Две методологические революции в физике - ключ к пониманию оснований квантовой механики1
А.И. ЛИПКИН
Дана свободная от "парадоксов" формулировка базовой системы понятий и постулатов квантовой механики. Показывается, что основания "проблем" "квантовых измерений" и "редукции волновой функции" являются философскими, а не физическими, и их решение состоит в правильной постановке вопроса и учете теоретико-операциональной гетерогенности структуры физики, а не во введении сознания в основания квантовой механики.
Free of "paradoxes representation of the basic system of the concepts and foundations of the quantum mechanics is done. It is shown that foundations of 'problems' of "quantum measurements" and "reduction (collapse) of wave function" are philosophical, not physical. Their solution lies in working out a correct question statement and also taking into account theoretic-operational heterogeneity of structure of physical knowledge, but not in introducing conscience in the foundations of quantum mechanics.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: научная революция, теоретическая физика, основания квантовой механики, интерпретации квантовой механики, парадоксы квантовой механики, коллапс (редукция) волновой функции, измерения в квантовой механике, место наблюдателя, структура физического эксперимента, соотношения неопределенностей, принцип дополнительности.
KEYWORDS: scientific revolution, theoretical physics, foundations of quantum mechanics, interpretations of quantum mechanics, collapse (reduction) of wave function, measurement in quantum mechanics, place of observer, structure of physical experiment, uncertainty relations, complementarity principle
© Липкин А.И., 2010 г.
Если вы хотите кое-что выяснить у физиков-теоретиков о методах, которые они применяют, я советую вам твердо придерживаться одного принципа: не слушайте, что они говорят, а лучше изучайте их действия...
А. Эйнштейн
Современная физика является продуктом двух научных революций - XVII в. и границы XIX-XX вв. Обычно вторая рассматривается как революция в физической картине мира, произведенная появлением теории относительности и квантовой механики. Я хочу указать на более глубокую революцию, революцию методологическую.
Увидеть эту методологическую революцию проще всего на фоне проходившей параллельно подобной революции в геометрии. В геометрии объекты можно разделить на два класса или типа: "первичные", к которым относятся точка и прямая и "вторичные", к которым относятся составленные из них фигуры. "Вторичные" явным образом определяются через "первичные". Проблема оснований геометрии состоит в определении "первичных". До середины XIX в. они рассматривались как неопределимые, но интуитивно ясные (очевидные) понятия2. Однако во второй половине XIX в. в связи с появлением неэвклидовых геометрий опора на очевидность перестала удовлетворять (работать). В результате в геометрии возникла проблема оснований. Д. Гильберт решил ее, введя неявный тип совместного определения системы исходных ("первичных") понятий - точки, прямой и др. - через систему аксиом геометрии, в каждую из которых входило несколько исходных понятий (например, "через две точки всегда можно провести прямую и только одну").
То же имело место и в физике. Здесь объекты (идеальные, поскольку речь идет о теории) можно разделить на два класса (типа): "первичные идеальные объекты" (ПИО), к которым относятся частица (тело) в механике, жидкость в гидродинамике и т.п., и "вторичные идеальные объекты" (ВИО), к которым относятся модели различных сложных объектов и явлений. Сначала "первичные идеальные объекты" считались интуитивно ясными (этот подход лежит в основе курсов "общей физики"). Для Галилея и Ньютона главным предметом поиска был закон движения, объект движения был очевиден. Ситуация меняется во второй половине XIX в. в связи с появлением электродинамики и термодинамики, где вопрос стоял уже и о самом объекте.
Для выхода из возникшего в результате этого кризиса оснований физики (и связанного с ним "гносеологического кризиса") был сделан фактически тот же ход, что и в геометрии (поскольку физика ориентировалась на заданный в математике уровень строгости) -переход к неявному типу определения "первичных идеальных объектов". В результате в физике произошли существенные перестроения структуры ее оснований, которые приобрели наиболее четкое выражение в современных курсах теоретической физики, первым среди которых является многотомник "Теоретической физики" Л.Д. Ландау и Е.М. Лиф-шица (в этом мировое значение этого издания). К сожалению, этот переход не нашел адекватного описания в методологии и философии науки и не очень четко осознан самими физиками. Отсутствие этого осознания лежит в основании мнимых "парадоксов" квантовой механики (для решения которых предлагают включить сознание в ее основания [Менский 2000, 2004, 2005; Wheeler 1977]) и ее "непонимания": «Квантовую механику никто не понимает», - утверждает нобелевский лауреат по квантовой механике Р. Фейнман [Фейнман 1987, 117].
