Філософські проблеми фізики

Точка зору І. Бора (Копенгагенська інтерпретація квантової механіки) поділяє навколишній світ на два типа об'єктів: класичні і квантові. Кожен тип підпорядковується своїм законам фізики. Хоча будь-який фізичний прилад сукупність квантових макрооб'єктів, але твердженням I. Бора, квантова механіка до нього неприйнятна, оскільки він об'єкт класичної фізики.

Більш того, в сучасній фізиці є цілий клас цілком макроскопічних об'єктів (квантові кільця, нитки, канали тощо), які описуються законами квантової динаміки. Розділ фізики, що вивчає ці об'єкти, називається мезоскопією. Можна показати, що застосування рівняння Шредінгера до системи, складеної з приладу і квантової системи, зводиться до застосування проективного постулату тільки до останньої. Можна, крім того, довести, що не важливо, на якому етапі (прилад, очей, мозок експериментатора і т. п.) проводиться межа між класичною та квантової фізикою: кінцевий результат буде один і той же. Останнє частково знімає заперечення проти використання проективного постулату, але. світ при цьому все одно ділиться на класичну і квантову області.

Одна з пропозицій про інтерпретацію квантової механіки полягає в тому, щоб вважати, що назване поділ проходить по межі свідомості, і визначати його як поділ між тілом і розумом. Хвильова функція описує комбіновану систему (квантовий об'єкт, прилад і мозок експериментатора). Проективний постулат застосовується тоді, коли експериментатор відчуває конкретний стан мозку. Ця точка зору приписує спеціальні стану мозку і підкріплюється філософської ідеєю декартового дуалізму: свідомість н матерія являються окремими об'єктами, причому свідомість має особливий зв'язок з мозком.

Австрійській фізик Е. Шредінгер запропонував парадокс, який ілюструє суперечливість такої позиції. Нехай кішка закрита в ящику разом з наступним пристроєм: один атом радіоактивного речовини з періодом напіврозпаду, що дорівнює одній годині, поміщений поруч з лічильником Гейгера, які мають у момент розпаду схему, яка розбиває ампулу з отруйним газом, що вбиває кішку. Поки не вступить в дію проективний постулат і експериментатор не здійснить контакт з системою, тобто до тих пір, поки не буде відкритий ящик, не можна сказати, жива кішка чи ні. Таким чином, тільки після відкриття ящика можна буде встановити, що атом розпався.

Інтерпретація квантової механіки, про яку говорилося вище, стверджує, що стан смерті кішки відбулося саме в момент відкриття ящика, якщо факт смерті встановлено. При наявності іншого експериментатора, який перевірив ящик на годину пізніше першого, можна вважати, що або постулат вже був застосований на більш ранній стадії, а він тільки про це дізнався, або першого експериментатора треба визнати об'єктом вимірювання і тоді реальний стан кішки буде залежати від того, застосовується проективний постулат до першого чи другого експериментатору. Наведений приклад показує, що з макрооб'єктів (кішка) інтерференції подій не відбувається. Кішка реально може бути чи живою, чи мертвою. Якщо ж здійснювати досвід з електроном, що проходить через дві щілини, то інтерференція відбувається обов'язково.

Існує і більш важливий парадокс квантовий парадокс Зенона, який пов'язаний з процесом безперервного спостереження над системою. Можна показати, що квантова система, наприклад атом, здатний до розпаду, ніколи не розпадеться, якщо вести його безперервне спостереження. Таке вплив приладу на цю систему. Отже, проективний постулат викликає труднощі при його застосуванні в разі процесу безперервного спостереження. Зокрема, еволюція системи за час t₁ i після завершення її еволюції за час t₂ мс збігається з еволюцією за час (t=t₁+ t₂)_.

Висновки

1. Постулат погано визначений, оскільки немає точного визначення, що таке вимір, і не вказується момент часу, в який воно відбувається;

2. Він дуалістичний, оскільки розділяє світ на мікро- і макросистеми, тобто на квантові системи і класичні прилади;

3. Постулат антикаузальний. Це ілюструє парадокс Шредінгера. Постулат робить результати досвіду наслідком їхніх спостережень, тобто заперечується, що подія відбулася, бо воно дійсно сталося;

4. Їм не враховується випадки, коли спостереження відбувається безперервно.

