Формирование квантовой физики. Специфика ее законов и принципов
Квантовая механика и квантовая физика в основном сформировались в первые два десятилетия XX в. усилиями М. Планка, А. Эйнштейна, Н. Бора, Л. де Бройля, В. Гейзенберга, Э. Шрёдингера и других ученых. Динамическое, однозначное, с указанием точной траектории описание движения классической механикой отрицается здесь вероятностно-статистической картиной взаимодействий. Непрерывность обмена энергией в макромире заменяется строгой порционностью излучений в мире элементарных частиц. В квантовой физике качественно изменились представления о структуре, простоте и сложности микрочастиц, о роли приборов в их познании и т.д.
До конца XIX в. мельчайшей структурной единицей материи считались атомы химических элементов. Открытие Д.И. Менделеевым в 1869 г. периодического закона подтолкнуло ученых к выводу о существовании более мелких частиц, свойства которых обусловливают свойства атомов, в том числе и периодический закон их взаимосвязи. В 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл электрон — первую элементарную частицу. В 1932 г. после открытия нейтрона картина строения вещества казалась в общих чертах окончательно выясненной. Известных к тому времени частиц (протона, нейтрона и электрона) полностью хватало для того, чтобы объяснить строение и свойства всех веществ. Протоны и нейтроны, взаимодействуя друг с другом посредством особых ядерных сил (радиус действия 10-13 см), образуют атомные ядра, внешнюю оболочку атомов составляют электроны, притягивающиеся к ядру дальнодействующими кулоновскими силами (одно из проявлений электромагнитного взаимодействия).
Открытие нового структурного уровня строения материи и квантовых законов движения электронов заложило основы физики твердого тела. Были поняты строение металлов, диэлектриков, полупроводников, их термодинамические, электрические и магнитные свойства. Открылись пути целенаправленного поиска новых материалов с необходимыми свойствами, пути создания новых производств, новых технологий. Большие успехи были достигнуты в результате применения квантовой механики к ядерным явлениям. Квантовая механика и ядерная физика объяснили, что источником колоссальной энергии звезд являются ядерные реакции синтеза, протекающие при звездных температурах в десятки и сотни миллионов градусов.
Плодотворным оказалось применение квантовой механики к физическим полям. Была построена квантовая теория электромагнитного поля - квантовая электродинамика, объяснившая много новых явлений. Свое место в ряду элементарных частиц занял фотон - частица электромагнитного поля, не имеющая массы покоя. Синтез квантовой механики и специальной теории относительности привел к предсказанию античастиц. Оказалось, что у каждой частицы должен быть как бы свой «двойник» — другая частица с той же массой, но с противоположным электрическим или каким-либо другим зарядом. Английский физик П.А. Дирак, основатель релятивистской квантовой теории поля, предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в пару электрон—позитрон и обратно. Позитрон — античастица электрона — экспериментально был открыт в 1934 г.
Замечательным подтверждением незыблемости закона сохранения энергии и предсказательной силы теоретической мысли явилось открытие нейтрино. Экспериментально было установлено, что при радиоактивном β-распаде из атомного ядра испускаются электроны (или позитроны), обладающие различной энергией. Чтобы согласовать этот факт с законом сохранения энергии, швейцарский физик-теоретик В. Паули предположил, что одновременно с электроном (или позитроном) ядро испускает еще какую-то электрически нейтральную частицу, которая и уносит недостающую часть энергии. Она и была названа «нейтрино». Эта частица вылетает из ядра вместе с позитроном, а в случае испускания электрона из ядра вылетает «антинейтрино».
Важно, что в составе атомного ядра имеются только протоны и нейтроны. В атомном ядре нет ни электронов и позитронов, ни нейтрино и антинейтрино. Эти частицы и античастицы рождаются, возникают в самом процессе превращения нейтрона в протон и обратно. Этот процесс можно сравнить с испусканием фотонов электромагнитного поля при переходе атомов из одного электронного состояния в другое.
В классической физике вплоть до второй половины XIX в. под материей обычно понималось вещество. Электродинамикой Максвелла положено основание физическому учению о поле как особой форме материи. Но вещество и поле рассматривались отделенными друг от друга. Квантовая механика впервые позволила установить связь вещества и поля. Экспериментальное открытие в 1927 г. диффракции электронов доказало, что микрочастицы вещества и поля имеют двуединую природу - одновременно и корпускулярную, дискретную, и волновую, непрерывную.
В квантовой механике корпускулярные и волновые понятия теряют свою «классическую» независимость. Движение микрообъектов лишь приближенно может трактоваться в одних случаях как движение «классических» частиц, а в других случаях как распространение «классических» волн. Поэтому при описании явлений атомного масштаба нельзя отвлекаться от тех физических условий, в которых они наблюдаются. Квантовым величинам присущ характер относительности к средствам наблюдения, что и делает их отличными от классических величин, которые безотносительны к средствам наблюдения. Понятие и термин «относительность к средствам наблюдения» ввел впервые наш соотечественник академик В.А. Фок.
Из основных положений квантовой механики вытекает «соотношение неопределенностей», установленное В. Гейзенбергом: Δр·Δq > ħ, где p — импульс частицы, q — ее координаты, ħ - постоянная Планка, Δp — неопределенность в определении импульса, Δq — неопределенность в определении координаты. При точном определении импульса Δρ = 0, a Δq = ∞, т.е. координата становится неопределенной. И наоборот.
Для объяснения соотношения неопределенностей Н. Бор выдвинул «принцип дополнительности», противопоставив его принципу причинности. При использовании прибора, позволяющего точно измерить координаты частиц, импульс может быть любым и, следовательно, причинная связь отсутствует. Применяя приборы другого класса, можно точно измерить импульс, а координаты становятся произвольными. В этом случае процесс, по Н. Бору, совершается якобы вне пространства и времени, т.е. следует говорить либо о причинности, либо о пространстве и времени, но не о том и другом вместе.
