Станом на сьогодні у нас: 141825 рефератів та курсових робіт
Правила Тор 100 Придбати абонемент Технічна підтримка
Скористайтеся пошуком, наприклад Реферат        Грубий пошук Точний пошук
Вхід в абонемент



Причинність класична і причинність квантова

Причинність класична і причинність квантова

План

1. Причинність класична і причинність квантова

2. Принцип додатковості

Імовірнісна інтерпретація квантової механіки дуже многим довелася не по душі і викликала численні спроби повернення до колишньої, класичної схеми опису. Це прагнення будь-що-будь використовувати старі знання в нових умовах по-людськії зрозуміло, але нічим не виправдано. Воно нагадує бажання відставного солдата осмислити все різноманіття життя з позицій статуту стройової служби. Безумовно, його обурить безладдя в дискоклубі, і досить важко пояснити йому, що там діють трохи інші закони, чим на армійському плацу.

Ще не так давно несумлінні інтерпретатори квантової механіки з підозрілою запопадливістю намагалися скасувати її тільки на тій підставі, що вона не узгоджувалася з придуманими ними схемами. Вони обурювалися "свободою волі", що нібито було даровано електрону, шельмували співвідношення невизначеностей і всерйоз доводили, що квантова механіка — непотрібна наука, раз вона розглядає не реальні події, а їх імовірності. Але навіть ті, хто шанобливо поставився до теорії атома, не завжди чітко усвідомлювали, як розуміти причинність атомних явищ, якщо кожне з них є випадковим, і наскільки достовірними є її передбачення, якщо всі вони засновані на понятті ймовірності.

Життєве поняття причинності — "усяке явище має свою причину" — не потребує пояснень, однак для науки воно даремне. Причинність у науці вимагає закону, за допомогою якого можна простежити послідовність подій у часі. Якщо вдатися до мови формул, то цей закон набуває вигляду диференціального рівняння, яке дістало назву рівняння руху. У класичній механіці такі рівняння - рівняння руху Ньютона — дозволяють визначити наперед траєкторію руху частинки, якщо точно задати її початкову швидкість і координату. Саме така, швидко окреслена схема пояснення й передбачення явищ природи завжди була ідеалом причинного опису в класичній фізиці. Вона не залишає місця для сумнівів і невірних суджень, і щоб підкреслити цю її якість, причинність у класичній фізиці назвали детермінізмом.

У квантовій фізиці така причинність відсутня. Але там є своя, квантово-механічна причинність і свій закон — рівняння Шредінгера. Закон цей ще могутніший порівняно з рівнянням Ньютона, оскільки вловлює і виділяє закономірності навіть у хаосі випадкових квантових подій — подібно до калейдоскопу, що у випадковому сполученні скелець дозволяє побачити фігури, які мають зміст і красу.

Випадковість одиничних квантових подій — не результат дії невідомих причин, а первинний елементарний закон, якому вони підпорядковуються, це — відправна точка теорії, а не факт, що потребує пояснення. Імовірність — властивість і категорія, властива самій квантовій реальності, а не зручний математичний прийом, який використовують для описування результатів експерименту.

Незважаючи на логічну красу таких побудов, звикнути до них і визнати їх природними все-таки досить важко. Як завжди в квантовій фізиці, ці логічні труднощі пояснюються особливостями нашої мови й нашого виховання. Поняття "закономірність" і "випадковість", "вірогідність" та "імовірність" виникли задовго до квантової механіки, і зміст, що у них звичайно вкладають, не залежить від бажання квантових фізиків.

Проблема ймовірності — це проблема спостереження: що відбудеться, якщо ми зробимо щось. У класичній фізиці два однакові експерименти за однакових початкових умовах завжди повинні привести до одного і того ж кінцевого результату. У цьому суть класичної причинності, чи детермінізму. Своєрідність квантово-механічної причинності полягає в тому, що навіть за незмінних умов вона може передбачити лише ймовірність результату окремого експерименту, однак цілком вірогідно передбачає розподіл результатів, коли кількість тих же самих експериментів велика. З квантової точки зору, традиційним є таке формулювання закону причинності: "знаючи точне сьогодення, можна з упевненістю передбачити майбутнє"є Однак воно містить невірну передумову: через співвідношення невизначеностей ми в принципі не можемо знати сьогодення у всіх деталях. Висновок, однак, залишається вірним, якщо розуміти його тепер по-новому.

Можна без кінця жонглювати парадоксами на зразок "закономірна випадковість", "достовірна ймовірність", однак це нічого не додасть до наших знань про атом. Просто потрібно хоча б колись зрозуміти, що ймовірнісний опис атома не є результатом усереднення поки ще невідомих субатомних явищ, а є принциповою межею можливостей сьогоднішньої науки. Доки залишаються чинними співвідношення невизначеностей Гейзенберга, ми не можемо безмежно уточнювати наші знання про індивідуальні квантові об'єкти. По суті, нам це не потрібно: усі тіла в природі складаються з величезної кількості атомів, а властивості таких систем квантова механіка передбачає цілком правильно, тобто без жодної довільності.

