Проблемы интерпретации квантовой механики. Принцип дополнительности

Созданный группой физиков в 1925–1927 гг. формальный математический аппарат квантовой механики убедительно продемонстрировал свои широкие возможности по количественной оценке значительного эмпирического материала; показал, что квантовая механика пригодна для описания определенного круга явлений. Вместе с тем её абстрактность и значительные отличия от классической механики создавали ощущение незавершенности, неполноты новой теории. В результате возникло мнение о необходимости ее завершения.

А. Эйнштейн и ряд физиков считали, что квантово - механическое описание физической реальности существенно неполно, т.е., созданная теория не является фундаментальной, а лишь промежуточной ступенью по отношению к ней, поэтому ее необходимо дополнить принципиально новыми постулатами и понятиями, т.е. дорабатывать ту часть оснований новой теории, которая связана с ее принципами.

Другие физики (Н. Бор, В. Гейзенберг) считали, что новая теория является фундаментальной и дает полное описание физической реальности, а прояснить положение вещей можно было здесь только путем более глубокого исследования проблемы наблюдений в атомной физике. Иначе говоря, Бор и его единомышленники полагали, что «доработку» квантовой механики следует вести по линии уточнения той части ее оснований, которые связаны не с принципами теории, а с ее методологическими установками, по линии интерпретации созданного математического формализма. Разработка методологических установок квантовой механики, являвшаяся важнейшим звеном в интерпретации этой теории, продолжалось вплоть до конца 40-х гг. завершение выработки этой интерпретации означало и завершение научной революции в физике, начавшейся в конце IX века.

Основной отличительной особенностью экспериментальных исследований в области квантовой механики является фундаментальная роль взаимодействия между физическим объектом и измерительным устройством. Это связано с корпускулярно-волновым дуализмом. И свет, и частицы проявляют в различных условиях противоречивые свойства, в связи с чем о них возникают противоречивые представления. В одном типе измерительных приборов (дифракционная решетка) они представляются в виде непрерывного поля, распределенного в пространстве, будь то световое поле или поле которое описывается волновой функцией. В другом типе приборов (пузырьковая камера) эти микроявления выступают как частицы. Причина корпускулярно-волнового дуализма по Бору, в том, что сам микрообъект не является ни волной, ни частицей в обычном понимании.

Невозможность провести резкую границу между объектом и прибором в квантовой физике выдвигает две задачи:

1. каким образом можно отличить знания об объекте от знаний о приборе;

2. каким образом, различив их, связать в единую картину, теорию объекта.

Вследствие того, что сведение о микрообъекте, о его характеристиках получают в результате его взаимодействия с классическим прибором (макрообъектом), микрообъект можно интерпретировать только в классических понятиях, т.е. использовать классические представления о волне и частице. Мы как бы вынуждены говорить на классическом языке, хотя с его помощью нельзя выразить все особенности микрообъекта, который не является классическим. Поэтому первая задача разрешается введением требования описывать поведение прибора на языке классической физики, а принципиальное поведение микрочастиц – на языке квантово-механических формализмов. Вторая задача разрешается с помощью принципа дополнительности: волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают и не заменяют друг друга, а взаимно дополняют друг друга.

При одном представлении микрообъекта используется причинное описание соответствующих процессов, а в другом случае – пространственно-временное. Единая картина объекта синтезирует эти два описания.

Контрольные вопросы

1. Кем и когда были установлены основы матричной механики?

2. Какой принцип является основой физической интерпретации квантовой механики?

3. Кто первым пришёл к идее о существовании волновых свойств любых частиц материи?

4. Кто является автором волновой механики?

5. Обнаружение, какого явления дало экспериментальное подтверждение волновой механики?

6. Какие теории позволила объяснить и построить теоретическая квантовая механика?

7. Сформулируйте принцип дополнительности.