Частица материи в квантовой физике. Как сознание управляет материей. Элементарные частицы материи

Физический реализм — это взгляд, согласно которому физический мир, который мы видим, реален и существует сам по себе. Большинство людей думают, что это само собой разумеется, но с некоторых пор физическому реализму серьезно противоречат некоторые факты из мира физики. Парадоксы, которые сбивали с толку физиков прошлого века, до сих пор не разрешены, и многообещающие теории струн и суперсимметрии никуда этот воз пока не привезли.

В противовес этому, квантовая теория работает, но квантовые волны, которые запутываются, оказываются в состоянии суперпозиции, а затем коллапсируют, кажутся физически невозможными — они кажутся «мнимыми». Все это выливается в интересную картину: теория того, что не существует, эффективно предсказывает то, что существует — но как может нереальное предсказывать реальное?

Квантовый реализм — это противоположная точка зрения, согласно которой квантовый мир реален и создает физический мир как виртуальную реальность. Квантовая механика, таким образом, предсказывает эффекты физической механики, потому что является ее причиной. Физики говорят, что считать, что квантовые состояния не существуют, это как «не обращать внимания на вон того человека за занавеской».

Квантовый реализм — это не «матрица», в которой другой мир, создавший наш, будет физическим. И это не идея мозга-в-чане, поскольку эта виртуальность была задолго до того, как появился человек. И это не фантомный другой мир, который влияет на наш: наш физический мир — фантом сам по себе. В физическом реализме квантовый мир не существует, но в квантовом реализме физический мир невозможен — если это только не виртуальная реальность. И вот возможные объяснения.

Появление Вселенной

Физический реализм

Все слышали о Большом Взрыве, но если физическая Вселенная перед нами, как она началась? Завершенная Вселенная не должна изменяться вообще, поскольку ей некуда идти и неоткуда прийти, и ничто не может ее изменить. Тем не менее в 1929 году астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что все галактики расширяются в сторону от нас, что привело к мысли о Большом Взрыве, который случился в точке пространства-времени порядка 14 миллиардов лет назад. Открытие космического микроволнового фона (который можно увидеть в виде белого шума на экране телевизора) подтвердило, что наша Вселенная не только началась в точке, но и пространство, и время появились вместе с ней.

Итак, когда Вселенная появилась, она уже существовала до своего создания, что невозможно, или была создана чем-то еще. Не может быть такого, чтобы целая, полная и цельная Вселенная появилась сама по себе из ничего. Тем не менее в эту странную идею верит большинство физиков сегодняшнего дня. Они полагают, что первым событием была квантовая флуктуация в вакууме (в квантовой механике пары частиц и античастиц появляются и исчезают повсюду, то есть абсолютной пустоты не существует). Но если материя просто появилась из пространства, откуда появилось пространство? Как квантовая флуктуация в пространстве могла создать пространство? Как могло время начать идти само по себе?

Квантовый реализм

Каждая виртуальная реальность начинается с первого события, вместе с которым появляется и пространство, и время. С такой точки зрения, Большой Взрыв произошел, когда наша физическая Вселенная загрузилась, включая ее операционную систему пространства-времени. Квантовый реализм предполагает, что Большой Взрыв был в действительности Большим Пуском.

У нашей Вселенной есть максимальная скорость

Физический реализм

Эйнштейн пришел к выводу, что ничто не может двигаться быстрее, чем свет в вакууме, и со временем это стало универсальной константой, однако, до конца неясно, почему так. Грубо говоря, любое объяснение сводится к тому, что «скорость света постоянна и предельна, потому что вот так вот». Потому что не может быть ничего прямее прямой.

Но ответ на вопрос «почему вещи не могут двигаться быстрее и еще быстрее», который звучит как «потому что не могут», едва ли можно назвать удовлетворительным. Свет замедляется (преломляется) водой или стеклом, и когда он движется в воде, мы говорим, что его средой является вода, когда в стекле — стекло, но когда он движется в пустом пространстве, мы молчим. Как может волна вибрировать в пустоте? Нет никакого физического фундамента для движения света по безвоздушному пространству, не говоря уж об определении максимально возможной скорости.

Квантовый реализм

Если физический мир — это виртуальная реальность, то скорость света — это продукт обработки информации. Информация определяется как выборка из конечного множества, поэтому ее обработка тоже должна осуществляться с конечной скоростью, а значит, наш мир обновляется с конечной скоростью. Условный процессор суперкомпьютера обновляется 10 квадриллионов раз в секунду, а наша Вселенная обновляется в триллионы раз быстрее, но принципы в основном те же. И если изображение на экране обладает пикселями и частотой обновления, в нашем мире есть планковская длина и планковское время.

В таком случае скорость света будет предельной, потому что сеть не может передавать ничего быстрее, чем один пиксель за цикл, то есть, планковская длина за единицу планковского времени, или порядка 300 000 километров в секунду. Скорость света в действительности должна называться скоростью космоса (пространства).

Наше время весьма податливо

Физический реализм

В эйнштейновском парадоксе близнецов один из них путешествует на ракете почти со скоростью света и возвращается через год, чтобы обнаружить, что его брат-близнец — восьмидесятилетний старик. Никто из них не знал, что их время идет по-разному, и все остались живы, но жизнь одного подходит к концу, а другого — только начинается. В объективной реальности это кажется невозможным, но время для частиц в ускорителях действительно замедляется. В 1970-х ученые запустили вокруг мира атомные часы на самолете, чтобы подтвердить, что те тикают медленнее, чем синхронизированные с ними изначально часы на земле. Но как время, судья всех изменений, само может быть подвержено изменениям?

