Квантово-полевая картина мира
Квантово-полевая картина мира
. Основу современной физической картины мира составляют квантовая механика, фундаментальные идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновой дуализм.В 1897 г. был открыт электрон, его заряд оказался элементарным, т.е. самым наименьшим, существующим в природе в свободном состоянии. Заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов, следовательно, электрический заряд дискретен.
В 1900 г. М. Планк предложил квантовую гипотезу (лат. quantitus — количество): электромагнитное излучение испускается отдельными порциями — квантами, величина которых пропорционально частоте излучения. Им была введена новая фундаментальная физическая константа (квант действия) — постоянная Планка h = 6,6×10-34
В 1905 г. А. Эйнштейн на основе квантовой гипотезы Планка выдвигает предложение, что свет, электромагнитное излучение оптического диапазона, не только излучается, но распространяется и поглощается квантами.
В 1913г. Н. Бор сформулировал два постулата, отражающих суть его теории атома. Первый постулат: существуют стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает и не поглощает энергии, а электроны внешней электронной орбиты находятся на ближайшем от ядра атома расстоянии. Постулат второй: при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую происходит излучение или поглощение кванта энергии, равного разности энергий этих стационарных состояний.
В свете представленной квантово-полевой картины мира основные понятия получили новые обоснования.
Материя.
На уровне микромира деление материи на вещество и поле условно; материя обладает корпускулярными и волновыми свойствами, но проявляет их в зависимости от условий; дискретность и непрерывность материи находятся в диалектическом единстве.
Движение.
В мире микрообъектов движение не имеет определенной траектории, поскольку микрообъект, обладая волновыми и корпускулярными свойствами, не может иметь одновременно вполне определенных значений координаты и скорости (импульса).
Пространство. Время.
В квантово-полевой картине мира окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, они перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в единое четырехмерное пространство-время.
Взаимодействие.
Согласно данной физической картине мира различают четыре вида фундаментальных взаимодействий в природе: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Свойство элементарных частиц, которых в настоящее время насчитывается свыше 300, определяются в основном первыми тремя видами взаимодействий.Электромагнитные поля и их лечебное применение.
Все физические тела имеют три составляющие: вещество, энергию и информацию, которые образуют единое целое в сложной зависимости между собой. Биологическое действие любого физического фактора происходит с постоянным обменом информацией, энергией и веществом.Понятие информации — одно из важнейших, так как процесс управления связан с получением, накоплением и передачей информации.
И если при действии механических и термических факторов наиболее заметны энергетические составляющие, при воздействии электрического тока ясно выделяются вещественные составляющие, то при воздействии электромагнитного поля можно выделить особые свойства, представляющие собой информационное значение.
Электрические и магнитные явления связаны с особой формой существования материи – электрическими и магнитными полями и их взаимодействием. Эти поля настолько взаимозависимы, что принято говорить о едином электромагнитном поле (ЭМП). Электромагнитное поле оказывает особые воздействия на биологические системы.
Любые процессы в организме — соединение двух молекул, перенос кислорода, деление клетки, сокращение мышцы — приводит к возникновению, перемещению, или исчезновению зарядов, рождаются токи, изменяется структура электромагнитных полей. При этом эти поля подобны у человека как вида, подобны для каждого органа, каждой системы в организме человека. По характеру изменения биотоков делается заключение о здоровье или патологии исследуемых органов и систем в организме человека. Но любой биоток в биоструктурах (нервное волокно, мышца, соединительная ткань), создаёт вокруг себя магнитное поле, копирующее форму тока, а, следовательно, и отражающее информацию, содержащуюся в нем. Это несущее информацию электромагнитное поле, распространяясь за пределы организма, воздействует на окружающие биообъекты, которые используют его в виде универсального языка общения между собой. При изменении физического и психического состояния человека меняются характеристики его электромагнитного поля. В настоящее время ЭМП признаются носителями информационной функции в природе, заключающейся в обмене информации между биообъектами и их взаимосвязями с неорганическим миром.
Логика живого, присущее живому стремление к постоянному упорядочению внутренних структур подсказывают, что электромагнитные взаимодействия не случайны. Из множества полей отдельных элементов должно складываться суммарное поле организма с определенной закономерной структурой. Таким образом, мы принимаем положение, что изменение характеристик ЭМП является информативным признаком функционального состояния органов и систем организма.
Радиоволны обусловлены переменными токами в проводниках и электронными потоками. Инфракрасное, видимое и ультрафиолетовое излучения исходят из атомов, молекул и быстрых заряженных частиц. Рентгеновское излучение возникает при внутриатомных процессах, гамма-излучение имеет ядерное происхождение.
В медицине принято следующее условное разделение электромагнитных колебаний на частотные диапазоны.
| Низкие (НЧ) | До 20 Гц |
| Звуковые (ЗЧ) | 20 Гц -20 кГц |
| Ультразвуковые или надтональные (УЗЧ) | 20 кГц -200 кГц |
| Высокие (ВЧ) | 200 кГц – 30 МГц |
| Ультравысокие (УВЧ) | 30 МГц – 300 МГц |
| Сверхвысокие (СВЧ) | 300 МГц – 300 ГГц |
| Крайневысокие (КВЧ) | Свыше 300 ГГц |
Принято деление оптического спектра на инфракрасное излучение (длина волн 780 нм — 1 мкм), видимое (780 — 380 нм, 760-400 нм) и ультрафиолетовое (380 — 100 нм).
В последние годы все шире распространяются и развиваются методы, основанные на выработке и передаче организму сигналов очень малой мощности, не вызывающих заметных изменений температуры тканей, но определяющих потоки информации, регулирующие направления функционирования организма. Принципиальная особенность этих методов — дозированное целенаправленное низкоинтенсивное воздействие, поскольку во всех биологических системах живого организма при многих заболеваниях физико-химические и биохимические процессы происходят на низких энергетических уровнях.
Одна из рабочих гипотез этих методов основана на способности живого организма избирательно откликаться на действие внешнего электромагнитного излучения (ВЭИ) крайне низкой интенсивности. При этом реакция организма возникает на строго индивидуальной — терапевтической частоте, что отчетливо регистрируется (ЭКГ, ЭЭГ, МЭГ, методика Р.Фолля). Такое воздействие вызывает типичные колебания уровня биологически активных веществ в тканях мозга и соматической периферии и посредством сложной цепи преобразований включает в организме мощные механизмы саморегуляции, в результате чего достигается ярко выраженный терапевтический эффект. Под влиянием низкоинтенсивного излучения изменяются клеточные мембраны и внутриклеточные образования, что приводит к увеличению активности транспортировки веществ через мембрану и усилению основных биоэнергетических процессов, т.е. низкоинтенсивное излучение оказывает выраженное регенеративное, трофическое, обезболивающее и противовоспалительное действие. Кроме того, оно стабилизирует тканевое дыхание и вызывает активацию гуморального и клеточного иммунитета. Иммунные сдвиги при этом имеют противовирусную и антимикробную направленность, что может быть использовано для профилактики и лечения вирусных заболеваний и сочетанной терапии бактериальных инфекций.
Созданные на этих принципах приборы успешно используют для лечения широко распространенных заболеваний, таких как язвенная болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки, ишемическая болезнь сердца, гипертоническая болезнь и т.д.. Разрабатываются нами методики применения в дерматологии, урологии, гинекологии, онкологии.
