Роль наблюдателя в квантовой механике. Доклад: Роль наблюдателя в квантовой механике Критика постановки проблемы как ключ к ее решению
Доклад: Роль наблюдателя в квантовой механике
Алексей Мазур
Главная проблема квантовой механики – это вопрос о том, что происходит в момент редукции волновой функции. Почему плоская волна электрона «реализуется» в одной точке фотопластины? Является ли наша неспособность «вычислить», какая именно из имеющихся возможностей «реализуется», фундаментальным законом природы, либо же следствием несовершенства используемых нами методов и приборов. Сам процесс редукции так же не уловим, как линия горизонта или основание радуги. В какой момент он происходит? В момент взаимодействия волновой функции с фотопластиной, являющейся «классическим» объектом, либо же в момент «наблюдения» экспериментатора за фотопластиной? И чем же так выделен «наблюдатель», что ему дано право выбирать по какому из возможных путей пойдет мир дальше?
Давайте попробуем разобраться, где проходит грань между «классическим» и квантовым объектом. В бытность студентами (а именно только студенты, пожалуй, в наше время и задаются такими вопросами), мой отец В.А.Мазур и его друг А.В.Гайнер рассуждали примерно следующим образом. Процесс «наблюдения» – это есть процесс взаимодействия волновой функции с прибором, который имеет настолько сложную волновую функцию, что рассчитать ее нет никакой возможности. Поэтому он является классическим объектом. Результат взаимодействия волновой функции электрона с таким объектом непредсказуем и носит вероятностный характер, но не потому, что это есть фундаментальный закон природы, а потому, что наши методы исследования несовершенны. Желая упростить модель «наблюдения», они гипотетически поставили такой эксперимент. Берем плоскую волну электрона, падающую на идеально плоскую фотопластину, состоящую из атомов водорода, расположенных в шахматном порядке. Все атомы находятся в основном состоянии. Вычислить результат взаимодействия не составляет большого труда. Волновая функция пластины после взаимодействия представляет из себя сумму N (где N – число атомов в пластине) слагаемых, каждое из которых имеет «вес» 1/N. Первое слагаемое – атом номер 1 возбужден, остальные – в основном состоянии, второе слагаемое – атом номер 2 возбужден, остальные – в основном состоянии и т.д. Вывод, который отсюда сделали мой отец и А.В.Гайнер – такая пластина не является классическим объектом, а остается квантовым, реальные же пластины устроены достаточно сложно, чтобы быть классическими.
Я же предлагаю довести их гипотетический эксперимент до конца, и рассмотреть, что будет после взаимодействия этой пластины с наблюдателем. Конечно, смоделировать волновую функцию наблюдателя нам не по силам. Но некоторые аналогии кажутся достаточно очевидными. Итак, наш «квантовый» наблюдатель посмотрел на эту фотопластину. Что произойдет с его волновой функцией? Как легко можно понять, она распадется на N слагаемых. Условно их можно назвать так: первое слагаемое – наблюдатель видит возбужденный атом номер 1, второе слагаемое – наблюдатель видит возбужденный атом номер 2 и т.д. Опять, казалось бы, момент редукции от нас ускользнул. Но давайте рассмотрим субъективные ощущения наблюдателя. Предположим, он провел этот эксперимент три раза. Как легко видеть, его волновая функция имеет уже N в кубе слагаемых. И вот тут и произошла редукция. Предположим, что он встретил «классического», а не «квантового» наблюдателя, который спросил у его результаты этих экспериментов. И от N в кубе слагаемых нашего «квантового» наблюдателя останется только одно. Но заметьте – он будет твердо уверен в том, что в первом случае он видел возбужденным атом, скажем номер 27, во втором – 3, а в третьем – 137. Никаких воспоминаний о других слагаемых своей волновой функции в нем не останется. Об этих своих «субъективных» ощущениях он и расскажет «классическому» наблюдателю.
Отсюда мы видим, что процесс редукции может быть вовсе не связан с процессом «наблюдения». В момент «наблюдения» не наблюдатель «выбирает» одно из возможных состояний мира, а сам «распадется» на слагаемые. Каждое из этих слагаемых соответствует слагаемым «измеряемого» объекта. Предположим, что редукция происходит вообще очень редко. Раз в год, например. Все наблюдатели, и мы с вами, в том числе, после редукции и представления не будем иметь о том, что наши волновые функции имели другие, «нереализовавшиеся» слагаемые.
Очевидно, что особой необходимости в «реализации», как таковой, нет. Она проистекала из субъективного ощущения тех наблюдателей, которые «видели» как из равновероятных возможностей случайным образом «реализуется» только одна. Ведь ни одно из слагаемых волновой функции наблюдателя не содержит информации о других слагаемых.
Тут мы упираемся в вопрос о том, что такое «я» наблюдателя. Легко понять, что «субъектом» является не весь ансамбль «слагаемых», а только одно из них. Причем – любое. То есть, человек представляет из себя не «мировую линию», а «дерево», причем точками разветвления являются моменты «наблюдений», а попросту – моменты взаимодействия с окружающим миром. И касается это, как вы понимаете, не только людей.
Картина мира, которая предстает после осознания вышеизложенного, выглядит совершенно фантастично. Все, что могло случиться – случилось. Все потерянные возможности были реализованы, они существуют в одном мире и пространстве с нами, но никакого воздействия на нас не оказывают. И, надо признать, что эта картина мира является прямым следствием законов квантовой механики, а не досужими домыслами псевдонаучных фантастов.
Скептики, конечно, могут сказать – а какие следствия из этих рассуждений? Никакого практического смысла они не в себе не несут. Это не совсем так.
Во-первых, становиться очевидным, что нет границы между квантовым и классическим объектом. Момент редукции для нашего субъективного «Я» происходит действительно в момент наблюдения. Но это не мы что-то делаем с миром, а мир что-то делает с нами. Но для простоты можно оставить понятие редукции и гордиться тем, что каждый «реализует» свой мир.
Во-вторых, легко объясняется тот эксперимент, который был поставлен то ли в конце сороковых, то ли в начале пятидесятых. Какая-то частица, распадалась на два осколка, каждый из которых летел в противоположных направлениях. Так, как в момент распада частица покоилась, то все направления полета 1-го осколка были равновероятны. Но вот второй, согласно закону сохранения импульса, должен был лететь в строго противоположном направлении. Детекторы, улавливающие осколки, были поставлены так, чтобы разница времен между «поимкой» осколков была меньше, чем потребуется свету, чтобы дойти от одного детектора до другого (чтобы исключить возможное воздействие результатов на одном детекторе на результаты на другом). Парадокс был в том, что волновые функции двух осколков «реализовывались» согласованно друг против друга, согласно законам сохранения, но ставя в тупик физиков – как волновая функция осколка номер два «узнает» о произошедшей редукции волновой функции осколка номер один? Узнает быстрее скорости света?
Как мы теперь понимаем, редукция осколка номер два происходит не в момент его взаимодействия с детектором, а в момент взаимодействия наблюдателя с детектором, так что причинно-следственные связи не нарушаются.
Главная проблема квантовой механики – это вопрос о том, что происходит в момент редукции волновой функции. Почему плоская волна электрона «реализуется» в одной точке фотопластины? Является ли наша неспособность «вычислить», какая именно из имеющихся возможностей «реализуется», фундаментальным законом природы, либо же следствием несовершенства используемых нами методов и приборов. Сам процесс редукции так же не уловим, как линия горизонта или основание радуги. В какой момент он происходит? В момент взаимодействия волновой функции с фотопластиной, являющейся «классическим» объектом, либо же в момент «наблюдения» экспериментатора за фотопластиной? И чем же так выделен «наблюдатель», что ему дано право выбирать по какому из возможных путей пойдет мир дальше?
Давайте попробуем разобраться, где проходит грань между «классическим» и квантовым объектом. В бытность студентами (а именно только студенты, пожалуй, в наше время и задаются такими вопросами), мой отец В.А. Мазур и его друг А.В. Гайнер рассуждали примерно следующим образом. Процесс «наблюдения» – это есть процесс взаимодействия волновой функции с прибором, который имеет настолько сложную волновую функцию, что рассчитать ее нет никакой возможности. Поэтому он является классическим объектом. Результат взаимодействия волновой функции электрона с таким объектом непредсказуем и носит вероятностный характер, но не потому, что это есть фундаментальный закон природы, а потому, что наши методы исследования несовершенны. Желая упростить модель «наблюдения», они гипотетически поставили такой эксперимент. Берем плоскую волну электрона, падающую на идеально плоскую фотопластину, состоящую из атомов водорода, расположенных в шахматном порядке. Все атомы находятся в основном состоянии. Вычислить результат взаимодействия не составляет большого труда. Волновая функция пластины после взаимодействия представляет из себя сумму N (где N – число атомов в пластине) слагаемых, каждое из которых имеет «вес» 1/N. Первое слагаемое – атом номер 1 возбужден, остальные – в основном состоянии, второе слагаемое – атом номер 2 возбужден, остальные – в основном состоянии и т.д. Вывод, который отсюда сделали мой отец и А.В. Гайнер – такая пластина не является классическим объектом, а остается квантовым, реальные же пластины устроены достаточно сложно, чтобы быть классическими.
Я же предлагаю довести их гипотетический эксперимент до конца, и рассмотреть, что будет после взаимодействия этой пластины с наблюдателем. Конечно, смоделировать волновую функцию наблюдателя нам не по силам. Но некоторые аналогии кажутся достаточно очевидными. Итак, наш «квантовый» наблюдатель посмотрел на эту фотопластину. Что произойдет с его волновой функцией? Как легко можно понять, она распадется на N слагаемых. Условно их можно назвать так: первое слагаемое – наблюдатель видит возбужденный атом номер 1, второе слагаемое – наблюдатель видит возбужденный атом номер 2 и т.д. Опять, казалось бы, момент редукции от нас ускользнул. Но давайте рассмотрим субъективные ощущения наблюдателя. Предположим, он провел этот эксперимент три раза. Как легко видеть, его волновая функция имеет уже N в кубе слагаемых. И вот тут и произошла редукция. Предположим, что он встретил «классического», а не «квантового» наблюдателя, который спросил у его результаты этих экспериментов. И от N в кубе слагаемых нашего «квантового» наблюдателя останется только одно. Но заметьте – он будет твердо уверен в том, что в первом случае он видел возбужденным атом, скажем номер 27, во втором – 3, а в третьем – 137. Никаких воспоминаний о других слагаемых своей волновой функции в нем не останется. Об этих своих «субъективных» ощущениях он и расскажет «классическому» наблюдателю.
Отсюда мы видим, что процесс редукции может быть вовсе не связан с процессом «наблюдения». В момент «наблюдения» не наблюдатель «выбирает» одно из возможных состояний мира, а сам «распадется» на слагаемые. Каждое из этих слагаемых соответствует слагаемым «измеряемого» объекта. Предположим, что редукция происходит вообще очень редко. Раз в год, например. Все наблюдатели, и мы с вами, в том числе, после редукции и представления не будем иметь о том, что наши волновые функции имели другие, «нереализовавшиеся» слагаемые.
Очевидно, что особой необходимости в «реализации», как таковой, нет. Она проистекала из субъективного ощущения тех наблюдателей, которые «видели» как из равновероятных возможностей случайным образом «реализуется» только одна. Ведь ни одно из слагаемых волновой функции наблюдателя не содержит информации о других слагаемых.
Тут мы упираемся в вопрос о том, что такое «я» наблюдателя. Легко понять, что «субъектом» является не весь ансамбль «слагаемых», а только одно из них. Причем – любое. То есть, человек представляет из себя не «мировую линию», а «дерево», причем точками разветвления являются моменты «наблюдений», а попросту – моменты взаимодействия с окружающим миром. И касается это, как вы понимаете, не только людей.