Квантовый реализм

Виртуальная реальность зависит от виртуального времени, где каждый цикл обработки является одним «тиком». Каждый геймер знает, что когда компьютер подвисает вследствие лага, игровое время тоже немного замедляется. Точно так же время в нашем мире замедляется с ростом скорости или рядом с массивными объектами, что свидетельствует о виртуальности. Близнец на ракете постарел только на год, потому что все циклы обработки его системы подвисли в целях экономии. Изменилось только его виртуальное время.

Наше пространство искривляется

Физический реализм

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, Солнце удерживает Землю на орбите за счет искривленного пространства, но как пространство может искривляться? В пространстве, по определению, происходит движение, поэтому, чтобы оно искривилось, оно должно существовать в другом пространстве, и так до бесконечности. Если материя существует в пространстве пустоты, ничто не может сдвинуть или искривить это пространство.

Квантовый реализм

В режиме «простоя» компьютер на самом деле не простаивает, а выполняет нулевую программу, и наше пространство может делать то же самое. Эффект Казимира проявляется, когда вакуум пространства оказывает давление на две пластины, которые расположены близко друг к другу. Современная физика утверждает, что это давление вызывают виртуальные частицы, которые возникают ниоткуда, но в квантовом реализме пустое пространство заполнено обработкой, которая вызывает тот же эффект. И пространство, как обрабатывающая сеть, может представлять трехмерную поверхность, способную искривляться.

Случайности случаются

Физический реализм

В квантовой теории квантовый коллапс является случайным, к примеру, радиоактивный атом может испустить фотон, когда ему вздумается. Классическая физика не объясняет случайность событий. Квантовая теория объясняет физическое событие «коллапсом волновой функции», поэтому в каждом физическом событии есть элемент случайности.

Чтобы предотвратить угрозу этого первенства физической причинности, в 1957 году Хью Эверетт предложил многомировую теорию, непроверяемую идею того, что каждый квантовый выбор порождает новую вселенную, поэтому каждый вариант события происходит где-то в новой «множественной вселенной» (multiverse). К примеру, если вы выбрали бутерброды на завтрак, природа создает другую вселенную, в которой вы завтракаете персиками и йогуртом. Изначально к многомировой интерпретации относились со смехом, но сегодня физики все чаще предпочитают именно эту теорию другим, чтобы развеять кошмар случайностей.

Тем не менее, если квантовые события создают новые вселенные, несложно догадаться, что вселенные будут накапливаться со скоростью, которая выходит за рамки любых понятий о бесконечности. Многомировая фантазия не просто обходит стороной бритву Оккама, но еще и надругается над ней. К тому же множественная вселенная — это реинкарнация другой старой сказки о заводной вселенной (clockwork universe), которую квантовая теория развенчала в прошлом веке. Ложные теории не умирают, они превращаются в теории-зомби.

Квантовый реализм

Процессор в онлайн-игре может генерировать случайное значение, и наш мир — тоже. Квантовые события случайны, поскольку связаны с клиент-серверными действиями, к которым у нас нет доступа. Квантовая случайность кажется бессмысленной, но играет такую же роль в эволюции материи, какую генетическая случайность сыграла в биологической эволюции.

Антиматерия существует

Физический реализм

Антиматерия относится к субатомным частицам, соответствующим электронам, протонам и нейтронам обычной материи, но с противоположным электрическим зарядом и другими свойствами. В нашей Вселенной отрицательные электроны вращаются вокруг положительных атомных ядер. Во вселенной антиматерии положительные электроны вращались бы вокруг отрицательных ядер, но жителям этой вселенной казалось бы, что с физическими законами все в порядке. Материя и антиматерия аннигилируют при контакте, то есть взаимно уничтожаются.

Уравнения Поля Дирака предсказали антиматерию задолго до ее обнаружения, но до конца не было ясно, как что-то, аннигилирующее материю, вообще возможно. Диаграмма Фейнмана встречи электрона с антиэлектроном показывает, что последний, сталкиваясь, возвращается назад во времени! Как это часто бывает в современной физике, это уравнение работает, но его последствия не имеют никакого смысла. Материи не нужен антипод, а обратный ход времени подрывает причинно-следственные основы физики. Антиматерия — это одна из самых загадочных находок современной физики.

Квантовый реализм

Если материя — это результат обработки, и обработка устанавливает последовательность значений, следует, что эти значения можно обратить вспять, получив, таким образом, антиобработку. В таком свете антиматерия — это неизбежный побочный продукт материи, созданной в процессе обработки. Если время — это завершение первичных циклов обработки материи, для антиматерии оно будет завершением вторичных циклов, а значит, оно будет идти в обратном направлении. У материи есть антипод, потому что процесс обработки, который ее создает, является обратимым, и антивремя существует по той же причине. Только виртуальное время может идти вспять.

