Принцип дополнительности Нильса Бора

     В основу изложения положена статья Макарова А.Б. [1], опубликованная в 2012 году. Принцип дополнительности Бора представляет собой комплекс идей, призванных прояснить специфическую ситуацию, сложившуюся в квантовой механике. Некоторые из них (роль языка классической физики, роль макроприбора, целостность научного эксперимента, целостность микрообъекта) могут претендовать на статус общенаучных и эпистемологических принципов.      
     Подход Бора налагает запрет на опредмечивание (объективацию, онтологизацию) квантового явления, которое, полагает Бор,  неизбежно приводит к противоречиям. Несмотря на это, попытки его обобщения в науке и философии к успеху не привели.

• объективация  –  мыслительный процесс, благодаря которому ощущение, что возникло как субъективное состояние, преобразуется в восприятие объекта.
• феноменали;зм – философское учение о том, что мы познаем не сущность вещей, а лишь явления.
• эпистемическая логика создана для изучения понятий знания и является направлением в модальной логике

1. Понятие принципа дополнительности Бора

     В отношении к принципу дополнительности Бора нет единства не только в оценке его роли и статуса в науке и философии, но даже и в понимании его содержания и смысла. Спектр мнений простирается от безоговорочного признания в качестве общенаучного и общефилософского принципа до полного отрицания его значения, как в науке, так  и в философии.

1.1. Атрибуты атомных объектов неизбежно связаны с неопределённостью

     «Приписывание атомным объектам обычных физических атрибутов связано с принципиально неизбежным элементом неопределённости, – пишет Бор. – Возможный выход заключается в том, чтобы признать определённые самой природой границы возможности говорить о самостоятельных явлениях» [2].
Источник недоразумений Бор видит в неопределённости термина «явление», под которым может подразумеваться как сам объект в его взаимодействии с другими объектами, так и то, что регистрируется приборами, что нам дано в эксперименте.
«Чтобы избежать логических противоречий в описании незнакомой ситуации..., –  предлагает он, – в качестве более удачного способа выражения можно усиленно рекомендовать использовать слово явление в более узком смысле, относя его исключительно к таким наблюдениям, которые проводятся в специальных условиях, позволяющих получить полное описание всего эксперимента в целом» [там же]. 
     Наиболее полное и адекватное разъяснение принципа дополнительности приведено Бором в статье «Дискуссии с Эйнштейном по проблемам теории познания в атомной физике»: (А)
«Поведение атомных объектов невозможно резко отграничить от их взаимодействия с измерительными приборами...  В самом деле, неделимость типичных квантовых эффектов проявляется в том, что всякая попытка подразделить явления требует изменения экспериментальной установки и тем самым влечёт за собой новые возможности принципиально неконтролируемого взаимодействия между объектами и измерительными приборами. Вследствие этого, данные, полученные при разных условиях опыта, не могут быть охвачены одной единственной картиной; эти данные должны скорее рассматриваться как дополнительные в том смысле, что только совокупность разных явлений может дать более полное представление о свойствах объекта» [там же, с. 406-407].
     И в статье «Причинность и дополнительность»: (В) «Получаемые нами с помощью различных измерительных приборов сведения о поведении исследуемых объектов, кажущиеся несовместимыми, в действительности не могут быть непосредственно связаны друг с другом обычным образом, а должны рассматриваться как дополняющие друг друга. Таким образом, в частности объясняется безуспешность всякой попытки последовательно проанализировать «индивидуальность» отдельного атомного процесса, которую, казалось бы, символизирует квант действия, с помощью разделения такого процесса на отдельные части. Это связано с тем, что если мы хотим зафиксировать непосредственным наблюдением какой-либо момент в ходе процесса, то нам необходимо для этого воспользоваться измерительным прибором, применение которого не может быть согласовано с закономерностями течения этого процесса» [там же, с. 205-206].

1.2. Суть принципа дополнительности

     Принцип дополнительности сводится к следующим двум требованиям.
1. Описание квантовых явлений микрообъектов  должно быть полным и непротиворечивым.
2. Недопустимо опредмечивание характеристик, полученных в ходе квантомеханического эксперимента, поскольку  у нас нет оснований для экстраполяции данных эксперимента на сам микрообъект и, напротив, есть серьёзные аргументы за то, что такая экстраполяция недопустима.
Последнее зачастую трактуется как повод для вывода о субъективизме Бора и субъективности квантовой механики (и, как следствие, науки в целом). Однако для Бора все обстоит как раз наоборот: это требование является условием исключения произвола, достижения объективности в интерпретациях квантовой механики и её результатов. В то же время оно выступает необходимым условием преодоления объектного фетишизма, свойственного методологическим установкам классической физики.