Картина мира, которая предстает после осознания вышеизложенного, выглядит совершенно фантастично. Все, что могло случиться – случилось . Все потерянные возможности были реализованы, они существуют в одном мире и пространстве с нами, но никакого воздействия на нас не оказывают. И, надо признать, что эта картина мира является прямым следствием законов квантовой механики , а не досужими домыслами псевдонаучных фантастов.
Скептики, конечно, могут сказать – а какие следствия из этих рассуждений? Никакого практического смысла они не в себе не несут. Это не совсем так.
Во-первых, становиться очевидным, что нет границы между квантовым и классическим объектом. Момент редукции для нашего субъективного «Я» происходит действительно в момент наблюдения. Но это не мы что-то делаем с миром, а мир что-то делает с нами. Но для простоты можно оставить понятие редукции и гордиться тем, что каждый «реализует» свой мир.
Во-вторых, легко объясняется тот эксперимент, который был поставлен то ли в конце сороковых, то ли в начале пятидесятых. Какая-то частица, распадалась на два осколка, каждый из которых летел в противоположных направлениях. Так, как в момент распада частица покоилась, то все направления полета 1-го осколка были равновероятны. Но вот второй, согласно закону сохранения импульса, должен был лететь в строго противоположном направлении. Детекторы, улавливающие осколки, были поставлены так, чтобы разница времен между «поимкой» осколков была меньше, чем потребуется свету, чтобы дойти от одного детектора до другого (чтобы исключить возможное воздействие результатов на одном детекторе на результаты на другом). Парадокс был в том, что волновые функции двух осколков «реализовывались» согласованно друг против друга, согласно законам сохранения, но ставя в тупик физиков – как волновая функция осколка номер два «узнает» о произошедшей редукции волновой функции осколка номер один? Узнает быстрее скорости света?
Как мы теперь понимаем, редукция осколка номер два происходит не в момент его взаимодействия с детектором, а в момент взаимодействия наблюдателя с детектором, так что причинно-следственные связи не нарушаются.
P.S.
К сожалению, последние семь лет автор не имел возможности следить за развитием физики. Но, вроде бы, аналогичная трактовка квантовой механики уже выдвинута Эвереттом (?), с трудами которого автору пока не удалось ознакомиться.
Наблюдатель здесь – сторонний, как и в невключенном наблюдении, но испытуемые обычно не знают о целях наблюдения. Исследователь придумывает какую-то легенду, которая объясняет его присутствие на месте события.
Для наблюдателя-участника как бы «наблюдение сопутствует наблюдению», например, в процессе интервью или эксперимента. Эту роль журналист примеряет на себя постоянно.
Участник-наблюдатель не скрывает своих целей, и те, кого он наблюдает, знают об этом. В течение длительного наблюдения участники ситуации привыкают к присутствию наблюдателя и нередко перестают его замечать.
Участник действует при полном включении в ситуацию; обычно при этом скрываются истинные цели наблюдения и исследователь или журналист становится полностью членом наблюдаемой группы. Если это длится долго, наблюдатель может потерять объективность, у него возникают свои взаимоотношения с членами группы, свои предпочтения.
Классический пример такого наблюдения продемонстрировал американский социолог, сотрудник Гарвардского университета У. Уайт, который в течение трех с половиной лет (1936–1939) изучал преступные группы эмигрантов из Италии, поселившись в их трущобах. В результате появилась книга «Общество на углу улицы».
В журналистике такой прием называется «Журналист меняет профессию», о чем уже шла речь. Нередко писатели и журналисты пользовались наблюдением, которое сродни социологическому. Многие очерки Горького, Писемского можно назвать социологическими, так же как и «Остров Сахалин» Чехова, «Записки из мертвого дома» Достоевского*.
Журналистский прием, который называется «Журналист меняет профессию» близок к социологическому. Это метод, который социологи называют включенным наблюдением. Михаил Кольцов работал таксистом, написав об этом интереснейший очерк. Журналист «Известий» Анатолий Гудимов часто менял профессии. В результате появилась книга «Тайна чужой профессии». Широко известна история немецких журналистов, которые, загримировавшись под рабочих-эмигрантов, работали в немецкой шахте, деля с ними все тяготы их работы и быта. И сейчас журналисты нередко пользуются методом включенного наблюдения.
