相補性の原理。科学的発見の歴史と本質

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相補性の原理。科学的発見の歴史と本質

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非常に正確で容量の大きい原則 Бор 相補性と呼ばれる-現在の最も深遠な哲学的および自然科学的アイデアのXNUMXつ。相対性原理や物理場のアイデアなどのアイデアだけを比較することができます。

「コモでの N. ボーアの演説に先立つ数年間、量子論の物理的解釈について多くの議論があった」と W. I. フランクフルトは書いている。量子論 -仮説では、すべての原子プロセスは不連続性によって特徴付けられ、古典的な理論とは異なります。量子論は、古典物理学とは異質な原子現象に適用した場合の古典概念の根本的な限界を主要な規定のXNUMXつとして認識していますが、同時に、経験的資料の解釈は主に古典概念の適用に基づいています。このため、量子論の定式化には大きな困難が生じます。古典理論は、物理現象に根本的に取り除けない影響を与えることなく、物理現象を考慮することができると想定しています。

議論された問題の重要性を考慮したコモでの国際物理学会議での「量子仮説と原子理論の最新の発展」の報告では、ボーアは制限時間のXNUMX倍を与えられた。彼の報告に関する議論は残りの会議を占領した。

「...普遍的な作用量子の発見により、観測の問題をさらに分析する必要が生じました。この発見から、古典物理学に特徴的な記述方法全体（相対性理論）は、記述に含まれる作用次元のすべての大きさが作用量子に比べて大きい場合にのみ適用可能です。ストラップ。原子物理学の現象の分野の場合のように、この条件が満たされない場合、因果関係の記述の枠組みに含めることができない特別な種類の規則性が有効になります...この結果は、最初はそう思われましたしかし、逆説的ですが、この分野では、物理的オブジェクトの独立した動作と、測定器として使用される他の物体との相互作用との間に明確な線を引くことがもはや不可能であるという事実にその説明が見出されます。このような相互作用は観察の過程で必然的に発生し、測定の概念そのものの意味から直接考慮することはできません...

この状況は、実際には、実験データの分析と合成に関連して、物理学におけるまったく新しい状況の出現を意味します。それは、因果関係の古典的な理想を、通常「補完的」と呼ばれるいくつかのより一般的な原則に置き換えることを強制します。さまざまな測定器を使用して取得した調査対象の動作に関する情報は、互換性がないように見えますが、実際には通常の方法で直接関連付けることはできませんが、相互に補完し合うものと見なす必要があります。

したがって、特に、別個の原子プロセスの「個性」を一貫して分析しようとする試みの失敗は、そのようなプロセスを別個の部分に分割することによって、行動の量子を象徴しているように思われるが、失敗によって説明される。これは、プロセスの途中で直接観察して修正したい場合は、測定装置を使用する必要があるためです。この測定装置の使用は、この過程の法則と一致することはできません。処理する。

相対性理論の仮説と補完性の原則の間には、それらのすべての違いとともに、特定の形式的なアナロジーが見られます。それは、相対性理論の場合と同様に、光速の有限性のために異なる参照フレームで異なる形状を持つ規則性が同等であることが判明するという事実にあります。したがって、相補性の原則では、規則性さまざまな測定機器の助けを借りて研究され、作用量の有限性のために相互に矛盾しているように見えますが、論理的に互換性があります。

知識の理論の観点からはまったく新しい原子物理学で発展した状況をできるだけ明確に示すために、ここでまず第一に、そのような詳細を検討したいと思います。その目的は、何らかの物理的プロセスの時空間的経過を制御することです。このような制御は、最終的には常に、オブジェクトの動作と、私たちが使用する時空間参照フレームを決定するスケールとクロックとの間に、一定数の明確な関係を確立することに帰着します。

観察の条件に関係なく、空間と時間における研究対象の独立した振る舞いについて話すことができるのは、検討中のプロセスに不可欠なすべての条件を説明するときに、対象の相互作用を完全に無視できる場合だけです。上記の接続が確立されたときに必然的に発生する測定装置を使用します。しかし、量子領域の場合のように、そのような相互作用自体が研究中の現象の過程に大きな影響を与える場合、状況は完全に変化し、特に、イベントと、古典的な記述の特徴である普遍的な動的法則。これは、基準システムを確立するために目盛りと時計を使用することは、定義上、検討中の現象中に測定装置に伝達される運動量とエネルギーの大きさを考慮する可能性を排除するという事実に由来します。

