Причинность и дополнительность

(Избранные научные труды в 2-х т. Т.2. М., 1971)

Между тем открытие универсального кванта действия привело к необходимости дальнейшего анализа проблемы наблюдения. Из этого открытия следует, что весь способ описания, характерный для классической физики (включая теорию относительности), остается применимым лишь до тех пор, пока все входящие в описание величины размерности действия велики по сравнению с квантом действия Планка. Если это условие не выполняется, как это имеет место в области явлений атомной физики, то вступают в силу закономерности особого рода, которые не могут быть включены в рамки причинного описания (обозначим его А₁). Этот результат, первоначально казавшийся парадоксальным, находит, однако, свое объяснение в том, что в указанной области нельзя более провести четкую грань между самостоятельным поведением физического объекта и его взаимодействием с другими телами, используемыми в качестве измерительных приборов; такое взаимодействие с необходимостью возникает в процессе наблюдения и не может быть непосредственно учтено по самому смыслу понятия измерения (описание А₂).

Это обстоятельство фактически означает возникновение совершенно новой сиуации в физике в отношении анализа и синтеза опытных данных. Она заставляет нас заменить классический идеал причинности некоторым более общим принципом, называемым обычно " дополнительностью". Получаемые нами с помощью различных измерительных приборов сведения о поведении исследуемых объектов, кажущиеся несовместимыми, в действительности не могут быть непосредственно связаны друг с другом обычным образом, а должны рассматриваться как дополняющие друг друга. Таким образом, в частности, объясняется безуспешность всякой попытки последовательно проанализировать " индивидуальность" отдельного атомного процесса, которую, казалось бы, символизирует квант действия, с помощью разделения такого процесса на отдельные части. Это связано с тем, что если мы хотим зафиксировать непосредственным наблюдением какой-либо момент в ходе процесса, то нам необходимо для этого воспользоваться измерительным прибором, применение которого не может быть согласовано с закономерностями течения этого процесса. Между постулатом теории относительности и принципом дополнительности при всем их различии можно усмотреть определенную формальную аналогию. Она заключается в том, что подобно тому, как в теории относительности оказываются эквивалентными закономерности, имеющие различную форму в разных системах отсчета вследствие конечности скорости света, так в принципе дополнительности закономерности, изучаемые с помощью различных измерительных приборов и кажущиеся взаимно противоречащими вследствие конечности кванта действия, оказываются логически совместимыми.

Чтобы дать по возможности ясную картину сложившейся в атомной физике ситуации, совершенно новой с точки зрения теории познания, мы хотели бы здесь прежде всего рассмотреть несколько подробнее такие измерения, целью которых является контроль за пространственно-временным ходом какого-либо физического процесса. Такой контроль в конечном счете всегда сводится к установлению некоторого числа однозначных связей поведения объекта с масштабами и часами, определяющими используемую нами пространственно-временную систему отсчета. Мы лишь тогда можем говорить о самостоятельном, не зависимом от условий наблюдения поведении объекта исследования в пространстве и во времени, когда при описании всех условий, существенных для рассматриваемого процесса, можем полностью пренебречь взаимодействием объекта с измерительным прибором, которое неизбежно возникает при установлении упомянутых связей. Если же, как это имеет место в квантовой области, такое взаимодействие само оказывает большое влияние на ход изучаемого явления, ситуация полностью меняется, и мы, в частности, должны отказаться от характерной для классического описания связи между пространственно-временными характеристиками события и всеобщими динамическими законами сохранения. Это вытекает из того, что использование масштабов и часов для установления системы отсчета по определению исключает возможность учета величин импульса и энергии, передаваемых измерительному прибору в ходе рассматриваемого явления. Точно так же и наоборот, квантовые законы, в формулировке которых существенно используются понятия импульса или энергии, могут быть проверены лишь в таких экспериментальных условиях, когда исключается строгий контроль за пространственно-временным поведением объекта.

