Вернер Гейзенберг как один из отцов квантовой механики

В процитированных словах Гейзенберга содержится уже не просто информация о физических данных, но их определенная интерпретация философского характера. Вдумываясь в сказанное, приходится заметить, что понятие материи оказывается у него настолько неопределенным, что утрачивает даже то содержание, которое первоначально неявно предполагалось. А именно - материя понималась как вещество, как субстрат элементарных частиц из которых построены атомы обычных тел. Но если материя представляется в то же время и энергией, тогда остается совершенно неясным, какой смысл имеет утверждение “материя превращается в энергию”. А между тем это утверждение повторяется как само собой разумеющееся в различных статьях Гейзенберга.

Замечая в трудах Гейзенберга неопределенность содержания понятия материи и его отождествление с понятием энергии, М. Э. Омельяновский предполагает (6, с. 27), что использование понятия материи представляло для Гейзенберга особые трудности. С одной стороны, он не может не оперировать этим понятием, поскольку исследование структуры материи со времен античности до наших дней составляет предмет его размышлений. В особенности это понятие, как ему представляется, было положено в основу концепции Демокрита. Но в то же время, с другой стороны, он хотел бы, как мы уже заметили, со всей определенностью подчеркнуть, что современная физика реализует скорее программу Платона, как бы отказываясь от понятия материи.

Понятие материи, как известно, можно определить как своего рода сокращение, в котором мы охватываем сообразно их общим свойствам множество различных чувственно воспринимаемых вещей. Поскольку микрообъекты предстают нам скорее как абстрактные образы, а не как чувственно воспринимаемые вещи, понятие материи охватывает эти образы, объединяя в себе все то общее, что мы считаем присущим им.

Исследуя картину природы, как она рисуется современной физикой, Гейзенберг замечает, что материю считали “чем-то пребывающим в изменении явлений”. Понятие материи и схватывает это пребывающее в изменяющемся. Как бы мы ни называли постоянное в изменениях, которые развертываются перед нашим чувственным или теоретическим взором, оно оказывается глубинной основой самих процессов, а его воспроизведение в понятии - основой нашего понимания этих процессов. Понятие материи в разные исторические эпохи по-разному схватывает это постоянное в изменениях и тем самым каждый раз по-своему обеспечивает условие теоретизации нашего знания. Атомы Демокрита дают нам исторически первый образ этого постоянного - они вечны и неизменны. В физике частиц ХХ века мы находим более глубокий образ этого постоянного в виде различного типа симметрий и соответствующих сохраняющихся величин, которые характерны для всех известных превращений. Понятие материи существенно изменилось со времен Демокрита. Но при всем изменении было бы методологическим упущением не замечать того исторического инварианта, который составляет непреходящий смысл этого понятия (6, с. 25).

Когда Гейзенберг говорит, что все элементарные частицы как бы изготовлены из одного материала, то тем самым он и указывает на фундаментальный признак понятия материи. Сам этот материал, как полагает Гейзенберг, и можно назвать материей. Гейзенберг верно отмечает существенный признак этого понятия, но говорит, что то общее, что лежит в основе всех превращений, можно назвать не только материей, но еще и энергией. Тем самым Гейзенберг указывает на самое существенное в содержании понятия материи а именно на ее постоянство при всех превращениях, ибо то же самое можно сказать и об энергии.

Однако было бы ошибочным отождествлять эти понятия. Энергия - понятие физическое, материя - понятие философское. Здесь, в области физики, на почве теоретического познания они соприкасаются настолько, что возникает соблазн полностью отождествить их и тем самым устранить одно из них как излишнее в научном языке. И хотя Гейзенберг в явной форме не делает этого, тем не менее его стремление подчеркнуть приоритет методологической концепции Платона может создать у читателя впечатление, что он склонен заменить понятие материи понятием энергии. Но такая трактовка позиции Гейзенберга в его отношении и понятию материи была бы неточной. Если рассмотреть его концепцию в целом, то увидим, что глубокое осмысление всего хода научного познания, которое представлено, в частности, и в книге “Шаги за горизонт”, вынуждает Гейзенберга не отменять, но углублять понятие материи. Это осмысление, проведенное Гейзенбергом с такой основательностью, не позволяет развернуться указанному предубеждению в ошибочную позицию.

