Проблема реализма в современной квантовой механике

Размещено на http://www.allbest.ru/

Институт философии Национальной академии наук Беларуси

Санкт-Петербургский государственный университет.

Проблема реализма в современной квантовой механике

Антипенко Л.Г. - кандидат философских наук, старший научный сотрудник.

Беляков А.В. - сотрудник.

Аннотация

Владимиров Ю.С. - доктор физико-математических наук, профессор.

Годарев-Лозовский М.Г.- руководитель семинара.

Копейкин К.В. - кандидат физико-математических наук, кандидат богословия, директор.

Липкин А.И. - доктор философских наук, кандидат физико-математических наук, профессор.

Никулов А.В. - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник.

Панов А.Д. - доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник.

Севальников А.Ю. - доктор философских наук, заведующий сектором. Институт философии РАН.

Спасков А.Н.- кандидат философских наук, доцент.

Терехович В.Э.- кандидат философских наук, ученый секретарь семинара.

Институт философии РАН.

Научно-богословский центр междисциплинарных исследований СПбГУ

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова.

Русская Христианская Гуманитарная Академия.

Московский физико-технический институт (гос. ун-т) (МФТИ).

Институт проблем технологии микроэлектроники и особо чистых материалов РАН.

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова.

В публикации отражены материалы дискуссии, состоявшейся в формате «круглого стола» в рамках конференции «Квантовая механика и философский дискурс», которая прошла в Институте философии РАН 14-15 апреля 2016 г. В публикуемых материалах приводится обсуждение того, как результаты квантовых экспериментов могут изменить метафизические представления о реальности. Экспериментальная проверка неравенств Белла, Леггета, Леггета-Гарга, а также эксперименты с отложенным выбором и квантовым «ластиком» подтверждают, что для квантовых объектов требуется существенный пересмотр представлений классического реализма. Обсуждаются различные подходы к трактовке наблюдаемых явлений. В рамках подхода модальной метафизики показано, как возможно разрешение ряда традиционных парадоксов квантовой теории, в частности, впервые удается показать, с чем связана «тайна квантовой механики», сформулированная Фейнманом.

Ключевые слова: квантовая механика, метафизика, онтология, модусы сущего, потенциальное, актуальное, принцип Маха, принцип индивидуации, время

А.Ю. Севальников: Уважаемые коллеги, позвольте мне открыть наше заседание. В рамках прошедшей Конференции было поставлено и обсуждалось множество проблем, связанных с квантовой механикой. Сегодняшнюю дискуссию предлагается посвятить одной ключевой проблеме, которая активно освещается в современной литературе, а именно проблеме реальности и реализма в квантовой механике. Предоставлю слово Владиславу Эриковичу Тереховичу, который подготовил хороший обзор, посвященной этой тематике.

B.Э. Терехович: Мое сообщение будет касаться соотношения физики и метафизики на современном этапе. Как известно, метафизика как область философии занимается самыми общими вопросами, такими как: существуют ли объекты независимо от представления человека? Существует ли между явлениями однозначная причинная связь? Могут ли события в будущем влиять на события в прошлом? Ответы на подобные вопросы определяют наше общее представление об окружающей реальности. До недавнего времени связь между взглядами на реальность и развитием научных теорий представляла интерес только для историков и философов науки. В последние три десятилетия благодаря развитию квантовых технологий стало возможным отвечать на эти вопросы в рамках лабораторных физических экспериментов.

Одним из традиционных вопросов метафизики является проблема существования. Эта же проблема возникла и в квантовой механике. Известно, что квантовая теория оперирует амплитудами вероятности или волновыми функциями. Последние связаны с комплексными коэффициентами, которые относятся к возможным результатам наблюдений конкретной наблюдаемой величины. Эти возможные результаты до измерения находятся в суперпозиции и могут интерферировать друг с другом. Волновая функция эволюционирует в соответствии с детерминированным уравнением Шредингера, но при переходе к результатам измерений в теории происходит разрыв. Этот разрыв заполняется с помощью правила Борна и проекционного постулата. Волновая функция с помощью оператора математически «проецируется» на возможные показания прибора с вероятностью, пропорциональной квадрату амплитуды вероятности каждого из членов суперпозиции (матрица плотности). Суперпозиция превращается в смешанное состояние. Комплексная величина превращается в вещественную (собственное значение оператора). Проблема в том, что проекционный постулат не является ни объектом, ни процессом в пространстве-времени. Это только математическое правило, которое позволяет перейти от причинного описания квантовых явлений к вероятностному описанию результатов наблюдения. Как именно происходит выбор одной из возможностей, квантовая теория не описывает.

Если мы хотим понять квантовую механику, мы должны ответить, как минимум, на два вопроса. Если волновая функция - суперпозиция возможных состояний, то существуют ли эти состояния до их наблюдения? И почему разложение возможных состояний зависит от знания и выбора наблюдателя? Варианты ответов, а точнее метафизических установок в отношении квантовой реальности, можно объединить в три группы.

Для первой группы (классический реализм) квантовые явления аналогичны явлениям классическим, а значит, они реальны, локальны и детерминистичны. Реальность означает, что свойства квантовых объектов существуют объективно и не зависят от наблюдения. Волновая функция описывает наше неполное знание о реальном состоянии и похожа на статистическое распределение вероятностей. Неполнота знания подразумевает существование неких объективных свойств (скрытых параметров), которые не описываются квантовой теорией. Другая общая черта квантовой и классической реальностей - их локальность, означающая, что при отсутствии между системами физических взаимодействий, не превышающих скорость света, измерение одной системы не влияет на результат измерения другой. Это свойство вытекает из общего принципа близкодействия, согласно которому на объект влияет только его ближайшее окружение в пространстве-времени. Третье свойство квантовой реальности - детерминизм, означающий, что состояние замкнутой системы полностью определяется ее состояниями в предшествующие моменты времени, а будущие состояния не могут влиять на прошедшие. На подобные установки опираются интерпретации статистические и с локальными скрытыми параметрами.

