Д.И. Блохинцев

Д.И. Блохинцев, один из известнейших советских специалистов по квантовой механике и после 1956 г. директор Объединенного института ядерных исследований в Дубне, лауреат Ленинской и Сталинской премий, был ведущим автором в 50-60-е годы по философским вопросам квантовой механики[819]. В своей статистической интерпретации квантовой механики Блохинцев особенно выделяет роль «ансамблей». Он отмечал, что вероятность, содержащаяся в волновой функции, происходит из серии повторяющихся измерений. Таким образом, когда говорят о волновой функции одной частицы или одной системы, то на самом деле речь идет о большом количестве таких частиц или систем. Совокупность таких частиц, являющихся независимыми друг от друга и имеющих возможность выступать в роли материала для последовательных независимых экспериментов, была названа ансамблем. Соотношение неопределенности Гейзенберга, которое часто обсуждалось применительно к одной частице, было, согласна Блохинцеву, в действительности результатом измерений, проводимых для частиц, принадлежащих к одному ансамблю. Если все частицы ансамбля могут быть описаны с помощью одной волновой функции, то это — «чистый ансамбль». Если, однако, ансамбль состоит из подансамблей, каждый из которых описывается своей волновой функцией, то это «смешанный ансамбль». Отношение этого распределения по ансамблям к вопросу природы волновой функции было следующим: если измерение производится над чистым ансамблем, то, согласно Блохинцеву, сама эта операция приводит к тому, что ансамбль становится смешанным, так как само измерение переводит те немногие (а возможно, и одну) микрочастицы, на которые это измерение воздействует, в другое состояние, описываемое уже другой волновой функцией[820].

Наиболее полным изложением критики Блохинцевым копенгагенской школы, а также философского значения его альтернативной ансамблевой интерпретации стала обширная статья, появившаяся в 1951 г. в ведущем советском физическом журнале[821]. Блохинцев задался целью доказать, что квантовая статистика имеет объективную реальность и ни в коем случае не зависит от наблюдателя, в противоположность раннему положению Бора о том, что статистику можно рассматривать как результат неконтролируемого воздействия прибора на объект. Он отмечал, что радиоактивные атомы распадаются в соответствии со статистическими законами, не зависимыми ни от наблюдателей, ни от приборов. Блохинцев рассматривал явление радиоактивности как некоторый «статистический ансамбль радиоактивных атомов, объективно существующих в природе»[822]. Настолько же зависимыми от объективных статистических законов были и космические лучи. И, по его словам, микроуровень материи был областью, где такие статистические законы были изначально объективными (не происходили из лежащих в основе причинных факторов) и поэтому были обычными. В противовес этому «копенгагенская школа отодвигает на задний план тот факт, что квантовая механика приложима только к статистическим ансамблям и сосредоточивается на анализе взаимоотношения единичного явления и прибора. Это существенная методологическая ошибка: в таком толковании вся квантовая механика приобретает „приборный“ характер и объективная сторона дела затушевывается»[823].

Блохинцев утверждал, что квантовая механика была неприменима к отдельным микрообъектам, так как никакой микрообъект не может изучаться вне его окружения. Однако знание объективной реальности могло быть «в принципе» достигнуто путем изучения больших количеств микрочастиц. «Квантовая механика изучает свойства единичного микроявления посредством изучения статистических закономерностей коллектива таких явлений»[824]. Блохинцев с готовностью допускал, что измерительная операция изменит состояние отдельной частицы, переводя эту частицу в другой ансамбль, но утверждал, что все оставшиеся в исходном ансамбле частицы все еще будут находиться в их предыдущих состояниях. Следовательно, ученый может представить себе объективную реальность при помощи понятий тотальности или ансамбля.

Блохинцев также указывал, что теория «скрытых параметров» квантовой механики может в будущем разрешить численное описание индивидуальных микрочастиц, хотя в настоящее время подобное описание невозможно. Он отклонил хорошо известные попытки Джона фон Неймана и Ганса Рейхенбаха опровергнуть теории со скрытыми параметрами, подчеркнув, что эти ученые исходили из существующего математического аппарата квантовой механики, который наверняка изменится с появлением новой теории[825]. Он также отверг взгляды Эйнштейна, Подольского и Розена, отмечая, что эти авторы основывались на применении волновой функции к отдельным частицам, в то время как, по его мнению, ее следовало применять лишь к группам или ансамблям[826].

