·

О философских вопросах современной физики

О философских проблемах современной физики

[1]Многие физики становятся на такую точку зрения: физике следует стремиться к тому, чтобы «оставлять в покое» философскую постановку вопросов, так как развитие физики очевидно показывает, что ее результаты вырастают из непосредственных опытных фактов, в силу чего вмешательство философии при этом могло бы выглядеть только как помеха. Эта — по моему мнению — неправильная точка зрения многих физиков возникает отчасти из того обстоятельства, что имеется много случаев, когда философы выдвигали физические проблемы, не обладая достаточным знанием дела, и, таким образом, часто действительно высказывали наивные суждения. Правда, если мы здесь критикуем философов, которые без знания дела брались за постановку физических вопросов, то мы должны, ради справедливости, еще больше критиковать тех коллег-физиков, которые без достаточной философской подготовки или знания дела часто занимали поверхностные позиции по отношению к философским вопросам.

В качестве примера неправильной позиции в отношении физики я хотел бы упомянуть А. А. Максимова, который, правда, исходит из правильных философских принципов, однако поверхностно применяет их к физике и приходит к выводам, которые в таком своем виде вызывают величайшее сопротивление у физиков и, во всяком случае, не заставляют их ни вдуматься, ни задуматься. В качестве другого примера я хотел бы привести некоторых философов, о воззрениях которых развернулась длительная дискуссия на страницах «Немецкого философского журнала». Эта дискуссия представляется мне не очень плодотворной по причине недостаточного знания предмета некоторыми из ее участников.

Наоборот, какую важную роль могут играть те философы, которые берут на себя труд серьезно заниматься физическими вопросами, доказывают, например, работы Б. Фогараши о «физическом» идеализме и дискуссии под руководством И. В. Кузнецова, в которых я принимал участие, в Институте философии в Москве.

Я полагаю, что физические и философские вопросы должны решаться в неразрывной связи друг с другом и серьезная совместная работа физиков, занимающихся вместе с тем и философией, и философов, взявших на себя труд серьезно ознакомиться с проблемами современной физики, будет чрезвычайно плодотворной и, по моему мнению, приведет к серьезному дальнейшему развитию физики, а также, по-видимому, и философии.

Мне хотелось в настоящей статье рассмотреть два важных примера, которые показывают, что в самой современной физике имеются важные философские вопросы, от которых невозможно уклониться также и физику, и что эти вопросы непосредственно вытекают из фактического развития физики. Эти два примера находятся в связи с основами теории относительности и квантовой механики.

* * *

Теория относительности возникла из попытки объяснить отрицательный результат опыта Майкельсона — Морлея. После опыта Майкельсона — Морлея был поставлен ряд других опытов с целью экспериментального доказательства абсолютного движения Земли относительно эфира. Все эти опыты имели отрицательный результат, т. е абсолютное движение Земли относительно эфира не удалось установить ни оптическими, ни электрическими, ни также механическими опытами.

На основе всех этих отрицательных результатов Эйнштейн выдвинул допущение, что вообще не существует эксперимента, который позволил бы доказать абсолютное движение Земли. Он сделал вывод: так как не имеется опыта, который позволил бы определить абсолютное движение Земли, то «бессмысленно» говорить о таком абсолютном движении. Эйнштейн выдвинул требование сформулировать теорию таким образом, чтобы не было необходимости говорить об абсолютной скорости.

Это требование он и осуществил широко известным способом. Он пришел к выводу, что можно обойтись без концепции абсолютного движения, если ввести формулы преобразования, в которых при переходе от одной системы координат к другой преобразуются не только координаты пространства, но и времени. Таким образом, по Эйнштейну, понятие одновременности есть относительное понятие: два события, которые в одной системе выглядят как одновременные, в другой системе отсчета кажутся неодновременными.

Эйнштейновская интерпретация опыта Майкельсона — Морлея и подобных опытов в настоящее время логически никоим образом не является единственно возможной. До Эйнштейна Лоренц и, независимо от этого Фицджеральд дали другую интерпретацию тех же самых фактов. Лоренц и Фицджеральд допускали, что существует эфир и что электромагнитные явления разыгрываются относительно этого эфира, подчиняясь уравнениям Максвелла. В системе, движущейся относительно эфира, по Лоренцу и Фицджеральду, свет распространяется не изотропно, но эта анизотропия, которая должна приводить к положительному эффекту в случае интерференционного опыта Майкельсона — Морлея, компенсируется вследствие того, что движущийся относительно эфира интерферометр способен деформироваться при своем движении. Эта деформация точно компенсирует вызванный анизотропией эффект. Иначе говоря, движущийся относительно эфира интерферометр совершенно не обнаруживает ожидаемого на основе геометрических расчетов отклонения, потому что движущиеся части интерферометра при движении изменяются таким образом, что это геометрически компенсирует ожидаемый эффект.

Математически воззрение Лоренца — Фицджеральда, вообще говоря, не отличается от эйнштейновского; становимся ли мы на точку зрения Эйнштейна или Лоренца — Фицджеральда, мы получим тот же самый ответ на все те специальные вопросы, которые в настоящее время можно рассматривать как экспериментально решенные. Спор между этими двумя воззрениями можно свести к следующему вопросу: является ли деформация Лоренца и Фицджеральда «действительной» деформацией, или, как утверждает Эйнштейн, «кажущейся» деформацией. То, что математически между двумя формализмами действительно нет разницы, проистекает из того, что оба эти воззрения принимают за основу преобразования Лоренца.

Мы так обстоятельно обсуждаем эти известные факты потому, что хотели бы обратить внимание на то, что различие между воззрениями Лоренца — Фицджеральда и Эйнштейна чисто философское. Если бы мы захотели встать на ограниченную, но распространенную точку зрения, состоящую в том, что не имеет смысла проводить различие между воззрениями, если это различие не поддается экспериментальной проверке, тогда мы пришли бы к заключению (по моему мнению, неверному): вообще не существует различия между воззрениями Эйнштейна и Лоренца.

