Современная физическая картина мира

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Современная физическая картина мира

1. На пороге двух веков: вторая революция в физике

В работах, посвященных принципиальным вопросам физики, А. Эйнштейн вводит понятие программы Максвелла. Суть этой программы состояла в признании электромагнитного поля новым типом реальности, не требующим, чтобы его сводили к реальностям, характерным для механической картины мира. Поле есть новая фундаментальная характеристика физической реальности, и при построении новых разделов физики теоретические представления о поле должны выступать в качестве первичных, исходных. Эйнштейн указывал, что «…электромагнитное поле является первичной, ни к чему не сводимой реальностью, и поэтому совершенно излишне постулировать еще и существование однородного изотропного эфира и представлять себе поле как состояние этого эфира…». Хотя сам Эйнштейн полностью стоял на позициях полевой программы и до конца жизни пытался построить единую теорию поля, которая охватывала бы и квантовые процессы, он должен был признать, что эта программа с самого начала столкнулась с принципиальными трудностями. Удачные физические построения, которые с тех пор выдвигались, скорее представляли собой компромисс между двумя программами - Ньютона и Максвелла. Именно благодаря своему компромиссному характеру они носили печать временности и логической неполноты, хотя в отдельных задачах и приводили к существенным успехам (стоит отметить, например, электронную теорию Лоренца, в которой поле и электрически заряженные частицы выступают как взаимодействующие элементы). Как видим, проблема соединения в физической картине мира теоретических образов поля (волн) и частиц возникла еще до появления квантовой теории. И теория Максвелла была лишь первым шагом в революционном изменении физической картины мира.

При этом было необходимо найти новый образ фундаментального элементарного объекта теории, отражающего физическую реальность нового типа. Этот образ Эйнштейн нашел, вводя понятие физического события в качестве фундаментального элемента новой картины мира, замещающего образ материальной точки: «…О точках пространства и о моментах времени говорили так, как будто они были объективной реальностью. Не замечалось, что истинным элементом пространственно-временной локализации является событие, определенное четырьмя числами . Представление о чем-либо происходящем есть всегда представление о четырехмерном континууме событий. Физической реальностью обладает не точка пространства и не момент времени, когда что-либо произошло, а только само событие… Законы природы примут наиболее удовлетворительный, с точки зрения логики, вид, будучи выражены как законы в четырехмерном пространственно-временном континууме….»

Таким образом, физическая картина мира Галилея-Ньютона, в которой мир отображен как множество материальных точек, движущихся в пространстве с течением времени, замещается теперь картиной мира, представленной множеством точечных пространственно-временных событий.

Переход к новой картине мира сопровождался достаточно мучительным процессом исключения из теории фиктивных образов, в первую очередь понятия эфира с механическими свойствами. По убеждению Эйнштейна, и специальная, и общая теория относительности основываются на полевых представлениях (поле и есть эфир в новом его понимании). В общей теории относительности, также как и в специальной, физическая реальность представлена опосредованно через множество событий и отношения между событиями. В таком случае нет основания утверждать, будто бы в общей теории относительности физические поля теряют реальность и заменяются геометрией. Поля реально существуют, в том числе и гравитационные, но в теории реальность полей отражена через образы отношений между физическими событиями. Эйнштейн указывает «… пустое пространство, то есть пространство без поля, не существует. Пространство-время существует не само по себе, но только как структурное свойство поля…».

Но революцию, начатую введением поля, никак нельзя было считать окончено. Еще не успели утихнуть страсти, вызванные сменой физической картины мира Ньютона релятивистской картиной Максвелла-Эйнштейна, как появились признаки новой волны революционных изменений в физике. Несоответствия между теорией и экспериментом были обнаружены как в сфере применения молекулярно-кинетической концепции, так и в сфере применения теории электромагнитного поля.

Молекулярно-кинетическая теория, на первых порах прекрасно развивающая теорию Ньютона, оказалась неудовлетворительной при попытках построить теоретические образы сложных молекул и подсчитать теплоемкость газов из многоатомных молекул. Кроме этого, применение теоретических моделей электродинамики Максвелла и общих принципов термодинамики к объяснению характеристик теплового излучения атомов привело к результатам, расходящимся с данными реальных экспериментов. Эти проблемы были названы Дж. Томсоном «небольшими облачками» на ясном небосводе теоретической физики. Но они, как оказалось, предвещали целую бурю. Вскоре было установлено, что взаимодействие света с веществом имело одним из своих следствий выбивание электронов из металла. Процесс осуществлялся так, как если бы свет представлял собой поток частиц, а не волны электромагнитного поля. Позже опыты Э. Резерфорда (1871 - 1937 г.г.) показали, что атом можно рассматривать как миниатюрную солнечную систему. Однако, применение образов и законов классической механики к движению электрона в атоме привело к парадоксу: электрон за коротко время дожжен был столкнуться с ядром. Таким образом, теоретически атом не мог быть объяснен как устойчивое образование, тогда как все экспериментальные данные свидетельствовали об обратном.

Все эти проблемы означали кризис всех известных в то время способов понимания физических явлений, это был одновременно и кризис сразу двух программ - и ньютоновской, и максвелловской.

Первым шагом на пути построения новой физики, получившей название квантовой, явилась сформулированная в 1900 году гипотеза М. Планка (1858 - 1947 г.г.), согласно которой признавалась дискретная форма излучения света атомами. В 1905 г. Эйнштейн высказал предположение, что свет не только излучается, но и распространяется, а также поглощается отдельными порциями. В 1913 году Н. Бор и А. Зоммерфельд предложили модель атома водорода, построенную на основе соединения классических представлений с квантовыми постулатами, а в 1924 году Де Бройль формулирует общий принцип - принцип корпускулярно-волнового дуализма, на основе которого могла быть построена новая физическая теория. В 1926 году Э. Шредингер (1887-1961 г.г.) записал свое знаменитое волновое уравнение, ставшее основой волновой механики. Таким образом, к 1927 году усилиями целого ряда ученых появившаяся новая физическая теория приобрела относительно завершенную форму. От первоначальной гипотезы М. Планка этот момент отделен целым поколением.

