Структура эксперимента и механицистская редукция

Миф об особой роли сознания наблюдателя в квантовой механике

Печать DOC PDF

УДК 165; 501

Миф об особой роли сознания наблюдателя в квантовой механике

А.И. Липкин

Московский физико-технический институт (государственный университет), Москва

"В действительности всякий философ имеет свое домашнее естествознание, и всякий естествоиспытатель — свою домашнюю философию. Но эти домашние науки бывают в большинстве случаев несколько устаревшими, отсталыми" [Э. Мах, Познание и заблуждение. М., 2003, с. 38]

Рассматриваются физические и философские основания "проблемы" "редукции волновой функции". Показывается, что основания проблемы являются философскими, а не физическими, и решение этой проблемы лежит на пути правильной постановки вопроса и учете теоретико-операциональной гетерогенности структуры физики, а не во введении сознания в основания квантовой механики.

Введение

В [11] была приведена "теорфизическая" формулировка созданной в 1925–1927 гг. квантовой механики, содержащая четкое изложение лежащих в ее основе принципов (постулатов), содержащихся в работах Шредингера, Борна, Гейзенберга и Бора, (по сути столь же четких, что и в теории относительности)[1]. В классификации К. Поппера [19] она отвечает "третьей" (после "копенгагенской" (Бор, Борн, Гейзенберг и др.) и "антикопенгагенской" (Эйнштейн, де Бройль, Шредингер и др.) "интерпретации" (точнее "парадигмы" [13]) квантовой механики, той, которой пользуются работающие в квантовой механике физики. Главным из этих принципов-постулатов является утверждение, что 1) в квантовой механике состояние физической системы определяется не значениями, а распределениями вероятности значений соответствующих измеримых величин (это естественное обобщение понятия состояния в физике); из этого следует, что 2)одно измерение ничего не говорит о состоянии системы, и чтобы определить распределение вероятности путем измерения, требуется достаточно длинная серия измерений[2], 3) а путем вычисления это можно сделать с помощью "вероятностной интерпретации волновой функции" (обычно с именем М. Борна связывают лишь последнее, но оно подразумевает и первые два, поэтому я объединяю все три под именем "постулаты М.Борна");. Это широко распространенное среди физиков представление (во всяком случае я его усвоил, обучаясь в Московском физико-техническом институте), которое в силу некоторой исторической традиции выпадает из философского обсуждения проблем квантовой механики. "Теорфизическая" "интерпретация" принимает положения "копенгагенской интерпретации" о полноте квантовой механики и о вероятностном типе описания, применяемом к индивидуальным квантовым объектам, но утверждает, что состояние квантовой системы существует независимо от того, измеряется оно или нет . В этой формулировке отсутствуют "парадоксы" и нет явления "редукции (коллапса) волновой функции".

Однако существует широко распространенная (в том числе и среди физиков) традиция философского обсуждения проблем квантовой механики, где обсуждаются и "парадоксы" ("кота Шредитнгера" и др.) и проблема "редукции (коллапса) волновой функции" и, стремясь их решить, доходят до утверждения о включении сознания в формализм квантовой механики[3]. Так известный физик В. Гайтлер, следуя положениям "копенгагенской" интерпретации, приходит к заключению, что "появляется наблюдатель как необходимая часть всей структуры, причем наблюдатель со всей полнотой своих возможностей сознательного существа". Он утверждает, что в связи с возникновением квантовой механики "нельзя более поддерживать разделение мира на "объективную реальность вне нас" и "нас", сознающих себя сторонних наблюдателей. Субъект и объект становятся неотделимы друг от друга". Поппер полагает, что Гайтлер здесь дает "четкую формулировку доктрины включения субъекта в физический объект, доктрина, которая в той или иной форме присутствует у Гейзенберга в "физических принципах квантовой теории" и во многих других..." [цит. по 20, с. 74]. Поэтому стоит особо рассмотреть основания всех этих утверждений, которые, к тому же, на поверку оказываются не физическими, а философскими (мировоззренческими)[4].