В действительности речь идет о глубоко философском вопросе. Старое воззрение Лоренца — Фицджеральда пытается установить материальные закономерности твердых тел. Оно пытается посредством анализа внутренних сил показать, что эти твердые тела внутренне связаны этими силами и что ускорение твердого тела имеет следствием постоянное изменение этого тела. В результате изменения состояния трансляционного движения тел, вызываемого ускорением, само собой разумеется должна иметь место деформация. Эту мысль, которая более или менее ясно выражена в работах Лоренца, остается детально разработать.

Для эйнштейновского воззрения, напротив, основой является формальное описание состояния. Эйнштейн вообще не формулирует вопроса о том, что происходит с телом, когда оно ускоряется, и как оно изменится вследствие ускорения. Главное внимание уделяется тому, что видит один наблюдатель и что видят наблюдатели, которые находятся в различных состояниях движения относительно объекта. Различие между Лоренцем и Эйнштейном можно было бы сформулировать следующим образом: Лоренц исследует физические свойства объекта, в то время как эйнштейновское воззрение удовлетворяется анализом роли наблюдателя.

Хотя многие физики утверждают, что они хотят заниматься не философией, а лишь физическими вопросами, большинство физиков в этой существенной философской постановке вопроса занимает определенную позицию. Часто подробно разъясняется, почему воззрение Эйнштейна является более совершенным, чем устаревшее воззрение Лоренца. Мне хотелось бы здесь привести в качестве примера цитату из замечательной книги Макса Лауэ: «Собственно экспериментальный выбор между известной лоренцовой теорией и теорией относительности, пожалуй, вообще не может быть получен, и если, вопреки этому, первая отступила на задний план, то это произошло главным образом потому, что, хотя теория Лоренца и близко подходит к теории относительности, ей не хватает простого и всеобщего принципа, который с самого начала придает теории относительности что-то внушительное» [2].

Можно было бы привести подобные цитаты из многих других учебников физики, которые показывают, что физики занимают определенную позицию, делая выбор между Эйнштейном и Лоренцем, хотя этот вопрос, по-видимому, еще не нашел экспериментального решения. Я полагаю, что необходимо в этом вопросе найти верную точку зрения, так как я лично не уверен в правильности позиции, распространенной среди физиков.

Впрочем, если мы внимательно проанализируем цитату из работы М. Лауэ, мы увидим, что речь идет совсем не о том, что между двумя этими позициями принципиально не может быть различия, но скорее о том, что невозможно экспериментально показать, что воззрение Эйнштейна, правильное, а Лоренца — ложное. Точка зрения Эйнштейна, в сущности, настаивает на том, что определенные вещи невозможны, а именно: принципиально невозможно действие, которое распространялось бы со сверхсветовой скоростью. Воззрение Эйнштейна в известном смысле вынуждает к вечной обороне, утверждая, что вообще не может быть никакого, даже не известного нам сейчас действия, распространяющегося со сверхсветовой скоростью. Если бы мы нашли такое действие, то это было бы экспериментальным доказательством неправильности эйнштейновской позиции, в то время как позиция Лоренца была бы незатронутой. Процитируем опять из книги М. Лауэ: «Сложность эксперимента, при котором искалось бы влияние движения Земли, была еще значительнее. Но ничего искомого не наблюдалось, и в этом лежит твердая уверенность в справедливости принципа относительности»[3].

Эта правильная, но осторожная формулировка Лауэ отражает позиции многих физиков 20-х годов. С тех пор осторожная и продуманная позиция Лауэ превратилась в совершенно догматическую позицию. Если бы этого не случилось, то могла бы получиться существенно новая точка зрения. Я характеризую позицию многих физиков цитатой из статьи Бригитты Экштейн в «Немецком философском журнале», полемизирующей со взглядом Виктора Штерна. «Как не физик, он (т. е. Штерн)… не мог знать, что для решения этого вопроса нельзя придумать другого эксперимента — просто потому, что нет другого такого явления, в котором обнаруживается «эфир», оказывающий воздействие на это явление. Только человеку, стоящему в стороне от науки, аргументы физика могут показаться произвольными или необоснованными. Такой человек не может знать, какое количество опытного материала содержится в том или ином высказывании»[4].

Я полагаю, что Бригитта Экштейн, возможно, более отчетливо выражалась бы, чем она это сделала, если бы она не находилась под неприятным воздействием несомненно дилетантски острых нападок на теорию относительности со стороны Штерна. Но мне хотелось бы высказать следующее предложение: пусть физики, которые представляют вышеизложенную точку зрения, сделают попытку еще раз беспристрастно, т. е. с объективной точки зрения, изучить оригинальные работы по теории относительности и пограничным проблемам. Я предлагаю еще раз критически пересмотреть хорошо известный материал, который представлен в оригинальных работах, с целью объективно установить, что наверняка доказано, что представляет собой вероятное допущение и что рассматривается как философское построение. После того как я начал бы со своей стороны такой анализ, я побоялся бы подписаться под такими сильными утверждениями, какие содержатся в вышеприведенной цитате.

Выбор между точками зрения Лоренца — Фицджеральда и Эйнштейна важен потому, что в воззрениях Эйнштейна в качестве существенного элемента содержится гипотеза, согласно которой физическое действие не может распространяться со сверхсветовой скоростью, в то время как воззрения Лоренца не содержат такого общего высказывания.