1. Теоретическая физика как осуществление неявного типа определения основных понятий в физике. Современная теоретическая физика - главный продукт научной революции границы XIX-XX вв. - предстает как совокупность разделов (классической механики, квантовой механики, электродинамики...), каждый из которых имеет свои четкие основания в виде "ядрараздела физики" (ЯРФ), где посредством неявного типа определения строго (неявный не значит нечеткий или неясный) задаются все основные понятия, включая "первичные идеальные объекты"3. С помощью "ядра раздела физики" осуществляется неявный тип определения "первичных идеальных объектов", с помощью
которых явным образом определяются "вторичные идеальные объекты", представляющие собой модели физических объектов и явлений.
Наличие двух типов идеальных объектов ("первичных" и "вторичных") ведет к наличию двух уровней (и типов) работы в естественных науках: первый уровень отвечает созданию новых первичных идеальных объектов, второй отвечает построению вторичных идеальных объектов из уже существующих первичных идеальных объектов. Это различение аналогично делению на "нормальную" и "анормальную" (революционную) фазы науки Т. Куна и эйнштейновскому различению на "конструктивные" и "принципиальные" ("фундаментальные") теории (подробнее см. [Липкин 2006]). Серьезным недостатком многих современных вариантов структуры физического знания, выдвигаемых реалистами различных направлений [Boyd 2002; Ladyman 2007] (и их критиками), является использование одноуровневых представлений физического знания, где единицей является "теория". Они не позволяют отличить, скажем, квантовую механику от теории какого-либо явления внутри раздела физики, скажем, теории сверхпроводимости, представляющей собой два разных уровня, фиксируемых здесь и в постпозитивистских моделях Т. Куна и И. Лакатоса.
Введение неявного типа определения дало возможность работать с более сложными и менее наглядными объектами (понятиями), которые нельзя получить простым абстрагированием из эмпирических объектов (как получали понятие "материальной точки"4 или "идеального маятника"). Именно теоретическая физика стала адекватной формой построения новых физических сущностей, причем используемый при этом более сложный математический аппарат (то, чем занималась "математическая физика") носил подчиненную, служебную функцию5.
Основания всех разделов физики имеют сходную структуру, в которой можно выделить теоретическую и операциональную части6.
Теоретическая часть состоит из двух слоев: физической модели и ее математического представления. Основными элементами физической модели являются "физическая система" - то, что не меняется (в классической механике - механическая частица), и ее "состояния" - то, что меняется (в классической механике - положение и скорость механической частицы). Эта пара понятий является центральной в современной теоретической физике [Липкин 2007а; 2001а]. Она описывает физический процесс (движение) как переход физической системы (представляющей собой первичный или вторичный идеальный объект) из одного состояния в другое. При этом связь между состояниями физической системы ("закон природы (движения)") задается с помощью "уравнения движения" (например - уравнения Ньютона), для чего вводится "математическое представление", состоящее из математических образов физической системы, внешних воздействий (сил и т.п.), состояний физической системы и самого "уравнения движения". Без математического описания нельзя работать, нельзя предсказывать поведение физической системы.
Состояние физической системы - одно из центральных понятий физики (хотя в курсе общей физики и в школе этого понятия избегают). Знание состояния задает полную возможную информацию о системе в данный момент времени, а посредством уравнения движения - и в другие моменты времени. Так, в классической механике, где уравнением движения является уравнение Ньютона, для случая физической системы, состоящей из одной частицы, зная положение и скорость частицы с помощью уравнения движения можно ответить на любой вопрос про движение частицы как в этот момент времени, так и в любой другой. Поэтому знание положения и скорости частицы и задает состояние частицы в классической механике.
В операциональную часть входят операции приготовления системы и ее начального состояния и измерения. Основу последнего составляют эталон и операции сравнения с эталоном.
Таким образом, в центре внимания физики теперь оказывается физическая система (объект) и ее состояния, а "закон движения" ("закон природы") превращается в характеристику физической системы, задающую связь между состояниями, отображаемую уравнени-
ем движения. В результате для различных разделов физики мы получаем единую структуру - базовую систему исходных понятий и постулатов раздела физики - "ядра (постулатов) раздела физики" [Липкин 2001а; 2007а]. Все элементы этой структуры взаимосвязаны и определяются (как и основные понятия геометрии) совместно. При этом основу физической теории составляет физическая модель явления (объекта), которая п
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.