Квантовая механика и индетерминизм

Несмотря на то, что философский смысл термина «индетерминизм», включающий представление о случайном характере наступления многих событий, относится также к глубокой древности (Эпикур и др.), особую актуальность индетерминизм приобрел в связи с установлением соотношения неопределенностей в квантовой механике. Принцип неопределенности, как уже говорилось в предыдущей главе, был введен в квантовую механику Вернером Гейзенбергом в 1927 г. Этот принцип утверждает, что некоторые пары физических величин, называемых «сопряженными», невозможно в принципе одновременно точно измерить. Например, сопряженными величинами являются координата некоторой частицы (q) и ее импульс (р), представляющий собой произведение массы частицы на ее скорость (р = т • v). Принцип неопределенности квантовой механики гласит, что если мы попытаемся точно определить (задать) координату любого объекта микромира в некоторый момент времени, то мы не сможем точно задать его импульс и наоборот. Более точно этот принцип выражается формулой.

где h — постоянная Планка (h ~ 6, 626 • 10″ ²⁷ эрг. с).

Другими словами, в отличие от классической механики квантовая механика утверждает, что если мы точно знаем, где находится частица, то принципиально нельзя столь же точно определить ее импульс и наоборот. Конечно, на практике неточности измерения такого рода сопряженных величин всегда значительно превышают значения постоянной Планка. Но суть дела в том, что квантовая механика теоретически вводит (постулирует) неопределенность в основные физические законы и утверждает, что эта неопределенность принципиально не может быть устранена путем, скажем, усовершенствования измерительной техники.

Столь же существенное различие между классической физикой и квантовой механикой состоит в понимании характера взаимосвязи между состояниями физической системы. В классической физике состояние физической системы в какой-либо момент времени (t_x) считается заданным, если для каждой из ее составляющих точно известны значения, например, значение ее координаты и импульса. Законы классической механики таковы, что исходное состояние системы в момент времени t_{ однозначно определяет ее последующее состояние (т.е. значения всех ее параметров) в любой момент времени t₂ В квантовой механике ситуация существенно иная. Здесь состояние системы также считается полностью заданным, если для всех ее составляющих известно значение их координат и импульсов. Но здесь, в соответствии с принципом неопределенности, все значения не могут быть одновременно точными. В квантовой механике связь между состояниями системы описывается так называемой «волновой функцией» с помощью уравнений, известных как дифференциальные уравнения Шредингера. Эти уравнения примечательны тем, что они, с одной стороны, однозначно определяют состояние системы в момент времени t₂ на основе заданного множества значений параметров ее состояния в момент t_v

Казалось бы, имеет место полная аналогия с классической механикой. Однако, это не так. Хотя уравнение Шредингера имеет математическую форму детерминистского закона, однако, оно однозначно предсказывает лишь вероятность возможных значений состояния системы в момент t₂ на основе значений ее состояния в момент t_x В отличие от классической механики, квантовая теория не дает однозначно точных предсказаний для всех состояний системы в будущем, а лишь предсказывает их вероятностное распределение.

Проблема онтологического статуса случайных явлений остро зазвучала именно потому, что согласно квантовой механике причинно-следственные отношения отнюдь не всегда можно выразить однозначно. При более детальном изучении явлений природы оказалось, что между многими событиями не существует жесткой однозначной связи и линейные причинно-следственные отношения здесь нарушаются. В свою очередь и развитие социальных наук показало, что между многими социальными процессами и явлениями также отсутствуют однозначные причинноследственные связи.

В связи с этим перед учеными возник фундаментальный вопрос: какова же природа случайности и механизм ее возникновения? Ответить на эти вопросы пытались многие выдающиеся ученые, в частности, М. Смолуховский, Луи де Бройль, Н. Бор, А. II. Колмогоров и др.

Первое перспективное решение этой проблемы дал известный французский математик и философ А. Курно. В 1843 г. в работе «Изложение теории возможностей и вероятностей» 181 он четко относит случайность к области объективного существования и считает, что случаю принадлежит достойное место в управлении природой и миром в целом, наряду с причинностью и необходимостью.

При характеристике познавательных способностей человека, Курно, в противовес Лапласу, отмечает, что вероятностные знания, которыми мы обладаем, зависят не только от нашей способности познавать, но являются также адекватным отражением самой реальности. Даже если бы ум человеческий был абсолютно непогрешим, ему пришлось бы довольно часто пользоваться вероятностями. Согласно Курно, многие события вероятностного характера являются результатом действия объективной случайности.

