Особенности познания в квантовой механике. Классический и вероятностный детерминизм.

" Можно понять, какое существенное влияние было оказано на само направление развития человеческих знаний в тот день, когда кванты исподтишка вошли в науку. В тот самый день величественное и грандиозное здание классической физики было потрясено до самого основания, хотя никто тогда еще и не отдавал себе ясного отчета в этом. В истории науки не много было подземных толчков, сравнимых по силе с этим" [33].

Современное естествознание рассматривает мир как совокупность систем различного уровня. Различаются мегамир, системами, составляющими который являются Вселенная, Метагалактики, Галактики, звездные скопления и звезды, планетные системы и подобные им объекты. Макромир, который составляют объекты, соизмеримые с человеком, и микромир, мир величин, сравнимых с атомами и элементарными частицами.

Классическая механика исследовала величины макромира, но выводы свои простирала и на мега- и на микромиры. В ходе научной революции конца XIX столетия стало понятно, что такой перенос (экстраполяция) невозможен. Объекты мега- и микромиров принципиально отличны по своим свойствам (подчиняются другим законам и требуют специфических методов исследования).

Так, классическая механика различала вещество (частицы, корпускулы, молекулы, атомы), анализируя пространственно-временное перемещение различных частей вещества, классическая механика молчаливо предполагала, что части вещества движутся по строго определенным траекториям, однозначно задаваемым уравнениями движения (уравнениями Ньютоновой механики). Если известны уравнения движения тела и его начальные координаты, то положение (координаты) тела можно определить для любого произвольного момента времени со сколь угодно большой точностью.

После появления электродинамики, помимо вещества, в физику была введена и самостоятельная реальность - поле (излучение). Свойства вещества и излучения рассматривались как принципиально отличные друг от друга. Вещество мыслилось как дискретное, пределом делимости вещества был атом. Поле - как непрерывное. Для вещества характерны механические процессы, для поля - колебательные - волны.

Во всех случаях ученый наблюдает природные процессы, протекающими сами по себе, как если бы самого ученого, наблюдающего явление, вообще не существовало. Средства наблюдения (приборы и оборудование) не могут внести в сам процесс ничего ему чуждого. Так, например, вес тела совершенно не зависит от того, на каких весах это тело взвешивают. Весы влияют лишь на точность измерения, но не на сам вес.

" Гипотеза, по существу лежащая в основе классической физики, - отмечает Луи де Бройль, - состоит в том, что с помощью соответствующих мер предосторожности можно, в принципе, сделать пренебрежимо малым влияние вносимых процессом измерения возмущений естественного хода изучаемого явления. Иначе говоря, предполагается, что эксперимент может быть проведен таким образом, чтобы влияние вызванных им возмущений хода изучаемого процесса было как угодно малым. Такая гипотеза может считаться справедливой для явлений, протекающих в больших масштабах. Для явлений же атомного мира она оказывается неверной" [34].

Процессы и явления природы в веществе и поле мыслились классической наукой как строго и однозначно причинно обусловленные. В самой природе не существует ничего, что препятствовало бы выявлению однозначных причинно-следственных отношений (научных законов) - таково глубочайшее убеждение классической науки. Иными словами, если почему-либо наше знание о явлении или процессе носит вероятностный характер, причина этому - само наше знание, вернее его ограниченность, а ни в коем случае не природа.

Для классической науки, наконец, было в высшей степени характерно убеждение в безотносительности объекта описания и языка описания. Язык - лишь знак, лишь символ предмета, никак не влияющий на его существование и свойства. Все предметы мыслились как наглядные, то есть имеющие аналог в обыденном жизненном опыте.

В ходе научной революции конца XIX - начала XX веков все эти представления о природе были отброшены. Причиной этому стали исследования и открытия в области микромира. Эти открытия привели к становлению новой физической парадигмы - квантовомеханической, сформировавшейся как следствие возникновения и развития новой физической теории - квантовой механики.

Развитию квантовой механики положил начало немецкий физик Макс Планк (1858-1947). В 1889 году он приступил к исследованию проблемы излучения абсолютно черного тела, а в следующем году он установил, что математически процесс можно объяснить, допустив, что энергия излучается не непрерывно, а отдельными порциями - квантами. Такую мельчайшую порцию Планк назвал квантом действия, в дальнейшем она по лучила название постоянной Планка - " h". Оценивая значение своего вывода, он записал: "...либо фиктивная величина, и тогда весь вывод закона излучения был в принципе ложным и представлял собой всего лишь пустую игру в формулы, лишенную смысла, либо же вывод закона излучения опирается на некую физическую реальность, и тогда квант действия должен приобрести фундаментальное значение в физике и означает собой нечто совершенно новое и неслыханное, что должно произвести переворот в нашем физическом мышлении, основывающемся со времен Лейбница и Ньютона, открывших дифференциальное исчисление, на гипотезе непрерывности всех причинных соотношений" [35].

Действительно, наличие кванта действия указывало на прерывный (дискретный) характер излучения, в то время как в классической электродинамике Лоренца излучение (поле) мыслилось непрерывным (континуальным). Нарушение принципа непрерывности волны требовало отбросить классическую электродинамику и в корне изменить представление о структуре вещества. Именно поэтому квантовую гипотезу Планка вначале склонны были рассматривать лишь как временное средство решения частной проблемы излучения абсолютно черного тела. Оценивая сложившуюся ситуацию, А.Эйнштейн на Сольвеевском конгрессе 1911 года отмечал:

" Мы все согласны с тем, что теория квантов в своем нынешнем виде может иметь полезное применение, но на самом деле она не представляет собой настоящей теории в обычном смысле этого слова, во всяком случае такой теории, которую можно было бы последовательно развивать дальше. С другой стороны, хорошо известно, что классическую динамику, выведенную из уравнений Лагранжа и Гамильтона, нельзя больше рассматривать как достаточно прочную базу для построения удовлетворительной модели, объясняющей все физические явления" [36].

