Текст книги "Квантовая магия"

2.2. Философский анализ понятия «состояние» в квантовой теории

Что же думают философы насчет категории «состояние» в квантовой физике? Это понятие и его толкование во многом определяют отношение исследователей к квантовой механике. «Состояние» – фактически одно из ключевых понятий, с помощью которых постигается физический смысл квантовой механики. В этом его методологическое и логическое значение.

Сложившийся на основе механистических представлений идеал понимания требовал назвать точные и однозначные характеристики состояния системы в каждый момент времени. Однако в квантовой механике этот идеал был перечеркнут.

Отсутствие ясного философского осмысления понятия «состояние», его философской интерпретации и подмена ее частными научными представлениями поставили перед естествоиспытателями вопрос: что такое «состояние» в квантовой механике, что такое «состояние» вообще?

Первоначально понятие «состояние» применительно к микромиру пытались определить на основе классических методологических требований, используя привычный механистический подход, что оказалось невозможным. Опираясь на классические представления о состоянии, Л. де Бройль пытался объяснить состояние микрообъектов движением волны с «привязанной» к ней частицей (теория «волны-пилота»). Согласно этой теории, ψ-волны рассматриваются как распределенное в пространстве реальное поле. Однако, как стало ясно после появления работ Э. Шредингера, попытка интерпретировать ψ-функцию как некое реальное поле оказалась несостоятельной. В методологическом плане эту несостоятельность определило стремление перенести наглядность классического понятия «состояние», отождествляемого с понятием тела, и его описания в область неклассических представлений. Ошибочность концепции «волны-пилота» была подтверждена и экспериментальными данными.

Существует несколько точек зрения на трактовку квантовомеханического состояния. Об одной из них – точке зрения де Бройля, в которой квантовое состояние интерпретируется как некая реальная волна, мы уже упомянули и отметили ее физическую и методологическую несостоятельность.

Согласно другой точке зрения (Д. Бом, И. фон Нейман), квантовомеханическое состояние – символ, математический прием, не более. Д. Бом[53]53
  Бом Д. Причинность и случайность в современной физике. М., 1959. С. 153.


[Закрыть] отмечает, что состояние «рассматривается в принципе лишь как промежуточный и чисто математический символ, которым можно манипулировать по определенным предписанным правилам так, что это позволяет правильно вычислять вероятности экспериментальных результатов различного рода».

И. фон Нейман[54]54
  Нейман И. фон. Математические основы квантовой механики. М., 1964. С. 250.


[Закрыть] пишет следующее: «Строго говоря, состояние – это лишь теоретические конструкции, в действительности в нашем распоряжении оказываются лишь результаты измерений…». С этой концепцией нельзя согласиться хотя бы потому, что в ней совершенно не ясно, почему этот чистый символ – понятие «состояние» – играет весьма важную роль в квантовой механике, и ψ-функция, как характеристика состояния, описывает результаты, согласующиеся с экспериментом.

К подобной концепции можно подойти только на основе отождествления математического символа – ψ-функции, с реальным состоянием микрообъекта. Корни подобного отождествления уходят в классическую механику, где, как сказано выше, понятие «состояние» отождествлялось с его описанием. Подобное отождествление до сих пор широко распространено и среди физиков, и среди философов. Если же считать, что квантовый объект реален, то мы должны прийти к выводу, что его состояние реально и определяет характеристики, в частности ψ-функцию. Действительно, сама ψ-функция – лишь математический символ, продукт человеческого сознания, и поэтому имеет под собой вполне реальную, материальную основу; ψ-функция связана с реальными процессами через понятия, отражающие внешние свойства микрообъектов. Таким образом, для выяснения физического смысла ψ-функции необходимо установить связь этого понятия с другими понятиями физики, а также с философскими категориями. Это позволит определить место и роль понятия «ψ-функция» в структуре и развитии квантовой механики. На основе подобного анализа можно найти природный аналог ψ-функции. Но анализ этот имеет смысл начинать с анализа понятия «состояние». Физический смысл ψ-функции прояснится лишь тогда, когда оно будет четко определено в квантовой механике.

