Принцип дополнительности
Новый способ понимания парадокса двойственности волны-частицы предложил Бор. По его словам, волновая и корпускулярная природы электрона представляют собой не двойственные, а просто полярно противоположные качества. Это взаимодополняющие качества, открывающиеся нам во взаимодополняющих экспериментах. Когда мы берем дифракционную картину электрона, то открываем его волновую природу; когда мы прослеживаем его в облаке пара, то видим его корпускулярную природу. Электроны не являются ни волнами, ни частицами. Их можно называть "волночастицами", ибо их подлинная природа превосходит оба описания. В этом состоит принцип дополнительности.
Поскольку обдумывание того факта, что один и тот же квантовый объект обладает такими, казалось бы, противоречивыми свойствами, как волновые и корпускулярные, может быть опасно для человеческой психики, природа предусмотрела амортизатор. Принцип дополнительности Бора уверяет нас, что хотя квантовые объекты обладают и волновыми, и корпускулярными свойствами, мы можем в рамках любой экспериментальной обстановки в любое данное время измерять только один аспект волночастицы. Мы выбираем, какой аспект волночастицы мы хотим увидеть, выбирая соответствующую экспериментальную обстановку.
Принцип соответствия
Поняв революционные идеи новой физики, было бы совершенно неверно думать, что физика Ньютона была полностью неправильной. Старая физика продолжает жить в сфере большей части (но не всей) грубой материи в качестве частного случая новой физики. Важная особенность науки состоит в том, что когда новый порядок сменяет старый, он, обычно, расширяет область своего применения. В старой области математические уравнения старой физики остаются справедливыми (подтверждаясь экспериментальными данными). Поэтому в сфере классической физики выводы квантовой физики о движении объектов четко соответствуют тем, что делаются с помощью ньютоновской математики при допущении, что тела, с которыми мы имеем дело, являются классическими. Этот принцип соответствия сформулировал Бор. Взаимоотношение между классической и квантовой физикой в каком-то смысле похоже на зрительную иллюзию. "Моя жена и моя теща" (рис. 12). Что вы видите на этом рисунке? Сначала вы видите или жену, или тещу. Я всегда вижу сначала жену. В действительности, вам может потребоваться некоторое время, чтобы обнаружить на рисунке второй образ. Если вы присматриваетесь к нему, внезапно возникает второй образ. Подбородок жены превращается в нос тещи, ее шея - в подбородок более старой женщины, и так далее. Возможно, вы поражаетесь - что происходит? Линии рисунка остаются теми же, но внезапно для вас становится возможным новый способ восприятия картины. Очень скоро вы обнаруживаете, что можете легко переходить от старой картинки к новой и обратно. В любой момент вы по-прежнему видите только один из двух образов, но ваше сознание расширилось так, что вы осознаете их двойственность. В таком расширенном состоянии осознания начинает становиться понятной странность квантовой физики. Она даже становится волнующей. Перефразируя слова Гамлета, обращенные к Горацио, можно сказать - в небесах и на земле есть много вещей, которые и не снились классической физике.
Рис. 12.Моя жена и моя теща
Квантовая механика дает нам более широкую перспективу, новый контекст, расширяющий наше восприятие в новую область. Мы можем видеть природу как отдельные формы - волны, либо частицы - или можем обнаруживать дополнительность: идею, что одной и той же вещи присущи и волновые, и корпускулярные свойства.
Копенгагенская интерпретация
Согласно так называемой Копенгагенской интерпретации квантовой механики, разработанной Бором, Гейзенбергом и Борном, мы рассчитываем квантовые объекты как волны и интерпретируем волны вероятностным образом. Мы определяем их атрибуты - такие, как положение и импульс - отчасти неопределенно и понимаем их с учетом принципа дополнительности. Вдобавок фундаментальными аспектами поведения квантового объекта считаются отсутствие непрерывности и квантовые скачки - например, схлопывание расползающегося волнового пакета при наблюдении. Еще один аспект квантовой механики - неразделимость. Разговор о квантовом объекте без разговора о том, как мы его наблюдаем, не имеет смысла, поскольку одно неотделимо от другого. Наконец, для массивных макрообъектов предсказания квантовой механики совпадают с предсказаниями классической физики. Это вводит запрет на проявление таких квантовых эффектов, как вероятность и прерывистость в макроскопической сфере природы, которую мы наблюдаем непосредственно с помощью органов чувств. Классическое соответствие маскирует квантовую реальность.
Преодоление материального реализма
Принципы квантовой теории позволяют отказаться от необоснованных допущений материального реализма.
Допущение 1: Строгая объективность. Основное допущение материализма состоит в том, что существует независимая от нас материальная вселенная. Это допущение обладает некоторой очевидной операционной обоснованностью и зачастую считается необходимым для осмысленного занятия наукой. Действительно ли это допущение обоснованно? Квантовая физика показывает, что мы выбираем, какой аспект - волновой или корпускулярный - будет демонстрировать квантовый объект в той или иной ситуации. Более того, наше наблюдение схлопывает квантовый волновой пакет в локализованную частицу. Субъекты и объекты неразделимо связаны воедино. Если это так, то как можно придерживаться допущения строгой объективности?
Допущение 2: Причинный детерминизм. Еще одно допущение классической науки, подкрепляющее материальный реализм, - это то, что мир является фундаментально детерминистическим: нам нужно знать только силы, действующие на каждый объект, и начальные условия (начальные скорость и положение объекта). Однако принцип квантовой неопределенности говорит, что мы никогда не можем одновременно определять и скорость, и положение объекта с абсолютной точностью. В нашем знании начальных условий всегда будет содержаться ошибка, и строгий детерминизм неприемлем. В равной мере подозрительна и сама идея причинности. Поскольку поведение квантовых объектов носит вероятностный характер, строгое причинно-следственное описание поведения единичного объекта невозможно. Вместо этого, говоря о больших группах частиц, мы имеем статистическую причину и статистическое следствие.
Допущение 3: Локальность. Допущение локальности - того, что все взаимодействия между материальными объектами опосредуются локальными сигналами, - имеет решающее значение для материалистического воззрения, согласно которому объекты существуют, по существу, отдельно и независимо друг от друга. Однако если волны распространяются на огромные расстояния, а затем внезапно схлопываются, когда мы производим измерения, то влияние нашего измерения не передается локально. Таким образом, локальность исключается. Это еще один смертельный удар по материальному реализму.