Изложенные выше научные принципы реализованы в медицинском аппарате «DETA-QUANTUM» НПП «ЭЛИС» в режиме электромагнитной терапии.
Источник материала:
© НПП ЭЛИС, 2003 г.
E-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Квантово-полевая картина мира
Предпосылки возникновения современной картины мира
В теории относительности, созданной А. Эйнштейном, было впервые введено понятие относительности пространства и времени, а также понятие о кривизне единого четырехмерного пространственно-временного континуума. Это была последняя крупная теория в рамках электромагнитной картины мира. Начиная с конца 19 века между электромагнитной теорией и эмпирическими фактами выявлялась все больше и больше противоречий. А после открытия явления радиоактивности и выявления того, что оно связано с превращением одних элементов в другие и сопровождается испусканием альфа- и бета-лучей, появились новые модели атома, которые не соответствовали электромагнитной картине мира. А позднее, М. Планк, в ходе попыток построения теории излучения, высказал мнение, что процессы излучения не являются непрерывными. Таким образом, в начале 20 века появилось два представления о материи:
- Либо материя состоит из дискретных частиц
- Либо материя является абсолютно непрерывной.
Эти два представления являются несовместимыми, и попытки, предпринимаемые учеными-физиками их как-то совместить терпели неудачу. Это подтолкнуло к мнению, что наука находится в тупике, выхода из которого не существует. Ситуация ухудшилась, когда Н. Бор предложил новую модель атома, согласно которой, электрон, вращающийся вокруг ядра, не излучает энергии. Это предположение противоречило законам электродинамики. По мнению Бора, электрон излучает энергию порциями тогда, когда переходит с одной орбиты на другую. Это предположение казалось странным, однако именно оно способствовало выходу из тупика и формированию новых представлений о материи.
Позже Луи де Бойль предложил гипотезу, согласно которой материи присущи и непрерывность, и квантовость, то есть каждой частице соответствует определенная волна. Исследования Э. Шредингера и В. Гейзенберга в 1925-1927 гг. подтвердили эту гипотезу, а позднее М. Борн доказал тождественность квантовой механики Гейзенберга и волновой механики Шредингера.
Замечание 1
Таким образом, представления о неизменности материи остались в прошлом, а вновь сложившиеся квантово-полевые представления о природе материи определяются как корпускулярно-волновой дуализм, подразумевающий, что у каждого элемента материи есть свойства частицы и волны.
Квантовая механика
Основой новой современной картины мира, получившей название квантово-полевой, лежит квантовая механика. Это новая теория, которая описывает состояние и движение микрообъектов материального мира. Она устанавливает метод описания и законы движения микрочастиц, к которым относятся элементарные частицы, атомы, атомные ядра, молекулы. Квантовая механика также занимается изучением связи величин, характеризующих частицы, с физическими величинами, измеряемыми экспериментальным путем. Законы квантовой механики дают возможность изучить строение атомов, а также установить природу химической связи и объяснить периодическую систему элементов, исследовать свойства элементарных частиц.
Квантовая механика способствовала изучению строения и свойств многих твердых тел, что до этого не представлялось возможным. Квантовая механика позволила изучить такие явления, как сверхпроводимость, ферромагнетизм, сверхтекучесть, а также исследовать природу нейтронных звезд и белых карликов. Кроме того, благодаря квантовой механике появилась возможность выявить механизм протекания термоядерных реакций, происходящих на Солнце и звездах.
Идеи квантово-полевой картины мира
С появлением новой картины мира было установлено, что элементарным частицам присуща такая особенность, как взаимопревращаемость и взаимозаменяемость. В квантово-полевой картине мира материальным объектом принимается квантовое поле, а при переходе его из одного состояния в другое число частиц меняется.
Движение в квантово-полевой картине мира определяется лишь как частный случай физического взаимодействия. Выделяются четыре основополагающих физических взаимодействия:
- Электромагнитное
- гравитационное
- Сильное
- Слабое.
В основе их описания лежит принцип близкодействия. Он означает, что взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия всегда является конечной и не превышает скорость света в вакууме, которая равна 300 000 км/с.
Предположения об относительности пространства и времени, а также их зависимости от материи, основы которой были заложены еще в электромагнитной картине мира, в новой, квантово-полевой картине мира утверждаются. Согласно теории относительности, время и пространство не являются независимыми друг от друга и соединяются в четырехмерном пространственно-временном континууме.
Замечание 2
Закономерность и причинность в квантово-полевой картине мира принимают вероятностную форму, то есть выступают в виде статистических законов. Это свидетельствует о более глубоком уровне исследования природных закономерностей.
Еще одним принципиальным отличием квантово-полевой картины от предыдущих механической и электромагнитной является определение места и роли человека во Вселенной. Человек перестает быть лишь одним из объектов природы. Квантово-полевая картина мира рассматривает человека как наблюдателя, который определяет получаемую картину мира. Помимо этого, в современной, квантово-полевой, картине мира считается, что существование человека определяет то, каким является современный мир, а появление человека является закономерным результатом эволюции Вселенной.
Однако, как механическая и электромагнитная, современная картина мира тоже не лишена недостатков. К ним относятся:
- Безуспешные попытки создания единой теории всех взаимодействий
- Не выяснено, почему наблюдаются зафиксированные значения зарядов, масс элементарных частиц
- Не сформулирована теория вакуума
- Не существует теории, описывающей развитие Вселенной до «большого взрыва», а также способной предсказать ее будущее.
Замечание 3
Квантово-полевая, или как ее называют иначе, квантово-релятивистская, картина мира сейчас лишь проходит стадию становления. С развитием науки к ней добавляются новые теории, новые гипотезы, и возможно, указанные недостатки будут устранены и появятся ответы на существующие вопросы.
Физическая картина Мира (механическая)
Физическая картина Мира
(электромагнитная)
Э
Формируется на основе начал электромагнетизма М. Фарадея (1791-1867 гг.), теории электромагнитного поля Д. Максвелла (1831-1879 гг.), электронной теории Г.А. Лоренца (1853-1828 гг.), постулатов теории относительности А. Эйнштейна (1879-1955 гг.)
лектромагнитная картина мира
Характерные особенности
В рамках электромагнитной картины мира сложилась полевая, континуальная (непрерывная) модель реальности. Материя — единое непрерывное поле с точечными силовыми центрами – электрическими. Мир — электродинамическая система, построенная из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля
В электромагнитную картину мира было введено понятие вероятности
Движение — распространение колебаний в поле, которые описываются законами электродинамики
Принцип близкодействия – взаимодействия любого характера передается полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью
Реляционная (относительная) концепция пространства и времени: пространство н время связаны с процессами, происходящими в поле, т.е. они несамостоятельны и зависимы от материи
Игнорирование дискретной, атомистической природы вещества приводит максвелловскую электродинамику к целому ряду противоречий, которые снимаются с созданием Г. Лоренцом электронной теории или микроскопической электродинамики. Последняя восстанавливает в своих правах дискретные электрические заряды, но она сохраняет н поле как объективную реальность
А. Эйнштейн ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени. Так появилась общая теория относительности, ставшая последней крупной теорией, созданной (1916 г.) в рамках электромагнитной картины мира
Формируются на основе механики Леонардо да Винчи (1452 – 1519гг.) гелиоцентрической системы Н. Коперника (1473 – 1543гг.)