1.3.Язык описания   

     Бор неоднократно указывал на некорректность выражений: «наблюдение нарушает явления», «физические свойства атомных объектов создаются их измерением» и т.п. Вопрос о языке описания приобретает в квантовой механике исключительно  важное значение. Любое использование понятия массы, заряда, импульса, пространственно-временных координат, законов сохранения и т.п. равносильно ссылке на механические и электродинамические закономерности,  для которых неделимость действия совершенно чуждый элемент.
Их применение к неклассическим объектам и процессам ведёт к переносу привычных образов и представлений на квантовый мир, где они не работают. Однако, они нужны – в случаях непосредственного перехода квантово-теоретического описания в обычное и при экспериментальном исследовании квантовых явлений. Не надо только забывать о границах использования наглядных представлений и, когда надо, говорить о самостоятельных объектах и процессах.
    
1.4. Принципиальное различие между приборами и объектами

     «При квантомеханическом описании проводится принципиальное различие между измерительными приборами... и изучаемыми объектами»  [там же, с. 395]. И если в обычной физике мы можем использовать различные приборы, то в квантовой области их только два типа. Одни из которых фиксирует корпускулярные, а другой – волновые эффекты.

1.5. Постулат о целостности эксперимента

1. Для полного и непротиворечивого описания квантового явления необходимо учитывать приборную базу.
2. Результаты экспериментов различного типа согласуются по принципу дополнительности.

1.6. Постулат о целостности микрообъекта

     Все взаимодействия микрообъекта с окружением должно рассматривать как нечто единое. Из этого постулата следуют: принцип неразличимости частиц, принцип запрета Паули, одно из важнейших правил теории Шрёдингера – соответствующее уравнение записывается не для каждого микрообъекта, а для общей волновой функции, определённой конфигурацией всех частиц и т.п.

2. Физики и философы  о принципе дополнительности
• Гейзенберг. Из боровского понятия явления и высказываний о квантовом объекте необходимо следует запрет на квантомеханическую онтологию. Гейзенберг воспринимал принцип дополнительности скорее как общую, неконкретную формулировку соотношения неопределённостей, в то время как его собственный принцип вполне конкретен и представляет собой важную органическую часть атомной физики. Осмысливая заключительный этап формирования квантовой механики, он писал об идеях Бора: «Решающим пунктом в этом новом толковании квантовой теории было ограничение применимости классических понятий. Это ограничение в самом деле является всеобщим и хорошо определённым» [3, с. 60-61]. Физики больше склоняются к позиции автора соотношений неопределённостей – боровская «дополнительность» зачастую объясняется через гейзенберговскую «неопределённость».
//Принцип дополнительности – общая, неконкретная формулировка соотношения неопределённостей. Главное в ней – ограничение применимости классических понятий

• Дэвид Бом: последовательное проведение идей Бора приводит к отказу от любой возможной модели в атомной физике – не обязательно наглядной. Его критика ортодоксальной копенгагенской интерпретации квантовой механики берет начало в дискуссии о скрытых параметрах и неполноте квантовой теории, но выходит за её рамки.
Бом считает, что чисто феноменологическое представление физики микромира равносильно утверждению о невозможности построения более общей теории, глубже проникающей в структуру мира. По Бору, в квантовой теории следует отказаться от однозначных и строго определённых моделей в пользу понятия о дополняющих парах неточно определённых моделей. Более того, «основные свойства материи никогда не могут быть рационально поняты на основе однозначных и точных моделей. Ограниченность наших понятий, неявно скрытая в принципе дополнительности, рассматривается как абсолютная и окончательная. «Таким образом, мы избегаем введения произвольных априорных предположений, и мы оставляем полную возможность для рассмотрения принципиально новых видов законов» [4, с. 151].
//Бор считает: в квантовой теории следует отказаться от физических моделей, т.к. свойства материи невозможно понять с их помощью.

• Илларионов С.В.  даёт наиболее радикальную критику принципа дополнительности,  характеризуя подход Бора как феноменализм. «Но самое главное состоит в том, что никакая теория, создававшаяся после 1930 г., не использовала в своём построении принцип дополнительности» [5, с. 216]. При этом он ссылался на мнение Д.И. Блохинцева: основываясь на принципе дополнительности квантовую механику построить невозможно. Окончательный вердикт Илларионова: «... принцип дополнительности Бора является очень важным, но лишь одним из элементов системы правил интерпретации квантовой механики» [там же].
//Принцип важен, но лишь как один из многих принципов квантовой механики. Все теории после 1930 г. его игнорировали.

