Соотношение неопределенности Гейзенберга

СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ГЕЙЗЕНБЕРГА

Соотношение неопределенности Гейзенберга рассматривается как  закономерность, не поддающаяся нашим  представлениям о реальности. Между  тем при отказе от связи соотношения  с волновой функцией и ее “вероятностной интерпретацией” обоснование соотношения  становится простым и очевидным. Исходим из положений, что при  использовании этого соотношения  измеряется действие, кратное h — постоянной Планка и, если действие определяется сопряженными параметрами. то измерение каждого из них в отдельности невозможно. В этом случае точность измерения принципиально не может превосходить значенияh. Измерение каждого параметра связано с соответствующей “градуировкой” мерительного инструмента. При оценке точности измерения сопряженных параметров их измерение должно происходить не просто одновременно, а путем единого измерения. В этом случае, например, “парадокс Эйнштейна – Подольского – Розена” теряет смысл. Воздействие мерительного инструмента на результат измерения не является спецификой микромира и, соответственно, квантовой механики. 

Соотношение неопределенности Гейзенберга представляется как  одно из основных, фундаментальных  положений квантовой механики.  
Приводим характеристику, данную этому соотношению Л. Д. Ландау:     “Открытие принципа неопределенности показало, что человек в процессе познания природы может оторваться от своего воображения, он может открыть и осознать даже то, что ему не под силу представить”. Точка зрения Ландау отражает распространенное мнение о соотношении неопределенности Гейзенберга. Рассмотрим положения, в основном, сформулированные авторами квантовой механики, связанными с изложением и трактовкой этого соотношения, которые могут оправдать приведенную характеристику.

1. “Классическая физика  как раз и кончается в том  месте, где нельзя уже отказаться  от учета влияния наблюдателя на исследуемые процессы”. “Невозможность отдалить самостоятельное поведение от их взаимодействия с измерительными приборами, предназначенных для изучения условий протекания явления, влечет за собой неоднозначность в приписывании обычных атрибутов атомным явлениям. Это обстоятельство вызывает необходимость пересмотра нашего отношения к проблеме физического объяснения”.

Данный фактор, в действительности, имеет место и в процессе обычных  измерений, описываемых с помощью  классической механики. Но влияние  измерительного прибора и методики измерения либо учитывается и  вводится поправка, либо результат  измерений фигурирует как условный, т. е. оговаривается методика. Во всяком случае, этот фактор достаточно очевидный  и не выглядит парадоксальным.

2. “Специфическая неточность, обусловленная соотношением неопределенности, в классической физике отсутствует”.

“В квантовой механике мы встречаемся с парадоксальной ситуацией — наблюдаемые события  повинуются закону случая… Сегодня  порядок идей обратный [по сравнению  с “предвзятыми идеями о причинности”]: случайность стала первичным понятием”. “С точки зрения квантовой теории нет никакой причины, по которой [например] распались имменно эти ядра, они распались “просто так”, спонтанно. Квантовая теория предсказывает лишь вероятность распада ядер”.

В данном случае отрицается наличие причины происходящих явлений. Это часто используемый в квантовой механике способ “решения научных задач”: проблема “закрывается” путем провозглашения соответствующего “закона” или “принципа”. Для Борна “детерминизм” являлся ярлыком, характеризующим неприятие “современной” науки. Его совершенно не устраивала и “компромиссная” теория “скрытых переменных”.

В основе мистического миропонимания  лежит аналогичное восприятие необъяснимого: подразумевается, что феномен, недоступный  нашему пониманию, находится вне  сферы возможности его объяснения.

Следует отметить, что не все классики квантовой механики придерживались этой теории, в частности, против нее решительно выступал Планк: “ если подобный шаг оказался бы действительно необходимым, то тем самым цель физического исследования была бы значительно отброшена назад, что нанесло бы значительный ущерб, значение которого нетрудно оценить”. Тем не менее, подобное толкование “принципа неопределенности” вошло в ортодоксальную науку.

3. Соотношение неопределенности  ряд авторов рассматривал как  отражение волновых свойств частиц  — следствие корпускулярно-волнового  дуализма. “Соотношения неопределенности  Гейзенберга непосредственно вытекают  из положения, что элементами  новой картины мира являются  не материальные частицы, а  простейшие периодические волны материи” . “Соотношения неопределенности следуют из способа которым связываются с помощью постоянной h корпускулярная и волновая сторона единых объектов вещества и излучения”.

