Принцип суперпозиции.

Принцип суперпозиции (наложения) - это «допущение, со­гласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлени­ем в отдельности при отсутствии влияния друг на друга»[327]. В микромире принцип суперпозиции - фунда­ментальный принцип, который наряду с принципом неопреде­ленности составляет основу математического аппарата кванто­вой механики. В квантовой теории его интерпретируют так: пока не проведено измерение, бессмысленно обсуждать, в каком состоянии находится физическая система (например, атом или атомное ядро). Иными словами, до измерения система находится в суперпозиции («наложении») множества возможных состояний, ее состояние неопределенно. Вопрос о том, где находится электрон в атоме, до проведения измерения бессмыслен, можно говорить о его «одновременном местонахождении везде», «размазанности», существовании в пределах «электронного облака» - области наиболее вероятного его обнаружения. Акт измерения пе­реводит физическую систему скачком в одно из вероятностных состояний, а свойства, обнаруженные при измерении, могут вообще ранее не существовать. Для описания множества потенциальных состояний квантовой системы или объекта используют понятие комплексной волновой функции Ψ (функция состояния, пси-функция, амплитуда вероятности).

Для наглядного объяснения Э. Шредингер в 1935 г. предложил мысленный эксперимент, вошедший в историю как «эксперимент с котом Шредингера». Суть его в следующем. В закрытый ящик помещён кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное ядро и емкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность того, что ядро распадется за 1 час, составляет 50 %. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие, он открывает емкость с газом, и кот умирает. Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдения, то его состояние описывается суперпозицией (смешением) двух состояний - распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мертв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор обязан увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние - «ядро распалось, кот мертв» или «ядро не распалось, кот жив».

Вопрос ставится следующим образом: когда система перестает существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель мысленного эксперимента Шредингера заключалась в том, чтобы показать неполноту квантовой механики без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит «коллапс волновой функции», описывающей все потенциально возможные состояния, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестает быть смешением того и другого.

Однако, как выяснилось впоследствии, вероятностный характер предсказаний квантовой механики принципиально неустраним, он вовсе не говорит об ограниченности наших знаний относительно значений каких-то скрытых переменных, как предполагал А. Эйнштейн, утверждая, что «Бог не играет в кости!». В классической физике вероятность использовалась для описания результатов процессов типа подбрасывания игральной кости, хотя фактически этот процесс считался детерминированным и фактически, вероятности использовались вместо неполного знания. Современная квантовая механика утверждает, что в микромире результат измерения принципиально недетерминирован, закономерность может иметь только статистический характер. В ньютоновской механике макромира, как частном случае более фундаментальной теории, принципы суперпозиции и индетерминизма не универсальны, законы носят строгий детерминированный характер, причинно-следственные связи не нарушаются, что для нас является привычным и само собой разумеющимся. Можно сказать, что ньютоновская физика является для прежней области явлений предельным выражением законов квантовой механики.

Несравненно большее значение, чем редукционизм, в квантовой механике имеет понятие целостности. Кроме многочисленных примеров системности и целостности в описании квантовых систем, о которых говорилось выше, есть еще ряд феноменов, иллюстрирующих принцип суперпозиции как холистическую концепцию. В 1935 г. А. Эйнштейн предложил тип эксперимента, провести который стало возможным лишь впоследствии, в 1980-х гг.

Суть его в следующем. Источник испускает две частицы, А и В, которые разлетаются в противоположных направлениях. Если начальный спин системы был равен нулю, то согласно законам сохранения, спин В должен быть равен по величине и противоположен по знаку спину А. Известно, что предельная скорость передачи информации не может превышать скорости света. Возникает вопрос: будет ли отражаться на частице В воздействие исследователя на частицу А, если они находятся на таком расстоянии, когда световой сигнал уже не сможет догнать частицу В, до того как она достигнет датчика детектора? Эйнштейн предполагал, что с В изменений не произойдет. В 1965 г. английский физик-теоретик Дж. Белл (John Bell; 1928 - 1990) вычислил статистическое соотношение, которое можно ожидать, если допущения Эйнштейна оказались бы верны (Теорема Белла). Однако на практике частицы вели себя так, как будто между ними существовало некое сообщение, вместе с тем они были слишком далеки друг от друга, чтобы между ними действительно могло возникнуть какое-либо взаимодействие. Оказалось, что расчеты Белла указывают на отсутствие скрытых параметров. Объясняя этот феномен, большинство физиков считает, что если частицы образовались в результате одного события, их необходимо рассматривать как единую систему, даже когда они находятся далеко друг от друга, в разных точках вселенной. Квантовая волновая функция должна включать обе частицы. События, разделенные в пространстве и времени, соотносимы, поскольку они разворачиваются из одного внутреннего порядка (смысла), но между ними не существует прямых, привычных нам причинных связей. Для иллюстративной наглядности И. Барбур приводит пример с двумя телеэкранами, показывающими движущий объект с различных точек зрения, при этом два образа соотносятся, но не влияют друг на друга[328]. Следовательно, неверным оказывается наше привычное представление о том, что динамические свойства квантовой частицы, наблюдаемые при измерении, реально существуют еще до измерения, а измерение лишь ликвидирует наше незнание того, какое именно свойство имеет место.