Для сторонников второй группы (квантовый анти-реализм) до наблюдения реального квантового состояния не существует вовсе. Есть только наше субъективное знание о возможных результатах будущих опытов, его то и описывает волновая функция. Сюда можно отнести ортодоксальную копенгагенскую интерпретацию, квантовый байесонизм и квантовую логику.

В третьей группе (квантовый реализм) предполагается, что до наблюдения можно говорить о неких квантовых сущностях, хотя их реальность принципиально отличается от классической. Этими сущностями могут быть: квантовые операторы, волновые функции, информация, нелокальные потенциалы, предрасположенности, отношения и т. д. Волновая функция до всякого наблюдения отражает полную информацию или знание о возможных состояниях. К этой группе можно отнести очень разные интерпретации: отдельные версии копенгагенской, многомировую, информационную, Бомовскую, модальные, реляционную, транзакционную и другие.

Несмотря на то, что метафизические установки по отношению к реальности прямо не влияют на развитие квантовой теории и квантовых технологий, в последние десятилетия в мире проводится большое число экспериментов только для того, чтобы выяснить, какая из трех точек зрения ближе к истине. Сегодня можно констатировать три важных следствия этой работы. Во-первых, результаты экспериментов строго соответствуют предсказаниям квантовой теории. Во-вторых, эксперименты опровергают установки классического реализма для квантовых объектов. И, в-третьих, пока нет однозначного ответа в пользу квантового анти-реализма или в пользу квантового реализма. Далее кратко перечислим основные результаты экспериментов, связанных с проверкой метафизических установок о существовании квантовых объектов.

Эксперименты по проверке неравенств Белла показали, что сохранить одновременно и реализм, и локальность классического реализма невозможно. Надо или признать существенно вероятностное поведение даже отдельно взятой частицы и отсутствие скрытых параметров, или приписать частицам скрытые параметры, признав возможность нелокальной коммуникации между ними. В первом случае мы сохраняем локальность, жертвуя реализмом, во втором - сохраняем реализм, отказавшись от локальности. В эксперименте 20151, где использовались электроны, запутанные с фотонами, были устранены последние лазейки, подвергающие сомнению эти выводы. Интересно, что если двух-фотонные эксперименты имеют статистический характер, то в эксперименте Гринбергера, Хорна и Цайлингера (ГХЦ) Merali Z. Quantum “spookiness” passes toughest test yet // Nature. 2015. Vol. 525(7567). P 14. Pan J.W. et al. Experimental test of quantum nonlocality in three-photon Greenberger-Horne- Zeilinger entanglement // Nature. 2000. Vol. 403(6769). P 515-519. оказалось, что три запутанные частицы могут производить немедленный эффект в единственном эксперименте, так как измерение двух частиц позволяет с уверенностью прогнозировать свойства третьей.

Для проверки возможности сохранить реализм, пожертвовав локальностью, были сформулированы неравенства Леггета Leggett A.J. Nonlocal hidden-variable theories and quantum mechanics: An incompatibility theorem // Foundation of Physics. 2003. Vol. 33. No. 10. P 1469-1493.. Если бы они соблюдались, то, возможно, квантовые объекты все-таки имели бы определенные свойства до измерения, при условии, что они могут организовать мгновенные корреляции друг с другом. В экспериментах, проведенных в 2007 и 2010 гг., неравенства Леггетта нарушались, а это означает, что мгновенного влияния недостаточно для объяснения запутанности, и значит отказ от локальности не решает проблемы. Нужно отказаться, по крайней мере, от наивного реализма, что у частицы есть определенные свойства, не зависящие от наблюдений.

Допустим, после проверки неравенств Белла мы признали пространственную нелокальность или мгновенную корреляцию двух запутанных частиц, разнесенных в пространстве. Возможно, даже это один объект, одновременно находящийся в двух точках пространства (правда, тогда неясно, почему мы наблюдаем его в виде отдельных частиц?). Но остается еще один вопрос: можно ли также убедиться в предсказанной теории временной нелокальности, согласно которой частица движется не по определенной траектории, а сразу по всей совокупности возможных траекторий?

Для ответа на этот вопрос были предложены неравенства Леггетта-Гар- га Leggett A.J., Garg A. Quantum mechanics versus macroscopic realism: Is the flux there when nobody looks? // Physical Review Letters. 1985. Vol. 54. No. 9. P 857. (их иногда называют временными неравенствами Белла), в которые входят корреляции между результатами последовательных измерений положений частицы в различные моменты времени. Эти неравенства не должны нарушаться, если одновременно верны два следствия классического реализма. Первое (макрореализм): квантовый объект, как любая макроскопическая система, для которой возможны два или более различных состояния, в любое время будет находиться только в одном из этих состояний. Второе (неинвазивность измерения): в принципе возможно определить состояние системы, создавая сколь угодно малое возмущение ее последующей динамики. Если эволюция системы происходит согласно квантово-механическим, а не классическим законам, неравенства должны нарушаться. Экспериментальная проверка не только для ядерных спинов и фотонов, но и для атомов Robens C. et al. Ideal negative measurements in quantum walks disprove theories based on classical trajectories // Physical Review X. 2015. Vol. 5. No. 1. P 011003. показала, что неравенства Лег- гетта-Гарга нарушаются. Это означает принципиальную невозможность свести эволюцию атома к движению по какой-либо определенной траектории. Мы всегда имеем дело с суперпозицией многих траекторий. Правда некоторые критики считают, что нарушение неравенства Леггетта-Гарга еще не означает ложность макрореализма.

Всем известен двухщелевой эксперимент, который как будто демонстрирует корпускулярно-волновой дуализм квантовых частиц при двух открытых щелях. Однако часто забывают, что для исчезновения интерференционной картины вовсе не обязательно закрывать одну из щелей. Достаточно у щелей установить детекторы. Удивительно, что когда нет никакой возможности измерить, через какую щель проходят частицы, на экране возникнет интерференция, как будто частица подобно волне «проходит» сразу через обе щели. Если же мы с помощью детекторов в принципе можем узнать, через какую щель прошли частицы (неважно, наблюдаем мы это или нет), интерференция исчезнет, и на экране возникнут две полосы, как при классическом сложении вероятностей. Дело в том, что согласно теории, у квантовых частиц нет никаких волн в пространстве- времени, похожих на классические электромагнитные волны. Сама возможность узнать траекторию частицы изменяет правило сложения амплитуд вероятности, а значит и результаты наблюдений. Волновые свойства проявляет не сама частица, а ее волновая функция, существование которой как раз и является проблемой.

