Законы дополнительности

Такое положение сохранялось вплоть до 1937 г., когда Бор сделал первый шаг к обоснованию применимости классических понятий в квантовой физике, отметив, что "уже само требование, чтобы обстоятельства опыта и результаты измерения могли быть сообщены кому угодно, означает, что мы можем говорить на языке обычных понятий, основанных на нашем опыте". Эта мысль вскоре получает дальнейшее развитие: "Мы должны прежде всего отдать себе отчет в том, что цель всякого физического опыта есть получение данных при воспроизводимых и поддающихся словесной передаче условиях. Эта цель не оставляет нам никакого другого выбора, как пользоваться повседневными понятиями, может быть улучшенными терминологией классической физики, не только при описании устройства и работы измерительных приборов, но также и при описании получаемых экспериментальных результатов". В 1948 г. Бор приходит к отточенной формулировке: "Как бы далеко ни выходили квантовые эффекты за пределы возможностей анализа классической физики, описание экспериментальной установки и регистрация результатов наблюдения всегда должны производиться на обычном языке, дополненном терминологией классической физики. Это есть простое логическое требование, поскольку слово "эксперимент" в сущности может применяться лишь для обозначения такой ситуации, когда мы можем рассказать другим, что мы сделали и что узнали в итоге". С незначительными вариациями это требование, которое А.З.Петров предложил в 1966 г. назвать "принципом Бора" ввиду его принципиальной важности для любой области физики, воспроизводится впоследствии Н.Бором почти без изменений.

Итак, начиная  с 1948 г., проблема соотношения классических и квантовых понятий получила окончательное решение, и "гармоническое  единство квантовых и классических черт теории строения атома" стало обоснованным. Если излагать взгляды Бора на решение этой проблемы не в исторической последовательности, а в логической, то получается следующая картина.

Поскольку результаты наблюдений должны быть сообщены другим людям, то это требование вынуждает  использовать обычный естественный язык, уточненный с помощью понятий классической физики. Исходным в обосновании физического требования, таким образом, является социальное требование общения, коммуникации.

Следующий, второй шаг состоит в признании  постулата неделимой целостности  процесса наблюдения, символизируемой квантом действия. Это – типично неклассическое представление, ограничивающее пределы применения классических понятий, неизбежного в силу требования коммуникативности.

Третий  шаг – в необходимости гносеологического  подразделения процесса наблюдения на наблюдаемый объект и средства наблюдения (приборы). Описание последних также требует классических понятий.

Четвертый, последний шаг – отнесение  информации о целостном акте наблюдения, воплощенной в его результате, к наблюдаемому объекту. При этом классичность описания средств наблюдения и его результата приводит к тому, что наблюдаемый объект также описывается в классических понятиях, соответствующих типу примененного средства наблюдения. Поскольку же использование некоторых типов приборов исключает друг друга, картины объекта, выраженные в соответствующих наборах классических понятий, также исключают друг друга, представляя собой дополнительные картины. Лишь в совокупности они исчерпывают информацию о наблюдаемом объекте. Указанное взаимное ограничение применимости классических понятий находит свое количественное выражение в соотношениях неопределенностей.

Очень часто, однако, принцип дополнительности трактуется либо как синоним соотношений  неопределенностей, либо даже как логически  и исторически вытекающий из них. М.Джеммер указывает на ошибочность такого рода воззрений, справедливо отмечая, что "соотношения неопределенностей Гейзенберга были для Бора скорее подтверждением представлений, к которым он пришел задолго до того, как Гейзенберг получил свой принцип на основе теории преобразований Дирака–Иордана. На самом деле работа Гейзенберга лишь побудила Бора придать своим мыслям о дополнительности последовательную и законченную формулировку".

Действительно, о необходимости использования  классических понятий для описания микрообъектов Бор говорил уже в 1922 г. Представления об ограниченности классической механики и электродинамики вследствие неустранимой прерывности и дискретности атомных процессов возникли у него в 1913 г. Вопрос о возможности объяснения одного и того же явления с разных сторон обсуждался Бором также в 1922 г. Переход от этих элементов концепции дополнительности к ее полной формулировке произошел в два этапа.

