Естествознание, философия и науки о человеческом поведении в Советском Союзе - Лорен Грэхэм

Из всех философских вопросов, поднятых современной физической теорией, наиболее острыми и существенными были вопросы квантовой механики. В философии естествознания учеными двух предшествующих поколений были выдвинуты несколько проблем — таких, например, как интерпретация специальной теории относительности, — которые привлекали внимание ученых на протяжении нескольких десятилетий или более, но сейчас уже утратили большую часть своей привлекательности; другие вопросы — такие, как обсуждение теории информации и искусственного интеллекта, — лишь недавно приобрели свое значение. Однако в случае с высокоматематизированным аппаратом квантовой механики спор продолжается уже более 50 лет, прошедших после первых публикаций[784]. В этом споре участвуют ученые многих стран, в том числе и из СССР.

Структура квантовой механики может быть разделена на математический формализм и его физическую интерпретацию. Математический формализм, составляющий основу квантовой механики, есть дифференциальное волновое уравнение, решение которого определяет пси (Ψ) функцию; это волновое уравнение было впервые выведено Эрвином Шредингером, который пытался применить сделанное Луи де Бройлем расширение корпускулярно-волнового дуализма не только к свету, но и к элементарным частицам материи. Достоинством этого формализма является то, что он предлагает, на вероятностной основе, числовые величины, делающие возможным более сложное математическое описание микрофизических состояний, включая предсказание будущих состояний, что было невозможным в любом другом формализме. Недостатком математического аппарата квантовой механики является то, что единственная широко принятая (а по мнению некоторых, единственно возможная) его физическая интерпретация противоречит нескольким из наиболее основных человеческих интуитивных представлений о материи. В особенности квантово-механические вычисления, в отличие от классических законов макроскопической области, не дают величин для пространственного положения и импульса микрочастиц с произвольной точностью. Согласно хорошо известному соотношению неопределенности, чем точнее известно положение микрочастицы, тем менее точно известен ее импульс, и наоборот[785].

Ввиду успеха математического аппарата квантовой механики для выведения полезных физических величин возникал естественный вопрос: каково физическое значение волновой функции? Может ли материя действительно иметь волновую природу? Как раз вопросу физической интерпретации математического аппарата квантовой механики были посвящены работы многих философов и естествоиспытателей[786].

Эволюция квантово-механических теорий — это путь, загроможденный неудовлетворительными объяснениями. Де Бройль изначально предположил, что материя волнообразна и что волны, описываемые квантовой механикой, не «представляют» систему, а сами есть система[787]. Это объяснение вызывает огромные трудности, которые мы не будем здесь рассматривать из-за их большой сложности. Природу некоторых из этих трудностей мы можем указать, заметив, что буквальное признание физической реальности волновой функции приведет к таким понятиям, как физическое пространство с почти бесконечной размерностью. И наиболее наглядным является неспособность такой интерпретации удовлетворительно объяснить, почему отдельный микрообъект при взаимодействии с чувствительной эмульсией оставляет пятно, а не отпечаток фронта волны[788]. Макс Борн первоначально выдвинул альтернативу: материя корпускулярна, а волновая функция описывает не частицы, а наши знания о них. Эта оригинальная теория, к сожалению, столкнулась с не меньшими трудностями при согласовании с физическими фактами, лучшей иллюстрацией которых может служить сейчас уже классический эксперимент по интерференции от двух щелей. Частицы пролетают через две узкие щели, а затем ударяются об экран, покрытый чувствительной эмульсией, и создают интерференционную картину, которая может быть объяснена лишь на основе волновых характеристик микротел.

Копенгагенская интерпретация, разработанная Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом, устранила противоречия предыдущих интерпретаций утверждением того, что никакое наблюдаемое не имеет величины до тех пор, пока не произведено измерение этого наблюдаемого. Как заявил Гейзенберг, «„траектория“ возникает только вследствие того, что мы ее наблюдаем»[789]. Таким образом, бессмысленно говорить о характеристиках материи в любой особый момент, не обладая эмпирическими данными, относящимися к этому моменту. Бессмысленно говорить о положении частицы («положение» является свойством корпускулярной теории) без измерения положения; также необоснованно было бы говорить об импульсе (волновое свойство) без его измерения. Такое примирение классически несовместимых характеристик путем утверждения их существования лишь в момент измерения обычно называется «дополнительностью» и является центром наиболее критических обсуждений квантовой механики.

