Двойственная природа микрочастиц модели атома Бора

Классический способ описания с его допущениями -- абсолютизацией и детализацией -- применим для описания микроявлений в тех случаях, когда можно не учитывать постоянную Планка. Фактически именно эта фундаментальная величина и есть пограничный пункт между квантовым и классическим описанием.

Квантовый способ описания явлений позволяет предвидеть конкретные реальные возможности акта измерения. Обращая внимание на условия, в которых происходит измерение, исследователь также может предсказать устройство и действие приборов, определяющих эти условия. Поэтому нет необходимости приписывать микрообъекту такие свойства и состояния, которые принципиально не могут быть установлены, на что фактически нацелена гипотеза “скрытых параметров”.

Измерительные устройства и внешние условия эксперимента описываются классическим способом через задание их характеристических параметров. Квантовый микрообъект проявляется при взаимодействии с классическим прибором. Результат такого взаимодействия -- экспериментальные данные, которые объясняются на основе тех или иных теоретических предпосылок и на базе которых, в свою очередь, делаются косвенные заключения о свойствах объекта, уже предсказанных теорией. И так как свойства микрообъекта обнаруживаются через взаимодействие его с классическим прибором, то их проявление обусловливается устройством прибора и создаваемыми внешними условиями. Какая сторона объекта -- корпускулярная или волновая -- проявится, зависит от прибора. Изучение корпускулярных и волновых свойств всех микрообъектов требует несовместимых внешних условий, необходимых для различных классических приборов. А это означает, что становится невозможным изучать одновременно различные свойства и различные стороны микрообъекта, детализация же поведения микрообъекта становится принципиально невозможной.

Именно эти свойства, проявляющиеся при взаимоисключающих условиях, Бор назвал дополнительными. Поэтому согласно В.А.Фоку, одновременное рассмотрение взаимно противоположных дополнительных свойств лишено смысла, а сама идея корпускулярно-волнового дуализма непротиворечива. Боровский принцип дополнительности -- утверждение что корпускулярные и волновые аспекты находятся в дополнительном отношении, -- относится не только к наблюдению и поэтому является не только гносеологическим принципом. В.А.Фок считает, что этот принцип отражает объективные свойства природы и потому он есть закон природы. И поскольку в основе квантового способа описания природы лежат результаты взаимодействия микрообъекта с макроприбором, как раз необходимо ввести представление об относительности к средствам наблюдения, которое является обобщением идеи относительности. Такое обобщение представления об относительности, утверждает В.А.Фок, отнюдь не означает что микрообъект менее реален, чем классический прибор. Совсем наоборот: представление об относительности к средствам наблюдения позволяет глубже и точнее характеризовать явления в микромире.

Следует указать также на то, что квантовый способ описания как более конкретный и совершенный требует соответствующего математического аппарата, применение которого в свою очередь, ведет к выявлению новых фундаментальных свойств материи. Толкование понятий, используемых в квантовой теории, диктует необходимость обобщения понятия состояния системы на основе понятий вероятности и потенциальной возможности. Понятие вероятности в квантовой механике вовсе не говорит о некоторой неполноте нашего знания о микромире, а наоборот, являясь существенным элементом квантово-механического описания, дает возможность уточнить само представление о полноте описание. Понятие вероятности существенно необходимо, поскольку для данных внешних условий результаты взаимодействия объекта и прибора не предопределены однозначно, а характеризуются некоторым вероятностным распределением. Это вероятностное распределение результатов взаимодействия отражает потенциальные возможности, которые объективно существуют при определенных условиях.

При квантовом описании следует иметь в виду, что, изучая взаимодействие между прибором и объектом, мы можем применять приборы различных типов. Использовать такие приборы одновременно невозможно, и это также говорит о различных потенциальных возможностях. Кроме того, существуют различные потенциальные возможности реагирования объекта на включение того или иного прибора в процессе измерения квантовой величины. При таком положении дел теория не может не быть принципиально вероятностной. Эта вероятность -- не следствие неполноты теории, как считал Эйнштейн, не недостаток ее, а достоинство. Существующие потенциальные возможности обеспечивают полное описание поведения и состояния микрообъекта, и математическая форма законов квантовой механики адекватно отражает эти потенциальные возможности. Вероятностное распределение результатов измерения можно вычислить через волновую функцию как квадрат ее модуля. И поскольку квантовое описание исчерпывает все потенциальные возможности, постольку его необходимо считать полным. Сама природа такова, что теория не может отражать ничего, кроме того, что проявляется в совокупности потенциальных возможностей. Хотя, надо отметить, что и такое толкование квантовой механики с обыденных позиций кажется в лучшем случае маловразумительным.

