ОБ ИНТЕРПРЕТАЦИИ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Борис Ихлов

Введение

Проблема измерения существует не только в квантовой механике. Дело не только в точности, с которой прибор измеряет ту или иную физическую величину. Так или иначе, прибор воздействует на измеряемый объект и тем самым изменяет его. Разумеется, в классической физике эти изменения несущественны. Кроме того, изменения прибором объектов являются системными, поэтому результаты измерения соответствуют объектам, являются их отображениями. Однако факт воздействия прибора на объекты дал повод релятивистам, позитивистам, субъективным идеалистам утверждать, что процесс измерения не объективен, а субъективен.

В квантовой механике действие прибора на объект существенно, кроме того, вследствие корпускулярно-волнового дуализма области локализации квантового объекта и измерительного прибора перекрываются лишь частично.

Существует около десятка интерпретаций квантовой механики, кроме интерпретации Борна, копенгагенской и Блохинцева все прочие, Неймана-Вигнера, Эверетта, де Бройля-Бома – имеют исключительно идеологический смысл, направленный против диалектического материализма.

Д. И. Блохинцев, К. В Никольский и Я. П. Терлецкий полагали, что квантовая механика неприменима к отдельным микрообъектам, но исключительно к квантовым статистическим ансамблям и что, следовательно, квантовая статистика имеет объективную, независимую от измерительного прибора, реальность

Если первая часть положения неверна, то вторая четко указывает, откуда возникает статистичность квантовой механики.

В. А. Фок указал, что если ансамбль есть набор частиц, которые не взаимодействуют и находятся в одном и том же состоянии, определяемым волновой функцией, то это утверждение тем самым определяет состояние каждой отдельной частицы посредством её волновой функции, что противоречит утверждению о том, что волновая функция не относится к каждой отдельной частиц.

Фок и А. Д. Александров сформулировали собственную интерпретацию квантовой механики: волновая функция каждого микрообъекта является объективной характеристикой его реального состояния в определённых классическим образом внешних условиях. Она определяет вероятности появления различных результатов взаимодействия данного микрообъекта с другими объектами. Но: элементами статистических коллективов, рассматриваемых в квантовой механике, являются не самые микрообъекты, а результаты опытов над ними, причём определённая постановка опыта соответствует одному определённому коллективу.

Таким образом, одна часть интерпретации Фока-Александрова противоречит другой.

Интерпретация де Бройля-Бома – искусственна: предполагается, что в дополнение к волновой функции существует еще и некая реальная конфигурация, не требующая измерений.

Джон Крамер выдвинул транзакционную концепцию, согласно которой квантовые взаимодействия есть стоячая волна, образованная запаздывающими (retard, «вперед-по-времени», из прошлого) и наступающими (advance, «назад-по-времени», из будущего) волнами. Схема взята из обычной электродинамики, где обе волны имеют вполне определенный физический смысл. В квантовой же механике последователи Крамера вкладывают в схему смысл, который придавал времени Августин Аврелий, что прошлое и будущее существуют в настоящем.

Карло Ровелли предложил откровенно субъективистскую точку зрения на физику, якобы квантовое состояние есть состояние является отношением между наблюдателем и системой (реляционная квантовая механика)

Наиболее модной сегодня является многомировая интерпретация Эверетта, самая глупая. Эверетт сообщил миру, что существует столько Вселенных, сколько волновых функций в полном наборе. Вселенные абсолютно независимы друг от друга, но прибор (вместе с наблюдателем) легко измеряет то одно собственное значение функции, то другое, смотря  какую Вселенную он решил посетить.

Ниже мы увидим, что общепринятая копенгагенская интерпретация, в рамках которой волновая функция описывает состояние квантового объекта, утверждает, что квантовая механика является статистической теорией. То есть, данная интерпретация жестко связана с процессом измерения, следовательно, не является полной – волновые свойства квантовых частиц не зависят от статистики измерений.

Идеализм интерпретации

Гейзенберг пишет: «...физик должен постулировать в своей науке, что он изучает мир, который не он изготовил и который существовал бы без значительных перемен, если бы этого физика вообще не было» [1, стр. 39].

Гейзенберг указывает также: «Так как квантовая теория возникла в связи с учением об атомах, то она, несмотря на ее теоретико-познавательную структуру, находится также в тесной связи с теми философскими теориями, которые ставят материю в центр своих систем… Квантовая теория в ее современном истолковании ни в коем случае не рассматривает чувственные восприятия в качестве первично данного, как это делает позитивизм. Если что-то должно быть охарактеризовано как первоначально данное, то таковым в квантовой теории является реальность, которая может быть описана в понятиях классической физики». Так, Макс Планк, будучи сторонником Маха, не просто отмежевался от махизма, но и на протяжении всей жизни подвергал его критике. И, уже освободившись от махизма, ввел дискретность энергий излучения черного тела, при этом явно не исходя из воззрений трансцедентальности.

Той же точки зрения придерживался В. А Фок.

И. Р. Пригожин также указывал, что позитивизм неприемлем для физиков, и негативно расценивал многомировую интерпретацию квантовой механики Эверетта [2, стр. 84].

 Однако Гейзенберг считал, что «в математических формулах отныне устанавливаются не объективные события, а вероятности наступления определенных событий» [3].

То есть, Гейзенберг неправомерно отделял вероятностность от объективности, независимости от сознания наблюдателя с одной стороны и от соответствия формул реальности – с другой. Вероятность события – это закономерность, например, статистика Бозе – Эйнштейна и статистика Ферми – Дирака не зависят от сознания, не субъективны.

Гейзенберг полагал, что объективны лишь те процессы, в которые не может вмешаться измерение. Но таких в природе не существует. Одновременно Гейзенберг, противореча себе, считал квантовое измерение вполне объективным. С другой стороны, и в квантовой механике воздействие прибора на исследуемый микрообъект тоже носит системный, закономерный характер, именно поэтому квантовая механика используется в практике и прогностична. Эта системность выражается в коммутационном соотношении квантовых операторов координаты и импульса:

[p, x] = px - xp = - i ħ

В классической механике соответствующий коммутатор равен нулю, и для коммутаторов не существует переходных форм.

То есть, «относительность к средствам наблюдения» (В. А. Фок) имеет системный, не зависящий от наблюдателя характер.

Объективность измерения квантовой величины в том, что набор волновых функций квантовой системы присущ самой квантовой системе, но не измерительному прибору, прибор лишь выделяет ту или иную волновую функцию из набора.

В [4, 5] утверждается, что человек описывается волновой функцией. Это неверное представление, которое фактически ликвидирует проблему измерения в квантовой механике, поскольку нет  проблемы измерения при редукции  волновой  функции при взаимодействии квантовых  систем ,  но есть проблема измерения при редукция при взаимодействии квантовой частицы и макроскопического объекта как  квантовой системы.

С одной стороны, длина волны де Бройля ħ /mc человека - фактически нуль. Масса электрона равна приблизительно 9•10^-34 кг, масса человека – порядка 10² кг. Размер интерферометра – порядка 10^-1 м. Следовательно, чтобы обнаружились волновые свойства человека, необходим прибор размером 10^-1 х 10² / (9 х 10^-34) = 10³⁴ м, что на 8 порядков больше наблюдаемой Вселенной.

С другой стороны, классический объект является существенно не квантовым – в силу классического перехода ħ → 0. То есть, существует качественный скачок в свойствах при переходе от микроскопических к макроскопическим субстанциям. Свойства субстанций не меняются равномерно вдоль линейки длин волн, есть качественный переход, определенный интервал значений длин волн, когда субстанции теряют квантовые свойства.

Примером процесса потери квантовых свойств является рост массы молекул. Вращательные или конформные колебания молекул воды имеют дискретный спектр. Такие конформные колебания молекул ДНК, длина которых у бактерий – порядка миллиметров, а у человека – примерно 3 – 8 см, как крутильные колебания их спиралей имеют лишь одну частоту в спектре поглощения  [6], точно также, как крутильные колебания макроскопического пружинного маятника.

Кроме того, показано, что квантовое запутывание не может распространяться на большие расстояния [7]. Таким образом, предположение Хартла и Хокинга, что Вселенная до сих пор описывается волновой функцией [8], является некорректным.

Тем не менее, явление редукции волновой функции, когда волновой пакет стягивается в точку при взаимодействии с прибором мгновенно, остается проблемой. Та же самая проблема – в парадоксе ЭПР, в явлении квантового запутывания.

Для ее разрешения Зельманов предложил – в виду того, что квантовая частица не имеет траектории - введение полиметрических и неметрических теорий: «Мы часто делаем заявления, что в глубоком микромире пространственно-временная картина должна быть оставлена, но что нужно отказаться от каких-то представлений о свойствах пространства и времени, к которым мы привыкли. По-видимому, первое представление, от которого придется отказаться, это представление о метричности пространства и времени в глубоком микромире…» [9, стр. 279]

Метрическим пространством называется множество, в котором между любой парой элементов определено расстояние, причем для функции расстояния (метрики) выполняются аксиомы тождества (нулевое расстояние), симметрии и неравенства треугольника (хотя 2-я аксиома вытекает из 1-й и 3-й).

Соответственно, следуя Зельманову, нужно будет отказаться от понятий полноты, топологии пространства, биекции, эквивалентности и т.д.

Примером не метрической геометрии является проективная геометрия. Но проективное пространство, наоборот, расширяет метрические геометрии, оно имеет больше точек, чем евклидово пространство, т.к. в проективной геометрии разрешены геометрические преобразования, которые преобразуют дополнительные точки (так называемые «точки на бесконечность») в точки евклидового пространства и наоборот.

Зельманов же имел в виду, что метрическая геометрия основана на выборе физического эталона длины и на указании процедуры измерения, что в микромире невозможно.

Предложение Зельманова пересекается с тем дискурсом, в котором при попытке объяснить изменения материи, происшедшие до Большого взрыва, то есть, изменения до возникновения пространственно-временной формы, до возникновения времени, т.е. изменения не во времени, возникает необходимость постулирования материи вне пространственно-временной формы.

Вселенная из принципа неопределенности

Интерпретация квантовой механики как системы измерений с целью получить вероятность той или иной физической величины дала ход операционалистской точке зрения, что якобы квантовая механика теория описывает не объективные законы природы, не собственно набор волновых функций, а измерительные операции наблюдателя над этими волновыми функциями.

По версии фон Неймана аксиоматика квантовой механики включает в себя наличие наблюдателя. Эта субъективно-идеалистическая трактовка неверна, она является по сути введением в физику элемента мистики.

Редукция волновой функции возникает не только при взаимодействии квантовой частицы и классического прибора, но и при образовании, например, атома водорода (в эпоху рекомбинации), и при распаде или синтезе элементарных частиц. Разница в том, что при образовании атома водорода волновые функции протона и электрона преобразуются, возникает волновая функция атома. Волновые свойства атомов прослежены вплоть до атома углерода.

Разумеется, сторонники креационизма намекают на наличие наблюдателей в виде ангелов, духов и пр., которые наблюдали за образованием молекул водорода во Вселенной миллиарды лет назад. Но это уже сфера не физики, а психиатрии.   

При взаимодействии с классическим прибором либо импульс квантовой частицы передается прибору классическим образом, увеличивая тепловую энергию атомов прибора или, как в опытах Лебедева, придавая импульс всему классическому прибору. Либо квантовые частицы так взаимодействуют с классическим прибором, что возникают явления типа дифракции или интерференции, когда проявляются их волновые свойства.

Принцип неопределенности тоже означает не только ограничение на одновременно точное измерение координаты и импульса квантовой частицы, но и определяет величину квантовых флуктуаций, которые обладают энергией и, соответственно, массой. Таким образом, и принцип неопределенности в смысле измерения, и взаимодействие квантовой системы с измерительным прибором являются вторичными.

Квантовые флуктуации суть флуктуации вакуума, когда возникают и исчезают пары виртуальных частиц и античастиц – без всякого измерения.

Отметим, что, поскольку черные дыры не имеют волос, они бесструктурны. Бесструктурные объекты не имеют качеств, поэтому не могут трансформироваться, следовательно, Большой взрыв невозможен. В противном случае мы наблюдали бы много Больших взрывов, в том числе в нашей галактике.

Введение в рассмотрение давления вакуума разных полей [10] тоже не решает проблемы, т.к. оно на 1-2 порядка меньше приливных сил черной дыры.

Утверждают также, что черная дыра в планковской Вселенной не возникала потому, что гравитационная энергия и масса в сумме равны нулю. Но это утверждение противоречит самому процессу возникновения черных дыр при сжатии массы большей критической под действием гравитации. С другой стороны, объяснение возникновения массы вселенной в виду роста отрицательной гравитационной энергии наталкивается на то возражение, что в таком случае при расширении Вселенной после инфляции ее масса обязана расти, т.е. плотность обычного вещества не должна падать.

Именно в виду этих обстоятельств Ли Смолин выдвинул теорию возникновения Вселенной от взрыва сингулярности внутри чёрной дыры. Однако природа этого взрыва осталась необъясненной.

Мысль о космологической флуктуации впервые высказана Эдвардом Трайоном в 1970 г., в 1973-м опубликовал ее в «Nature» («Является ли Вселенная вакуумной флуктуацией?»)

Проблема в том, что идея не объясняет, почему Вселенная большая. Крошечные замкнутые вселенные постоянно отделяются от любой крупной области пространства, но вся эта деятельность протекает в планковском масштабе размеров в форме пространственно-временной пены. Образование большой замкнутой вселенной в принципе возможно, но вероятность этого исчезающе мала.

Проблема решается, если принять, что черная дыра Ли Смолина, образовавшаяся как квантовая флуктуация Трайона, начинает испаряться, Вселенная появляется путем квантового туннелирования. Стоит отметить, что сам Хокинг не сразу поверил в испарение Хокинга, но Грибову, Зельдовичу и Старобинскому удалось его убедить.

Таким образом, Вселенная возникает без всякой процедуры измерения.

Литература

 1. Гейзенберг В. «Развитие интерпретации квантовой теории»; сборник «Нильс Бор и развитие физики», М.: ИЛ, 1958, 260 с.

2. Пригожин И. Р. От существующего к возникающему. М.: Наука. 1985. 328 с.
3. Гейзенберг В. Открытие Планка и основные философские вопросы учения об атомах. Вопросы философии. 1958. №11. С. 61-72.

4. Менский М. Б. Человек и квантовый мир. М.: ДМК-Пресс, 2022. 320 с.

5. Менский М. Б. Сознание и квантовая механика. М.: Фрязино, Век-2, 2011. 320 с.
6. Ихлов Б. Л., Вольхин И. Л., Ощепков А. Ю. Резонансное поглощение микроволн молекулами ДНК. Радиационная биология. Радиоэкология. 2022. Т. 62. №6. С. 628–632
7. Килин С. Я. Квантовая информация. УФН, 1999, Т. 169. №5. С. 507-527.
8. Hartley, J.; Hawking, S. The wave function of the Universe. Phys. Rev. D. 1983. 28 (12). 2960.
9. Зельманов А. Л. Некоторые вопросы космологии и теории гравитации. В кн. «Физическая наука и философия». М.: Мысль, 1973. 352 с.
10. Starobinsky A. A. Phys. Lett. A New Type of Isotropic Cosmological Models Without Singularity. 1980. V. 91. №1, P. 99.