Как отмечают философы (в частности, А. Л. Симанов), следующая ошибка рассматриваемого толкования понятия «состояние» в квантовой механике – противопоставление общего и единичного. Открытым остается вопрос о природе состояния квантовомеханического объекта и в интерпретации Эйнштейна-Мандельштама-Блохинцева, согласно которой квантовая механика изучает поведение не индивидуальной микрочастицы, а совокупности большого числа этих частиц и совокупности систем частиц. А. Эйнштейн[55]55
  Эйнштейн А. Физика и реальность. М., 1965. С. 55. http://artema.fopf.mipt.ru/lib/phil/einstein1.html.


[Закрыть] писал, что ψ-функция «ни в коем случае не описывает состояние, свойственное одной-единственной системе; она относится скорее к нескольким системам, то есть к „ансамблю систем“».

Иначе говоря, ψ-функция является характеристикой состояния большого числа однотипных независимых микрообъектов, находящихся в определенных условиях, то есть квантовая механика – это статистическая теория ансамбля микрообъектов.

Философы считают, что подобная концепция весьма ограниченна и абсолютизирует опосредованный подход к анализу квантового состояния. Она не лишена также определенных логических недостатков. Согласно ей, квантовый ансамбль является первичным объектом изучения в квантовой механике. Но определение, даваемое ψ-функции, относит ее к микрочастице, и понятие «квантовый ансамбль» в него не входит. Кроме того, ψ-функция определяется внешними макроусловиями, независимо от ансамбля. Следовательно, квантовый ансамбль – это вторичный объект.

Из утверждения – квантовый ансамбль составляют изолированные частицы – неясно, каковы специфические свойства ансамбля, которые отличают его от классических статистических ансамблей. Очевидно, специфичность квантового ансамбля обусловлена особенностями (специфичностью) составляющих его микрочастиц. Мы возвращаемся к тому, что на первичном уровне (и опять-таки первичный уровень) – микрочастица.

Следствием подобных представлений явилось неправильное толкование и определение понятия «квантовомеханическое состояние». «…Состояние частицы или системы, характеризуемое волновой функцией, – подчеркивает Д. И. Блохинцев[56]56
  Блохинцев Д. И. Основы квантовой механики. М., 1961. С. 53.


[Закрыть], – следует понимать как принадлежность частицы или системы к определенному чистому квантовому ансамблю. Именно в этом смысле и будут употребляться в дальнейшем слова: „состояние частицы“, „состояние квантовой системы“ и т. д.».

Таким образом, понятие «квантовый ансамбль» определяется через понятие «состояние частицы», а понятие «состояние» – через понятие «квантовый ансамбль». К тому же данное определение фактически сводит сущность квантовомеханического состояния к принадлежности частицы к ансамблю. Очевидно, что подобное толкование неудовлетворительно.

Квантовая механика требует создания системы идеализации, базирующейся на понятии реального состояния индивидуального объекта. В этом смысле определенный интерес вызывает концепция квантового состояния, предложенная В. А. Фоком[57]57
  Фок В. А. Квантовая физика и строение материи. Л., 1965. С. 12–13 (цитируется по книге А. Л. Симанова).


[Закрыть]. Он, в основном, опирается на реальность квантовомеханического состояния отдельного микрообъекта. В. А. Фок считает, что ψ-функция относится не к ансамблю частиц, а к отдельной частице, характеризуя вероятность того или иного состояния микрообъекта при данных условиях. Он вводит в описание состояния микрообъекта «…существенно новый элемент – понятие вероятности, а тем самым и понятие потенциальной возможности». И далее пишет: «…Введение их отражает не неполноту условий, а объективно существующие при данных условиях потенциальные возможности».

Следовательно, ψ-функция характеризует возможные состояния микрообъекта при определенном макроскопическом окружении. Эти возможные состояния представляют собой ансамбль. В действительность превращается одна из возможностей этого ансамбля. Таким образом, по В. А. Фоку, понятие «квантовомеханическое состояние» отражает присущие микрочастицам объективные возможности обнаружения определенных значений физических величин.

