Валентин Иванов - Размышления о природе вещей и идей

В 1918 году в статье «О квантовой теории линейчатых спектров» Бор сформулировал количественно так называемый принцип соответствия, связывающий квантовую теорию с классической физикой: …«принцип соответствия», согласно которому наличие переходов между стационарными состояниями, сопровождающихся излучением, связано с гармоническими компонентами колебания в движении атома, определяющими в классической теории свойства излучения, испускаемого вследствие движения частицы. Таким образом, по этому принципу, предполагается, что всякий процесс перехода между двумя стационарными состояниями связан с соответствующей гармонической компонентой так, что вероятность наличия перехода зависит от амплитуды колебания, поляризация же излучения обусловлена более детальными свойствами колебания так же, как интенсивность и поляризация излучения в системе волн, испускаемых атомом по классической теории вследствие наличия указанных компонент колебания, определяется амплитудой и другими свойствами последних.

Отец матричной модели Вернер Гейзенберг (1901—1976)

Однако, было очевидно, что теория Бора в своей основе содержала внутреннее противоречие, поскольку она механически объединяла классические понятия и законы с квантовыми условиями. Кроме того, она была неполной, недостаточно универсальной, так как не могла быть использована для количественного объяснения всего многообразия явлений атомного мира. Например, Бору совместно с его ассистентом Хендриком Крамерсом так и не удалось решить задачу о движении электронов в атоме гелия (простейшей двухэлектронной системе), которой они занимались с 1916 года. Бор отчётливо понимал ограниченность существующих подходов (так называемой «старой квантовой теории») и необходимость построения теории, основанной на совершенно новых принципах.

Новой теорией стала квантовая механика, которая была создана в 1925 1927 годах в работах Вернера Гейзенберга, Эрвина Шрёдингера, Макса Борна, Поля Дирака, Арнольда Зоммерфельда, Вольфганга Паули и других. Вместе с тем, основные идеи квантовой механики, несмотря на её формальные успехи, в первые годы оставались во многом неясными. Для полного понимания физических основ квантовой механики необходимо было связать её с опытом, выявить смысл используемых в ней понятий (ибо использование классической терминологии уже не было правомерным), то есть дать интерпретацию её формализма.

Отец волновой механики Эрвин Шредингер (1887 – 1961)

Над этими вопросами физической интерпретации квантовой механики размышлял в это время Бор. Итогом стала концепция дополнительности, которая была представлена на конгрессе памяти Алессандро Вольты в Комо в сентябре 1927 года. Исходным пунктом в эволюции взглядов Бора стало принятие им в 1925 году дуализма волна – частица. Именно корпускулярно-волновой дуализм был положен Бором в основу интерпретации теории. Идея дополнительности, развитая в начале 1927 года, отражает логическое соотношение между двумя способами описания или наборами представлений, которые, хотя и исключают друг друга, оба необходимы для исчерпывающего описания положения дел. Сущность принципа неопределённости состоит в том, что не может возникнуть такой физической ситуации, в которой оба дополнительные аспекта явления проявились бы одновременно и одинаково отчётливо. Иными словами, в микромире нет состояний, в которых объект имел бы одновременно точные динамические характеристики, принадлежащие двум определённым классам, взаимно исключающим друг друга, что находит выражение в соотношении неопределённостей Гейзенберга. Данные измерений объектов микромира, полученные при помощи различных экспериментальных установок, в условиях, когда взаимодействие между измерительным прибором и объектом составляет неотъемлемую часть процесса измерений, находятся в своеобразном дополнительном отношении друг к другу.

Принцип дополнительности лёг в основу так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики и анализа процесса измерения характеристик микрообъектов. Согласно этой интерпретации, заимствованные из классической физики динамические характеристики микрочастицы (её координата, импульс, энергия, время и др.) вовсе не присущи частице самой по себе. Смысл и определённое значение той или иной характеристики электрона, например, его импульса, раскрываются во взаимосвязи с классическими объектами, для которых эти величины имеют определённый смысл и все одновременно могут иметь определённое значение (такой классический объект условно называется измерительным прибором). Роль принципа дополнительности оказалась столь существенной, что Паули даже предлагал назвать квантовую механику «теорией дополнительности» по аналогии с теорией относительности.

Таким образом, в первой половине ХХ века была создана принципиально новая физика. Если до начала этого века физики имели дело, главным образом, с объектами, которые можно было воспринимать непосредственно органами чувств, то теперь изучению подверглись объекты и явления природы, доступные изучению только с помощью достаточно сложной измерительной аппаратуры, поэтому на первый план в методологическом отношении выдвигается понятие интерпретации данных, полученных с помощью аппаратуры: ни микроскопические объекты, ни объекты, движущиеся с околосветовыми скоростями невозможно воспринимать непосредственно, поэтому между изучаемым объектом природы и исследователем возникает цепочка посредников в виде измерительной аппаратуры, сложного математического аппарата, описывающего свойства объектов и явлений и философских (метафизических) постулатов, которые позволяют установить объективные связи исследуемых свойств с экспериментальными данными. Появляется новая логика в законах интерпретации данных. Принципиально новыми, революционными изменениями пронизаны фундаментальные категории, которые столетиями казались незыблемыми: пространство, время, причинность, детерминированность законов природы и даже само понятие измерения. В классической физике постулировалось, что любое измерение, в принципе, можно провести с произвольной наперёд заданной точностью, и это измерение может быть невозмущающим, то есть не влияющим на поведение исследуемого объекта. Казалось совершенно очевидным, что зрительное наблюдение за полётом камня никоим образом не может повлиять на траекторию его полёта. Оказалось, что логика исследования полёта камня совершенно неприменима при исследовании поведения атомов и элементарных частиц, поскольку в последнем случае «измерительный прибор» настолько больше измеряемого объекта, что измерение принципиально не может быть невозмущающим.