Эксперимент с двумя щелями

Физический реализм

Более 200 лет назад Томас Юнг провел эксперимент, который до сих пор ставит в тупик физиков: пропустил свет через две параллельные щели, чтобы получить интерференционную картину на экране. Только волны могут делать это, поэтому частица света (даже один фотон) должна быть волной. Но свет может попасть на экране и в виде точки, что может произойти только в том случае, если фотон — частица.

Чтобы проверить это, физики отправили один фотон через щели Юнга. Один фотон выдал ожидаемую точку попадания частицы, но вскоре точки выстроились в интерференционную картину. Эффект не зависит от времени: один фотон, проходящий через щели, каждый год выдает одну и ту же картину. Ни один фотон не знает, где попал предыдущий, так как же появляется интерференционная картина? Детекторы, размещенные на каждой щели, только впустую потратили время — фотон проходит либо через одну щель, либо через другую, никогда — через обе. Природа издевается над нами: когда мы не смотрим, фотон — волна, когда смотрим — частица.

Современная физика называет эту загадку корпускулярно-волновым дуализмом, «глубоко странным» явлением, объяснимым только эзотерическими уравнениями несуществующих волн. Тем не менее мы, здравомыслящие люди, знаем, что точечные частицы не могут распространяться подобно волнам, а волны не могут быть частицами.

Квантовый реализм

Квантовая теория объясняет эксперимент Юнга вымышленными волнами, которые проходят через обе щели, интерферируют, а затем коллапсируют в точку на экране. Это работает, но волны, которые не существуют, не могут объяснить того, что существует. В квантовом реализме программа фотона может распространяться в сети как волна, а затем начинать сначала, когда узел перегружается и перезагружается, как частица. То, что мы называем физической реальностью, является рядом перезагрузок, объясняющих и квантовые волны, и квантовый коллапс.

Темная энергия и темная материя

Физический реализм

Современная физики описывает материю, которую мы видим, но во Вселенной также есть в пять раз больше того, что называют темной материей. Ее можно обнаружить как ореол вокруг черной дыры в центре нашей галактики, который связывает звезды вместе более прочно, чем может позволить их гравитация. Это не материя, которую мы можем увидеть, потому что свет ее не берет; это не антиматерия, поскольку у нее нет сигнатуры гамма-излучения; это не черная дыра, потому что нет эффекта гравитационного линзирования — но без темной материи звезды в нашей галактике разлетелись бы прочь.

Ни одна из известных частиц не описывает темную материю — предлагались гипотетические частицы, известные как слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP, или «вимпы»), но ни одну из них так и не нашли, несмотря на тщательные поиски. В дополнение к этому, 70% Вселенной представлено темной энергией, которую физика также не может объяснить. Темная энергия — это своего рода отрицательная гравитация, слабый эффект, который расталкивает вещи, ускоряя расширение Вселенной. Оно не сильно изменяется со временем, но что-то плавающее в расширяющемся пространстве со временем должно ослабевать. Если бы это было свойством пространства, оно бы увеличивалось с расширением пространства. На данный момент никто не имеет ни малейшего понятия о том, что такое темная энергия.

Квантовый реализм

Если пустое пространство — это нулевая обработка, «спящий режим», тогда оно не пустое, и если оно расширяется, то пустое пространство постоянно добавляется. Новые точки обработки, по определению, принимают ввод, но не дают никакого вывода. Таким образом, они поглощают, но не излучают, в точности как негативный эффект, который мы называем темной энергией. Если новое пространство добавляется с постоянной скоростью, эффект не будет сильно изменяться со временем, поэтому темная энергия обусловлена продолжающимся созданием пространства. Квантовый реализм предполагает, что частицы, которые могут объяснить темную энергию и темную материю, не будут обнаружены.

Туннелирующие электроны

Физический реализм

В нашем мире электрон может внезапно выскочить за пределы гауссова поля, через которое не может проникнуть. Это можно сравнить с монетой в совершенно закрытой стеклянной бутылке, которая внезапно появляется за ее пределами. В сугубо физическом мире это попросту невозможно, но в нашем — вполне.

Квантовый реализм

Квантовая теория предполагает, что электрон должен случайно проделывать вышеописанное, потому что квантовая волна может распространяться вне зависимости от физических барьеров, и электрон может внезапно коллапсировать в любой ее точке. Каждый коллапс — это кадр фильма, который мы называем физической реальностью, за исключением того, что следующий кадр не фиксирован, а базируется на вероятностях. Электрон, «туннелирующий» через непроходимое поле — это как фильм, который скрывает от взгляда, как актер выходит из дома наружу.

Это может показаться странным, но телепортация из одного состояния в другое — это то, как движется вся квантовая материя. Мы видим физический мир, который существует независимо от нашего наблюдения, но в квантовой теории эффект наблюдателя описывает эффект игрового вида: когда вы смотрите налево, создается один вид, когда направо — другой. В теории Бома призрачная квантовая волна направляет электрон, но в теории, которую мы рассматриваем, электрон и является этой призрачной волной. Квантовый реализм разрешает квантовый парадокс, делая квантовый мир реальным, а физический мир — его продуктом.

