CC BY
104
Социология и философия образования Раджабов О. Р.
Философско-методологические основы квантовой картины мира
Любая физическая картина мира — это не натурфилософское построение, а некоторая концептуальная схема самих объектов реальности, которая создается лишь в рамках определенного типа познавательных и экспериментально-измерительных процедур и претендует на онтологическую достоверность. Физическая картина мира выступает концептуальным основанием развития физических теорий, идей и принципов, находясь внутри самой физики и ее методологических основ.
Конец XIX в. в истории физики отмечен рядом принципиальных открытий, которые вызвали переворот в научных взглядах физиков. Важнейшими из них были открытие электрона и установление зависимости массы от скорости, а затем открытие радиоактивности. Важнейшими также были открытие фотоэффекта, его законов и открытие рентгеновских лучей. Последние открытия, кроме собственного значения для развития физики, были важны тем, что способствовали открытию электрона и явления радиоактивности. В 1896 г. французский ученый Антуан Анри Беккерель, пытаясь обнаружить рентгеновские лучи, испускаемые различными веществами, открыл естественную радиоактивность солей урана. Французский физик Мария Склодовская-Кюри, занявшись исследованием нового явления, пришла к выводу, что в урановых рудах присутствуют вещества, обладающие также свойством излучения, названного ею радиоактивностью. Открытие и изучение радиоактивности сыграло важную роль в исследованиях электрона. Оказалось, что один из компонентов радиоактивного излучения
- Ь -лучи - это поток тех же самых заряженных частиц, что и катодные лучи и фоточастицы.
Пример революции в физике на рубеже XIX и XX вв. свидетельствует о том, что главное ее содержание составляет принципиальное изменение базисных парадигм — фундаментальных представлений физической картины мира.
Поэтому ситуацию, сложившуюся в физической науке на рубеже XIX-XX вв., французский математик, физик и философ Анри Пуанкаре назвал кризисом физики. К таким выводам пришли и другие ученые, пытавшиеся осмыслить состояние физики. Они считали, что саморазвитие науки показывает несостоятельность физики в объективном представлении о природе. Первый шаг по пути преодоления метафизических представлений был сделан в 1900 г. Макс Планк, исследуя проблему излучения так называемого абсолютно черного тела, «впервые высказал предположение, что энергия электромагнитных волн принимает не любые непрерывные значения, а излучается и поглощается лишь в виде определенных дискретных порций (квантов) энергий: Е = Иу , где Е - энергия кванта, И - новая универсальная постоянная (постоянная Планка)» [5].
Выражая возникшие настроения, М. Планк спрашивал «...какие взаимоотношения должны существовать между силами природы, если оказывается невозможным обнаружить какие-либо материальные свойства светового эфира? Что если световые
волны распространяются в пространстве, совершенно не связанные с каким-либо материальным носителем?» [4].
Философская ошибка ряда физиков состояла в том, что образы предшествующей физической картины мира — образы материальных точек — они принимали за образы материи вообще. Между тем философское понятие материи как объективной реальности необходимо отличать от исторически конкретных представлений физики о структуре материи, от физической картины мира.
Дальнейшее развитие физики, особенно разделов теории относительности, квантовой физики, атомной, ядерной физики и теории элементарных частиц подтвердили справедливость такого подхода и правоту диалектического миропонимания. В этом развитии проявился переход от электромагнитной картины мира к новой научной физической картине мира. Первым шагом на пути построения новой квантовой физики и вместе с ней новой физической картины мира явилась гипотеза М. Планка, сформулированная в 1900 г.: атомы излучают свет дискретными порциями, квантами. Он установил закон распределения энергии в спектре абсолютно черного тела (равновесного излучения). «Одной из характерных черт научного творчества Планка был его постоянный интерес к такому аспекту методологии физики, как эволюция физической картины мира. По мнению Планка, высшей своей целью научное познание считает обобщение пестрого многообразия физических явлений в единую стройную систему - картину мира. «Осуществлению системы единства в физике» (Планк) способствовали и принцип сохранения энергии, и принцип наименьшего действия, и принцип возрастания энтропии, и их объединения» [2].
