Курт Хюбнер:
Критика научного разума.
Часть I. Теория естественных наук.
Глава 7. Критика попыток связать квантовую механику с новой логикой

К сказанному в предыдущей главе требуется важное дополнение. Мы уже говорили, что попытка представить квантовую логику Райхенбаха как способ окончательно разрешить спор между Эйнштейном и Бором не может быть успешной, поскольку при этом упускают из виду наиболее важные исторические связи. Теперь мы остановимся на этом подробнее.

До сих пор распространено мнение, согласно которому квантовая механика нуждается в новой логике, что, в свою очередь, должно привести к раскрытию новых, ранее не замечавшихся языковых структур. Считается, что, по сравнению с этой новой логикой старая логика обладает лишь ограниченной значимостью; когда же ей пользуются в ситуациях, характерных для квантовой механики, она может порождать ложные выводы. Из этого пытаются вывести некоторые философские следствия; например, утверждают, что вступление современной физики в мир микрообъектов должно привести к пересмотру формальных оснований человеческого мышления, что неизбежно затронет и логику. Эти основания нельзя более считать универсальными и незыблемыми. Вместе с тем утверждают также, что подобные изменения дают надежду на более глубокое проникновение в сущность мышления и речи. Тем самым квантовая механика как бы приобретает особое, универсальное значение, выходящее за рамки физики.

7.1. Подход фон Вайцзеккера

Особенно показательны в этом отношении некоторые работы К. фон Вайцзеккера. Классическая логика в них понимается лишь как совокупность априорных методологических установок, необходимых при формулировании квантовой логики. Более того, согласно этой концепции именно квантовая логика является истинной логикой, тогда как классическая логика представляет собой лишь предельный случай первой. Идея фон Вайцзеккера состоит в следующем: необходимо построить логику, которая «соответствовала» бы современной физике; об истинности логики следует говорить в том смысле, в каком говорят об истинности физической теории — логика не абсолютна, но истинна в том смысле, что допускает своё постепенное улучшение. «Надо понять, — пишет он, — что структура бытия предстаёт перед нами такой, какой её изображает современная физика, то есть несовместимой с онтологическими гипотезами, лежащими в основе классической логики» ¹⁰⁷.

Вопрос, лежат ли в основе классической логики какие-либо гипотезы, в частности, онтологические гипотезы, остаётся неясным. Но особый интерес вызывает утверждение фон Вайцзеккера, что эмпирическое развитие современной физики способно производить определённые изменения в логике. Это означает, что логика участвует в непрерывном процессе изменений, свойственном естествознанию. И в то же время логика теряет свой априорный статус, веками считавшийся её неотъемлемой характеристикой. Поэтому за ней сохраняется лишь статус априорной методологии, которой пользуются только для того, чтобы сформулировать новые логические формы; кроме того, логика встаёт на зыбкую почву эмпирических улучшений.

Встает вопрос: действительно ли квантовая механика способствует появлению новой логики, заставляющей усомниться в значимости логики традиционной? Прежде чем ответить на него, рассмотрим так называемый юнговский двухщелевой эксперимент по интерференции света (рис. 7).

На рисунке схематически изображено, как электроны из светового источника Q проходят через экран с двумя щелями и попадают на фотопластинку. По условиям эксперимента:

Точка, в которой частица соприкоснётся с пластинкой, не может быть точно предсказана; её описание связано с вероятностной функцией P. Если открыта только щель 1, мы имеем функцию P₁, если только щель 2, — функцию P₂. Но если открыты обе щели, мы имеем функцию P_1,2. Пусть имеет место следующее уравнение: P_1,2 = P₁ + P₂.

Однако в эксперименте обнаруживается, что это уравнение ложное. Если — амплитуда вероятности, введённая квантовой механикой, то положение дел было бы правильно описать следующим образом:

Теперь выясним предпосылки, на которых основывается (1):

1. Электроны — материальные частицы.
2. Каждая частица проходит либо через щель 1, либо через щель 2. Tertium non datur (TND).

Сторонники так называемой квантовой логики не испытывают каких-либо затруднений, отказываясь от первой предпосылки. Действительно, на основе именно этого эксперимента Юнг пришёл к выводу о волновой природе света. Но они (по причинам, в которые мы здесь не станем входить) отказываются от второй предпосылки — принципа классической логики — и полагают, что логика должна быть модифицирована.