Позиция, которой я здесь придерживаюсь, разделялась, по-видимому, многими физиками на протяжении последних десятилетий. Однако, авторитет эйнштейновского понимания был так велик, что подобные точки зрения не могли получить общее признание. Я узнал, например, что профессор Водецкий в 20-х годах занимал позицию, очень близкую к моей. Это вопрос большой важности, потому что сегодня квантовая теория вынуждена преодолевать большие трудности и напрашивается в той или иной форме вопрос, нельзя ли разрешить затруднения квантовой теории из предположения, что внутри атомов, а также и в больших системах при известных условиях действия могут распространяться со сверхсветовой скоростью. Если мы сразу встанем на эйнштейновскую точку зрения, то все подобные допущения, которые предполагают сверхсветовую скорость, будут отклонены, как абсурдные, и тогда мы подвергнем себя опасности отказаться от дальнейшего развития идеи, против которой существует такое всеобщее предубеждение.

Я изложил свое мнение о физической интерпретации преобразований Лоренца в большой статье, появившейся в «Анналах физики»[5] и намереваюсь вернуться к физической постановке вопроса в специальном журнале[6]. Поэтому здесь я не намереваюсь детально обсуждать физическую постановку вопроса, но хочу лишь принципиально осветить свою позицию.

Мое мнение таково: лоренцева концепция абсолютного эфира, заставляющая думать, что эфир заполняет всю вселенную, с философской точки зрения неприемлема. Однако я полагаю, что концепция Лоренца может видоизмениться так, что будет содержать модель, значительно более приемлемую, чем первоначальное воззрение Лоренца, и в то же время не содержащую эйнштейновских допущений о скорости света и одновременности.

Если уравнения Максвелла — Лоренца будут отнесены к привилегированной системе, тогда отнюдь не является необходимым, чтобы эта движущаяся система могла быть экстраполирована на все мировое пространство. Опыт Майкельсона — Морлея проводился только на Земле. Таким образом, если мы введем движущуюся систему, которая, скажем, покоится относительно центра тяжести Солнечной системы, и примем, что эта система, экстраполированная далеко за пределы солнечной системы, не имеет особого значения, тогда мы имеем пригодную для всех практических целей систему координат. По моему мнению, отнюдь не бессмысленно приписывать такой системе, лежащей в пределах нашего мира, особое значение. Хотя мы не можем установить экспериментом Майкельсона — Морлея или аналогичными ему движение относительно этой системы, но почему мы упорствуем в том, чтобы искать что-то интерферометром Майкельсона — Морлея, что обнаруживается ясно в отношении другой системы? Галактика, в которой покоится солнечная система, в больших масштабах отмечена «неподвижными» звездами, находящимися в пределах нашей Вселенной. В этой системе выбранные нами «неподвижные» звезды имеют относительно малую скорость.

Впрочем, общая теория относительности показала, что центробежные силы во вращающейся системе можно понимать, как результат воздействия окружающих нас «неподвижных» звезд. Центробежные силы мы находим в системе, движущейся относительно «неподвижных» звезд. По моему мнению (и это детальнее объясняется в моей большой статье), мы можем с точно такой же точки зрения сказать, что предположенная Лоренцем деформация твердых тел, которая привносится движением, может быть объяснена как противодействие окружающих нас «неподвижных» звезд. Я не вижу здесь принципиального различия между постановкой вопроса в общей теории относительности об абсолютности вращательного движения и выдвинутой здесь постановкой вопроса о перемещении относительно системы «неподвижных» звезд.

В особенности мне хочется отметить, что математически нетрудно связать деформацию Лоренца с движением относительно «неподвижных» звезд, если мы примем, что силы связи между атомами твердого тела распространяются со световой скоростью и носителем этих сил является совсем не мировой эфир, а, вероятно, квазистационарное поле тяготения, окружающее тела всей вселенной.

Мы хотим здесь указать на старое недоразумение, которое, в основном, существовало в философии, но, по моему мнению, решительно повлияло на развитие физики. Это вопрос о том, можно ли дальше оценивать деформацию, введенную Лоренцем, как предположение «ad hoc». По моему мнению, гипотеза Лоренца совершенно естественна, однако на нее нельзя было обратить должного внимания в начале столетия, когда атомистика была еще мало развита. Если в свое время Майкельсон и Морлей, когда они планировали свой интерференционный опыт, ожидали определенного положительного эффекта, то это могло случиться только потому, что они исходили из естественного предположения, что плечо интерферометра геометрически может приниматься за твердое тело и вследствие этого, если, например, интерферометр повернется на 90°, жесткое плечо интерферометра при вращении не испытывает никакой деформации.

Это воззрение Майкельсона и Морлея о жестких телах в их время было обычным и понятным. Под телом понималось нечто более или менее связанное с геометрической фигурой. Поэтому представлялось, что любое движение в пространстве может осуществляться без того, чтобы тело испытывало деформацию.

Сегодня в результате развития атомистики мы точно знаем, что твердое тело представляет собой определенную закономерную структуру. Твердые тела состоят из очень многих атомов, и эти атомы находятся в динамическом равновесии. Далее мы знаем, что силы, с которыми действуют друг на друга атомы и благодаря которым образуется динамическая равновесная конфигурация, распространяются с конечной скоростью. Значит, если мы в соответствии с действительностью примем твердое тело за бесчисленное количество атомов, находящихся в динамическом равновесии, тогда мы тотчас увидим, что такое тело, представляющее собой сложную систему атомов, не может быть не чувствительным к ускорению и переносному движению. Если такую составную систему мы подвергнем ускорению, тогда с необходимостью изменится конфигурация равновесия, т. е. рассматриваемое атомистически твердое тело при всех обстоятельствах (как это следует из общих динамических соображений) обнаружит деформацию, если оно подвергнется ускорению. Если бы Майкельсон и Морлей в свое время знали это, тогда они попытались бы, вероятно, своими опытами измерить разницу двойного эффекта, а именно: с одной стороны, между смещением спектральной линии, вызванным переносным движением Земли, и, с другой, эффектом, вызванным вращением интерферометра, состоящего из атомов, находящихся в динамическом равновесии.