Как замечает А. Л. Симанов, подобное толкование наиболее тесно смыкается с философской интерпретацией понятия «состояние» как отражающего определенные формы бытия материальных объектов. Но и здесь виден ряд недостатков. Действительно, такое толкование отражает лишь одну сторону реального квантовомеханического состояния, а именно – возможность его проявления, и ничего не говорит о сущности самого состояния. В интерпретации В. А. Фока заметно влияние классических представлений, в которых состояние объекта отождествлялось с его характеристиками. Нельзя также трактовать это понятие в отрыве от других философских категорий. Обоснование и толкование этого понятия осуществимы лишь в системе других понятий и представлений, что можно сделать только на основе соотнесения новых данных с общими представлениями о структурной организации материи и с теорией познания.

Далее А. Л. Симанов анализирует взгляды различных философов и делает некоторые выводы, например, следующий: состояние объекта обусловлено внешними и внутренними взаимодействиями и формируется ими, то есть состояние обусловлено как внешним окружением, так и внутренним миром. Еще один вывод: не состояние объекта задается характеристиками, а характеристики определяются его состоянием. Точнее, в процессе изучения объекта выделяется то или иное его состояние, которое описывается выбираемым нами набором характеристик, а величины их определяются состоянием объекта. И так далее…

Пожалуй, довольно о философии. Я понимаю, что нелегко разобраться во всех этих философских рассуждениях, но, думаю, мне удалось донести мысль, что с понятием «состояние» в квантовой теории все не так просто. Почему же нет единого мнения о «состоянии» среди квантовых физиков? Почему в классической физике не существует проблем с понятием «состояние», а вот в квантовой теории сложности возникают? На этот вопрос я постараюсь ответить ниже, пока же скажу кратко. Все очень просто – единого мнения нет потому, что квантовая теория существенно расширяет пространство возможных состояний, в которых может находиться система, и оказывается, что есть такие состояния объектов, которые «ни в какие ворота не лезут» с точки зрения наших привычных представлений о реальности. Например, нелокальные запутанные состояния, которые являются просто «мистическими» для классической физики. Отсюда и различные попытки избавиться от этой «мистики» и вернуться в область привычных представлений о реальности, но нужно ли это делать? Не правильнее ли будет принимать мир таким, какой он есть, и не подстраивать его под свои представления? Может быть, и не нужно пытаться изо всех сил втиснуть квантовую теорию в тесные рамки видимой нами реальности. Может быть, лучше честно признаться в том, что окружающая Реальность гораздо шире, полнее и глубже не только классической физики, но и вообще любых наших теоретических моделей и представлений о Реальности.

Есть два основных способа, с помощью которых физики пытаются вернуть квантовые состояния в лоно привычных классических представлений. Первый – вообще закрыть глаза на то, что вектор состояния имеет под собой реальную физическую основу, и считать его всего лишь математическим символом, который только помогает описывать реальность. И второй – это ансамблевая (статистическая) интерпретация квантовой механики. Но ни тот, ни другой способ не проходит элементарной проверки с точки зрения диалектической логики и философского анализа. Противоречия снимаются лишь в одном случае – когда состояния системы имеют под собой реальную физическую основу, и это именно состояния одной системы, а не какого-то там искусственного ансамбля. Лишь при таком условии удается свести концы с концами в философском плане, но при этом мы вынуждены будем признать, что любая система может находиться в «сверхъестественных», трансцендентных (запредельных, потусторонних) состояниях – немыслимых с классической точки зрения.

2.3. Реальны ли «сверхъестественные» состояния?

До недавнего времени квантовой механике удавалось избегать различных «мистических» состояний типа ЭПР-пары или «кота Шредингера». Это делалось, например, за счет той же статистической (ансамблевой) интерпретации. В рамках последней предполагалось, что состояния такого типа возможны лишь для ансамбля частиц, то есть одна частица никак не может находиться в нелокальной суперпозиции, а есть набор обычных частиц в различных состояниях.

Но что делать теперь, когда такие «сверхъестественные» состояния научились реализовывать для отдельных частиц, например, кубитов в квантовом компьютинге? Более того, такие «магические» состояния уже начали работать в технических устройствах.

На сегодняшний день в квантовой теории и в науке в целом сложилась парадоксальная ситуация. Физики обычно реалистично смотрят на мир и предполагают, что все физические понятия и величины, в том числе и вектор состояния, имеют под собой объективную основу. Но, занимая такую позицию, они вынуждены признать объективное наличие в окружающей реальности и всех следствий такого сопоставления. Иными словами – физики должны согласиться с объективным существованием нелокальных эффектов, «телепатии», как выражался Эйнштейн. Некоторые ученые не могут с этим смириться, и вынуждены тогда заявлять, что вектор состояния – это лишь математическое выражение, которое не имеет под собой реальной физической основы.

