Законы дополнительности

Таким образом, наша попытка приписать  Бору однозначное универсальное  связывание корпускулярности с энергетически-импульсными характеристиками, а волновой природы – с пространственно-временными исказила бы его взгляды. Жесткая связь корпускулярности (лучше сказать – дискретности, прерывности) с энергетически-импульсным способом описания имеет место, согласно Бору, только по отношению к световым квантам. Кванты света "не могут рассматриваться как частицы, которым можно было бы приписать точно определенный путь в смысле обычной механики". Но можно ли сказать, что волновой аспект (выражающий непрерывность) жестко связан с пространственно-временным способом описания только по отношению к "волнам материи"?

При ответе на этот вопрос крайне важно иметь  в виду, что Бор, следуя своим старым убеждениям, никогда не придавал световым квантам и электронным волнам такого же статуса, как частицам вещества и электромагнитным волнам. Так, в 1931 г. он писал: "...Физики в наши дни толкуют об электронных волнах и о фотонах… Но я думаю, мы все согласимся, что такие понятия, как бы плодотворны они ни были, не могут никогда представлять что-либо большее, чем удобное средство выражения следствий квантовой теории, которые не могут быть представлены обычным образом. Не следует забывать, что только классические идеи материальных частиц и электромагнитных волн имеют недвусмысленную область применимости, между тем как понятия фотона и электронных волн его не имеют. Их применение существенно ограничивается случаями, в которых, учитывая существование кванта действия, невозможно рассматривать наблюдаемые явления как независимые от приборов, применяемых для их наблюдения".

Аналогичная мысль высказана Бором более  развернуто в 1932 г.: "Чрезвычайная плодотворность волновой картины в объяснении поведения  электронов не должна заставлять нас  забывать, что здесь отсутствует  полная аналогия с распространением обычной волны в материальных средах или с передачей энергии электромагнитных волн через пустое пространство. Точно так же, в случае квантов излучения, часто называемых "фотонами", здесь мы имеем дело с символами, полезными для формулирования вероятностных законов, управляющих элементарными процессами, которые не могут быть проанализированы на основе идей классической физики. В этом смысле такие выражения, как "корпускулярная природа света" или "волновая природа электронов", неопределенны, поскольку понятия частицы и волны строго определены лишь в классической физике, где свет и электроны представляют собой соответственно электромагнитные волны и материальные частицы".

На основании  этих высказываний можно сделать  вывод, что дополнительность волновой и корпускулярной картин имеет иной характер, нежели дополнительность пространственно-временного и энергетически-импульсного способов описания. Жестких параллелей между этими двумя видами дополнительности установить нельзя.

В своей  первой статье Н.Бор указывает еще  на один случай дополнительности, имеющий место в квантовой теории – на дополнительность волновой и матричной формулировок квантовой механики. По его словам, "волновая механика, как и матричная теория, представляет собой символическое толкование проблемы движения в классической механике, приспособленное к требованиям квантовой теории и поддающееся интерпретации только при явном использовании квантового постулата… Можно сказать, что обе формулировки проблемы взаимодействия являются дополнительными в том же самом смысле, как волновое и корпускулярное представления в описании свободных объектов".

Отложив дальнейшее обсуждение вопроса о  соотношении между различными типами дополнительности до следующего параграфа, вернемся к корпускулярной и волновой картинам.

При всей своей определенности понятия электромагнитной волны и материальной частицы были классическими понятиями. Поэтому их применение к интерпретации квантовых явлений было столь же ограниченным, как и применение понятий светового кванта и электронной волны. Бор ясно видел, что как корпускулярная, так и волновая картины вещества и излучения были "скорее двумя различными попытками интерпретации экспериментального материала, в которых ограниченность классических понятий находит взаимно дополняющее выражение". Иными словами, эти картины были результатом попыток отобразить новую, неклассическую физическую реальность с помощью классических понятий. То же самое можно сказать и о пространственно-временной и энергетически импульсной картинах. В связи с этим встают вопросы о специфике неклассической физической реальности и о том, насколько неизбежно использование классических понятий для построения ее картины. К обсуждению взглядов Бора на эти проблемы мы сейчас и перейдем. 