Наиболее слабым местом интерпретации Блохинцева было его определение ансамбля. Он не преуспел в отделении квантового описания материи от процесса измерения, как это видно из анализа его определения ансамблей: Блохинцев определял ансамбль как комбинацию микросистемы (совокупности частиц) и ее макроокружения. Но что включает в себя «макроокружение»? Согласно Д.И. Блохинцеву, оно включает измерительные приборы в качестве «специальных случаев». Поэтому он определял волновую функцию как «ассоциацию» частицы с ансамблем[827]. Но здесь он попадает в логический круг, ибо, стремясь разделить квантовую механику и измерительные операции, он тем не менее включает измерение в свое определение ансамбля. Таким образом, пси-функция становится, как и раньше, вероятностным утверждением результатов измерения.

В последовавшем вскоре споре между Блохинцевым и Фоком концепция ансамблей явилась основным предметом рассмотрения. Фок очень быстро определил слабые места в рассуждениях Блохинцева об ансамбле. Он извлек фундаментальные элементы квантовой механики, определенные Блохинцевым в 1949 г.: а) ансамбль есть набор частиц, которые независимо друг от друга находятся в том же состоянии, характеризуемом волновой функцией; в) состояние частицы следует понимать только как принадлежность частицы к определенному ансамблю, так что с) волновая функция не относится к отдельной частице. Далее Фок показывает, что эти положения противоречат друг другу: «В утверждении (а) содержится определение состояния отдельной частицы через ее волновую функцию, в утверждении же (с) отрицается, что волновая функция относится к отдельной частице. Это есть противоречие. Далее, в утверждении (а) ансамбль определяется через волновую функцию, а в утверждении (в) волновая функция определяется через ансамбль. Это есть порочный круг»[828].

Более того, продолжал Фок, Блохинцев не мог (хотя и старался) рассматривать ансамбли как статистические коллективы до тех пор, пока они не достигали критериев таких коллективов, в соответствии с установленной статистической теорией. Согласно этой теории, статистический коллектив является серией элементов, обладающих различными признаками, по которым можно сортировать эти элементы. Таким признаком будет значение определенной физической величины или группы физических величин, измеряемых одновременно. Но, согласно квантовой механике, микрочастицы не обладают определенными величинами, которые позволили бы отбор определенного коллектива. Поэтому Блохинцев, по словам Фока, не имел возможности даже обозначить члены его разрекламированных ансамблей, которые реально были лишь «умозрительными конструкциями». Вместо того он должен был честно заявить, что его квантовые ансамбли скрывали обращение к статистическому утверждению результатов измерений микрообъектов, проводимых с помощью классических приборов, созданных для измерения заданных величин. Фок заключил, что неверная позиция Блохинцева была связана с позицией Бора: «Мы видим основную причину всех затруднений в том, что чисто статистическая точка зрения неправильна в философском отношении. В противоположность тому, чему нас учит диалектический материализм, статистическая точка зрения исходит не от объектов природы, а от наблюдений, не от микрообъекта с его состоянием, а от статистического коллектива результатов наблюдений. Это сближает ее с позитивистской точкой зрения Бора, который тоже отрицает, что волновая функция принадлежит микрообъекту, и придает волновой функции лишь чисто символический смысл»[829].

Блохинцеву было нелегко ответить на эту критику, испытывая неудобства с определением ансамблей, что видно по его колебаниям в работах на эту тему. Большая часть его ответа состояла из критики положения самого Фока о том, что волновая функция является объективным описанием отдельных микротел. Этот аспект их спора будет рассматриваться в следующем параграфе, посвященном фоковской интерпретации квантовой механики. По поводу определения ансамблей Блохинцев лишь подтвердил свои предыдущие взгляды, защищаясь от критики Фока положением о том, что, пока возможно представить себе чистый ансамбль, возможно и концептуально отделить квантовое описание материи от измерения и, следовательно, от субъективизма или идеализма. Этот гипотетический ансамбль будет таким, над которым нельзя провести измерение и который, следовательно, может в принципе быть описан одной волновой функцией. Но так как в действительности не было сделано ни одного измерения, о таком ансамбле нельзя сказать ничего, кроме того, что он «существует», согласно Блохинцеву[830].

В 1966 г. Блохинцев опубликовал интересную книгу «Принципиальные вопросы квантовой механики»[831], которая позже была переведена на английский язык и издана в Европе и Соединенных Штатах под названием «Философия квантовой механики». В этой книге взгляды автора на философские вопросы квантовой механики излагаются наиболее полно; книга заслуживает внимательного изучения как работа ведущего советского физика. Подход Блохинцева был в высшей степени специальным, и он предупреждал читателей, что «эта монография является книгой по теоретической физике, а не философским трактатом» (с. 4)[832]. Однако ясно, что Блохинцев полностью признавал взаимодействие физики и философии и обращался к нескольким главным аспектам этого взаимодействия. Исследование Блохинцева было как просвещенным, так и терпимым; если философы нашли отдельные неясные положения в определении, то необходимо помнить, что философы и естествоиспытатели везде пришли к соглашению о том, что интерпретация квантовой механики — неимоверно тяжелая проблема. По этим пунктам не существует согласия.

Практически книга Блохинцева 1966 г. была попыткой пояснения и поддержки ансамблевой интерпретации квантовой механики, которую он ранее развивал. В новой работе были небольшие изменения в расстановке акцентов и ударений, особенно в его взглядах на возможность нахождения скрытых параметров в квантовой механике. Его описание пси-функции тоже немного изменилось. Однако сохранились расхождения между ним и Фоком по поводу ценности ансамблевого подхода и применимости пси-функции к отдельной частице. Реальное значение новой книги состояло, однако, не в обсуждении этих вопросов, так как его взгляды остались практически неизменными, а в целостном описании причинности и критике детерминизма. Даже несмотря на то, что книга была написана и опубликована в 1966 г., когда естествоиспытатели не испытывали сильного давления со стороны идеологов в Советском Союзе, взгляды Блохинцева были практически продолжением и дальнейшим развитием предыдущих обсуждений. Эта преемственность проистекала не столько из политики, сколько из привлекательности для Блохинцева основных философских вопросов интерпретации природы.

Блохинцев начал свою книгу 1966 г. с критики того, что он назвал «иллюзией детерминизма». Он полагал, что развитие науки — и особенно нового понимания природы, — вытекающее из квантовой механики, демонстрировало слабые стороны веры в строгий детерминизм. Заблуждения этого «поклонения идеальному детерминизму» были частично замечены, по словам Блохинцева, некоторыми критиками лапласовского механизма еще в XIX в., такими, как Энгельс, который писал в «Диалектике природы», что «с необходимостью этого рода мы тоже еще не выходим за пределы теологического взгляда на природу» (с. 1). «Человечество долго верило в предопределение божие и, позднее, в железную причинную связь. Близкое философское родство и неполноценность этих воззрений были поняты Энгельсом, а многовековое непонимание этого родства было поводом для трагедий и стоило жизни многим выдающимся людям» (с. 6).

Детерминизм в классическом смысле, замечал Блохинцев, означал, что «состояние системы в предшествующий момент времени полностью определяет ее состояние в последующий момент времени» (с. 45). Даже до развития квантовой механики, однако, были причины сомневаться в ценности такой концепции Вселенной. Любая попытка жестко предсказать будущее системы, отмечал Блохинцев, испытывает влияние неточности начальных данных, непредсказуемости случайных сил и невозможности полной изоляции системы. Все три из этих ограничений классической физики обычно игнорировались, комментирует Блохинцев, однако философская интерпретация мира, рассматривающая его как взаимосвязанное целое, должна была бы более полно раскрыть хотя бы невозможность изоляции какой-либо системы. Согласно Блохинцеву, эта черта особенно важна. «Будущее механической системы может быть предсказано только в том случае, если наперед гарантируется изолированность системы. Эта гарантия не вытекает, однако, из уравнений движения, а является дополнительным условием, которое наносит серьезный ущерб репутации детерминизма. Грандиозное и мрачное „если“ вырастает на пути того пророка, который по начальным данным намерен предсказать будущее реальной механической системы» (с. 17).