Парадокс ситуации заключается в том, что «материалисты», которые считают, что вектор состояния имеет под собой объективную основу, должны в итоге признать «магическую» (в широком смысле слова) природу реальности, с «телепатией» и другими нелокальными особенностями, непривычными для классических представлений. А тот, кто отстаивает незыблемость классических представлений, в которых нет места «магии», должен в итоге стать «идеалистом» и принять точку зрения, согласно которой вектор состояния – это лишь продукт нашего ума, не имеющий под собой реальной физической основы.

На какую позицию встать, каждый ученый решает индивидуально. Я придерживаюсь «материалистической» позиции с ее «магическим» следствием. И таких, как я, по всей видимости, немало. Другие же отстаивают «идеалистическую» позицию. Например, хорошо известный специалист по квантовой механике и уважаемый мною за его работы A. Перес. Он практически одновременно с Городецки предложил один из наиболее широко известных критериев квантовой запутанности – так называемый Перес-Городецки-критерий[58]58
  Peres A. Phys. Rev. Lett. 77, 1413 (1996); Horodecki M., Horodecki P. and Horodecki R. Phys. Lett. A 223, 1 (1996).


[Закрыть], который часто еще называют PPT-критерий (positive partial transpose).

С философской точки зрения показательна его обзорная статья – A. Peres and D. R. Terno. Quantum information and relativity theory, Rev. Mod. Phys. Vol. 76. No. 1. January 2004. Р. 93–123. В ней он честно пишет: «Многие физики, возможно, большая часть, имеют интуитивный, реалистичный взгляд на мир и рассматривают квантовое состояние как физический объект. Его значение не может быть известно, но, в принципе, квантовое состояние физической системы было бы хорошо определено. <…> В этом обзоре мы твердо придерживаемся представления, что ρ [матрица плотности] – только математическое выражение, которое кодирует информацию относительно потенциальных результатов наших экспериментальных вмешательств. Последние обычно называются „измерениями“ – неудачный термин, который создает впечатление, что в реальном мире существует некое неизвестное свойство, которое мы измеряем».

Этот обзор интересен в свете обсуждаемых нами философских вопросов, поскольку в нем затрагиваются онтологические проблемы относительно понятия «состояние».

Уже из названия обзора следует, что A. Перес пытается сопоставить квантовую механику с классической физикой (в частности, с теорией относительности, то есть разделом классической физики). Он делает выбор в пользу классической физики и теории относительности, но при этом должен отказаться от того, что вектор состояния (матрица плотности) соответствует реальному объекту. Причем А. Перес справедливо отмечает, что объединение теории относительности и квантовой теории невозможно в принципе, как он пишет: «Онтологии этих теорий радикально различны». В итоге автор приходит к выводу, что «волновая функция – не физический объект. Это – только инструмент для вычисления вероятностей объективных макроскопических событий». То есть мнение A. Переса близко позиции И. фон Неймана. Причем, замечу еще раз, он честно говорит о том, что большинство физиков думают иначе. Я тоже отношу себя к последним, считая, что вектор состояния соответствует реальному физическому объекту со всеми вытекающими отсюда «сверхъестественными» последствиями (нелокальностями).

Другая распространенная позиция, основанная на статистической интерпретации квантовой механики, сейчас тоже сильно зашаталась. О каком ансамбле может идти речь, если сейчас научились создавать когерентные суперпозиционные состояния для отдельных частиц?