Однако, необычные принципы новой теории при каждой попытке осмыслить их содержание с помощью фундаментальных представлений предшествующих картин мира - образов частиц или полей - приводили к новым парадоксам. И опять, теперь уже в связи с квантовой теорией, в физике возник кажущийся эффект исчезновения объективной реальности, а заодно и причинности. Философские дискуссии, проводившееся повсеместно в связи с этим, отличались необычайной остротой и затяжным характером. Оказалось, что движение и взаимодействие квантовых объектов никак не удавалось объяснить с помощью конструктивных моделей, для построения которых использовались и образы корпускул, и образы распространяющихся в пространстве волн и даже комбинированный образ волны-пилота. В дискуссиях вокруг квантовой теории был поставлен под сомнение привычный для методологии естествознания принцип, согласно которому все процессы, происходящие в условиях, когда их наблюдает субъект, происходит в принципе таким же образом и тогда, когда их никто не наблюдает.

Реальное развитие физики 20 века осуществлялось далеко не в соответствии с этим принципом наблюдаемости. Выдвигая гипотезы и проверяя их в экспериментах и практике, наука далеко выходила за пределы «непосредственно данного», познает сущность вещей, объективные законы их взаимодействия, внутренние причины явлений. Именно эти факты привели к развитию квантовой физики. В соответствии с принципом наблюдаемости всех характеристик микрообъектов физическая картина в квантовой механике должна была стать картиной процессов измерения. Поэтому основное философское значение квантовой теории состоит не только в изменении существующих на заре ее возникновения представлений о физической реальности, но и в радикальном изменении самого способа физического познания.

Источник возникшей в квантовой механике проблемы «исчезнувшей» объективной реальности - непригодность имевшихся ранее картин мира для понимания физического смысла каких-либо уравнений теории. Эти отсутствующие образы не могли быть заменены общими рассуждениями об особенностях человеческого познания. Разрешение возникшей проблемы лежало на пути создания новых образов физической картины квантового мира. Вопрос этот оказался совсем не простым, а дискуссии вокруг контуров физической картины квантового мира продолжаются и по сей день.

И всё же теория атома Бора, а также экспериментально подтверждённая гипотеза де Бройля не оставили сомнений в том, что корпускулярно-волновой дуализм присущ не только фотонам, но и электронам, а значит, и любым другим микрочастицам. Макрочастицы могут быть, в отличие от микрочастиц, практически независимо от Вселенной совершающими своё движение. Случайное в поведении множества микрочастиц, составляющих макрочастицу, усредняясь по этому множеству, превращается в достаточно хорошо определяемое среднее, а от остальных макрочастиц выбранная макрочастица или их система могут быть изолированы. Таким образом, макрочастицы или их системы действительно можно рассматривать как части целого, независящие от остальных частей системы, а механика макрочастиц может быть построена по законам формальной логики.

Постепенно утвердилось представление о том, что свет, традиционно считавшийся волновым образованием, при излучении, поглощении и, как в своё время показал Эйнштейн, даже при распространении ведёт себя подобно совокупности каких-то частиц (квантов, фотонов). Однако это не было простым возвратом к ньютоновской корпускулярной теории света. Нельзя смотреть на фотоны как на обычные частицы света, аналогичные материальным точкам классической механики и движущиеся по определённым траекториям в пространстве. Это видно уже из того, что фотонам свойственна интерференция и дифракция. Они обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Причём, подобным симбиозом (сочетанием) противоположных свойств обладают не только фотоны, но и все остальные микрообъекты. Такая особенность фотонов и других микрочастиц и была названа корпускулярно-волновым дуализмом.

Было сделано множество попыток объяснить корпускулярно-волновой дуализм не выходя за рамки классических теорий. Одной из таких попыток была идея, которой некоторое время придерживался Э. Шредингер. Он полагал, что никакого дуализма на самом деле нет, а существуют только волны. Частицы же представляют собой суперпозиции волн. Согласно математической теореме Фурье из волн различных частот и направлений всегда можно составить волновой пакет, т.е. такое волновое образование, что при наложении в определенный момент времени волны усилят друг друга в некоторой малой области пространства, а вне этой области они полностью погасятся. И такой волновой пакет нам кажется частицей. Однако в этой гипотезе есть слабое место. Дело в том, что волновой пакет не является устойчивым образованием. Монохроматические волны различных частот, из которых образован пакет, будут расходиться с различными фазовыми скоростями. Сначала это приведет к деформации волнового пакета, его расплыванию, а затем к полному распаду. Следовательно, частица, если бы она действительно представляла собой волновой пакет, должна была бы быть неустойчивой и быстро распадалась бы. Понятно, что это абсолютно не соответствует действительности. Таким образом, микрочастица никак не может быть чисто волновым образованием, т.е. волновым пакетом из волн Де Бройля.

Была и противоположная точка зрения на проблему реальности корпускулярно-волнового дуализма. Существуют лишь частицы, а волны являются их образованиями, т.е. возникают в среде, образованной этими частицами, наподобие звуковых волн в воздухе. Но такая среда должна быть достаточно плотной, так как о волнах в среде имеет смысл говорить лишь в том случае, когда среднее расстояние между частицами среды намного меньше, чем длина волны. Поэтому с поиском претендента на такую среду возникли бы большие проблемы, если бы не еще одно «но». Дело в том, что согласно этой гипотезе, волновые свойства принадлежат системам частиц, а не каждой частице в отдельности. Однако опыты по дифракции с использованием слабых электронных пучков убедительно доказали, что волновые свойства присущи именно каждому отдельному электрону.

