Естествознание, философия и науки о человеческом поведении в Советском Союзе
Шрифт:
Мери Хессе так описывала интеллектуальную проблему, заключавшуюся в использовании моделей: «Главное философское обсуждение моделей касалось вопроса о том, есть ли какая-либо значительная и объективная связь между объясняющей теорией и ее моделью, связь, которая идет дальше, чем допустимый и, возможно, субъективный метод открытия. Это обсуждение является аспектом старого спора между позитивистской и реалистической интерпретациями научной теории. Многие эпизоды истории естествознания могут рассматриваться как главы этого обсуждения, включая применение бритвы Оккама к научным теориям, ньютонианско-картезианский спор о механическом характере гравитации, дебаты XIX века о механическом эфире и существовании атомов, а также махистский позитивизм» [782] .
782
Hesse M.Models and Analogy in Science // The Encyclopedia of Philosophy. N. Y., 1967. Vol. 5. P. 356–357.
Среди ученых, описывающих модели только как несущественные вспомогательные средства для построения теорий, были Эрнст Мах, Генрих Герц и Пьер Дюгем. Среди тех, кто спорил о том, что без какой-либо материальной аналогии не существует достаточного основания для предположений, были Н.Р. Кэмпбелл, Э.Г. Хаттен и сама Хессе.
В случае с теорией резонанса реалисты и материалисты не должны смущаться тем, что они не в состоянии построить модель, адекватно объясняющую все реакции определенных химических соединений. Действительно, научная теория, лежавшая в основе классических моделей (теория валентности с точно локализованными химическими связями), давно отвергнута химиками. Современные теории валентности (в которых электроны рассматриваются как микрообъекты в терминах квантовой теории, обладающие, следовательно, как волновыми, так и корпускулярными характеристиками)
783
Hesse M.Models in Physics // The Britich Journal for the Philosophy of Science. 1953. Nov. P. 214.
Глава X. Квантовая механика
Начав, как и многие физики, с формального применения аппарата квантовой механики, я затем… стал много думать о принципиальных вопросах и в конце концов пришел к выводу, что формулировки Бора можно полностью освободить от свойственного им на первый взгляд позитивистского налета.
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.
784
Двумя ценными сборниками статей, демонстрирующими многообразие выраженных взглядов, являются: Observation and Interpretation in the Philosophy of Physics. N. Y., 1957; Beyond the Edge of Certainty. N. Y., 1965.
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 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] .
785
Математически это выражается как x · p x >= h/2, где x и p x— пределы точности, в которых величины координаты и импульса соответственно выражаются одновременно, а h — это постоянная Планка, деленная на 2.
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 естьсистема [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.
786
Следует отметить, что со времени возникновения классической науки и до сегодняшних дней имели место многие дебаты относительно физического значения математических формализмов. Так, автор предисловия к De Revolutionibus Коперника, лютеранский теолог Андреас Осиандер, попытался (в противоположность стремлениям самого Коперника) убедить читателей, что гелиоцентрическую систему необходимо рассматривать как полезную математическую фикцию, не представляющую физической истины. Можно также процитировать Ньютона, который отказывается признать, что его гравитационная теория доказывала наличие у материи врожденной силы притяжения, хотя математический аппарат теории как будто свидетельствует о наличии подобной силы, но он не может установить, что такое притяжение фактически существует. Описанные случаи с Коперником и Ньютоном хорошо известны; легко сослаться на: Kuhn T.S.The Copernican Revolution: Planetary astronomy in the Development of Western Thought. Cambridge, 1957. P. 187; Koyre A.From the Closed World to the Infinite Universe. Baltimore, 1957. P. 178–179.
787
Putnam H.A Philosopher Looks at Quantum Mechsnics // Beyond the Edge of Certainty. P. 78. Положение о том, что де Бройль первым предложил волновую теорию, имеет значение лишь в рамках современного математического аппарата; волновые интерпретации света прослеживаются вплоть до Френеля и Юнга в начале XIX в. и далее. Сходное с этим утверждение о том, что Борн первым предложил корпускулярную теорию, следует рассматривать с учетом теории света Ньютона (или ранних атомистов). См.: Ronchi V.Histoire de la lumiere. P., 1956.
788
Де Бройль объяснял такое пятно посредством «редукции волнового пакета».