Способ описания таких ситуаций, как известно, находит свое выражение в так называемой квантовой механике, в которой возможность непротиворечивого учета новых закономерностей обеспечивается тем, что обычные кинематические и динамические понятия заменяются символами, подчиняющимися определенным правилам математических действий. В этом отношении между квантовой механикой и теорией относительности также имеется интересная формальная аналогия: в обоих случаях строго логический формализм, позволяющий продвинуться в новую область познания, стал возможным лишь на основе введения абстрактных алгебраических или геометрических понятий. В связи с часто дискутировавшимся вопросом о том, можно ли эти формализмы рассматривать как расширение возможностей нашего познания, следует, однако, иметь в виду, что как в теории относительности изображение пространства-времени в виде четырехмерного многообразия, так и в квантовой механике представление кинематических и динамических величин с помощью некоммутативной алгебры всецело основывается на старом математическом приеме введения мнимых величин. В самом деле, фундаментальные константы скорости света и кванта действия входят в определение четвертой координаты и соответственно в перестановочные соотношения канонически сопряженных величин лишь с множителем...- 1.

Конечно, у меня нет намерения входить здесь в подробное обсуждение столь специальных вопросов; я хотел бы лишь подчеркнуть, что при этом логическая стройность может быть получена лишь за счет решительного отказа от обычных требований, обусловленных наглядными соображениями. В связи с этим, возможно, будет уместно предостеречь от неправильного понимания известных соотношений неопределенности Гейзенберга, которые играют такую же важную роль в вопросе о непротиворечивости принципиально статистического способа описания квантовой механики, какую в теории относительности играют формулы преобразования Лоренца в разрешении возникающих там парадоксов. Это неправильное понимание легко может возникнуть, когда все содержание соотношений неопределенности пытаются изложить фразой типа: " положение и импульс частицы не могут быть одновременно измерены с произвольной точностью". Такое высказывание наводит на мысль, что здесь все дело в добровольном отказе от измерения одного из двух четко определенных атрибутов объекта, и оставляет место для надежд на то, что в будущей, более полной теории оба этих атрибута будут приниматься в рассмотрении в соответствии с требованиями классической физики. Однако из предыдущего объяснения должно быть очевидно, что ситуация в атомной физике в целом лишает всякого смысла такие самостоятельные атрибуты, взятые из арсенала классической физики. Напротив, основная роль соотношений неопределенности состоит в том, что они выражают в количественной форме логическую непротиворечивость закономерностей, кажущихся несовместимыми друг с другом и обнаруживающихся при использовании двух различных измерительных приборов; при этом лишь один из приборов допускает оправданное применение понятия положения, и лишь для другого имеет однозначный смысл понятие импульса, определяемого на основе законов сохранения.

Итак, мы видим, что неудачи попыток каузального истолкования квантовых явлений непосредственно связаны с предположениями о применимости самых элементарных понятий, используемых для описания рассматриваемых явлений. В связи с этим неоднократно высказывались предположения, что решительная перестройка старой системы понятий, пригодной в повседневном опыте, могла бы обеспечить сохранение представлений классической причинности и в области атомной физики. Однако такой взгляд основан на недооценке существующего положения вещей. Уже само требование, чтобы обстоятельства опыта и результаты измерения могли быть сообщены кому угодно, означает, что мы можем говорить на языке обычных понятий, основанных на нашем опыте. Мы, в частности, не должны забывать, что понятие причинности лежит в основе объяснения результата каждого отдельного измерения. Точно так же и при сопоставлении различных результатов по самой природе вещей никогда не может идти речи о четко определенном разрыве причинной цепи событий. Наш вынужденный отказ от представлений классической причинности в атомной физике вызван, если рассуждать абстрактно, лишь тем, что мы не можем говорить о самостоятельном поведении физического объекта вследствие неизбежного взаимодействия его с измерительным прибором. Это взаимодействие принципиально не может быть учтено, если прибор в соответствии с поставленной перед ним задачей позволяет однозначно применять понятия, необходимые для описания явления. В конечном счете искусственный термин как " дополнительность", который не принадлежит к повседневным понятиям и которому поэтому невозможно придать наглядный смысл с помощью обычных представлений, служит лишь той цели, чтобы напоминать о совершенно новой теоретико-познавательной ситуации, имеющейся во всяком случае в физике (А_Е).