Если рассмотреть, как в квантовой механике формировалось представление о статистической (ансамблевой) интерпретации, то следует отметить, что в качестве отдельного состояния квантовая теория допускает суперпозицию различных альтернатив (нелокальное состояние, в котором нет какой-то конкретной локальной характеристики объекта). Это допущение противоречило классическим представлениям, и отсюда, по моему мнению, возникли ансамблевая интерпретация и статистический подход к вектору состояния. Здесь были задействованы хорошо известные представления Больцмана и Гиббса о статистическом ансамбле. Напомню, что в свое время для вычисления средних значений физических величин они, вместо временного усреднения в рамках одной системы, предложили рассматривать среднее по ансамблю, по совокупности большого числа соответствующим образом разупорядоченных систем. Они предложили мысленную конструкцию из совокупности систем, когда каждое допустимое состояние данной (одной)системы представлено в ансамбле отдельной системой, находящейся в стационарном состоянии. Каждая система из ансамбля является мысленной копией реальной системы в одном из допустимых ее состояний. Такое представление выглядит очень правдоподобно, однако к настоящему времени никто не знает, как сформулировать необходимые и достаточные условия строгой эквивалентности средних по ансамблю и временных средних.

Поскольку многим физикам мысль о том, что нелокальная система (суперпозиционное состояние) может реально существовать, казалась противоестественной, вспомнили о статистическом ансамбле, который по определению представляет собой мысленную конструкцию. То есть квантовую нелокальную суперпозицию состояний для данной системы заменили мысленным набором всех ее возможных классических состояний с данными вероятностями. Формально (количественно) результаты совпадают, но от реального физического объекта, единого и нелокального, перешли к мысленной конструкции, к ансамблю классических состояний. Какое-то время это помогало продержаться полуклассическим представлениям в квантовой механике. При этом многие абсолютизировали понятие «ансамбля» и предпочитали понимать под ним не мысленную конструкцию, а уже набор из реально существующих состояний.

Мое представление об ансамбле состояний ближе к точке зрения В. А. Фока, которая отражена в упоминавшейся ранее цитате из книги А. Л. Симанова: «В. А. Фок считает, что ψ-функция относится не к ансамблю частиц, а к отдельной частице, характеризуя вероятность того или иного состояния микрообъекта при данных условиях. Он вводит в описание состояния микрообъекта существенно новый элемент – понятие вероятности, а тем самым и понятие потенциальной возможности». И далее: «…Введение их отражает не неполноту условий, а объективно существующие при данных условиях потенциальные возможности». Следовательно, ψ-функция характеризует возможные состояния микрообъекта при определенном макроскопическом окружении. Эти возможные состояния представляют собой ансамбль. В действительность превращается одна из возможностей этого ансамбля.

Однако В. А. Фок продолжал оставаться в рамках полуклассических представлений о «состоянии». Например, в предисловии к книге Дирака «Принципы квантовой механики» он пишет: «Само понятие состояния трактуется по всей книге так, как если бы оно принадлежало атомному объекту самому по себе, в отрыве от средств наблюдения. Такая абсолютизация понятия „квантовое состояние“ приводит, как известно, к парадоксам. Эти парадоксы были разъяснены Нильсом Бором на основе представления о том, что необходимым посредником при изучении атомных объектов являются средства наблюдения (приборы), которые должны описываться классически».

Сейчас квантовая теория стала уже самодостаточной дисциплиной. В настоящее время она замкнута, и для нее нет никакой необходимости привлекать классические приборы. Наоборот, если мы вводим в рассмотрение классические объекты, то квантовая теория уже не может считаться по-настоящему квантовой, а становится лишь полуклассическим приближением. Поэтому широко известную копенгагенскую интерпретацию квантовой механики в лучшем случае можно рассматривать как полуклассический подход.

Если же вернуться к ансамблевой интерпретации, то она представляется мне одной из последних соломинок, за которую цепляются сторонники классической реальности. Она хоть как-то помогает держаться им в рамках привычных представлений об окружающем мире. Если убрать эту «зацепку», они рискуют «утонуть» в квантовой парадигме, что, видимо, не входит в их планы, поэтому они лелеют и оберегают свою «соломинку» от всяких посягательств, придумывая все новые аргументы «за». С моей точки зрения, ансамблевая интерпретация уже давно изжила себя, и нужно с этим смириться, а не тормозить науку, штопая «старые мехи», которые расползаются от брожения «молодого вина».

Квантовая теория имеет возможность количественно описывать физические процессы, объективно существующие в окружающей нас реальности, которые невозможно изучать в рамках классической физики. Это один из основных моментов, который я бы хотел подчеркнуть: независимо от интерпретаций квантовая теория имеет дело с реальными физическими процессами, которые не могут быть описаны классической физикой.

