Парадоксы квантовой физики

ПАРАДОКСЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ - парадоксы, возникающие из необходимости интерпретировать мир квантовых явлений на языке классических представлений. Несмотря на сложную математическую надстройку, квантовая механика в своей основе сугубо эмпирическая наука. Ее эмпирический характер очень ясно проявляется в выборе фундаментальных констант, входящих во все уравнения теории. Численные значения этих констант можно взять только из опыта. Таких фундаментальных констант довольно много: заряд и масса электрона, масса протона, постоянная Планка, скорость света и др.

Со времен Галилея основным методом физического исследования природы является эксперимент. Теоретическая интерпретация его результатов потребовала введения специальных понятий, которые с точки зрения классического естествознания казались относительно простыми, — масса, сила, энергия и др. С переходом к исследованию мира микроскопических явлений характер научных теорий резко изменился.

Для установления основополагающих принципов квантовой физики, пишет по этому поводу Б. Рассел, «мы должны распрощаться со всякими наглядными изображениями того, что происходит в атоме, и должны оставить попытки сказать, что представляет собой энергия. Мы должны сказать просто: имеется нечто количественно измеримое, чему мы даем название «энергия»; это нечто весьма неравномерно распределено в пространстве; имеются весьма малые области, в которых сосредоточены очень большие количества этого нечто и которые называются «атомами»... Квантовые уравнения дают правила, определяющие возможные формы энергии, испускаемой данным атомом».

Все это, с одной стороны, делает теоретическую физику эзотерическим учением, которое доступно лишь немногим адептам, а с другой — приводит к возникновению многих П.к.ф. К числу таковых относятся корпускулярно-волновой дуализм и парадокс Эйнштейна— Подольского—Розена. В качестве других примеров укажем мысленный эксперимент Э. Шредингера с кошкой и проблему редукции волновой функции. Шредингер предложил вообразить кошку, посаженную в закрытый ящик, под который заложена бомба. Взрыв происходит при спонтанном прохождении радиоактивной частицы через счетчик Гейгера, соединенный с бомбой. В силу спонтанности процесса в классике его результат очевиден — кошка либо погибает, либо остается жива, если взрыв не состоялся. Иной ответ дает квантовая теория: прохождение частицы через камеру счетчика Гейгера подчиняется принципу суперпозиции альтернативных состояний. И следовательно, возможно такое состояние, когда кошка ни жива, ни мертва или, что то же самое, и жива, и мертва одновременно. Очевидно, этот строгий с точки зрения квантовой теории результат противоречит здравому смыслу.

Другой парадокс, касающийся редукции волнового пакета, состоит в том, что волновая функция, которая описывает данную систему, меняется скачком в тот момент, когда наблюдателю становится известен результат наблюдения. Если до измерения система характеризуется суперпозицией состояний, то после измерения она оказывается лишь в одном чистом состоянии. Согласно копенгагенской интерпретации этого парадокса, когда завершается переход от возможного к действительному, иными словами, когда осуществляется выбор действительного из «статистической смеси» состояний, решающую роль в этом играет наблюдатель. Механизм этого выбора состоит в неконтролируемом взаимодействии системы с измерительным прибором и остальным миром.

Эти парадоксы иллюстрируют важную особенность квантовой физики, заключающуюся в том, что в ней допускается нарушение принципа классической логики «Tertium поп datur» — третьего не дано. В квантовой теории этот закон должен быть изменен.

Приведем еще один пример нарушения этого принципа, относящийся к понятиям материальных частиц и силы, которые трактуются в классической физике как полностью самостоятельные. В квантовой физике, пишет В. Гейзенберг, «это различие силы и вещества полностью исчезает, т.к. всякое силовое поле содержит энергию и в этом отношении представляет собой также часть материи. Каждому силовому полю соответствует определенный вид элементарных частиц. Частицы и силовые поля — только две различные формы проявления одной и той же реальности».

Литература:

Рассел Б. Человеческое познание. Киев, 1997;

Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М., 1989.

Словарь философских терминов. Научная редакция профессора В.Г. Кузнецова. М., ИНФРА-М, 2007, с. 404-405.