Тот факт, что в экспериментах наблюдается интерференция не только частиц, но и макромолекул является аргументом в пользу квантового реализма. Если квантовая теория работает для макрообъектов и является фундаментальной теорией, то ее выводы о существовании могут быть верны и для классических явлений. Основная сложность - изолировать суперпозицию возможных состояний от влияния окружения из-за явления декогеренции.

Кроме неудачного сравнения квантовых объектов с волнами классического поля, классический реализм пытается объяснить двух-щелевой эксперимент тем, что детекторы якобы отбирают конкретные свойства или траектории из набора уже существующих до наблюдения. Согласно другой гипотезе, квантовые объекты при помощи скрытых локальных параметров получают информацию, есть ли в системе детекторы или нет, и в соответствии с этим ведут себя или как частицы, или как волны («теория заговора»).

Чтобы доказать, что до наблюдения фотон не имеет ни определенного свойства (волна или частица), ни определенной траектории, Уиллер предложил эксперимент с «отложенным выбором» Wheeler J.A. Quantum Theory and Measurement. Princeton, 1983. P 182-213.. В интерферометре Маха-Цендера измеряется задержка между случайным выбором наблюдателя, тем, что он собирается измерять, и самим изменением свойств (траекторий) фотона. В отличие от двухщелевого эксперимента, детекторы ставятся не у щелей, а после того, как фотон пролетел через них - непосредственно перед вторым экраном. В эксперименте 2007 г. Jacques V. et al. Experimental realization of Wheeler's delayed-choice gedanken experiment // Science. 2007. Vol. 315(5814). P 966-968. установлено, чтобы фотон успел решить, двигаться ему сразу по обоим путям как волна или по одному из двух, как частица, информация о выборе экспериментатора должна распространяться в 4 раза быстрее скорости света. В 2015 г. аналогичный эксперимент был проведен с одиночным атомом Manning A. G. et al. Wheeler's delayed-choice gedanken experiment with a single atom // Nature Physics. 2015. Vol. 11. P 539-542..

В 2012 г. в эксперименте с квантовым отложенным выбором PeruzzoA. etal. A quantum delayed-choice experiment // Science. 2012. Vol. 338(6107). P 634-637. удалось наблюдать, как фотон проявил себя одновременно и как волна, и как частица. Более того, он плавно переходил от одного проявления к другому. Как известно, понятие дополнительности этих несовместимых между собой аспектов - одно из центральных в стандартной копенгагенской интерпретации. В обычном эксперименте с отложенным выбором (как и при проверке неравенств Белла) мы можем сохранить реализм частиц, приписав им скрытые параметры, но пожертвовав для этого локальностью. Именно это предлагается в Бомовской механике. Однако в эксперименте с квантовым отложенным выбором мгновенной корреляции между выбором, что наблюдать, и свойствами частицы недостаточно для объяснения плавного перехода от корпускулярного поведения к волновому. Как и в случае нарушения неравенств Леггета, мы снова вынуждены отказаться от предположения, что у частицы есть определенные свойства, не зависящие от наблюдений.

Еще одним аргументом в пользу квантового реализма можно считать эксперименты с квантовым ластиком MaX., Kofler J., Zeilinger A. Delayed-choice gedanken experiments and their realizations.. Вместо того чтобы наблюдать, через какую щель (каким путем) прошли фотоны, тем самым влияя на них, можно «пометить» их информацией с помощью вспомогательных запутанных фотонов. Когда основные фотоны промаркированы, интерференционная картина исчезает, но если после прохождения фотонов через щели информацию об их пути стереть, интерференционная картина появится вновь. Создается впечатление, что квантовые свойства не исчезают безвозвратно после измерения, а смешанное состояние можно снова превратить в суперпозицию.

В экспериментах, объединяющих механизм квантового ластика и отложенного выбора, можно сначала зарегистрировать фотон, а уже потом решать, как он должен себя вести. Причем физическая локальная связь между выбором наблюдателя и интерференцией исключается. И вновь была продемонстрирована нелокальность не только в пространстве, но и во времени. Экспериментаторы сделали вывод, что не существует совместимой с экспериментом наивной реалистичной картины, где поведение частицы причинно независимо от выбора наблюдателя. Другой результат эксперимента связан с ретро-причинностью. Может показаться, что после регистрации фотона, выбирая тип детектора, наблюдатель может заставить фотон в прошлом проявиться как частица или как волна, что противоречит специальной теории относительности. Однако парадокса можно избежать, если измерение в прошлом рассматривать не как что-то неизменное, а как связанное с измерениями в будущем. Например, ряд авторов11 предлагают расширить утверждение Уилера о том, что явление не является явлением, пока оно не зарегистрировано, так, что явление не имеет смысла, пока оно не будет соотнесено с другими зарегистрированными явлениями, в том числе в будущем. Это не значит, что мы изменяем прошедшие события. Можно сказать, что мы просто получили дополнительную информацию или новое знание, которые изменили наше представление о результатах эксперимента в прошлом. А можно сказать, что пока в системе еще сохранялась возможность в будущем получить информацию о пути фотона, интерференции не было. Когда позже эта возможность исчезла, интерференция в прошлом тоже исчезла. Другими словами, получая новую информацию в настоящем, наблюдатель или система воссоздают прошлое. Прошлое как будто связано со своими возможными последствиями.