Экспериментального естествознания Г. Галилея (1564 – 1642 гг.) законов небесной механики И. Кеплера (1571 – 1630 гг.)
Механики И. Ньютона (1643 – 1727 гг.)
Характерные особенности
В рамках механистической картины мира сложилась дискретная (корпускулярная) модель реальности. Матери» — вещественная субстанция, состоящая из атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса
Движение — простое механическое перемещение. Законы движения — фундаментальные законы мироздания. Тела двигаются равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения есть действие на них внешней силы (инерции). Мерой инерции является масса. Универсальным свойством тел является сила тяготения, которая является дальнодействующей
Концепция абсолютного пространства и времени: пространство трехмерно, постоянно и не зависит от материи; время не зависит ни от пространства, ни от материи; пространство и время никак не связаны с движением тел, они имеют абсолютный характер
Принцип дальнодействия — взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, т.е. действия могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоро
Тенденция сведения закономерностей высших форм движения материи к закономерностям простейшей его формы — механическому движению
Все механические процессы подчиняются принципу детерминизма. Случайность исключается из картины мира
На основе механистической картины мира в ХУШ — начале ХГХ вв. была разработана земная, небесная и молекулярная механика Макромир и микромир подчинялись одним и тем же механическим законам. Это привело к абсолютизации механистической картины мира. Она стала рассматриваться в качестве универсальной.
Физическая картина Мира (квантово-полевая)
Формируется на основе квантовой гипотезы М. Планка (1858 – 1947 гг.), волновой механики Э. Шредингера (1887 – 1961 гг.), квантовой механики В. Гейзенберг (1901 – 1976 гг.), квантовой теории атома Н. Бора (1885 – 1962 гг.) и т.д.
Х
В рамках квантово-полевой картины мира сложились квантово-полевые представления о материи. Материя обладает корпускулярными и волновыми свойствами, т.е. каждый элемент материи имеет свойства волны и частицы
Движение — частный случай физического взаимодействия. Фундаментальные физические взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Они описываются на основе принципа близкодействия: взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия конечна и не превышает скорости света
арактерные
особенности
Картина физической реальности в квантовой механике двупланова: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта; с другой стороны — условия наблюдения (метод познания), от которых зависит определенность этих характеристик
Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности является то, что они вступают в вероятностной форме, в виде статистических законов
При описании объектов используется два класса понятий: пространственно-временные и энергетически-импульсные. Первые дают кинематическую картину движения, вторые — динамическую (причинную). Пространство-время и причинность относительны и зависимы
Фундаментальные положения квантовой теории: принцип неопределенности и принцип дополнительности
4. Становление квантово-полевой картины мира. 3. Диалектика природы и естествознания
4. Становление квантово-полевой картины мира
В начале XX в. эмпирически полученные данные о строении атома и о законах излучения оказались в противоречии с теорией электродинамики Максвелла, и это вело к принципиально новым представлениям о материи и движении. С одной стороны, представления о материи как о непрерывном бесконечном электромагнитном поле подтверждались огромным количеством экспериментальных данных, с другой — факты прерывности излучения и факты, свидетельствующие о сложном строении атома, нельзя было игнорировать. Таким образом, возникли два несовместимых представления о материи: или она абсолютно непрерывна, или она состоит из дискретных частиц. В начале XX в. предпринимались многочисленные попытки совместить эти две точки зрения на материю (и на весь мир). При этом возникло множество предположений и гипотез, но все они, как правило, не могли объяснить, как могут существовать взаимоисключающие представления о материи. Многим казалось, что физика зашла в тупик, из которого нет выхода. Как выразился один из крупных физиков, П. Иордан, в этой науке воцарилось «беспокойство и смятение»[72].
Это смятение усугубилось, когда в 1913 г. Н. Бор предложил свою модель атома. Он предполагал, что электрон, вращающийся вокруг ядра, вопреки законам электродинамики не излучает энергии. Он излучает ее порциями лишь при перескакивании с одной орбиты на другую. Данное предположение первоначально казалось странным и непонятным даже таким физикам, как Э. Резерфорд, который является одним из авторов планетарной модели атома[73].
Однако именно модель атома Бора в значительной степени способствовала формированию новых физических представлений о материи и движении. В 1924 г. Луи де Бройль, используя аналогию между принципами наименьшего действия в механике и оптике, высказал гипотезу о соответствии каждой частице определенной волны. Иными словами, каждой частице материи присущи и свойство волны (непрерывность) и дискретность (квантовость). Тогда, отмечал де Бройль, становилась понятной теория Бора[74].
Эти физические представления нашли подтверждение в работах, выполненных в 1925–1927 гг. Э. Шредингером и В. Гейзенбергом. Первый на основе гипотезы де Бройля нашел волновое уравнение для частиц, а второй, развивая идеи Бора, дал основное уравнение квантовой механики в матричной форме. Вскоре М. Борном была показана тождественность волновой механики Шредингера и квантовой механики Гейзенберга.
В формировании квантово-полевой картины природы большую роль сыграла диалектическая идея о единстве прерывного и непрерывного. Тот, кто принимал эту идею, легко воспринял корпускулярно-волновой дуализм в представлениях о материи и движении. При построении первой квантовой теории поля — электродинамики Дирака — оно рассматривалось как совокупность частиц, а квантовые частицы — как возбуждение поля. Тем самым устанавливалась неразрывная взаимосвязь элементарных частиц и квантовых полей.
В настоящее время открыто несколько сот элементарных частиц. По массе они делятся на две группы: тяжелые (адроны) и легкие частицы (лептоны). При этом сначала было теоретически предсказано, а затем экспериментально подтверждено, что каждой элементарной частице соответствует античастица, обладающая противоположным знаком заряда и некоторыми другими квантовыми характеристиками. Одна из основных особенностей элементарных частиц — их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость. Каждому виду элементарных частиц соответствуют свои формы взаимодействия. Кроме ранее известных электромагнитных (в которых участвуют частицы, обладающие электрическим зарядом) и гравитационных взаимодействий (в которых участвуют вообще все частицы) были открыты два новых вида взаимодействий: сильные, в которых участвуют адроны, и слабые, в которых участвуют лептоны. При этом происходит обмен виртуальными (короткоживущими) частицами, различными для разных видов взаимодействия. Это расширило представления о самом механизме взаимодействия. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле. Оно может находиться в возбужденном состоянии. При переходе поля из одного состояния в другое число частиц меняется.
Несмотря на тесную взаимосвязь понятий поля и частицы, понятие поля как совокупности частиц не исчерпывает его содержания. Специфика квантово-полевого понимания материи выражается и в том, что поле сохраняется даже тогда, когда частицы в нем отсутствуют. Такое состояние поля называется невозбужденным («нулевым»). Его не совсем точно называют вакуумом: в таком поле отсутствуют лишь частицы, но само поле остается протяженной материальной физической реальностью. Это подтверждено экспериментально. Представление о невозбужденных полях играет все более важную роль в квантово-полевой картине мира.
