Главная > Физика > Квантовая механика, Т.1
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Раздел IV. ОПИСАНИЕ ЯВЛЕНИЙ В КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ. ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТЬ И ПРИЧИННОСТЬ

§ 15. Проблемы статистической интерпретации

Несомненно, что представление состояния квантовой системы волновой функцией имеет абстрактный характер, а статистическая интерпретация теории с трудом поддается интуитивному

восприятию. Однако попытки описания микроскопических явлений на основе более конкретных и интуитивно ясных моделей неизбежно сталкиваются с рядом противоречий.

Рассмотрим, например, атом гелия. Чтобы не усложнять картины, допустим, что ядро атома неподвижно и масса его бесконечно велика. Это значит, что мы трактуем атом как систему, состоящую из двух электронов с волновой функцией . Проще всего представить себе две корпускулы (два электрона), движущиеся более или менее сложным образом вокруг массивного ядра. Однако при этом подразумевается, что каждый электрон следует вполне определенной траектории, в то время как волновая функция позволяет нам найти только статистическое распределение координат при измерении положения и статистическое распределение составляющих импульса при измерении импульса. Поскольку мы допустили, что динамическое состояние атома полностью определяется волновой функцией неизбежен вывод, что корпускулярная модель атома частично неверна. Можно, наоборот, мыслить себе два электрона как непрерывное распределение электричества в пространстве, окружающем ядро, или, лучше, как непрерывную волну, «заряженную» электричеством. Но эта картина также не свободна от трудностей. Во-первых, волна определена в конфигурационном, а не в обычном трехмерном пространстве, поэтому она не может быть отождествлена с той конкретной волной, о которой мы говорим. Точное определение этой последней есть задача, до сих пор не получившая своего решения. Во-вторых, образ непрерывной волны не может быть согласован с некоторыми явлениями, такими как ионизация атома, где проявляется существование отдельных и в какой-то мере локализованных корпускул.

Разумеется ничто не доказывает, что согласованное и вполне предметное представление микроскопических явлений не можег быть сформулировано. Тем не менее, до сих пор никому не удалось этого сделать. Впрочем, следует отдавать себе отчет в том, что с точки зрения логики более или менее абстрактные концепции физической теории вовсе не обязаны выражаться на конкретном языке. Вся наша интуиция, все наше чувство конкретного основываются на каждодневном опыте, и понятия и образы, используемые для конкретного описания явления, каким бы оно ни было, также взяты из этого опыта. Нет никаких оснований думать, что язык таких понятий может быть без противоречий использован для описания явлений микроскопической физики, столь удаленных от повседневного опыта. Эти явления дают только один пример подобных трудностей. Аналогичным образом некоторые результаты теории относительности также

противоречат нашей интуиции, таковы, например, явления сокращения длин и растяжения времени, когда относительная скорость двух систем отсчета близка к скорости света с. Не удивительно поэтому, что конкретные образы микроскопических явлений при их последовательном развитии приводят к противоречиям и парадоксам.

Полезно в этой связи отметить аналогию между ролью постоянной Планка h в квантовой теории и ролью постоянной с в теории относительности. Тот факт, что скорость света с конечна, приводит к пересмотру понятия одновременности и ограничивает поэтому область применимости механики Ньютона. Аналогично тот факт, что постоянная h конечна (а не равна нулю), приводит к пересмотру понятия одновременных измерений и ограничивает область применимости классической теории. Конкретные образы из нашего повседневного опыта относятся к миру, где с кажется бесконечной, a h кажется равной нулю, поэтому они не могут быть перенесены как таковые в область, где то или иное из этих приближений теряет силу.

Таким образом, отсутствие в квантовой теории наглядного представления явлений ни в коей мере не может рассматриваться как недостаток теории. Однако квантовая теория может быть подвергнута критике с других позиций.

Вопрос в том, отвечает ли описание явлений в квантовой теории тем требованиям, которые мы вправе предъявить ко вполне удовлетворительной теории? Первое требование к теории, конечно, состоит в том, чтобы ее предсказания согласовывались с экспериментальными наблюдениями; совершенно очевидно, что квантовая теория удовлетворяет этому требованию, во всяком случае в области атомной и молекулярной физики. Но физическая теория не может претендовать на полноту, если она ограничивается только предсказаниями результатов того или иного эксперимента. В начале всякой научной теории лежит фундаментальный постулат, что природа обладает объективной реальностью, не зависящей от наших чувственных восприятий или методов исследования; целью всякой физической теории является адекватное отражение этой объективной реальности.

Однако все выводы квантовой теории всегда выражаются в форме: «выполняя то или иное наблюдение, мы получим тот или иной результат». Законно поставить вопрос, дает ли квантовая теория полное описание объективной реальности?

Вопрос этот тем более обоснован, что предсказания теории имеют статистическую природу. В классической теории к статистическим методам прибегают в тех случаях, когда информация, которой мы обладаем относительно изучаемых систем, является неполной. Концепции классической статистической теории не позволяют дать полное описание объективной реальности, они позволяют только получить некоторые средние величины и некоторые результаты, касающиеся исследуемых физических систем, несмотря на недостаток сведений относительно этих систем. Эти результаты, строго говоря, неприменимы к отдельной системе, они относятся к ансамблю из очень большого числа одинаковых и независимых систем. Аналогичным образом квантовая теория в общем случае не дает с достоверностью результат того или иного измерения в отдельной системе, она дает статистическое распределение результатов, получаемых при повторении того же самого измерения на совокупности очень большого числа систем, представляемых одной волновой функцией.

Напрашивается вывод, что квантовая теория дает корректное описание статистических ансамблей систем из микроскопических объектов, но не может претендовать на полное описание каждой системы, взятой в отдельности. Согласно этой точки зрения, знания волновой функции недостаточно для полного описания динамического состояния отдельной физической системы. Для этого потребовалось бы некоторое число дополнительных данных, которые мы не можем получить ввиду несовершенства наших средств наблюдения. Другими словами, динамическое состояние физической системы должно определяться в каждый момент времени некоторым числом скрытых параметров, эволюция которых во времени определяется строгими законами. Невозможность предсказать с достоверностью результаты данного измерения обусловлена невозможностью узнать точные значения этих скрытых параметров. Волновая функция, следовательно, не представляет объективное состояние изучаемой системы, это скорее математический объект, содержащий всю ту неполную информацию, которую мы имеем относительно системы.

Хотя это мнение вполне можно защищать, в настоящее время наибольшее распространение имеет точка зрения, согласно которой квантовая теория дает полное описание явлений природы (см. сноску на стр. 57). При этом основываются на анализе, которым мы обязаны Бору (1927), особых условий выполнения наблюдений в микромире, а также на общем принципе, вытекающем из этого анализа, — принципе дополнительности.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление