О роли ненаблюдаемых величин в физической теории

Время создания квантовой физики совпало с временем расцвета позитивизма, и, поскольку позитивисты настаивали на использовании только таких величин, которые являются непосредственно наблюдаемыми, квантовая физика оказалась темой многочисленных дискуссий того времени о необходимости исключить из рассмотрения все, что ненаблюдаемое. Если, например, электронная орбита не наблюдаема, либо положение и скорость частицы не являются одновременно наблюдаемыми величинами, то, согласно позитивистской точке зрения, они не должны присутствовать и в теории. Однако в любой физической теории, включая квантовую, лишь некоторые из входящих в нее величин являются непосредственно наблюдаемыми. Если сравнить физическую теорию с храмом, то можно сказать, что только ее фасад соответствует реально наблюдаемому миру, в то время как ее внутреннее строение, своего рода колонны, арки и т. д., скрыто от взора и не является непосредственно наблюдаемым. В теории Ньютона первый и второй законы движения можно рассматривать как соглашения. Сравнивать же с опытом можно лишь те построения и теоремы, которые далеки от исходных постулатов. Так, например, планета движется по эллиптической орбите в результате действия закона квадрата обратного расстояния и т. д. В кинетической теории газов свойства твердых массивных частиц, именуемых молекулами, настолько несущественны для опыта, что нам совершенно безразлично, напоминают ли они по свойствам реальные атомы или нет; в то же время кинетическая теория дает правильное физическое содержание таким понятиям, как температура, давление и объем газа. В квантовой теории такие величины, как потенциальная энергия (и даже волновая функция), непосредственно ненаблюдаемые; наблюдаемой же величиной при определенных условиях служит квадрат волновой функции, или вероятность.

Вряд ли от теории требуется, чтобы она содержала только непосредственно наблюдаемые величины; гораздо важнее, чтобы в нее входили величины, которые можно сравнить с опытными данными. Когда соответствие с опытом нарушается и становится очевидным, что данная теория входит в противоречие с экспериментом, как это было при построении модели атома, то самый простой и естественный выход состоит в том, чтобы слегка подправить теорию. Только под большим давлением фактов приходится в конце концов изменять внутреннюю структуру теории, а иногда и ее основание, с тем, чтобы фасад теории оказался снова согласованным с действительным миром. Именно попытки понять строение атома и привели в конечном итоге к полному пересмотру классической динамики.

В сущности, Гейзенберг утверждал только, что теория не обязана содержать в себе элементы, которые не являются наблюдаемыми. Она может их содержать, но не обязана. Такие элементы, как, например, положение и скорость частицы, которые необходимы в классической теории частиц картезианского типа, не обязаны сохраниться в квантовом мире. Человек, стоящий на классических позициях и пытающийся разыскать электрон под завесой, связанной с ним волны Шредингера, носит образ этого электрона лишь в собственном воображении, поскольку с детства он приучен разыскивать этот образ, подобно ищейке, натренированной на поиск трюфелей. Но если он освободится от привычных ему образов и непредвзято взглянет на мир, то обнаружит (по крайней мере именно так мы глядим на вещи сейчас), что под тенью этой волны нет никакого электрона картезианского типа. Есть только сама волна и больше ничего.

Но раз такой электрон не может быть наблюдаем, это означает лишь то, что понятие о нем вовсе не обязательно должно присутствовать в физической теории. Мы не можем запретить физику классической школы построить теорию, в которой фигурировали бы ньютоновские частицы, хотя бы и в такой форме, чтобы их нельзя было наблюдать никакими доступными сейчас техническими средствами. Однако нельзя требовать, чтобы физическая теория обязательно содержала в себе понятие ньютоновской частицы. От теории требуется только то, чтобы она описывала такой мир, какой мы наблюдаем на опыте. В 1905 г. Эйнштейн показал, что мы вполне можем обойтись без абсолютного времени; то же самое в двадцатые годы нашего столетия было заявлено в отношении одновременного измерения положения и скорости частицы. В обоих случаях мы имеем дело с вещами, которые наблюдать невозможно. А поскольку подобные вещи не доступны наблюдениям, они могут и не входить в наши физические теории. Существуют они на самом деле или нет, даже если они и ненаблюдаемые, — мы не знаем. Если же мы все-таки настаиваем на их существовании, то настойчивость объясняется лишь сильной привычкой нашего ума. Такие понятия, или призраки, недоступные наблюдению, хотя и милые, приятные и привычные нашему сердцу, обременяют нас и не позволяют нам двигаться дальше, пока мы полностью не освободимся от их обузы.