Проблемы квантомеханической модели мира. Основные интерпретации квантовой механики.

Как известно, существует 4 картины мира: натурфилософская, механистическая, электро-магнитная и квантово-механическая.
В механистической картине мира пространство трехмерно и не зависимо от времени (также как они оба могут существовать независимо от материальных объектов).
В электро-магнитной картине пропадает понятие и пространства, и времени. Вводится понятие пространственно-временного континума, который существует лишь там, где есть материя в ее вещественной форме.

Что изучает квантовая физика. Основные идеи и принципы квантовой механики: дискретность (квантование), корпускулярно-волновой дуализм, соотношение неопределенности и принцип дополнительности, волновая функция. Квантовая лестница. Элементарные частицы как глубинный уровень организации материи: элементарны ли элементарные частицы; типы фундаментальных взаимодействий и квантовые поля – поля и частицы; кварковая природа материи и единство сил природы.

Большинство микрообъектов являются нестабильными – они самопроизвольно, без каких-либо воздействий со стороны распадаются, превращаясь в другие, в том числе и элементарные, частицы. Нестабильность – это специфическое, но не обязательное свойство микрообъектов. Наряду с нестабильными, существуют и стабильные микрообъекты: фотон, электрон, протон, нейтрино, стабильные атомные ядра, атомы и молекулы в основном состоянии. Квантовая физика – это еще теоретическая основа современного учения о структуре и свойствах вещества и поля. По сравнению с классической физикой она рассматривает материю на более глубоком и фундаментальном уровне. Она позволяет объяснить многие ”почему”, которые в классической физике принципиально невозможно понять. Например, почему атомы являются устойчивыми структурами и достаточно механически прочными; почему атомы одинакового сорта невозможно различить и т.д.

Квантовая физика – это еще теоретическая основа современного учения о структуре и свойствах вещества и поля. По сравнению с классической физикой она рассматривает материю на более глубоком и фундаментальном уровне. Она позволяет объяснить многие ”почему”, которые в классической физике принципиально невозможно понять. Например, почему атомы являются устойчивыми структурами и достаточно механически прочными; почему атомы одинакового сорта невозможно различить и т.д.

Интерпрета́ции ква́нтовой меха́ники — различные философские воззрения на сущность квантовой механики как физической теории, описывающей материальный мир. Квантовая механика считается «наиболее проверенной и наиболее успешной теорией в истории науки» ^[1], но консенсуса в понимании «её глубинного смысла» всё ещё нет.

Понимание математических конструкций квантовой теории прошло в своём развитии через ряд стадий. Например, Шрёдингер сначала не понимал вероятностную природу волновой функции, связанной с электроном; это понимание привнёс Макс Борн, когда предложил рассматривать вероятностное распределение местоположения электрона в пространстве. Другие ведущие учёные, например Эйнштейн, также нелегко примирялись с положениями теории. Даже если эти трудности считать простыми проявлениями болезни роста, всё равно понятно, что они привели к работе по созданию интерпретаций.

Работа М. Борна по статистической интерпретации волновой функции получила высокую оценку, в 1954 году ему была присуждена Нобелевская премия по физике с формулировкой «за фундаментальное исследование в области квантовой механики, особенно за статистическую интерпретацию волновой функции».

Существует достаточно много различных интерпретаций квантовой механики.

Во-первых, это копенгагенская интерпретация Бора, Гейзенберга, Борна и Паули. Именно она принята большинством ученых и отражена в «Квантовой механике» Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшица и двухтомнике Мессиа. Из-за этого ее еще называют ортодоксальной.

Во-вторых, имеются многочисленные интерпретации, которые в той или иной мере возвращаются к классическим взглядам, и парадоксальные интерпретации, авторы которых обычно исходят из классических парадоксов квантовой механики

Копенгагенская интерпретация начинается с парадокса. Каждый физический эксперимент описывается в терминах классической физики. Классическая физика определяет язык, на котором ведется описание опытов и результатов. Но применение классической физики к микромиру принципиально ограничено соотношением неопределенностей. Дело в том, что принципиальная сложность описания микромира заключается в том, что мы описываем его в терминах макроскопической физики. А эксперименты в микромире имеют принципиальное отличие: мы не можем измерить характеризующую объект физическую величину, не изменив при этом его состояния.

Процесс измерения имеет в квантовой механике важную особенность: он всегда оказывает воздействие на подвергаемую измерению частицу, и это воздействие при данной точности измерения не может быть сделано сколь угодно слабым. Чем точнее измерение, тем сильнее оказываемое им воздействие. Поэтому, по Гейзенбергу, описание экспериментальной ситуации дается функцией вероятности, которая представляет собой объединение факта и степени знания факта.

В интерпретации Гейзенберга, можно рассчитать изменение функции вероятности с течением времени и тем самым получить вероятность какого-то результата измерений в следующий момент времени. При этом функция вероятности не дает описания того, что происходит с объектом в промежутке между двумя измерениями. Только последующее измерение создает связь функции вероятности с действительностью. Само наблюдение прерывным образом изменит функцию вероятности: оно выбирает из всех возможных событий то, которое фактически совершилось. Это изменение происходит мгновенно и не описывается уравнением Шредингера. Поскольку наше знание под влиянием наблюдения изменяется прерывно, постольку и величины, входящие в его математическое представление, изменяются прерывно, и потому мы говорим о "квантовом скачке".

Очень важен принцип дополнительности Бора (1927 г.). Он заключается в том, что необходимые для описания объекта корпускулярная и волновая картины противоречат друг другу, но это противоречие снимается принципом неопределенности. Если для электрона наблюдается интерференция, его нельзя считать локализованным. Если электрон локализован, его волновые свойства исчезают. Но для описания электрона обе картины необходимы. Если использовать обе картины, переходя от одной к другой и обратно, то, в конце концов, мы получим правильное представление о примечательном виде реальности, который скрывается за экспериментами с атомами.

Ясно, что в рамках копенгагенской интерпретации не может идти речи о детерминистическом описании свойств объекта, и вообще его свойства имеют смысл только при их измерении. В связи с этим встает вопрос об объективности копенгагенской интерпретации. Гайзенберг дает следующий ответ: квантовая теория не содержит субъективных черт, так как она не включает в себя разум физика как часть атомного события. Субъективность квантовой теории состоит лишь в применении классического языка к микромиру, так как язык классической физики формировался в результате исторического пути человечества и не является объективным.