Квантовая запутанность

Физический реализм

Если атом цезия испускает два фотона в разных направлениях, квантовая теория «запутывает» их, так что если один вертится снизу вверх, другой — сверху вниз. Но если один случайно переворачивается, как другой может мгновенно узнать об этом, на любом расстоянии? Для Эйнштейна открытие того, что измерение спина одного фотона мгновенно определяет спин другого, где бы тот ни был во Вселенной, было «жутким действием на расстоянии». Экспериментальная проверка этого стала одним из самых тщательных и точных экспериментов вообще в истории науки, и квантовая теория снова оказалась права. Наблюдение за одним запутанным фотоном приводит к тому, что другой получает противоположный спин — даже если они слишком далеки даже для того, чтобы световой сигнал успел их об этом оповестить. Природа могла бы сделать так, что спин одного фотона был бы верхним, а другого — нижним, с самого старта, но это, видимо, было слишком сложно. Поэтому она позволила спину одного выбирать любое случайное направление, так что когда мы его измеряем и определяем одно, спин другого фотона тут же меняется на противоположный, хотя это кажется физически невозможным.

Квантовый реализм

С этой точки зрения два фотона запутываются, когда их программы объединяются для совместного ведения двух точек. Если одна программа отвечает за верхний спин, а другая за нижний, их объединение будет отвечать за оба пикселя, где бы те ни были. Физическое событие у каждого пикселя случайным образом перезапускает программу, другая программа реагирует на это соответствующим образом. Этот код перераспределения игнорирует расстояния, потому что процессору не нужно ходить к пикселю, чтобы попросить его перевернуться, даже если экран большой, как сама Вселенная.

Стандартная модель физики включает 61 фундаментальную частицу с установленными параметрами заряда и массы. Если бы она была машиной, у нее было бы несколько десятков рычагов для запуска каждой частицы. Также ей понадобилось бы пять невидимых полей, которые порождают 14 виртуальных частиц с 16 разными «зарядами» для работы. Возможно, вам кажется полным этот набор, но Стандартная модель не может объяснить гравитацию, стабильность протона, антиматерию, изменения кварков, массу нейтрино или его спин, инфляцию или квантовую случайность — и это очень важные вопросы. Не говоря уж о частицах темной материи и темной энергии, из которых состоит большая часть Вселенной.

Квантовый реализм по-новому интерпретирует уравнения квантовой теории в терминах одной сети и одной программы. Его основное допущение в том, что физический мир — это вывод обработки, но это не умаляет его реальности — просто мы его не видим. Теория предполагает, что материя появилась из света как стабильная квантовая волна, а значит квантовый реализм предполагает, что свет в вакууме может порождать материю при столкновении. Стандартная модель утверждает, что фотоны не могут сталкиваться, поэтому необходим кардинальный экспериментальный подход для проверки виртуальной реальности нашего мира. Когда свет в вакууме породит материю при столкновении, модель элементарных частиц заменится моделью информационной обработки.

Для справки : Брайан Уитворт, создатель теории квантового реализма, оставил подробный путеводитель по терминам, поэтому если у вас будут вопросы — задавайте, постараюсь ответить по его материалам.

Если вы полагали, что мы канули в лету со своими мозговыворачивающими темами, то спешим вас огорчить обрадовать: вы заблуждались! На самом деле все это время мы пытались найти приемлемую методику изложения безумных тем связанных с квантовыми парадоксами. Мы написали несколько вариантов черновиков, но все они были выброшены на мороз. Потому что когда речь заходит об объяснении квантовых приколов, то мы и сами путаемся и признаем, что многое не понимаем (да и вообще мало кто понимает в этом деле, включая крутых мировых ученых). Увы, квантовый мир настолько чужд обывательскому мировоззрению, что совсем не стыдно признаться в своем непонимании и пытаться понемножку вместе разобраться хотя бы в основах.

И хотя мы, как обычно, постараемся рассказывать предельно доступно с картинками из гугла, неискушенному читателю потребуется некоторая начальная подготовка, поэтому рекомендуем просмотреть наши предыдущие темы, особенно про кванты и материю.
Специально для гуманитариев и прочих интересующихся - квантовые парадоксы. Часть 1.

В этой теме мы поговорим о самой обыденной загадке квантового мира - корпускулярно-волновом дуализме. Когда мы говорим "самая обыденная" мы имеем в виду, что физикам она уже приелась настолько, что как будто бы и не кажется загадкой. Но это все потому, что остальные квантовые парадоксы обывательскому уму принять еще сложнее.

А дело было так. В старые добрые времена где-то в середине 17-го века Ньютон и Гюйгенс разошлись во мнении, что есть свет: Ньютон без зазрения совести заявил, что свет это поток частиц, а старина Гюйгенс пытался доказать, что свет это волна. Но Ньютон был авторитетнее, поэтому его заявление о природе света было принято как истинное, а над Гюйгенсом посмеялись. И двести лет свет считали потоком каких-то неведомых частиц, природу которых однажды надеялись открыть.

В начале 19 века один востоковед по имени Томас Юнг баловался с оптическими приборами - в итоге он взял и провел эксперимент, который сейчас называют опытом Юнга, и каждый физик считает этот опыт священным.

Томас Юнг всего лишь направил луч (одного цвета, чтобы частота была примерно одинакова) света через две прорези в пластине, а позади поставил еще одну пластину-экран. И показал результат своим коллегам. Если бы свет был потоком частиц, то мы бы увидели на заднем фоне две светлые полосы.
Но, к несчастью всего научного мира, на экране-пластине появилась череда темных и светлых полос. Обычное явление, которое называется интерференцией - наложение двух (и более волн) друг на друга.

