Чтение онлайн

Однако после открытия Резерфордом в 1911 г. атомных ядер, открытия, которое таким неожиданным образом завершило поиски адекватной модели атома, пришлось оставить все надежды на достижение этой цели с помощью соответствующих предположений о природе внутриатомных сил. В то время как ядерная модель атома с самого начала служила безошибочной путеводной нитью в раскрытии удивительных явлений радиоактивности и превращений элементов, её неудовлетворительность в применении к спектральным явлениям — поскольку речь шла о классической основе электронной теории — была столь очевидной, что сразу же наводила на мысль о необходимости радикального отхода от обычных представлений электродинамики. Это привело к попытке исходить при решении проблемы спектров испускания из совершенно нового принципа, не укладывавшегося в рамки классической физики, который впервые выразился в открытии Планком кванта действия и в руках Эйнштейна продемонстрировал свою плодотворность при объяснении им законов фотоэффекта. В то время как эта точка зрения позволила дать немедленное объяснение комбинационного принципа Ридберга—Ритца, которым описываются закономерности спектральных серий и который не поддавался никакой классической интерпретации, в течение долгого времени не существовало возможности достигнуть ясного понимания аномального эффекта Зеемана. Таким образом, прежде всего создавалось впечатление, что ни более простые попытки создания квантовой теории строения атомов, исходившие из ограниченной применимости классических представлений, ни постепенно вырабатываемые квантовомеханические методы, столь могущественные во многих других случаях, не оставляют больше возможности объяснить в рамках классической теории любой тип зеемановского расщепления за исключением нормального лоренцевского триплета. Совпадение между результатами, полученными с помощью этих методов при изучении эффекта Зеемана, и выводы обычной электронной теории, нашедшие свое выражение в известной теореме Лармора, представляли собой совершенно определённый пример так называемого принципа соответствия, намечавшего путь, по которому классические понятия, несмотря на присущие им ограничения, могут быть включены в построение квантовой теории.

Именно эта ситуация и стимулировала более тщательное изучение зеемановского расщепления, которое помимо всего прочего открывало возможность полного анализа этого расщепления на основе общего комбинационного принципа спектральных линий — в согласии с фундаментальными постулатами квантовой теории строения атомов. По существу правильность этого анализа, проведённого главным образом трудами Зоммерфельда и Ланде, в наиболее чёткой форме была подтверждена превосходными экспериментами Штерна и Герлаха по отклонению молекулярного пучка в магнитном поле, а также и исследованием других замечательных магнито-механических эффектов, предсказанных Ричардсоном, Эйнштейном и де Гаазом и, наконец, Барнеттом. Вся эта работа постепенно подготовила основу для последующего фундаментального отхода от классической электронной теории, воплощённого в идее спина электрона. Это новое продвижение началось с установления общего принципа исключения, к которому пришёл Паули в процессе анализа эффекта Пашена—Бака. В результате оно получило предварительное завершение за счёт введения в атомную теорию Уленбеком и Гаудсмитом образного представления о вращающемся электроне с внутренним магнитным моментом. Эта идея в духе принципа соответствия открыла возможность не только удивительно просто интерпретировать наиболее существенные характерные черты аномального эффекта Зеемана, но также и объяснить переход от него к нормальному триплету — по мере возрастания магнитного поля. Последовательное решение проблемы электронного спина было дано в конце концов остроумной теорией Дирака, которая в то же самое время привела к наиболее замечательному завершению электронной теории, выразившемуся в предсказании возможности возникновения — при соответствующих условиях —пар противоположно заряженных электронов. Эта идея получила в дальнейшем блестящее экспериментальное подтверждение.