同様に、逆もまた同様で、運動量またはエネルギーの概念が本質的に使用される定式化の量子法則は、オブジェクトの時空間挙動に対する厳密な制御が除外されている場合にのみ、そのような実験条件下で検証できます。

不確定性関係によるとハイゼンベルク、同じ実験で原子オブジェクトの両方の特性 (座標と運動量) を決定することは不可能です。

しかし、ボーアはさらに進んだ。彼は、原子粒子の座標と運動量は同時に測定できるだけでなく、一般的に同じ機器の助けを借りて測定することはできないと述べました。確かに、原子粒子の運動量を測定するには、非常に軽い可動式の「機器」が必要です。しかし、まさに彼の機動性のために、彼の立場は非常に不確実です。座標を測定するには、粒子がそれに当たっても動かない非常に巨大な「デバイス」が必要です。しかし、この場合、彼女の勢いがどのように変化しても、私たちはそれに気付くことさえありません。

「追加性とは、ボーアのおかげで誰もが利用できるようになったその言葉とその考え方です」とL.I.の判断を書き、説明しました。はい、それらの特性は確かに互換性がありませんが、原子オブジェクトの完全な説明には、両方が等しく必要です。したがって、矛盾することはありませんが、互いに補完し合います。

互換性のない XNUMX つのデバイスの特性の相補性に関するこの単純な議論は、相補性の原理の意味をよく説明していますが、決してそれを網羅しているわけではありません。実際、私たちは機器自体を必要とするのではなく、原子オブジェクトの特性を測定するためだけに機器を必要とします。 x 座標と運動量 p は、XNUMX つの機器で測定される XNUMX つの特性に対応する概念です。私たちに馴染みのある知識の連鎖、つまり現象、イメージ、概念、公式において、相補性の原理は主に量子力学の概念体系とその結論の論理に影響を与えます。

実際、形式論理の厳格な規定の中に「排中律」があり、これは、「XNUMX つの相反する命題のうち、XNUMX つは真で、もう XNUMX つは偽であり、XNUMX 番目は存在し得ない」というものです。古典物理学では、「波」と「粒子」の概念は実際には正反対であり、本質的に互換性がないため、この規則を疑う余地はありませんでした。しかし、原子物理学では、同じ物体の特性を記述するのに両方とも同様によく適用でき、完全な記述のためにはそれらを同時に使用する必要があることが判明しました。

ボーアの補完性の原理は、確立された概念体系の欠点と、世界に関する私たちの知識の進歩とを調和させようとする成功した試みです。この原則は私たちの思考の可能性を広げ、原子物理学では概念が変化するだけでなく、物理現象の本質に関する問題の定式化も変化することを説明しました。

しかし、相補性の原理の重要性は、それがもともと発生した量子力学をはるかに超えています。それを科学の他の分野に拡張しようとしたときになって初めて、人類の知識体系全体に対するその真の意味が明らかになりました。このようなステップの正当性について議論することはできますが、物理学からかけ離れた場合であっても、すべての場合においてその実りを否定することはできません。

「ボーアは、「波動か粒子か?」という質問が原子オブジェクトに適用される場合、誤って提示されることを示しました。原子にはそのような個別のプロパティがないため、この質問には明確な答えがありません」はい」または「いいえ。」同様に、「メートルとキログラムのどちらが大きいですか？」という質問に対する答えがないため、同様のタイプの他の質問.

原子の現実の XNUMX つの追加の特性は、私たちが原子と呼ぶ自然現象の完全性と統一性を破壊することなく分離することはできません。

...原子物体は粒子でも波でもないし、同時にどちらでもない。原子オブジェクトは、波と粒子の特性を単純に合計したものではなく、第 XNUMX の何かです。この原子的な「何か」は私たちの五感を超えていますが、確かに実在します。私たちはこの現実の性質を完全に想像するためのイメージや感覚を持っていません。しかし、経験に基づく私たちの知性の強さは、経験がなくてもそれを知ることを可能にします。結局のところ（ボルンが正しかったことは認めなければならないが）、「……今、原子物理学者は、草原で蝶を待ちながら自然の秘密に迫ることを望んでいた昔ながらの博物学者の牧歌的な考えからは遠く離れている。」

著者: サミン D.K.

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