Первый  этап состоял в признании корпускулярно-волнового  дуализма (т.е. в реализации возможности, которая в 1922 г. казалась Н.Бору половинчатым решением проблемы). Это признание было довольно длительным процессом, но, как вспоминал Гейзенберг, Бор "еще в Норвегии… сжился с понятием дополнительности, которое позволяло рассматривать дуализм волн и частиц в качестве исходного пункта интерпретации". Таким образом, это произошло до того, как Гейзенберг показал Бору свой первый вариант статьи о принципе неопределенности вместе с комментариями В.Паули. Но после этого концепции дополнительности не хватало еще одного существенного элемента – применения "квантового постулата" к акту наблюдения.

Это применение составляет второй, последний, этап окончательного формулирования концепции дополнительности. По всей видимости, именно в этом принцип  неопределенности оказал решающее влияние на Бора в ходе нескольких недель довольно напряженных дискуссий с Гейзенбергом. Впоследствии Бор вспоминал, что "прояснить положение вещей можно было …только путем более глубокого исследования проблемы наблюдений… Эта фаза развития была, как известно, начала в 1927 г. Гейзенбергом". В свою очередь В.Гейзенберг пишет об этом так: "Мы, не без содействия Оскара Клейна, признали, что в основе наши точки зрения не расходятся и что соотношение неопределенностей представляет собой лишь частный случай принципа дополнительности". 

Перспективы дополнительности

Несмотря  на трудности, связанные с адекватным пониманием всех тонкостей концепции  дополнительности, на разногласия по поводу интерпретации ее действительного  содержания и на критику ее основных положений, можно вполне согласиться с утверждением Дж.Уилера: "Распространение концепции дополнительности медленно, но необратимо". Как указывает М.Джеммер, после V Сольвеевского конгресса 1927 г. копенгагенская интерпретация, основанная на этой концепции, в течение двух с половиной десятилетий "была единственной общепринятой интерпретацией кантовой механики – а для большинства физиков она остается таковой и сегодня". Развитие физики в области релятивистской квантовой механики и теории элементарных частиц также обнаруживает связь с методологией дополнительности. Наконец, идея дополнительности продолжает распространяться и за пределами физики – в психологии, биологии, этике и даже теологии. С помощью дополнительности предлагали трактовать социальные и индивидуальные аспекты развития науки, статистическую структуру и динамику развития экономических систем, философские системы Канта и Кассирера и т.п.

Под влиянием всех этих успехов, естественно, сложилось  убеждение, что "идея дополнительности… очевидно применима в любой области мышления... Никогда нельзя будет отказаться от обладания этим новым способом ясного мышления и речи".

Однако  с 50-х годов начало довольно широко распространяться противоположное  направление в отношении дальнейшего  использования концепции дополнительности в качестве методологического принципа. Сторонники этого направления указывают, что эмпирический успех не доказывает невозможности существования альтернатив дополнительного способа мышления, утверждая, в частности, что даже в области релятивистской квантовой механики "нет ни одного здравого аргумента... в пользу того, что дополнительность представляет собой последнее слово".

Внутри  этого течения, критические замечания  которого в адрес конкретного  содержания различных сторон концепции дополнительности были рассмотрены выше, можно выделить две "струи". Принадлежащие к первой из них – сторонники объектной трактовки физической реальности – считают, что принцип дополнительности не адекватен в качестве средства интерпретации квантовой механики и не сыграл никакой методологической роли в процессе ее формирования: "В квантовой механике ничего нельзя вывести из дополнительности". Отрицая даже достижения концепции дополнительности, они, естественно, отказывают ему в каких бы то ни было перспективах.

Исследователи, олицетворяющие вторую "струю", соглашаясь с трактовкой концепции дополнительности Бора, отказывают ей в праве быть, во-первых, единственной основой интерпретации  квантовой механики, а во-вторых, – единственной перспективой будущего развития физики. Они считают "по меньшей мере сомнительным, что практика работы всего сообщества физиков воплощает в жизнь философию дополнительности" и пытаются разрабатывать конкретные альтернативы дополнительному способу мышления, избегая, в частности, классического языка (см. в этой связи изложенные выше взгляды Д.Бома). С наибольшей полнотой взгляды этого направления были представлены на кембриджском симпозиуме 1968г.