Теперь ещё раз обратимся к прозрачной и легко интерпретируемой «трёхзначной» логике Райхенбаха ¹⁰⁸. «Трехзначной» он назвал её потому, что в ней фигурирует третье значение — «неопределённо» — в дополнение к двум обычным значениям, которые приписываются высказываниям: «истинно» и «ложно». Райхенбах вводит следующую таблицу значений:

Таблица № 1

1	2	3
A		~A	И — «истинно»
È	Í	Í	Н — «неопределено»
Í	È	Ë	Л — «ложно»
Ë	È	È

В первом столбце перечислены все три значения A. Во втором столбце определено отрицание A, обозначаемое ; это отрицание не является, как в двузначной логике, строго контрадикторным по отношению к A. Отрицание, определённое таким образом, — произвольно выбранное определение, которое, как мы покажем, предназначено для выполнения замысла Райхенбаха — построить логическое исчисление, специально подобранное для квантовой механики. То же самое можно сказать о третьем столбце. Райхенбах называет отрицание, определённое в столбце 2, «полным отрицанием» (), а отрицание в столбце 3 — «циклическим» отрицанием (~A).

При помощи этой таблицы затем определяются пропозициональные операторы, соответствующие «дизъюнкции» и «импликации» — аналогам одноимённых операторов, которые фигурируют в обычных учебниках пропозициональной логики. Их можно свести в таблицу:

Очевидно, что в строках 1,3, 7 и 9 дизъюнкция совпадает с обычным определением. То же можно сказать об альтернативной импликации в тех же строках. В этих случаях A и B имеют только истинные и ложные значения.

Если теперь добавить к этой таблице определение эквиваленции: «Два высказывания эквивалентны, если оба истинны, оба ложны или оба неопределённы», то получим следующие эквиваленции в качестве тавтологий, то есть формул тождественно истинных в данной системе:

(3)

(4)

(5)

(Если A — истинно в (3), то ~~~A также истинно, по таблице 1; если A — ложно, то ~~~A — также ложно; если A — неопределённо, то ~~~A также неопределённо. Следовательно, эта эквиваленция истинна в любом случае, то есть тождественно истинна. То же можно сказать о (4) и (5), применяя таблицу 2.

Рассмотрим высказывание (6)

Из (6) с помощью (3), (4) и (5) получим (7) Bv~B~~A. Из (7) следует (6), таким образом, (6) и (7) следуют друг из друга:

Применяя табличные определения, можно выразить (6) следующим образом: если A истинно или ложно, то B неопределённо. Высказывание (7) читается: если B истинно или ложно, то A неопределённо.

Такое отношение между A и B полностью соответствует принципу дополнительности в квантовой механике. Например, «Если измерены координаты частицы, и результаты выражены в высказывании A, то A — истинно или ложно. Тогда высказывание B о том, что частица имеет такой-то импульс, принципиально неопределённо, следовательно, имеет значение «неопределённо», следовательно, (6) читается как: «A дополнительно B; тогда (8) читается: если А дополнительно B, то B дополнительно A». Дополнительность симметрична, и эта симметрия (координат и импульса) есть эмпирический закон квантовой механики.

Здесь уместно спросить, какова природа трёхзначной логики без закона исключённого третьего? Как образуется такая логика?

Ответ состоит в следующем: эту логику образует ряд определений, которые можно рассматривать как произвольно вводимые аксиомы; сами по себе они не обладают непосредственной или интуитивно ясной общезначимостью. Они целенаправленно строятся таким образом, чтобы при соответствующей интерпретации некоторые формулы выражали эмпирические факты квантовой механики. Это пропозициональное исчисление, специально приспособленное для квантовой механики. Но какой смысл мы вкладываем в понятие «логики», если такого рода пропозициональное исчисление называть логикой?

Логика характеризуется тем, что она может быть сформулирована аксиоматически. Вводятся аксиомы, а затем по определённым правилам из этих аксиом выводятся теоремы. В основании традиционной логики лежат представления о том, что её аксиомы выражают общезначимые выводы. Например, в силлогистике — это модус Barbara, в пропозициональной логике — «если A, то A» и так далее. По определению, идущему от Лейбница, общезначимость логических аксиом означает, что они истинны во всех возможных мирах. То же самое имеют в виду, когда говорят, что предметом логики являются тавтологии, то есть высказывания, которые ничего не говорят о том конкретном мире, в котором мы находимся. К этому можно было прибавить определение Лоренцена, который полагал, что логика есть дисциплина, изучающая правила, по которым должно строиться любое исчисление. Это определение, как теперь ясно, также связано с традиционным пониманием логики.