Так или иначе, дискуссия относительно полноты квантовой теории, по мнению В.А.Фока, этим исчерпывается, поскольку введение представления о потенциальной возможности, как он считает, снимает все проблемы, дает ответы на поставленные еще Эйнштейном вопросы. Таков результат обобщения принципа относительности на квантовую механику. Но в этом случае новое освещение получает принцип дополнительности, конкретизируясь в контексте относительности к средствам наблюдения.

Новый вид относительности, отличный от классической эйнштейновской относительности, можно назвать квантово-механической относительностью. При этом необходимо отметить, что квантово-механическая относительность неоднозначна и ее можно трактовать не только как относительность к измерительному прибору. Так, Ю.М.Ломсадзе предпринял попытку истолковать ее шире, распространив на отношение к субъекту⁴⁷. Д.И.Блохинцев рассматривает квантово-механическую относительность как независимую от присутствия наблюдателя и процесса наблюдения по отношению к макроскопической обстановке⁴⁸. Возможна и другая интерпретация этого вида относительности: как относительности к виду и типу физического взаимодействия, что отстаивает Б.Я.Пахомов⁴⁹.

Особый интерес вызывает соотношение дополнительности и относительности в контексте информационной интерпретации последней. В этом случае относительность рассматривается в связи с информационными условиями, в которых находится наблюдатель. В соответствии с “трехэлементной” концепцией, развиваемой П.С.Дышлевым⁵⁰, информационные условия относятся к условиям познания. Взгляды П.С.Дышлевого представляют собой конкретизацию гносеологического тезиса о взаимодействии между субъектом и объектом познания. Согласно этому тезису, в методологии физики взаимная связь между субъектом и объектом познания принимает следующий вид: физический объект -- условия познания -- наблюдатель.

Как известно, объекты познания в классической физике и квантовой физике существенно отличаются друг от друга, при этом в квантовой теории в силу специфики ее объекта невозможно пренебрегать взаимодействием между объектом и исследовательским средством. Наблюдатель получает информацию не только о физическом объекте как таковом, но одновременно и о влиянии наблюдательного средства на этот объект в процессе измерения. Столь значительная роль субъекта в квантовой физике предполагает, что наряду с представлением о наблюдателе необходимо ввести еще и представление об условиях познания как новом элементе познавательного отношения. Но повышение роли субъекта в процессе познания микромира не означает субъективизации физического познания, поскольку субъект непосредственно не вносит никаких существенных возмущений в исследуемую физическую систему, а его воздействие на процесс исследования заключается в выборе определенной исходной материальной системы (системы отсчета), в усовершенствовании экспериментального прибора, в подготовке и реализации физического опыта. Повышение роли субъекта имеет место в теоретической части квантовой физики: здесь это касается формулирования и обоснования новых физических идей и теорий, создания новой физической картины мира.

Под условиями познания на уровне эксперимента П.С.Дышлевый предлагает понимать весь фон, на котором протекает физическое явление, а также средства исследования: отправные системы и измерительные средства, конструируемые на основе определенных теоретических предпосылок. Условия познания на теоретическом уровне -- это язык наблюдения, принятый в теории, а также тот научный фон, который определяет средства теоретической интерпретации: философские и логические предпосылки, модели, фундаментальные понятия, фундаментальные теории, известные закономерности развития теории, методологические принципы и т.п. На экспериментальном и теоретическом уровнях условия познания являются связующим звеном между физическим объектом познания и наблюдателем. В трехэлементной схеме познавательного отношения роль наблюдателя выполняет человек, который постепенно познает физический мир с помощью экспериментальных и теоретических средств.

Принцип квантовой относительности можно рассматривать как частный случай единого гносеологического принципа относительности к системам абстрагирования. Согласно М.Д.Ахундову и Р.Р.Абдуллаеву⁵¹, под системой абстрагирования следует понимать “пространство”, в котором локализуется исследуемый объект. Такое пространство трактуется как множество, в котором задана определенная организация. Ее можно представить в виде системы отсчета, экспериментальной установки, определенной физической теории и т.д. Во всяком случае, реализуются различные связи в различных множествах элементов.

