Принцип дополнительности

Принцип дополнительности  

 

 

 

Принцип, который очень  точно и емко Бор назвал дополнительностью, — одна из самых глубоких философских и естественно-научных идей настоящего времени. С ним можно сравнить лишь такие идеи, как принцип относительности или представление о физическом поле. 

 

«За годы, предшествующие выступлению  Н. Бора в Комо, имели место многочисленные дискуссии о физической интерпретации квантовой теории, — пишет У.И. Франкфурт. — Суть квантовой теории — в постулате, согласно которому каждому атомному процессу свойственна прерывность, чуждая классической теории. Квантовая теория признает в качестве одного из своих основных положений принципиальную ограниченность классических представлений при их применении к атомным явлениям, чуждую классической физике, но в то же время интерпретация эмпирического материала основывается главным образом на применении классических понятий. Из-за этого при формулировке квантовой теории возникают существенные трудности.  

 

Классическая теория предполагает, что физическое явление можно  рассматривать, не оказывая на него принципиально  неустранимого влияния». 

 

Для доклада на Международном  физическом конгрессе в Комо «Квантовый постулат и новейшее развитие атомной теории» ввиду важности обсуждавшихся проблем Бору была предоставлена четырехкратная норма времени. Дискуссия по его докладу заняла все оставшееся время конгресса.  

 

«...Открытие универсального кванта действия, — говорил Нильс  Бор, — привело к необходимости  дальнейшего анализа проблемы наблюдения. Из этого открытия следует, что весь способ описания, характерный для  классической физики (включая теорию относительности), остается применимым лишь до тех пор, пока все входящие в описание величины размерности  действия велики по сравнению с квантом  действия Планка. Если это условие  не выполняется, как это имеет  место в области явлений атомной  физики, то вступают в силу закономерности особого рода, которые не могут  быть включены в рамки причинного описания... Этот результат, первоначально казавшийся парадоксальным, находит, однако, свое объяснение в том, что в указанной области нельзя более провести четкую грань между самостоятельным поведением физического объекта и его взаимодействием с другими телами, используемыми в качестве измерительных приборов; такое взаимодействие с необходимостью возникает в процессе наблюдения и не может быть непосредственно учтено по самому смыслу понятия измерения...  

 

Это обстоятельство фактически означает возникновение совершенно новой ситуации в физике в отношении  анализа и синтеза опытных  данных. Она заставляет нас заменить классический идеал причинности некоторым более общим принципом, называемым обычно «дополнительностью».  

 

Получаемые нами с помощью  различных измерительных приборов сведения о поведении исследуемых  объектов, кажущиеся несовместимыми, в действительности не могут быть непосредственно связаны друг с  другом обычным образом, а должны рассматриваться как дополняющие  друг друга. Таким образом, в частности, объясняется безуспешность всякой попытки последовательно проанализировать «индивидуальность» отдельного атомного процесса, которую, казалось бы, символизирует  квант действия, с помощью разделения такого процесса на отдельные части. Это связано с тем, что если мы хотим зафиксировать непосредственным наблюдением какой-либо момент в  ходе процесса, то нам необходимо для  этого воспользоваться измерительным  прибором, применение которого не может  быть согласовано с закономерностями течения этого процесса. Между  постулатом теории относительности  и принципом дополнительности при всем их различии можно усмотреть определенную формальную аналогию.  

 

Она заключается в том, что подобно тому, как в теории относительности оказываются эквивалентными закономерности, имеющие различную  форму в разных системах отсчета  вследствие конечности скорости света, так в принципе дополнительности закономерности, изучаемые с помощью различных измерительных приборов и кажущиеся взаимно противоречащими вследствие конечности кванта действия, оказываются логически совместимыми. 

 

Чтобы дать по возможности  ясную картину сложившейся в  атомной физике ситуации, совершенно новой с точки зрения теории познания, мы хотели бы здесь прежде всего рассмотреть несколько подробнее такие измерения, целью которых является контроль за пространственно-временным ходом какого-либо физического процесса. Такой контроль в конечном счете всегда сводится к установлению некоторого числа однозначных связей поведения объекта с масштабами и часами, определяющими используемую нами пространственно-временную систему отсчета. Мы лишь тогда можем говорить о самостоятельном, не зависимом от условий наблюдения поведении объекта исследования в пространстве и во времени, когда при описании всех условий, существенных для рассматриваемого процесса, можем полностью пренебречь взаимодействием объекта с измерительным прибором, которое неизбежно  

 

возникает при установлении упомянутых связей. Если же, как это  имеет место в квантовой области, такое взаимодействие само оказывает  большое влияние на ход изучаемого явления, ситуация полностью меняется, и мы, в частности, должны отказаться от характерной для классического  описания связи между пространственно-временными характеристиками события и всеобщими  динамическими законами сохранения. Это вытекает из того, что использование  масштабов и часов для установления системы отсчета по определению  исключает возможность учета  величин импульса и энергии, передаваемых измерительному прибору в ходе рассматриваемого явления. Точно так же и наоборот, квантовые законы, в формулировке которых существенно используются понятия импульса или энергии, могут  быть проверены лишь в таких экспериментальных  условиях, когда исключается строгий  контроль за пространственно-временным поведением объекта». 