Но дополнительность некоторых высказываний в современной физике выражает определённую характеристику именно физического мира, присущего ему способа бытия, а не свойство, присущее всем возможным мирам. Следовательно, правила пропозиционального исчисления, которые приспособлены для того, чтобы выражать некоторые характеристики данного физического мира, не могут претендовать на то, чтобы считаться правилами любого исчисления или тавтологии. Следовательно, нельзя называть подобную аксиоматически построенную систему пропозиционального исчисления логикой, если вообще в каком-либо смысле требовать от определений, чтобы они были адекватными ¹⁰⁹.

Критерий адекватности заключается в том, что элементы произвольности в определениях понятий должны устраняться, когда эти понятия приобретают универсальное значение. Не признавая такого критерия, нельзя говорить и об использовании квантовой механики в качестве основания для построения новой логики, поскольку тогда можно было бы утверждать, что достаточно чьего-либо произвольного желания, чтобы назвать данное пропозициональное исчисление пропозициональной логикой. Но такого рода произвольное утверждение не только не могло бы иметь никакого философского смысла, но и вообще не имело бы отношения к проблеме исследования новых форм знания и мышления как такового.

Далее, даже если оставить в стороне всю эту аргументацию, отказ от закона исключённого третьего (TND), к которому, как могло бы показаться, побуждает рассмотрение эксперимента Юнга, что отражено в трёхзначном пропозициональном исчислении, никак нельзя считать причиной для изменения традиционного определения логики. Сегодня мы уже знаем, что логический вывод, основанный на этом законе, не может быть признан истинным для любых исчислений или в любых возможных мирах, а следовательно, этот закон не является фундаментальным законом логики ¹¹⁰.

7.2. Подход Миттельштедта

Другая попытка представить пропозициональное исчисление квантовой механики как квантовую логику была сделана П. Миттельштедтом в его книге «Философские проблемы современной физики» ¹¹¹. В основу его попытки положены идеи так называемой диалогической логики Лоренцена. Вкратце они могут быть сведены к следующему ¹¹².

Предположим, что мы знаем, как доказать простые высказывания («луна круглая», «погода хорошая», и так далее). Пусть некто P утверждает, что если A, то B (A B). Его оппонент О мог бы оспорить это утверждение. Конечно, это произойдёт только в том случае, если сам О доказывает A, и затем требует, чтобы P в свою очередь доказал B, поскольку A B сводится к утверждению, что если существует A, то существует и B. Если в этом споре побеждает P, то между ними состоится диалог, который мы представим следующей схемой:

Если О хочет победить, он должен вначале доказать A, предполагая, что P не может доказать B. Проигрыш О означает, что он либо не доказывает A, либо P может доказать A, но тогда О не может доказать B.

Пусть P утверждает: A (B A). О спорит с ним. Как может в этом случае идти диалог? Обратимся к схеме.

P одержал бы победу уже на втором шагу, если бы О не мог доказать A. Но поскольку О смог доказать A, P должен прийти к заключению импликации, имевшей место на 1 шагу. Тогда О должен доказать B или проиграть. Поскольку ему это удаётся, P снова должен прийти к заключению импликации (B A). Но эта работа уже проделана О и P остаётся только сослаться на доказательство A, сделанное О на втором шагу.

Значит, P не только выиграл данный спор, но он всегда будет побеждать в таком диалоге независимо от конкретного содержания A и B и совершенно независимо от того, доказаны ли в действительности A и B. Поэтому утверждение A (B A) может считаться общезначимым, поскольку его можно делать в любом диалоге и быть всегда правым в любом подобном споре. Именно по этой причине данное утверждение является логическим: выражаясь в терминологии Лоренцена, оно относится к так называемой эффективнойпропозициональнойлогике, которая построена на принципе общезначимости своих высказываний. Но по той же самой причине закон исключённого третьего (TND) в этой логике не фигурирует.

По мнению Миттельштедта, в свете квантовой механики эффективная пропозициональная логика частично либо ложна, либо не применима. Дело не в критике закона исключённого третьего самого по себе, а в критике логики, которая должна отказаться от этого закона и, таким образом, перестроиться, чтобы стать общезначимой.

Миттельштедт пишет: «Или мы признаем то, что утверждает квантовая теория, (а именно, что, имея два высказывания, мы можем определить, являются ли они соизмеримыми или нет), — в таком случае логика сохраняет свою значимость в полном объёме, однако, некоторые из её законов не могут применяться, когда речь идёт о несоизмеримых свойствах. Или же мы отвергаем утверждения квантовой механики и, следовательно, связываем все измеримые свойства с квантово-механическими системами, то есть вводим фиктивные объекты. В этом случае некоторые законы классической логики оказываются ложными. Те же законы логики, которые при этих условиях остаются истинными, образуют то, что можно назвать квантовой логикой» ¹¹³.