Кстати, именно благодаря интерференции мы наблюдаем радужные переливы на пятне масла или на мыльном пузыре.

Иначе говоря, Томас Юнг экспериментально доказал, что свет это волны. Ученый мир долго не хотел верить Юнгу, и одно время его так закритиковали, что тот даже отказался от своих идей волновой теории. Но уверенность в своей правоте все-таки победила, и ученые стали считать свет волной. Правда, волной чего - это было загадкой.
Вот, на рисунке старый добрый опыт Юнга.

Надо сказать, волновая природа света не сильно повлияла на классическую физику. Ученые переписали формулы и стали полагать, что скоро весь мир падет к их ногам под единой универсальной формулой всего.
Но вы уже догадались, что Эйнштейн как всегда все испортил. Беда подкралась с другой стороны - сначала ученые заморочились расчетом энергии тепловых волн и открыли понятие квантов (обязательно почитайте об этом нашу соответствующую тему " "). А затем с помощью этих самых квантов Эйнштейн нанес удар по физике, объяснив явление фотоэффекта.

Вкратце: фотоэффект (одно из следствий которого является засвечивание пленки) это выбивание светом электронов с поверхности некоторых материалов. Технически это выбивание происходит так, словно свет это частица. Частичку света Эйнштейн назвал квантом света, а позже ей присвоили имя - фотон.

В 1920 году к антиволновой теории света добавился удивительный эффект Комптона: когда электрон обстреливают фотонами, то фотон отскакивает от электрона с потерей энергии ("стреляем" синим цветом, а отлетает уже красный), как биллиардный шар от другого. Комптон за это отхватил нобелевскую премию.

На этот раз физики поостереглись вот так вот запросто отказываться от волновой природы света, а вместо этого крепко задумались. Наука встала перед ужасающей загадкой: так все-таки свет это волна или частица?

У света, как и у любой волны, есть частота - и это легко проверить. Мы видим разные цвета, потому что каждый цвет это просто разные частоты электромагнитной (световой) волны: красный - маленькая частота, фиолетовый - большая частота.
Но удивительно: длина волны видимого света в пять тысяч раз больше размера атома - как такая "штука" влезает в атом, когда атом поглощает эту волну? Если только фотон это частица, сопоставимая по размерам с атомом. Фотон одновременно и большой и маленький?

К тому же фотоэффект и эффект Комптона однозначно доказывают, что свет это все-таки поток частиц: нельзя объяснить каким образом волна передает энергию локализованным в пространстве электронам - если бы свет был волной, то некоторые электроны были бы выбиты позднее, чем другие, и явление фотоэффекта мы бы не наблюдали. Но в случае потока отдельно взятый фотон сталкивается с отдельно взятым электроном и при некоторых условиях выбивает его из атома.

В итоге было решено: свет это одновременно и волна и частица. Вернее, и ни то и ни другое, а новая неизвестная ранее форма существования материи: наблюдаемые нами явления это всего лишь проекции или тени реального положения дел, в зависимости от того как смотреть на происходящее. Когда мы смотрим на тень цилиндра, освещенного с одной стороны, то видим круг, а при освещении с другой стороны - тень прямоугольная. Так и с корпускулярно-волновым представлением света.

Но и тут все непросто. Нельзя говорить, что мы считаем свет либо волной, либо потоком частиц. Посмотрите в окно. Внезапно даже в чисто вымытом стекле мы видим свое, пусть нечеткое, но отражение. В чем подвох? Если свет - это волна, то объяснить отражение в окне просто - подобные эффекты мы видим на воде, когда волна отражается от препятствия. Но если свет - это поток частиц, то объяснить отражение так просто не получится. Ведь все фотоны одинаковы. Однако если все они одинаковы, то и преграда в виде оконного стекла должна одинаково на них воздействовать. Либо все они проходят сквозь стекло, либо все — отражаются. А в суровой реальности часть фотонов пролетает через стекло, и мы видим соседний дом и тут же наблюдаем свое отражение.

И единственное объяснение, которое приходит в голову: фотоны сами себе на уме. Нельзя со стопроцентной вероятностью предсказать, как поведет себя конкретный фотон - столкнется со стеклом как частица или как волна. Это основа квантовой физики - совершенно, абсолютно случайное поведение материи на микроуровне без какой-либо причины (а в своем мире больших величин мы по опыту знаем, что все имеет причину). Это идеальный генератор случайных чисел в отличие от подбрасываемой монетки.

Гениальный Эйнштейн, открывший фотон, до конца жизни был уверен, что квантовая физика ошибается, и уверял всех, что "Бог не играет в кости". Но современная наука все более подтверждает: таки играет.

Так или иначе, но как-то раз ученые решили поставить жирную точку в споре "волна или частица" и воспроизвести опыт Юнга с учетом технологий XX века. К этому времени они научились пулять фотонами по одному (квантовые генераторы, известные среди населения под именем "лазеры"), и посему было задумано проверить, что будет на экране в случае, если выстрелить по двум щелям одной частицей: вот и станет понятно, наконец, чем же является материя при контролируемых условиях эксперимента.