Из результатов перечисленных экспериментов следуют, как минимум, три вывода. Во-первых, они соответствуют предсказаниям квантовой теории. Во-вторых, можно считать опровергнутыми утверждения классического реализма о том, что свойства квантовых объектов локальны и существует независимо от наблюдения MaX. etal. Experimental delayed-choice entanglement swapping // Nature Physics. 2012. Vol. 8(6). P 479-484. Следует признать, что для большого числа работающих физиков результаты перечисленных экспериментов не являются достаточным основанием для отказа от привычных представлений о реальности.. В-третьих, конкуренция между квантовым анти-реализмом и квантовым реализмом будет продолжаться до тех пор, пока мы не поймем, как возможные состояния из суперпозиции переходят сначала в смешанное состояние, а затем в одно из наблюдаемых? А также, почему разложение возможных состояний зависит от знания и выбора наблюдателя? И, что означает пространственно-временная нелокальность квантовых корреляций?

Одно из возможных направлений поиска ответов состоит в объединении в рамках квантового реализма двух подходов: модального и информационного. Использование модальных категорий возможное-потенциальное и действи- тельное-актуальное к квантовым явлениям имеет долгую традицию См.: СевальниковА.Ю. Интерпретации квантовой механики: В поисках новой онтологии. М., 2009; Терехович В.Э. Модальные подходы в метафизике и квантовой механике // Метафизика. 2015. № 1. С. 129-152.. Гейзенберг писал о возможностях, как аналоге «потенций» Аристотеля, существующих между объективной материальной и субъективной реальностями Гейзенберг В. Шаги за горизонт. М., 1987. С. 222-223.. Фок рассматривал возможные состояния квантового поля как объективные потен-ции к осуществлению, а вероятность как численную оценку потенциальных возможностей. Поппер считал, что волновая функция описывает не свойства объектов, а их предрасположенности проявлять при измерении те или иные возможные свойства. В одной из версий современной модальной интерпретации Lombardi O., Castagnino M. A modal-Hamiltonian interpretation of quantum mechanics // Studies in History and Philosophy of Science Part B: Studies in History and Philosophy of Modern Physics. 2008. Vol. 39(2). P 380-443. вводится онтология с двумя несводимыми друг к другу и равно реальными сферами возможности и действительности. Причем каждая возможность физически влияет на сферу действительности, даже если она никогда не станет актуальной. Метафизическая установка, в которой потенциальные состояния становятся актуальными, на вопрос «Что существует до наблюдения?» может ответить так: все альтернативные возможные квантовые явления, свойства или истории находятся в потенциальном модусе бытия и обладают определенными предрасположенностями к актуальному существованию. Амплитуду вероятности можно рассматривать как численную меру таких предрасположенностей.

Однако признание двух модусов бытия еще не объясняет, каким образом факт наблюдения способствует переходу квантовых состояний в актуальность. Не случайно понятия «потенциальное» и «актуальное» используются сторонниками как квантового анти-реализма, так и квантового реализма. В одних интерпретациях благодаря наблюдению актуальной становится только одна возможность, оставшиеся или исчезают, или остаются в потенциальном модусе. В других считается, что каждое возможное состояние реализуется как актуальное, а наше сознание выбирает эти состояния в одной из возможных ветвей Вселенной. В-третьих, реализуется вся совокупность возможных состояний системы наблюдатель-прибор-объект, а мы лишь наблюдаем совокупный результат их совместной актуализации.

Прояснить ситуацию мог бы информационный подход, который анализирует отношения двух понятий: знание наблюдателя и информация. К сожалению, в информационных интерпретациях квантовой механики часто возникает путаница из-за различного понимания термина «информация». Сторонники квантового анти-реализма под информацией понимают или знание наблюдателя, уменьшающее неопределенность, или степень уверенности конкретного человека (пси-эпистемологический подход). Сторонники квантового реализма рассматривают информацию как самостоятельную сущность, не обязательно связанную с человеком (пси-онтический подход).

В качестве примера нечеткого использования понятий знание и информация приведем мнения двух признанных специалистов. Войцех Цурек описывает, как из теории декогеренции следуют онтологические свойства векторов состояний, а объективное существование отобранных состояний приобретается через эпистемологическую «передачу информации» Zurek W H. Decoherence and the transition from quantum to classical-revisited // Los Alamos Science. 2002. Vol. 27. P 86-109.. Однако решающую роль в определении того, какие состояния квантовых систем могут обнаруживаться наблюдателями, играет степень коррелированности или распространенность информации. Информация усиливается за счет ее распространенности или избыточности Zurek W. H. Quantum darwinism // Nature Physics. 2009. Vol. 5. No. 3. P 181-188.. Антон Цайлингер, с одной стороны, считает, что не может быть обосновано понятие реальности без возможности высказывать о ней утверждения для получения информации о ее свойствах. Одновременно, он возражает против субъективистской интерпретации роли наблюдателя: «Ясно, что сознание ни в коей мере не влияет на частицу»Наука и предельная реальность: квантовая теория, космология и сложность. М.; Ижевск, 2013. С. 176-185..

Чтобы мы не понимали под информацией, без нее мы вряд ли обойдемся, если хотим понять, что происходит в квантовых экспериментах. Но для этого необходимо найти ответы на несколько вполне метафизических вопросов. Какова разница между информацией и знанием наблюдателя? Есть ли у информации и знания носитель, и кто или что их воспринимает? И, наконец, каким образом информация и знание превращаются в объекты?

Похоже, что с классическим реализмом для квантовых объектов можно попрощаться. Но что дальше? Возможно, вместо проблемы реальности и не- локальности квантовых объектов, следует сосредоточиться на проблеме реальности и нелокальности знания и информации о потенциальных и актуальных свойствах этих объектов.