Сразу же возникает вопрос: как может часть логики оказаться ложной из-за того, что мы отвергли какую-то часть эмпирического знания, того знания, которое формулирует квантовая механика?

Посмотрим, как сам Миттельштедт развивает свою аргументацию. Он прибегает к рассмотренному выше примеру высказывания, которое общезначимо, поскольку его можно отстоять в любом споре: A (B A). Пусть A и B — взаимодополнительные высказывания квантовой физики. Тогда второй и четвёртый шаги О означают, что A и B доказаны с помощью измерений. Но если мы рассуждаем в рамках квантовой механики, то, подойдя к 6 шагу, О больше не может ссылаться на второй шаг, потому что измерение B аннулирует измерение, с помощью которого доказано A, поскольку мы действительно имеем дело с дополнительными высказываниями. Таким образом, на 6-м шагу A уже нельзя принять. Следовательно, P больше не может ответить на вопрос О «Как вы знаете, что A?» (пятый шаг О); поэтому, как полагает Миттельштедт, P проигрывает этот спор.

Поэтому, если из-за незнания квантовой механики или из-за пренебрежения ей высказывание A (B A) просто принимается как общезначимое и тождественно истинное, что имеет место в эффективной логике, то всё сказанное выше можно считать ложным.

Однако дело обстоит иначе, когда квантовая механика не исключается из игры. В таком случае, утверждает Миттельштедт, P может защищать высказывание A (B A) в споре, потому что на 4-м шагу О должен отказаться от своих посылок, то есть его доказательство B аннулировало бы его доказательство A. С этой точки зрения данная импликация была бы универсально доказуемой потому, что она вообще не была бы применимой.

Но это неприемлемо по следующей причине: если высказывание A (B A) имеет тот смысл, который определяется точными логическими средствами, то оно универсально значимо уже в силу этих определений и никак не зависит от каких бы то ни было сведений, заимствованных из квантовой механики. Оно означает только следующее: «Еслидоказано A, то, если доказано B, то и A доказано». Значит, если A не доказано, высказывание всё же остаётся верным, поскольку оно утверждает нечто лишь в том случае, когда A доказано. Если доказательство A аннулировано доказательством B, то мы приходим к случаю, когда неверно, что доказано A. И здесь высказывание остаётся верным. Поэтому не имеет значения, применимо ли в данном случае логическое высказывание, поскольку это не отражается на его формальной истинности.

7.3. Подход Штегмюллера

В одной из недавних работ Штегмюллер также утверждал, что вести речь о квантовой механике можно только, если перейти к неклассической логике ¹¹⁴. Исходя из некоторых работ Суппеса ¹¹⁵, Штегмюллер начинает со следующего тезиса: «В квантовой физике имеет место парадокс теории вероятностей, возникающих из-за того, что классическая теория вероятностей применяется в этой области. Согласно классической теории вероятностей, вероятность приписывается каждому элементу алгебры событий. Но в квантовой физике мы имеем дело с единичными событиями, которые имеют определённую вероятность, в то время как их конъюнкция такой вероятности не имеет» ¹¹⁶.

Аргументация в пользу этого тезиса может быть представлена в сокращённой форме, достаточной для дальнейшего критического анализа.

Прежде всего нужно определить «классическую алгебру событий». Под этим понимается непустое множество A, состоящее из подмножеств множества, такого, что для всех a, b A:

(1)

(2)

.

Затем можно определить «аддитивное пространство вероятностей» (additiver Wahrscheinlichkeitsraum), имеющее место в классической алгебре событий A, путём введения вероятностной функции P, которая должна удовлетворять следующим условиям:

(3)

P (a)>0, если a — непустое множество Ф, (4) P = 1, (5) если ab=Ф, то P (ab) + P (a) + P (b).

Наконец, определяется «функция случайности» (эту функцию часто называют «случайной переменной», однако, Штегмюллер убедительно возражает против такого наименования) так, что, например, если мы обозначим «орла» монеты — 0, а «решку» — 1, и подбросим монету 3 раза, то можно сформулировать функцию случайности «числа орлов»: (0,0, 0) = 3, (0,1, 0) = 2 и так далее. Таким образом, эта функция определена на множестве, а её значениями являются действительные числа. С помощью мы можем вывести функцию распределения F, взяв вероятностную функцию P от множеств, полученных посредством функции случайности.