Если бы вопрос был поставлен в таком виде, тогда из отрицательных результатов можно было бы заключить, что эти два эффекта строго компенсируются. Этот результат, вероятно, оказался бы не очень удивительным, если можно было бы принять во внимание, что силы между атомами существенно электромагнитной природы и что потому эффект переноса атомов, связь которых имеет электромагнитную природу, тот же, что и эффект переноса электромагнитных световых волн. Точное математическое изложение, которое обосновывает этот качественный ход мыслей, предварительно сделано в моей уже упоминаемой статье в «Annalen der Physik». В другой статье, опубликованной в журнале «Успехи физических наук» (май 1957), я изложил эти мысли более подробно.

Я не претендую на то, чтобы эта моя статья окончательно убедила читателя в правильности моей точки зрения на теорию относительности. Мое намерение скорее заключается в том, чтобы показать, в какой мере философская постановка вопроса может оказаться существенно важной для развития физики. Проблема, поставленная здесь, состоит в следующем: следует ли заниматься теорией или экспериментом, предполагающим действие со сверхсветовой скоростью? В конечном счете этот вопрос действительно может быть решен в зависимости от успехов или неудач соответствующей теории и эксперимента. Но в данный момент мы стоим перед ответственным решением: на каком эксперименте и на дальнейшем развитии какой именно теории мы должны сконцентрировать нашу ограниченную энергию и силы? И чтобы иметь возможность это решить, мы должны основываться на философских соображениях, указывающих на правильность или неправильность того или иного пути. Неверное решение в этом вопросе может очень серьезно препятствовать дальнейшему развитию.

Далее мне хочется обсудить одну фундаментальную проблему квантовой механики — с намерением показать, что и в квантовой механике также имеется важная философская постановка вопроса и что для физика необходимо занять в этом определенную позицию; более того, физик совсем не может идти далее без определенной точки зрения. Я имею здесь в виду широко известную проблему волны-корпускулы.

Не очень входя в детали, мы можем сказать, что имеется ряд экспериментов, которые наглядно доказывают волновую природу света. Я напомню о простейшем случае интерференции от двух щелей (рис. 1). Рассмотрим источник света L, первый экран S1 с двумя щелями и за ним второй экран S2, который улавливает интерференционную картину. Рассмотрим такую точку М интерференционной картины, в которой лучи гасят друг друга. В точке М идущие из L волны вообще не оказывают светового действия, и это можно просто объяснить, если мы примем, что световая волна, которая распространяется вдоль светового пути LBM, и световая волна, которая распространяется вдоль пути LAM, гасятся в результате интерференции. При этом А и В — точки щелей экрана S1. Вышеупомянутое расположение типично для интерференционного эксперимента, поэтому нам здесь нет необходимости заниматься другими подобными интерференционными явлениями.

Рис. 1. Схема двухлучевого опыта по интерференции

Корпускулярную природу света можно так же ясно продемонстрировать, как и его волновые свойства. Фотоэффект в видимой области свидетельствует нам, что свет, который падает с частотой v на металлическую пластинку, рассеивается точно так же, как если бы он состоял из мельчайших частичек, которые двигались бы со световой скоростью и обладали импульсом hv/c и энергией hv.

Свойство испускать фотоэлектроны из освещенного лучами слоя металла вряд ли можно понять без эйнштейновской гипотезы фотонов.

Сильное и наглядное подтверждение гипотезы фотонов представляют также эксперименты, поставленные С. И. Вавиловым. В этих опытах показано, что поток фотонов при очень малой интенсивности обнаруживает изменчивость, которая не вытекает из волновой теории, но которая, напротив, должна иметь место по статистическим соображениям, если свет состоит из отдельных независимых корпускул.

Рис. 2. Схема опыта по совпадению

L — источник света; S — полупрозрачное зеркало; I, II — электронные умножители

Мне хочется из ряда доказательств корпускулярной природы света привести также тот факт, что световые кванты могут быть сосчитаны по отдельности так называемым электронным умножителем. Это удалось недавно мне с моими сотрудниками путем проведения следующего опыта[7]. Мы заставили световой луч очень малой интенсивности падать на полупрозрачное зеркало так, что он разбился на два компонента; мы получили при этом отраженный и проходящий лучи (рис. 2). При помощи электронного умножителя, который ставится одновременно на путях двух лучей, оставалось показать, что каждый фотон или, отражается или проходит, но ни в коем случае не разбивается на две части, как это можно было ожидать с примитивной волновой точки зрения. Результат опыта был такой, что умножители (учитывая на основе статистики ожидаемые случайные совпадения) никогда одновременно не срабатывали.

При наивном подходе эксперименты, которые доказывают волновую природу света, кажутся находящимися в странном противоречии с теми, которые доказывают его корпускулярную природу. Но противоречие может показаться еще более острым, если мы рассмотрим такую постановку опыта, при которой обнаруживаются обе наблюдаемые особенности света. Я полагаю, что по этому поводу можно сказать следующее. Пусть мы наблюдаем изображенную на рис. 1 интерференционную картину. Если интенсивность источника света очень мала, тогда мы можем свет, падающий на экран S2, исследовать электронным умножителем. Если мы это сделаем, то можно ожидать, что мы в месте темных полос вообще не найдем фотонов, в то время как в области светлых полос произойдет много ударов. Такого рода эксперимент я предпринял с моим сотрудником Нарай и предварительные результаты обнаруживают, при определенных условиях, наличие интерференционных полос при очень слабом свете; соответствующий опыт в случае интерференции электронов проведен недавно в Советском Союзе В. Фабрикантом. Опыты С. И. Вавилова над флюктуацией потока фотонов дают также экспериментальное подтверждение описанного нами положения вещей.