И внезапно - одиночный квант света (фотон) показал интерференционную картинку, то есть частица пролетала через обе щели одновременно, фотон интерферировал сам с собой (если говорить ученым языком). Уточним технический момент - на самом деле интерференционную картинку показал не один фотон, а серия выстрелов по одной частице с интервалами в 10 секунд - со временем на экране проявились юнговские полосы, знакомые любому троечнику с 1801-го года.

С точки зрения волны это логично - волна проходит через щели, и теперь две новые волны расходятся концентрическими кругами, накладываясь друг на друга.
Но с корпускулярной точки зрения получается, что фотон находится в двух местах одновременно, когда проходит через щели, а после прохождения смешивается сам с собой. Это вообще нормально, а?
Оказалось, что нормально. Более того раз фотон находится сразу в двух щелях, значит он одновременно находится везде и до щелей и после пролета через них. И вообще с точки зрения квантовой физики выпущенный фотон между стартом и финишем находится одновременно "везде и сразу". Такое нахождение частицы "сразу везде" физики называют суперпозицией - страшное слово, которое раньше было математическим баловством, теперь стало физической реальностью.

Некий Э. Шредингер, известный противник квантовой физики, к этому времени нарыл где-то формулу, которая описывала волновые свойства материи, типа воды. И немного над ней поколдовав, к своему же ужасу вывел так называемую волновую функцию. Эта функция показывала вероятность нахождения фотона в определенном месте. Заметьте, именно вероятность, а не точное местонахождение. И эта вероятность зависела от квадрата высоты гребня квантовой волны в заданном месте (если кому-то интересны детали).

Вопросам измерения местонахождения частиц мы посвятим отдельную главу.

Дальнейшие открытия показали, что дела с дуализмом еще хуже и загадочнее.
В 1924 году некий Луи де Бройль взял и заявил, что корпускулярно-волновые свойства света это верхушка айсберга. А таким непонятным свойством обладают все элементарные частицы.
То есть частицей и волной одновременно являются не только частицы электромагнитного поля (фотоны), но и вещественные частицы типа электронов, протонов и т.п. Вся материя вокруг нас на микроскопическом уровне является волнами (и частицами одновременно).

И спустя пару лет это даже подтвердили экспериментально - американцы гоняли электроны в электронно-лучевых трубках (которые известны нынешним старперам под названием "кинескоп") - так вот наблюдения, связанные с отражением электронов, подтвердили, что электрон это тоже волна (для простоты понимания можно сказать, что на пути электрона поставили пластинку с двумя щелями и лицезрели интерференцию электрона как она есть).

К настоящему времени в опытах обнаружено, что и атомы имеют волновые свойства и даже некоторые специальные виды молекул (так называемые "фуллерены") проявляют себя как волна.

Пытливый ум читателя, который еще не ошалел от нашего повествования, спросит: если материя это волна, то почему, например, летящий мячик не размазан в пространстве в виде волны? Почему реактивный самолет никак не походит на волну, а очень похож на реактивный самолет?

Де Бройль, чертяка, и тут все объяснил: таки-да, летящий мячик или "боинг" это тоже волна, но длина этой волны тем меньше, чем больше импульс. Импульс это масса, умноженная на скорость. То есть, чем больше масса материи, тем меньше длина ее волны. Длина волны мяча летящего со скоростью 150 км/час будет приблизительна равна 0,00метра. Поэтому мы не в состоянии заметить, как мячик размазан по пространству в качестве волны. Для нас это твердая материя.
Электрон же весьма легкая частица и, летящий со скоростью 6000 км/сек, он будет иметь заметную длину волны в 0,0000000001 метра.

Кстати, сразу ответим на вопрос, почему ядро атома не настолько "волновое". Хоть оно и находится в центре атома, вокруг которого, ошалев, летает и в то же время размазывается электрон, оно имеет приличный импульс, связанный с массой протонов и нейтронов, а также высокочастотным колебанием (скорость) из-за существования внутри ядра постоянного обмена частицами сильного взаимодействия (читайте тему ). Поэтому ядро больше походит на привычную нам твердую материю. Электрон же, по-видимому, является единственной частицей с массой, у которой ярко выражены волновые свойства, вот его все с восторгом и изучают.

Вернемся к нашим частицам. Так что получается: электрон, вращающийся вокруг атома это одновременно и частица и волна. То есть вращается-то частица, и в то же время электрон как волна представляет собой оболочку определенной формы вокруг ядра - как это вообще можно понять человеческим мозгом?

Выше мы уже подсчитали, что летающий электрон имеет довольно огромную (для микромира) длину волны и чтобы разместиться вокруг ядра атома такой волне нужно неприлично много места. Вот как раз именно этим и объясняются такие большие размеры атомов по сравнению с ядром. Длины волн электрона определяют размер атома. Пустое место между ядром и поверхностью атома заполнено "размещением" длины волны (и в то же время частицы) электрона. Это очень грубое и некорректное объяснение - просим нас простить - на самом деле все гораздо сложнее, но наша цель - хотя бы позволить отгрызть кусочек гранита науки людям, которым все это интересно.