С таких позиций эволюция систем абстрагирования выглядит в историческом развитии познания так. На раннем этапе познания человек использовал в качестве единственной системы абстрагирования самого себя. Впоследствии познание разделилось на эмпирическое и теоретическое, и эти два направления постепенно эволюционировали в системы абстрагирования. На начальных стадиях эмпирического познания, когда не было никаких наблюдательных приборов, эмпирическое и чувственное познание не было разделено. Создание таких приборов, как, например, телескоп и микроскоп, характеризует определенный уровень развития эмпирического познания, на котором происходит расширение границ познавательных возможностей человека, возможностей его органов чувств. Теперь человек может наблюдать объекты и процессы, которые прежде были недоступны невооруженному глазу. При этом появляется новая специфическая относительность к системам абстрагирования, соответствующая различной чувствительности приборов. Например, тогда, когда прибор с небольшой чувствительностью показывает некий объект как непрерывный, другой прибор, обладающий большими разрешающими возможностями, показывает этот же объект как дискретный.

Различным представлениям об относительности в физике соответствуют различные системы абстрагирования. Эти системы таковы: абсолютное пространство (или эфир) как некоторая уникальная система отсчета, класс инерциальных систем и класс систем, находящихся под воздействием гравитации. Каждому из этих трех классов систем соответствуют фундаментальные физические теории: классическая механика, специальная теория относительности и общая теория относительности. Если в классической механике возможно одно-единственное описание физического объекта, то в рамках релятивистских теорий это в принципе невозможно. Как известно, падающий в движущемся вагоне предмет имеет различные реальные траектории относительно вагона, относительно Земли и относительно Солнца. Эти траектории несовместимы в пределах одной системы отсчета и в этом смысле дополнительны. В еще большей степени подобная относительность характерна для общей теории относительности.

В квантовой механике относительность к системам абстрагирования проявляется иначе: в виде системы абстрагирования выступает экспериментальный прибор. Концепция относительности к средствам наблюдения, сформулированная В.А.Фоком, выглядит здесь как частный случай общего гносеологического принципа относительности к системам абстрагирования. Познание микрообъекта возможно через применение дополнительных по отношению друг к другу экспериментальных приборов: один из них выявляет корпускулярные, другой волновые свойства.

По мнению М.Д.Ахундова и Р.Р.Абдуллаева52, необходимо выделять горизонтальную и вертикальную дополнительность. Дополнительность горизонтальна, когда она применяется на одном уровне организации, когда понятие относительности к системам абстрагирования используется как понятие с одинаковыми разделительными свойствами. Горизонтальная дополнительность позволяет получать “проекции” объекта исследования и на этой основе реконструировать его как целостность, как единство многообразия. Если же речь идет об относительности к системам абстрагирования с различными разделительными свойствами, когда в познании происходит переход с одного уровня организации на другой, то можно говорить о вертикальной дополнительности. Вертикальная дополнительность позволяет построить определенную иерархию. Исследуемый объект конструируется как система взаимодействия между структурами и их элементами.

В то же время можно выделять и два других вида дополнительности: дополнительность внутри данного уровня организации и дополнительность между уровнями. В первом случае используются специфические преобразования, которые связывают определенные характеристики в различные абстрактные системы. Такие преобразования сохраняют некоторые величины и характеристики неизменными -- это инварианты теории. Но если совершается переход к более широкой области, то появляются новые инварианты в структуре новой, более общей теории, а старые инварианты остаются действенными в определенных границах, обусловленных преемственностью между старой и новой теориями. Такая преемственная дополнительность есть дополнительность между определенными уровнями. С этой точки зрения инвариантность характеризует разделительные свойства систем абстрагирования. Идея преемственной дополнительности между старой и новой теориями ведет к принципу соответствия и еще раз указывает на связь между соответствием и дополнительностью. Теории, которые находятся в отношении соответствия, дополнительны.