А.Ю. Севальников: Спасибо, Владислав Эрикович! Я сейчас попытаюсь сформулировать некоторые принципы, в рамках которых удается ответить на ряд вопросов, которые только что были озвучены в предыдущем сообщении. По сути дела, это ответ на вопрос о загадке, а точнее о «тайне квантовой механики», о которой говорил Ричард Фейнман и, который считал, что никто и никогда не сможет разрешить эту загадку. Свое выступление хотелось предварить известной фразой Данте Алигьери из «Божественной комедии»: «Оставь надежду всяк сюда входящий». «Тайну» квантовой механики действительно невозможно постичь, если подходить к ней с грузом классических новоевропейских представлений, как философских, так и физических, касающихся концепций реальности и существования. Единственный верный призыв, как мне представляется, это тот, что часто озвучивается профессурой в самом начале курса лекций по квантовой механике: «Забудьте все, чему мы вас учили прежде!». Круглый стол проходит в рамках конференции «Квантовая механика и философский дискурс». Если касаться философии, то для меня совершенно очевидно, что квантовая механика требует радикального отказа от классических новоевропейских представлений о реальности и существовании. Выскажусь более точно, все эксперименты, проведенные в последнее время, требуют отказа от декартовской парадигмы, и касается это, прежде всего, пересмотра концепции “res extensa”, концепции существования материального, а если еще точнее, основ существования материального мира.

Квантовая механика - это наука о становлении наблюдаемого мира. Как этот мир становится? Выскажу, наверно, противоречивое и парадоксальное утверждение. Квантовая механика с одной стороны сложна, а с другой - банальна и примитивна. Сложна в том смысле, как о ней говорил Фейнман, что никто не может ее понять, а банальна в том, что описывает наиболее простой, элементарный уровень реальности - именно то, что конституирует наблюдаемый материальный мир.

В каком смысле материальный? Материя в квантовой механике должна пониматься радикально иначе, нежели чем в декартовской парадигме. Концепция “res extensa”, ведущая к геометрическому описанию этого мира, изначально не полна, и требует пересмотра. Прежде чем перейти к изложению своей концепции, остановлюсь, и очень кратко, на одном вопросе. Утверждая, что квантовая механика разрывает с декартовскими представлениями, я никакого открытия не делаю, об этом давно говорится многими исследователями. Однако часто можно слышать утверждения, что в квантовой механике больше нет разделения между “res extensa” и “res cogitans”. Принцип объективности здесь больше не работает. Вот с этим утверждением я категорически не согласен. Да, человек играет существенную роль в этом мире, занимает центральную роль, если вспомнить антропный принцип, но квантовая механика просто говорит нечто иное и об ином. Она говорит о материальном, и об особом понимании этой материальности.

И вот здесь я и перейду к «тайне» квантовой механики по Фейнману. Фейнман указывает на два принципа, на которых базируется квантовая механика. Он утверждает, что эти принципы ниоткуда не выводятся и не вытекают, более того, его позиция достаточно категорична, и он заявляет, что никто в мире и никогда суть этих принципов не сможет объяснить, и в этом и состоит тайна квантовой механики. Кратко напомню, о чем конкретно говорит Фейнман. Прежде чем сформулировать принципы квантовой механики, им предварительно вводится понятие «идеального опыта», т. е. опыта, в котором отсутствуют неопределенные внешние влияния, и нет никаких не поддающихся учету изменении, колебаний и т. д. Точная формулировка будет такова: «Идеальным опытом называется такой, в котором все начальные и конечные условия опыта полностью определены» Фейнман Р., Лейтон Р., СэндсМ. Фейнмановские лекции по физике. Т. 3-4. М., 1977.. Такую совокупность начальных и конечных условий он называет «событием». «Событие» - это переход от начального состояния к конечному. Далее, важным является то, как и каким образом описывается это событие. Событие описывается так называемой амплитудой вероятности, которая не принадлежит полю действительных чисел, и является величиной комплекснозначной. По Фейнману: «Новый, выдвигаемый квантовой механикой способ изображать мир - новая система мира - состоит в том, чтобы задавать амплитуду любого события, которое может случиться. Если событие состоит в регистрации частицы, то можно задавать амплитуду обнаружения этой частицы в тех или иных местах и в то или иное время. Вероятность обнаружить частицу тогда будет пропорциональна квадрату абсолютной величины амплитуды» Там же.. Вводя понятие события и амплитуды вероятности, Фейнман формулирует основополагающие принципы квантовой механики. Их всего два.

«1) если событие может произойти несколькими взаимноисключающими способами, то амплитуда вероятности события - это сумма амплитуд вероятностей каждого отдельного способа. Возникает интерференция. ф = ф1 + ф Р = |ф1 + ф2|2,

2) если ставится опыт, позволяющий узнать, какой из этих взаимно исключающих способов на самом деле осуществляется, то вероятность события - это сумма вероятностей каждого отдельного способа. Интерференция отсутствует. Р = Р1 + Р2» Там же. С. 217..

Собственно, по Фейнману, существование двух этих принципов и есть некоторая тайна, которую никто не сможет объяснить. Он пишет далее: «Быть может, вам хочется выяснить: «А почему это? Какой механизм прячется за этим законом?» Так вот: никому никакого механизма отыскать не удалось. Никто в мире не сможет вам «объяснить» ни на капельку больше того, что «объяснили» мы. Никто не даст вам никакого более глубокого представления о положении вещей. У нас их нет, нет представлений о более фундаментальной механике, из которой можно вывести эти результаты» Фейнман Р., Лейтон Р., СэндсМ. Фейнмановские лекции по физике. Т 3-4.. И в другом месте: «Самый основной элемент таинственного поведения в самой странной его форме, <...> которое невозможно, совершенно, абсолютно невозможно объяснить классическим образом. В этом явлении таится самая суть квантовой механики. На самом деле в ней имеется только одна тайна. Мы не можем раскрыть ее в том смысле, что не можем «объяснить», как она работает» Там же. С. 203.. Или еще более радикально в другом месте Фейнман утверждает, что «никто еще не нашел отгадки этой головоломки. <...> Разгрызть этот орешек человеку не по зубам, ибо такова природа вещей» Там же. С. 218..