В ХХ веке произошли глубинные изменения в основаниях атомной физики. Научное познание встретилось с такой областью реальности, которую невозможно выразить в привычных понятиях. В классической науке само собою разумелось разделение природных объектов и нашего знания о них. Если мы хотим понять структурную картину материи на уровне элементарных частиц, то мы вынуждены принять во внимание и те физические процессы, с помощью которых мы получаем знание об этих частицах. В отличие от материальных объектов повседневного опыта вопрос о существовании микрообъектов современной физики принципиально опосредован нашими средствами познания. Вот почему современное знание о микромире не просто говорит нам о материи как таковой, но вынуждено обратиться к самому себе, так сказать, включить рефлексию в само содержание знания. Разделение природных объектов и человеческого знания о них стало проблематичным. Гейзенберг замечает в этой связи, что современная атомная физика осознается теперь “всего лишь как звено в бесконечной цепи взаимоотношения человека и природы” (2, с. 295).

“... Те составные части материи, которые мы первоначально считали последней объективной реальностью, вообще нельзя рассматривать сами по себе” (2, с. 300). Целью исследования, поясняет он, уже не является познание атома и его движения вне зависимости от экспериментально поставленного вопроса.

Надо согласиться с Гейзенбергом, что современная наука, и не только физика, вынуждена с особым вниманием обратиться к средствам своего исследования для того, чтобы найти глубинные закономерности материи, скрытые от нас в отсутствии рефлексивного отношения к познанию.

Объектом исследования современной науки оказывается не просто объективная реальность, но и само знание о ней, поскольку оно является средством постижения мира. Утверждение об объективном существовании тех вещей, которые составляют результат исследования, оказывается само по себе серьезной проблемой.

Основные трудности квантовой теории при ее построении коренились именно в этой проблеме. С описанной ситуацией в квантовой механике удалось справиться с помощью особого математического языка. Развитие математического формализма квантовой теории, а затем и физики элементарных частиц неизбежно привело к выявлению и математической формулировке специфических инвариантов соответствующих преобразований, которые и позволяют нам говорить, что микрофизика посредством рефлексивного отношения к своему исследованию нашла новые критерии объективности. Особенности микропроцессов таковы, что при их исследовании возникла не только проблема действительного существования этих объектов, но и проблема возможности их существования. Понятие материи предполагает не только необходимость поисков общего и сохраняющегося, устойчивого в исследуемых объектах, не только решение проблемы взаимоотношения человека и средств его познавательной деятельности к миру природы, но, оказывается, включает в себя еще и категорию возможности. Тем самым мы как бы возвращаемся не только к идеям Демокрита и Платона, но и к концепции материи Аристотеля, который впервые обратил внимание на значимость этой категории. Гейзенберг указывает на неизбежность и необходимость обращения к категории возможности для более глубокого осмысления данных современной физики.

5. “Копенгагенская интерпретация” квантовой механики

Философия современного естествознания, по мнению Гейзенберга и Бора, развилась из философского обобщения результатов квантовой механики. Такое обобщение, как полагают эти ученые, дано в той интерпретации квантовой механики, авторами которой они являются (Гейзенберг называет ее копенгагенской интерпретацией).

Копенгагенская интерпретация начинается, по словам Гейзенберга, с парадокса: принимается, что атомные явления должны описываться в понятиях классической физики, и одновременно признается, что эти понятия не приспособлены точно к природе и их применяемость ограничена соотношением неопределенностей (3, с. 25, 33).

Далее Гейзенберг разъясняет идею дополнительности: корпускулярная и волновая картины поведения атомных объектов взаимоисключают одна другую, ибо определенная вещь не может быть одновременно частицей (то есть субстанцией, ограниченной очень малым объемом) и волной (то есть полем, простирающимся в пространстве большого размера). Но обе картины дополняют друг друга; если использовать обе картины, то, в конце концов, получится правильное представление о том виде реальности, который таится в наших атомных экспериментах (3, с. 29).

Таким образом, копенгагенской интерпретации, по существу, необходимо было осмыслить диалектику атомных процессов, которая нашла выражение в открытии противоположных корпускулярных и волновых свойств атомных объектов.