Что входит в структуру предмета наблюдения? Это полезно знать и журналисту, и социологу. Наблюдать, как считает В. А. Ядов, можно:
- общую характеристику социальной ситуации, сферы деятельности (производство, политика, семейная жизнь, структура свободного времени и т. п.);
- правила и нормы, регулирующие состояние объекта в целом, степень саморегуляции объекта наблюдения;
- характеристики типичности наблюдаемого объекта относительно других объектов в данной ситуации (экологическая среда, область жизнедеятельности, состояние общественного сознания и т. п.);
- субъектов и участников социальных событий (различные социально-демографические группы), их взаимоотношения (официальные и неофициальные);
- цели деятельности и социальные интересы, общие и групповые интересы, официальные и неформальные, согласованность или конфликт интересов;
- структуру деятельности: стимулы, мотивы, средства для достижения целей (по содержанию и по моральной оценке), по интенсивности деятельности (продуктивная, репродуктивная, напряженная, спокойная), результаты (материальные и духовные продукты);
- регулярность и частоту наблюдаемых событий.
Богатейший материал для наблюдения, который может быть использован и журналистами, пишущими о войне, дают перечни вопросов для исследований, которые оставили нам известные российские социологи еще в ХIХ – начале ХХ вв. Познакомимся с одним из фрагментов подобных программ. Г. Е. Шумаков, ученый-медик (1873–1927), один из основателей отечественной психиатрии, участвовал в русско-японской войне 1904–1905 гг., был лечащим врачом. Он составил очень интересные вопросы к изучению состояния участников русско-японской войны*.
Каково душевное состояние: при получении приказа о выступлении с бивака в бой; при движении вне сферы огня; при движении и стоянии под огнем ружейным (дальним, ближним, залповым, пачками и т. п.), пулеметным (как влияет ритмическое действие пулемета), артиллерийским (шимозами, шрапнелями, бомбами и т.д.). Влияние звука полетов снарядов, их разрывов, отравления газами и т. д. Влияние сосредоточенного огня, по площадям, в боевой части, в резерве, в обозе. Душевное состояние при действии нашей артиллерии и неприятельской.
При штурме и штыковом ударе; при успехе и неуспехе, при ясной задаче и неизвестности; при долгой стоянке на месте; при голоде, недоедании, недосыпании, жажде и т. п.
При обороне: влияние укреплений, окопов, искусственных препятствий (ближних, дальних), местных предметов, закрытий, бойниц, фугасов и т. п. При получении сведений об отходе, при фланговом (тыльном) огне.
Состояние духа после ранении и потерь (первых и последующих). Состояние после боя. Ожидание следующего боя.
Стихийный порыв вперед, как и чем был вызван. Паника во время боя, причины возникновения и меры прекращения.
Действие на состояние духа религиозных чувств, любви к родине, чувств долга, самолюбия, стыда, взаимной выручки, наград, дисциплины, взысканий и т. п. Влияние алкоголя на душевное состояние в бою – до и после него» (с. 633).
Поразительное знание военной ситуации позволило до мелочей предусмотреть исследователю условия, которые могут влиять на душевное состояние воинов. Разве не полезно было бы журналисту, который едет в горячие точки, с такой же подробностью набрасывать себе план наблюдений?
Не менее интересный раздел программы наблюдения связан с самонаблюдением и с наблюдением поведения других во время военной обстановки. Приведем выборочно некоторые элементы плана.
При всей привлекательности наблюдения как метода сбора социологической информации, его сравнительной простоте у него, как уже отмечалось, есть немало слабых мест.
Еще при планировании исследования не стоит забывать о двух основных классах проблем, которые могут возникнуть на этом этапе, а именно: определение качества результатов, которые будут получены при применении той или иной из альтернативных схем наблюдения; определение стоимости каждой схемы.