Чтобы полнее уяснить парадокс всей ситуации, мы рассмотрим еще следующую установку. На рис. 1, вместо того чтобы свет падал на экран, прямо за щелями можно поставить по электронному умножителю. Так как электронные умножители закрывают щели, они тем самым препятствуют появлению интереференционной картины на экране S2. Мы должны ожидать, что каждый фотон, который исходит от источника света L и при отсутствии электронного умножителя проходит через одну из двух щелей и при этом способствует созданию интерференционной картины на S2, будет улавливаться одним электронным умножителем. Основываясь на нашем опыте, мы должны ожидать, что каждый фотон приведет к срабатыванию только одного или другого из обоих умножителей, но никогда обоих одновременно.

Этот промежуточный опыт должен нас при этом убедить, что каждый фотон первоначально падает только на одну из двух щелей. Хотя тот факт, что мы в интерференционном минимуме не находим фотонов, показывает, что каждый фотон каким-то образом находится под влиянием обеих щелей: достаточно передвинуть положение одной щели, чтобы место минимума на S2 превратилось в максимум.

Итак, эксперименты имеют, очевидно, двойной результат: во-первых, если возьмем опыты по совпадению, то каждый фотон проходит только через одну или другую щель; во-вторых, если рассмотрим опыт по исследованию результатов на экране S2, то получим, что каждый фотон находится под влиянием обеих щелей.

Мы пришли, таким образом, к абсурдному результату, что фотон находится под влиянием щели, через которую он совсем не проходил. Абсурдность этого заключения станет ясной, если мы в дополнение к этому укажем, что фотоны, проходящие через щель А, ведут себя по-разному в зависимости от того, открыта или закрыта щель В, которой они совсем не касаются.

Здесь речь идет о трудной постановке вопроса, которая, однако, подтвердилась экспериментом. Вопрос состоит в следующем: как нужно интерпретировать это странное обстоятельство?

Примем «ортодоксальную» точку зрения. Она состоит в следующем: чтобы заострить противоречие между корпускулярной и волновой природой света, мы должны опереться по меньшей мере на два различных опыта. Во-первых, на опыт со счетчиком, помещенным прямо за щелью; во-вторых, на опыт, где щель свободна и мы наблюдаем интерференционную картину. Эти два опыта, очевидно, нельзя проводить с теми же самыми фотонами. Мы можем установить для отдельных фотонов, что они прошли через отверстие А или отверстие В. Но дали бы эти фотоны интерференционную картину, если бы мы их не перехватили нашим счетчиком, остается не решенным, так как именно эти фотоны уже были поглощены экраном S2. Далее, во втором опыте, в котором установлено, что отдельные фотоны не попали в интерференционный минимум, мы не можем указать, прошли ли эти фотоны через А или через В. Итак, мы можем посредством опыта для некоторых фотонов установить, что они прошли только через А или только через В далее, для других фотонов, для которых вопрос, через какую щель они прошли, остается открытым, мы можем указать, что они избегают интерференционного минимума и при этом находятся под влиянием обеих щелей.

В ортодоксальной редакции это выражается так: если мы не знаем, через какую щель прошел фотон, тогда мы можем допустить, что фотон проходит сквозь обе щели, и нас не должно дальше удивлять, если он затем ведет себя так, как если бы он действительно проходил через обе щели.

Это можно представить также следующим образом: допустим, что каждый фотон, например, с вероятностью в 50% прошел через Лис вероятностью в 50% — через В. Между этим допущением и высказыванием, что фотон действительно разделится на части и половина его прошла через одну, а другая половина — через другую щель, нет никакой разницы.

Можно ли удовлетвориться ортодоксальным пониманием или нет — это, как и в случае теории относительности, философский вопрос. Согласно ортодоксальному воззрению существенно, что объект и субъект не могут быть ясно различимы. Предполагается, например, что движение электрона или фотона, кроме своего состояния, находится еще под влиянием нашего знания.

В связи с такой трактовкой должен остро встать вопрос о детерминизме и индетерминизме. Если — как утверждается в ортодоксальной теории — именно наше знание оказывает влияние на движение электрона, тогда нельзя вскрыть законы объективной причинности. Действительно, ортодоксальная теория рассматривает как существенную черту квантовой механики то, что ее законы индетерминистичны. Перед нами возникает вопрос, ответ на который определяется философской точкой зрения. Готовы ли мы принять индетерминизм и идею неразрывной связи объекта и субъекта и довольствоваться ортодоксальной формой квантовой механики, или мы не согласны с этой философской позицией и готовы искать другую соответствующую теорию?

По моему мнению, которое полностью совпадает с выдвинутой ранее точкой зрения де Бройля, ортодоксальное воззрение неудовлетворительно. Эта новая точка зрения в последнее время получает все большее признание. Я имею в виду не только де Бройля и его сотрудника Вижье, а также Д. Бома, но и представителей советской школы, в особенности С. И. Вавилова, Д. И. Блохинцева и Я. П. Терлецкого, советских философов — И. В. Кузнецова и других. Все эти ученые придерживаются мнения, что ортодоксальные воззрения Бора, Гейзенберга и других неверно решают проблему волны-частицы и ссылка на то, что два эксперимента, о которых говорилось выше, принципиально не могут быть осуществлены, не освобождает нас от того, чтобы выяснить, как эти два эксперимента могут быть поняты в их связи друг с другом.

Здесь возникает еще и другой вопрос. Со стороны ортодоксальной школы утверждается, что совсем нет необходимости подробнее объяснить эти вышеупомянутые обстоятельства дела, поскольку удалось математически так сформулировать теорию, что она, несмотря на отказ от наглядности, корректно может ответить на все возникшие вопросы.