Таким образом, попытки истолковать корпускулярно-волновой дуализм в духе представлений классической физики оказались безнадёжными. Придумать же непротиворечивую модель микрочастицы в виде волны и корпускулы одновременно тоже не удалось. Человеческое воображение не в состоянии создать образ, обладающий одновременно и свойствами корпускулы, и свойствами волны. Но природа богаче воображения человека. Поэтому при её изучении надо руководствоваться не тем, что доступно воображению человека, а тем, что дают наблюдения и опыт. А они показывают исключительную своеобразность микрообъектов и законов их движения. Именно в связи с этим возникает необходимость использования для описания процессов и явлений микромира моделей, построенных на основе сосуществующих противоположностей (непрерывность и дискретность, необходимость и случайность, возможность и действительность и т.д.).

Очень наглядной иллюстрацией реальности корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц может послужить так называемый мысленный эксперимент Бора. Этот эксперимент называется мысленным, так как не может быть проведен в действительности, но он является схематичным отражением существенных особенностей множества реальных опытов, которые в совокупности дают рассматриваемые ниже результаты.

Суть мысленного эксперимента Бора заключается в сравнении двух интерференционных картин, полученных при прохождении потока микрочастиц через две щели. Одну из них получают на фотопластинке при обеих открытых щелях 1 и 2 в течение некоторого времени экспозиции. Другую фотопластинку экспонируют в течение того же времени при открытой только первой щели, а затем в течение такого же промежутка времени при открытой только второй щели. На обеих фотопластинках в результате экспонирования возникает примерно одинаковое число претерпевших химические изменения фоточувствительных элементов фотоэмульсии, имеющих вид тёмных точек, так как любые микрочастицы являются неделимыми и производят химическую реакцию только в одном таком элементе чувствительного слоя (подобно тому, как проявляется неделимость фотонов в фотоэффекте). Там, где тёмные точки сгущаются, на фотопластинке образуются тёмные полосы, а в других местах - светлые. Таким образом, на каждой фотопластинке возникает система чередующихся тёмных и светлых полос.

Этот эксперимент можно назвать критическим, так как классическая механика предсказывает результат, принципиально отличающийся от результата, который соответствует установленной на опыте двойственности микрочастиц. Ведь если каждый электрон, как неделимая частица в классической механике, имеет траекторию, то он может проходить только через одну щель, и на его движении не должно сказываться состояние (открытое или закрытое) другой щели. В самом деле, если открыть только первую щель, то мы получим на фотопластинке напротив этой щели размытую полосу потемнения с распределением интенсивности I₁(x) (Рис. 5). Размытость полосы объясняется взаимодействием электронов с краями щели. Закрыв первую щель и открыв вторую, мы получим дополнительную полосу потемнения с распределением I₂(x), но напротив второй щели. Таким образом, на первой фотопластинке будет две темных полосы. Если же мы возьмем вторую пластинку и будем пропускать электроны сразу через обе щели, то, согласно классической теории, мы должны получить в результате распределение I₃(x), представляющее собой сумму интенсивностей I₁(x) и I₂(x), или простое наложение темных полос от первой и второй щелей. Следовательно, классическая механика предсказывает, что картины на обеих фотопластинках должны быть одинаковыми.

Однако в действительности, возникающие на этих пластинках картины, являются дифракционными и поэтому они различны. Так на второй пластинке, где картинка получена при обеих одновременно открытых щелях, результат оказывается неожиданным для классической физики. Здесь мы обнаруживаем распределение I(x). Такое распределение явно указывает на волновые свойства объектов, образовавших его. Причем следует отметить, что волновые свойства присущи именно каждому отдельному электрону, а не всему потоку. На основе этого эксперимента можно сделать только следующий вывод: микрочастица не может иметь определенной траектории и распространяется подобно волне.

Таким образом, причина различия систем полос на обеих пластинках в том, что микрочастицы, представляя собой некоторое волновое поле, как и электромагнитная волна, проходят сразу через все открытые щели, а затем волна, прошедшая через одну из щелей, интерферирует с волнами, прошедшими через другие открытые щели, если они имеются. Следовательно, система полос на первой фотопластинке, возникающая при участии такой интерференции, будет отличаться от второй, где такая интерференция роли не играла, так как во втором случае щели открывали поочерёдно.

Возникает и еще один вопрос. Почему одинаковые микрочастицы, вылетающие из одного и того же источника (его можно считать точечным) и с одинаковыми импульсами, пройдя одну и ту же систему щелей, попадают в разные точки фотопластинки? Это может означать только то, что для каждой микрочастицы, вылетевшей из источника, существует зависящее от времени распределение вероятностей ее нахождения в различных областях пространства между источником и фотопластинкой включительно. В те места фотопластинки, где эта вероятность мала, микрочастицы попадать не могут (светлые полосы), а те места, где после эксперимента получаются темные полосы, характеризуются большей вероятностью. Такое распределение вероятностей должно задаваться некоторой функцией координат частицы и времени, которая, по предложению Де Бройля, описывает некоторую волну, распространяющуюся в пространстве (в более общем случае, в особом многомерном пространстве), способную, как пилот, управлять движением частицы, и как любая волна, - дифрагировать на щелях, а затем интерферировать. Эту функцию называют волновой функцией и обозначают чаще всего буквой . Волна-пилот и её математический образ - волновая функция - являются носителями волновых свойств микрочастиц.

Вероятностное поведение характерно не только для электронов, но и для квантов света - фотонов. Так, например, известно, что если использовать линейно-поляризованный свет для вырывания фотоэлектронов, то вылетающие электроны будут иметь определённое преимущественное направление. Это свидетельствует о том, что свойства поляризации света тесно связаны с его корпускулярными свойствами, а, значит, определённую поляризацию можно приписать отдельному фотону. То есть можно говорить, что каждый отдельный фотон находится в некотором состоянии поляризации. Тогда линейно-поляризованный в некотором направлении пучок света может рассматриваться как состоящий из фотонов, каждый из которых поляризован в том же направлении. Теперь проверим, как согласуются эти идеи с фактами, известными из опыта по разложению света на поляризованные компоненты и обратному сложению этих компонент.

Рассмотрим кристалл турмалина, который пропускает только свет, поляризованный в направлении, перпендикулярном главной оптической оси кристалла, и будем пропускать через него пучок поляризованного света. Из опыта известно, что если падающий пучок света поляризован перпендикулярно главной оптической оси, то он полностью пройдёт через кристалл. Если направление поляризации света параллельно оси, то он не пройдёт вовсе. Если же свет поляризован под некоторым углом к главной оптической оси кристалла, то через кристалл пройдёт только часть светового пучка, пропорциональная . Как же можно истолковать такие результаты, имея в виду идею об индивидуальной поляризации каждого фотона? В случае поляризации падающих на кристалл турмалина фотонов перпендикулярно или параллельно оптической оси кристалла все они, соответственно, пройдут или не пройдут через кристалл. Но если все фотоны поляризованы под некоторым углом к оси, то каким образом решается вопрос о том, проходить фотону или поглотиться?

Оказывается, вопрос о том, что происходит с отдельным фотоном в определённых условиях, на самом деле не является вполне законным. Более правильным будет вопрос о том, каковы будут результаты опыта по прохождению через кристалл турмалина фотона, поляризованного под углом к главной оптической оси. Только на такой вопрос можно получить ответ с помощью эксперимента, и только такие вопросы должна рассматривать теоретическая физика микромира.

Опыт показывает, что в случае поляризации фотона под углом к главной оптической оси, мы иногда обнаружим его с другой стороны кристалла, а иногда - нет. Причём с другой стороны кристалла никогда не будет обнаружена часть фотона, прошедшие же фотоны будут иметь поляризацию, перпендикулярную главной оптической оси кристалла. Фотон или полностью проходит, сохраняя свою энергию и меняя поляризацию на перпендикулярную к оси, или полностью поглощается. Если же повторить этот опыт много раз, то число прошедших фотонов будет составлять долю от числа фотонов в исходном пучке, а число поглощённых фотонов будет составлять долю от исходного числа фотонов. То есть, мы можем сказать, что фотон с вероятностью может пройти сквозь кристалл турмалина и оказаться поляризованным перпендикулярно его оптической оси и с вероятностью может поглотиться. Такие результаты полностью согласуются с выводами классической теории.

Таким образом, мы, лишь отказавшись от классического детерминизма, можем сохранить подтверждаемую экспериментом индивидуальность фотона во всех случаях. Получается, что результаты опыта не определяются однозначно условиями, находящимися во власти экспериментатора, как это должно быть по классическим представлениям. Оказывается, самое большое, что мы можем предсказывать, это совокупность возможных результатов и вероятность появления каждого из них. Как бы фотон сам имеет свободу выбора конкретного результата конкретного опыта.

Таким образом, приведённые выше рассуждения позволяют ответить на все законные вопросы о том, что произойдёт с фотоном, когда он достигнет турмалина. Вопросы же о том, как именно происходит выбор, и каким образом фотон меняет ориентацию поляризации не могут быть решены в механике, рассматривающей фотон как изолированную от вакуума частицу. Однако для того, чтобы иметь возможность связать результаты этого и других экспериментов в общую схему, позволяющую применять математические законы для обработки экспериментальных данных, необходима механика с диалектической логикой. Такое описание не следует рассматривать как попытку ответить на вопросы, лежащие за пределами науки. Это всего лишь вспомогательное средство для формулировки правил, выражающих в сжатой форме все результаты многочисленных опытов.

В квантовой механике используется такое более подробное описание, согласно которому фотон, поляризованный под углом к главной оптической оси, рассматривается как находящийся частично в состоянии поляризации, параллельной оси, и частично в состоянии поляризации, перпендикулярной оси. То есть, фотон находится в состоянии, которое напоминает классическое наложение, суперпозицию двух пучков с взаимно перпендикулярными направлениями поляризации и разными интенсивностями. Однако теперь такое соотношение между различными состояниями поляризации применяется не к пучкам, а к двум состояниям поляризации отдельного фотона. Таким образом, состояние с любой поляризацией можно разложить на два взаимно перпендикулярных состояния поляризации, то есть, представить любое состояние как суперпозицию двух других.

Тогда, пропуская фотон через кристалл турмалина, мы устанавливаем, поляризован ли он параллельно или перпендикулярно оптической оси. В результате этого наблюдения мы либо переводим фотон полностью в состояние параллельной поляризации, либо полностью в состояние перпендикулярной поляризации. Фотон, следовательно, в момент прохождения кристалла делает скачок от частичного пребывания в обоих состояниях к пребыванию целиком в каком-то одном состоянии. В какое из двух состояний произойдёт скачок точно предсказать нельзя: здесь действуют вероятностные законы, и мы можем предсказать лишь вероятность каждого такого скачка. Если скачок произойдёт в состояние с параллельной поляризацией, то фотон полностью поглотится. Если же скачок будет в состояние с перпендикулярной поляризацией, то фотон пройдёт через кристалл и, выйдя из него, сохранит это состояние поляризации.

Итак, исходя из обширного экспериментального материала, сконцентрированного в мысленном эксперименте Н. Бора и других опытах, следует признать, что поведение микрочастицы имеет вероятностный характер. То есть, в отличие от классической механики, где движение любого тела могло быть описано с помощью динамических законов, в квантовой механике приходилось иметь дело с вероятностями и статистическими законами.