Физики и философы естествознания не приходят к согласию ни по одному из определений дополнительности, хотя удовлетворительным является вышеизложенное определение, то есть противоречащие характеристики микрообъекта могут быть совместимыми при условии: существование отдельных характеристик утверждается лишь в отдельные моменты измерения. Другой формулировкой, обходившей вопрос «существования» характеристик, но тем не менее широко используемой, является утверждение о том, что квантовое описание явлений распадается на два взаимоисключающих класса, которые следует сочетать для того, чтобы иметь полное описание с помощью классических понятий. Именно эта последняя точка зрения была поддержана Оппенгеймером, когда он утверждал, что понятие дополнительности «признает: каждый из различных путей обсуждения физического опыта может иметь свою обоснованность и каждый может быть необходимым для адекватного описания физического мира и, несмотря на это, может находиться во взаимоисключающих отношениях с другим; таким образом, в ситуации, где подходит один, может не быть соответствующей возможности для приложения другого»[790]. Необходимо также добавить, что даже такие первоначальные лидеры квантовой механики, как Бор и Вольфганг Паули, не смогли достичь согласия в определениях дополнительности[791]. Основной проблемой в истории естествознания постоянно была вербальная интерпретация математических отношений.

До второй мировой войны взгляды советских физиков на квантовую механику были достаточно сходными со взглядами ведущих ученых во всем мире. Русская физика во многом была частью центрально- и западно-европейской физики. Работы таких ученых, как Бор и Гейзенберг, влияли на естествоиспытателей в Советском Союзе, так же как и на всех других ученых. В самом деле, советские физики говорили о «Русском филиале» копенгагенской школы, состоящей из группы талантливых физиков-теоретиков, включающей М.П. Бронштейна, Л.Д. Ландау, И.Е. Тамма и В.А. Фока. Однако, несмотря на внешнее согласие по квантовой механике с учеными других стран (или, более точно, расхождения, сходные с расхождениями ученых других стран), еще в 20-е годы отдельные советские физики осознавали, что диалектический материализм может со временем получить такую интерпретацию, которая сможет воздействовать и на их исследования[792]. Кроме того, Ленин посвятил целую книгу «Материализм и эмпириокритицизм» кризису в интерпретациях физики и особенно критиковал неопозитивизм Эрнста Маха, из которого происходит большая часть философии современной физики. Ленинское заявление о том, что диалектический материалист должен признавать существование материи отдельно и независимо от сознания, хотя и не прямо противоречило квантовой механике, однако могло рассматриваться, по крайней мере, как не сочетающееся с нежеланием копенгагенской школы рассматривать материю в отсутствие чувственных измерений. А распространение понятия дополнительности за пределы физики на другие области, включая этические и культурные проблемы, которое делалось некоторыми представителями копенгагенской школы, почти гарантировало конфликт с представителями марксизма[793]. Еще в 1929 г. ведущий советский философ того времени А.М. Деборин[794] читал в Академии наук лекцию «Ленин и кризис современной физики». Но первая серьезная критика традиционной интерпретации квантовой механики появилась в физическом журнале, а не в философском в 1936 г в статье К.В. Никольского[795]. Имел место спор между Никольским и В.А. Фоком, ведущим интерпретатором квантовой механики в Советском Союзе на протяжении более сорока лет, который изначально был приверженцем копенгагенской школы. В этом споре Никольский назвал копенгагенскую интерпретацию «идеалистической» и «махистской»[796], двумя ярлыками, которые получили после второй мировой войны широкое хождение среди советских марксистских критиков. Взгляд самого Никольского на квантовую механику заслуживает изучения и еще по одной причине: он был чисто статистическим подходом и мало отличался от послевоенной «ансамблевой» интерпретации Д.И. Блохинцева, которая будет обсуждаться более подробно далее.