2. Дальнейшее развитие Н.Бором идеи  дополнительности

Трактовка Бором квантовомеханической реальности. Полемика с А.Эйнштейном

Как уже  отмечалось выше, невозможность произвольного  уменьшения взаимодействия измерительных  средств с наблюдаемым объектом, символизировавшаяся конечностью  и неделимостью планковского кванта действия, делала невозможным придание самостоятельной реальности наблюдаемому объекту – "явлению", как называл его тогда Бор. Самостоятельной реальностью, очевидно, обладал лишь процесс взаимодействия объекта и средств наблюдения, т.е. сам акт наблюдения, рассматриваемый как индивидуальный целостный процесс.

Но трактовка  наблюдения как взаимодействия наблюдаемого объекта (явления) и средств наблюдения предполагает, что объект и средства наблюдения отличны друг от друга. Более  того, знание, полученное в результате наблюдения, всегда в конечном счете относится именно к наблюдаемому объекту, несмотря на то обстоятельство, что "понятие наблюдения, вообще говоря, заключает в себя некоторый произвол, так как оно зависит от того, какие объекты включаются в систему, подлежащую наблюдению". Бор любил иллюстрировать это на простом житейском примере с тростью: если человек использует ее для ориентировки в темноте и держит крепко, то она выполняет функцию инструмента наблюдения – при ударе о различные предметы будет казаться, что чувство осязания находится в конце трости, а не в держащей ее руке. Если же трость просто держать свободно, то она будет восприниматься как объект наблюдения – чувство осязания сосредоточится в держащей ее руке.

Необходимость отнесения результата наблюдения к  наблюдаемому объекту, очевидно всегда предполагает подразделение процесса наблюдения. В то же время квантовый  постулат требует рассматривать  процесс наблюдения как целостный  и неделимый. Отсюда и вытекает "дополнительный характер описания атомных явлений, который выступает как неизбежное следствие противоречия между квантовым постулатом и разграничением объекта и средства наблюдения, свойственным самой идее наблюдения".

Это противоречие разрешается указанием на то, что исключающие друг друга и поэтому кажущиеся противоречивыми дополнительные характеристики объекта наблюдения (явления) всегда получаются с помощью применения исключающих друг друга средств наблюдения (приборов), т.е. в разных актах наблюдения. Например, "каждое измерение, преследующее цель упорядочить элементарные частицы в пространстве и времени, приводит к отказу от познания обмена энергией и импульсом между частицами и масштабами и часами, использованными в качестве системы отсчета. Подобным же образом любое определение энергии и импульса частиц приводит к отказу от прослеживания их в пространстве и во времени".

Итак, при  интерпретации результатов наблюдений, согласно Бору, имеет место следующая  ситуация. Несмотря на то, что каждый процесс наблюдения имеет целостный индивидуальный характер, окончательный его результат всегда интерпретируется как некоторая характеристика объекта наблюдения. Роль средств наблюдения, характеристики которых явно не входят в результат наблюдения, сводится при этом к тому, что разные средства, будучи примененными к одному и тому же объекту, дадут в итоге разные характеристики этого объекта, разные его картины. Поэтому можно сказать, что характеристики средств наблюдения все же входят в итоговое знание об объекте, но не в форме знаний о свойствах этих средств, а в виде специфики знания о свойствах объекта. Иными словами, специфика средств наблюдения опредмечивается в специфике знания об объекте наблюдения, воплощаясь в специфике тех свойств, которые приписываются объекту.

В итоге  оказывается, что "ни один результат  опыта, касающегося явления, в принципе лежащего вне области классической физики, не может быть истолкован как  дающий информацию о независимых  свойствах объектов (свойствах объектов самих по себе)". Это означает "существенное ограничение понятия объективно существующего явления в смысле явления, независимого от способов его наблюдения", что в конечном счете влечет за собой "радикальный пересмотр наших взглядов на проблему физической реальности". Если в классической физике элементами реальности были объекты, то в квантовой механике в роли элементов физической реальности выступают акты взаимодействия объекта с прибором, т.е. процессы наблюдения. Именно их целостность символизируется неделимостью кванта действия, именно она приводит к необходимости дополнительных картин объекта "как такового", которые, будучи неявно зависимыми от средств наблюдения, играют роль "объективных аналогов" соответствующих актов наблюдения и не могут быть квалифицированы как картины "объекта самого по себе".