Здесь необходимо поставить вопрос: с одной стороны — возможно ли, с другой — необходимо ли пользоваться в области микрофизики моделью. Строго говоря, речь идет просто о модели и не только о модели в микрофизике. В случае интерференционного опыта, который мы подробно выше охарактеризовали, мы имеем дело с ясно выраженной макроскопической системой.

Ортодоксальная позиция относительно микрофизической модели примерно следующая. С одной стороны, утверждается, что принципиально невозможно дать модельное описание атомистических явлений. Утверждается, что эта невозможность теоретически доказана. С другой стороны, если кто-нибудь сомневается в обоснованности такого утверждения и еще пытается проводить модельные воззрения, тому будет указано, что это — не имеющая смысла и устаревшая попытка. Например, физику, который не ограничивается сложным математическим формализмом квантовой теории, а пытается описать вещи наглядно, модельно, заявляется, что все его попытки основаны исключительно на предрассудке. Его упрекают, указывая, что в течение XIX столетия также пытались описать всё механической моделью, однако позднее пришли к тому, что это невозможно.

Опыты, проведенные в свое время с целью механической интерпретации уравнений Максвелла, с предположением, что молекулы эфира имели определенную винтообразную форму и т. п., в настоящее время мы считаем действительно наивными. Я думаю, что любое положение можно действительно преувеличить. Детальные модельные опыты по объяснению уравнений Максвелла были таким же преувеличением, каким преувеличением сегодня является стремление с самого начала отклонить все, что соответствует модели.

Возникает философский вопрос (и этот вопрос важен в настоящей связи): дает ли абстрактный формализм квантовой теории удовлетворительную картину явления? По моему мнению, он этого не дает. В этом мнении я не одинок и хотел бы процитировать некоторых известных физиков.

Прежде всего мне хотелось бы проиллюстрировать посредством цитат из недавно появившейся статьи Гейзенберга, каким образом Гейзенберг, один из наиболее сильных представителей ортодоксальной школы, определяет свое отношение к этим проблемам. Статья была опубликована в сборнике, посвященном 70-летию Нильса Бора, и касается критиков ортодоксальной школы. Гейзенберг пишет:

«Критика истолкования квантовой теории исходила первоначально из кругов физиков старшего поколения, которые не были готовы жертвовать столь многим из идейного здания классической физики, сколько от них требовалось. А. Эйнштейн, Э. Шредингер и М. фон-Лауэ не считали новую интерпретацию обоснованной и убедительной. За последние годы, однако, различные физики младшего поколения также высказались против ортодоксального толкования и некоторые из них внесли контрпредложения, которые мы рассмотрим ниже.

Работа противников копенгагенской интерпретации может быть разбита на три группы.

Первая и самая многочисленная группа принимает без изъятия интерпретацию экспериментов, предложенную копенгагенской теорией, в частности, в той мере, в какой имеются в виду произведенные до сей поры эксперименты, но она заявляет, что ее не удовлетворяет применяемый язык, т. е. лежащая в основе философия, и заменяют ее другой. Работы А. Александрова[8], Д. Блохинцева[9], Д. Бома[10], Ф. Боппа[11], Л. де Бройля[12], Феньеша[13] и В. Вейцеля[14] относятся к этой группе.

Вторая группа пытается действительно видоизменить квантовую теорию, так что новая теория, хотя она и дает во многих случаях те же результаты, что и старая, отнюдь не дает их во всех случаях. Наиболее конструктивная попытка в этом направлении сделана Л. Яноши[15].

Третья группа, наконец, выражает скорее свою общую неудовлетворенность квантовой теорией, не делая определенных контрпредложений — ни физических, ни философских. Утверждения Эйнштейна[16], М. фон-Лауэ[17], Э. Шредингера[18] и в самое последнее время М. Реннингера[19] относятся к этой группе.

Впрочем, все противники копенгагенской интерпретации согласны в одном пункте. По их взгляду, желателен был бы возврат к понятию реальности классической физики, или, говоря в более общей форме, к онтологии материализма; иначе говоря, к идее объективного реального мира, наименьшие частицы которого существуют объективно таким же самым образом, как камни и деревья, независимо от того, наблюдаем мы их или нет»[20].

Так говорит представитель ортодоксальной школы. Из цитаты становится совершенно ясно, как тесно связаны физическая и философская постановка проблемы. Далее я хотел бы привести высказывания, характеризующие критическую позицию ведущих физиков.

Де Бройль в недавно появившейся статье пишет следующее: «История наук показывает, что прогресс науки постоянно тормозился тираническим влиянием определенных концепций, которые стали в конце концов рассматриваться как догмы. По этой причине необходимо периодически подвергать весьма глубокому исследованию принципы, которые стали в конечном счете приниматься без обсуждения»[21].

Следующая цитата из той же статьи де Бройля показывает еще более конкретно сомнения в квантовой теории: «Чисто вероятностная интерпретация допускает абсолютную эквивалентность всех распределений вероятностей. Вот почему Нейман принял эту эквивалентность как постулат, но сделав это, он просто показал, что, если допустить основные концепции чисто вероятностной интерпретации, то нельзя избежать и самой этой интерпретации. Таким образом, здесь имеется нечто вроде порочного круга и теорема Неймана мне больше не кажется имеющей то значение, которое я придавал ей сам в прежние годы»[22].

Мне хочется еще процитировать два мало известных высказывания Э. Шредингера, форма которых, правда, шутливая, но они несомненно содержат серьезную мысль: «Спросите меня, наконец, что теперь представляют в действительности эти корпускулы и эти атомы и молекулы? — Тогда я должен буду честно признать — я знаю об этом так же мало, как то, откуда появился второй осел Санчо Пансы»[23]. Шредингер имеет в виду то, что в «Дон-Кихоте» Сервантеса Санчо Панса в начале книги потерял своего любимца-осла, но осел в позднейших главах без дальнейших объяснений опять появился.