Формулу, предложенную Планком, сравнили с экспериментальными данными, которые прекрасно ее подтвердили. В 1905 г. А. Эйнштейн высказал предположение, что свет не только излучается, но и распространяется, а также поглощается веществом дискретными порциями, квантами. (Позже для квантов электромагнитного поля было введено понятие «фотон»).
Гипотезу Планка вскоре начали применять для объяснения других явлений, которые нельзя было объяснить на основе представлений классической физики. В частности, в 1907 г. Эйнштейн предложил объяснить зависимость теплоемкости от температуры, используя гипотезу квантов. Существенно новым в развитии квантовой теории было введение понятия квантов света. Эта идея в более развитой форме под влиянием гипотезы Планка была разработана в 1905 г. Эйнштейном и применена им для объяснения оптических явлений и, в частности, фотоэффекта. Становилось все более ясно, что физические свойства элементарных частиц — наименьших порций материи — мало напоминают то, что можно сказать о них на основании механистической картины мироздания.
Перед физикой встала задача нахождения новых путей развития теории атомных явлений. Эти пути потребовали отказа от ряда понятий и давно установленных принципов. Молодой немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг установил законы матричной механики (1925 г.), французский физик Луи де Бройль, а за ними австрийский физик-теоретик Эрвин Шрёдингер разработали волновую механику. Матричная механика и волновая механика стали различными формами более общей теории, получившей название квантовой механики.
В 1925 г. немецкие физики Макс Борн и Паскуаль Иордан (1902-1980 гг.) придали идеям Гейзенберга строгую математическую форму. Они показали, что те величины,
которые Гейзенберг поставил в соответствие классическим величинам, являются матрицами. В дальнейшем совместно с Гейзенбергом Борн и Иордан развивают математический аппарат матричной механики, применив его для решения ряда задач. Независимо от них английский физик Поль Адриен Морис Дирак, познакомившись с теорией Гейзенберга, разработал для новой теории линейные дифференциальные операторы.
Другое направление в развитии теории атома предложил Луи де Бройль в 1920-х гг. В них была высказана идея о волновой природе материальных частиц, согласно которой материальные частицы, как и фотон, обладают корпускулярными и волновыми свойствами. Интерес к идеям де Бройля проявил Эйнштейн. В частности, он в 1925 г. использовал результаты де Бройля в статистической физике при построении статистики Бозе-Эйнштейна. Особенно сильное влияние идеи Луи де Бройля оказали на Э. Шрёдингера, который использовал их для создания новой атомной механики. В 1926 г. Эдвин Шрёдингер, развивая идеи де Бройля, построил волновую механику. Он получил волновое уравнение - основное динамическое уравнение нерелятивистской квантовой механики (уравнение Шрёдингера) и установил связь между квантовой и волновой механикой. В том же году Макс Борн предложил вероятностное толкование волновой функции (квадрат модуля волновой функции означает плотность вероятности пребывания частицы в данной точке пространства). Статистическая интерпретация волновой функции, предложенная Борном, получила вскоре широкое признание.
Итак, на смену «волнам материи» пришли «волны вероятности». Вероятностная трактовка волновой функции отражает присущие микрочастицам элементы случайного в их поведении. Физика микрочастиц является принципиально статистической теорией. Случайность в поведении микрочастиц предопределяет специфику использования в применении к нему таких классических понятий, как, например, энергия или импульс. Эта специфика проявляется в соотношениях неопределенностей, предложенных В. Гейзенбергом в 1927 г. Вернер Гейзенберг показал, что описание поведения элементарных частиц с помощью классических понятий координат, импульса и энергии лишь приблизительно соответствует их реальным свойствам. Соответствующее ограничение получило название соотношений неопределенности Гейзенберга:
Здесь х — координата частицы, р = mv — ее импульс, Е — энергия, ^ — момент времени.
