18. Реализм и квантовая теория

Хотя моя Logik der Forschung может показаться кому-нибудь критикой Венского кружка, ее главные цели были позитивными. Я пытался предложить теорию человеческого познания. Но я взглянул на знание человека с несколько иной точки зрения, чем классические философы. Большинство философов, вплоть до Юма, Милля и Маха, рассматривали человеческое знание как нечто установленное. Даже Юм, который считал себя скептиком и который написал «Трактат» в надежде революционизировать общественные науки, почти отождествлял человеческое знание с привычкой. Человеческое знание было тем, что известно почти всякому: кот лежит на коврике; Юлий Цезарь был предательски убит; трава зеленая. Все это казалось мне ужасно неинтересным. Интересным было именно проблемное знание, рост знания — открытие.

Если взглянуть на теорию познания как на теорию открытия, то лучше всего обратиться к научным открытиям. Теория роста знания должна говорить что-то особенное о росте в физике и столкновении мнений в физике.

В ту пору (1930 год) когда я, ободренный Гербертом Фейглем, начал писать свою книгу, современная физика находилась в состоянии брожения. В 1925 году Вернер Гейзенберг создал квантовую механику[134]; но лишь несколько лет спустя аутсайдерам — включая профессиональных физиков — стало ясно, что произошел огромный прорыв. И с самого начала здесь пошли разногласия и неразбериха. Два величайших физика, Эйнштейн и Бор, возможно, два самых великих мыслителя двадцатого века, разошлись во мнениях друг с другом. И их разногласия были настолько же полными в 1955-м, в год смерти Эйнштейна, как и в 1927-м, когда они встретились на Сольвеевском конгрессе. Существует широко распространенный миф, что Бор одержал победу в споре с Эйнштейном[135]; большинство творчески мыслящих физиков поддерживали Бора и разделяли этот миф. Но два величайших физика, де Бройль и Шредингер, были далеко не довольны взглядами Бора (позднее названными «копенгагенской интерпретацией квантовой механики») и пошли своими независимыми путями. А после Второй мировой войны появился еще ряд влиятельных физиков, не согласных с копенгагенской школой, в частности Бунге, Ланде, Маргенау и Вигер.

Оппоненты копенгагенской школы все еще находятся в очень небольшом меньшинстве, возможно, они в нем и останутся. Они не согласны между собой. Но большие разногласия наблюдаются также и внутри копенгагенской ортодоксии. Сторонники этой ортодоксии, по-видимому, не замечают этих разногласий или, во всяком случае, не выражают по их поводу беспокойства, равно как они не замечают и трудностей, внутренне присущих их взглядам. Но и то и другое заметно аутсайдерам.

Все эти очень поверхностные замечания, возможно, объясняют, почему я чувствовал себя таким потерянным, когда впервые приступил к квантовой механике, или, как ее тогда часто называли, к «новой квантовой теории». Я работал сам по себе, черпая информацию из книг и статей; единственным физиком, с которым я иногда делился моими трудностями, был мой друг Франц Урбах. Я пытался понять теорию, а он сомневался, что она вообще доступна пониманию — по крайней мере, простых смертных.

Я начал видеть свет в конце тоннеля, когда осознал важность статистической интерпретации теории Борна. Поначалу интерпретация Борна мне не нравилась: первоначальная интерпретация Шредингера импонировала мне эстетически и как объяснение сути дела; но как только я воспринял факт, что она неприемлема, а интерпретация Борна весьма успешна, я стал придерживаться этой последней, поэтому мне казалось загадкой, каким образом кто-нибудь может придерживаться гейзенберговской интерпретации уравнения неопределенности, если принята интерпретация Борна. Казалось очевидным, что, если квантовую механику следует интепретировать в статистических терминах, то это же самое необходимо сделать и в отношении уравнения Гейзенберга: их следует интерпретировать в отношениях рассеяния, то есть путем установления нижней границы статистического рассеяния или верхней границы гомогенности любой последовательности квантово-механических экспериментов. Теперь эта точка зрения широко распространена[136]. Я должен пояснить, однако, что первоначально я не всегда жестко проводил различия между рассеянием результатов множества экспериментов и разбросом множества частиц в одном эксперименте; и хотя в «формально сингулярных» вероятностных утверждениях я нашел ключ к решению этой проблемы, окончательно она прояснилась только с помощью идеи предрас-положностей[137].

Второй проблемой квантовой механики была знаменитая проблема «редукции волнового пакета». Мало кто согласится, что эта проблема была решена в 1934 году в моей Logik der Forschung; хотя некоторые весьма компетентные физики согласились с правильностью этого решения. Предложенное решение состояло в идее, что вероятности квантовой механики являются относительными вероятностями (или условными вероятностями)[138].