В. Гейзенберг выдвинул принцип «неконтролируемого взаимодействия» частицы с прибором. Неопределенность в значении импульса и координаты, якобы, обусловлена тем, что взаимодействие частицы и прибора может быть познано лишь до некоторого предела, за которым принципиально невозможно познать объективные процессы микромира.
Борьбу против индетерминизма в квантовой физике, против отрицания объективных причинных, закономерных связей в микромире вели П. Ланжевен, М. Лауэ, Л. де Бройль, М. Планк, А. Эйнштейн, советские физики С.И. Вавилов, В.А. Фок, Д.И. Блохинцев и другие. Они показывают, что соотношение неопределенностей свидетельствует лишь об ограниченной возможности применения понятий классической механики при описании «расплывшихся», одновременно дискретных и волновых объектов, какими являются электроны и другие микрочастицы.
Как видим, следует различать собственные положения квантовой физики и естествознания вообще (в данном случае соотношение неопределенностей) и их философско-мировоззренческие трактовки, которые могут сильно отличаться друг от друга. И только в результате тщательного анализа можно установить, какая из этих трактовок в наибольшей мере соответствует самому естествознанию, самой объективной природе.
2. Об особом смысле понятий «элементарность», «простое—сложное», «деление», «состоит из»
Один из основателей квантовой физики В. Гейзенберг предупреждал: «Мы не можем избежать употребления языка, тесно связанного с традиционной философией. Мы спрашиваем: "Из чего состоит протон? Делим или неделим электрон? Сложной или простой частицей является фотон?" Однако это неверно поставленные вопросы, ибо слова "делить" или "состоять" в этой связи в значительной мере утрачивают свой смысл.
Нашей задачей должно быть приспособление нашего мышления и нашего языка, то есть нашей научной философии, к новой ситуации, созданной данными эксперимента... Неверно поставленные вопросы и неправильные наглядные представления автоматически просачиваются в физику частиц и уводят научные исследования в сторону от реальной природы".
Утверждение «система состоит из элементов» всегда означало, что эта система представляет собой объект, состоящий из частей, меньших по величине или по массе, но сохраняющих внутри этой системы определенную индивидуальность, самостоятельность (конечно, ограниченную взаимодействием этих частей в рамках включающей их большей системы). К субъядерным частицам такое понимание неприменимо. Здесь следует говорить не о том, что одни частицы состоят из других, а о том, что они способны превращаться друг в друга, порождать друг друга в различных процессах взаимодействия. Протон, например, можно получить в результате столкновения нейтрона и π (пи)-мезона или λ (лямбда)-гиперона и К-мезона, но это не значит, что в структуру всех этих частиц входит протон, что они «состоят из» протонов.
Даже в тех случаях, когда происходит распад частицы, нельзя говорить, что конечные частицы более элементарны, чем распавшаяся, что конечные частицы входили в состав исходной. Это было бы верно, если бы энергия связи (так называемый дефект массы) была значительно меньше масс участвующих в реакции частиц, а частицы-компоненты не теряли бы своей индивидуальности внутри образуемого ими целого. В случае субъядерных частиц дефект массы всегда оказывается больше массы одной или даже нескольких частиц-компонент, а при квантовых (так называемых виртуальных) распадах значительно превосходит массу исходной, «материнской» частицы. Так, масса виртуальных частиц, образующихся при диссоциации π-мезона на пару протон+нейтрон, более чем на порядок превышает массу самого π-мезона. В этом отношении π-мезон радикально отличается, например, от дейтрона (ядра атома тяжелого водорода), дефект масс которого составляет всего лишь около 0,001 его массы; поэтому дейтрон действительно можно считать состоящим из протона и нейтрона, потому что они остаются такими же, как и в свободном состоянии. А вот частицы-компоненты внутри π-мезона почти «растворяются» в энергии их взаимодействия.
Поскольку субъядерные микрочастицы не делятся на простейшие в обычном геометрическом смысле, они должны считаться действительно элементарными частицами. Но вместе с тем они обладают пространственной протяженностью и своеобразной внутренней структурой. Поэтому нельзя абсолютизировать, преувеличивать элементарность микрочастиц. Образ пространственно-структурной и в то же время элементарной по своим свойствам частицы стал фактически общепринятым после экспериментального обнаружения в середине 50-х годов XX в. американским физиком-экспериментатором Р. Хофштадтером пространственной «размазки» электрического заряда и магнитного момента протона.
Свободная, невзаимодействующая микрочастица — это всего лишь математическая абстракция. Реальные физические частицы всегда взаимодействуют с вакуумными полями, испуская и поглощая виртуальные частицы. Вследствие этого вокруг каждой частицы образуется «облако» виртуальных частиц. И чем меньше масса испускаемых частиц, тем больше размеры образуемого ими «облака». Продолжительность отдельных актов виртуальной диссоциации частицы (ее «миганий») очень мала: при испускании π-мезонов она около 5·10-24 с, а для других частиц — еще меньше. Но благодаря многократным их повторениям возникает постоянная, усредненная структура -«размазка» электрического заряда, магнитного момента, массы, которая становится все более плотной к центру частицы. В этом смысле говорят, что элементарная частица состоит из плотного центрального ядра — керна и рыхлой периферической оболочки. Но в отличие от атома, где пространственные размеры отдельных частей — ядра и электронной оболочки -различаются на 5 порядков (10-13 и 10-8 см), в нуклонах отсутствуют резко обособленные детали, пространственные части структуры здесь почти непрерывно переходят друг в друга.