Проявление одним микрообъектом в различных условиях противоположных, несовместимых с классической точки зрения, свойств и вероятностный характер поведения микрообъектов в наибольшей степени могут быть отражены в дуалистической модели. Согласно этой модели микрообъект представляет собой взаимосвязанные сердцевину, материальную составляющую - носительницу всех физических свойств микрочастицы (энергии , заряда, массы и т. п.), которые могут изменяться при её взаимодействии, например, с некоторым атомом вещества, и идеальную составляющую - информационное поле (её волну Де Бройля, или волну-пилот), объемлющую всё пространство. То есть, в квантовой механике микрочастица - сосуществующее материальное и идеальное. Что касается материальной составляющей, то она более привычна и в связи с ней вопросов не возникает. Идеальная же составляющая проявляется здесь впервые и поэтому требует большего внимания и разъяснений.

Идеальная составляющая - информационное поле - названо так в силу того, что оно несёт информацию о вероятностях нахождения материальной составляющей в различных точках пространства в процессе движения. В зависимости от окружающих микрочастицу условий информационное поле меняется, то есть меняется распределение вероятностей в пространстве. Причём информационное поле обладает завидной "проникающей способностью", так что оградить микрочастицу от окружающего мира практически невозможно. В этом проявляется диалектический принцип единства части и целого. Следует также пояснить то, почему информационное поле является идеальной составляющей. Это связано с тем, что оно принципиально не наблюдаемо, то есть не воздействует на окружающие объекты. Но о его существовании мы можем судить по тому, что, например, в опыте по дифракции микрочастица "знает" о наличии всех открытых щелей. Обратим ещё раз внимание на то, что информационное поле микрочастицы (волна Де Бройля) непрерывно распределено в пространстве и отражает, таким образом, волновые свойства микрочастицы или её непрерывность. В то же время, материальная составляющая частицы - воплощение дискретности. Сталкиваясь с чувствительным слоем фотопластинки, микрочастица оставляет на нём след в одной лишь точке.

Таким образом, дуалистическая модель микрочастицы воплощает в себе единство таких противоположностей как материальное и идеальное, непрерывность и дискретность, а также важнейший принцип диалектики - единство части и целого.

Обсуждение мысленного эксперимента Н. Бора привело к появлению так называемой «копенгагенской интепретации» квантовой механики. Участники копенгагенской конференции пытались дать непротиворечивые ответы на вопросы, возникшие в процессе обсуждения результатов мысленного эксперимента:

1. Законы квантовой механики говорят о том, где частицы попадут в экран статистически и дают возможность рассчитать местоположение светлых полос, куда, скорее всего, попадёт много частиц и местоположение тёмных полос, куда скорее всего попадёт мало частиц. Однако, для отдельной частицы, законы квантовой механики не могут предсказать, где она фактически окажется. Каковы в таком случае правила поведения отдельных частиц?

2. Что происходит с частицей между моментом испускания и моментом регистрации? Создаётся впечатление, что частица претерпевает взаимодействие с обеими щелями и это кажется противоречащим тому, как может себя вести точечная частица, тем более, что когда частица регистрируется, она оказывается точечной.

3. Что заставляет частицу переключаться от статистического к нестатистическому поведению и обратно? Когда частица летит сквозь щели, её поведение описывается нелокализованной волновой функцией, которая одновременно проходит через обе щели. А когда частица регистрируется, никогда не получается размытый волновой пакет, а всегда получается точечная частица.

Копенгагенская интерпретация отвечает на эти вопросы так:

1. Вероятностный характер предсказаний квантовой механики принципиально неустраним, то есть, он вовсе не говорит о том, что наши знания ограничены, что мы не знаем значений каких-то скрытых переменных. В классической физике вероятность использовалась для описания результатов типа подбрасывания игральной кости, хотя фактически этот процесс считался детерминированным. То есть, вероятности использовались вместо неполного знания. Напротив, копенгагенская интерпретация утверждает, что в квантовой механике результат измерения принципиально недетерминирован.

2. Физика -- это наука о результатах измерительных процессов. Измышления на тему того, что происходит за ними, неправомерны. Копенгагенская интерпретация отбрасывает вопросы типа «где была частица до того, как я зарегистрировал её местоположение» как бессмысленные.

3. Акт измерения вызывает мгновенное схлопывание, «коллапс волновой функции». Это означает, что процесс измерения случайно выбирает в точности одну из возможностей, допустимых волновой функцией данного состояния, а волновая функция мгновенно изменяется, чтобы отразить этот выбор.

4. Оригинальная формулировка копегагенской интерпретации породила ряд вариаций; наиболее уважаемая основана на подходе непротиворечивых событий («Копенгаген прав?») и понятии квантовой декогеренции, которая позволяет рассчитывать нечёткую границу между «микро» и «макро» мирами.

Полнота квантовой механики (тезис 1) была подвергнута сомнению в мысленном эксперименте Эйнштейна, Подольского и Розена (ЭПР-парадокс), который был предназначен для того, чтобы доказать, что скрытые параметры должны существовать, чтобы теория не приводила к нелокальному и мгновенному «дальнодействию». Однако, проверка ЭПР-парадокса на опыте показала, что квантовая механика верна и что различные теории локальных скрытых параметров не согласуются с экспериментом.

Из всех трёх тезисов, с физической точки зрения наиболее проблематичен последний, поскольку он ставит процессы измерения в особое положение, но не определяет ясно, что они такое, и не указывает на их отличительные черты.

Многие физики и философы не соглашаются с копенгагенской интерпретацией, как потому что она не детерминистична, так и потому, что она вводит неопределённое понятие измерения, которое превращает вероятностные функции в достоверные результаты измерений. Иллюстрируя это, Эйнштейн писал Бору, что «я убеждён, что Бог не бросает кости», а также восклицал в беседе с Абрахамом Пайсом: «Вы и вправду думаете, что Луна существует лишь, когда Вы на неё смотрите?» Бор отвечал ему «Эйнштейн, не указывайте Богу, что делать». Эрвин Шрёдингер придумал знаменитый мысленный эксперимент про кота Шрёдингера, которым он хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим.

