О логических и экспериментальных подтверждениях статистической интерпретации квантовой механики.

Содержание.  ⇑ 

1. Введение в проблему измерения.
2. Логическое подтверждение статистической интерпретации квантовой механики.
3. Экспериментальные подтверждения статистической интерпретации квантовой механики.
4. Возможный эксперимент для прямого опровержения постулата де Бройля.
5. Заключение.
6. Литература.   

1. Введение.  ⇑ 

Превалирующая сейчас в квантовой механике «копенгагенская» интерпретация возникла в 20-х годах прошлого века на основе постулата Луи де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме. Согласно этому постулату каждой частице приписывают волновые свойства. Одновременно возникла и «проблема измерения», которая состоит в том, что приписанные частицам волновые свойства при измерении не наблюдаются. Например, волновые свойства позволяют частице находиться сразу во многих точках пространства, но при измерении она всегда обнаруживается только в одной точке. Эта проблема не решена до сих пор.

Альтернативой является статистическая интерпретация квантовой механики, согласно которой волновое поведение проявляют не отдельные частицы, а коллективы частиц. Именно это наблюдается при измерениях. Такой точки зрения придерживался Альберт Эйнштейн и в молодости Макс Борн, предложивший статистическую интерпретацию [1]. В такой интерпретации не нужен постулат де Бройля, и нет ни «проблемы измерения», ни противоречий с классической логикой. К тому же, учёт современных взглядов на сущность информации и субъективность наблюдателя [2,3] делает статистическую интерпретацию квантовой механики внутренне непротиворечивой, позволяет объяснять результаты экспериментов, логически согласуя их с классической наукой, и, более того, даёт основания для использования наработок квантовой механики во многих других науках.    

2. Логическое подтверждение статистической интерпретации квантовой механики.  ⇑  

Стандартный способ доказательства от противного позволяет однозначно решить, какое из двух взаимоисключающих утверждений является верным. Для этого, достаточно показать, что следствия одного из утверждений абсурдны, и, тогда, верным считается альтернативное утверждение. По сути, ситуация с постулатом де Бройля является именно таким случаем. В наличии два взаимоисключающих утверждения: постулат верен или нет. Следствием первого утверждения являются «проблема измерения» и парадоксы квантовой механики, уже почти век не находящие решения. Значит, верным надо признать второе утверждение. То есть, применение формальной логики заставляет склониться в сторону статистической интерпретации квантовой механики.  В том же убеждают и эксперименты. 

3. Экспериментальные подтверждения статистической интерпретации квантовой механики.  ⇑  

Поскольку статистическая интерпретация квантовой механики невозможна без предположения, что волновые эффекты — это результат коллективного взаимодействия между частицами, главным аргументом против неё является эксперимент по рассеянию слабого пучка электронов на тонкой фольге, проведённый советским физиком В.А. Фабри­кан­том. В этом эксперименте частицы пролетали по прибору по одной — с интервалом, значительно превышавшим время пролёта одной частицы. Считалось, что коллективное взаимодействие при этом исключено и, значит, причина наблюдавшейся интерференции (волновых свойств) кроется в самих частицах. Однако более внимательный анализ показывает, что даже этот эксперимент не исключает, а, скорее, подтверждает коллективную природу волновых свойств, опровергая постулат де Бройля.

Следы частиц на детекторе в начале и в итоге рассеяния.

Прежде всего, описания всех экспериментов, включая эксперимент В.А. Фабри­кан­та, ясно свидетельствуют, что волновые эффекты наблюдаются только статистически, как накопление множества результатов от измерений параметров отдельных частиц. Например, волновая картина, появляющаяся на фотопластинке при рассеянии пучка частиц, — это статистический результат накопления многих точечных следов от ударов частиц, что показано на прилагаемых иллюстрациях к упомянутому эксперименту.

Наоборот, отдельные частицы во всех экспериментах демонстрируют только корпускулярное поведение. На поглощающих детекторах частица всегда оставляет точечный след, в объемных детекторах (искровых и пузырьковых камерах) всегда даёт вполне определённую траекторию, при зондировании путем рассеяния фотонов тоже обнаруживается в определённой точке пространства. Факт, что конкретные частицы никогда не проявляют волновые свойства при измерениях, и, значит, что постулат де Бройля не имеет прямых экспериментальных подтверждений, констатируют многие авторитетные физики. Уже почти век нет объяснений, почему частица, согласно постулату, может пройти сразу через несколько щелей в рассеивающем экране, но не может попасть сразу в несколько точек мишени-детектора, как показывают эксперименты.

Итак, постулат о волновых свойствах каждой конкретной частицы весьма сомнителен, поскольку прямых экспериментальных подтверждений не имеет и ведёт к логическим противоречиям: к «проблеме измерения» и парадоксам квантовой механики. Напротив, статистическая интерпретация квантовой механики не противоречит ни логике, ни экспериментам. Обсудим возможность её прямого экспериментального подтверждения и опровержения постулата де Бройля. 

4. Возможный эксперимент для прямого опровержения постулата де Бройля.  ⇑  

Чтобы квантовая механика не противоречила здравому смыслу, надо перестать выдумывать ненаблюдаемые события, типа пролёта одной частицы сразу через несколько щелей, а нужно найти реальное взаимодействие между частицами, приводящее к интерференционным эффектам. Такое взаимодействие можно указать. Это взаимодействие частиц через рассеивающий экран, которое возможно даже при их одиночном пролёте по прибору, как в упомянутом эксперименте В.А. Фабриканта. Рассеянные частицы по 3-му закону Ньютона воздействуют на экран, возбуждая в нём колебания, параметры которых соответствуют результатам рассеяния. Распространяясь по экрану, эти колебания переносят информацию о результатах рассеяния, как между рассеивающими центрами, так и от предыдущих частиц к последующим. Таким образом, акты рассеяния связаны между собой, а, как известно, вероятность связанных событий не равна сумме вероятностей каждого из событий в отдельности, что и проявляется в виде интерференции. На языке квазичастиц интерференция может обеспечиваться, например, фононами, которые возбуждаются в экране рассеянными частицами и влияют на рассеяние последующих. Поскольку в обсуждаемом эксперименте время затухания звука в рассеивающей частицы фольге, по порядку величины может быть близко к секунде, а интервал между пролётом электронов имеет порядок примерно 10^-4с, то взаимодействие частиц через экран вполне возможно. Чтобы убедиться, что причина интерференции именно в этом, достаточно повторить эксперимент В.А. Фабриканта, измерив время затухания колебаний в экране, и задав временной интервал между частицами заведомо больше. Интерференция должна прекратиться, и это станет прямым опровержением постулата де Бройля и подтверждением сделанных здесь утверждений и статистической интерпретации квантовой механики. Результат логического анализа заставляет предположить высокую вероятность такого исхода. 

5. Заключение.  ⇑  

Смена интерпретации для квантовой механики не катастрофична, ибо изменяются не формулы, а смысл вычисляемых величин. Причем, в основном, это касается описания отдельных частиц, а в экспериментах и приборах используют, как правило, их коллективы. Важно, что статистическая интерпретация объединяет квантовую механику с остальной наукой, а не отделяет, как постулат де Бройля. Она позволяет учесть субъективность наблюдателя, позволяет обсуждать не только внешние эффекты, но и их физические причины, о которых мы немного уже порассуждали. Для науки в целом важно, что подтверждается классическая логика и причинность. Не результаты измерений являются следствием уравнений, а наоборот, уравнения — результат обобщения многих измерений. В отношении коллективов частиц квантовая механика может обсуждать реализованные в них распределения частиц по состояниям и прогнозировать их. В отношении конкретной частицы квантовая механика может обсуждать только прогноз её состояния — суперпозицию её возможностей. Подробнее об этом в [4]. Вообще, квантовая механика — это наука о прогнозах результатов измерений, на чём настаивал Р. Фейнман [5, с.225], а граница действия прогноза — это измерение. Причём прогнозы всегда субъективны, а физики не знают, как учитывать и преодолевать эту субъективность — отсюда и многие недоразумения. Ясное понимание этой стороны обсуждаемой проблемы даёт концепция «Информация-структура» [2,3,4]. Логика, используемая в квантовой механике — это логика прогнозов о взаимосвязанных событиях, и, поэтому, её методы могут быть интересны везде, где обсуждаются прогнозы, а не только в физике микрочастиц.

Рекомендуется посмотреть также тезисы второго доклада на этой конференции, связанного с данным, а также дополнение к докладам. 

Литература.  ⇑  

1. Макс Борн. Размышления и воспоминания физика. Сборник статей. – М.: «Наука», 1977. – 280 с. 

2. Саночкин В. В. Что такое информация. – Философские исследования, 2001, №3, с. 129-141. (На этом сайте здесь)  

3. Саночкин В. В. Природа информации и развития. Сборник статей. – М., 2004. – 76 с. (На этом сайте здесь)  

4. Саночкин В. В. Решение «парадокса кота» на основе статистической интерпретации квантовой механики – аргумент в её пользу. – Доклад на текущей конференции. (На этом сайте здесь)  

5. Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс. Фейнмановские лекции по физике. – М.: «Мир», 1977,  т.3 и 4. – 496 с.

 _⇑_