Отметим два аспекта копенгагенской интерпретации. Первый из них, развиваемый Гейзенбергом, сводится к следующему. В классической физике допускается, что неточности в измерении можно сделать сколь угодно малыми, то есть в принципе возможно освободиться от влияния процесса измерения на объект; в квантовой теории такое освобождение в принципе невозможно, так как в ней фигурирует соотношение неопределенностей, которое обусловливает неточности в измерении объекта (идея “принципиальной неконтролируемости”).

Второй аспект - идея дополнительности. Философский смысл этой концепции состоит в утверждении, что объект и субъект неразрывно связаны друг с другом и что они не могут существовать один без другого. “Концепция дополнительности” разрывает внутреннее единство корпускулярных и волновых свойств микрообъектов и объявляет их “дополнительными” друг к другу: когда микрообъект проявляет волновые свойства, тогда якобы не имеет смысла говорить о его корпускулярных свойствах, и наоборот, наличие корпускулярных свойств якобы полностью исключает существование волновых свойств. Получается так, будто все дело именно в особом “принципиально неконтролируемом” взаимодействии приборов с микрообъектами. Эти приборы и “принципиально неконтролируемое” взаимодействие таковы, что при применении приборов одного типа микрообъект находится в пространстве и времени, но зато перестает подчиняться закону причинности; при применении же приборов другого типа микрообъект будто бы перестает существовать в пространстве и времени, но зато начинает подчиняться принципу причинности. Отсюда и вытекает “взаимосвязь” микрообъекта и субъекта, который по своему произволу с помощью соответствующего прибора либо “отменяет” закон причинности, либо “вводит” его в действие; либо “вводит” микрообъект в пространство и время, либо “выводит”. его за их пределы.

Эту идеалистическую и метафизическую “концепцию дополнительности” Гейзенберг и Бор объявляют основой не только квантовой механики, но и всего научного познания. ” Агностический характер “концепции дополнительности”, защищаемой и развиваемой Гейзенбергом, ясно обнаруживается так же и в утверждении, будто наше мышление принципиально не в состоянии выйти за пределы понятий классической механики; будто, исследуя микропроцессы, физика вынуждена ограничиваться только теми понятиями, которые характеризуют макроскопический прибор; будто наше познание всегда неизбежно, по самой своей природе является "макроскопическим". Иными словами, хотя микрообъекты не являются уменьшенными копиями макроскопических тел и не подчиняются законам классической механики, мы будто бы неизбежно должны характеризовать их этими неадекватными им понятиями и процесс физической науки состоит якобы только в том, что мы нашли границы применимости понятий классической механики, хотя выйти за их пределы не в состоянии.

В действительности же квантовая механика вовсе не ограничивается понятиями классической механики, не останавливается на них, а вырабатывает совершенно новые физические понятия, адекватные природе исследуемых ею микрообъектов и относящиеся не к прибору, а именно к самим микрообъектам. Главным достижением квантовой механики как раз и является выработка этих новых понятий, а вовсе не установление “границ применимости” старых понятий, хотя, несомненно, выработка новых понятий имела своим следствием обнаружение пределов применимости старых понятий. Так называемое “соотношение неопределенностей”, истолковываемое Гейзенбергом как некий “предел точности” или “степень приложимости” классических механических понятий, на самом деле является выражением внутренне противоречивой корпускулярно-волновой природы микрообъектов, отражением новой специфически квантовой связи их импульсов и координат. Оно имеет вид: хр h, где х - неопределенность в измерении координаты микрообъекта в некоторый момент времени; р - неопределенность в измерении соответствующей составляющей импульса микрообъекта в тот же момент времени. Гейзенберг вывел это соотношение не непосредственно из математического аппарата квантовой механики, а на основании мысленного эксперимента с одной микрочастицей. Отметим, что соотношения неопределенностей можно написать и для энергии и времени, числа частиц и фазы волны в квантовых полях (4, с. 62-63).

