. Однако на этом пути теория столкнулась с ещё большими трудностями, она, в частности, оказалась несогласованной со специальной теорией относительности.

Для построения квантовой электродинамики оказались недостаточными возможности квантовой механики, поскольку она не могла описывать аннигиляционные процессы взаимопревращения электромагнитного поля и электронно-позитронных пар. Для описания таких процессов был разработан метод вторичного квантования, смысл которого сводится к квантованию волновой функции электрона, которая в результате превратилась в оператор рождения и уничтожения электронов и позитронов. Вторичное квантование, по словам М.Э. Омельяновского, «позволило изобразить математически то положение вещей в физике, когда непрерывное волновое поле оказалось одновременно совокупностью дискретных частиц». Омельяновский М.Э. Проблема элементарности частиц в квантовой физике // Философские проблемы физики элементарных частиц. - М.: Наука, 1964. - С. 4.

Построенная подобным образом квантовая электродинамика является, во-первых, локальной теорией, описывающей точечные взаимодействия точечных частиц, в рамках континуального пространства и времени, во-вторых, перенормируемой, экспериментально подтверждаемой. Единственно слабой стороной теории выступает то, что перенормировка носила явно искусственный характер. Возникало недоумение, «почему беспрецедентное «руками производимое» вмешательство в аппарат теории продолжает работать, т.е. пока не приходит в противоречие с экспериментом». Марков М.А. О природе материи. - М., 1976. - С. 120.

Последующий этап развития физики связан с постоянно развивающимися теоретическими методами (развиваемый последовательный синтез квантовой и релятивистской теории для многочастичных систем) и постоянно улучшающими экспериментальными возможностями. Наряду с программой Римана - Клиффорда - Эйнштейна к этому времени появилась программа Гейзенберга. В отличие от программы Римана - Клиффорда - Эйнштейна программа Гейзенберга предполагала построить все частицы материи из частиц со спином Ѕ. Но успехи теории были связаны главным образом c построением феноменологических теорий для объяснения свойств элементарных частиц. Попытка же создания единой теории элементарных частиц сталкивалась с рядом принципиальных проблем.

Во-первых, это проблема обоснования концепции элементарности в рамках квантовой теории поля. Во-вторых, это проблема поиска физического принципа, на базе которого можно было бы построить единую теорию взаимодействия всех элементарных частиц. Проблема элементарности и структурности в релятивистской квантовой теории поля от классической теории и даже нерелятивистской квантовой механики отличается принципиальным образом. И это связано с тем, что частицы в релятивистской квантовой теории поля находятся в постоянном взаимодействии с вакуумными полями, испуская и поглощая виртуальные частицы. Вокруг такой частицы образуется «облако» виртуальных частиц, которое является результатом некоторого усреднения по времени значительного числа процессов очень короткой длительности, происходящих согласно статистическим законом квантовой теории. Формируемые подобным путём структуры частиц динамичны и представляют собой не результат законченных процессов, а некоторый релятивистский инвариант соответствующих процессов, то есть структура частицы задаётся структурой самого процесса взаимодействия.

Отсюда вытекает вывод принципиальной важности. Элементарность и структурность в релятивистской квантовой теории поля как бы взаимосвязаны и не исключают друг друга. Это означает, что представление целого как состоящего из меньших частей, которое имело место в классической картине мира, заменяется представлением о том, что элементарность и структурность диалектики слиты в одном и том же объекте. См.: Барашенцев В.С. Элементарность и проблема структуры микрообъектов // Современное естествознание и материалистическая диалектика. - М., 1977. - С. 224.

Говоря об структурности и элементарности, необходимо обратить внимание ещё на такой аспект проблемы. Известно, что большинство частиц нестабильно. Они участвуют в различных процессах взаимопревращений. Свойства таких частиц оказываются результатом соответствующего взаимодействия. В силу достаточной сложности этих процессов говорить о том, что такие элементарные частицы являются предельными строительными элементами всех материальных объектов, практически невозможно. В качестве таковых они должны были бы быть неизменными и не содержать, в свою очередь, составных частей. На самом же деле теория квантования полей, наряду с экспериментами Хофитэдтера, продемонстрировала сложную структуру различных элементарных частиц (пространственное распределение заряда, массы, магнитного момента). В этом аспекте наиболее перспективной оказалась модель структуры адронов, согласно которой все адроны построены из трёх разных кварков. К начальным успехам модели относятся предсказания Щ-частицы и её свойств. Для релятивистского рассеяния лептонов на адронах экспериментально также были получены структурные функции, которые можно объяснить с помощью гипотезы о рассеянии на точечных составных частях адрона (фейнановская партонная модель). Главный недостаток этой модели состоит в том, что до сих пор не удалось найти свободных кварков. Это привело к формированию представления о них как о перманентно связанных частицах. Отсюда новый вариант концепции атомизма, которая допускает существование основных строительных элементов материальных объектов, но отвергает их изоляцию.

Подобное обстоятельство указывает на некоторую тенденцию, связанную с тем, что «понятия элементарности» при переходе с одного структурного уровня материи на другой усложняется в плане ограничения возможностей самой концепции. В этой связи возникает вопрос, возможно ли, исходя из данных современной физики высоких энергий, говорить о тех исходных кирпичиках, из которых построены все материальные объекты. В силу того, что уровень материальной структуры уже известных частиц содержит большое число невыясненных вопросов, а более глубокий уровень ещё экспериментально недоступен, то поставленный вопрос в значительной степени носит спекулятивный характер. Вместе с тем в последнее время появились некоторые теоретические основания, которые позволяют говорить о возможности существования предела деления материальных объектов.

