автор: Стивен Френч — почётный профессор философии науки Лидсского университета, Великобритания. Его последняя книга — «Феноменологический подход к квантовой механике» (2023). Под редакцией Сэма Дрессера
В начале 1960-х годов квантовая физика считалась одной из самых успешных теорий всех времён. Она объясняла широкий спектр явлений с беспрецедентной точностью: от структуры атомов и образования химических связей до принципов работы лазеров и сверхпроводников. Для некоторых это была не просто теория, а всеобъемлющая система взглядов на микромир элементарных частиц. Однако оказалось, что сами основы этой системы зиждутся на зыбкой почве, и человек, заметивший это, был не физиком, а подающим надежды философом. Возникшая дискуссия не только открыла путь к новым способам осмысления этих основ, но и спрятала в себе, не замеченный всеми участниками в то время, совершенно иной философский взгляд на квантовую физику, восходящий к феноменологическому философу Эдмунду Гуссерлю. Влияние этого изменения взглядов только сейчас в полной мере осознаётся, предлагая совершенно новое понимание квантовой механики, побуждающее к полному переосмыслению взаимоотношений философии и науки в целом.
Философом, положившим начало этой дискуссии, был Хилари Патнэм, впоследствии добившийся новаторских успехов в философии языка и философии сознания, а также в информатике, логике и математике. В 1961 году он отреагировал на статью, предлагавшую решение так называемого парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР), которое, казалось бы, показывало, что описание реальности, предлагаемое квантовой механикой, не может быть полным. В ходе своей аргументации Патнэм указал на существование ещё более глубокой проблемы, лежащей в основе теории, как её обычно понимают, и связанной с одной из самых базовых научных процедур: измерением. Эту проблему можно сформулировать следующим образом. Ключевым элементом формализма квантовой механики является математический аппарат, известный как «волновая функция». Обычно она используется для представления состояния заданной системы, например, атома или электрона, как суперпозиции всех её возможных состояний. Итак, рассмотрим электрон и свойство, известное как «спин». (Это не совсем то же самое, что спин, придаваемый мячу в бейсболе или крикете, но название прижилось.) Спин бывает двух видов: «вверх» и «вниз», поэтому, когда мы используем волновую функцию для представления спинового состояния электрона, движущегося к детектору, мы имеем дело с неклассической суперпозицией спина «вверх» и спина «вниз». Однако при измерении этого спина результат всегда один или другой: либо «вверх», либо «вниз», но никогда не суперпозицией обоих. Как объяснить переход от этой суперпозиции к определённому результату при проведении измерения?
Этот вопрос лежит в основе того, что впоследствии стало известно как «проблема измерения». Один из влиятельных ответов на него был предложен одним из величайших математиков всех времён, Яношем (или «Джоном») фон Нейманом, который внёс вклад во многие важные достижения не только в чистую математику и физику, но также в компьютерное проектирование и теорию игр. Он указал, что когда наш спиновый детектор взаимодействует с электроном, состояние этой объединённой системы детектор + электрон также будет описываться квантовой теорией как суперпозиция возможных состояний. То же самое относится и к состоянию ещё более крупной объединённой системы: глаз и мозг наблюдателя + детектор + электрон. Как бы далеко мы ни продолжили эту цепочку, любое физическое тело, взаимодействующее с системой, будет описываться теорией как суперпозиция всех возможных состояний, которые может занимать объединённая система, и поэтому ключевой вопрос, поставленный выше, останется без ответа. Следовательно, пришёл к выводу фон Нейман, должно быть нечто нефизическое, что каким-то образом порождает переход от суперпозиции к определённому состоянию, зафиксированному на устройстве и отмеченному наблюдателем, а именно сознание наблюдателя. (Именно этот аргумент является источником большей части так называемых комментариев Нью Эйдж к квантовой механике о том, что реальность каким-то образом должна зависеть от наблюдателя, и т. д.)