На позиции объективной природы случайных явлений стоял также А. Пуанкаре. Следующим примером Пуанкаре показывает закономерность случайных явлений и независимость их от нашего знания или незнания. Так, директор общества страхования жизни точно не знает, когда умрет каждое из застрахованных им лиц, но, опираясь на теорию вероятности и закон больших чисел, он, тем не менее, довольно точно рассчитывает вероятность их смерти в определенное время, а его акционеры благополучно получают прибыль. Эта прибыль никак не увеличилась бы, если бы какой-нибудь очень проницательный и очень нескромный врач стал бы, раз полисы уже подписаны, давать директору сведения о том, каковы шансы на жизнь каждого из застрахованных лиц. Этот врач рассеял бы незнание директора, но не оказал бы никакого влияния на прибыль общества, которая, очевидно, не является продуктом этого незнания.

Следует подчеркнуть, что и в настоящее время не утихают философские и научные споры о детерминизме, природе случайных явлений, а также об онтологическом статусе вероятности. Например, при объяснении статистического описания характера поведения микрообъектов, высказываются существенно различные точки зрения:

• 1) статистический характер поведения микрообъектов есть следствие квантовой природы микрочастиц, объективного соотношения неопределенностей. (Бор, Гейзенберг и др.) [2, 5];
• 2) вероятностный характер квантовой механики и ее законов обусловлен неполнотой наших сегодняшних знаний о микрообъектах, наличием пока неизвестных современной науке «скрытых параметров» их поведения (Эйнштейн, Луи де Бройль, Бом, Вижье и др.) [1,4, 131;
• 3) статистичность квантовой механики определяется тем, что она исследует поведение не отдельных микрочастиц, а статистических ансамблей микрочастиц (Блохинцев, Никольский и др.).

Проблема соотношения динамических и статистических закономерностей, различных форм причинной связи («жесткой», однозначной и неоднозначной, вероятностной) в свое время оказалась в центре многолетней дискуссии Нильса Бора и Альберта Эйнштейна, но проблемам теории познания в атомной физике. Главный предмет спора наиболее четко был сформулирован в заголовке статьи Эйнштейна, Подольского и Розена: «Можно ли считать, что квантово-механическое описание реальности является полным?» [ 131. В ней речь шла о том, какую позицию следует занять по отношению к «отклонениям» от привычных (классико-механических) принципов описания реальности, которые характерны для квантовой механики? Аргументация трех авторов статьи против стандартной интерпретации квантовой механики Н. Бором, В. Гейзенбергом и др. основывалась на следующем критерии: «Если мы можем без какого бы то ни было возмущения системы предсказать с достоверностью (т.е. с вероятностью, равной единице) изменение некоторой физической величины, то существует элемент физической реальности, соответствующий этой физической величине».

Отсюда делался вывод о неполноте построенного Бором, Гейзенбергом и др. квантово-механического описания реальности, и выражалось убеждение в том, что необходимо и возможно более полное описание квантовых явлений. В свою очередь, Бор опровергал эти соображения с позиций соотношения неопределенностей и выдвинутой им концепции дополнительности, настаивая на «полноте» существующего вероятностного квантово-механического описания. В метафорической форме суть спора выглядела так. А. Эйнштейн: «Не верю, что Бог играет в кости». Н. Бор: «Давайте не будем сюда вмешивать Бога».

Сегодня все больше ученых считают, что необходимость и случайность внутренне взаимосвязаны между собой, что они одинаково «первосортны» и взаимно дополняют одна другую, подобно динамическим и статистическим закономерностям, основу которых они и составляют. В одной из лекций Бор образно охарактеризовал соотношение между ними следующим образом: инженер может успешно рассчитать прочность, надежность конструкции моста по законам обычной механики, на основе динамических закономерностей; однако попытки применить эти же законы для описания структуры вещества, из которого построен мост, для объяснения стабильности, «надежности» строения атомов, не дают адекватных результатов; здесь требуется применение статистических законов квантовой механики.

Выход из сложившейся ситуации подавляющее большинство современных физиков и философов видят в необходимости различения общего понятия причинности и ее разновидностей: «однозначной» и «вероятностной» причинности. Причем это относится как к классической, так и к квантовой механике. Этим способом физики надеются согласовать позиции сторонников детерминизма и индетерминизма и устранить былую «непримиримость» между ними.

Ясно, что одним из необходимых условий такого примирения должен быть единый подход к истолкованию категории «вероятность». Однако, как показывает анализ реального употребления данного понятия в науке и практике, здесь (в силу разных причин) еще далеко до консенсуса в выработке единого и общего подхода, в признании законности и равноправности различных интерпретаций вероятности.