Ее особенность состоит в том, что в характеристике взаимопревращения частиц не действует закон сохранения их числа, т. е. частицы могут возникать, уничтожаться и превращаться в строгом соответствии с определенными законами сохранения (энергии, импульса, заряда и некоторых других специфически-квантовых величин). Совокупность этих законов в конечном счете является формой выражения всеобщего закона сохранения материи и движения[75].
Современные квантово-полевые представления о материи и движении не получили еще своей окончательной формулировки. Во-первых, в процессе развития атомной техники и эксперимента открываются все новые и новые разновидности микрообъектов. Во-вторых, в последние годы были сначала предсказаны теоретически, а затем зафиксированы экспериментально составные части квантовых частиц — так называемые кварки. Из них состоят все элементарные частицы, кроме лептонов. Поэтому стали говорить о кварках и лептонах как о фундаментальных частицах, из которых состоят все элементарные частицы. Однако в последнее время появились гипотезы о существовании еще более «элементарных» частиц, структурных элементов, из которых состоят кварки и лептоны. Эти гипотетические частицы названы «перонами». Как видно, в развитии квантово-полевых представлений подтверждается ленинское положение о неисчерпаемости материи вглубь.
Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они выступают в вероятностной форме. Уравнения поля, выражающие объективные связи и законы, отражают и возможности тех или иных квантовых процессов, которые могут произойти в данной квантовой системе. В частности, вероятностная обусловленность тех или иных ее свойств выражена в соотношениях неопределенностей сопряженных пар физических величин: координаты и импульса, времени и энергии и некоторых других. Вследствие этих неопределенностей об элементарной частице нельзя говорить как о частице в обыденном понимании.
По мере того, как складывались квантово-полевые представления о материи и движении, о взаимосвязи и взаимодействии, о причинности и закономерности, строились различные общие теории. Сначала они охватывали лишь отдельные виды взаимодействий. Так, вслед за квантовой электродинамикой (теорией электромагнитных взаимодействий) была разработана теория слабых взаимодействий. Затем предпринимались многочисленные, но малоплодотворные попытки теоретического описания сильных взаимодействий. Но вскоре вследствие ряда возникших трудностей построение новых теорий затормозилось. Ученые пришли к выводу, что для дальнейшего развития физики необходимы принципиально новые идеи[76]. В. Гейзенберг, например, указывал, что надо отказаться от ряда устаревших понятий и по-новому сформулировать такие понятия, как «состояние», «часть» и «целое», «пространственная протяженность» и некоторые другие[77].
Это свидетельствовало о том, что квантово-полевая картина мира была недостаточно разработана в качестве исходной основы для построения этих теорий. Поэтому такие теории неизбежно были ограниченными; в них необходимо было вносить поправки и дополнения, с тем чтобы согласовать теоретические выводы с данными эксперимента. В результате они переставали быть подлинными теориями и превращались в свод полуэмпирических правил и закономерностей[78].
Однако за последние годы содержание квантово-полевой картины мира значительно расширилось. Прежде всего в соответствии с новыми экспериментами углублялись квантово-полевые представления о материи и движении, что оказывало влияние на картину мира в целом. В процессе более обстоятельного изучения взаимодействий между частицами было установлено, что понятие «состоять из» приобретает особый смысл. Оказалось возможным образовывать частицы с малой массой из частиц с большой массой. Таким образом, понятия «часть» и «целое» становились относительными, поскольку «часть» могла быть больше «целого». На этой основе сложились представления о том, что различия между микромиром и макромиром также относительны. Возникла гипотеза о «фридмонах» как о таких объектах, которые обладают космическими масштабами, но для внешнего наблюдателя проявляются как частицы сколь угодно малых размеров.
С открытием кварков и с разработкой гипотезы о «перонах» более глубокими стали и представления о материи и движении. Так, обнаружилось, что кварки и антикварки, составляющие протон и другие сложные частицы, связаны посредством особых виртуальных частиц — глюонов, взаимодействие которых тем слабее, чем ближе кварки находятся друг к другу. Создается представление, что внутри сложных частиц кварки относительно независимы друг от друга, обладают значительными «степенями свободы». Но при их удалении друг от друга взаимосвязь кварков становится столь большой, что «выбить» кварк из частицы оказывается практически невозможным. По всей вероятности, вне составленных из них частиц кварки и антикварки вообще не существуют. При таком углублении и расширении представлений о частицах и их взаимодействиях открываются новые возможности для построения квантовых теорий.
Перед современной физикой поставлена задача «великого объединения» — построения единой теории, охватывающей все виды взаимодействий элементарных частиц. Только такая теория могла бы рассматриваться в рамках достаточно разработанной картины мира в качестве фундаментальной квантово-полевой теории. Вместе с тем с ее появлением можно было бы считать завершенным формирование основ квантово-полевой картины мира. Отдельные элементы такого «великого объединения» уже созданы. Так, в 1967 г. С. Вейбергом и А. Саламом была разработана теория, объединяющая электромагнитные и слабые взаимодействия. Вслед за этим возникла задача объединения в одной теории этих взаимодействий с сильными взаимодействиями.
Однако в поисках такой единой теории физики натолкнулись на трудности, что свидетельствует о недостаточной разработанности ее основ. По-видимому, нужны качественно новые идеи и гипотезы. В этом плане плодотворным оказалось предположение о спонтанном нарушении симметрии вакуума, что связано с расширением представлений о вакууме как особом виде квантово-полевой материи: хотя вакуум является нулевым (основным) состоянием квантовой системы, он тем не менее обладает не нулевой энергией. Для дальнейшего успешного развития физики необходимо прежде всего углубление философских основ современной научной картины мира.
Таким образом, изучение особенностей современной революции в физике позволяет сделать ряд важных методологических выводов. Прежде всего необходима доработка квантово-полевой картины мира в соответствии с положениями о неисчерпаемости материи и многообразии ее видов, разнообразии взаимодействий, присущих квантовым объектам, объективности законов квантовой физики. Только на этом пути возможно правильное понимание необычных экспериментально установленных особенностей квантовых объектов.
Учитывая закономерности развития предыдущих физических картин мира, можно сделать вывод о том, что ключевой проблемой современной картины мира является, с одной стороны, углубление квантово-полевых представлений о материи и движении и, с другой — разработка таких представлений о пространстве и времени, которые полностью соответствовали бы квантово-полевому пониманию материи и движения.
В существующей картине мира наряду с новым, квантово-полевым пониманием материи и движения сохранились старые, электродинамические (релятивистские) представления о пространстве и времени. На этом основании некоторые физики пришли даже к выводу о неприменимости понятий пространства и времени в микромире, о том, что эти понятия якобы устарели и от них надо отказаться. На самом же деле устарели не понятия пространства и времени, а представления о них. В этом плане заслуживают внимания идеи квантования пространства и времени, идеи связи пространства и времени с внутренней симметрией элементарных частиц. Возможны и иные гипотезы об особенностях квантово-полевых объектов и форм их существования[79].
Качественные изменения представлений о пространстве и времени непосредственно связаны с разработкой нового математического аппарата, соответствующего квантово-полевой картине мира.