Суперпозиция и индетерминизм требуют глубокого философского осмысления. Известно несколько мировоззренческих интерпретаций квантовой механики. Копенгагенская интерпретация - истолкование квантовой механики, которую сформулировали Н. Бор и В. Гейзенберг во время совместной работы в Копенгагене (Дания) в 1927 г. Это вероятностная интерпретация волновой функции: акт измерения вызывает ее мгновенное «схлопывание» или «коллапс» - процесс измерения случайно «выбирает» одну из возможностей, допустимых волновой функцией данного состояния, а волновая функция мгновенно изменяется, чтобы отразить этот выбор. Копенгагенская интерпретация на настоящей момент является наиболее распространенной.

Многомировая интерпретация (Many-world interpretation) - это интерпретация квантовой механики, предполагающая существование бесконечного числа не взаимодействующих между собой «параллельных вселенных», в каждой из которых действуют одни и те же законы природы и которым свойственны одни и те же мировые постоянные, но которые находятся в различных состояниях. Эта интерпретация, предложенная в 1957 г. американским физиком Х. Эвереттом (Hugh Everett; 1930 - 1982), отказывается от недетерминированного, случайного «коллапса волновой функции», который сопутствует измерению в копенгагенской интерпретации. В опыте с «котом Шредингера», в момент вскрытия ящика вселенная «расщепляется» на две разные вселенные, в одной из которых наблюдатель смотрит на ящик с мёртвым котом, а в другой - другой наблюдатель смотрит на живого кота. Таким образом, в многомировой интерпретации роль наблюдателя практически сводится на нет.

Еще одна гипотеза редукции суперпозиции состояний была предложена известным венгро-американским математиком Дж. фон Нейманом (John von Neumann; 1903-1957). Суперпозицию состояний в рассмотренном выше двущелевом эксперименте (например, Ψ 1 – состояние частицы за одной щелью, Ψ 2 - состояние той же частицы за другой щелью) можно перенести с помощью известных математических процедур квантовой теории на сетчатку глаза, затем на нейроны и далее в структуры мозга. Математический аппарат квантовой механики не содержит процедуру редукции. Однако человек, в конце концов, осознает результат эксперимента в классическом виде. Так где же происходит редукция? Ответ Дж. Неймана – в сознании.

Известны интерпретации квантовой механики и в контексте восточной мистики, делающие, напротив, особый акцент, на значении наблюдателя, находящегося в неразличимом единстве с целостным миром и вызывающим «из небытия» конкретные события (американский физик Ф. Капра; Fritjof Capra, род. в 1939 г. и др.)[329]. И. Барбур считает, что Ф. Капра преувеличивает параллели, игнорируя различие целей мистики и физики, дифференцированность и эпмиризм науки, а также религиозную традицию христианства, в контексте которой интерпретировать философские проблемы физики, возникшей в Европе, было бы более логично.

Христианское богословское осмысление квантовых закономерностей действительно представляется интересным и плодотворным для апологетики. Выше, при рассмотрении проблемы чуда в христианстве и естествознании, уже шла речь о принципиальной неопределенности (индетерминизме), как возможности для некоторых богословов и физиков вести речь об «окне воздействия» трансцендентного Бога в тварном мире[330]. Иными словами, «коллапс волновой функции», выпавшая случайность может быть осмыслена как реализация Божественного Промысла, постоянно действующего в мире («промыслительная случайность»). При таком подходе легко разрешается приводящая к деистическому мировоззрению тупиковая ситуация для разума, вынужденного согласовывать причинно-следственную закономерность (детерминизм) и постоянство деятельности Промысла в мировой истории. С другой стороны, в христианской традиции особая роль отведена для человека - венца мироздания и его «наблюдателя». Если вселенная замыслена Творцом и создана для человека, то и актуализация возможных потенциальных состояний материи в настоящее время каким-то образом может зависеть от нас как наблюдателей, разумеется, с учетом присутствия и действия в мире Божественного Промысла. Однако, полное осмысление этой синергии для человеческого разума, безусловно, невозможно. В качестве примера глубокой святоотеческой интуиции можно обратиться к мысли святителя Василия Великого. В «Беседах на Шестоднев» он, в частности, говорит о том, что первозданная земля (материя) названа «невидимой» (Быт. 1:2), ибо «не было еще зрителя земли - человека»[331]. Сродное высказывание можно встретить у святителя Григория Нисского: «Творец показал в мире человека, чтобы тот был зрителем Его чудес»[332].

Дата добавления: 2015-08-18