Это можно записать следующим образом:

Таким образом, величины квантовой физики могут быть интерпретированы как функции случайности, где значение ожидания E функции распределения F выражается формулой:

Для которой стандартное отклонение S представлено в виде:

Теперь можно сформулировать парадокс, о котором говорит Штегмюллер, следующим образом:

Квантовая физика может быть интерпретирована как теория распределения вероятностей функций случайности. Так физические величины предстают как функции случайности. Если и являются функциями случайности, связанными с функциями распределения вероятностей F и F, то из них выводится комбинированная функция распределения вероятностей F, выражаемая следующей формулой:

Такое выражение может быть построено, если операции, помещённые в скобках, определяются в соответствии с правилами классической логики и классической теории вероятностей. Но в квантовой физике, напротив, нет соответствующей комбинированной функции распределения вероятностей для единичных функций распределения вероятностей отдельных величин ¹¹⁷.

Как полагает Штегмюллер, есть только один разумный способ разрешения этого парадокса — переопределить алгебру событий. Он так и делает, допуская, что не всегда можно образовать конъюнкцию двух событий, a и в. Это означало бы, что алгебра событий, элементами которой, как считалось до сих пор, являются состояния и/или высказывания, уже не представляет собой булеву алгебру, и что условия (1) и (2) соответственно уже не интерпретируются в классической пропозициональной логике и, следовательно, не могут участвовать в определении алгебры событий. Такая модификация, пишет Штегмюллер, «фактически приводит к постулированию неклассической логики событий» ¹¹⁸.

Аргументы против такого подхода всё те же, что и против подхода Миттельштедта. Если согласно классической логике конъюнкция двух высказываний существует в каком-либо общем смысле, то при этом предполагается, что истинностные значения A и B не зависят друг от друга. Поэтому правило «A, B A ^ B» означает, что если истинность A и истинность B установлены независимо, то установлена и истинность конъюнкции A ^ B. И это правило остаётся верным, если даже упомянутые условия не выполняются.

Поэтому мы отметим прежде всего, что Штегмюллер, вслед за Суппесом понимает квантовую механику с точки зрения радикальной интерпретации принципа неопределённостей, согласно которой измерение импульса делает абсолютно невозможным установление «определённого истинностного значения» высказывания о локализации частицы и наоборот. Но если это так, то исходя из допущений самого же Штегмюллера, парадокса, из которого он вывел необходимость неклассической логики событий, просто нет. Ведь если имея два возможных распределения вероятностей A и B, мы никогда не можем приписать определённое истинностное значение более, чем одному из них, то формального противоречия с классической логикой здесь нет, если не существует комбинированное распределение вероятностей A и B, взятых совместно.

Таким образом, я думаю, что выражение «квантовая логика» ошибочно и может только запутать дело. Квантовая механика не требует, как утверждают некоторые исследователи, новой логики; она не раскрывает новые формы мышления; она не швыряет логику в бурлящий поток непрерывного прогресса эмпирических наук. Дело обстоит как раз наоборот: квантовая механика подтверждает общезначимость высказываний «эффективной логики».

В этой связи очень важно не забывать те причины, по каким было, например, предложено пропозициональное исчисление Райхенбаха, его трёхзначная логика, построенная для квантовой механики. Он исходил из интерпретации квантово-механических событий копенгагенской школы Бора и Гейзенберга, в которой действует следующая теорема: если два предложения комплементарны, то по крайней мере одно из них может быть осмысленным, тогда как другое — бессмысленным.

Эта теорема выступает как физический закон, то есть как иная формулировка принципа неопределённостей Гейзенберга, исключающего возможность одновременного измерения некоммутирующих величин. Но здесь этот закон приобретает семантический характер, поскольку он утверждает нечто о смысле высказываний; в качестве такового он относится к метаязыку квантовой механики. В этом, правда, есть что-то неестественное, вызывающее чувство неудовлетворения. Законы обычно формулируются в объектном языке. Кроме того, данная теорема относится ко всему классу высказываний, в который входят как осмысленные, так и неосмысленные предложения. Но если это закон, то в определённом смысле он утверждает, что физика должна включать в себя и бессмысленные предложения.

Мы видели, что Райхенбах построил свою так называемую трёхзначную логику с единственной целью сформулировать принцип неопределённостей в объектном языке. Ещё раз обратим внимание на высказывание Av~A~~B. На метаязыковом уровне оно означает: если A истинно или ложно, то B неопределённо. Но то же выражение на уровне объектного языка означает: если A или циклическое отрицание A, то циклическое двойное отрицание B.

Итак, мы видим, что действительной целью так называемой трёхзначной логики является такая формулировка квантово-механических законов, которая полностью соответствовала бы обычным физическим формулировкам ¹¹⁹.