Quot; Это открытие (открытие Планком кванта действия - С.К.) выявило в законах природы черту атомистичности, которая выходит далеко за пределы старого учения об ограниченной делимости материи; действительно, это открытие показало нам, что классические теории физики являются идеализациями, которые допускают однозначное применение только в тех предельных случаях, когда все величины и размерности действия велики по сравнению с квантом действия" [37].

В классической механике законы носят универсальный характер, т.е. относятся ко всем без исключения изучаемым объектам. Примером может служить ньютонов закон всемирного тяготения, который охватывает взаимодействие всех материальных тел. Научные предсказания, полученные на основе таких законов, имеют достоверный и однозначный характер, они выражаются в форме динамических законов – законов, однозначно связывающих физические величины. Законы классической механики служили эталоном научного знания[38].

Обобщением связи причины и следствия в этих законах стал принцип Лапласового детерминизма [39]. Согласно Лапласу причина строго и однозначно определяет следствие. Беспричинные же явления в природе невозможны. Вследствие этого при внимательном, добросовестном и тщательном анализе всегда можно найти истинную причину того или иного явления. Разумеется, что реально действующие в сложном мире причины объединяют свое действие и приводят к сложным и комбинированным последствиям. Более того, многие причины действуют не прямо, а косвенно, посредствуя свое действие многими другими причинами. Разобраться в законах природы, открыть истинную причинно-следственную связь бывает нелегко для ищущего научного ума, но возможно. Раскрытие законов природы зависит лишь от человеческого интеллекта. Если представить себе столь мощный интеллект, который может вместить в себя всю совокупность начальных условий Вселенной, то этот интеллект будет способен проследить эволюцию мира и однозначно показать его для любого произвольного момента времени.

С точки зрения современности такая позиция кажется слишком сильной идеализацией, хотя в этой позиции нет логического противоречия, если принять ее посылку: положение об однозначной и жесткой связи причины и следствия и универсальности причинно-следственных отношений в мире.

Вместе с тем в науке девятнадцатого века стали применяться законы, не несущие однозначного предсказания будущих событий. Долгое время эти законы рассматривались лишь как инструментальные средства для эмпирических естественнонаучных обобщений, т.е. допускались как временные (в отсутствие лучших или истинных). Свое название статистических или вероятностных они получили от характера информации, которую они несут. Связь между причиной и следствием в этих законах предстает как многозначная, но имеющая конечное число значений, что и позволяет ее выразить в некотором статистическом законе. [40]

Статистические законы отличаются от однозначных (последние именуют иногда также динамическими). В теориях содержащих статистические законы любое состояние физической системы является ее вероятностной характеристикой. Состояние в статистических теориях определяется не самими физическими величинами непосредственно, а их статистическим распределением. В статистических теориях по известному начальному состоянию определяются вероятности значений физических величин в заданных интервалах. Однозначно определенными оказываются лишь средние значения физических величин (параметров).

С современной точки зрения статистические и динамические законы сходны в том, что и те и другие имеют дело с устойчивыми регулярностями в событиях. Отношение же к числу наблюдений, характеризующее статистические законы в практике не имеет столь принципиального характера, если число наблюдений достаточно велико, а выполнены они надежно. При внимательном рассмотрении оказывается, что эволюция систем в статистических физических теориях также описывается однозначно. Статистический закон однозначно связывает начальное значение вероятности события и конечное распределение вероятности данного события. Вместе с тем, понятно, что статистические законы более глубоко и точно описывают природу. Однозначная связь событий – плод абстрагирующей идеализации классической науки. Введение В.Гейзенбергом соотношения неопределенностей показало принципиально вероятностный характер микромира, а также невозможность когда-либо перейти от статистического описания его процессов - к классическому.

Итак, детерминизм исторически выступает в двух формах: лапласового, или механистического, детерминизма, в основе которого лежат универсальные законы классической физики; вероятностного детерминизма, опирающегося на статистические законы.

Вероятностная природа микромира, особый характер причинно-следственных отношений в нем, совокупно с ненаблюдаемостью микрообъектов, сложностью и высокой стоимостью экспериментов с этими объектами, остро поставили вопрос о надежном и фундаментальном инструментарии анализа микромира. Таким инструментарием выступают в настоящее время законы сохранения.

При переходе от классической науки к неклассической был кардинально изменен сам предмет исследования. В классической науке под предметом понималась сама объективная природа. В квантовой теории, имеющей дело с микрореальностью, непосредственным предметом исследования является взаимодействие микрообъекта с макроприбором. Последний, как это понятно, является отражением вопроса к природе, задаваемого экспериментатором. Прибор отражает установки познающего субъекта. Таким образом, получаемые знания характеризуют не только природу, но и тип нашего вопроса к ней (прибор). Говорить о свойствах микрореальности самой по себе, вне связи с экспериментальной ситуацией в которой выявляется то или иное ее свойство – бессмысленно.

Именно это изменение предмета исследования повлекло за собой и изменение метода - переход к вероятностному описанию действительности. В квантовой механике мы уже не можем говорить о точном местоположении микрочастицы, но лишь о вероятности ее нахождения в определенном месте пространства, не можем говорить о точном значении энергии, а лишь о ее вероятностном значении. Это новое понимание фундаментального значения вероятности в мире – главнейшая составляющая научной революции, вызванной рождением квантовой механики. Классическая наука с ее точными утверждениями стала восприниматься лишь как хорошее приближение к описанию реальности, возможное в условиях перехода к макровеличинам.