Открытие связи между принципом дополнительности и принципом относительности в развитии физического познания вполне закономерно. Известно, что теория относительности Эйнштейна -- одна из основных теоретических предпосылок возникновения и развития концепции дополнительности Бора. При разъяснении своих взглядов Бор часто пользовался аналогиями с теорией относительности и даже предлагал назвать свою концепцию теорией дополнительности, но последнее не получило поддержки. “Теория относительности,-- писал Бор,-- научила нас, что целесообразность требуемого нашими чувствами резкого разделения пространства и времени основана только на том, что обычно встречаемые скорости малы по сравнению со скоростью света. Можно говорить, что открытие Планка подобным же образом привело к пониманию того, что целесообразность причинной точки зрения обусловливалась малостью кванта действия по сравнению с теми действиями, которые встречаются в обычных явлениях”53. Но одновременно Бор понимал, что данная аналогия не может быть полной, поскольку, как уже не раз отмечалось, в классической физике явление можно наблюдать без оказания на него какого-либо влияния, а квантовый постулат предполагает неустранимое влияние на наблюдаемое со стороны средств наблюдения.

Теория Эйнштейна в известном смысле является и методологической предпосылкой развития теории дополнительности. Бор считал, что теория относительности открыла новые возможности для понимания явлений, кажущихся несовместимыми. По его мнению, “возникшая в атомной физике необходимость заново рассмотреть те основания, на которые должно опираться непротиворечивое применение элементарных физических идей, напоминает в некотором смысле ситуацию, с которой в свое время столкнулся Эйнштейн”54. Эйнштейновский релятивистский способ мышления сыграл важную методологическую роль в оформлении боровского дополнительного способа мышления. В своем ответе на статью А.Эйнштейна, Б.Подольского и Н.Розена Бор писал: “... Мне хотелось бы отметить то огромное значение, которое имеет преподанный общей теорией относительности урок для вопроса о физической реальности в области квантовой теории. В самом деле, несмотря на все характерные различия, между положением вещей в обоих обобщениях классической теории имеется поразительная аналогия...”55.

Понимая и подчеркивая сходные черты, аналогию и преемственность между теорией относительности и концепцией дополнительности, Бор учитывал и различия между ними. Прежде всего это различия в понимании причинности. Если теория относительности объединяет причинное пространственно-временное описание физических явлений, где пространство и время в совокупности с энергией и импульсом образуют единую картину, то концепция дополнительности утверждает, что такой классический идеал при описании атомных процессов недостижим. Теория относительности представляет собой своеобразную кульминацию в развитии классической теории, квантовая же теория качественно иная, так как в ней пространственно-временные представления несовместимы с понятиями энергии и импульса, которые необходимы для причинного описания.

Итак, в работах Бора отчетливо прослеживается связь, аналогия, преемственность между идеями относительности и дополнительности. Именно на этой основе стало возможным дальнейшее развитие концепции дополнительности. В процессе этого развития выяснилось, что принцип дополнительности представляет собой конкретизацию идеи относительности при движении познания от абстрактного к конкретному. С позиций материалистической диалектики видно, что неклассический способ описания не означает субъективизации физического познания. Развитие теоретико-познавательной относительности от абстрактного к конкретному приводит ко все большему расширению объективного в физическом познании и все более глубокому пониманию физической действительности. В этом процессе абсолютные представления заменяются относительными. Релятивистская физика отказалась от абсолютной системы отсчета, квантовая же механика показала, что волновые и корпускулярные свойства также не абсолютны, а относительны, и т.д.

Дополнительность может остаться непонятной и непонятой, если рассматривать ее саму по себе, вне целостного физического знания и его развития. Но если мы будем видеть в ней момент процесса развития физического знания, связанный с идеей относительности, то поймем и ее сущность. И тогда принцип дополнительности предстанет перед нами во всей своей конкретности и методологической значимости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В острый для физики период, когда был накоплен огромный экспериментальный материал, был нужен принципиально новый подход для создания физической картины атомных процессов. Важная заслуга Бора состоит в том, что он нашел такой подход. Он ориентировал физиков на исследование противоречивых сторон физической реальности микромира. Теория Бора позволила объяснить целый ряд сложных вопросов строения атома и фактов, чего была не в состоянии сделать классическая физика. За создание квантовой теории планетарного атома Бор в 1922 году был удостоен Нобелевской премии.

В честь Нильса Бора назван, открытый 18 февраля 1970 года в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне, 105-й элемент периодической системы элементов - нильсборий (Ns).