Однако эта точка зрения не является обоснованной, о чем, в  частности, свидетельствует вывод  соотношения Гейзенбергом без “непосредственного обращения к волновой картине  с помощью математической схемы квантовой теории”.

4. Соотношение неопределенности  Гейзенберга показывает, что “между  точностью, с которой одновременно  может быть установлено положение  частицы, и точностью ее импульса  существует определенное соотношение” [2]:

q  p ≥ h , (1)  
где   — среднеквадратичное отклонение. Нетрадиционное обозначение в формуле вводится для того, чтобы подчеркнуть отличие   от единичного отклонения, которое часто обозначается символом D , что в отдельных случаях вызывает неверное толкование формулы.

О неприятии данного соотношения  в период становления квантовой  теории свидетельствуют дискуссии  между Эйнштейном и Бором и, в  частности, т. н. “парадокс Эйнштейна  – Подольского – Розена”, в  котором предполагается “мысленное”  одновременное измерение импульса и координаты у двух частиц – “двойников”.

Характерная деталь: анализ приведенного выражения проводится так, как будто это эмпирическая формула, а не соотношение, полученное аналитическим путем. В результате трактовка соотношения оказывается  не связанной с предпосылками  и условностями, которые подразумевались  при его выводе, и это является одной из причин тех парадоксов, которые связываются с данным соотношением. Конкретно, эти противоречия отметим в заключении нашего анализа.

Приводим относительно простой  вывод соотношения, делая упор на исходные постулаты и условности.

1. В основе соотношения  лежит формула Планка, отражающая  положение о квантовании “действия”:

E = nh  
(E —энергия фотона, n — частота электромагнитной волны)

или ее следствия:

 
(p — импульс, l — длина волны).

Приращение “действия”, соответствующее h ,

DS_h = p Dq 
(Dq — приращение координаты)

или при одновременном  изменении p и q [11]

DS_h = Dp Dq .(2)

2. Отметим, что проявление импульса невозможно без перемещения, а проявление энергии — вне времени. Под “проявлением” подразумевается регистрация путем взаимодействия объекта с наблюдателем, с измерительным прибором. Это условие справедливо и в классической механике.

3. В случае использования  соотношения неопределенности, а  возможно и в общем случае, измеряется “действие”, а не его компоненты — импульс, координаты, энергию, время.

Знаменательно — в действии объединены три основополагающие понятия: сила, длина, время. Измерительный же прибор “отградуирован”, соответственно, на импульс, координаты, энергию и время.

4. Неопределенность — это принципиальная невозможность определить величину параметра, а не результат влияния помех или ошибки измерения, подчиненных вероятностным законам, если их точное воздействие неизвестно.

Неопределенность, которую  нельзя устранить, имеет место и  в классической механике, она просто объясняется и легко воспринимается. Это случай, когда ограничена разрешающая  способность конкретного измерительного инструмента: слишком велика при  измерении “цена деления”, т. е. измерение осуществляется с помощью  определенного шаблона, а требуется  точность более высокая, чем та, что  обеспечивается размерами или другими  параметрами шаблона. Ни у кого, например, не вызывает удивления, что величина разрешения, достигаемого микроскопом, ограничена длиной волны в луче освещения. Эта неопределенность не связана  с нашим незнанием причины  погрешности, тем более, что этой причины не существует — у нас нет методики или инструмента для более точного определения измеряемого параметра.

5. В соотношении неопределенность  рассматривается как фактор, вызывающий  ошибку. Следовательно, формально  предполагается стремление получить  большую точность, чем та, которая  может обеспечить дискретная  величина кванта действия.

Если проводим измерение  длины R линейкой с ценой деления r , то мы можем сказать, что гарантированная точность — ± r и абсолютная ошибка измерения — D R = r. Но если мы из результата измерения хотим оценить возможноезначение R с большей точностью, чем допускается цена деления, то D R ≤ r.

Из примеров использования  соотношения, которые приводит Гейзенберг [9], следует, что имеется в виду первый вариант, то есть под неопределенностью  в соотношении понимается — невозможность  определения значения параметра, связанная  с его оценкой исключительно с той точностью, которая обеспечивается методикой.

Приведенные положения исходя из формулы (2) позволяют выразить, в соответствии с п. 5, ошибку измерения действия

DS ≥ Dp Dq ≥ DS_h = h (3)  
DS ≥ DE Dt ≥ DS_h = h (4)

Если соотношению удовлетворяют  каждое конкретное измерение, то ему  соответствует результат при  их статистической обработке — (1), и  его разновидность — соотношение  неопределенности Бора:

E  t ≥ h . (5)

Выражения (1) и (5), включающими  усредненную погрешность, не являются основными — они приводятся в  связи с традиционным представлениям соотношения. Значительно большее теоретическое и практическое содержание заключено в формулах (3), (4).

