К диспуту по принципу дополнительности Н. Бора

(конспект статьи)

Принцип дополнительности в целом представляет собой комплекс идей, призванных прояснить специфическую ситуацию, сложившуюся в квантовой механике [1]. Некоторые из них (о роли языка классической физики, о роли макроприбора, о целостности научного эксперимента, о целостности микрообъекта) могут претендовать на статус общенаучных и эпистемологических принципов. Подход Бора налагает запрет на онтологизацию квантового явления, которая неизбежно приводит к противоречиям. Однако попытки его обобщения в науке и философии к успеху не привели.

 

1. Терминология

• объективация    мыслительный процесс, благодаря которому ощущение, что возникло как субъективное состояние, преобразуется в восприятие объекта.

феноменали́змфилософское учение о том, что мы познаем не сущность вещей, а лишь явления.

• эпистемическая логика создана для изучения понятия знания и является направлением в модальной логике

 

2. Понятие принципа дополнительности Нильса Бора

85 лет назад закончилось формирование квантовой механики. По если но принципу Гейзенберга достигнуто более или менее выраженное согласие, то ситуация с принципом дополнительности совершенно иная. Нет единства не только в оценке его роли и статуса в науке и философии, но даже в понимании его содержания и смысла. Спектр мнений простирается от безоговорочного признания его в качестве общенаучного и общефилософского принципа до полного отрицания его значения как в науке, так  и в философии.

Формальнологические противоречия (в частности, «Квантовый объект является одновременно и волной и частицей») в науке не допустимы.  «Приписывание атомным объектам обычных физических атрибутов связано с принципиально неизбежным элементом неопределённости, – пишет Бор. – Возможный выход заключается в том, чтобы признать определённые самой природой границы возможности говорить о самостоятельных явлениях» [2].

Источник недоразумений Бор видит в неопределённости термина «явление», под которым может подразумеваться как сам объект в его взаимодействии с другими объектами, так и то, что регистрируется приборами, что нам дано в эксперименте.

«Чтобы избежать логических противоречий в описании незнакомой ситуации..., –  предлагает он, – в качестве более удачного способа выражения можно усиленно рекомендовать использовать слово явление в более узком смысле, относя его исключительно к таким наблюдениям, которые проводятся в специальных условиях, позволяющих получить полное описание всего эксперимента в целом» [там же].  

     Наиболее полное и адекватное разъяснение принципа дополнительности приведено Бором в статье «Дискуссии с Эйнштейном по проблемам теории познания в атомной физике»: (А)

«Поведение атомных объектов невозможно резко отграничить от их взаимодействия с измерительными приборами...  В самом деле, неделимость типичных квантовых эффектов проявляется в том, что всякая попытка подразделить явления требует изменения экспериментальной установки и тем самым влечёт за собой новые возможности принципиально неконтролируемого взаимодействия между объектами и измерительными приборами. Вследствие этого данные, полученные при разных условиях опыта, не могут быть охвачены одной единственной картиной; эти данные должны скорее рассматриваться как дополнительные в том смысле, что только совокупность разных явлений может дать более полное представление о свойствах объекта» [там же, с. 406-407].

И в статье «Причинность и дополнительность»: (В) «Получаемые нами с помощью различных измерительных приборов сведения о поведении исследуемых объектов, кажущиеся несовместимыми, в действительности не могут быть непосредственно связаны друг с другом обычным образом, а должны рассматриваться как дополняющие друг друга. Таким образом, в частности объясняется безуспешность всякой попытки последовательно проанализировать «индивидуальность» отдельного атомного процесса, которую, казалось бы, символизирует квант действия, с помощью разделения такого процесса на отдельные части. Это связано с тем, что если мы хотим зафиксировать непосредственным наблюдением какой-либо момент в ходе процесса, то нам необходимо для этого воспользоваться измерительным прибором, применение которого не может быть согласовано с закономерностями течения этого процесса» [там же, с. 205-206].

Таким образом, суть принципа дополнительности сводится к следующим двум требованиям. 1. Описание квантовых явлений микрообъектов  должно быть полным и непротиворечивым. 2. Недопустимо опредмечивание  (объективация, онтологизация) характеристик, полученных в ходе квантовомеханического эксперимента, поскольку  у нас нет оснований для экстраполяции данных эксперимента на сам микрообъект и, напротив, есть серьёзные аргументы за то, что такая экстраполяция недопустима.