Відзначимо ще одну важливу особливість хвильової функції системи, що включає кілька частин. Можна довести (А. Ейнштейн, Подольський і Розен), що є такий її стан, при якому не можна стверджувати, що якась із підсистем знаходиться у фіксованому стані, але можна проводити експерименти над однією підсистемою, спостерігаючи за другою. Отже, квантова механіка заперечує можливість опису світу шляхом повного опису окремих його частин, хоча подібне положення в метафізиці вважається невід'ємною характеристикою науки. З цієї причини квантову механіку вважають холістичною теорією (яка з того, що світ є результат творчої еволюції, що спрямовується нематеріальним «чинником цілісності»).

У квантовій механіці існує декілька (близько десятка) різних інтерпретацій, які відповідають на питання, що таке хвильова функція. За чисто фізичним моментам їх розмежувати не можна: всі вони дають одні й ті ж фізичні результати. Якби це було не так, перед нами були б різні квантові теорії. Інтерпретації зазвичай порівнюються але задовільності і правдоподібності пояснення труднощів квантової механіки, причому жодна з них не є загальноприйнятою. Багато хто з них говорять про одне і те ж, але неоднаковими словами, і відмінність між ними швидше позірна, ніж реальна.

Розглянемо деякі з найбільш популярних інтерпретацій. Перша з них належить І. Бору. Її називають мінімальною. І. Бор вважає, що взагалі не потрібно інтерпретувати хвильову функцію: вона являє собою просто математичний прийом, використовуваний для передбачення результатів досвіду. Експерименти описуються за допомогою поняття класичної фізики, бо прилади макроскопічні. Мікроскопічні об'єкти, по I. Бору, - скорочений спосіб виражати результати досвіду і розрахунків. Проективний постулат не потрібен, оскільки заперечується можливість програми квантової теорії до макроскопічних об'єктів. Послідовне розкриття цієї інтерпретації призводить до заперечення реальності мікросвіту і визнанню тільки чуттєвого досвіду. Наприклад, не допускається, що з існування треку мікрочастинки в камері Вільсона випливає існування самої мікрочастинки. В основі інтерпретації І. Бора лежить соліпсизм.

В. Гейзейберг поєднав цю теорію з операціоналістічною. Створена ним інтерпретація пропонує взагалі відмовитися від хвильової функції (теорія 8-матриці). Однак, як свідчить різні фізики, вона не виявилася переконливою в області опису елементарних частинок.

Автори більшості підручників з квантової механіки дотримуються так званої буквальною інтерпретації. Відповідно до неї хвильова функція це об'єктивне властивість системи, а проективний постулат твердження про реальні події в мікросвіті після акту вимірювання. Вважається, що частини Всесвіту не мають хвильової функції і треба розглядати тільки хвильову функцію всього Всесвіту. Однак дана функція не може бути об'єктивним властивістю квантової системи, оскільки на досвіді не можна відрізнити одну хвильову функцію від іншої. Всі наведені позиції проективного постулату є запереченням проти такої інтерпретації.

У об'єктивної інтерпретації буквальна дещо змінюється: у неї включений постулат Белла, яким на хвильову функцію накладаються обмеження. У ній тимчасова еволюція описується не тільки станом системи в даний момент, за і всіма іншими станами, що лежать в інших просторах. Неясно, чи може ця інтерпретація бути узгоджена зі спеціальною теорією відносності. Є ряди інших заперечень.

У епістемній, або суб'єктивної, інтерпретації хвильова функція трактується як відображення знань експериментатора про квантову механіку. Вона апелює до конкретного спостерігачеві. Крім того, стверджує те, що проективний постулат є просто збільшення знань про систему. Питання про те, коли треба застосовувати цей постулат, а коли хвильове рівняння, залишається без відповіді.