Далее Шредингер пишет: «Эта картина материальной действительности сегодня так шатка и сомнительна, как этого уже давно не было. Мы знаем очень много интересных деталей, узнаем ежедневно новые. Но мы все еще не можем отобрать из основных представлений такое, которое можно рассматривать как твердо установленное и на основе которого можно построить прочное сооружение. Широко распространенное мнение ученых исходит из того, что вообще нельзя дать объективную картину действительности в том смысле, какой ей придавали раньше. Только оптимисты среди нас (к которым я отношу и себя) принимают это за философскую экзальтацию, за шаг отчаяния перед лицом большого кризиса. Мы надеемся, что это колебание наших представлений означает только болезненный процесс превращения, который приведет в конечном счете к лучшему, чем беспорядочный набор формул, который сегодня покрывает наш предмет»[24].

Приведенные высказывания показывают, что есть физики, которые имеют серьезные сомнения в правильности ортодоксальных воззрений. Однако многие твердо стоят на догматической точке зрения ортодоксальной теории. Пока ортодоксальное понимание не находится в противоречии ни с одним из экспериментов, какое понимание мы можем принять и какое отвергнуть, это является философским вопросом. И этот вопрос не маловажен, так как сообразно с ним мы должны планировать наши экспериментальные исследования, чтобы пополнить картину окружающего нас мира. Будем ли мы, например, считать важной задачу экспериментального доказательства современной квантовой теории в наивозможно большем числе пунктов или мы будем полагать, что эта теория уже так полна, что она не нуждается больше в такой проверке, и мы можем сконцентрировать наши силы на другой, новой проблеме?

Философская позиция ортодоксальной школы заключается в том, что современная теория якобы вполне удовлетворительна именно с философской точки зрения и ее логическая полнота в значительной мере гарантирует ее правильность. Представители этого направления признают, что существуют утверждения этой теории, которые еще не доказаны экспериментально, однако они не считают нужным подвергать эти, по их мнению, уже и без того выясненные вопросы дальнейшей проверке.

Характерной для этой позиции является критика, которой Гейзенберг подверг мои взгляды. Она дана в уже упоминавшейся работе: «Яноши пытается видоизменить квантовую механику, вводя члены затухания, так, что члены интерференции сами собою исчезают по прошествии определенного времени. Даже если это соответствовало действительности (а предполагать это нет оснований, исходя из уже проделанных экспериментов), все- таки останется немалое число смущающих выводов из подобного толкования, что подчеркивает и сам Яноши (например, волны, распространяющиеся быстрее скорости света, перестановка временной последовательности причины и следствия для движущихся наблюдателей, т. е. неравноправность некоторых координатных систем). Вот почему мы вряд ли будем готовы простоту квантовой теории принести в жертву такой точке зрения, пока нас не принудят к этому эксперименты»[25].

Мне хотелось бы еще добавить к приведенной выше критике, что я частично принимаю аргументы, однако со следующей оговоркой. Пресловутая «простота» квантовой механики ведет, думается мне, логически к таким странным последствиям, что именно из-за них я не согласен принять все выводы из квантовой теории.

С начала 20-х годов начался процесс, в котором первоначально оспаривавшиеся понятия квантовой теории все более и более догматизировались, а одновременно с этим возникла тенденция объявлять ненужными эксперименты, которые были посвящены все более и более догматически признаваемым основам квантовой механики: создалось моральное давление, затронувшее проведение подобного рода опытов.

С того времени, как в середине 20-х годов был проведен ряд опытов, чтобы проверить основные положения квантовой теории, от этих опытов отказались, так как они не обнаружили противоречия с квантовой теорией. С тех пор дальнейшие такие опыты не проводились и можно даже сказать, что с тех пор вообще считается «плохим тоном» планировать или проводить такие опыты. Я не имею в виду здесь опыты, которые исследуют сложные эффекты, как например, вновь открытый ламбовский сдвиг, я говорю об основополагающих опытах, которые касаются основных выводов квантовой теории. К отдельным опытам в этом направлении, которые проводились в последние годы, можно отнести, по-моему, ряд опытов Фабриканта, о которых уже шла речь выше, и мой опыт по совпадению фотонов. Кроме того, Вавилов посвятил значительную часть своей жизни этой проблеме, правда, вне прямой связи с рассматриваемым вопросом.

Решительная позиция многих ведущих физиков, доходившая до того, что основные вопросы теории считались полностью решенными, имела, по моему мнению, отрицательный результат. Эта позиция привела к тому, что много экспериментальных исследований, о которых говорилось выше, не удалось выполнить, так как общественное мнение физиков решительно считает, что эти опыты не могут принести ничего представляющего интерес. Тот факт, что, с одной стороны, эксперимент Фабриканта, с другой — мой эксперимент по совпадению фотонов не были проведены раньше и что ряд основных представлений, по моему мнению, еще и теперь экспериментально с достаточной точностью не проведены — все это можно отнести за счет указанного обстоятельства. Я хочу здесь привести в качестве примера то, что использованный в вышеприведенной аргументации результат, вследствие которого при любой малой интенсивности света и любом большом оптическом устройстве интерференционные явления протекают так же, как и при нормальной интенсивности, экспериментально недостаточно обоснован.