Аналогично вызывает проблемы необходимый «мгновенный» коллапс волновой функции во всем пространстве. Теория относительности Эйнштейна говорит, что мгновенность, одновременность, имеет смысл только для наблюдателей, находящихся в одной системе отсчёта. Не существует единого для всех времени, поэтому мгновенный коллапс тоже остаётся неопределён.

Большая заслуга в преодолении логических и методологических недостатков различных интерпретаций квантовой механики принадлежит советскому физику-теоретику В.А. Фоку (1898-1974 г.г.). В своей интерпретации В.А. Фок исходит из того, что уравнения квантовой теории изображают не непосредственную картину движения квантового объекта в пространстве и времени, а эволюцию во времени объективно присущих квантовым объектам потенциальных возможностей. Понятие квантово-механического состояния, выражаемого обычно волновой функцией, характеризует свойственные данной физической системе при данных условиях потенциальные возможности.

Два способа существования квантовых объектов внутренне связаны между собой: хотя эволюция возможностей непосредственно ненаблюдаема, она четко выявляется в статистике квантовых переходов, то есть в процессе реализации возможностей. Об этой эволюции можно судить опосредованным образом, тем не менее, есть основания говорить о ней как об объективно реальном физическом процессе.

Сколь ни диковинны с точки зрения привычных представлений рассмотренные особенности новой квантово-физической картины мира, эта картина полностью соответствует материалистической традиции физической науки, состоящей в истолковании теории как приблизительно верного отражения объективной реальности, существующей вне и независимо от сознания. В то же время, такая интерпретация не возвращает нас к метафизическому материализму, к механистической картине физических явлений. Она предполагает несравненно более сложную картину мира как движущейся материи, диалектику возможности и действительности, анализ диалектически сложного соотношения скрытой сущности квантовых процессов и форм их проявления в квантовых переходах. Эта интерпретация находится в соответствии с общими принципами диалектического материализма, и в то же время она должным образом учитывает специфику квантовых процессов, невозможность их чисто классического истолкования, необходимость существенного изменения системы идеализаций с помощью которых осуществляется теоретическое отражение реальности.

Конечно, еще многое в необычной картине квантовых процессов нуждается в дальнейшем развитии и уточнении. Однако уже сегодня есть основания предполагать, что вырисовывающиеся контуры удовлетворяют системе важных мировоззренческих и методологических требований, по поводу которых с такой остротой шли на протяжении десятилетий острые философские дискуссии. Многим физикам, среди которых были и основатели квантовой механики, представлялось, что выход из мировоззренческого кризиса возможен только на пути принципиальной перестройки всего здания квантовой теории. Между тем альтернатива существующей теории так и не появилась, в то время как уравнения имеющейся теории прекрасно согласовывались со всей системой экспериментальных фактов. Немаловажно и то, что контуры новой физической картины мира квантовых процессов, разрешая философские трудности, не требуют изменений в формальном аппарате теории. Представления новой картины согласуются с реальной практикой применения квантовой теории в современных физических исследований, а это принципиально важный критерий отбора возможных истолкований физического смысла уравнений теории. К важным случаям реального использования в современной физике фундаментальных представлений квантовой картины микромира относятся ядерная теория и физика элементарных частиц.

2. История становления ядерной физики и физики элементарных частиц

Представления об атомных ядрах, построенных из нуклонов, то есть протонов и нейтронов, требовали создания теории, объясняющей устойчивость ядер. Поскольку протоны имеют положительный электрический заряд, то отталкиваются друг от друга. Причем, отталкивание это должно быть очень сильным, так как сила отталкивания обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами, а размеры ядер очень малы (м). Электрический заряд нейтронов равен нулю. Поэтому между нейтронами, а также между нейтронами и протонами электрические силы не действуют. Значит, среди известных в то время сил единственным претендентом на роль силы, связывающей нуклоны в ядре, могла быть сила всемирного тяготения. Но расчеты показывали, что гравитационное притяжение нуклонов друг к другу ничтожно слабо, оно не в состоянии сдержать отталкивание протонов. Тем не менее, в действительности нуклоны очень крепко связаны друг с другом, образуя устойчивые атомные ядра. Отсюда следует, что в природе существуют какие-то новые, неизвестные силы (их стали называть ядерными) Поскольку удовлетворительное теоретическое объяснение механизма действия этих сил впервые дал японский физик Юкава (1907-1981 г.г.), эти силы стали называть силами Юкавы.

Величину ядерных сил можно представить себе, сравнив силу электрического отталкивания двух протонов в ядре с силой их ядерного притяжения. Оказывается, что при расстоянии между двумя протонами ~м ядерная сила притяжения примерно в 40 раз больше силы электростатического отталкивания протонов. На этом основании ядерные силы называют сильными и говорят о сильном взаимодействии между нуклонами. Такова первая особенность ядерных сил. Когда расстояние между нуклонами становится больше м, ядерные силы очень быстро, практически сразу, обращаются в нуль. Иначе говоря, радиус действия этих сил можно считать примерно равным м. А электрические и гравитационные силы, обратно пропорциональные квадрату расстояния, хотя и ослабевают с увеличением расстояния, но, формально говоря, обращаются в нуль только при бесконечном удалении от источника силы, то есть, можно сказать, имеют бесконечно большой радиус действия.. Конечность радиуса действии - вторая особенность ядерных сил.