Патнэма беспокоило то, что если принять вывод фон Неймана, то теорию невозможно распространить на всю Вселенную, поскольку для этого потребуется наблюдатель, существующий за пределами физической Вселенной, чьё сознание сведёт суперпозицию всех возможных состояний Вселенной к одному определённому. Либо физикам придётся отказаться от идеи универсальности квантовой теории, либо отказаться от стандартного описания измерений. Короткую статью Патнэма, опубликованную в журнале Philosophy of Science , случайно прочитал Генри Маргенау, бывший физик, ставший философом науки, который затем предупредил лауреата Нобелевской премии по физике Юджина Вигнера. Вместе они опубликовали ответ, в котором защищали аргумент фон Неймана и отметали опасения Патнэма. Дебаты продолжались несколько лет, обе стороны, по сути, говорили не слыша друг друга, пока в схватку решительно не вступил Эбнер Шимони. Обладатель двух докторских степеней, по одной по философии и физике, и бывший ученик самого Вигнера, Шимони впоследствии сыграл ведущую роль в разработке экспериментальных проверок теоремы Белла (которая основывается на результате ЭПР, исключая некоторые попытки дополнить квантовую механику). Он поддержал Патнэма. Центральным вопросом было следующее: как сознание влияет на этот переход от суперпозиции к определенному состоянию? Поскольку удовлетворительного ответа получено не было, Патнэм и Шимони, по-видимому, одержали верх, расчистив философскую почву для альтернативных подходов, таких как многомировая интерпретация Хью Эверетта , согласно которой такого перехода вообще нет, а каждый элемент суперпозиции реализуется как определенный результат, хотя и в другой ветви реальности или альтернативном мире. Эта дискуссия, столь же историческая и важная для дальнейшего развития основ квантовой механики, содержала также существенный философский элемент, который долгие годы совершенно игнорировался. Он не только предлагает совершенно новый ответ на опасения Патнэма и Шимони, но и открывает путь к принципиально иному пониманию квантовой физики. Они не обратили внимания на феноменологический аспект.
Рather вместо того, чтобы опираться на цепной аргумент фон Неймана, представленный в его собственном тексте, который был довольно техническим и лишь недавно был переведен на английский язык, обе стороны в дебатах фактически цитировали основные отрывки из того, что Вигнер назвал «маленькой книгой» двух других физиков, Фрица Лондона и Эдмонда Бауэра. Первоначально опубликованная на французском языке в 1939 году, La théorie de l’observation en mécanique quantique ( Теория наблюдения в квантовой механике ) являлась частью серии полупопулярных изложений последних достижений в науке и технике, охватывающих все от антропологии до зоологии. Длина брошюры составляет всего 51 страницу, и она была направлена на то, чтобы четко и доступно изложить не только основные рамки квантово-механической трактовки измерения, но и роль сознания в этом процессе. Рассматриваемая обеими сторонами как простое резюме аргумента фон Неймана, она была чем угодно, но не так. В то время Бауэр и Лондон работали в Париже: первый – в престижном Коллеж де Франс, а второй – в Институте Анри Пуанкаре. Бауэр был превосходным преподавателем и первым во Франции, кто преподавал новую квантовую теорию. Лондон же находился в совершенно иной лиге. Он заслужил признание в квантовой механике, показав, как эта теория может объяснить химическую связь, что побудило его коллегу Вальтера Гайтлера воскликнуть: «Теперь мы можем есть химию ложкой!» Лондон вместе со своим братом Хайнцем успешно применил эту теорию к сверхпроводимости, а затем использовал её для объяснения сверхтекучести жидкого гелия, впоследствии опубликовав двухтомник об этих явлениях, ставший классикой в этой области. Однако Лондон был не просто блестящим физиком. С юных лет он живо интересовался философией. Будучи студентом Мюнхенского университета, он привлёк внимание Александра Пфендера, профессора философии и правой руки Эдмунда Гуссерля, основателя феноменологии. Более того, диссертация Лондона о природе научных теорий была опубликована в ведущем феноменологическом журнале того времени, « Ежегоднике философии и феноменологических исследований», который редактировал сам Пфендер. И это было не просто юношеское увлечение; Лондон сохранял интерес к феноменологии на протяжении всей своей карьеры. В Париже он вёл долгие дискуссии о физике и философии со своим другом Ароном Гурвичем, который, как и Лондон, имел академическое образование в обеих областях и впоследствии способствовал становлению феноменологии в Соединённых Штатах.