• Алексеев И.С. обращает внимание на необходимость использования естественного языка для описания полученных результатов, целостность процесса наблюдения и его подразделения на объект и средства наблюдения. Предлагаемый им четвёртый постулат заключается «в преобразовании знания о целостном акте наблюдения (явления) в знание о микрообъекте» [6, с. 229].
В такой интерпретации идеи дополнительности автор не одинок. Однако при этом упускаются из виду неоднократные указания самого Бора на недопустимость подобного отнесения, поскольку в этом случае возникает противоречие корпускулярно-волнового дуализма.
//Использовать в экспериментах естественный язык, соблюдать принцип целостности  в наблюдениях и постигать сущность явления.

• Овчинников Н.Ф. выражается несколько осторожнее: «Концепция дополнительности явилась итогом развития классически-объектного способа концептуализации физической реальности. Эта концепция позволяет рационально... разрешить антиномию корпускулы и волны, преобразовав её в дополнительность пространственно-временного и причинного (энергетически-импульсного) способов описания»  [7, с. 82]. Но точки над «и» не поставлены, поскольку не конкретизируется, описание чего имеется в виду, о какой «физической реальности» идёт речь: о боровском явлении или всё-таки о самом микромире.
//Концепция Бора позволила рационально  разрешить антиномию корпускулы/волны, но осталось неясным, что же он имел в виду  – боровское явление или микромир.

• Аршинов В.И.: «...тезис о невозможности построения классической картины поведения микрообъектов на основе данных, получаемых при различных, взаимно несовместимых экспериментальных условиях, является, по сути дела, ядром всей концепции дополнительности Н. Бора» [2, с. 225].
• Степин В.С. подчёркивает операциональный смысл принципа дополнительности, который «... в явном виде представляет собой идеализированную схему экспериментально-измерительных процедур, посредством которых выявляются объективные характеристики квантовых систем» [8, с. 279-280]. «Соотнесённость схемы деятельности и выявляемых в её рамках фундаментальных характеристик исследуемой реальности, – подчёркивает он, – была и в классической науке. Только там она выступала в скрытом виде. Доминирующими оставались представления прямолинейного оптологизма» [8, с. 280]. В целом же Степин разделяет копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, согласно которой приборы определённых типов фиксируют различные проекции некоторой единой сущности. Характерные черты этой физической системы в разных макроусловиях проявляются как взаимоисключающие в случае их прямого отнесения к объекту, но как проекции они могут быть соединены в рамках единого способа описания в виде дополняющих друг друга характеристик.
//В целом разделяет копенгагенскую интерпретацию квантовой механики

• Западная философия к принципу дополнительности относится  сдержанно. Так Р. Харре считает, что рассматриваемый принцип есть выражение предельного случая типичной эпистемической ситуации, когда доступ к одним явлениям и структурам закрывает доступ к другим. Суть «дополнительности» Бора «состоит в невозможности использовать две ключевые исследовательские стратегии в одно и то же время в одном и том же месте с помощью одного и того же оборудования» [2, с. 8]. Это, тем не менее, не является серьёзным препятствием на пути познания исследуемой сферы действительности и не означает, что всякая обнаруживаемая таким образом диспозиция нереальна.
//Дополнительность не является серьёзным препятствием на пути познания исследуемой сферы действительности»

• Лакатос И. (как и К. Поппер) считает принцип дополнительности гипотезой ad hok, призванной купировать противоречия принятой программы. Если обнаружено противоречие, из этого не следует, что развитие программы должно быть немедленно приостановлено. «Разумный выход может быть в другом: устроить для данного противоречия временный карантин при помощи гипотез ad hok и довериться положительной эвристике программ» [9, с. 336]. Бор же возводит противоречия в основаниях исследовательской программы в принцип, что, по мнению Лакатоса, снижает стандарты научного критицизма.
// Бор возводит противоречия в основаниях исследовательской программы в принцип и тем самым ставит препоны на пути познания действительности.