Последнее зачастую трактуется как повод для вывода о субъективизме Бора и субъективности квантовой механики (и, как следствие, науки в целом). Однако для Бора все обстоит как раз наоборот: это требование является условием исключения произвола, достижения объективности в интерпретациях квантовой механики и её результатов. В то же время оно выступает необходимым условием преодоления объектного фетишизма, свойственного методологическим установкам классической физики.
     Бор неоднократно указывал на некорректность выражений: «наблюдение нарушает явления», «физические свойства атомных объектов создаются их измерением» и т.п. Вопрос о языке описания приобретает здесь решающее значение. Любое использование понятий массы, заряда, импульса, пространственно-временных координат, законов сохранения и т.п. равносильно ссылке на механические и электродинамические закономерности,  для которых неделимость действия совершенно чуждый элемент. Их применение к неклассическим объектам и процессам ведёт к переносу привычных образов и представлений на квантовый мир, где они не могут работать. Однако, они нужны – в случаях непосредственного перехода квантово-теоретического описания в обычное и при экспериментальном исследовании квантовых явлений. Не надо только забывать о границах использования наглядных представлений и, когда надо, говорить о самостоятельных объектах и процессах.
     Далее. «При квантовомеханическом описании проводится принципиальное различие между измерительными приборами... и изучаемыми объектами»  [там же, с. 395]. И если в обычной физике мы можем использовать различные приборы, то в квантовой области их только два типа. Одни из которых фиксирует корпускулярные, а другой – волновые эффекты.

С вопросами о языке и приборах тесно связаны постулаты о целостности эксперимента и целостности квантового объекта. 1. Для полного и непротиворечивого описания квантового явления должен быть учтён характер используемой приборной базы. Результаты экспериментов различного типа согласуются по принципу дополнительности. 2. Микрообъект всегда включён в целостную систему взаимодействий и не может быть выделен в «чистом» виде. Аргументы в пользу идеи целостности дают принцип неразличимости частиц, принцип запрета Паули, теория Шредингера (соответствующее уравнение записывается не для каждого микрообъекта, а для общей волновой функции, определённой конфигурацией всех частиц) и т.п.

 

3. Физики и философы  о принципе дополнительности

• Гейзенберг. Из боровского понятия явления и высказываний о квантовом объекте необходимо следует запрет на квантовомеханическую онтологию. Гейзенберг воспринимал принцип дополнительности скорее как общую, неконкретную формулировку соотношения неопределённостей, в то время как его собственный принцип вполне конкретен и представляет собой важную органическую часть атомной физики. Осмысливая заключительный этап формирования квантовой механики, он писал о идеях Бора: «Решающим пунктом в этом новом толковании квантовой теории было ограничение применимости классических понятий. Это ограничение в самом деле является всеобщим и хорошо определённым» [3, с. 60-61]. Физики больше склоняются к позиции автора соотношений неопределённостей – боровская «дополнительность» зачастую объясняется через гейзенберговскую «неопределённость».

• Дэвид Бом: последовательное проведение идей Бора приводит к отказу от любой возможной модели в атомной физике – не обязательно наглядной. Его критика ортодоксальной копенгагенской интерпретации квантовой механики берет начало в дискуссии о скрытых параметрах и неполноте квантовой теории, но выходит за её рамки.

Бом считает, что чисто феноменологическое представление физики микромира равносильно утверждению о невозможности построения более общей теории, глубже проникающей в структуру мира. По Бору, в квантовой теории следует отказаться от однозначных и строго определённых моделей в пользу понятия о дополняющих парах неточно определённых моделей. Более того, «основные свойства материи никогда не могут быть рационально поняты на основе однозначных и точных моделей. Ограниченность наших понятий, неявно скрытая в принципе дополнительности, рассматривается как абсолютная и окончательная. «Таким образом, мы избегаем введения произвольных априорных предположений, и мы оставляем полную возможность для рассмотрения принципиально новых видов законов» [4, с. 151].

• Илларионов С.В.  даёт наиболее радикальную критику принципа дополнительности,  характеризуя подход Бора как феноменализм. «Но самое главное состоит в том, что никакая теория, создававшаяся после 1930 г., не использовала в своём построении принцип дополнительности» [5, с. 216]. При этом он ссылался на мнение Д.И. Блохинцева: основываясь на принципе дополнительности квантовую механику построить невозможно. Окончательный вердикт Илларионова: «... принцип дополнительности Бора является очень важным, но лишь одним из элементов системы правил интерпретации квантовой механики» [там же].
• Алексеев И.С. обращает внимание на необходимость использования естественного языка для описания полученных результатов, целостность процесса наблюдения и его подразделения на объект и средства наблюдения. Предлагаемый им четвёртый постулат заключается «в преобразовании знания о целостном акте наблюдения (явления) в знание о микрообъекте» [6, с. 229]. В такой интерпретации идеи дополнительности автор не одинок. Однако при этом упускаются из виду неоднократные указания самого Бора на не допустимость подобного отнесения, поскольку в этом случае возникает противоречие корпускулярно-волнового дуализма.