Резюмируя, я хотел бы заметить еще следующее. В современной физике имеется много вопросов, которые должны быть решены философски. Мы не можем избежать этого решения, потому что дальнейшее развитие науки требует определенной позиции в этом вопросе. Такими вопросами являются, как мы видели, выбор решения между позициями Эйнштейна и Лоренца или между ортодоксальной квантовой теорией и попыткой причинного толкования. В обоих вопросах, естественно, большинство физиков фактически считало решение найденным. Но в последнее время становятся все громче голоса сомневающихся в том, действительно ли правильно найденное в свое время решение. Это — серьезная проблема, в которой необходимо занять определенную позицию, и очевидно, что для дальнейшего плодотворного развития физики очень важно, чтобы была найдена правильная позиция. Какой рискованной может оказаться для физика догматическая и, возможно, неверная позиция в том или ином вопросе, показывает нам ретроспективный взгляд на историю кинетической теории газа Людвига Больцмана. У Больцмана были величайшие затруднения с признанием его гениальной теории. Контраргументы против его теории, которая с современной точки зрения выглядит совершенной и почти очевидной, происходили от поверхностной философской аргументации. Его упрекали в том, что не имеет смысла пользоваться для теплоты механической моделью. Далее, теория Максвелла представлялась как образец любой физической теории и доказывалось, что каждая «совершенная» теория явления должна иметь форму дифференциальных уравнений — почти аналогично уравнениям Максвелла. Процитируем здесь из книги Больцмана: «…Если история науки показывает, как известные теоретико-познавательные обобщения часто оказывались ложными, то не может ли модное в настоящее время направление, отрицательно относящееся к любым специальным представлениям, так же, как и признание качественно различных форм энергии, оказаться шагом назад? Кто может предвидеть будущее? Поэтому шире дорогу каждому направлению, прочь с любой догматикой в атомистическом и антиатомистическом смысле!»[26].

Когда Больцман в этих строках говорит: дать свободную дорогу исследованию в атомистическом и антиатомистическом смысле — он, естественно, не думает, что не следует занимать определенную позицию. Но он хочет, очевидно, подчеркнуть, что было неправильным, что в свое время антиатомистические представления в известной мере рассматривались как догма и для исследователя было довольно тяжело добиться признания атомной теории.

Больцман не аргументирует вообще против философии — он просит прежде выслушать. Опрометчивое философское обобщение в конце прошлого века относится к утверждениям, имеющим в сущности философскую природу, эти утверждения многие тогдашние физики принимали как догму; эта догма говорила, что принципиально неправильно представлять теплоту как движение молекул и бессмысленно детально разрабатывать атомную гипотезу. Один из первых проповедников этой очевидно неправильной догмы был Эрнст Мах. Изречение Больцмана есть крик против его подавляющего догматизма, выросшего из опрометчивых философских представлений.

Положение вещей в наши дни напоминает положение во времена Больцмана. Сегодня также распространились определенные догматические представления. И сегодня существуют философские суждения, к которым физик должен иметь определенное отношение. Мне хочется здесь воскликнуть вместе с Больцманом: кто сможет предвидеть будущее? Но, возможно, именно в результате трагического случая с Больцманом мы научимся осторожности; я, со своей стороны, отклоняю сегодняшние догмы. И каждый физик должен ясно видеть, что и сегодня мы как физики должны занимать определенную позицию в основных вопросах и что верное или неверное направление нашей работы, с которым связан окончательный результат, зависит от нашей верной или неверной позиции в этих философских вопросах.

  1. В основу настоящей статьи положена статья автора в «Deutsche Zeitschrift für Philosophic», 1955, H. 3, специально переработанная им для настоящего издания. (Перевод Н. Ф. Овчинникова).

  2. М. Laue. Die Relativitätstheorie. Erster Band. Das Relativitätsprinzip der Loretztransformation. Dritte Auflage. Braunschweig. 1919, S. 34.

  3. Ibid., S. 30.

  4. «Deutsche Zeitschrift für Philosophic», 1954, H. 4/II, S. 929.

  5. L. Janossy. Über die physikalische Interpretation der Lorentz — Transformation. «Annalen der Physik», 1953. Bd. II, S. 293 und «Acta physica Academiae Scientiarum hungaricae», 1952, N 1, S. 391.

  6. См., в частности, статью Л. Яноши «Дальнейшие соображения о физической интерпретации преобразований Лоренца». — «Успехи физических наук», 1957, т. LXII, вып. 1, стр. 149—181 (прим. ред.).

  7. A. Adam, L. Jаnоssу, Р. Varga. «Acta Physica Academiae scientiarum hungariae», 1955, N 4, S. 301.

  8. Александров. «Доклады Академии наук СССР», 1952, т. 84, № 2.

  9. D. Blochinzew. «Sowijetwissenschaft», 1953, N 6/4.

  10. D. Bohm. «The Physical Review», 1951, vol. 84, p. 166 and 1952, vol. 85, p. 180.

  11. F. Bopp. «Zeitschrift für Naturforshung», 1947, H 2a/4. S. 202; 1952, H. 7a, S. 82.

  12. L. De Broglie. La physique quantique restera-t-elle indeterministe? Paris, 1953, p. 22.

  13. I. Fenyes. «Zeitschrift für Physik», 1952, H. 132, S. 81.

  14. . Weizel. «Zeitschrift für Physik», 1953, H. 134, S. 264 und 1953, H. 135, S. 270.

  15. L. Janоssy. «Annallen des Physik», 1952, Bd. 6, N 11, S. 324.

  16. Например, A. Einstein. В сб. «Albert Einstein: Philosopher- Scientist», Evanston, 1949, p. 665.

  17. Например, M. von Laue. «Naturwissenschaften», 1951, Bd. 38, S. 60.

  18. Е. Schrodinger. «British Journal for the Philosophy of Science», 1952, v. N 109, p. 233.

  19. M. Renninger. «Zeitschrift für Physik», 1953, H. 136, S. 251.

  20. Сб. «Niels Bohr and the Development of Physics», p. 16—17.

  21. L. de Вгоglie. La physique quantique restera-t-elle indeterministe? p. 22.

  22. Ibid., р. 18.

  23. F. Schrodinger. Unsere Vorstellung von der Materie. Gent, 1952, S. 54.

  24. Ibid., S. 37—38.

  25. L. Boltzmann. Vorlesungen fiber Gastheorie. Leipzig, 1896, T. 1, S. 4.

Похожие записи

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *