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 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 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 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, - 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. 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, 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.