Переходя к истории становления теории ядерных сил начнем с рассмотрении того, как объясняли в классической физике механизм электростатического взаимодействия тел. До введения в физику понятия фотона рассуждали следующим образом. Один из протонов, например, протон А, совершая в некотором ритме едва заметные колебания, излучает электромагнитную волну, которая, распространяясь во все стороны от А достигает другого протона В. Под ее воздействием протон В начинает колебаться и, в свою очередь, излучает в пространстве электромагнитную волну. Волна от протона В достигая протона А, изменяет характер его движения. И так далее, до бесконечности. В результате подобного, бесконечно повторяющегося обмена между частицами А и В возникает сила электростатического отталкивания. Учет существования фотонов видоизменяет описанную картину взаимодействия. Вместо обмена электромагнитными волнами частицы теперь обмениваются фотонами. Наглядно можно представить себе, что они как бы перебрасываются специально приготовленными мячами (фотонами), в результате такого обмена между партнерами А и В возникает электростатическое взаимодействие. Понятно, что чем чаще обмен «мячами», тем интенсивнее взаимное влияние А и В. Иначе говоря, тем больше действующая между ними электростатическая сила.

Изложенные соображения с обменом фотонами основаны на квантовой теории поля Гейзенберга-Паули, из которой следует, что если бы фотон имел массу покоя, то радиус действия электростатических сил был бы не бесконечен, а имел бы конечное значении, обратно пропорциональное массе «тяжелого фотона». Радиус действия электростатических сил бесконечно велик только потому, что масса покоя фотонов равна в действительности нулю. Лишь при этом условии радиус действия сил равен бесконечности.

Впервые на это обстоятельство обратил внимание итальянский физик Э. Ферми (1901-1954 г.г.); им же предложен первый вариант теории ядерных сил с конечным радиусом действия. Единственной среди известных тогда элементарных частиц с ненулевой массой, которой можно было бы отвести роль мяча, перебрасываемого нуклонами, был электрон, поэтому Ферми и попытался объяснить ядерные силы как процесс переброса электронов между нуклонами. Примечательно, что в это время Ферми занимался изучением механизма так называемой бета-радиоактивности: в ходе этой работы он и придумал теорию ядерных сил. Бета-лучи - это испускаемые нестабильными ядрами высокоэнергичные электроны. Изучение энергетических соотношений при испускании ядрами быстрых электронов привело швейцарского физика В. Паули (1890-1958 г.г.) к гипотезе о существовании новой, неизвестной до того времени частицы, которая, как и фотон, лишена массы, электронейтральна и, кроме того, очень слабо взаимодействует с веществом (практически неуловима). Благодаря исключительной слабости взаимодействия эта частица долгое время не могли обнаружить, она существовала как теоретическая частица-призрак. Позднее эта частица была названа нейтрино.

Ферми в своей теории бета-распада и ядерных сил использовал электрон и введенную Паули призрачную частицу. Как рассуждал Ферми? Допустим на минуту, что электрон, нейтрино и протон, собравшись вместе, образовали электронейтральную частицу - нейтрон. Теперь электрон и нейтрино внезапно покидают нейтрон. Сразу после их вылета нейтрон превращается в протон, остающийся на месте. Находящийся рядом протон после захвата беглецов тут же превращается в нейтрон. Происходящее можно интерпретировать как перестановку протона и нейтрона. Далее происходит аналогичный процесс и восстанавливается первая позиция. Подобное перебрасывание нейтрино и электрона приводит к взаимодействию протона и нейтрона. Если же вылетевшие из нейтрона электрон и нейтрино не захватываются протоном, а улетают в пространство, то они проявляются как испускаемые радиоактивным ядром бета-лучи. К этому и сводилась теория, которая, по мысли Ферми, одновременно объясняет как бета-излучение, так и механизм действия ядерных сил.

Но, к сожалению, в теории Ферми был существенный недостаток: вычисляемый при ее помощи радиус действия ядерных сил оказывался примерно в 200-300 раз больше действительного. Если бы электрон, играющий в теории Ферми роль перебрасываемого мяча, был в 200 - 300 раз тяжелее, то радиус действия сил, обратно пропорциональный массе мяча, уменьшившись в соответствующее число раз, стал бы именно таким, как нужно. Именно поэтому японский физик Юкава допустил, что существует еще пока не открытый «тяжелый фотон», масса которого в 200-300 раз больше массы электрона. Такую частицу можно назвать также «тяжелым квантом» или «тяжелым электроном». По теории Юкавы ядерные силы возникают в результате обмена этими гипотетическими частицами между нуклонами. Массу своей частицы Юкава вычислил, исходя из известного радиуса действия ядерных сил. Поскольку для массы получилось промежуточное значение, больше массы электрона и меньше массы нуклона, Юкава назвал свою частицу «мезон». До сих пор теория ядерных сил представляется с корпускулярной точки зрения. Но мезон Юкавы - элементарная частица, значит, он должен иметь двойственную корпускулярно-волновую природу и возможна волновая интерпретация теории ядерных сил. Мезон - корпускулярное лицо двойственной сущности, волновая природа которой проявляется в колебаниях поля нового вида - мезонного. С этой точки зрения теория Юкавы выглядит следующим образом. Каждый нуклон создает вокруг себя мезонное поле. Это поле заполняет всю «внутренность» атомного ядра. Источники мезонного поля испускают и поглощают волны этого поля. Волны распространяются от нуклона к нуклону. Посредством мезонных волн нуклоны в ядре прочно скреплены друг с другом. Так выглядит ситуация в ядре с волновой точки зрения. Таким образом, Юкава ввел в рассмотрение новое поле, коренным образом отличающееся от известных ранее гравитационного и электромагнитного полей.