2. Формулировка "проблемы редукции (коллапса) волновой функции"

Для удобства анализа разобьем формулировку проблемы "редукции (коллапса) волновой функции" на следующие утверждения:

утверждение 1: измерение есть явление, которое должно описываться квантовой теорией;

утверждение 2: на языке квантовой теории это явление описывается как мгновенное изменение волновой функции системы, от Y=S_kc_k|b_k> (в общем виде, в дираковских обозначениях, где |b_k> - собственная функция для оператора измеряемой величины b) к |b ₁ñ с вероятностью |c₁|² (в соответствии с правилами Борна); этот скачок и называется "редукцией (или коллапсом) волновой функции";

утверждение 3:такой переход не описывается уравнением Шредингера и поэтому оказывается "незаконным" с точки зрения уравнений стандартной квантовой механики. Выводимая из последнего утверждения (опирающегося на два первых) неполнота современной квантовой механики и необходимость дополнительного развития ее оснований и составляет суть того, что со времен фон Неймана имеют в виду под "проблемой редукции (коллапса) волновой функции".

Из попытки решения этой проблемы, путем расширения "копенгагенской интерпретации" вырастает особое направление в философии квантовой механики (на стыке "копенгагенской" ("боровской") и "антикопенгагенской" ("эйнштейновской") "интерпретаций" квантовой механики). Разделяя основные тезисы копенгагенцев о вероятностном описании и о том, что акт измерения порождает состояние, Фон Нейман показывает, что последний из них приводит к новой проблеме, добавляя тем самым еще один классический "парадокс" в копилку антикопенгагенцев, в поддержку их тезиса о неполноте (неокончательности) современной квантовой механики. Для решения этой проблемы в 1930-х гг. у самого фон Неймана (в его классической книге [18]) предлагается введение в формулировку квантовой механики наблюдателя, а во второй половине XX в. – сознания и такой экзотики как многомировая интерпретация Эверетта – Уиллера – ДеВитта.

В последней предполагается, что каждая компонента в суперпозиции |Y>=S_kc_k|b_k> "соответствует отдельному миру. В каждом мире существует своя квантовая система и свой наблюдатель, причем состояние системы и состояние наблюдателя скоррелированы. Процесс же измерения можно назвать… процессом "расщепления" миров. В каждом из параллельных миров измеримая величина b имеет определенное значение b_i, и именно это значение и видит наблюдатель, "поселяющийся в этом мире"" [1, с. 25]. Согласно М.Б. Менскому в этой интерпретации считается, что «различные члены суперпозиции соответствуют различным классическим реальностям, или классическим мирам… Сознание наблюдателя расслаивается, разделяется, в соответствии с тем, как квантовый мир расслаивается на множество альтернативных классических миров" [17, с. 423–424]. При этом "никакой редукции при измерении не происходит, а различные компоненты суперпозиции соответствуют различным классическим мирам, одинаково реальным. Любой наблюдатель тоже оказывается в состоянии суперпозиции, т.е. его сознание “расщепляется” ("возникает “квантовое расщепление” наблюдателя"), в каждом из миров оказывается “двойник”, сознающий то, что происходит в этом мире" ("для наглядности можно считать, что каждый наблюдатель “расщепляется” на множество наблюдателей-двойников, по одному для каждого из эвереттовских миров") [16] (такое расщепление сознания очень напоминает то, что в психиатрии называется шизофренией(греч. schizo – разделяю))[5]. К этому М.Б. Менский добавляет утверждение "что селекция альтернативы должна быть осуществлена сознанием" [17, с. 425] [6]. М.Б. Менский и др. полагают, что путь через такую интерпретацию и сознание – единственная альтернатива явлению "редукции волновой функции". Но так ли это?

В предисловии к статье М.Б. Менского "Концепция сознания в контексте квантовой механики" В.Л. Гинзбург пишет: "Не понимаю, почему так называемая редукция волновой функции как-то связана с сознанием наблюдателя. Например, в известном дифракционном опыте электрон проходит через щели и затем на экране (фотопластинке) появляется "точка", т.е. становится известно, куда попал электрон… Разумеется точки на экране наблюдатель увидит и на следующий день после осуществления опыта, и при чем здесь какая-то особая роль его сознания, мне непонятно" [17, с. 413-414]. Это – нормальная физическая позиция, идущая от Галилея и Ньютона: физик имеет дело с объектами и операциями (измерения состояний, приготовления системы), которые оторваны от конкретного "наблюдателя" и его (или их) сознания, т.е. объективированы. Эти операции четко описываются и не важно, кто их будет выполнять Петров, Иванов или автомат. Если полагается, что это не так – это уже не физика, а что-то иное.

На каком же основании некоторые физики пытаются ввести сознание в основания физики? Таким основанием служит притча о том, что в квантовой механике существует проблема измерения, ведущая к парадоксам "редукции (коллапса) волновой функции. При этом утверждается 1) существование этой проблемы, 2) необходимость для ее решения введения наблюдателя или сознания в квантовую механику (что такое сознание – никто толком не знает, но именно поэтому на него можно свалить все[7]). Притчу эту рассказывают видные физики. Однако, "аргумент от авторитета" уже в средние века считался слабейшим, а А.Эйнштейн предупреждал: "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..." ("О методе теоретической физики" (1933)).