Мы с Фейнманом согласимся, что в рамках классических представлений эти два принципа не находят своего объяснения. Ни с точки зрения классической физики, и что более важно, с точки зрения всей новоевропейской философии. И здесь мы подходим к основному нашему утверждению. Для того чтобы понять суть квантовомеханических явлений, необходима иная философия. О необходимости новой «квантовой философии» говорили, начиная уже с Гейзенберга, Шредингера и Бора. И здесь предлагалось множество подходов. Я не буду их здесь критиковать. Мое сообщение посвящено другой цели. Нами предлагается такая сетка понятий, в рамках которой возможны две вещи. Во-первых, это дать объяснение тех принципов, которые описал Фейнман. И, во-вторых, сформулировать те понятия, в рамках которых становится возможным получение, вывод основных квантовомеханических уравнений. Исходя из всех ранее предлагавшихся подходов к трактовке квантовой теории этого невозможно сделать.

Я настаиваю: все то, о чем идет речь в математическом формализме квантовой механики, и что неизменно подтверждается всеми опытами, ведет с одной стороны к новой философии, а с другой - к конкретному результату в области физики. Мы можем получить и вывести основные уравнения квантовой механики, что ранее никому не удавалось сделать.

Повторю еще раз, все последние опыты и эксперименты в области квантовой физики однозначно указывают на то, что квантовые объекты существуют иначе, нежели чем классические. «Атомы - не вещи!», не уставал повторять Гейзенберг. Суть этого высказывания состоит в том, что если ограничиться только понятием наблюдаемого, или актуального бытия, то невозможно понять суть квантовых феноменов. Если подвести итоги целого ряда исследований по фундаментальным вопросам квантовой механики, а именно результатов опытов по проверке эффектов ЭПР-парадокса, неравенств Белла, Легетта, Легетта-Гарга, «экспериментов с отложенным выбором», а также опытов по реализации «квантового ластика», то вывод становится однозначным. До акта измерения квантовому объекту невозможно приписать конкретных наблюдаемых свойств, они возникают во время «наблюдения» в соответствии с двумя правилами Фейнмана, о которых говорилось выше.

Суть квантовых феноменов состоит в том, что необходимо различать и вводить разные модусы сущего. Кроме бытия актуального, «наблюдаемого», с которым имела дело вся классическая физика, как минимум, необходимо различать еще один модус существования, отличный от актуального, а именно бытие возможного. По сути дела, это и есть модальный подход в интерпретации квантовой механики, о чем выше говорилось Владиславом Тереховичем.

Уточню свою позицию. Если быть предельно кратким и признать полноту квантовой механики, в смысле Эйнштейна, то необходимо признать, что онтологический референт, связанный с волновой функцией, не может принадлежать пространственно-временному континууму. Впервые об этом стал говорить Гейзенберг, утверждая, что электрон при своем движении не может обладать траекторией в атоме. Ему с 1926 г. возражал Эйнштейн. Открытие принципа неопределенности в 1927 г. усиливает позиции Гейзенберга. Из этого принципа явно следовало, что, как минимум, квантовый объект при своем движении не может обладать либо координатой, либо импульсом. Ключевой стала работа Эйнштейна, Подольского и Розена в 1935 г., где был сформулирован ЭПР-парадокс. Вывод из этой работы однозначен, и он четко формулируется Эйнштейном с сотрудниками. Из работы следует, что или 1) квантово-механическое описание реальности посредством волновой функции неполно или 2) когда операторы, соответствующие двум физическим величинам, не коммутируют, эти две величины не могут одновременно быть реальными.

Является показательной судьба этого вывода. Если окинуть взором все последующие дискуссии, опыты по проверке ЭПР-парадокса, то видно, что обсуждалось все что угодно, но только не основной вывод этой работы! Обсуждались и обсуждаются т н. «сепарабельность» или «несепарабельность», целостность, или «холизм» квантовых явлений, львиная доля работ посвящена локальному реализму, или наоборот реализму нелокальному. Как бы эти работы не отличались друг от друга, есть нечто общее, что их объединяет. Квантовые феномены рассматриваются в прокрустовом ложе декартовской парадигмы, а именно в попытке так иначе рассматривать квантовые феномены, осуществляющиеся в пространстве и времени. Здесь мы ни йоту не отходим от декартовской парадигмы, от попытки понимания материи как «res extensa». Как сама материя, так и ее движение рассматриваются в пространстве и времени. Как положения Клиффорда, так и программа геометризации физики Эйнштейна полностью опираются на эти философские идеи. Собственно, Эйнштейн, когда говорил о неполноте квантовой теории, надеялся, что ее уравнения будут получены в будущем из более общей теории, связанной с идеей геометризации материи. Вектор развития физики развернулся в иную сторону. Опять же в рамках выводов Эйнштейна, которые, как он надеялся, никогда не подтвердятся. «Если квантовая механика права, то мир сошел с ума!» - говорил он. В опытах мы видим, как квантовую нелокальность, по Эйнштейну - «действие духов на расстоянии», так и четкое подтверждение его вывода о «нереальности» свойств квантового объекта до наблюдения. Вовсе не случайно вместе с рождением квантовой механики было введено два рода характеристик квантовых объектов - «наблюдаемые» и «ненаблюдаемые». «Ненаблюдаемое» описывается как раз волновой функцией ^, либо оператором в ином представлении. То, что можно наблюдать хотя бы в принципе, описывается квадратом модуля волновой функции, что и задает вероятность нахождения частицы в определенном состоянии Р = ///.г = | щ|2. Эти два рода состояний - наблюдаемое и ненаблюдаемое - задают, с точки зрения философии, два различных модуса бытия, о чем впервые уже говорил Гейзенберг. «Ненаблюдаемое» связано с «бытием в возможности», принципиально описывается комплекснозначной волновой функцией, задает уровень «предгеометрии» (Дж.А. Уиллер), т е. то, что находится до пространства-времени, а «наблюдаемое» описывает уже обычную классическую реальность, объекты в пространстве и времени. Между двумя уровнями бытия существует принципиальный разрыв, скачок, что в квантовой механике связано с т. н. «редукцией волновой функции», когда из множества возможных потенциальных состояний осуществляется только одна. Является весьма важным то, что осуществление той или иной возможности зависит от способа проведения эксперимента, что Вл.А. Фок обозначал как «относительность к средствам наблюдения», или что в другой формулировке носит название «обобщенного принципа Маха» (Ю.С. Владимиров). Это же обстоятельство подчеркивал и Уиллер в известной статье «Квант и Вселенная» на примере игры в 20 вопросов, когда говорил, что наблюдаемое в эксперименте зависит от «способа постановки вопроса». Интересен и вывод, который делал Уиллер. Подчеркивая, что квантовая механика ниоткуда не выводится, о чем уже говорилось выше, он утверждал, что можно сформулировать основной урок квантовой механики: «Никакое элементарное явление нельзя считать явлением, пока оно не наблюдалось»Уилер Дж.А. Квант и вселенная. Астрофизика, кванты и теория относительности. М., 1982.