Если  понимать под квантовой механикой  теорию, математический аппарат которой  построен с помощью операторов и функций в гильбертовом пространстве, то ее ортодоксальная интерпретация, основанная на концепции дополнительности, представляется все же наиболее адекватной. Изменение интерпретации может быть осуществлено только путем модификации математического аппарата квантовой механики, о чем свидетельствуют работы Д.Бома, Ф.Боппа и ряда других авторов.

Что же касается перспектив концепции дополнительности, то вполне можно согласиться с  М.Борном, справедливо полагающим, что "нет необходимости отказываться от того обогащения нашего мышления, которое предоставляют нам эти соображения». Это отнюдь не означает превращения идеи дополнительности в догму и единственно возможный способ мышления. Об этом очень хорошо сказал Л.Розенфельд: "Подчеркивая универсальный аспект дополнительности, Бор больше, чем кто-либо, проницательно осознавал опасность метафизической трактовки этой концепции. Он постоянно предупреждал нас, что в общем процессе развития физики дополнительность является лишь одним из этапов, который мы должны будем вскоре преодолеть.

Мы можем  уже отчетливо видеть границы  той области, в которой можно  определять дополнительные явления  в смысле соотношения неопределенностей. Проблемы, возникшие в связи с  ядерными силами и различными элементарными частицами, требуют для своего разрешения новых методов, которые, весьма вероятно, принесут с собой качественное изменение в наших представлениях, сравнимое с тем, которое имело место при переходе от (лапласовского) детерминизма к дополнительности. Но подобно тому, как законы квантовой физики и ее дополнительные соотношения не могут быть сформулированы без существенного использования детерминистских законов классической физики, дополнительность обязательно останется основой будущих новых представлений, которые выйдут за ее пределы. Обобщив детерминизм, дополнительность не разрушила его, она, скорее, укрепила его и сделала более плодотворным, указав пределы его применимости. Точно так же будущая теория укрепит значение дополнительности, указав ее место в рамках какого-то более широкого синтеза".

*   *   *

Принцип дополнительности в трудах Н.Бора получил  распространение на другие области  знания. Замечание о далеко идущей аналогии между ситуацией в атомной  физике и общими трудностями образования  человеческих понятий, которым завершилась первая статья Бора о дополнительности "Квантовый постулат и новейшее развитие атомной теории", получило разработку в последующих статьях и выступлениях Бора.

Первое  замечания в отношении применения концепции дополнительности к биологии было довольно беглым и относилось скорее к соотношению между физиологическими и психологическими процессами в связи с проблемой психофизического параллелизма, чем к собственно биологии. Поставив вопрос о том, что может дать новейшее развитие наших знаний об атомных процессах для проблемы живого организма, отметив важное значение квантовых представлений для понимания отдельных процессов в живом организме, Бор ограничился лишь общим указанием на подход "к границам возможности однозначного описания с помощью наших обычных наглядных представлений". Лишь в 1932 г., в докладе "Свет и жизнь" мы впервые находим развернутое изложение взглядов Бора на дополнительность собственно биологического и физико-химического подходов к изучению явлений жизни.

Подробно  осветив важную роль квантовых физико-химических процессов в функционировании живых существ, Н.Бор заявляет, что "признание важного значения черт атомистичности в механизме живых организмов само по себе не является ...достаточным для всестороннего объяснения биологических явлений". Вопрос дальнейшего обсуждения ставится так: "Не следует ли добавить к нашему анализу явлений природы еще какие-то недостающие пока фундаментальные идеи, прежде чем мы сможем достигнуть понимания жизни на основе физического опыта"? Не соглашаясь с позицией витализма, предполагающего существование особой, не подвластной ведению физики жизненной силы, управляющей органической жизнью, Бор, как и большинство физиков, был убежден, что даже "если бы мы могли продвинуть анализ механизма живых организмов столь же далеко, как это сделано для атомных явлений, то мы едва ли бы нашли тогда какие-то свойства, чуждые неорганической материи".