Заключение    

     Суть выводов А. Макарова
1. Собственно требование дополнительности: для полного описания явления в боровском смысле в квантовой механике необходимо волновые характеристики, полученные в эксперименте с использованием макроприборов одного типа, дополнить корпускулярными характеристиками, полученными в эксперименте с использованием макроприборов другого типа. В такой формулировке (полнота и непротиворечивость) постулат дополнительности был бы тривиален, если бы не два важных обстоятельства.
     Во-первых, здесь в явном виде нет указаний на ограничение исследования боровским явлением и недопустимости отнесения выявленных свойств к самому микрообъекту. Но эти указания не только подразумеваются, но и являются предпосылками такой постановки вопроса и одновременно её прямыми следствиями. Именно данное обстоятельство для многих физиков придавало значимость и актуальность идее Бора. Он прав в том, что, скажем, слово «волница»  для обозначения микрообъекта не подходит, поскольку квантовый объект определённо – не волна и не частица. Но почему нельзя говорить, что микрообъект проявляет те или иные свойства в конкретной экспериментальной ситуации? Недоопределённость некоторой структуры не значит, что объект этого типа недоступен познанию другими теоретическими средствами [10, с. 59].
Если понятие объекта «разрешимо», считает М. Борн, то есть применимо в том или ином конкретном случае, и имеются прецеденты, разрешимость делает объект законным элементом научного познания [10, с. 115]. Принцип же, как результат методологической рефлексии, должен стать основой построения теоретического объекта. В этом отношении концепция дополнительности не конструктивна. С другой стороны, слово «частица» входит даже в название физики элементарных частиц, которая их описывает и классифицирует. Учёные вполне отдают себе отчёт, что речь не идёт о классических частицах, но это не вызывает особых недоразумений. Более того, только их объективация  делает статистическую часть рассуждений физически осмысленной.
2. Наиболее глубокий смысл идеи Бора заключается в том, что он предлагает воздержаться от каких-либо высказываний о конкретных свойствах объектов в квантовой механике, чтобы избежать возникающих в противном случае противоречий. Это своего рода квантомеханическое суждение, призванное сохранить строгость научного мышления. В этом качестве принцип дополнительности Бора сыграл в истории науки свою положительную роль. Он позволил физикам отложить спекулятивные и натурфилософские споры о природе квантовых объектов и сконцентрировать усилия на решении задач наличными на достигнутом физикой уровне средствами. Судьбу Принципа, в конечном итоге, решит новый теоретический синтеза в физике.
3. Все известные попытки придания Принципу статуса общенаучного или эпистемологического принципа, оказались неудовлетворительными. Связанные же  с ним постулаты (о роли языка классической физики, о роли макроприбора, о целостности научного эксперимента, о целостности микрообъекта) эффективно функционируют в неклассической науке  и философии науки и могут претендовать на статус общенаучных и эпистемологических методологических принципов.

Позиция автора статьи
     Нильса смутило противоречие «И волна и корпускула». Однако с точки зрения эфиродинамики никакого противоречия нет,  и не было: все микрообъекты – частицы. Тороидальные вихри, у которых есть ядро и периферия. И проходят они в двухщелевом эксперименте строго через какую-то одну и только одну щель, «видя» своей оболочкой и другую (см. Сеть).  И эта другая щель становится вторым источником колебаний – вот вам и интерференция.   
     Что же касается самого принципа дополнительности, то он в констатирующей части верен, а в отношении опредмечивания – нет. Любые корректно поставленные эксперименты подлежат объективации. 

Источники информации
1. Макаров А.Б. Принцип дополнительности Н. Бора и проблема его статуса.    
   Научн. ежегодн. Института философии и права Уральского отделения РАН. 2012. Вып. 2. Бор Н. Избранные научные труды. Т. 2. М.: Наука, 1971. 675 с.
3. Гейзенберг В. Замечания о возникновении соотношения неопределенностей
   // Вопр. философии. 1977. № 2. С. 58-61.
4. Бом Д. Причинность и случайность в современной физике. М.: КРАСАНД, 2010.
   248 с.
5. Илларионов С.В. Из лекций по философии науки // Эпистемология и философия науки, 2006. Т. 9. № 3. С. 189-220.
6. Алексеев Н.С. Концепция дополнительности. Историко-методологический анализ.   
   М.: Наука, 1978. 276 с.
7. Овчинников Н.Ф. Принципы теоретизации знания. М.: КомКнига, 2005. 216 с.
8. Степин В.С. Классика, неклассика, постнеклассика: критерии различения
   // Постнеклассика: философия, наука, культура. СПб.: Изд. дом «М1рь», 2009. 
   С. 249-295.
9. Лакатос Н. История науки и ее рациональные реконструкции. // Т. Кун.
   Структура научных революций. М.: АсТ, 2001. С. 455-522.
10. Борн М. Моя жизнь и взгляды. М.: Прогресс, 1973. 176 с.
                Опубликовано: 25.12.2021