С. 551.. Этот итог - перефразирование вывода Эйнштейна о том, что если квантовая механика полна, величина, описываемая двумя некоммутирующими операторами, не может быть величиной реальной.

Разделение двух модусов сущего, а в более широком плане введение модальной философии, и позволяет ответить на «загадку» о «тайне квантовой механики» по Фейнману. Предварительно сформулируем их еще раз:

«1) если событие может произойти несколькими взаимноисключающими способами, то амплитуда вероятности события - это сумма амплитуд вероятностей каждого отдельного способа. Возникает интерференция. ф = ф1 + ф2, Р = |Ф1 + Ф2|2,

2) если ставится опыт, позволяющий узнать, какой из этих взаимно исключающих способов на самом деле осуществляется, то вероятность события - это сумма вероятностей каждого отдельного способа. Интерференция отсутствует. Р = Р1 + Р2».

Напомним, Фейнман утверждал, что этот механизм квантовой механики никто не может объяснить, «раскрыть ее в том смысле, что не можем «объяснить», как она работает». В одном месте Фейнман говорил, что существует только один мир, и этот мир квантовый. Если опираться на такие философские представления о реальности, то дать ответ на «тайну» Фейнмана невозможно. Если же мы различаем уровни, модусы реальности, то загадка Фейнмана разрешается очень просто. Продемонстрируем это все на двухщелевом эксперименте, где, как говорил тот же Фейнман, может быть показана вся тайна квантовой механики. Итак, в первом случае, когда мы не различаем пути, не определяем, через какую из двух щелей проходит квантовая частица, в конце концов мы

наблюдаем интерференцию. Наличие интерференции указывает на то, что при «движении» в этом случае бытие частиц надо относить к модусу сущего, отличного от бытия актуального. В этом случае существование частиц отнесено к модусу «бытия возможного», где равновероятно существуют разные возможности, работает принцип суперпозиции состояний, различные возможные состояния взаимодействуют, существуя одновременно, что и дает наблюдаемую интерференцию. Здесь мы потому и складываем амплитуды вероятностей, так как именно они описывают потенциальное.

Во втором случае есть принципиальная возможность узнать, как прошли частицы, причем это не эфемерное «влияние субъекта», а конкретно «ставится опыт, позволяющий узнать, какой из этих взаимно исключающих способов на самом деле осуществляется» (Р. Фейнман). И в данном случае потенциальное «переводится» в актуальное. Тем или иным образом происходит актуализация возможного. Если в первом случае мы не можем отнести существование частицы к пространственно-временному континууму - ее существование описывается с точки зрения математики комплексными величинами, в некотором смысле негеометрическими, т. к. мы в данном случае не можем ввести понятий «больше-меньше», то во втором случае происходит актуализация частицы «здесь и сейчас». Мы ее можем наблюдать в пространстве, возможности в данном случае «схлопнулись» и из множества возможностей реализуется одна конкретная, ее существование уже описывается реальной величиной, обычной вероятностью Р = р//|2, связанной уже с полем действительных чисел. Если частицы в двухщелевом эксперименте проходят через два отверстия, то, соответственно, реализуется либо одна возможность, описываемая вероятностью Р1, либо вторая возможность, связанная с вероятностью Р2. Если мы наблюдаем множество событий, то и получаем суммарное наблюдаемое распределение вероятностей, даваемое суммой двух возможных событий Р = Р1 + Р

Два принципа квантовой теории, о которых говорит Фейнман, соотнесены с различными модальностями. Первый принцип описывает существование потенциального, а второй актуального. В этом и состоит достаточно простое объяснение «тайны квантовой механики». По сути - это основное, что я хотел бы сообщить. Однако не могу не остановиться и на других моментах, которые были затронуты выше в докладе Тереховича. В интерпретации квантовой механики мы с ним единомышленники, оба разделяем модальный подход, согласно которому необходимо разделение сферы сущего на потенциальное и актуальное. Но есть и различия в наших подходах. Я не считаю, что введение понятия информации может что-то решить в понимании квантовой теории. По сути дела, об этом говорил Фейнман: «Природа не знает, на что вы смотрите, на что нет, она ведет себя так, как ей положено, и ей безразлично, интересуют ли вас ее данные или нет»Фейнман Р., Лейтон Р., СэндсМ. Фейнмановские лекции по физике. Т 8-9. М., 1977. С. 19.. Перефразируя, можно сказать, природе безразлично получаете вы информацию или нет. Она ведет себя так, как ей и положено.

Не случайно наша конференция носит название «Квантовая механика и философский дискурс». Я уверен, что понимание квантовой механики невозможно без философии. Еще раз подчеркну, радикально иной философии. Ошибка Фейнмана состояла в том, что он утверждал, что мир один, и этот мир квантовый. Если следовать такой позиции, то дать объяснение двум принципам

Фейнмана невозможно. Волновая функция описывает иное понимание материи. Я мог бы сказать, что это новое понимание, отличное от декартовского, но самое интересное состоит в том, что это новое - хорошо забытое старое. Начиная с античности и вплоть до эпохи схоластики, да и позднее, материя мыслилась как возможность. Я оперирую этим понятием, бытием в возможности, и говорю, что это онтологический объект, на чем и настаивал Аристотель, утверждая, что это третье природное начало, отличающееся от того, что мы наблюдаем в этом мире. Я этот тезис принимаю, давно развиваю и отстаиваю в своих работах. Часто слышу возражения, что совсем не понятно - что это такое бытие возможности? Не только возражения, но и упрек, что все это некий реликт и архаика. Но так оно и есть на самом деле. Хочу напомнить, что оба из создателей математического формализма квантовой механики Гейзенберг и Шредингер позднее обратились к античной философии, к грекам. Я делаю то же самое, только моя позиция отличается. Есть состояние материи, которое находится не в пространстве и времени, существует иной модус бытия, отличающийся от наблюдаемого. В этой комнате находятся различные объекты - это есть то, что находится в пространстве и времени. Но «урок квантовой механики» состоит в том, что мы должны признать то, что находится до пространства и до времени, причем это некоторое материальное начало. Аристотель это начало обозначает термином vnoKeipevov, дословно переводимым как «подлежащее» (лежащее внизу, в основе).