Таким образом, отмечает он, «даже в такой точной науке, как небесная механика, необходимо время от времени подправлять исходные данные, чтобы устранить накопившуюся ошибку» (с. 21). И он подразумевал, что эта необходимость не была практической, а скорее теоретической, так как во взаимосвязанной Вселенной существует бесконечное количество потенциальных воздействий.

Все эти соображения относились к классической механике. С развитием квантовой механики и появлением необходимости вероятностных описаний природы по явно важным для микротел причинам ошибочность всего классического подхода к детерминизму стала очевидной.

Означал бы отказ от строгого детерминизма капитуляцию принципа причинности? Блохинцев отрицательно отвечал на этот вопрос, так же как Фок и другие советские комментаторы. Он был согласен с тем, что необходимо было принять новый взгляд на определения причинности, но он чувствовал, что такое переопределение было полностью оправдано как часть постоянных попыток человека обнаружить порядок в природе. И Блохинцев определял причинность следующим образом: «Причинность есть определенная форма упорядочения событий в пространстве и времени, и эта упорядоченность накладывает свои ограничения даже на самые хаотические события. В статистических теориях она выражается двояким образом. Во-первых, сами статистические закономерности полностью упорядочены и величины, характеризующие ансамбль, сами по себе строго детерминированы. Во-вторых, индивидуальные элементарные события также упорядочены таким образом, что одно из них может повлиять на другое только в том случае, если их взаимное расположение в пространстве и времени позволяет сделать это без нарушения причинности (то есть правила упорядочивающего события)» (с. 45).

В рамках такого понимания причинности Блохинцев рассматривал квантовую механику как причинную; для него уравнение Шредингера выражало причинность в квантовой теории, так как оно описывало движение квантового ансамбля «причинным образом, то есть так, что предыдущее во времени состояние ансамбля определяет его последующее состояние» (с. 47). Таким образом, можно сохранить не только понятие причинности, но даже сильно модифицированное понятие детерминизма.

По вопросу о ценности термина «дополнительность» Блохинцев писал в своей книге 1966 г., что Бор сформулировал это понятие так, что оно отражало его философские позиции, «далекие от материализма» (с. 31). Блохинцев сожалел по поводу этого аспекта философии Бора, которая «послужила истоком для далеко идущих выводов о том, что современная механика атома несовместима с материализмом» (с. 31). Для того чтобы противостоять этому заключению, Блохинцев предпочел бы другой термин вместо «дополнительности», но он понимал, что этот термин уже слишком прочно вошел в научную практику. «Кажется, что вообще было бы разумнее говорить не о принципе дополнительности, а о принципе „исключительности“: динамические переменные следовало бы разбить на группы взаимно исключающих друг друга переменных, не осуществляющихся одновременно в реальных ансамблях. Но из уважения к великому Бору и к установленной им традиции мы сохраним обычную терминологию» (с. 31).

Блохинцев рассматривал будущее квантовой механики в главе «Можно ли обойтись без волновой функции?». Он отметил изменения собственных взглядов по этому вопросу: «Автор этой монографии сам надеялся одно время, что изящные аналогии между уравнениями для матрицы R(q, p) (матрицы плотности. — Прим. пер.) и уравнениями классической статистической физики, может быть, позволят развить квантовую механику как статистическую механику одновременно неизмеримых величин» (с. 54). Но теперь он почти полностью отказался от этой надежды. В действительности, говорил он, невозможно указать хотя бы один экспериментальный факт для демонстрации того, что квантовая теория неполна в области атомных явлений. Тем не менее он признавал теоретическую возможность значительного пересмотра квантовой механики в дальнейшем. Он писал: «Возможно ли введение в квантовую механику каких-либо „скрытых параметров“, которые могли бы сделать осмысленной пропорцию вида:

где х — неизвестная, более полная теория?

Строго говоря, в столь общей, чисто методологической, постановке вопроса нельзя отвергнуть возможность разрешимости символической пропорции (1) или какой-либо другой, ей подобной» (с. 134–135).

Однако Блохинцев скептически относился ко всем подобным попыткам, сравнивая тех кто их делал, с «изобретателями неподмокаемого пороха». Он полагал, что существующая структура квантовой механики была вполне адекватна представлениям физиков и не должна вызывать обеспокоенности у философов, поскольку она обогащает человеческое понимание причинности и объективной реальности.