Новая трактовка физической реальности была сформулирована Н.Бором в самой  первой статье, излагавшей концепцию  дополнительности. В дальнейшем эта  концепция уточнялась в отдельных  деталях, не затрагивающих сути взглядов Бора, В последующих его работах отчетливо видно, как "аргументация постепенно становится яснее, особенно в отношении более четкой терминологии". Пожалуй, самым главным было уточнение смысла, вкладываемого в термин "явление".

В статье "квантовый постулат и новейшее развитие атомной теории", уже имея в виду новое понимание физической реальности и противопоставляя его классическому, Бор "по инерции" все еще продолжал говорить о средствах наблюдения как о внешних по отношению к изучаемым явлениям Такая терминология давала возможность рассматривать процесс измерения (наблюдения) как возмущение, изменение исследуемых явлений, вмешательство в их ход благодаря воздействию на них средств наблюдения. Поэтому можно было предполагать, что явления все же обладают самостоятельной реальностью, имея собственные независимые от приборов характеристики, и лишь несовершенство средств наблюдения препятствует получению знаний о них как "самих по себе". В тесной связи с этой имплицитной парадигмой находилась трактовка соотношений неопределенностей как соотношений неточностей (погрешностей) измерения, допустимая только в том случае, если исследуемый микрообъект "сам по себе" обладает точными значениями своих характеристик.

Терминология, согласно точному смыслу которой  явления были тождественны с исследуемыми объектами и процессами, существуя "в себе и для себя", вне средств наблюдения, сохранялась у Бора вплоть до опубликования знаменитой статьи Эйнштейна, Подольского и Розена, в которой было сформулировано и доказано утверждение о неполноте квантовомеханической картины реальности. Так, в 1930 г. Н.Бор писал: "Старый философский вопрос об объективном существовании явлений независимо от наших наблюдений ставится совсем в иной плоскости… каждое наблюдение требует вмешательства в ход процесса…". "Невозможно проследить путь индивидуального светового кванта, не нарушая существенно самого исследуемого явления", – развивает он те же мысли в 1932 г., по-прежнему считая тождественными явления и наблюдаемые объекты и помещая их не только вне средств наблюдения, но, как можно было понимать, даже вне самого акта наблюдения.

Доказательство  неполноты квантовомеханического  описания реальности, данное Эйнштейном, Подольским и Розеном, существенно  основывалось на классическом предположении о фундаментальном гносеологическом противопоставлении наблюдаемых объектов (явлений) и актов их наблюдения. Физически реальными считались при этом исключительно характеристики объектов, рассматриваемые безотносительно к возмущениям, обусловленным наблюдениями. Это проявлялось уже в формулировке авторами статьи критерия физической реальности: "Если мы можем без какого бы то ни было возмущения системы предсказать с достоверностью... значение некоторой физической величины, то существует элемент физической реальности, соответствующий этой физической величине". Позднее Эйнштейн выразит это предельно четко: "Существует нечто вроде "реального состояния" физической системы, существующего объективно, независимо от какого бы то ни было измерения и наблюдения".

Исходя из такого исключительно объектного понимания физической реальности, авторы статьи и приходили к неумолимому выводу о неполноте ее квантовомеханической картины. Рассмотрев взаимодействие двух квантовых систем, они показали, что спустя значительное время после этого взаимодействия "в результате двух различных измерений, произведенных над первой системой, вторая система может оказаться в двух разных состояниях... С другой стороны, так как во время измерения эти системы уже не взаимодействуют, то в результате каких бы то ни было операций над первой системой во второй системе уже не может получиться никаких реальных изменений". Эти два состояния характеризуются, соответственно, координатой и импульсом, которые не могут быть одновременно приписаны физическим объектам, согласно основным принципам квантовой механики. Но вывод об их одновременной реальности был получен также на основании этих принципов. Очевидное противоречие А.Эйнштейн разрешил, указав на неполноту квантовомеханической картины реальности, которая не может отобразить одновременную реальность дополнительных физических величин.