Традиционное выражение  соотношения связано с укоренившимся  взглядом на волновые свойства частиц, который представляется цепочкой: частица  — волновой пакет — вероятностная  интерпретация волновой функции, по которой рассматривается только вероятность характеристик частицы. Даже тогда, когда Гейзенберг выводит  соотношение “без обращения к  волновой картине”, он рассматривает  среднеквадратичное отклонение p и q , при этом приписывает этим величинам гауссовское распределение вероятности [5], хотя, как указывалось, основной фактор, влияющий на погрешность, не связан со случайными воздействиями, да их и может не существовать. Использование волновой функции [12,13], даже, считая ее абстракцией, затмевает физическую сущность соотношения.                                          

Выводы

Изложенное меняет распространенное представление о соотношении  неопределенности и связанных с  ней парадоксах.

1. Влияние измерительного инструмента н одновременное его воздействие на результат измерения сопряженных параметров не является спецификой квантовой механики и рассматриваемого соотношения. Специфичным является феномен квантования “действия”.
2. Соотношение неопределенности не отражает волновых свойств частиц [14] (см. в настоящем сборнике: Бернштейн В. М. Развитие электродинамики Гаусса – Вебера. Квантовая механика без волновой теории.)
3. Специфическая неопределенность соответствует невозможности определения параметров отдельной частицы и не отражает вероятностный подход, относящийся к ансамблю частиц.
4. Специфическая неопределенность отдельно каждого из сопряженных параметров определяется методикой измерения.

Связь между точностями измерения  сопряженных параметров имеет место не просто при одновременном измерении обоих параметров, а при едином измерении, соответствующим определению количества квантов действия с параллельной, зависящей от используемой методики измерения, оценкой их компонентов — сопряженных параметров. Моделью подобного измерения является индикатор, в котором имеются три шкалы, отградуированные не только в квантах действия, но и в измеряемых сопряженных параметрах.

Следовательно, “парадокс  Эйнштейна – Подольского –  Розена” с отдельным измерением параметров “частиц-близнецов” не соответствует условиям, на которые распространяется соотношение неопределенности. Соответственно, и соотношение не выглядит столь парадоксальным.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ландау Л. Д. Теория квант от Макса Планка до наших дней. В кн. Макс Планк. М., из-во АН СССР, 1958, с. 94 – 108.
2. Гейзенберг В. Развитие квантовой механики. В кн. Гейзенберг В., Шредингер Э., Дирак П. А. М. Современная квантовая механика. Три нобелевских доклада. М., ГТТИ, 1934, с. 13 – 35.
3. Бор Н. О понятии причинности и дополнительности. Бор Н. Избранные труды, т. 2. М., Наука, 1971, с. 391 – 397.
4. Гейзенберг В. Физика и философия. М., ИЛ, 1963.
5. Борн М.. Натуральная философия причины и случая. В кн. Борн М. Моя жизнь и взгляды. М., Прогресс,, 1973, с. 141 – 158.
6. Борн М. Физическая реальность. В кн. Борн М. Физика в жизни моего поколения. М., ИЛ, 1963, с. 267 –294.
7. Гриб А. А. Неравенства Белла и экспериментальная проверка квантовых корреляций на макроскопических расстояниях. УФН, 1984, т. 142, вып. 4, с. 599 – 634.
8. Планк М. Двадцать лет работы над физической картиной мира. Планк М. Избранные труды. М., Наука, 1975, с. 567 – 589.
9. Гейзенберг В. Физические принципы квантовой теории. Л., М., ГТТИ, 1932.
10. Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. М., Наука, 1985.
11. Полак Л. С. В. Р. Гамильтон и принцип стационарного действия. М., Л., Из-во АН СССР, 1936.
12. Де Бройль Л. Соотношение неопределенности Гейзенберга и вероятностная интерпретация волновой механики. М., Мир, 1986.
13. Шредингер Э. К принципу неопределенности Гейзенберга. Шредингер Э. Избранные труды по квантовой механике. М., Наука, 1976, с. 210 – 217.
14. Бернштейн В. М. Развитие электродинамики, теории гравитации, квантовой теории на основе электродинамики Гаусса – Вебера. Устранение парадоксов, связанных с использованием теории Максвелла и специальной теории относительности. М., “Здесь и сейчас”, 2000.