Прежде всего в аспекте копенгагенской интерпретации, разработанном Гейзенбергом, подчеркивается не столько та мысль, что микрообъектам нельзя приписывать свойства и поведение макрообъектов, сколько говорится о “неточностях”, связанных с применением к микрообъектам классических понятий. Этим “неточностям” и соответственно истолкованному соотношению неопределенностей приписывается несвойственное им фундаментальное значение в квантовой механике В духе такого толкования и предлагает Гейзенберг решение парадокса, с которого - об этом шла речь выше - начинается квантовая механика,

Почему понятия классической физики, посредством которых описываются эксперименты с атомными объектами, не точно соответствуют этим объектам? В единстве противоположных корпускулярных и волновых свойств, неотъемлемом от микрообъекта, как раз и заключается основание неточного (или ограниченного) применения к микрообъекту классического понятия частицы. Но, по Гейзенбергу, как мы знаем, одна и та же вещь “не может быть одновременно и частицей и волной”; он утверждает, что “наблюдение играет решающую роль в атомном событии и... реальность различается смотря по тому, наблюдаем ли мы ее или нет” (3, с. 32). И еще: “Классическая физика основывалась на предположении - можно сказать, на иллюзии, - что возможно описать мир или, по меньшей мере, часть мира, не говоря о нас самих... Соответствует ли этому идеалу копенгагенская интерпретация квантовой теории?.. Насколько возможно, квантовая теория соответствует этому идеалу... Она вовсе не рассматривает сознание физика как часть атомного события. Но она начинает с разделения мира на объекты и остальной мир и с условия, что этот остальной мир описывается в понятиях классической физики” (3, с. 34).

Таким образом Гейзенберг находит основание ограниченного применения классических понятий к микрообъектам, становясь на путь отрицания понятия объективной реальности, которое - как он полагает - лежит в философском фундаменте только классической физики. Вернее, понятие объективной реальности настолько остается в квантовой механике, насколько это позволяет - такова мысль Гейзенберга - соотношение неопределенностей.

Изучение так называемых дополнительных явлений требует взаимно исключающих экспериментальных установок, и только совокупность этих дополнительных явлений дает полное знание микрообъекта. Но это, собственно говоря, означает, что об одном и том же микрообъекте с одинаковым правом утверждается: “микрообъект обладает корпускулярными свойствами” и “микрообъект обладает волновыми свойствами”. При определенных условиях не только допустимо, но и необходимо применять противоположные понятия к одному и тому же объекту. Такое применение к микрообъектам - это показал Бор на многих физических примерах - не ведет ни к каким формально-логическим противоречиям в теории и позволяет истолковать математический аппарат квантовой механики в соответствии с экспериментальными данными.

В концепции дополнительности противоречие между корпускулярными и волновыми понятиями, однако, не разрешается, а как бы отвердевает в виде противоположности двух взаимно исключающих экспериментальных установок, с которыми связаны “дополнительные” явления. Из этого основного философского недостатка концепции дополнительности вытекает и тот ее минус, что в ней изложение соответствующих вопросов концентрируется не на новых квантовых понятиях, а на истолковании ограниченности старых классических понятий.

Разрешение противоречия между корпускулярными и волновыми понятиями состоит в признании того, что противоположные корпускулярные и волновые свойства микрообъектов едины. Именно поэтому квантовые понятия, отражающие эту двуединую природу микрообъектов, должны качественно отличаться от классических понятий.

Говоря о критиках копенгагенской интерпретации (В.А. Фок, Д.И. Блохинцев, Я.И. Терлецкий), Гейзенберг обращает внимание на то, что всех их объединяет согласие в одном пункте. По их мнению, говорится в книге, было бы желательно “возвратиться к представлению о реальности, свойственному классической физике, или, говоря на более общем философском языке, к онтологии материализма, то есть к представлению об объективном, реальном мире, мельчайшие части которого существуют столь же объективным образом, как и камни и деревья, независимо от того, наблюдаем мы их или нет” (3, с. 103).

Рассмотрим разбираемый Гейзенбергом вопрос: на каком точном языке можно говорить о самих микрообъектах, если язык классических понятий для этого не подходит? Гейзенберг анализирует этот вопрос в двух направлениях: во-первых, он останавливается на том языке, который укоренился среди физиков со времени создания квантовой механики, и, во-вторых, описывает попытки формулировать точный научный язык, соответствующий математическому аппарату квантовой механики.