И подобные теоретические основания связаны главным образом с современными представлениями о симметрии. Кроме того, следует также подчеркнуть, что существуют и философские аргументы в пользу объективного подобного предела, «причём этот предел не должен зависеть от альтернативного решения «либо атомизм, либо холизм» и не означает возврата в какой-либо форме к непознаваемой «вещи в себе» Канта… Однако синтез столь противоречивых концепций, как атомизм и холизм, вместе с тем достаточно определён, чтобы указать прежде всего на необходимость построения некоторой диалектической концепции атомизма, имея в виду при этом возможность диалектического «снятии» этой концепции». Резеберг У. Философский атомизм и современная физика высоких энергий // Методологические и философские проблемы физики. - Новосибирск: Наука, 1982. - С. 179-180.

Действительно, с симметрией связаны многие выдающиеся результаты физики элементарных частиц. К ним, в частности, относятся: открытие законов сохранения изоспина, барионного и лептонного зарядов, гиперзаряда, классификация сильнодействующих частиц на основе SU (2) х У и SИ (3) симметрий, построение кварковых моделей, основанных на SИ (3) симметрии.

Подчеркивая фундаментальность роли симметрий в физическом познании, Румер Ю.Б. и Фет А.И., в частности, пишут следующее: «Развитие физики в последние годы обратило, в известном смысле, соотношение между уравнениями движения и группами симметрий. Теперь группа симметрии физической системы выступает на первый план; представления этой группы и её подгрупп несут самую фундаментальную информацию о системе. Таким образом, группа оказывается первичным, наиболее глубоким элементом физического описания природы». Румер Ю.Б., Фет А.И. Теория унитарной симметрии. - М.: Наука, 1970. - С. 8. В этом плане принципиально плодотворной в квантовой теории поля оказалась концепция локализации внутренних симметрий, которая позволила ввести в теорию новый физический объект - калибровочное поле, взаимодействие с которым обеспечивает инвариантность теории относительности локальной группы симметрии и концепции спонтанного нарушения симметрии. Эти концепции позволили по-новому взглянуть на многие проблемы физики элементарных частиц, в том числе на проблему создания единых теорий фундаментальных физических взаимодействий.

Первоначально теории слабого и сильного взаимодействий пытались построить по тем же принципам, что и квантовую электродинамику. В рамках такого подхода оказалось, что теория слабого взаимодействия неперенормируема. Дело в том, что в рассеянии нейтрино на нейтроне происходит обмен парами промежуточных векторных бозонов, который приводит к бесконечности, некомпенсируемой в процессе перенормировки. Значительные позитивные сдвиги в этом направлении были связаны с построением единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий Вайнберга - Салама - Глэшоу.

Определяющим при нахождении лагранжиана электрослабого взаимодействия явилось использование принципа локальной калибровочной симметрии в сочетании с идеей спонтанного нарушения этой симметрии. Оказалось, что требование локальности калибровочных преобразований необходимо приводит к установлению глубокой связи между динамическими симметриями и пространством-временем, а инвариантность относительно локального преобразования - к необходимости введения компенсируемых векторных (бозонных) полей. Особенность последних состоит в том, что они являются переносчиками взаимодействия. «Глэшоу расширил группу симметрии слабого взаимодействия. К слабому изоспину он добавил степень свободы с симметрией И (1), отвечающую так называемому слабому гиперзаряду. Возникающая модель имеет симметрию SU (2) И (1).

В модели Глэшоу, Салама и Уорда, развитой далее Саламом и Вайнбергом, постулируется, что слабые взаимодействия есть следствие взаимодействия фермионов с переносящими слабый изоспин и слабый гиперзаряд калибровочными векторными бозонами W⁺, W^- и Z⁰». Клоуз Ф. Кварки и лептоны. - М.: Мир, 1982. - С. 314-315. Требования локальности порождает четыре калибровочных поля, а требование спонтанного нарушения симметрии SU (2) x U (1) до группы U(1) приводит к тому, что три калибровочных бозона W⁺, W^- и Z⁰ приобретают массу, а один, отвечающий группе И (1), остаётся безмассовым. Мезоны являются переносчиками слабого, а фотон - электромагнитного взаимодействия. Спонтанно нарушенная симметрия SU (2) x U (1) единым образом фиксирует взаимодействия этих мезонов с лептонами и кварками, позволяя определить лагранжиан электрослабого взаимодействия.

Подобный подход привёл Вайнберга, Салама и Глэшоу к единой теории электромагнитных и слабых взаимодействий. См.: Вайнберг С. Идейные основы единой теории слабых и электромагнитных взаимодействий // Успехи физических наук. 1980. Вып 2. Т. 132 - С. 202-217; Глэшоу Ш. На пути к объединённой теории - нити в гобелене // Там же. - С. 219-228; Салам А. Калибровочные объединения фундаментальных сил // Там же. - С. 229-253. Перенормируемость теории была установлена Т. Хоофтом, а экспериментальное подтверждение получено открытием нейтральных токов и W⁺, W^- и Z⁰ мезонов. «В локальной калибровочной теории, - пишет Дж. Тейлор, - форма контрчленов ограничена тем условием, что они должны быть равны разности двух калибровочно-инвариантных лагранжианов. Вследствие этого некоторые величины, кажущиеся на первый взгляд расходящимися, на самом деле в ряде случаев сходятся и могут быть вычислены». Тейлор Дж. Калибровочные теории слабых взаимодействий. - М.: Мир, 1985. - С. 159.