Квантовая физика - Вихман Э.
Скачать (прямая ссылка):
51. Теперь возникает вопрос фундаментальной важности. Можно ли утверждать, что чистые состояния характеризуются полным отсутствием статистического разброса всех физических переменных? Иными словами: полностью ли предсказуем исход каждого измерения для чистых состояний?
Следует понять, что этот вопрос касается основных свойств нашего мира, и ответ может быть дан лишь на базе экспериментального исследования. Чистая логика вряд ли поможет нам ответить на этот вопрос.
Классические теории основаны на предположении, что на поставленный вопрос следует положительный ответ. Квантовая теория отвечает на этот вопрос отрицательно. (Чтобы избежать недоразумений, заметим, что квантовая механика — это одна из возможных теорий, которая отвечает на наш вопрос отрицательно.) Принимая в качестве теории квантовую механику, мы вводим непредсказуемость в наше описание природы. Эту непредсказуемость следует понимать в том смысле, что, как бы мы ни приготавливали чистый ансамбль, всегда останутся измерения, исход которых в каждом конкретном случае непредсказуем. (Характер этих непредсказуемых измерений зависит от природы ансамбля.) Все это не значит, что квантовая механика предсказывает «хаос и неопределенность». Эта теория в состоянии делать точные количественные утверждения о вероятностях или о средних значениях физических переменных.
52. Для заданного нами вопроса характерно, что его нельзя окончательно решить с помощью определенного ряда опытов. Столкнувшись с явлением, для которого мы вынуждены дать отрицатель-
250
ный ответ, всегда можно попытаться спасти положение, сказав, что, если бы измерения были выполнены «в лучших условиях», выводы были бы иными. Другими словами: всегда можно сказать, что непредсказуемость возникает потому, что эксперимент выполнен не самым лучшим образом. Такую аргументацию трудно отвергнуть в абсолютном смысле. С другой стороны, уместно спросить защитника детерминистической теории в классическом смысле: как конкретно должны быть выполнены измерения, чтобы индетерминистический характер квантовой механики исчез?
Отрицательный ответ основан на двух типах доказательств. Во-первых, это подробный анализ большого разнообразия опытов, в которых учтены наблюдаемые свойства частиц. Во-вторых, это предсказания, основанные на квантовомеханической теории, краеугольным камнем которой является отрицательный ответ. Эти предсказания оказываются в прекрасном согласии со всеми опытными фактами; отрицательный ответ на поставленный вопрос никогда не приводит к противоречию с опытом.
53. В гл. 4 и 5 были приведены весьма убедительные доводы в пользу отрицательного ответа. Реальные частицы распространяются подобно волнам в пространстве. Эти волны разделяются полупосеребренным зеркалом, двойной щелью и дифрагируют на препятствиях. С другой стороны, наблюдая за частицами с помощью фотоэлемента или другого детектора частиц, мы никогда не обнаружим «доли фотона» или «доли электрона». Для согласованного описания всех этих явлений мы должны перейти к вероятностной интерпретации интенсивности волны: величины, пропорциональные квадрату абсолютного значения волновой функции, соответствуют вероятностям. Мы можем знать только вероятность срабатывания счетчика, но никогда не сможем сделать такой счетчик, относительно реакции которого в каждом данном опыте мы были бы полностью уверены.
Рассмотрим, например, опыт с двумя щелями. Если он должен быть выполнен с определенным импульсом падающих частиц, то следует осуществить такую схему опыта, чтобы импульс был определен как можно точнее. Когда такой пучок падает на экран с двумя щелями, мы наблюдаем характерную дифракционную картину. Эта картина возникает, лишь когда обе щели открыты, т. е. если частица проходит через обе щели. Если мы, однако, попытаемся регистрировать частицу счетчиком, помещенным за одной из щелей, то никогда не обнаружим половины частицы, а всегда частицу целиком. В каждом одиночном опыте счетчик может либо сработать, либо не сработать, и невозможно зна^ь заранее, что произойдет. Мы можем знать лишь вероятность срабатывания счетчика. Читатель спросит: может быть, это происходит потому, что ансамбль не является чистым? Но что он может предложить, чтобы сделать ансамбль более чистым?
54. Суть проблемы в том, можно ли найти способ более детального описания частицы, чем это делает волновая теория? Если волновое описание верно и, кроме того, частица обладает свойством
251
неделимости, так что нельзя получить «дробную частицу», то есть лишь один выход — интерпретировать интенсивность как вероятность. Вспомним наши рассуждения о принципе неопределенностей в начале этой главы. Если импульс частицы точно известен, ее следует описывать как распространяющуюся в пространстве волну, но в этом случае мы ничего не знаем о ее положении. Небольшой статистический разброс в измерениях импульса вызывает большой разброс измерений положения, и, пока мы принимаем волновое описание и интерпретируем интенсивность как вероятность, у нас нет возможности отказаться от принципа неопределенностей. С другой стороны, нет никаких экспериментальных данных, которые позволили бы предположить, что частицу можно описать более подробно, чем это позволяет волновое описание: нет абсолютно никаких указаний на какие-то «скрытые переменные».