Таким образом, современная революция в физике открыла новые пути для развития этой науки. Однако новая физическая картина мира, пришедшая на смену старой, сложилась не сразу. Более того, до сих пор углубляются и расширяются основные для нее квантово-полевые представления о материи и движении, о взаимосвязи и взаимодействии; совершенствуются представления о причинности и закономерности. Главная задача в завершении квантово-полевой картины мира состоит в том, чтобы разработать такие квантово-полевые представления о пространстве и времени, которые качественно отличались бы от релятивистских и находились бы в полном соответствии с квантово-полевыми представлениями о материи и движении.
Поделитесь на страничкеСледующая глава >
Микромир. Квантово-полевая картина мира
О наглядности квантово-механических явлений. Все что происходит с квантовыми
объектами до фиксации собственных значений a того или иного оператора ˆ , в
n A
эксперименте не фиксируется в непосредственном виде, а потому не дано в наглядной форме. И все попытки представить себе квантовые объекты и происходящие с ними процессы в наглядной, т.е. подвластной чувствам, форме только игнорируют специфику квантовой механики.
И на вопрос, что представляет собой свободно движущаяся, т.е., еще не вступившая во взаимодействие с макроскопическими условиями наблюдения, частица должен быть таким: движущаяся частица есть действительно частица, для которой характерны возможности, описываемые квантово-механическими уравнениями.
Для квантово-механических явлений характерны соотношения неопределенностей: Принцип неопределенности x px ≥ = — немецкий физик В. Гейзенберг (1901-1976)
показал, что чем точнее измеряется местоположение частицы (координата), тем труднее предсказать ее скорость (импульс) и наоборот, можно узнать один или другой параметр, но не оба сразу – указанное соотношение неопределенности стало принципом неопределенности, т.к. показывает принципиально вероятностный характер предсказания событий.
Принцип дополнительности Н. Бора (1928 г.) — дает более широкую трактовку принципа неопределенности Гейзенберга, в обобщенной формулировке смысл принципа дополнительности состоит в том, что получение экспериментальной информации об одних физических параметрах неизбежно приводит к потере других, дополнительных параметров, которые характеризуют это же явление (эффект) с несколько другой стороны. В физическом смысле такими дополнительными друг к другу сущностями, кроме указанных координат и импульса, могут быть волновое и корпускулярное проявление вещества или излучения, энергия и длительность события или измерения, выражаемая соотношением E t ≥ =.
Также для квантово-механических явлений характерны: туннельный эффект, принцип суперпозиции, статистические закономерности и вероятностная предсказуемость.
Современная теория строения атома также основана на квантово-механических представлениях; в частности, используя новые представления о свойствах электрона, В. Паули сформулировал принцип, позволяющий объяснять расположение электронов по оболочкам. В. Паули(1900-1958) – немецкий физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии 1945 г за открытие принципа запрета – принципа Паули, им же введен термин «нейтрон».
Классическое представление о планетарной модели атома и орбитах электронов было заменено волновой механикой и квантовой теорией элементарных процессов
Результаты и идеи квантовой механики позволили построить теорию о движении заряженных микрочастиц, учитывая их квантово-механическую природу – квантовую электродинамику (квантовую теория поля). Важнейшим законом ее является закон взаимного превращения двух видов материальных субстанций – вещественной и полевой материи – друг в друга.
Согласно квантовой теории поля, невозможно такое состояние, когда нет и поля, и частиц, т.е. невозможна пустота. Строго говоря, поле не может перестать существовать, в своем наинизшем энергетическом состоянии оно выступает как вакуум. Для вакуума
15. Квантово-механическая картина мира (основные принципы, ключевые понятия).
Данная картина мира явилась результатом дальнейшего развития электромагнитной картины мира. Формируется на основе:
Квантовой гипотезы М.Планка (1858 – 1947)
Волновой механики Э.Шредингера (1887 – 1961)
Квантовой механики В.Гейзенберга (1901 – 1976)
Квантовой теории атома Н.Бора (1885 – 1962)
В рамках квантово-механической картины мира сложились квантово-механические представления о материи:
— материя обладает корпускулярными и волновыми свойствами, т.е. каждый элемент материи имеет свойства волны и частицы.
Картина физической реальности в квартовой механике двупланова:
В неё входят характеристики исследуемого объекта;
Условия наблюдения (метод познания), от которых зависит определённость этих характеристик.
При описании объектов используется два класса понятий: пространственно-временные и энергетически-импульсные. Первые дают кинематическую картину движения, вторые – динамическую (причинную). Пространство-время и причинность относительны и зависимы.
Движение – частный случай физического взаимодействия: сильное – электромагнитное, слабое – гравитационное. Они описываются на основе принципа близкодействия: взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия конечна и не превышает скорости света.
Спецификой квантово-механических представлений о закономерности и причинности является то, что они выступают в вероятностной форме, в виде статистических законов.
Фундаментальные положения квантовой теории:
№.16. Основные концепции Пространства и Времени в классической механике и теории относительности.
Всеобщее свойство материальных тел обладать протяженностью, занимать место и особым образом располагаться среди других предметов мира – отражает философское понятие пространства. Всеобщее свойство материальных процессов протекать друг за другом в определенной последовательности (ночь-утро; зима-весна и т.д.), обладать длительностью и развиваться по этапам, стадиям отражает философское понятие времени. Естественнонаучные представления о пространстве и времени прошли длинный путь развития и становления. Ньютон предлагал различать два типа этих понятий: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные). Эйнштейн в своей теории относительности предлагал считать пространство и время не отдельными от материи сущностями, а формами существования материи.
Общие свойства пространства: протяженность, связанность и непрерывность, трехмерность, единство метрических и топологических свойств.
Общие свойства времени: длительность, единство прерывного и непрерывного, необратимость, одномерность.
Из всеобщих свойств пространства и времени можно всего отметить:
1. Их объективность и независимость от человеческого сознания и сознания всех других разумных существ в мире (если такие есть).
2. Их абсолютность — они являются универсальными формами бытия материи, проявляющимися на всех структурных уровнях ее существования.
3. Неразрывную связь друг с другом и с движущейся материей.
4. Единство прерывности и непрерывности в их структуре наличие отдельных тел. фиксированных в пространстве при отсутствии каких-либо «разрывов» в самом пространстве.
