Полемика Эйнштейна и Бора

Полемика  Эйнштейна и Бора 

        Глубокие   физические идеи  — всегда плод философского  осмысления физики. Во всех главных  своих творениях — гипотеза  световых квантов, теория относительности,  теория тяготения, космология  — Эйнштейн выступал как философ  физики. 

           У Бора дар философского осмысления  проявился при создании физической  интерпретации квантовой теории. Философские идеи Бора подготовили  подсознание физиков для таких  открытий, как соотношение неопределенностей  и вероятностное толкование волновой  функции. 

         Интересно проследить, как развивались  взгляды этих двух великих  философов физики. 

        До 1925 г. Бор — будущий создатель  принципа дополнительности — выступал против эйнштейновой гипотезы световых квантов, пытаясь сохранить классическую электродинамику. Между тем открытый Эйнштейном в 1905 г. дуализм волн-частиц был первым физическим примером дополнительности. Позже, когда почти все физики приняли вероятностную интерпретацию волновой функции, Эйнштейн отнесся к этому толкованию отрицательно, хотя сам в работе 1916 г. впервые ввел вероятности переходов... 

             Их спор о физическом смысле  квантовой механики и о справедливости  соотношения неопределенностей  продолжался много лет, начиная  с 1927 г. Когда Эйнштейн почувствовал, что не может найти слабого  места в логике квантовой механики, он заявил, что эта вполне последовательная  точка зрения противоречит его  физической интуиции и, по его  убеждению, не может быть окончательным  решением: “Господь Бог не играет  в кости...”. 

           В 1935 г. появилась работа Эйнштейна,  Подольского и Розена “Может  ли квантовомеханическое описание физической реальности считаться полным?”. Допустим, что две подсистемы некоторое время взаимодействовали, а потом разошлись на далекое расстояние. Авторы замечают: “Поскольку эти системы ужа не взаимодействуют, то в результате каких бы то ни было операций на первой системе во второй системе уже не может получиться никаких реальных изменений”. Между тем, согласно квантовой механике, с помощью измерений в первой системе можно изменить волновую функцию второй системы... 

        Проследим это явление на простом  примере. Допустим, что мы измерили  импульсы двух частиц до столкновения, и пусть после столкновения  одна остается на Земле, а  другая летит на Луну. Если  земной наблюдатель после столкновения  получит определенное значение  импульса оставшейся частицы,  он по закону сохранения импульса  может рассчитать импульс частицы  на Луне. Следовательно, волновая  функция этой частицы в результате  измерения на Земле определится  — она соответствует определенному импульсу. 

         Если понимать волновую функцию  (функцию, используемую в квантовой механике для описания чистого состояния квантовомеханической системы) как физическое поле (поле в физике — одна из форм материи, характеризующая все точки пространства и времени, и поэтому обладающая бесконечным числом степеней свободы), то такой результат невозможен. Если же учесть, что волновая функция — волна информации, он естествен: это обычное изменение вероятности предсказаний с появлением новой информации. Мы задаем вопрос: какова вероятность, что лунный экспериментатор найдет то или иное значение импульса своей частицы при дополнительном условии, что найден определенный импульс земной частицы? Это означает, что нужно взять весь набор многократных измерений импульса в обеих лабораториях и отобрать из этого набора те случаи, когда на Земле получился заданный импульс. При этом условии лунные данные будут соответствовать определенному и известному импульсу согласно закону сохранения импульса (сумма импульсов всех тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная). Влияние измерений в одной подсистеме на предсказания о поведении другой подсистемы нужно понимать именно в смысле отбора случаев, соответствующих определенному условию. Понятно, что при изменении условий отбора волновая функция изменяется. Это явление есть и в классической физике, и в повседневной жизни. Вероятность предсказаний скачком изменяется при изменении условий отбора событий. 

       Волновая функция представляет  собой метод описания чистого  состояния квантовомеханической системы. Смешанные квантовые состояния (в квантовой статистике) следует описывать оператором типа матрицы плотности. То есть, некая обобщённая функция от двух аргументов должна описать корреляцию (статистическую взаимосвязь двух или нескольких случайных величин (либо величин, которые можно с некоторой допустимой степенью точности считать таковыми); при этом, изменения одной или нескольких из этих величин приводят к систематическому изменению другой или других величин) нахождения частицы в двух точках. 

       Следует понимать, что проблема, которую решает квантовая механика, — это проблема самой сути  научного метода познания мира. Если представить себе бильярдный  стол, закрытый непроницаемой крышкой,  и единственным способом исследования  вопроса, есть ли на нём бильярдные  шары, предположить закатывание  в стол других шаров, то мы  и получаем ту самую проблему, для решения которой привлечён  метод квантовой механики. Пока  вброшенный шар проходит сквозь  стол без изменения траектории, предсказуемо, мы можем сделать  вывод о том, что на траектории  шара других шаров нет. Если  в результате взаимодействия  шаров на столе мы получаем  выкатившиеся несколько шаров  с различными конечными импульсами  и точками, в которых шары  покинули стол, то мы можем  лишь предполагать о том, каким  образом происходило взаимодействие  в системе. Если же лузы в  бильярдном столе ограничивают  возможность шаров покидать стол (энергетический барьер), то система  запутывается ещё больше. Подобный  пример с бильярдом очень наглядно  демонстрирует те трудности, с  которыми сталкиваются исследователи,  разрабатывая инструменты квантовой  механики. 

        В сущности, спор Бора с Эйнштейном  был спором двух философий,  двух теорий познания — ясного  взгляда старой физики, взращенного  на классической механике и  электродинамике с их однозначной  детерминированностью, и более гибкой  философии, вобравшей в себя  новые факты квантовой физики XX в. и вооруженной принципом дополнительности. 

       Принцип дополнительности — один из важнейших принципов квантовой механики, сформулированный в 1927 году Нильсом Бором. Согласно этому принципу, для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Например, дополнительными в квантовой механике являются пространственно-временная (при экспериментальном исследовании микрообъектов могут быть получены точные данные об их поведении в пространстве и времени) и энергетически-импульсная картины (либо об их энергиях и импульсах). 

Этот принцип получил  широкое распространение. Его пытаются применять в психологии, биологии, этнографии, лингвистике и даже в  литературе.