• Овчинников Н.Ф. выражается несколько осторожнее: «Концепция дополнительности явилась итогом развития классически-объектного способа концептуализации физической реальности. Эта концепция позволяет рационально... разрешить антиномию корпускулы и волны, преобразовав её в дополнительность пространственно-временного и причинного (энергетически-импульсного) способов описания»  [7, с. 82]. Но точки над «и» не поставлены, поскольку не конкретизируется, описание чего имеется в виду, о какой «физической реальности» идёт речь: о боровском явлении или всё-таки о самом микромире.

• Аршинов В.И.: «...тезис о невозможности построения классической картины поведения микрообъектов на основе данных, получаемых при различных, взаимно несовместимых экспериментальных условиях, является, по сути дела, ядром всей концепции дополнительности Н. Бора» [2, с. 225].

• Степин В.С. подчёркивает операциональный смысл принципа дополнительности, который «... в явном виде представляет собой идеализированную схему экспериментально-измерительных процедур, посредством которых выявляются объективные характеристики квантовых систем» [8, с. 279-280]. «Соотнесённость схемы деятельности и выявляемых в её рамках фундаментальных характеристик исследуемой реальности, – подчёркивает он, – была и в классической науке. Только там она выступала в скрытом виде. Доминирующими оставались представления прямолинейного оптологизма» [8, с. 280]. В целом же Степин разделяет копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, согласно которой приборы определённых типов фиксируют различные проекции некоторой единой сущности. Характерные черты этой физической системы в разных макроусловиях проявляются как взаимоисключающие в случае их прямого отнесения к объекту, но как проекции они могут быть соединены в рамках единого способа описания в виде дополняющих друг друга характеристик, раскрывающих специфику микрообъекта.
• Западная философия к принципу дополнительности относится  сдержанно. Так Р. Харре считает, что рассматриваемый принцип есть выражение предельного случая типичной эпистемической ситуации, когда доступ к одним явлениям и структурам закрывает доступ к другим. Суть «дополнительности» Бора «состоит в невозможности использовать две ключевые исследовательские стратегии в одно и то же время в одном и том же месте с помощью одного и того же оборудования» [2, с. 8]. Это, тем не менее, не является серьёзным препятствием на пути познания исследуемой сферы действительности и не означает, что всякая обнаруживаемая таким образом диспозиция нереальна.

• Лакатос И. (как и К. Поппер) считает принцип дополнительности гипотезой ad hok, призванной купировать противоречия принятой программы. Если обнаружено противоречие, из этого не следует, что развитие программы должно быть немедленно приостановлено. «Разумный выход может быть в другом: устроить для данного противоречия временный карантин при помощи гипотез ad hok и довериться положительной эвристике программ» [9, с. 336]. Бор же возводит противоречия в основаниях исследовательской программы в принцип, что, по мнению Лакатоса, снижает стандарты научного критицизма.

4. Гипотеза Эткина В.А. о неэлектромагнитной природе света 

     Кванты света – фотоны, тоже «и корпускулы и волны». В соответствии с «теорией»  Эткина фотоны на самом деле являются солитонами: «Во-первых, эта теория позволяет избежать упомянутых выше противоречий с законами механики в связи с «одномоментным» (не имеющим длительности) излучением фотона. Во-вторых, снимается проблема устойчивости атома в процессе излучения... В-третьих, снимается и проблема дуализма «волна-частица», поскольку само понятие солитона как частицеподобной волны объясняет, почему излучение в одних случаях обладает свойствами волны..., а в других – свойствами частиц... Наконец, становится легко объяснимым явление интерференции фотона с самим собой, поскольку он предстаёт в виде пакета из большого числа одиночных волн, испущенных за время движения электрона против сил внешнего поля. Далее, как и любая волна, солитон не имеет массы, и это освобождает от необходимости дискутировать по поводу его релятивистской массы. Восстанавливаются и причинно-следственные отношения, связанные с излишним индетерминизмом квантовой механики» [10].