Інтерпретація, яка використовує ансамблі мікросистем (її дотримувався А. Ейнштейн), не дозволяє специфічних проблем квантової метафізики, а є способом розуміння положень теорії ймовірності. Заперечується, що хвильова функція характеризує стан окремо взятої квантової системи. Виходить, що вона відноситься до великого числа квантових систем, підготовлених абсолютно однаково, Така сукупність систем називається ансамблем. Ймовірність конкретного значення величини, що спостерігається виступає як величина, рівна відношенню частини систем ансамблю, для якої експеримент дав це значення досліджуваної величини, до загального їх числа в ансамблі. Вважається, що системи, для яких отримано це значення величини, самі утворюють підансамбль, описуваний інший хвильовою функцією, ніж вихідний ансамбль. У цій інтерпретації проективний постулат не означає переривання динаміки квантової системи, що виражається рівнянням Шредінгера: передбачається, що спостерігач переключив увагу з ансамблю на підансамбль.

Відмітимо, що поняття ансамблю дуже туманне, тому що зовсім незрозуміло, що означає «велика кількість систем». Якщо число систем ансамблю звичайно, то є можливість, що експеримент дасть ймовірності, відмінні від передбачених теорією. Якщо ж ансамбль складається з нескінченного числа систем, то він не буде мати ніякої емпіричної реальності. Що стосується пояснення проективного постулату, то ця інтерпретація не вирішує жодних проблем. Дійсно, якщо ансамбль можна розділити на різні з точки зору досвіду підансамбль, то він буде неоднорідною системою станів, а ансамбль, описуваний хвильовою функцією, однорідний, тобто тим самим можливості розрізняти входять до його системи. Вітчизняний фізик В.Л. Фок вказував, що якщо ансамбль утворюють однакові не взаємодіючі підсистеми, то немає нічого, що відрізняло б одну систему від їх ансамблю.

Не на користь даної інтерпретації говорить і той факт, що вживання поняття хвильової функції системи виявилося дуже плідним у галузі квантової механіки. Так, використання властивостей симетрії хвильових функцій елементарних частинок дозволило дати їх класифікацію і зрозуміти природу електрослабкої і сильної взаємодії.

Інтерпретація Еверетта може бути представлена наочно, якщо оперувати множинністю світів. У ній стверджується, що Всесвіт складається з безлічі паралельних світів. Якщо в одному з них хвильова функція системи одна і результат досвіду один, то в іншому зовсім інші. Інтерференція станів можлива, якщо світи можуть перетинатися. Ця інтерпретація практично не відрізняється від об'єктивної. Вона не допускає індетермінізму, який тим не менш присутній у кожному з паралельних світів.

Інтерпретація Л. де Бройля ~ Д. Бома заснована на гіпотезі про існування прихованих параметрів, які керують поведінкою квантової системи. Це усуває індетермінізм з квантової теорії (всі спостережувані величини мають у ній точні значення, виражені через дані параметри). Є досить багато аналогів такої інтерпретації, які поєднують до об'єктивної. Якщо приховані параметри неможливо виявити, то немає підстав вірити в їх існування. Є теорема Белла, що показує, що всі локальні інтерпретації з прихованими параметрами повинні постулювати миттєве дію на відстані і, отже, суперечать теорії відносності.

Огляд основних інтерпретацій квантової механіки свідчить, що в даний час немає загальноприйнятої і не викликає серйозних заперечень квантової метафізики. У класичній фізиці така інтерпретація є. Зрозуміло, це не означає, що в теперішньому часі спрямовані проти самої квантової механіки, яка успішно пояснює, експериментальні дані ось вже більше сімдесяти років і служить базою для сучасної фізики конденсованих середовищ, плазми, елементарних частинок і ядерної фізики.

У чому ж полягає ролі »метафізики в розумінні фундаментальних концепцій фізики? Закони останньої формулюються на математичній мові, по фізика не зводиться до математики. Головне в ній це інтерпретація, яка дає картину природи і живить інтуїцію. Особливість метафізики полягає в тому, що після рішення нею питання проблема повністю знімається. Так сталося з концепцією ефіру, яка зникла після створення теорії відносності, чи з концепцією корпускулярно-хвильового дуалізму після появи квантової механіки і квантової-електродинаміки. Метафізика, образно кажучи, розпушують грунт і вносить добрива, на яких плекалася фізична теорія.