Відповіді квантової механіки на питання, що ми задаємо природі, залежать від того, який бік атомного явища ми хочемо вивчити більш прискіпливо.

Вивчаючи природу, ми завжди свідомо чи несвідомо поділяємо її на дві частини — на об'єкт і спостерігача. Такий поділ не є однозначним; він залежить від того, яке явище ми вивчаємо і що ми хочемо про нього довідатися. Якщо під явищем ми розуміємо рух окремої частинки, то ця подія дискретна, випадкова і здебільшого не підлягає спостереженню. Але якщо явищем ми називаємо результат спостереження за рухом численних однакових квантових об'єктів, то ця подія безупинна, закономірна й описується хвильовою функцією.

Квантова механіка вивчає тільки такі явища та об'єкти. Для них вона дає достовірні та єдино правильні передбачення, що досі жодного разу не були спростовані досвідом.

Принцип додатковості

Принцип додатковості, сформульований Н. Бором у 1927 році, є однією з найглибших філософських та природничонаукових ідей нашого часу. З цією ідеєю можна порівняти лише такі ідеї, як принцип відносності або уявлення про фізичне поле.

Поштовхом до створення Бором його принципу додатковості виявилися результати Гейзенберга — його знамените "співвідношення невизначеностей". Бор звернув увагу на той факт, що координату та імпульс частинки не можна виміряти не тільки одночасно, але й за допомогою одного приладу. Ці вимірювання мають виконуватися з використанням приладів, що істотно розрізняються; несумісність цих приладів природно зумовлюється суперечливістю властивостей, що досліджуються з їх допомогою. Ці властивості дійсно несумісні, але однаково необхідні для повного опису об'єкта. Додатковість — так визначив Бор ці властивості.

Справді, потік світла ми досліджуємо із двох позицій. По-перше, за допомогою різних спеціальних методів досліджуються спектральні характеристики світла — які довжини хвиль є у випромінюванні, а, по-друге, — його енергетичні характеристики, оскільки визначається розподіл енергії в спектрі. У першому випадку вивчаються хвильові властивості світла, а в другому — корпускулярні, тому що енергію переносять фотони. Ці характеристики вивчаються за допомогою принципово різних приладів; вони є взаємодоповнюючими, так як хвильові та корпускулярні показники однаковою мірою необхідні для повного опису такого явища, як світло.

У перекладі на мову абстрактних понять наведене міркування можна узагальнити у такий спосіб. Квантовий об'єкт — це "річ у собі", поки ми не визначили способу його спостереження. Різні властивості вимагають використання різних способів, іноді несумісних між собою. Фактично виникає "експериментальна ситуація", дійовими особами якої виступають взаємозалежні "об'єкт" і "спостереження"; одне без одного вони не мають сенсу. Результат реалізації експериментальної ситуації (явище) відбиває вплив приладу на досліджуваний об'єкт. Вибираючи різні прилади, ми змінюємо експериментальну ситуацію і вивчаємо різні явища. І хоча додаткові явища не можна вивчити одночасно, в одному досліді, вони однаково необхідні для повного опису об'єкта дослідження.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм викликає в недосвідченої людини цілком природний опір — поняття "частинка" і "хвиля" нам важко об'єднати у свідомості. Цю причину несумісності в нашій свідомості додаткових понять, однак, можна пояснити. Щоб пояснити результати дослідження мікросвіту, ми змушені вдаватися до наочних образів, які виникли ще в донаукові часи, і ці образи є не зовсім придатними для наших цілей. Серед основних положень формальної логіки — "правило виключеного третього": із двох протилежних висловлювань одне є істинним, інше — хибним, а третього бути не може. У класичній фізиці не було випадку, який би викликав сумнів у цьому правилі, оскільки поняття "частинка" і "хвиля" дійсно протилежні й несумісні. Але виявилося, що у квантовій фізиці вони однаково добре застосовні для опису властивостей тих самих об'єктів, і використовувати їх треба одночасно. Бор пояснив, що не можна беззастережно застосовувати класичні поняття для опису квантових явищ. У квантовій фізиці змінюються не тільки поняття, але і постановка питань про сутність фізичних явищ. Паулі навіть пропонував назвати квантову механіку "теорією додатковості" за аналогією з теорією відносності Ейнштейна.

На ідеально поставлене питання можна відповісти коротко: "так" чи "ні". Бор довів, що питання "хвиля чи частинка" стосовно до атомного об'єкта поставлено неправильно, таких роздільних властивостей атом не має, і тому на це питання не можна дати однозначну відповідь "так" чи "ні". Квантовий об'єкт — це не частинка і не хвиля, і ні те, ні інше одночасно. Квантовий об'єкт — це щось третє, таке, що не дорівнює сумі властивостей хвилі й частинки, аналогічно, як русалка — це не сума жінки й риби. У нас немає органів відчуттів і образів, щоб уявити собі властивості цієї атомної реальності. Дві додаткові властивості квантового об'єкта не можна розділити, не зруйнувавши при цьому повноту і єдність природи.