Не только тело наблюдателя, но и его сознание коррелируют с исследуемой системой. Что такое феноменология? Её можно кратко охарактеризовать как фундаментальное исследование взаимосвязей между ментальными актами или переживаниями, объектами, к которым относятся эти акты или переживания, и содержанием или (где уместно) значением этих актов или переживаний. Её основной инструмент – эпохе ( от греческого «отстранение»), требующее от феноменологического исследователя «вынести за скобки» окружающий нас мир и подавить «естественную установку», которая беззаботно принимает этот мир за объективный. Идея состоит в том, чтобы разрушить влияние такой установки на нас, чтобы раскрыть фундаментальные эпистемологические и метафизические предпосылки, лежащие в её основе.
Важно отметить, что это вынесение за скобки не означает «отрицание существования». Принятие этого маневра не равнозначно одобрению скептицизма и не должно пониматься как ведущее к солипсизму. Вместо этого, используя эпохе , мы можем подвергнуть пристальному рассмотрению как предположительно объективный мир, так и эту естественную установку, тем самым переориентируя наше понимание обоих. Тогда мы обнаруживаем, что отношение между нашим сознанием и миром следует понимать как «корреляционное», в том смысле, что оба существуют во «взаимозависимом контексте бытия», как выразился Максимилиан Бек в 1928 году. Это не означает, что сознание и мир следует понимать как существующие независимо друг от друга до того, как они соотносятся, или что первое каким-то образом создает второе. Скорее, именно корреляции составляют и сознание, и мир.
Феноменология гораздо шире этого, и, действительно, не все согласны с корреляционистской интерпретацией. Но именно этот взгляд лежит в основе «маленькой книжки» Лондона и Бауэра об измерении в квантовой механике, сыгравшей столь важную роль в споре о роли сознания в этом процессе. Напомним, что Маргенау и Вигнер отстаивали общепринятую точку зрения, согласно которой сознание каким-то образом производит определённое наблюдение из квантовой суперпозиции, считая, что Лондон и Бауэр просто суммируют аргумент фон Неймана. Патнэм и Шимони, с другой стороны, подвергли сомнению весь этот подход, настаивая на том, что неясно, как сознание может действительно привести к такому результату. Однако обе стороны в этом споре упустили из виду суть «маленькой книжки». Лондон и Бауэр фактически пошли дальше фон Неймана, приняв феноменологическую точку зрения по этому вопросу, согласно которой сознание играет определяющую роль посредством корреляции между наблюдателем и миром. Сами они ясно дают понять, как они отходят от общепринятого подхода во введении:Не намереваясь создавать теорию познания, хотя они и руководствовались довольно сомнительной философией, физики, так сказать, вопреки себе оказались в ловушке, обнаружив, что формализм квантовой механики уже подразумевает четко определенную теорию отношений между объектом и наблюдателем, отношений, совершенно отличных от тех, что подразумевались в наивном реализме, который до тех пор казался одним из незаменимых краеугольных камней любой естественной науки.
Лондон и Бауэр говорят здесь о том, что квантовую механику следует понимать не просто как теорию, похожую на любую другую, то есть как теорию о мире в некотором смысле, а как теорию познания как таковую, поскольку она «подразумевает чётко определённую теорию отношений между объектом и наблюдателем». Это представляет собой принципиальное отличие от классической физики в её обычном понимании. С точки зрения квантовой механики, отношения между наблюдателем и наблюдаемым объектом теперь следует рассматривать как совершенно иные, чем те, которые лежат в основе прежней позиции «наивного реализма», которая обычно принимается в отношении классической механики и утверждает, что объекты существуют совершенно независимо от любого наблюдения и обладают измеримыми свойствами, независимо от того, измеряются они фактически или нет. От этой точки зрения теперь следует отказаться. Таким образом, ядро текста Лондона и Бауэра представляет собой попытку сформулировать природу этих отношений между наблюдателем и измеряемым объектом или системой.