Смысл этих формул состоит в том, что нельзя одновременно точно определить значения координаты и импульса частицы, а также энергии для данного момента времени. В разных экспериментальных ситуациях микрообъект ведет себя по-разному, в одних — как частица, а в других — как волна. Этот совершенно неожиданный с точки зрения классической физики результат свидетельствовал о том, что в квантовой физике объект не может быть исследован сам по себе, а исследуется целостная система, состоящая из объекта и тех макроусловий (экспериментальной ситуации), в которой объект находится. В классической физике также подразумевается, что о свойствах объекта мы узнаем благодаря показаниям приборов, используемых в данном эксперименте. Однако, здесь считается, что воздействие прибора на объект полностью контролируемо и никак не искажает информацию о характеристиках изучаемого объекта. В квантовой же физике
И
•Ах > — АЕ -М > 2 р'
И_ 2р'
развивается неклассическая стратегия мышления, трансдисциплинарнои концепцией которой становится диалектическая концепция целостности, согласно которой целое, хотя и состоит из частей, в принципе не может быть на них поделено без утраты специфики как целого, так и его частей.
Неклассическое поведение объектов в микромире требует 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. Надо принять в качестве закона, описывающего движение микрообъектов, тот факт, что знание точной координаты частицы приводит к полной неопределенности ее импульса, и, наоборот, точное знание импульса частицы — к полной неопределенности ее координаты.
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» [1].
Таким образом, в квантовой механике формулируется концепция целостности, отличная от механистической 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 отказ от классических представлений о частицах как «внеположенных», «себетождественных», «индивидуальных». Микрообъект постоянно чувствует на себе влияние целостности, элементом которой он является.
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 множества частиц, подчиняющихся вероятностным законам» [3].
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 ясного смысла ввиду своего «метафизического» характера, он носит лишь программный характер. Однако, все люди, в том числе и теоретики, занимающиеся квантовой механикой, твердо 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» [6].
Здесь речь идет уже не о целостности экспериментальной ситуации, а о целостности квантовой системы, об особом коррелятивном, взаимосвязанном поведении квантовых объектов. Объекты, составлявшие некогда единое целое, разведенные друг от друга на расстояние, исключающие взаимодействия, сохраняют на себе печать прошлого, и любые изменения одного партнера 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 предстает перед нами как единая целостная единица, несводимая к механическому разложению его на составляющие части. Этот результат, имеющий глубокое мировоззренческое значение, является едва ли не самой удивительной страницей в истории физики и имеет далеко идущие перспективы по развитию телепортационных способов передачи информации XXI в., по всей видимости, станет веком квантовой телепортации.
Классическая физика в основном имела дело с законами динамического типа, и абсолютизация этого типа законов вела к концепции лапласовского, механического детерминизма; считалось, что подлинными законами природы могут быть только динамические законы, а статистические законы возникают как результат неполноты нашего знания.
С возникновением квантовой механики ситуация радикально изменилась. Оказалось, что поведение квантово-механических объектов в принципе характеризуется действием статистических, вероятностных законов. Основное уравнение квантовой механики позволяет из знания вероятности нахождения микрообъекта в один момент предсказать вероятность его пространственной локализации в другой момент. Все попытки построить квантовую механику на законах динамического типа успеха не принесли.
Важнейший философский вывод квантовой физики заключается в принципиальной неопределенности результатов измерений квантовых величин и, следовательно, невозможности точного их предсказания. В отношении отдельных элементов такое предсказание имеет только вероятностный характер.
Литература
1. Илья Пригожин, Изабелла Стенгерс. Порядок из хаоса: Новый диалог человека природой. - М.: Прогресс, 1986. - С.286.
2. Князев В.Н. Философия физики. В кн. Философия науки: методология и история конкретных наук. - М.: Канон, 2007. - С.82.
3. Перминов В.Я. Проблема причинности в философии и естествознании. М.: Изд. МГУ, 1979. - С. 151
4. Планк М. Единство физической картины мира. Сб. статей. - М.: 1966, - С.61.
5. Философия естествознания. Вып. 1. - М.: Политиздат, 1966. - С.56.
6. Эйнштейн А. Сб. научн. трудов. - М.: Наука, 1965. - Т. IV. - С.624.