Предсказание Юкавы оказалось немного неточным: в его теории как бы перепутались частицы двух совершенно различных типов (впервые это обстоятельство осознал японский физики Танигава). Одна из этих частиц в 300 раз тяжелее электрона и является переносчиком взаимодействия между нуклонами (теперь ее называют пи-мезон, или пион). Вторая - в 200 раз тяжелее электрона и не имеет к ядерным силам никакого отношения. Для этой частицы привилось название мюон. Несмотря на указанную неточность, в настоящее время общепризнано, что работа Юкавы ознаменовала рождение новой области науки - физики элементарных частиц. (Юкава - первый японский лауреат нобелевской премии). Мюон открыли в 1936 году при исследовании космических лучей и некоторое время ошибочно принимали его за частицу, предсказываемую теорией Юкавы (ее называли частицей Юкавы). Но затем в 1947 году тоже в опытах с космическими лучами обнаружили пион. Было признано существование мезонов двух типов.

Естественно было предположить, что кроме мезонов, в космических лучах можно обнаружить и другие новые частицы. Поэтому во всех странах развернулись интенсивные исследования космических лучей. В 40-е - 50-е годы 20 столетия физика элементарных частиц вступила в полосу бурного развития. Число открытых к настоящему времени частиц (независимо от способов подсчета) более 400. Их принято разделять на три больших класса: барионы, мезоны, лептоны. К барионам относят нуклоны и другие частицы, похожие на нуклоны по своим свойствам. Ко второму классу причисляют частицы, по своим свойствам близкие к пиону, поэтому они и получили название мезонов. Подобно частице Юкавы, представители мезонов являются носителями взаимодействия между барионами. Эффект испускания и поглощения мезонов барионами и называют сильным взаимодействием мезонов и барионов. Третий класс содержит электрон, нейтрино и похожие по свойствам частицы. Свое название частицы этого класса получили потому, что первоначально в него входили только электрон и нейтрино. Но впоследствии к лептонам причислили частицы, не уступающие по массе мезонам и даже барионам. Поэтому название лептоны вряд ли следует признать удачным.

Среди лептонов, также как и среди частиц других классов, встречаются электрически заряженные частицы, взаимодействующие между собой при помощи электромагнитных сил. Кроме электромагнитного между лептонами существует еще и так называемое слабое взаимодействие, которое реализуется также между лептонами и мезонами, и лептонами и барионами. Нейтральный лептон - нейтрино - не имеет электрического заряда, поэтому взаимодействует с остальными частицами исключительно посредством слабых сил. Именно по этой причине его не могли очень долго обнаружить экспериментально.

Когда впервые произнесли слова «элементарные частицы», конечно же, имели в виду окончательную картину строения вещества. Пока элементарных частиц было мало, надежда на скорое выяснение окончательной истины казалась обоснованной. Сначала знали только электроны, нуклоны, призрачную частицу - нейтрино, потом к ним добавились частицы Юкавы. На ранней стадии было всего пять-шесть видов частиц, не так уж много. Если бы этим дело ограничилось, и новых частиц открыто не было, то название «элементарные» было бы оправдано: такие частицы действительно можно было бы считать окончательным материалом, из которого построено вещество. Однако реальность оказалась сложнее: выяснилось, что частиц слишком много (свыше 400). Поэтому, естественно, возродилась мысль: не существуют ли еще более мелкие, субмикроскопические объекты, из которых построены элементарные частицы?

Изучению структуры атомов в свое время сильно помогло открытие периодического закона. Открытие этого закона явилось итогом изучения и классификации химиками многообразных свойств химических элементов. Поэтому и в физике элементарных частиц началась работа по сопоставлению частиц, сначала чисто феноменологическому - группировке частиц по свойствам. Три названных нами ранее класса элементарных частиц - один из результатов такой работы.

Накопление фактических данных о свойствах быстро возраставшего количества элементарных частиц послужило основанием для того, чтобы сгруппировать их в «семейства» (мультиплеты), «роды» (супермультиплеты), «племена (адроны, лептоны, фотоны, бозоны и фермионы). Классификация частиц как операция эмпирического уровня познания требовала теоретического оправдания. Первым шагом на этом пути явилось введение представлений об отношениях симметрии по некоторым квантовым числам. Установление теоретико-групповых принципов симметрии в семействах частиц позволяло предсказывать не открытые еще частицы. Одним из наиболее впечатляющих достижений на ранней стадии развития теоретико-группового подхода было предсказание и последующее экспериментальное открытие омега-гиперона. В соответствии с теоретико-групповыми представлениями можно было предсказать «семейства» из 1, 3, 8, 10 частиц. Как мезоны, так и барионы прекрасно размещались на предсказываемых вакансиях: одна частица (синглет), восемь частиц (октет). Для заполнения 10 вакансий декуплета не хватало одной частицы, причем из найденных уже соотношений, связанных с симметрией, можно было предсказать квантовые числа (электрический заряд, странность и т.д.) и даже примерную массу недостающей частицы. И вот вычисленная на «кончике пера» недостающая частица была обнаружена экспериментально. Но раз уж групповая симметрия так хорошо оправдалась в отношении адронов, то возник следующий вопрос: что представляет собой семейство из трех частиц (триплет)? В 1964 г. независимо друг от друга М. Гелл-Ман и Дж. Цвейг выдвинули гипотезу, что существует триплет из трех частиц (кварков) и триплет из трех античастиц (антикварков). Более того, эти два триплета, по предположению, должны играть фундаментальную роль во всем множестве сильно взаимодействующих частиц: все адроны могут быть представлены как составные частицы, включающие в себя либо пары кварк-антикварк (мезоны), либо тройка кварков (соответственно - антикварков для античастиц). Большим достоинством этой гипотезы было то, что она позволяла строить структурные модели элементарных частиц, позволяющие предсказывать и объяснять их основные свойства. Правда природа кварков оказалась сложнее, чем первоначально предложили основатели гипотезы кварков. Пришлось ввести представления о том, что каждый из трех основных кварков существует в трех модификациях, различаясь по характеристике, условно названной «цветом». Затем пришлось увеличить количество сортов кварков - в результате получилось 18 кварков и столько же антикварков.