Лондон и Бауэр радикально отходят от аргументации фон Неймана в решающий момент. Выстраивая цепочку корреляций от детектора + системы к телу наблюдателя + детектор + система, они не останавливаются на сознании наблюдателя, но также включают его в общую квантовую суперпозицию. Именно этот ход выражает в физических терминах феноменологическую идею «взаимозависимого контекста бытия», так что не только тело наблюдателя, но и его сознание квантово-механически коррелируют с исследуемой системой. Как мы переходим от этой корреляции, проявляющейся через квантовую суперпозицию, к определённому убеждению, соответствующему нашему наблюдению за определённым результатом измерения? Здесь Лондон и Бауэр настаивают на том, чтоНе таинственное взаимодействие между прибором и объектом создаёт новую [волновую функцию] системы во время измерения. Только сознание «я» может отделиться от прежней функции… и, благодаря своему наблюдению, установить [или, в оригинальном французском «constituer », конституировать] новую объективность, приписывая объекту отныне новую функцию. Другими словами, переход от суперпозиции к определённому состоянию не инициируется каким-то таинственным образом сознанием наблюдателя, и, следовательно, вопрос Патнэма и Шимони о том, как сознание может вызвать возникновение определённого состояния, просто обходит стороной. Вместо этого мы имеем отделение сознания от суперпозиции, приводящее к «новой объективности», то есть к определённому убеждению наблюдателя и определённому состоянию, приписываемому системе.
Как наблюдатель может выйти за рамки своей собственной точки зрения и войти в точку зрения другого? Это разделение осуществляется, как объясняют Лондон и Бауэр, посредствомхарактерная и весьма знакомая способность, которую мы можем назвать «способностью интроспекции». [Наблюдатель] может отслеживать своё состояние от мгновения к мгновению. В силу этого «имманентного знания» он приписывает себе право создавать собственную объективность, то есть разрывать цепочку статистических корреляций.
А в машинописной заметке, вставленной Лондоном в его собственный экземпляр рукописи, он написал: Соответственно, мы обозначим это творческое действие как «объективирование». Благодаря ему наблюдатель устанавливает собственную систему объективности и получает новую информацию об изучаемом объекте. Именно этот характерный и привычный акт рефлексии разрывает цепочку статистических корреляций, выраженную квантовой теорией как набор вложенных суперпозиций, и сохраняет два феноменологических полюса этих корреляций – сознание и мир – разделенными. Таким образом, с одной стороны, система объективируется, или «делается объективной», в том смысле, что ей приписывается определённое состояние, а с другой стороны, наблюдатель приобретает определённое состояние убеждения посредством этого объективирующего акта рефлексии.
Лондон и Бауэр не скрывали радикальности своих утверждений. В заключительном разделе своей работы они признают, что в результате может показаться, что сама идея научной объективности находится под угрозой. Более того, это общая проблема всех подобных взглядов, отрицающих независимость состояний систем от наблюдателя: как наблюдатель может выйти за рамки своей собственной точки зрения и войти в точку зрения другого человека, тем самым установив то, что Лондон и Бауэр называют «сообществом научного восприятия» относительно того, что составляет объект исследования? Их ответ заключается в том, что «всегда есть право игнорировать влияние „исследования“ наблюдателя на аппарат». Чтобы понять, что они здесь имеют в виду, важно осознать, что слово «scrutiny» в этой цитате переведено с « view » в оригинальном французском тексте, где размещение этого термина в кавычках в самом оригинальном тексте указывает на его значение. В феноменологии это «view-to» является фундаментальным рефлексивным актом, который, будучи направленным на что-либо, может быть понят в терминах сознания, схватывающего или захватывающего это. Когда речь идет о ментальных процессах, их существование, таким образом, гарантируется этим «view». Однако, хотя физические объекты аналогичным образом вводятся в сферу сознания «view», их существование, конечно, не гарантируется им (заметим, что феноменология не является формой солипсизма). Итак, когда речь идёт об измерительном приборе, которым физик управляет в «естественной установке», мы можем пренебречь влиянием на него этого «уважения». И мы можем дополнительно обосновать своё «право» делать это, апеллируя к тому, что сейчас известно как квантовая декогеренция. Хотя указания на основной принцип, лежащий в основе этого, появились ещё в 1929 году, общая схема была чётко сформулирована в начале 1970-х годов. Основная идея заключается в том, что при взаимодействии системы с измерительным прибором когерентность, связанная с суперпозицией, по-видимому, теряется среди гораздо большего количества физических степеней свободы, предоставляемых прибором по сравнению с системой. В результате, хотя этот процесс сам по себе не приводит к определённому состоянию, поскольку суперпозиция всё ещё присутствует, поведение измерительного прибора можно считать классическим во всех отношениях. «Взгляд» или «уважение» наблюдателя можно игнорировать (в отличие от случая, когда мы рассматриваем переход в определённое состояние), и достигается коллективное научное восприятие.