Квантовая теория расширяет наш взгляд на окружающую реальность, показывая, что системы, помимо известного нам предметного состояния, могут находиться в состояниях «противоестественных», невозможных с точки зрения классической физики, попросту нематериальных. И такие состояния – вовсе не плод воображения, не теоретические абстракции, не математические символы. Это вполне реальные объективные элементы реальности, и в последнее время ими научились манипулировать, управлять, получая привычный для нас «материальный» вид этих объектов лишь как частный случай, как одну из возможностей. Но объективность другой, запредельной стороны реальности, более широкое пространство ее возможных состояний от этого не исчезают.

Поэтому под объективной физической реальностью я понимаю нечто большее, чем привычная для нас реальность. Я включаю в это понятие и системы, находящиеся в нелокальном состоянии. В этом случае объективная реальность значительно расширяется и, как мне представляется, охватывает многое из того, что принято относить к магии, эзотерике, религии и т. д. Например, в этом представлении телепатия, телекинез, материализация и дематериализация, ясновидение, религиозные таинства, действие молитвы, эзотерические практики и т. п. становятся элементами объективной реальности, связанными с физическими процессами.

К объективным физическим процессам относится также деятельность сознания (не только человека) и возможность его функционирования на различных уровнях реальности. Сознание, с точки зрения квантовой механики, становится элементом физического мира, поскольку его деятельность непосредственно связана с изменением состояния системы, обладающей сознанием. Феномен сознания связан с последовательностью различных внутренних состояний системы, а если состояние никогда не меняется, то можно говорить о полном отсутствии сознания. Другими словами, смена состояний – необходимое условие для наличия сознания в любой системе. Таким образом, имеется принципиальная возможность сопоставить с сознанием вектор состояния в некотором выбранном представлении и описывать его методами квантовой теории. Одновременно при таком подходе сознание становится элементом «энергетического мира», поскольку энергия в квантовой механике является функцией состояния. Соответственно деятельность сознания может быть описана в энергетических терминах и сведена к процессам, изменяющим распределение энергии в системе. Эта энергия не является таковой согласно классическим представлениям, поскольку ее градиент (сила) не может непосредственно совершить, например, работу над плотными телами. Но для тонких уровней реальности – это объективно существующая энергия, градиент которой способен совершить работу в отношении других объектов данного уровня. При этом существенную роль играет наличие нелокальности, квантовой запутанности на тонких уровнях реальности, в результате чего внешние объекты в какой-то своей части становятся едины с нашим энергетическим телом, связаны с ним квантовыми корреляциями. Поэтому сознание имеет принципиальную возможность изменять распределение энергии во внешних объектах как во внешнем «продолжении» своего энергетического тела, к которому сознание имеет прямой доступ. Однако для осознанного управления этим процессом наше сознание должно обладать практическим опытом индивидуальной активности на этих уровнях реальности.

Если посмотреть чуть шире на философские проблемы, которые ставит перед нами современная квантовая теория, то следует отметить, что ее выводы способны нанести сокрушительный удар по мировоззрению людей, ориентированных на ценности материального мира, – людей, составляющих основу так называемого общества потребления. Возможен нешуточный конфликт в умах добропорядочных граждан, озабоченных своим преуспеянием в нашем бренном мире. Постепенно назревает противоречие.

С одной стороны – есть стремление к материальным благам и новым диковинным техническим устройствам, которые обладают невиданными доселе, прямо-таки фантастическими возможностями. И этот прагматизм, интересы потребительского рынка стимулируют все более интенсивные научные исследования в этом направлении.

С другой стороны – создание таких устройств предполагает более глубокий и пристальный взгляд на окружающую реальность, который проникает в запредельные, «потусторонние» для материального мира области, подтверждает его ограниченность и свидетельствует о наличии более широкой «неклассической» реальности. Согласно такому видению, все стремления человека к материальным благам, богатству, власти, карьере и т. п. ничего не стоят, их не возьмешь с собой после смерти физического тела в ту, иную реальность, которая сейчас открывается нашему взору. Более того, чрезмерное внимание человека к мирским ценностям может только усложнить его дальнейший путь и судьбу на квантовых уровнях Реальности.