Давайте еще раз проясним! После некоторых комментариев к статье [на ЯПе] мы поняли, какого важного замечания не хватает этой статье. Внимание! Описываемая нами форма материи не является ни волной ни частицей. Она лишь (одновременно) имеет свойства волны и свойства частиц. Нельзя говорить, что электромагнитная волна или электронная волна подобны морским или звуковым волнам. Привычные нам волны представляют собой распространение возмущений в пространстве заполненным каким-либо веществом.
Фотоны, электроны и прочие экземпляры микромира при движении в пространстве можно описать волновыми уравнениями, они по поведению лишь ПОХОЖИ на волну, но ни в коем случае волной не являются. Аналогично и с корпускулярной строной материи: поведение частицы похоже на полет маленьких точечных шариков, но это ни разу не шарики.
Это нужно понять и принять, иначе все наши размышления будут в конечном счете приводить к поиску аналогов в макромире и тем самым пониманию квантовой физики придет конец, и начнется фричество или шарлатанская философия навроде квантовой магии и материальности мыслей.

Остальные ужасающие выводы и следствия из модернизированного опыта Юнга мы рассмотрим позже в следующей части - неопределенность Гейзенберга, кошка Шредингера, принцип запрета Паули и квантовая запутанность ждут терпеливого и вдумчивого читателя, который еще не раз перечитает наши статьи и покопается в интернете в поисках дополнительной информации.

Всем спасибо за внимание. Приятной всем бессонницы или познавательных кошмаров!

NB: Прилежно напоминаем, что все изображения взяты из гугла (поиск по картинкам) - авторство определяется там же.
Незаконное копирование текста преследуется, пресекается, ну, и сами знаете. ..

Наверняка Вы много раз слышали о необъяснимых тайнах квантовой физики и квантовой механики . Её законы завораживают мистикой, и даже сами физики признаются, что до конца не понимают их. С одной стороны, любопытно понять эти законы, но с другой стороны, нет времени читать многотомные и сложные книги по физике. Я очень понимаю Вас, потому что тоже люблю познание и поиск истины, но времени на все книги катастрофически не хватает. Вы не одиноки, очень многие любознательные люди набирают в поисковой строке: «квантовая физика для чайников, квантовая механика для чайников, квантовая физика для начинающих, квантовая механика для начинающих, основы квантовой физики, основы квантовой механики, квантовая физика для детей, что такое квантовая механика». Именно для Вас эта публикация .

Вам станут понятны основные понятия и парадоксы квантовой физики. Из статьи Вы узнаете:

• Что такое квантовая физика и квантовая механика?
• Что такое интерференция?
• Что такое квантовая запутанность (или Квантовая телепортация для чайников)? (см. статью )
• Что такое мысленный эксперимент «Кот Шредингера»? (см. статью )

Квантовая механика — это часть квантовой физики.

Почему же так сложно понять эти науки? Ответ прост: квантовая физика и квантовая механика (часть квантовой физики) изучают законы микромира. И законы эти абсолютно отличаются от законов нашего макромира. Поэтому нам трудно представить то, что происходит с электронами и фотонами в микромире.

Пример отличия законов макро- и микромиров : в нашем макромире, если Вы положите шар в одну из 2-х коробок, то в одной из них будет пусто, а в другой - шар. Но в микромире (если вместо шара - атом), атом может находиться одновременно в двух коробках. Это многократно подтверждено экспериментально. Не правда ли, трудно это вместить в голове? Но с фактами не поспоришь.

Ещё один пример. Вы сфотографировали быстро мчащуюся красную спортивную машину и на фото увидели размытую горизонтальную полосу, как будто-машина в момент фото находилась с нескольких точках пространства. Несмотря на то, что Вы видите на фото, Вы всё равно уверены, что машина в ту секунду, когда Вы ёё фотографировали находилась в одном конкретном месте в пространстве . В микро же мире всё не так. Электрон, который вращается вокруг ядра атома, на самом деле не вращается, а находится одновременно во всех точках сферы вокруг ядра атома. Наподобие намотанного неплотно клубка пушистой шерсти. Это понятие в физике называется «электронным облаком» .

Небольшой экскурс в историю. Впервые о квантовом мире учёные задумались, когда в 1900 году немецкий физик Макс Планк попытался выяснить, почему при нагревании металлы меняют цвет. Именно он ввёл понятие кванта. До этого учёные думали, что свет распространяется непрерывно. Первым, кто серьёзно воспринял открытие Планка, был никому тогда неизвестный Альберт Энштейн. Он понял, что свет – это не только волна. Иногда он ведёт себя, как частица. Энштейн получил Нобелевскую премию за своё открытие, что свет излучается порциями, квантами. Квант света называется фотоном (фотон, Википедия ) .

Для того, чтобы легче было понять законы квантовой физики и механики (Википедия) , надо в некотором смысле абстрагироваться от привычных нам законов классической физики. И представить, что Вы занырнули, как Алиса, в кроличью нору, в Страну чудес.

А вот и мультик для детей и взрослых. Рассказывает о фундаментальном эксперименте квантовой механики с 2-мя щелями и наблюдателем. Длится всего 5 минут. Посмотрите его перед тем, как мы углубимся в основные вопросы и понятия квантовой физики.

Квантовая физика для чайников видео . В мультике обратите внимание на «глаз» наблюдателя. Он стал серьёзной загадкой для учёных-физиков.

Что такое интерференция?

В начале мультика было показано на примере жидкости, как ведут себя волны – на экране за пластиной со щелями появляются чередующиеся тёмные и светлые вертикальные полосы. А в случае, когда в пластину «стреляют» дискретными частицами (например, камушками), то они пролетают сквозь 2 щели и попадают на экран прямо напротив щелей. И «рисуют» на экране только 2 вертикальные полосы.