Метафізичні концепції особливо важкі. Ось чому такі найвидатніші вчені (І. Ньютон, А. Ейнштейн і І. Бор) могли успішно займатися ними. Метафізика прибирає перешкоди, що стоять на шляху теорії, і поглиблює розумій не фундаментальних положень фізики. Від того, наскільки вона успішно виконує ці завдання, залежить розвиток фундаментальної фізики, досягнення якої отримують численні практичні додатки.

Література

1. Антология мировой философии: Возрождение. - Мн.: Харвест; М.: Изд-во АСТ, 2001.

2. Асмус, В.Ф. Античная философия / В.Ф. Асмус. - М.: Высш. шк., 2001.

3. Балашов, Ю.В. Антропный принцип в космологии; естественно-научные и мировоззренческие аспекты // Логика, методология и философия науки / Ю.В. Балашов, В.В. Казютинский. - Вып. 2. - М.: АН СССР, 1987.

4. Вайнберг, С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной / С. Вайнберг. - М.: Энергоатомиздат, 1981.

5. Гейзенберг, В. Физика и философия. Часть и целое / В. Гейзенберг. - М.: Наука, 1989.

6. Гинзбург, В.Л. О физике и астрофизике / В.Л. Гинзбург. - М.: Наука, 1985.

7. Готт, В.С. Философские проблемы физики / В.С. Готт. - М.: Наука, 1987.

8. Данцев, А.А. Философия и химия / А.А. Данцев. - Ростов н/Д: Феникс, 1991.

9. Дубнищева, Т.Я. Концепции современного естествознания: учеб. пособие / Т.Я. Дубнищева. - М.: Академия, 2006.

10. Канке, В.А. Концепции современного естествознания: учебник для вузов / В.А. Канке. - М.: Логос, 2006.

11. Карнап, Р. Философские основания физики / Р. Карнап. - М.: Наука, 1972.

12. Карпенков, С.Х. Концепции современного естествознания: учеб. для вузов / С.Х. Карпенков. - М.: Высш. шк., 2003.

13. Кудрявцев, П.С. Курс истории физики / П.С. Кудрявцев. - М.: Просвещение, 1974.

14. Новиков, И.Д. Эволюция Вселенной / И. Д. Новиков. - 3-е изд., пререраб. и доп. - М.: Наука, 1990.

15. Окунь, Л.Б. Физика элементарных частиц / Л.Б. Окунь. - М.: Наука, 1988.

16. Печенкин, А.А. Взаимодействие физики химии: философский анализ / А.А. Печенкин. - М.: Высш. шк., 1986.

17. Пригожин, И. Время, хаос, квант. К решению парадокса времени / И. Пригожин, И. Стенгерс. - М.: Мир, 1994.

18. Рузавин, Г.И. Концепции современного естествознания: курс лекций / Г. И. Рузавин. - М.: Проект, 2004.

19. Садохин, А.П. Концепции современного естествознания : учеб. пособие / А. П. Садохин. - М.: Омега-Л, 2008.

20. Современные философские проблемы естественных, технических и социально-гуманитарных наук : учеб. для аспирантов и соискателей ученой степени кандидата наук / под общ. ред. проф. В.В. Миронова. - М.: Гардарики, 2007.

21. Соколов, В.В. Европейская философия XV-XVII веков: учеб. для вузов / В.В. Соколов. - 3-е изд., испр. - М.: Высш. шк., 2003.

22. Соломатин, В.А. История и концепции современного естествознания : учеб. для вузов / В.А. Соломатин. - М.: ПЕРСЭ, 2002.

23. Физика микромира. Маленькая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия, 1980.

24. Физический энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1983.

25. Философия современного естествознания: учеб. пособие для вузов / под общ. ред. проф. С.А. Лебедева. - М.: ФАИР-ПРЕСС, 2004.

26. Хокинг, С. От большого взрыва до черных дыр: краткая история времени / С. Хокинг. - М.: Мир, 1990.

Размещено на Allbest.ru