Язык, укоренившийся среди физиков, связан с понятием дополнительности, которое, по словам Гейзенберга, сделало более желательным для физиков “применение классических понятий некоторым несколько неточным образом, соответствующим соотношению неопределенностей, попеременно употребляя различные классические понятия... ” (3, с. 151).

По мнению Гейзенберга, это применение придает классическим понятиям тот же статистический смысл, какой примерно приобретают понятия классического учения о теплоте при их статистической трактовке (3. с. 152). Но тогда, полагает Гейзенберг, классические понятия в применении к микромиру определены столь же неточно, как и понятие “температура атома”; они связаны со статистическими ожиданиями, которые затруднительно называть объективными (3, с. 152). Гейзенберг предлагает называть статистическое ожидание “объективной тенденцией”, “потенцией” в смысле философии Аристотеля, и приходит к заключению; "Физики постепенно действительно привыкают рассматривать траектории электронов и подобные понятия не как реальность, а скорее как разновидность “потенций”. Язык, по крайней мере в определенной степени, приспособился к действительному положению вещей. Но он не является настолько точным языком, чтобы его можно было использовать для нормальных процессов логического вывода” (3, с. 153).

Рассматривая попытки найти точный язык понятий, соответствующий математическому аппарату квантовой механики, Гейзенберг останавливается на трехзначной, так называемой “квантовой логике” Вейцзеккера. Она представляет видоизмененную “обычную” логику, в которой не действует закон исключенного третьего (высказывание либо истинно, либо ложно) и допускаются высказывания, имеющие не только значение истины и лжи, но и промежуточное значение “неопределенности”.

Заключение

Философский анализ проблем квантовой механики Гейзенберг ведет с позиций копенгагенской школы. Он активно защищает ее интерпретацию квантовой механики и возражает против других.

Философские взгляды Гейзенберга в целом являются идеалистическими. Он утверждал, в частности, что идея реальности в современной физике “расплывается” и заменяется математическими конструкциями. Во взглядах Гейзенберга наряду с элементами позитивизма значительное место занимают элементы платонизма и пифагоризма.

Гейзенберг не причисляет себя к материалистам и возражает против позиций материалистической философии. При этом он превратно представляет марксистскую философию и не отличает ее фактически от механического материализма. Но когда речь идет о философском кредо выдающегося естествоиспытателя, то о нем необходимо судить не по тому, что думает о себе сам естествоиспытатель, в данном случае существенно то, как он на деле решает философские вопросы науки. Гейзенберг решает их таким образом, что основной материалистический и диалектический дух современной физики все же находит свое отражение в книге.

Гейзенберг ищет философию, которая соответствовала бы новой физике и не видит, что именно этой философией является диалектический материализм.

Гейзенберг, несомненно, прав, когда утверждает, что изменение в представлениях о действительности, произведенное новой физикой, особенно квантовой теорией, не может явиться простым продолжением предшествующего развития. Здесь речь идет о настоящей ломке в структуре естествознания и о повороте в мышлении. Гейзенберг рассматривает философские выводы из развития новой физики, относящиеся к проблемам реальности и материи, пространства и времени, логики научного познания и др. и сопоставляет их со старыми философскими традициями.

Мировоззрение Гейзенберга носит противоречивый характер и интересно с точки зрения философии и физики. В прошлом в советской философской литературе имя этого выдающегося человека сопровождалось различными идеологическими эпитетами, на него безоговорочно наклеивался ярлык махрового идеалиста. Но в то же время имела место правильная оценка его роли в создании и развитии квантовой механики.

Можно согласиться с японским физиком Сакатой, который, анализируя взгляды Гейзенберга, писал: “Для Гейзенберга физика - это, прежде всего “уравнения мира”.

Литература

1. Гейзенберг В. Философские проблемы атомной физики. - М., 1953.

2. Гейзенберг В. Шаги за горизонт. - М., 1987.

3. Гейзенберг В. Физика и философия. - М., 1963.

4. Готт В.С. Философские проблемы современной физики. - М., 1988.

5. Кузнецов И.В. Философские основания современной физики. - М., 1979.

6 Омельяновский М.Э. Гейзенберг - физик и философ. - М., 1973.

Размещено на Allbest.ru