Дираковская теория электрона не основывалась на каком-либо явном предположении о собственном магнитном поле электрона; в ней всё богатство спектральных явлений и всех деталей эффекта Зеемана выступало в виде прямых следствий неких модификаций, которые не вводились в теорию на основе каких-либо механических моделей, а диктовались классической электронной теории существованием кванта действия. В связи с этим старые трудности в интерпретации эффекта Зеемана представляли особенно поучительную иллюстрацию существенных ограничений приложения пространственно-временных представлений в квантовой механике, которые столь отчётливо продемонстрировал принцип неопределённости, сформулированный Гейзенбергом. Подобно общей теории относительности Эйнштейна, которая сделала классическую физику столь совершенной и гармоничной, развиваемые в последние годы в рассматриваемой области физики представления основываются на выводах, получаемых в процессе прямых наблюдений. В то время как теория относительности имеет дело с зависимостью анализа измерений от выбора пространственно-временных систем отсчёта, в квантовой теории мы встречаемся с совершенно новой ситуацией, порождённой неизбежным взаимодействием между объектами измерений и измерительными приборами. Поскольку в соответствии с природой измерений указанное взаимодействие является существенно неконтролируемым, оно несёт в себе новые черты взаимного исключения между однозначным применением пространственно-временных понятий и динамическими законами сохранения. При этом классические представления о причинной зависимости заменяются более широкой концепцией дополнительности.

Таким образом, открытие Зеемана на всех этапах современной атомной теории, — начиная с момента, когда впервые было осознано электронное строение материи, и кончая современным разъяснением ограниченности методов классической физики в их приложении к описанию электронов в атомах, — играло неоценимую роль путеводной нити. Однако значение этого открытия ни в какой мере не ограничивается этой областью применения. Изучение влияния магнитного поля на тончайшие детали структуры спектральных линий, а также и на наиболее тонкие особенности магнито-механических эффектов позволило даже сделать важные выводы о свойствах атомных ядер. Этот источник информации обещает оказать очень большую помощь нашему познанию законов строения атомных ядер. Исследование же атомных ядер по мере появления всё более замечательных экспериментальных результатов открывает в последние годы совершенно новые перспективы перед физической наукой.

43 КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА И ФИЗИЧЕСКАЯ РЕАЛЬНОСТЬ *

*Quantum Mechanics and Physical Reality. Nature, 1935, 136, 65.

В статье Л. Эйнштейна, Б. Подольского и Н. Розена, появившейся в «Physical Review» от 15 мая 1, обзор которой помещён в «Nature» от 22 июня, подвергается обсуждению вопрос о полноте квантовомеханического описания с точки зрения «критерия физической реальности».

1A. Einstein, В. Podolsky, N. Rosen. Phys. Rev., 1935, 47, 777 (см. перевод: Л. Эйнштейн. Собр. научн. трудов, т. 3. М., 1966, стр. 604. — Прим. ред.).

Этот критерий авторы формулируют следующим образом: «Если мы можем без какого бы то ни было возмущения системы предсказать с достоверностью значения некоторой физической величины, то существует элемент физической реальности, соответствующий этой физической величине». На основании этого критерия авторы делают вывод, что квантовомеханическое описание физической реальности не является полным. Они исходят при этом из того, что, как показано в их статье, в квантовой механике (как и в механике классической) всегда можно предсказать значение любой величины, входящей в описание системы, выполняя измерения над другой системой, которая лишь некоторое время взаимодействовала с первой системой. Кроме того, в квантовой механике (в отличие от механики классической) невозможно приписать определённые значения двум канонически сопряженным переменным.

Однако я хотел бы отметить, что этот критерий физической реальности обладает значительной неоднозначностью в применении к проблемам квантовой механики. Верно, что при рассматриваемых измерениях непосредственное механическое воздействие измерительного прибора на систему исключается. Но при более тщательном рассмотрении обнаруживается, что процесс измерения оказывает существенное влияние на те условия, которые содержит в себе само рассматриваемое определение физической реальности. Поскольку эти условия должны рассматриваться как неотъемлемая часть всякого явления, к которому с определённостью может быть применен термин «физическая реальность», заключение упомянутых выше авторов представляется неверным. Более полно эти соображения будут изложены в статье, которая вскоре будет опубликована в «Physical Review».

Институт теоретической физики

Копенгаген

29 июня 1935 г.

44 МОЖНО ЛИ СЧИТАТЬ КВАНТОВОМЕХАНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ РЕАЛЬНОСТИ ПОЛНЫМ *

*Can Quantum-mechanical Description of Physical Reality be considered complete? Phys. Rev., 1935, 48, 696—702.