Вторая проблема связана с тем, что было, пожалуй, центральным пунктом моих размышлений, — с гипотезой, перешедшей в убеждение, что все интерпретации квантовой механики могут быть выведены из проблем интерпретации исчисления вероятностей.

Третьей решенной проблемой было различение между подготовкой состояния и измерением. Хотя мои рассуждения здесь были вполне правильными и, как мне кажется, очень важными, я допустил серьезную ошибку в одном из мысленных экспериментов (в главе 77 Logik der Forschung). Я принял эту ошибку очень близко к сердцу; в то время я не знал, что даже Эйнштейн сделал несколько сходных ошибок, и я подумал, что мой просчет служит доказательством моей некомпетентности. Лишь в 1934 году в Копенгагене, по окончании копенгагенского «Конгресса по научной философии», я услышал об ошибках Эйнштейна. По инициативе физика-теоретика Виктора Вайскопфа я был приглашен Нильсом Бором остаться и подискутировать в его Институте. Ранее я уже защищал мой мысленный эксперимент перед Вайцзекером и Гейзенбергом, чьи аргументы меня не убедили, и перед Эйнштейном, чьи аргументы меня убедили. Кроме того, я обсуждал этот вопрос с Тиррингом и (в Оксфорде) со Шредингером, который сказал мне, что он крайне недоволен квантовой механикой и полагает, что на самом деле ее никто не понимает. Поэтому я был в очень удрученном состоянии, когда Бор рассказал мне о своих дискуссиях с Эйнштейном — тех самых дискуссиях, о которых поведал позже в книге Шлиппа об Эйнштейне[139]. Мне и в голову не пришло утешаться тем, что, по словам Бора, Эйнштейн ошибался также, как и я. Я чувствовал себя разбитым, и я был не в силах противостоять громадному воздействию личности Бора. (В те дни Бору не мог противостоять никто). Я более или менее замкнулся в себе, хотя и продолжал защищать мое объяснение «редукции волнового пакета». Вайскопф, по-видимому, был готов его принять, но Бор слишком рьяно защищал свою теорию дополнительности, чтобы заметить мои слабые попытки продвинуть собственное толкование. Поэтому я не настаивал на своем, удовлетворившись тем, чему могу научиться, а не научить. Я был всецело потрясен добротой, умом и энтузиазмом Бора; я также почти не сомневался, что он был прав, а я — нет. И все же я не смог убедить себя, что понимаю «дополнительность» Бора, и я начал сомневаться, что ее вообще кто-нибудь понимает, несмотря на то, что некоторым удалось убедить себя в этом. Это сомнение разделял со мной Эйнштейн, как он мне позднее признался, а также Шредингер.

Это заставило меня задуматься о «понимании». Бор некоим образом утверждал, что квантовая механика не поддается пониманию; что понятной может быть только классическая физика и что мы должны смириться перед фактом, что квантовая механика может быть понята только частично и только через посредство классической физики. Часть этого понимания может быть достигнута при помощи классической «корпускулярной картины», а часть — посредством классической «волновой картины»; эти две картины несовместимы, и они находятся друг с другом в отношении, которое Бор назвал «дополнительностью». Надежды на более полное или более непосредственное понимание этой теории нет; и нам следует «отказаться» от всех попыток достигнуть ее более полного понимания.

Я подозревал, что теория Бора была основана на очень узком взгляде на то, чего может достичь понимание. Бор, по-видимому, мыслил в терминах картин и моделей — в терминах своего рода визуализации. Я чувствовал, что этот взгляд был слишком узок; и со временем я развил совершенно иную точку зрения. Согласно этой точке зрения, важным является понимание не картин, а логической силы теории: ее объяснительной мощи, ее отношения к релевантным проблемам и к другим теориям. Я развивал этот взгляд на протяжении многих лет в моих лекциях, сначала, мне кажется, в Алпаче (1948) и Принстоне (1950), в Кембридже на лекциях о квантовой механике (1953 или 1954), в Миннеаполисе (1962) и позднее снова в Принстоне (1963) и в других местах (конечно, и в Лондоне тоже). Его можно найти, хотя и в очень схематичном виде, и в моих более поздних работах[140].

Что касается квантовой механики, то я долгое время пребывал в глубоком унынии. Я никак не мог позабыть мой ошибочный мысленный эксперимент, и хотя, как я полагаю, горевать над всеми своими ошибками — дело совершенно правильное, я теперь думаю, что придавал ему слишком большое значение. И только в 1948-м или 1949-м, после ряда дискуссий с Артуром Марчем, специалистом по квантовой физике, книгу которого об основаниях квантовой механики[141] я цитировал в Logik der Forschung, я вернулся к этой проблеме с чем-то похожим на обновленное чувство уверенности в себе.

Я снова вернулся к своим старым аргументам, и вот к чему я пришел[142]:

(А) Проблема детерминизма и индетерминизма

(1) Не существует такой вещи, как особый квантово-механический аргумент против детерминизма. Конечно, квантовая механика — это статистическая теория, которая prima facie не является детерминистской, но это не означает, что она несовместима с prima facie детерминистской теорией. (В частности, знаменитое доказательство этой якобы несовместимости, предложенное фон Нейманом, — о несуществовании так называемых «скрытых переменных» — не проходит, как было показано Дэвидом Бомом и позднее, более прямым методом, Джоном С. Беллом)[143]. Позиция, к которой я пришел в 1934 году, состояла в том, что в квантовой механике нет ничего, что оправдало бы тезис, будто детерминизм опровергнут, потому что он несовместим с квантовой механикой. С тех пор я менял свое мнение по этому вопросу не один раз. Модель, показывающая, что существование prima facie детерминистской теории на самом деле формально совместимо с результатами квантовой механики, была предложена Дэвидом Бомом в 1951 году. (Основные идеи, лежащие в основании этого доказательства, были предвосхищены де Бройлем.)

(2) С другой стороны, нет совершенно никаких разумных оснований утверждать, что детерминизм имеет основание в физических науках; на самом деле, существуют сильные доводы против него, как было показано Ч. С. Пирсом[144], Францем Экснером, Шредингером[145] и фон Нейманом[146]: все они привлекали внимание к тому факту, что детерминистский характер ньютоновской механики совместим с индетерминизмом[147]. Более того, в то время как возможно объяснить существование детерминистских теорий как макротеорий, базирующихся на индетерминистских и вероятностных микротеориях, обратное невозможно: нетривиальные вероятностные заключения могут быть выведены (и таким образом объяснены) только при помощи вероятностных предпосылок[148]. (В этой связи следует обратиться к очень интересной аргументации Ланде)[149].

(B) Вероятность

В квантовой механике мы нуждаемся в интерпретации исчисления вероятностей, которая:

(1) является физической и объективной (или «реалистской»);

(2) предоставляет вероятностные гипотезы, которые могут быть статистически проверены.

Более того,

(3) эти гипотезы должны быть применимы к единичным случаям и

(4) они должны быть сформулированы относительно постановки эксперимента.

В Logik der Forschung я развивал «формалистскую» интерпретацию исчисления вероятностей, которая удовлетворяла всем этим требованиям. С тех пор я ее улучшил, заменив ее «интерпретацией предрасположенностей»[150].

(C) Квантовая теория

(1) Реализм. Хотя я в принципе не против «волнопускл» (волн-с-корпускулами) и иных неклассических сущностей, я не видел (и до сих пор не вижу) никаких оснований для отхода от классического, наивного и реалистского взгляда, что электроны и так далее являются частицами, то есть, что они локализованы и обладают импульсом. (Конечно, дальнейшее развитие теории может показать, что те, кто не разделяет эту точку зрения, оказались правы[151].)

(2) Так называемый «принцип неопределенности» Гейзенберга является ошибочной интерпретацией определенных формул, которые утверждают статистическое рассеяние.

(3) Формулы Гейзенберга не относятся к измерениям; это означает, что сегодняшняя «квантовая теория измерений» кишит ошибочными интерпретациями. Измерения, которые, согласно обычной интерпретации формул Гейзенберга, «запрещены», в соответствии с моими результатами не только разрешены, но и на самом деле необходимы как раз для проверки этих самых формул[152]. Отношения рассеяния, однако, связаны с подготовкой состояний квантово-механических систем. Подготавливая состояние, мы всегда вводим (конъюгируем) рассеяние[153].

(4) То, что на самом деле свойственно только квантовой механике, это (зависимая от фазы) интерференция вероятностей. Можно представить себе, что нам придется смириться с этим навсегда. Однако, по-видимому, это не так: возражая против решающих тестов Комптона в отношении фотонной теории Эйнштейна, Дуэйн предложил в 1923 году, задолго до появления волновой механики, новое квантовое правило[154], которое можно рассматривать как аналог по отношению к импульсу правила Планка, относящегося к энергии. Правило квантизации импульса может применяться не только к фотонам, но и (на что обратил внимание Ланде)[155] к частицам, что дает рациональное (хотя и только качественное) объяснение интерференции частиц. Ланде затем утверждал, что количественные правила интерференции могут быть выведены из простых дополнительных допущений.

(5) Таким образом, целый сонм философских духов может быть теперь изгнан, и все эти ошеломляющие философские утверждения о вмешательстве субъекта или разума в мир атома могут быть отброшены. Это вмешательство большей частью может быть объяснено субъективистской ошибочной интерпретацией исчисления вероятностей[156].