 

Согласно соотношению  неопределенностей Гейзенберга, нельзя в одном и том же опыте определить обе характеристики атомного объекта  — координату и импульс. 

 

Но Бор пошел дальше. Он отметил, что координату и импульс  атомной частицы нельзя измерить не только одновременно, но вообще с  помощью одного и того же прибора. Действительно, для измерения импульса атомной частицы необходим чрезвычайно  легкий подвижный «прибор». Но именно из-за его подвижности положение  его весьма неопределенно. Для измерения  координаты нужен очень массивный  «прибор», который не шелохнулся бы при попадании в него частицы. Но как бы ни изменялся в этом случае ее импульс, мы этого даже не заметим. 

 

«Дополнительность — вот то слово и тот поворот мысли, которые стали доступны всем благодаря Бору, — пишет Л.И.Пономарев. — До него все были убеждены, что несовместимость двух типов приборов непременно влечет за собой противоречивость их свойств. Бор отрицал такую прямолинейность суждений и разъяснял: да, свойства их действительно несовместимы, но для полного описания атомного объекта оба они равно необходимы и поэтому не противоречат, а дополняют друг друга. 

 

Это простое рассуждение  о дополнительности свойств двух несовместимых приборов хорошо объясняет смысл принципа дополнительности, но никоим образом его не исчерпывает. В самом деле, приборы нам нужны не сами по себе, а лишь для измерения свойств атомных объектов. Координата х и импульс р — это те понятия, которые соответствуют двум свойствам, измеряемым с помощью двух приборов. В знакомой нам цепочке познания — явление — образ, понятие, формула, принцип дополнительности сказывается прежде всего на системе понятий квантовой механики и на логике ее умозаключений.  

 

Дело в том, что среди  строгих положений формальной логики существует «правило исключенного третьего», которое гласит: из двух противоположных  высказываний одно истинно, другое —  ложно, а третьего быть не может. В  классической физике не было случая усомниться в этом правиле, поскольку там  понятия «волна» и «частица»  действительно противоположны и  несовместимы по существу. Оказалось, однако, что в атомной физике оба  они одинаково хорошо применимы  для описания свойств одних и  тех же объектов, причем для полного  описания необходимо использовать их одновременно». 

 

Принцип дополнительности Бора — удавшаяся попытка примирить недостатки устоявшейся системы понятий с прогрессом наших знаний о мире. Этот принцип расширил возможности нашего мышления, объяснив, что в атомной физике меняются не только понятия, но и сама постановка вопросов о сущности физических явлений. 

 

Но значение принципа дополнительности выходит далеко за пределы квантовой механики, где он возник первоначально. Лишь позже — при попытках распространить его на другие области науки — выяснилось его истинное значение для всей системы человеческих знаний. Можно спорить о правомерности такого шага, но нельзя отрицать его плодотворность во всех случаях, даже далеких от физики.  

 

«Бор показал, — отмечает Пономарев, — что вопрос «Волна или  частица?» в применении к атомному объекту неправильно поставлен. Таких раздельных свойств у атома  нет, и потому вопрос не допускает  однозначного ответа «да» или «нет». Точно так же, как нет ответа у вопроса: «Что больше: метр или  килограмм?», и у всяких иных вопросов подобного типа.

Два дополнительных свойства атомной реальности нельзя разделить, не разрушив при этом полноту и  единство явления природы, которое  мы называем атомом... 

 

...Атомный объект —  это и не частица, и не  волна и даже ни то, ни другое  одновременно. Атомный объект —  это нечто третье, не равное  простой сумме свойств волны  и частицы. Это атомное «нечто»  недоступно восприятию наших  пяти чувств, и тем не менее оно, безусловно, реально. У нас нет образов и органов чувств, чтобы вполне представить себе свойства этой реальности. Однако сила нашего интеллекта, опираясь на опыт, позволяет познать ее и без этого. В конце концов (надо признать правоту Борна), «...теперь атомный физик далеко ушел от идиллических представлений старомодного натуралиста, который надеялся проникнуть в тайны природы, подстерегая бабочек на лугу».