В своей недавней статье 1 под тем же заглавием А. Эйнштейн, Б. Подольский и Н. Розен приводят аргументы, которые побудили их ответить на поставленный в заголовке вопрос в отрицательном смысле. Однако мне кажется, что общий ход их рассуждений не вполне соответствует тому положению вещей, с которым мы встречаемся в атомной физике. Я охотно воспользуюсь поэтому представившимся поводом, чтобы разъяснить несколько подробнее одну общую точку зрения, которую удобно называть «дополнительностью». С этой точки зрения, на которую я неоднократно уже указывал 2, квантовая механика в пределах своей области применимости представляется вполне рациональным описанием тех физических явлений, с которыми мы встречаемся при изучении атомных процессов.

1 A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen. Phys. Rev., 1935, 47, 777 (см. перевод: А. Эйнштейн. Собр. научн. трудов, т. 3. М., 1966, стр. 604. — Прим. ред.).

2 См.: N. Bohr. Atomic theory and description of Nature. Cambridge, 1934.

Вопрос о том, в каких пределах можно приписать однозначный смысл такому выражению, как «физическая реальность», не может быть, разумеется, решён на основе априорных философских соображений. Как подчёркивают сами авторы названной статьи, для решения этого вопроса нужно обратиться непосредственно к опытам и измерениям. С этой целью они предлагают некоторый «критерий реальности», формулируемый ими следующим образом: «Если мы можем без какого бы то ни было возмущения системы предсказать с достоверностью значение некоторой физической величины, то существует элемент физической реальности, соответствующий этой физической величине». На интересном примере, к которому мы ещё вернёмся, они затем показывают следующее. В квантовой механике, так же как и в классической, значение любой переменной может быть при известных условиях предсказано на основании измерений, произведённых целиком над другими системами, бывшими ранее во взаимодействии с данной системой. Опираясь на свой критерий, авторы стремятся поэтому приписать элемент реальности каждой из величин, представленных этими переменными. Но, с другой стороны, характерной чертой существующей математической формулировки квантовой механики является, как известно, то, что если мы имеем две канонически сопряженные величины, то при описании состояния механической системы невозможно приписать им обеим определённые значения. В силу этого они считают существующую математическую формулировку неполной и выражают убеждение, что можно построить более удовлетворительную теорию.

Однако такого рода аргументация едва ли пригодна для того, чтобы подорвать надёжность квантовомеханического описания, основанного на стройной математической теории, которая автоматически охватывает все случаи измерения, подобные указанному 1. Кажущееся противоречие на самом деле вскрывает только существенную непригодность обычной точки зрения натуральной философии для описания физических явлений того типа, с которым мы имеем дело в квантовой механике. В самом деле, конечность взаимодействия между объектом и измерительным прибором, обусловленная самим существованием кванта действия, влечёт за собой — вследствие невозможности контролировать обратное действие объекта на измерительный прибор (а эта невозможность будет непременно иметь место, если только прибор удовлетворяет своему назначению) — необходимость окончательного отказа от классического идеала причинности и радикальный пересмотр наших взглядов на проблему физической реальности. Как мы увидим ниже, всякий критерий реальности, подобный предложенному упомянутыми авторами, будет — какой бы осторожной ни казалась его формулировка — содержать существенную неоднозначность, если мы станем его применять к действительным проблемам, которые нас здесь интересуют. Чтобы придать рассуждениям, которые мы приведём в подтверждение этого положения, возможно большую ясность, я сперва рассмотрю довольно подробно несколько простых примеров измерительных установок.

1 В этом отношении выводы цитируемой статьи можно рассматривать как непосредственные следствия теорем о каноническом преобразовании в квантовой механике. Эти теоремы обеспечивают её математическую полноту и рациональное соответствие с классической механикой, быть может, в большей мере, чем какая-либо другая черта этой теории. В самом деле, пусть мы имеем механическую систему, состоящую из двух подсистем (1) и (2), которые могут взаимодействовать между собой, но могут и не взаимодействовать. При описании такого рода системы всегда возможно заменить любые две пары канонически сопряженных переменных, относящихся соответственно к (1) и (2) и удовлетворяющих обычным перестановочным соотношениям [q1p1] = [q2p2] =