Существуют два подхода к пониманию материального, одно связано с именем Аристотеля, другой - с именем Платона. Аристотель настаивал на том, что материя не может быть описана математически. Платон говорит о возможности математического описания. Если следовать такой традиции и материю описывать математически, то встает вопрос, как может быть объяснить то, что не находится в пространстве и времени. Как описать то, что вне пространства и времени и до него? Раз вне пространства и времени, то отсюда следует, что мы не можем ввести здесь понятия «больше - меньше». Это можно сделать только в геометрическом пространстве, используя поле действительных чисел. Самый простейший объект, где нельзя ввести понятия «больше - меньше» - это поле комплексных чисел. Если мы вводим понятие элементарного события, перехода из начального состояния в конечное и описываем его комплекснозначной величиной, и рассматриваем множество таких событий, то отсюда удается вывести основные уравнения квантовой механики. Я имею ввиду бинарную геометрофизику Ю.С. Владимирова. Если на эти элементарные события наложить так называемое уравнение фундаментальной симметрии, то удается получить содержательную физику. Вплоть до прототипа уравнения Дирака, вывода структуры пространства-времени и еще много чего. Юрий Сергеевич находится здесь и сам может обо всем этом еще раз рассказать.

Весь пафос моего выступления состоит в двух утверждениях. Есть актуальное - то, что мы видим здесь и сейчас. Однако существует ряд феноменов, где пространственно-временное описание неприменимо. Это мир квантовых феноменов. Вся квантовая нелокальность связана с проявлением именно этого модуса. То, что мы видим - это своеобразная «проекция». Событие осуществляется либо одним способом, либо другим, в соответствии с двумя принципами Фейнмана. Первична не информация, а конкретное материальное окружение.

Информация вторична. В трактовке этих явлений мы изобретаем велосипед. Напомню, что у греков мир рассматривался как феноменальный, явленный. Как и у Хайдеггера, который рассматривал скрытое и явленное. Квантовая механика говорит о том же самом. Потенциальное, возможное может осуществляться по-разному. Тут работает так называемый принцип индивидуации материи. То, каким образом сущность выходит к проявлению, зависит от материи. Так было у греков, то же самое мы видим и в квантовой механике. Не сознание определяет квантовый феномен, и не знание, как и не информация, а вполне конкретное материальное. Как говорил В.А. Фок, здесь работает принцип относительности к средствам наблюдения. Все очень конкретно, у вас реализуется либо одна экспериментальная установка, либо иная. Находится в установке для лазерных фотонов светоделитель или не находится, включен у вас прибор или нет, и т. д. Это и есть тот самый обобщенный принцип Маха, о котором говорилось в докладе Ю.С. Владимирова. Сейчас мы говорим о принципе Маха, а греки вводили принцип индивидуации материи. Материя - это некая потенция, которая может быть явлена, осуществлена двумя взаимоисключающими способами, в соответствии с принципами Фейнмана. То, что мы наблюдаем в экспериментах, т н. «относительность от средств наблюдения», или влияние пресловутого «наблюдателя», в природе осуществляется ежесекундно и во всей Вселенной. Выход к осуществленности - есть реализация потенции тем или иным образом. Ни сознание, ни знание здесь не влияют. Вселенная реализовалась задолго до нашего появления, до нашего вопрошания о ней, задолго до того, как мы стали получать о ней информацию.

Коснусь кстати и информационного подхода, о котором говорилось в докладе В.Э. Тереховича. В прошлом году были опубликованы результаты экспериментов совместной группы физиков из Франции и Австралии Ringbauer M., Duffus B., Braciard C. et al. Measurements on the reality of the wavefunction // Nature Physics. 2015. No. 11. P 249-254.. Эти эксперименты показали невозможность пси-эпистемологического подхода, т. е. по сути дела информационного подхода, в трактовке квантовых явлений.

В заключение, затрону еще одну сторону квантовой механики. В ней существует гораздо больше проблем и вопросов, нежели активно обсуждается. Есть проблемы, например, калибровочной инвариантности волновой функции, и вопрос особого статуса импульсного представления. Остановлюсь только на последнем вопросе. О выделенности импульсного представления писал Вольфганг Паули. Тут парадоксальная вещь. Квантовую механику мы можем рассматривать в импульсном и координатном представлении. Они симметричны. Но, в импульсном представлении уравнения получаются более простыми. Ю.С. Владимиров приводит постоянно пример с атомом водорода, который рассматривает Фок, я тоже в свое время на него наткнулся. Там получается настолько простая и красивая модель атома водорода, где энергетические уровни рассчитываются фактически при помощи алгебры. Импульсное представление более простое, можно говорить о его первичности. Но тут возникает парадокс. Импульс связан со скоростью, а скорость мы всегда, при классическом подходе, связываем с пространством. Если же мы говорим, что импульсное представление первично, то как мы его можем оторвать от пространства? Нужно представить себе движение, импульс, в отрыве от координатного пространства. А импульсное представление в квантовой теории задается независимо от координатного! Как это может быть, как можно оторвать импульс от координат? Практически никто этот вопрос не рассматривает. Ответ на него не возможен в рамках классической физики, в основе которой находится декартовская парадигма. А вот в бинарной геометрофи- зике Ю.С. Владимирова такой вопрос и ставится, и решается. Собственно, я и хочу теперь представить слово Юрию Сергеевичу.