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
789
Цит. по: Джеммер М.Эволюция понятий квантовой механики. М., 1985. С. 319.
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.
790
Oppenheimer J.R.The Open Mind. N. Y., 1955. P. 82.
791
Первым точное определение дополнительности дал не Бор, а Паули, и, как выяснилось, Бор соглашался не со всеми пунктами этого определения. Эти различия и в дальнейшем продолжали волновать интерпретаторов квантовой механики (см.: Джеммер М.Цит. произв. С. 343–344), и особенно различие между тем, что Вайцзеккер назвал «параллельной дополнительностью» и «циркулярной дополнительностью».
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.
792
Краткое содержание ранних предупреждений находим у Д. Жоравского ( Joravsky D.Soviet Marxism and Natural Science, 1917–1932. N. Y., 1961, особенно Р. 285–286).
793
Бор указывал, что понятие дополнительности может применяться в таких областях, как физиология психология, биология и социология. См. об этом в его книге «Atom theorie and Naturbreschreibung» и статье «Gausality and Complimentary», опубликованной в журнале «Dialectica». Этот номер «Dialectica» был полностью посвящен понятию дополнительности и содержал статью, в которой автор выдвигал тезис о потенциальной применимости дополнительности ко всем областям систематического изучения: Gonseth F.Remarque sur l'idee de complementarite // Dialectica. 1948. Vol. 2 N 3–4. P. 413–420.
794
См.: Деборин А.М.Ленин и кризис современной физики. Л., 1930.
795
См.: Никольский К.В.Принципы квантовой механики // Успехи физических наук. 1936. Т. 16. № 5 С 537–565. Позднее Никольский опубликовал книгу «Квантовые процессы» (М.; Л., 1940), в которой выдвигал те же взгляды. Статья Никольского 1936 г. подтвердила его согласие с позицией Эйнштейна, Подольского и Розена в их споре с Бором. См.: Эйнштейн А., Подольский Б., Розен Н.Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным? // Эйнштейн А. Собр. науч. трудов. М., 1966. Т. 3. С. 604–611 а также статью Н. Бора под тем же названием в кн.: Бор Н.Избр. науч. труды. М., 1971. Т. 2. С. 180–191.
796
Никольский К.В.Ответ В.А. Фоку // Успехи физических наук, 1937. 1. 17. № 4. С. 555. В своей критике Никольского Фок утверждал, что квантовая механика описывает как действия отдельного микрообъекта, так и статистических групп: «К статье Никольского „Принципы квантовой механики“» // Успехи физических наук. 1937. Т. 17. № 4. С. 553–554.
С упоминанием «чисто статистического» подхода Никольского было бы уместным сделать здесь несколько замечаний по поводу понятия вероятности, которое является решающим для любой интерпретации квантовой механики. Вероятность в квантовой механике интерпретировалась различными учеными как в эпистемологическом, так и в статистическом смыслах. Статистический, или частотный, подход, использованный Никольским, был попыткой объективной интерпретации, в которой вероятность рассматривалась как присущая природе черта. С другой стороны, некоторые ученые рассматривали вероятность в квантовой механике, особенно через призму изначально данного Борном определения, как следствие имеющихся эпистемологических допущений. Эти ученые обсуждали даже такие необычные построения, как «волны знания». Различение этих двух подходов, которое часто терялось в дискуссиях по квантовой механике, является абсолютно необходимым для принятия решения: будет ли несводимо вероятностная теория также и обязательно идеалистической.
Интерпретация физического значения волновой функции, данная Фоком в 1936 г., практически совпадала с интерпретацией копенгагенской школы, совмещавшей особое внимание Бора к математическому описанию человеческого знания о микромире с его собственным выделением роли измерения; во введении к русскому переводу спора 1935 г., в котором против Бора выступали Эйнштейн, Подольский и Розен, Фок писал: «В квантовой механике понятие о состоянии сливается с понятием „сведения о состоянии, получаемые в результате определенного максимально точного опыта“. В ней волновая функция описывает не состояние в обыкновенном смысле, а, скорее, эти „сведения о состоянии“» [797] .
797
Фок В.А.Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным? // Успехи физических наук. 1936. Т. 16. № 4. С. 437. В своем введении Фок явно указывает на то, что он считает Бора победителем в споре.