В связи с этим проанализируем эту проблему более основательно. Для этого продолжим описание В.Л.Гинзбурга: "Если описывать состояние электрона после его взаимодействия с атомами в фотопластинке с помощью волновой функции, – говорит он, – то эта функция будет, очевидно отлична от первоначальной и, скажем, локализована в "точке" на экране. Это и называют обычно редукцией волновой функции" [17, с. 414].

В этом "очевидно" и состоит корень всей проблемы. Это "очевидно" лежит в основании исходной формулировки проблем "редукции (коллапса) волновой функции" и "квантового измерения" в [18]. Поэтому остановимся на этом "очевидно" и проанализируем, что же за ним стоит. Что "очевидно"? Очевидно, что измерение – это взаимодействие, это явление, которое можно теоретически описать, причем все без остатка. То есть очевидно «утверждение 1» (из приведенных выше трех утверждений). Но так ли это? “Появилась точка” и “произошел ”коллапс волновой функции” – не равнозначные утверждения. Первое – экспериментальный факт, второе – лишь возможная интерпретация этого факта. Поскольку последняя носит во многом не физический, а философский (натурфилософский) характер, и касается оснований физики, то надо эти основания и анализировать. Мне кажется, что многое объяснит небольшой экскурс в историю.

Структура эксперимента и механицистская редукция

Современная физика родилась в 17 в., ее истоками служат теория падения тела Галилея и динамика (механика) Ньютона. В первой было заложено фундаментальное отличие новой физики от умозрительной натурфилософии. Суть этого различия состояла в требовании материализации умозрительных построений с помощью операций приготовления (<П|) физической системы (например, гладкой наклонной плоскости, шарика, его помещения на определенной высоте) и измерения (|И>) соответствующих величин (времени, расстояния, скорости), которые предполагают наличие эталонов и операций сравнения с эталоном. Эти операции были заимствованы из техники. В результате возникает гетерогенная "теоретико-операциональная" структура физического эксперимента (приводимая Фоком [22] в контексте спора с Бором) [8], выражающая важнейшие черты "научной революции XVII века":

<П| X(T) |И>. (1)

Здесь средняя часть отвечает теоретической модели явления (объекта или процесса) или самому явлению, если модели нет, и идет чисто экспериментальное исследование (которое нас пока интересовать не будет). При этом очень важны два момента: 1) именно операционные части <П| и |И> отличают физику от умозрительной натурфилософии; 2) эти операции – особый материал, это технические операции, а не явления природы.

Так в Древней Греции науке о природе соответствовала натурфилософия (например, атомизм Демокрита), строящая онтологические модели «первой природы», и примыкавшая к ней физика Аристотеля, определенная им как наука о движении. При этом философия, натурфилософия и физика Аристотеля не имели ничего общего с техникой (механикой машин), с помощью которых мастеру удавалось перехитрить природу. Техника – это «вторая природа», предполагающая существование «первой природы», являющейся предметом натурфилософии. Со времен Древней Греции до Нового времени господствовали представления, что «область механики – область технической деятельности, тех процессов, которые не протекают в природе как таковой без участия и вмешательства человека. Предмет механики – явления, происходящие «вопреки природе», т.е. вопреки течению физических процессов, на основе «искусства» (tecnh) или «ухищрения» (mhcanh)… «Механические» проблемы… представляют самостоятельную область, а именно – область операций с инструментами и машинами, область «искусства»… Под механикой понимается некое «искусство», искусство делать орудия и приспособления, помогающие одолеть природу…» [5, с. 9-11]. В XVII в. рассматриваемые две линии двигались раздельно. Математизированная натурфилософия (характеризовавшаяся метафорой "книги Природы, написанной на языке математики") искала законы естественного движения – «законы природы», не зависящие от деятельности человека. Не случайно знаменитый труд Ньютона называется «Математические начала натуральной философии», а не "механика", как это раздел физики стали называть позже. Машины же создавались искусством инженеров-механиков (порой с использованием механики-физики, как это было у Гюйгенса при расчете механизма часов), суть машины определялась людьми и сводилась к определенным функциям. Действия людей противопоставлялись природным явлениям, это были две разные области – области «второй» и «первой» природы.