В свое время П.Л. Капица писал о Боре : "Во всей мировой науке в наши дни не было человека с таким влиянием на естествознание, как Бор. Из всех теоретических троп тропа Бора была самой значительной."

В своей статье, "Слово о Нильсе Боре", Лев Давыдович Ландау говорит:

" Я думаю, что Бор был очень смелым человеком, потому что только очень смелый человек может совершить такой гигантский переворот в мире физических представлений, какой совершил он... (Задумайтесь на секунду: что же надо совершить физику в XX в., чтобы попасть в школьный учебник!)."

По образному выражению В.Л. Гинзбурга о Нильсе Боре:"... великий физик зажег маяк, которые долгие годы освещал дорогу физикам всего мира. Этот огонь будет источником света и тепла не только для нашего, но и для будущих поколений."

ЛИТЕРАТУРА

Клайн Б. В поисках. Физики и квантовая теория. - М.: "Атомиздат," 1971.

Кляус Е. М., Франкфурт У. И., Френк А.М. Нильс Бор. - М.: "Наука", 1977.

Мур Р. Нильс Бор - человек и ученый. - М.: "Мир", 1969.

Нильс Бор. Жизнь и творчество. (Сборник статей). - М.:"Наука", 1967.

Франкфурт У. И. Френк А. М. У истоков квантовой теории. - М.: "На- ука", 1975.

а также:

1 См.: Бор Н. Избр. науч. тр.: В 2-х т. Т. 1. М., 1970. С. 90.

2 Бор Н. Избр. науч. тр.: В 2-х т. Т. II. М., 1971. С. 397.

3 Там же, С. 283.

4 Там же. С. 102.

5 Бор Н. Избр. науч. тр.: В 2-х т. Т. 1. С. 482.

6 Бор Н. Избр. науч. тр.: В 2-х т. Т. II. С. 282.

7 Там же. С. 392-393.

8 Там же. С. 74.

9 Там же. С. 406.

10 См.: Петров А. 3. Методологические проблемы теории измерений. Киев, 1966. С. 66.

11 См.: Алексеев И. С. Концепция дополнительности. М.. 1972. С. 36--37.

12 Бор Н. Избр. науч. тр.: В 2-х т. Т. II. С. 432.

13 См.: Хютт В. П. // Принцип дополнительности и материалистическая диалектика. М., 1976. С. 149.

14 См.: Мещеряков В. Т. Соответствие как отношение и принцип. Л., 1975. С. 23. 15

15 Там же. С. 26.

16 Там же. С. 27.

17 См.: Алексеев И. С. Концепция дополнительности. С. 64.

18 См.: Баженов Л. Б. // Принцип дополнительности и материалистическая диалектика. С. 15.

19 Бор Н. Избр. науч. тр.: В 2-х т. Т. II. С. 60.

20 Там же. С. 384.

21 Там же. С. 61.

22 Там же. С. 58.

23 Там же. С. II 7.

24 там же. С. 118.

25 Там же. С. 211.

26 Там же. С. 287.

27 Там же.

28 Там же.

29 Там же.

30 Там же.

31 Там же. С. 288.

32 Там же. С. 495.

33 Там же. С. 532.

34 См.: Остапенко С. В. // Принцип дополнительности и материалистическая диалектика. С. 37.

35 См.: Методологические принципы физики. М., 1975. С. 443. 36. См.: Бунге М. Философия физики. М., 1975. С. 169.

37 См.: Поликаров А. // Списание на БАН. 1976. № 6. С. 12.

38 Эйнштейн А. Собр. науч. тр.: В 4-х т. Т. IV. М„ 1976. С. 296.

39 Бор Н. Избр. науч. тр.: В 2-х т. Т. II. С. 406.

40 См.: Алексеев И. С. Концепция дополнительности. С. 127.

41 Гейзенберг В. Философия и физика: Часть и целое. М., 1989. С. 130.

42 См.: Борн М. Моя жизнь и взгляды. М., 1973. С. 73.

43 См.: Бори М. Физика в жизни моего поколения. М., 1963. С. 463.

44 Паули В. Физические очерки. М., 1975. С. 57.

45 См.: Фок В. А. // Физическая наука и философия. М., 1973.

46 Там же. С. 73.