 

Заключение    

• Суть выводов А. Макарова по его статье о принципе дополнительности

1. Собственно требование дополнительности: для полного описания явления в боровском смысле в квантовой механике необходимо волновые характеристики, полученные в эксперименте с использованием макроприборов одного типа, дополнить корпускулярными характеристиками, полученными в эксперименте с использованием макроприборов другого типа. В такой формулировке (полнота и непротиворечивость) постулат дополнительности был бы тривиален, если бы не два важных обстоятельства.
     Во-первых, здесь в явном виде нет указаний на ограничение исследования боровским явлением и недопустимости отнесения выявленных свойств к самому микрообъекту. Но эти указания не только подразумеваются, но и являются предпосылками такой постановки вопроса и одновременно её прямыми следствиями. Именно данное обстоятельство для многих физиков придавало значимость и актуальность идее Бора. Он прав в том, что, скажем, слово «волница»  для обозначения микрообъекта не подходит, поскольку квантовый объект определённо – не волна и не частица. Но почему нельзя говорить, что микрообъект проявляет те или иные свойства в конкретной экспериментальной ситуации? Недоопределённость некоторой структуры не значит, что объект этого типа недоступен познанию другими теоретическими средствами

[11, с. 59]. Если понятие объекта «разрешимо», считает М. Борн, то есть применимо в том или ином конкретном случае, и имеются прецеденты, разрешимость делает объект законным элементом научного познания [11, с. 115]. Принцип же, как результат методологической рефлексии, должен стать основой построения теоретического объекта. В этом отношении концепция дополнительности не конструктивна. С другой стороны, слово «частица» входит даже в название физики элементарных частиц, которая их описывает и классифицирует. Учёные вполне отдают себе отчёт, что речь не идёт о классических частицах, но это не вызывает особых недоразумений. Более того, только их объективация  делает статистическую часть рассуждений физически осмысленной.
     Во-вторых, реальная опасность заключается в распространённой среди эпистемологов трактовке принципа дополнительности как требования полноты описания, как санкции на беспорядочное размножение несвязанных и несогласующихся между собой и якобы равноценных описаний.

2. Наиболее глубокий смысл идеи Бора заключается в том, что он предлагает воздержаться от каких-либо высказываний о конкретных свойствах объектов в квантовой механике, чтобы избежать возникающих в противном случае противоречий. Это своего рода квантовомеханическое суждение, призванное сохранить строгость научного мышления. В этом качестве принцип дополнительности Бора сыграл в истории науки свою положительную роль. Он позволил физикам отложить спекулятивные и натурфилософские споры о природе квантовых объектов и сконцентрировать усилия на решении задач наличными на достигнутом физикой уровне средствами. Судьбу Принципа, в конечном итоге, решит новый теоретический синтеза в физике.
3. Все известные попытки придания Принципу статуса общенаучного или эпистемологического принципа, оказались неудовлетворительными. Связанные же  с ним постулаты (о роли языка классической физики, о роли макроприбора, о целостности научного эксперимента, о целостности микрообъекта) эффективно функционируют в неклассической науке  и философии науки и могут претендовать на статус общенаучных и эпистемологических методологических принципов.
• Позиция автора конспекта. Одни полагают, что принцип дополнительности ложен, другие – верен. Я солидарен с первыми – микрочастицы просто уж так устроены, что в одних условиях проявляют себя как корпускулы, а в других – как волна. В природе нет парадоксов, они в головах у физиков. Квантовая механика, думаю, вступила в новую фазу своего развития, ориентируясь на максиму – всё, что есть в природе, может быть отображено и просчитано с помощью наглядной физической модели.

 

Источники информации

1. Макаров  А.Б. Принцип дополнительности Н. Бора и проблема его статуса.     

    Научн. ежегодн. Института философии и права Уральского отделения РАН. 2012. Вып. 12.     

    http://cyberleninka.ru/article/n/printsip-dopolnitelnosti-n-bora-i-problema-ego-statusa

2. Бор Н. Избранные научные труды. Т. 2. М.: Наука, 1971. 675 с.

3. Гейзенберг В. Замечания о возникновении соотношения неопределенностей // Вопр. философии. 1977. № 2. С. 58-61.

4. Бом Д. Причинность и случайность в современной физике. М.: КРАСАНД, 2010. 248 с.
5. Илларионов С.В. Из лекций по философии науки // Эпистемология и философия науки, 2006. Т. 9. № 3. С. 189-220.

6. Алексеев Н.С. Концепция дополнительности. Историко-методологический анализ. М.: Наука, 1978. 276 с.
7. Овчинников Н.Ф. Принципы теоретизации знания. М.: КомКнига, 2005. 216 с.

8. Степин В.С. Классика, неклассика, постнеклассика: критерии различения // Постнеклассика: философия, наука, культура. СПб.: Изд. дом «М1рь», 2009. С. 249-295.
9. Лакатос Н. История науки и ее рациональные реконструкции.  // Т. Кун. Структура научных революций. М.: АсТ, 2001. С. 455-522.
10. Эткин В.А. О неэлектромагнитной природе света.     

      http://new-idea.kulichki.net/pubfiles/110306225852.pdf

11. Борн М. Моя жизнь и взгляды. М.: Прогресс, 1973. 176 с.

П.Г. Басков, 04.04.2017