У Галилея эти две линии пересекаются и порождают физический эксперимент и новую естественную науку – физику, которая в развитом виде представлена в "Математических началах натуральной философии" Ньютона. В этой новой физике используются операции приготовления и измерения относящиеся ко "второй" природе. Т.е. в структуре (1) средний член – принадлежащее "первой" природе явление, составляющее предмет исследования с помощью физических (естественнонаучных) понятийных средств, а крайние члены – принадлежащие "второй" природе технические средства. Важнейшим моментом структуры (1), образующей новое целое, является то, что эти крайние члены – не явления, а операции, действия человека, причем любого человека или даже автомата. Т.о. структура (1) включает кроме эмпирического явления и его теории еще и операции приготовления (<П|) и измерения (|И>), которые заимствованы из техники и имеют другую («вторую») природу.

Однако в начале XIX в. П. Лаплас порождает натурфилософию нового типа, в которой использует, вроде бы, понятия механики Ньютона, но без крайних операциональных частей. В результате чего по внешнему впечатлению они вытекают из физики, а по сути – типичные чисто умозрительные натурфилософские понятия. Эта натурфилософия стала называться механицизмом. Этот механицизм имеет несколько аспектов. Во-первых, это всеобщий детерминизм, отрицающий свободную волю: "Всякое имеющее место явление связано с предшествующим… мы должны рассматривать настоящее состояние вселенной как следствие ее предшествующего состояния и как причину последующего". "Воля, самая свободная, не может породить эти действия без побуждающей причины" (по сути здесь все живое сводится к сложной машине, предполагающей в качестве источника активности некую внешнюю силу). Во-вторых, - отрицание случайности – случайность есть "лишь проявление неведения, истинная причина которого – мы сами" [8, с. 8–9].

Но самая главная для нас черта механицизма – редукционизм, сведение всего к механике (в XIX в. – классической). Суть этого редукционизма, и одновременно отношение к этому физиков очень ярко выразил видный физик и философ конца XIX в. Э.Мах: "Как бы вдохновенным тостом, посвященным научной работе XVIII ст., – говорит он – звучат часто цитируемые слова великого Лапласа: "Интеллект, которому были бы даны на мгновение все силы природы и взаимное положение всех масс и который был бы достаточно силен для того, чтобы подвергнуть эти данные анализу, мог бы в одной формуле представить движения величайших масс и мельчайших атомов; ничего не было бы для него неизвестного, его взорам было бы открыто и прошедшее и будущее". Лапалас разумел при этом, как это можно доказать, и атомы мозга... В целом идеал Лапаласа едва ли чужд огромному большинству современных естествоиспытателей..." [14, с. 153]. Эту лапласовскую редукционистскую логику, основанную на тезисе – все состоит из атомов, атомы подчиняются физическим законам, следовательно, все должно подчиняться физическим законам (для Лапласа – законам динамики и тяготения Ньютона), в ХХ в. на основе законов квантовой механики почти слово в слово воспроизводят Э.Шредингер и многие другие видные физики: "Если квантовая теория способна дать полное описание всего, что может произойти во вселенной, то она должна иметь возможность описать также сам процесс наблюдения через волновые функции измерительной аппаратуры и исследуемой системы. Кроме того, в принципе, квантовая теория должна описать и самого исследователя, наблюдающего явления при помощи соответствующей аппаратуры и изучающего результаты эксперимента ... через волновые функции различных атомов, составляющих этого исследователя" [2, с. 668]. Эта же логика применима и в отношении операций приготовления: все приборы, инструменты и исходные материалы, а также манипулирующий ими человек, состоят из атомов, которые взаимодействуют между собой (все со всем связано), поэтому не бывает замкнутых систем и неоткуда взяться чистым состояниям отдельных микрочастиц, описываемых волновыми функциями.

Итак, в механицизме «вторая» природа растворяется в «первой» и забывается принципиальная разница между техническими операциями, связанными с деятельностью человека и естественными явлениями природы. Лапласовская натурфилософия, которая, по сути, превращала измерение (и приготовление) в явление, разрушая структуру эксперимента (1), не имела серьезных последствий для физики того времени, где по-прежнему царствовала структура (1), и никто всерьез не рассматривал вопрос об описании с помощью уравнений Ньютона операцию измерения длины стержня.

Иная ситуация возникла в квантовой механике XX в. Здесь И. Шредингер (в "кошке Шредингера") и многие другие физики, повторив рассуждение Лапласа (с точностью до замены механики Ньютона на квантовую механику), породили «проблему измерения в квантовой механике» и связанную с этим проблему «редукции (коллапса) волновой функции».

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: