Информационная интерпретация квантовой механики

Фундаментальным в квантовой теории является принцип неопределенности, определяющий границы применимости классических представлений при описании свойств микромира: Dx Dp >= ?, DE Dt >= ?. В толковании принципа неопределенности физики придерживались разных взглядов. Школа Бора считала, что он отражает количественно принцип дополнительности, введенный Бором в 1927 г.: в разных экспериментах электрон ведет себя то как волна, то как частица, а квантовая механика позволяет синтезировать эти понятия. К Бору постепенно примкнули Гейзенберг, Борн, Иордан, Паули, а в некоторых вопросах и Дирак. В работе 1932 г. Паули даже предложил для квантовой механики иное название - "теория дополнительности".
Эти вопросы неоднократно обсуждались на Сольвеевских конгрессах, "копенгагенцам" резко возражали Лоренц, Эйнштейн, Ланжевен, Планк, Лауэ и другие. Ланжевен, например, писал: "Я уверен, что, отказываясь от детерминизма, мы лишим науку ее основного движущего начала - того, что до сих пор составляло ее силу и залог ее успеха: веры в конечную познаваемость Вселенной. Ничто в переживаемых нами трудностях не оправдывает и не требует изменения наших установок, что, по моему глубокому убеждению, было бы равносильно отречению".
В работах Д. Бома был поставлен вопрос о возможности существования скрытых параметров, возвращающих детерминизм в квантовую теорию. Эти работы побудили Луи де-Бройля отступить от решения Сольвеевского конгресса и вернуться к своим изначальным идеям о возможности сохранения детерминизма в квантовой теории. Вопрос о скрытых параметрах Д. Бома был предметом бурной дискуссии. Итогом этой дискуссии является вывод о том, что построить строгое доказательство того, что скрытых параметров не существует, нельзя. Возможна детерминистическая обменная интерпретация квантовой механики, в которой волновая функция является реальной распространяющейся в пространстве волной, а не формально - математической "амплитудой вероятности" (И. Г. Крамер).
Позднее были установлены свойства корреляции между частицами, имеющими общее происхождение, о которых говорил Эйнштейн на Сольвеевских конгрессах.
В одной из своих работ Э. Шредингер назвал волновую функцию "каталогом ожиданий". В. А. Фок в своей статье "Квантовая физика и классические идеализации" пишет: "Изменение волновой функции во времени по уравнению Шредингера отображает изменение прогнозов и имеет смысл вплоть до поверочного опыта" 1 . Сходной позиции придерживаются А. Е. Ковальчук и Ю. Н. Ломсадзе. По их словам, "состояние микрочастицы должно пониматься не как объективная характеристика ее, а как информация наблюдателя об объективной характеристике частицы" 2 .
Итак, наряду с копенгагенской интерпретацией квантовой механики существует еще и такая, где волновая функция истолковывается как "записная книжка наблюдателя" (В. Фок).
Эта интерпретация исходит из невозможности описать характеристики квантового объекта непосредственно, "в лоб". Ведь структура микрообъекта и его поведение проявляются лишь косвенно, сведения о нем поступают, так сказать, из вторых рук, мы наблюдаем, "слышим" только отголоски, эхо тех событий, к которым был причастен микрообъект. И изменить ситуацию нельзя. Нельзя изобрести такой микроскоп или другое оптическое устройство, с помощью которого мы, наконец, увидели бы частицу как на ладони. Поскольку познание микромира осуществляется косвенно, через массу необратимых макроскопических эффектов, выражать знание о нем в терминах самого этого мира, его непосредственных характеристик весьма опрометчиво, хотя бы потому, что, как показывает опыт, причинная связь между тем, что происходит там, в микромире, и здесь, в мире чувственного опыта, неоднозначна, не носит динамического характера. Это значит, что одно и то же макроскопическое следствие может быть вызвано разными событиями в микромире, и наоборот, одно и то же событие в микромире в тех же самых условиях может послужить причиной разных событий в макромире. Эта неизоморфность событий в "большом" и "малом" мирах, наталкивает на мысль воспользоваться "не дверью, а окном": попытаться составить представление о микрообъекте, исходя из анализа регистраций тех макрособытий, которые, по предположению, вызваны присутствием и воздействием микрообъектов. Затем сопоставить результаты этого анализа с теми прогнозами, которые дает уравнение Шредингера, трактуемое как уравнение движения потока информации об обоих событиях или как закон изменения этой информации.
Особенность такого подхода состоит в том, что изучается как бы не сам объект, а та информация, которая получается при анализе определенных экспериментальных событий, которые считаются вызванными (или инициированными) микропроцессами.
Учитывая, что эта информация может быть снята, усвоена, а может и не попасть в орбиту внимания исследователя или даже "вытеснена" из его сознания психологически (если она "не устраивает" субъекта), можно заключить, что наши сведения, в отличие от данных, получаемых при непосредственном изучении объекта, будут свидетельствовать не только о характеристиках самого объекта, но и о структуре субъекта. Точнее говоря, результат познания будет зависеть от того, каким будет характер деятельности исследователя и принимаемые им решения. Ведь от того, какой экспериментальный комплекс он решит задействовать, захочет или нет он регистрировать промежуточные результаты, будет зависеть и то знание об объекте, которое он будет выдавать за истинное. Творит ли он при этом объект? Да, творит, но в том смысле, в каком об этом писал В. И. Ленин, подчеркивая, что человек "не только познает мир, но и творит его". Мир не является продуктом воображения или деятельности человека, но познать его можно лишь в результате упорных творческих усилий, "творя" те условия, в которых предметы этого мира обнаруживают свои характеристики самым недвусмысленным образом.
Важным достоинством информационной интерпретации является возможность единообразного толкования как плавного, свободного движения микрочастиц, подчиняющегося уравнению Шредингера, так и скачкообразных изменений их состояния в процессах измерения когда частица как бы перестает следовать предписаниям уравнения Шредингера. В этом последнем случае происходит редукция волновой функции, которая в рамках копенгагенской интерпретации выглядит как мгновенное стягивание области, в которой электрон пребывает, будучи "размытым", в единственную точку.
Что предлагает в качестве объяснения этого явления информационный подход? Поскольку последний явно отказывается от декларации каких-либо онтологических обязательств, касающихся объективного статуса волновой функции, информационный подход утверждает, что в этом случае (в случае измерения какого-либо параметра микрообъекта) монолитный поначалу каталог ожиданий, предусматривающий целый ряд значений этого параметра, после акта измерения как бы распадается на части и "правильный" результат (тот, который показывает прибор) будет записан на одной из частей.
Для того, чтобы знать, в какой именно части распавшейся записной книжки следует искать ответ, надо обязательно ознакомиться с показанием прибора. Акт снятия показания прибора не окажет воздействия на частицу, что ясно само собой в силу малости энергетического воздействия "взгляда" наблюдателя на свою экспериментальную установку. Но ознакомление с показанием прибора тем не менее изменит информацию о частице, а, точнее, скорректирует ее. Скорректирует в том смысле, в каком мы ежедневно корректируем прогноз погоды, сравнивая его с показаниями наружного термометра.
Информационная интерпретация, будучи сугубо косвенной, тем не менее позволяет сделать недвусмысленное утверждение, касающееся изменения состояния микрообъекта в процессе его регистрации. А именно: распад каталога ожиданий на отдельные составные части, что соответствует редукции волновой функции и стягиванию суперпозиции к одному из ее членов, отвечает, по-видимому, превращению квантового объекта в классический объект. Аналогом такого объекта может служить монета, о состоянии которой ("орел" или "решка") можно сделать заключение, просто взглянув на нее.
Это заключение ориентирует на поиск "объективной" интерпретации квантовомеханического формализма на основе представления об объективной неопределенности импульса и координаты частицы. Поскольку эта интерпретация допускает некоторую наглядность, она была названа квазиклассической.
Дж. Уилер считает, что главный урок квантовой механики состоит в том, что физические явления каким-то образом формируются теми вопросами, которые мы задаем при изучении природы. Основой реальности должен быть не квант, который, несмотря на свою неуловимость, представляет собой физический объект, а бит - фундаментальное понятие информатики и вычислительной техники, выражающееся в количестве информации, содержащейся в ответе на вопрос "да или нет". Группа учеников Уилера занимается переложением квантовой механики на язык теории информатики. Они утверждают, что принцип неопределенности и корпускулярно-волновой дуализм в таком варианте теории более наглядны. Дейвил Дейч (Оксфорд) считает, что можно построить такой квантовый компьютер, в котором бы достигалась суперпозиция состояний. Он мог бы проводить измерения и собственного состояния, и своего окружения, т. е. преодолел бы принцип неопределенности.