5. Количественную и качественную бесконечность, неотделимую от структурной бесконечности материи невозможность найти место, где отсутствовали бы пространство и время, а также неисчерпаемость их свойств
17. Основные выводы из СТО (специальная теория относительности) и ОТО (общая теория относительности) А.Эйнштейна. 1)СТО устанавливает пространственно-временные свойства тела в зависимости от скорости его движения. В основе лежат 2 постулата: 1. Принцип относительности, согласно которому все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах, Эйнштейн расширил принцип относительности Галилея. 2. Принцип постоянства скорости света, согласно кот. скорость света одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от направления распространения света, а также от движения источника света от наблюдателя (~300 тыс. км/с.). Эйнштейн опирается на экспериментальные опыты (опыт Майкильсона). В результате было поставлено под подозрение существование эфира. В дальнейшем физика отказывается от понятия эфира как от постоянной точки отсчета. Все системы отсчета были признаны равнозначными. Относительность означает, что все системы отсчета одинаковы и нет системы, выступающей эталоном. В общем, из СТО следует, что длина тела и вообще расстояние между двумя материальными точками и длительность происходящих в них процессов, являются не абсолютными, а относительными величинами. При приближении к скорости света все процессы в теле замедляются, а размеры тела сокращаются. Пространство и время не являются абсолютными, т.е. целиком зависят от материальных объектов, в них находятся. СТО показала, что пространство и время тесно связаны между собой. В ходе этих исследований природа стала рассматриваться как организм, в котором все системы взаимосвязаны, т.е. зависят друг от друга. 2) ОТО — в рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, говорится о том, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Таким образом, в ОТО, как и в других метрических теориях, гравитация не является силовым взаимодействием. Общая теория относительности отличается от других метрических теорий тяготения использованием уравнений Эйнштейна для связи кривизны пространства-времени с присутствующей в пространстве материей. ОТО в настоящее время — самая успешная гравитационная теория, хорошо подтверждённая наблюдениями. ОТО — распространяет законы природы на все, в том числе и на неинерциальные системы. Эйнштейн сделал факт равенства инертной массы и гравитационной для любого тела. Массы, создающие поле тяготения искривляют пространство и меняют течение времени. Чем сильнее поле тяготения, тем медленнее течет время, по сравнению с течением времени вне поля. ОТО показала глубинную связь между движением материальных тел; а также и то, что все системы отсчета являются равноценными для описания системы природы.
18. Современные научные представления о физической реальности. Корпускулярно-волновые свойства материи. Корпускулярно-волновой дуализм — это теория о том, что свет представляется на микроуровне одновременно и как мельчайшие частицы (корпускулы), и как волны. В частности, свет — это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны. Корпускулярно-волновой дуализм света означает, что свет одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных фотонов. Этот фундаментальный вывод был сделан физиками в XX века и вытекал из предшествующих представлений о свете. Ньютон считал, что свет — поток корпускул, т. е. поток прямолинейно летящих частиц вещества. Такая теория хорошо объясняла прямолинейное распространение света. Но возникали затруднения при объяснении законов отражения и преломления, а явления дифракции и интерференции совершенно не могли быть объяснены корпускулярной теорией. Поэтому возникла волновая теория света. Эта теория объясняла дифракцию и интерференцию, но возникали трудности с объяснением прямолинейного света.
Только в XIX веке Ж. Френель, используя открытия других физиков, сумел объединить уже выведенные принципы в одну теорию, согласно которой свет — поперечная механическая волна. В дальнейшем Максвелл открыл, что свет — один из видов электромагнитного излучения. Но в начале XX века, благодаря открытиям Эйнштейна представления о свете опять изменились. Свет стал пониматься как поток фотонов. Но определенные свойства света прекрасно объяснялись и волновой теорией.
Свет обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами. При этом существуют следующие закономерности: чем короче длина волны, тем ярче проявляются корпускулярные свойства, чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства. Позднее французский физик Л. де Бройль высказал идею, что корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальную природу, т.е. присущ всем частицам вещества. Позже эта гипотеза подтвердилась экспериментально.
Современная трактовка корпускулярно-волнового дуализма может быть выражена словами физика В. А. Фока (1898—1974): «Можно сказать, что для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна — частица. Всякое иное, более буквальное, понимание этого дуализма в виде какой-нибудь модели неправильно».
19. Основные концепции детерминизма в науке. Детерминизм и причинность в современной физике. Наиболее ясная и точная формулировка сущности классического детерминизма принадлежит П. Лапласу. Действительно, лапласовский детерминизм основывается на представлении, согласно которому весь окружающий нас мир представляет собой огромную механическую систему. Согласно Лапласу, в таком детерминизме не делается никакого различия между движениями «величайших тел Вселенной и легчайших атомов». Разумеется, Лаплас отдавал себе отчет в том, что такая ситуация в реальном мире невозможна и поэтому она представляет собой идеализацию. Но в то же время он верил, что в основе мира лежит именно механистическая концепция, согласно которой Вселенная уподобляется гигантскому механизму, все будущие состояния которого строго детерминированы, или предопределены, его начальным состоянием. Главный недостаток лапласовского, как и любого другого механистического детерминизма состоит прежде всего в том, что он представляет мир, Вселенную как систему, полностью детерминированную исключительно законами механики. В таком мире не было бы ничего неопределенного и случайного. В связи с этим сама случайность, по существу, исключается из явлений природы и общества. Начиная с Демокрита в античной философии и особенно Т. Гоббса (1588—1679) в английской философии Нового времени случайное прежние материалисты определяли как то, «необходимую причину чего нельзя разглядеть». Такой взгляд на случайность был продиктован механицизмом старого метафизического материализма, получившего наиболее яркое выражение во французском материализме XVIII в. Аналогичных воззрений на случайность придерживались многие ученые той эпохи. Тот же Лаплас, например, считал случайным то, причину чего мы не знаем или не можем точно выявить ее следствия. С этих позиций он рассматривает и вероятность, когда указывает, что она «обусловливается отчасти незнанием, а отчасти нашим знанием». В то время как классическая концепция вероятности, нашедшая свое завершение в трудах П. Лапласа, связывает понятие вероятности со степенью нашего незнания, современная частотная, или статистическая, интерпретация вероятности, напротив, подчеркивает объективное содержание понятия вероятности. Она рассматривает вероятность как количественную меру степени возможности событий, определяемую устойчивостью частот случайных массовых событий, происходящих в объективном мире. Таким образом, сторонники механистического материализма абсолютизируют категорию необходимости, признавая подлинными лишь универсальные законы, и исключают случайности из мира. Если последовательно придерживаться такой точки зрения, то неизбежно придется признать и предопределенность всех событий в мире и связанный с ней фаталистический взгляд на мир. Ошибочность таких взглядов заключается в непонимании диалектической взаимосвязи между случайным и необходимым, когда они рассматриваются обособленно и противопоставляются друг другу. В действительности же необходимость возникает как результат взаимодействия множества случайностей, о чем свидетельствуют статистические законы. В свою очередь, случайности выступают и в форме дополнения необходимости, поскольку универсальные или строго детерминистические законы в чистом виде не существуют. При их установлении мы отвлекаемся от некоторых второстепенных факторов, которые рассматриваются при этом как случайные, ибо не оказывают существенного влияния на ход процессов.
4.3. Квантово-полевая картина мира
В конце XIX в. в физике возникла трудность, которая получила название «ультрафиолетовой катастрофы». В соответствии с расчетами по формуле классической электродинамики интенсивность теплового излучения абсолютно черного тела должна была неограниченно возрастать, что противоречило эксперименту. В процессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планк (1858-1947) назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах теплового излучения энергия может излучаться только отдельными порциями (корпускулами, квантами), т.е. излучение, как и поглощение, всегда дискретно. Сумма энергий этих мельчайших порций энергии – квантов определяется через частоту колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под символом h и которая получила название постоянной Планка.
Тогда энергия
E = h∙ν,
где ν – частота;
h = 6,62·10-34 Дж·с.
Если введение понятия кванта еще не создало настоящей квантовой теории, как неоднократно подчеркивал М. Планк, но все же 14 декабря 1900 г., когда была представлена зависимость E = h∙ν, считается днем рождения квантовой теории.