В лекции, прочитанной в 1925 году, незадолго до появления первых работ по новой квантовой механике, Гуссерль ясно дал понять, что феноменологию необходимо спустить с абстрактных высот философского теоретизирования и выразить в конкретных терминах, заявив: Задача, которая теперь возникает, состоит в том, как сделать соотношение между конституирующей субъективностью и конституированной объективностью понятным, не просто болтать об этом в пустых общностях, а прояснить его в терминах всех категориальных форм мироощущения, в соответствии с универсальными структурами самого мира. Чуть более десяти лет спустя, в своей последней, авторитетной, но незаконченной работе «Кризис европейских наук и трансцендентальная философия» (1936), Гуссерль осудил то, как математизация «материальной природы» привела к её концептуализации как отличной от сознания. Для преодоления этого раскола, утверждал он, необходим фундаментальный возврат к «универсуму субъективного» посредством принятия феноменологической позиции. Только тогда результаты науки в целом, и физики в частности, могут быть правильно поняты и осмыслены.
Мерло-Понти утверждал, что наблюдатель не должен находиться вне досягаемости волновой функции. К сожалению, Гуссерль умер за год до публикации «маленькой книги» Лондона и Бауэра, но если бы он её прочитал, то, возможно, оценил бы, как они, по сути, ответили на оба его вопроса. Излагая отношение между наблюдателем и системой в феноменологическом контексте, они прояснили корреляцию между конституирующей субъективностью и конституирующей объективностью в терминах той особой «категориальной [формы] мирского», которую представляет квантовая механика. Более того, Лондон и Бауэр показали, что, воплощая это коррелятивное отношение между нами и миром, квантовая механика, понимаемая феноменологически, преодолевает психофизический разрыв и восстанавливает в физике, и, по сути, в науке в целом, «вселенную субъективного».
Это восстановление феноменологической природы текста Лондона и Бауэра — то, что было полностью упущено из виду в споре между Патнэмом и Шимони, с одной стороны, и Маргенау и Вигнером, с другой, — поэтому важно, во-первых, для иллюстрации того, как это конкретное философское движение было переплетено с развитием квантовой физики, а во-вторых, для определения места этой «маленькой книги» на ранней стадии развития философского подхода к этой теории, которая в значительной степени игнорировалась в философии физики, по крайней мере до недавнего времени. Это не значит, что другие авторы феноменологической традиции не смогли включить квантовую механику в свой философский кругозор. Гурвич и Патрик Хилан также подчеркивали феноменологическую роль человеческого сознания в процессе измерения, снова ссылаясь на Лондона и Бауэра. Морис Мерло-Понти , один из самых выдающихся феноменологических мыслителей, также занимался квантовой теорией, находясь в Париже, и также утверждал, что наблюдатель не должен быть помещен за пределы досягаемости волновой функции, но должен быть включен в описание реальности, предлагаемое физикой. Он продолжал оказывать значительное влияние на последующих авторов, включая Мишеля Битболя, который вместе со своими коллегами разработал форму экофеноменологии, которая объединяет феноменологическую позицию с подходом к квантовой механике, известным как кьюбизм. Первоначально разработанный физиком Кристофером Фуксом, этот подход также использует подход от первого лица, который берет за основу концепции агента и опыта и понимает волновую функцию как представление не состояния системы, а состояния этого агента, когда речь идет о его возможном будущем опыте. Подобные недавние события нашли свое отражение в серии конференций, что, в свою очередь, привело к появлению двух знаменательных сборников, оба отредактированных и снабженных полезными введениями Харальда Вильтше и Филиппа Бергхофера: «Феноменологические подходы к физике» ( 2020 ), который также охватывает феноменологические подходы к теории относительности, и «Феноменология и кьюбизм» ( 2024 ). Таким образом, в рамках феноменологического подхода одна из центральных проблем квантовой механики решается или, лучше сказать, разрешается посредством тонкого, но важнейшего сдвига к пониманию её как теории познания, воплощающей наше соотносительное участие в мире. Независимо от того, согласны ли вы полностью с такой философской позицией или нет, она не только добавляет чрезвычайно стимулирующее и потенциально плодотворное измерение к нашему пониманию одной из самых фундаментальных составляющих современной физики, но и проливает новый свет на часто игнорируемое значение философской рефлексии в этих областях.
источник: https://aeon.co/essays/why-quantum-mechanics-needs-phenomenology