Гейзенберг відкинув ідеалізацію класичної фізики — поняття "стан фізичної системи, незалежний від спостереження". Цим він передбачив один з наслідків принципу додатковості, оскільки "стан" і "спостереження" — додаткові поняття. Узяті порізно — вони неповні, і тому можуть бути визначені тільки спільно, одне через інше. Більш строго, вони взагалі не існують порізно: ми завжди спостерігаємо не взагалі щось, а неодмінно якийсь стан. Г навпаки: усякий стан — це річ у собі доти, поки ми не знайдемо спосіб його спостереження.

Поняття "хвиля" й "частинка", "стан" і "спостереження" — це ідеалізації, необхідні для розуміння квантового світу. Класичні картини е додатковими в тому розумінні, що для повного опису сутності квантових явищ необхідне їх гармонійне сполучення. Однак у межах звичної логіки вони можуть існувати незалежно, якщо області їх застосовності взаємно обмежені.

Ці й інші подібні приклади, як показав Бор, є окремими проявами загального правила* будь-яке істинно глибоке явище природи не можна визначити однозначно за допомогою слів нашої мови; воно вимагає для свого визначення принаймні двох взаємовиключних додаткових понять. Це означає, що за умови збереження нашої мови й звичної логіки мислення у формі додатковості встановлює межі для точного формулювання понять, які відповідають істинно глибоким явищам природи. Такі визначення або однозначні, але неповні, або повні, але тоді неоднозначні, оскільки містять у собі додаткові поняття, несумісні в межах звичайної логіки. Серед таких понять — поняття "життя", "квантовий об'єкт", "фізична система" і навіть саме поняття "Пізнання природи".

Бор провадив величезну й напружену роботу, досліджуючи застосування поняття додатковості й в інших, крім фізики, галузях знання. Цю задачу він вважав не менш істотною, ніж чисто фізичні дослідження.

Чи зводяться біологічні закономірності до фізико-хімічних процесів? На перший погляд, усі біологічні процеси визначаються рухом частинок, з яких складається жива матерія. Граничне вираження такої точки зору — визначення фізіології як "фізичної хімії азотовмісних колоїдів". Але такий погляд відображає тільки одну сторону справи. Інша сторона, більш важлива — закономірності живої матерії, що хоч і визначаються законами фізики і хімії, але не зводяться до них. Для біологічних процесів характерна фіналістична закономірність, яка відповідає на питання "навіщо?". Фізику ж цікавлять тільки питання "чому?" і "як?". Віталісти вважають істотною тільки біологічну закономірність, заперечуючи фізико-хімічний аспект біологічних процесів.

Правильне розуміння біології є можливим тільки на основі додатковості фізико-хімічної причинності й біологічної цілеспрямованості. Поняття додатковості дозволяє здійснювати опис живих процесів на основі взаємодоповнюючих підходів.

У статті "Світло і життя" Бор зауважує, що "безупинний обмін речовин між організмом і навколишнім середовищем необхідний для підтримування життя, внаслідок чого чітке виділення організму як фізико-хімічної системи уявляється неможливим. Тому можна вважати, що будь-яка спроба провести різку грань, що дозволяє здійснити вичерпний фізико-хімічний аналіз, ви кличе такі зміни в обміні речовин, які є несумісними із життям організму...".

Дійсно, намагаючись вивчити деталі механізму життєдіяльності клітини, ми піддаємо її різним, часом згубним впливам - нагріванню, пропущенню електричного струму, дослідженню в електронному мікроскопі і т.д. Зрештою ми зруйнуємо клітину і тому нічого не довідаємося про неї як про цілісний живий організм. Проте відповідь на питання "Що таке життя?" вимагає і і аналізу, і синтезу одночасно. Процеси ці несумісні, але не суперечливі, а додаткові, і необхідність брати їх до уваги одночасно — лише одна з причин, із яких досі не існує відповіді на питання про сутність життя.

Бор багато міркував над застосуванням поняття додатковості в психології. Він казав: "Ми всі знаємо старе висловлення стосовно того, що, намагаючись аналізувати наші переживання, ми перестаємо їх відчувати. У цьому сенсі слова ми виявляємо, що між психологічними дослідами, для опису яких доцільно вживати слова "думки" і "почуття", існує співвідношення додатковості, подібне тому, яке існує між даними про поводження атомів".

Фізична картина явища і його математичний опис є додатковими. Створення фізичної картини вимагає нехтування деталями й не веде до математичної точності. І навпаки, спроба точного математичного опису явища утруднює його розуміння.

Наука — це тільки один зі способів вивчення навколишнього світу; інший, додатковий спосіб, втілений у мистецтві. Спільне існування мистецтва й науки — одна з ілюстрацій принципу додатковості. Стрижень науки — логіка й досвід; основа мистецтва — інтуїція і прозріння. Вони не суперечать, а доповнюють одне одного: справжня наука подібна до мистецтва — точно так само, як справжнє мистецтво завжди містить у собі елементи науки. У


Сторінки: 1 2