Еще одна «ахиллесова пята» данного метода - репрезентативность (достоверность) данных. Это вызвано тем, что при осуществлении наблюдения трудно охватить большое количество явлений. Отсюда возникает вероятность ошибок в интерпретации событий и поступков людей с точки зрения мотивов их действий.
Качество наблюдения зависит и от времени фиксации результатов. Если запись делается позже самого процесса наблюдения, то возникают неточности, часть фактов утрачивается или искажается, хотя сама запись становится более упорядоченной и строгой. Оптимальным представляется вариант быстрой первичной записи в формализованном документе с заранее заданными количественными показателями с последующей обработкой по принятой методике с помощью компьютерного обсчета.
Применение метода наблюдения осложняется еще и тем, что сам факт проведения исследования оказывает влияние на наблюдаемую ситуацию. Присутствие наблюдателя может вызвать у наблюдаемых чувство смущения, застенчивости, особенно в тех случаях, когда ситуация расходится с их представлениями о ситуации нормальной. Присутствие наблюдателя может привести и к изменению самой ситуации, даже если к участникам ее прибавляется лишь один человек (наблюдатель).
Практика социологических исследований показывает, что именно наблюдение предъявляет особо высокие требования к личности исследователя. От его способностей, квалификации, научной базы и, наконец, от его чисто человеческих качеств (умения находить общий язык с наблюдаемыми, общительности, отзывчивости, скромности и ненавязчивости) зависит успех наблюдения. Помимо качеств, в той или иной мере присущих всякому человеку (внимание, терпение, способность фиксировать изменения в наблюдаемой ситуации), одним из основных требований, предъявляемых к наблюдателю, является требование объективности.
Существуют достаточно жесткие требования к профессиональной подготовке наблюдателей. Например, при включенном наблюдении исследователь должен быть не только умным и знающим социологом, но и просто тактичным, внимательным, общительным человеком с высоким интеллектуальным быстродействием и адаптационной пластичностью и культурой. Умение контролировать свое поведение, объективно оценивая его достоинства и недостатки, согласовывать весь спектр интересов трудового коллектива с интересами социологической группы - все это очевидные требования к личным качествам работника, выполняющего включенное наблюдение.
Подготовка наблюдателей включает выработку особых знаний, умений и навыков. Наблюдатель должен знать теорию социологии, социальную психологию, специальную социологию, которая используется в конкретном исследовании, методы и тактику наблюдения, материалы и документы, регламентирующие деятельность изучаемого объекта.
Для формирования умений и навыков наблюдателя целесообразно организовать ряд практических занятий (наблюдений) в полевых или лабораторных условиях. Это позволит обнаружить типологию возможных или типичных для наблюдателя ошибок, выработать полезные поведенческие стереотипы наблюдения, навыки оформления документов и др. Занятия должны проводиться под руководством опытных социологов. Основной их задачей является отбор кадров, поскольку далеко не каждый может стать квалифицированным наблюдателем. Существуют естественные “противопоказания”, например, для слишком рассеянных людей.
Впрочем, любая квалификация наблюдателя не отрицает необходимости выработки инструкций проведения исследований. В них следует указывать: социологический наблюдение трудность инструкция
- - последовательность этапов и процедур наблюдения;
- - критерии оценок действий наблюдаемых;
- - способ фиксации информации;
- - принятые шкалы измерений;
- - рекомендации по интерпретации полученных данных и составлению отчета.
Инструкция содержит задание наблюдателю, на основании которого проводится пробное исследование с последующим обсуждением вскрытых ошибок. Оно рецензируется опытным социологом, определяющим степень готовности наблюдателя и его умение работать с инструкцией. Возможны варианты смены кандидатов либо изменения инструкции в соответствии с предложениями кандидата. Пробное исследование предоставляет уникальную возможность учесть наиболее характерные для конкретного наблюдения ошибки, неточности, преувеличения, составить своеобразную индивидуальную карту наблюдателя. В дальнейшем возможен подбор наблюдателей по картотеке.