Кошка Шредингера.
В закрытом ящике находится кошка, счетчик Гейгера, ионизирующая частица и баллон с ядовитым газом. Если микрочастица проявит себя как корпускула, счетчик сработает, включит балончик с ядовитым газом и кошка умрет. Если частица поведет себя как волна, животное останется в живых. Что можно сказать о кошке, глядя на закрытый ящик. С житейской точки зрения она либо жива, либо мертва. С точки зрения квантовой механики жива и мертва одновременно с вероятностью 50 %. И это странное состояние будет продолжаться до тех пор, пока наблюдатель не снимет эту неопределенность, заглянув в ящик. Допуская применимость квантовой механики к макрообъектам, следует признать существование стороннего наблюдателя, от которого зависит состояние человечества в "ящике" под название Земля.
Парадокс ЭПР.
Мысленный эксперимент Эйнштейна, Подольского и Розена (ЭПР) был предложен для доказательства неполноты квантового описания физической реальности. Эксперимент обычно иллюстрируется опытом Ву по аннигиляции электрона с позитроном, поставленным в 1949 году. Если повернуть плоскость поляризации одного фотона, то одновременно поворачивается плоскость другого. Таким образом, возможна мгновенная редукция состояния второго фотона при измерении состояния первого. Поскольку фотоны вылетают в противоположных направлениях со скоростью света, информация между ними передается со сверхсветовой скоростью. Через такой обмен первый фотон "знает", что происходит со вторым, и наоборот. Информация, вырабатываемая в момент наблюдений в какой-то части системы информационного континуума, мгновенно меняет состояние всего информационного континуума. Речь идет не о бесконечной скорости распространения информации, а о неприменимости этого понятия к процессу переноса информации вообще.
По Бору, фотонам в паре до появления отсчета нельзя приписать какие-либо атрибуты. В общем случае не имеет смысла говорить о параметрах фотонов в данной паре. Эти классические по происхождению понятия характеризуют не сами фотоны, а лишь тип макроскопического прибора, с которым фотоны взаимодействуют. Результаты эксперимента зависят от измерительной процедуры. До отсчета в детекторе частицы не обладают собственными волновыми функциями, а описываются общей волновой функцией. Лишь после отсчета в детекторе появляются индивидуальные характеристики частиц. В ЭПР-экспериментах проявляется принцип дополнительности Бора или - согласно формулировке Фока - принцип относительности к средствам наблюдения.
Если рассматривать волновую функцию лишь как информацию, то ее изменение не является процессом в реальном пространстве-времени, и редукция поэтому не является проявлением нелокальности. Однако, возможна и нелокальная трактовка, подразумевающая некоторое мгновенное взаимодействие и даже возможность телекинеза и телепатии. Эйнштейн и Шреденгер отрицали существование нелокального влияния, называя его "телепатией" и "магией".
Принцип локальности в классической физике говорит, что действие одного объекта на другой обязательно осуществляется с помощью какого-либо посредника (электромагнитные поля, звуковая волна, ток и пр.). Однако квантовая механика дала ряд примеров квантовой нелокальности в макромире.
В качестве примера приводят эффект Ааронова-Бома. Рассматривают пучок электронов, который, проходя через экран с двумя щелями, дает за экраном дифракционную картину. За экраном на пути следования электронов помещают бесконечно длинный соленоид, по которому течет ток. Магнитное поле внутри соленоида будет равно нулю. Квантово-механический расчет показывает, что положение интерференционных полос электронов за экраном зависит от величины потока магнитного поля через соленоид, хотя там, где движутся электроны, поле отсутствует. Получается, что магнитное поле действует там, где его нет.
Такое положение можно трактовать как наличие "канала информации", не связанного с полями, известными классической физике. В классической интерпритации получается, что в подобных случаях информация записана в "пустом" пространстве. Электронная волна "считывает" эту информацию. На основании этого и других примеров делают вывод, что существует физическая корреляция в поведении независимых друг от друга объектов, не сводимая к классическим механизмам, а проистекающая из фундаментального квантового единства всех объектов Вселенной.


1 Фок В.А. Квантовая механика и классические идеализации. - В кн.: Диалектика и современное естествознание. М., 1970, с.144.
2 Ковальчук А.Е., Ломсадзе Ю.Н. Сущность измерения в квантовой механике. - Вопросы философии, 1969, №7, с.87.