А. Эйнштейн в 1905 г. использовал гипотезу М. Планка применительно к свету и пришел к выводу, что следует признать его корпускулярную природу. Для световых явлений характерен дуализм (двойственность). С одной стороны, свет – это распространяющейся в мировом пространстве волновой процесс. С другой стороны, при излучении и поглощении атомами вещества свет ведет себя как некая частица – фотон, имеющий дискретное значение энергии. В этом случае свет может рассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов, или фотонов. В опытах по дифракции и интерференции проявляются волновые свойства света, а при фотоэффекте – корпускулярные. При этом фотон оказывает корпускулой совершенно особого рода.
Представление о квантах электромагнитного поля – фотонах – один из наиболее фундаментальных вкладов в разработку квантовой теории. Уже поэтому А. Эйнштейн должен рассматриваться как один из величайших ее создателей.
В 1924 г. французский физик Л. де Бройль (1875-1960) выдвинул идею о дуализме материи. По его мнению, волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Это позволило построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства вещества и поля в их единстве. Кванты света становились при этом особым моментом всеобщего строения микромира. Наиболее убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение дифракции электронов, нейтронов, атомов, молекул и открытие новых элементарных частиц, предсказанных на основе развитой волновой механики. Впервые явление дифракции электронов было обнаружено в 1927 г. американскими физиками К. Дэвиссоном (1902-1984) и Л. Джермером (1896-1971) на кристалле никеля. В одних экспериментах электрон обнаруживал типично корпускулярные свойства, а в других – волновые. Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств. Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица, и как волна, разрушил традиционные представления. Частица подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как волна распространяется во всем его объеме.
Концепции квантовой механики
Экспериментальное подтверждение идеи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, ограниченность применения классической механики к микрообъектам, диктуемые принципами дополнительности и неопределенности, а также противоречие целого ряда экспериментов применяемым в начале XХ в. теориям привели к новому этапу развития физических представлений об окружающем мире, и в особенности микромире – созданию квантовой механики, описывающей свойства микрочастиц с учетом их волновых особенностей. Ее создание и развитие охватывает период с 1900 г. (формулировка М. Планком квантовой гипотезы) до 20-х годов XX в. Оно связано с работами австрийского физика Э. Шредингера (1887-1961), немецкого физика В. Гейзенберга (1901-1976) и английского физика П. Дирака (1902-1984).
Принцип неопределенности
Согласно двойственной корпускулярно-волновой природе частиц вещества, для описания свойств микрочастиц используются либо волновые, либо корпускулярные представления.
Возникает необходимость введения некоторых ограничений в применении к объектам микромира понятий классической механики.
В классической механике всякая частица движется по определенной траектории, так что в любой момент времени точно фиксированы ее координата и импульс. Микрочастицы из-за наличия у них волновых свойств существенно отличаются от классических частиц. Одно из основных отличий заключается в том, что нельзя говорить о движении микрочастицы по определенной траектории и об одновременных точных значениях ее координаты и импульса. Это следует из корпускулярно-волнового дуализма. Так, понятие «длина волны в данной точке» лишено физического смысла, а поскольку импульс выражается через длину волны, то микрочастица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату. И наоборот, если микрочастица находится в состоянии с точным значением координаты, то ее импульс является полностью неопределенным.
Немецкий ученый В. Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные с волновыми свойствами ограничения в их поведении, пришел в 1927 г. к выводу о том, что объект микромира невозможно одновременно с любой наперед заданной точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Согласно соотношению неопределенностей микрочастица (микрообъект) не может иметь одновременно координату х и определенный импульс р, причем произведение их неточностей не должно превышать постоянную Планка:
∆х∙∆р = h;
где ∆х – изменение координат;
∆р – изменение импульса.
Границы, которые устанавливаются этим принципом, не могут быть преодолены путем совершенствования средств измерения. Поэтому принцип неопределенности считается фундаментальным положением квантовой механики и фигурирует в ней во всех рассуждениях.
Принцип дополнительности. Для описания микрообъектов Н. Бор сформулировал в 1927 г. принципиальное положение квантовой механики – принцип дополнительности, согласно которому получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. В микромире корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как в мире больших тел. Обе «картины» законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными. Только при учете обоих аспектов можно получить общую картину микромира.
Такими взаимно дополнительными величинами можно считать координату частицы и ее скорость (или импульс). В общем случае дополнительности друг к другу являются физические величины, которым соответствуют операторы, не коммутирующие между собой, например, направление и величина момента импульса, кинетическая и потенциальная энергия.
С физической точки зрения принцип дополнительности часто объясняют влиянием измерительного прибора (макрообъекта) на состояние микрообъекта. При точном измерении одной из дополнительных величин (например, координаты частицы) с помощью соответствующего прибора другая величина (импульс) в результате взаимодействия частицы с прибором претерпевает полностью неконтролируемое изменение. Подобное воздействие не фигурирует в классической механике. В макромире, в котором мы живем, мы не замечаем влияния приборов наблюдения и измерения на макротела, которые изучаем, поскольку практически такое влияние чрезвычайно мало и поэтому им можно пренебречь. В этом мире как приборы и инструменты, так и сами изучаемые тела характеризуются тем же порядком величин. Имеется 2 класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других – подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообъектом. М. Борн образно заметил, что волны и частицы – это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию. Н. Бор считал, что физик познает не саму реальность, а лишь собственный контакт с ней.
Описание состояния в квантовой механике. Волновая функция
Принципиальное отличие квантовой механики от классической состоит в том, что ее предсказания всегда имеют вероятностный характер. Это означает, что мы не можем точно предсказать, в какое именно место попадет, например, электрон в рассмотренном выше эксперименте, какие бы совершенные средства наблюдения и измерения ни использовали. Можно оценить лишь его шансы попасть в определенное место, а, следовательно, применить для этого понятия методы теории вероятностей, которая служит для анализа неопределенных ситуаций.
Идеалом классической механики было стремление к точному и достоверному предсказанию изучаемых явлений и событий. Действительно, если полностью заданы положение и скорость движения механической системы в данный момент времени, то уравнения механики позволяют с достоверностью вычислить координаты и скорость ее движения в любой заданный момент времени в будущем или прошлом. В самом деле, небесная механика, опираясь на этот принцип, дает на много лет вперед точные и достоверные прогнозы о солнечных и лунных затмениях. Отсюда следует, что при таких прогнозах никак не учитывается изменение событий во времени, но самое главное состоит в том, что классическая механика абстрагируется от многих усложняющих факторов. Она, например, рассматривает планеты, движущиеся вокруг Солнца, как материальные точки, поскольку расстояние между ними гораздо больше, чем размеры самих планет. Поэтому для предсказания движения планет вполне допустимо рассматривать их как такие точки, т.е. геометрические точки, в которых сконцентрирована вся масса планет. Мы не говорим о том, что для определения положения и скорости их движения можно отвлекаться от многих других факторов, например, от воздействия других систем в Галактике, движения самой Галактики и т.п. Благодаря такому упрощению реальной картины, ее схематизации возможны точные предсказания о движении небесных тел.
Ничего подобного не имеется в мире мельчайших частиц, о свойствах которых мы можем судить лишь косвенно по показаниям наших макроскопических приборов. Поведение микрообъектов совершенно не похоже на поведение окружающих нас макротел, из наблюдения и изучения которых накапливается наш опыт.
Понятие волн де Бройля
С возникновением квантовой механики возникла проблема, связанная с пониманием физической природы волн де Бройля. Для ее выяснения рассмотрим дифракцию микрочастиц. Дифракционная картина, наблюдаемая для микрочастиц, характеризуется неодинаковым распределением их потоков, рассеянных или отраженных по различным направлениям. Наличие максимумов в дифракционной картине с точки зрения волновой теории означает, что эти направления соответствуют наибольшей интенсивности волн де Бройля. С другой стороны, интенсивность этих волн оказывается выше там, где имеется большее число частиц, т.е. в данной точке пространства она определяет число частиц, попавших в нее. Таким образом, дифракционная картина для микрочастиц – это проявление статистической (вероятностной) закономерности.
Необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц – важная отличительная особенность квантовой теории. Можно ли волны де Бройля истолковывать как волны вероятности, т.е. считать, что вероятность обнаружить микрочастицы в различных точках пространства меняется по волновому закону? Такое истолкование волн де Бройля неверно уже хотя бы потому, что тогда вероятность обнаружить частицу в некоторых точках пространства может быть отрицательна, что не имеет смысла.
Чтобы устранить эти трудности, немецкий физик М. Борн (1882-1970) в 1926 г. предложил, что по волновому закону меняется не сама вероятность, а амплитуда вероятности, названная волновой функцией. Описание состояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический, вероятностный характер.
Квадрат модуля волновой функции (квадрат модуля амплитуды волн де Бройля) определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченном объеме.
Итак, в квантовой механике состояние микрочастиц описывается принципиально по-новому – с помощью волновой функции, которая является основным носителем информации об их корпускулярных и волновых свойствах.
Статистическое истолкование волн де Бройля и соотношение неопределенностей В. Гейзенберга привели к выводу, что уравнением движения в квантовой механике, описывающим движения микрочастиц в различных силовых полях, должно быть уравнение, из которого вытекали бы наблюдаемые на опыте волновые свойства частиц.
Основное уравнение квантовой механики сформулировано в 1926 г. Э. Шредингером (рис. 13).
Рис. 13. Уравнение Шредингера
(эволюция волновой функции Ψ
определяется оператором
Гамильтона H, который связан
с энергией рассматриваемой системы)
Уравнение Шредингера, как и все основные уравнения физики (например, уравнения Ньютона в классической механике и уравнения Максвелла для электромагнитного поля) не выводятся, а постулируются. Правильность уравнения Шредингера подтверждается согласием с опытом получаемых с его помощью результатов, что, в свою очередь, придает ему характер закона природы.Принцип суперпозиции в описании явлений природы
Принцип суперпозиции (принцип наложения) – один из общих законов физики. Самая простая формулировка принципа суперпозиции в классической физике такова: результат воздействия на частицу нескольких внешних сил есть сумма результатов воздействия каждой из них, или: результирующий эффект от нескольких независимых воздействий представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействием в отдельности.
Принцип суперпозиции важен в механике, используется в теории колебаний и волн, физических полей, электростатике и электродинамике, квантовой механике, оптике. В электростатике и электродинамике в соответствии с принципом суперпозиции утверждается, что электростатический потенциал, создаваемый в данной точке системой зарядов, есть сумма потенциалов отдельных зарядов. В данном случае принцип суперпозиции – следствие того факта, что потенциальную энергию электростатического взаимодействия системы зарядов можно подсчитать, вычислив потенциальную энергию каждой пары зарядов. Электростатический принцип суперпозиции не является незыблемым законом природы. Это всего лишь следствие линейности уравнений классической электродинамики, и поэтому за пределами ее применимости принцип суперпозиции может быть нарушен. Так, достаточно сильное гравитационное поле не удовлетворяет принципу суперпозиции, поскольку оно описывается нелинейными уравнениями Эйнштейна. Макроскопическое электромагнитное поле в веществе также не подчиняется принципу суперпозиции в силу зависимости свойств вещества от внешнего поля.
В квантовой механике принцип суперпозиции относится к волновым функциям, если физическая система может находиться в состояниях, описываемых двумя (или несколькими) волновыми функциями. То есть она может также находиться в состоянии, описываемом любой линейной комбинацией этих функций. В квантовой механике принцип суперпозиции является одним из основных постулатов наравне с соотношением неопределенности.
В теории классических полей принцип суперпозиции – положение, согласно которому суперпозиция как результат суммирования любых допустимых в данных условиях состояний физической системы или возможных процессов в ней является также допустимым состоянием или возможным процессом. Например, классическое электромагнитное поле в вакууме удовлетворяет принципу суперпозиции: сумма любого числа электромагнитных полей есть также электромагнитное поле. В силу принципа суперпозиции электромагнитное поле, созданное совокупностью электрических зарядов и токов, равно сумме полей, создаваемых этими зарядами и токами по отдельности. Слабое гравитационное поле также подчиняется принципу суперпозиции.
Принцип суперпозиции справедлив только для систем и полей, описываемых линейными уравнениями и соотношениями. Например, если среда, в которой распространяется волна, линейна, т.е. ее свойства не меняются под действием возмущений, создаваемых волной, то все эффекты, вызванные негармонической волной, могут быть определены как сумма эффектов, создаваемых каждой из ее гармонических составляющих. Именно линейность фундаментальной теории в рассматриваемой области физики есть причина возникновения в ней принципа суперпозиции. Он не работает в нелинейных системах (например, в общей теории относительности), а также при описании взаимодействий атомов и молекул.
Философские выводы из квантовой механики
Принцип неопределенности тесно связан с фундаментальной проблемой научного познания, обусловленного взаимодействием объекта и субъекта, которая имеет философский характер. Что нового дает квантовая механика для ее понимания? Прежде всего, она ясно показывает, что субъект, т.е. физик, исследующий мир мельчайших частиц материи, не может не воздействовать своими приборами и измерительными устройствами на эти частицы. Классическая физика тоже признавала, что приборы оказывают свое возмущающее влияние на изучаемые процессы, но оно было там настолько незначительно, что им можно было пренебречь. Совсем иное мы имеем в квантовой механике, ибо приборы и измерительные устройства, используемые для изучения микрообъектов, являются макрообъектами. Поэтому они вносят такие возмущения в движения микрочастиц, что в результате их будущие состояния нельзя определить точно и достоверно. Стремясь точно определить один параметр, получают неточность в измерении другого.
Важнейший философский вывод из квантовой механики заключается в принципиальной неопределенности результатов измерения и, следовательно, невозможности точного предвидения будущего.
Однако отсюда вовсе не следует, что предсказания в области микромира совершенно невозможны. Речь идет только о том, что воздействия приборов наблюдения и измерения на мельчайшие частицы материи сказываются на их поведении значительно сильнее, чем на поведении макротел. Однако даже в области макромира абсолютно точное предсказание осуществить невозможно. Тем более это касается недоступного нашим чувствам микромира. Неудивительно поэтому, что после возникновения квантовой механики многие заговорили о полной непредсказуемости будущего, «свободе воли» электрона и подобных ему частиц, господстве случайности в мире и отсутствии в нем детерминизма.