Интерференция света – это «волновое» поведение света, когда на экране отображается много чередующихся ярких и тёмных вертикальных полос. Еще эти вертикальные полосы называются интерференционной картиной .

В нашем макромире мы часто наблюдаем, что свет ведёт себя, как волна. Если поставить руку напротив свечи, то на стене будет не чёткая тень от руки, а с расплывающимися контурами.

Итак, не так уж всё и сложно! Нам сейчас вполне понятно, что свет имеет волновую природу и если 2 щели освещать светом, то на экране за ними мы увидим интерференционную картину. Теперь рассмотрим 2-й эксперимент. Это знаменитый эксперимент Штерна-Герлаха (который провели в 20-х годах прошлого века).

В установку, описанную в мультике, не светом светили, а «стреляли» электронами (как отдельными частицами). Тогда, в начале прошлого века, физики всего мира считали, что электроны – это элементарные частицы материи и должны иметь не волновую природу, а такую же, как камушки. Ведь электроны – это элементарные частицы материи, правильно? То есть, если ими «бросать» в 2 щели, как камушками, то на экране за прорезями мы должны увидеть 2 вертикальные полоски.

Но… Результат был ошеломляющий. Учёные увидели интерференционную картину – много вертикальных полосок. То есть электроны, как и свет тоже могут иметь волновую природу, могут интерферировать. А с другой стороны стало понятно, что свет не только волна, но немного и частица — фотон (из исторической справки в начале статьи мы узнали, что за это открытие Энштейн получил Нобелевскую премию).

Может помните, в школе нам рассказывали на физике про «корпускулярно-волновой дуализм» ? Он означает, что когда речь идет об очень маленьких частицах (атомах, электронах) микромира, то они одновременно и волны, и частицы

Это сегодня мы с Вами такие умные и понимаем, что 2 выше описанных эксперимента – стрельба электронами и освещение щелей светом – суть одно и тоже. Потому что мы стреляем по прорезям квантовыми частицами. Сейчас мы знаем, что и свет, и электроны имеют квантовую природу, являются и волнами, и частицами одновременно. А в начале 20-го века результаты этого эксперимента были сенсацией.

Внимание! Теперь перейдём к более тонкому вопросу.

Мы светим на наши щели потоком фотонов (электронов) – и видим за щелями на экране интерференционную картину (вертикальные полоски). Это ясно. Но нам интересно увидеть, как пролетает каждый из электронов в прорези.

Предположительно, один электрон летит в левую прорезь, другой – в правую. Но тогда должны на экране появиться 2 вертикальные полоски прямо напротив прорезей. Почему же получается интерференционная картина? Может электроны как-то взаимодействуют между собой уже на экране после пролёта через щели. И в результате получается такая волновая картина. Как нам за этим проследить?

Будем бросать электроны не пучком, а по одному. Бросим, подождём, бросим следующий. Теперь, когда электрон летит один, он уже не сможет взаимодействовать на экране с другими электронами. Будем регистрировать на экране каждый электрон после броска. Один-два конечно не «нарисуют» нам понятной картины. Но когда по одному отправим в прорези их много, то заметим…о ужас – они опять «нарисовали» интерференционную волновую картину!

Начинаем медленно сходить с ума. Ведь мы ожидали, что будет 2 вертикальные полоски напротив щелей! Получается, что когда мы бросали фотоны по одному, каждый из них проходил, как бы через 2 щели одновременно и интерферировал сам с собой. Фантастика! Вернёмся к пояснению этого феномена в следующем разделе.

Что такое спин и суперпозиция?

Мы теперь знаем, что такое интерференция. Это волновое поведение микро частиц – фотонов, электронов, других микро частиц (давайте для простоты с этого момента называть их фотонами).

В результате эксперимента, когда мы бросали в 2 щели по 1 фотону, мы поняли, что он пролетает как будто через две щели одновременно. Иначе как объяснить интерференционную картину на экране?

Но как представить картину, что фотон пролетает сквозь две щели одновременно? Есть 2 варианта.

• 1-й вариант: фотон, как волна (как вода) «проплывает» сквозь 2 щели одновременно
• 2-й вариант: фотон, как частица, летит одновременно по 2-м траекториям (даже не по двум, а по всем сразу)

В принципе, эти утверждения равносильны. Мы пришли к «интегралу по траекториям». Это формулировка квантовой механики от Ричарда Фейнмана.

Кстати, именно Ричарду Фейнману принадлежит известное выражение, что уверенно можно утверждать, что квантовую механику не понимает никто

Но это его выражение работало в начале века. Но мы то теперь умные и знаем, что фотон может вести себя и как частица, и как волна. Что он может каким-то непонятным для нас способом пролетать одновременно через 2 щели. Поэтому нам легко будет понять следующее важное утверждение квантовой механики:

Строго говоря, квантовая механика говорит нам, что такое поведение фотона – правило, а не исключение. Любая квантовая частица находится, как правило, в нескольких состояниях или в нескольких точках пространства одновременно .

Объекты макромира могут находится только в одном определенном месте и в одном определенном состоянии. Но квантовая частица существует по своим законам. И ей и дела нет до того, что мы их не понимаем. На этом — точка.

Нам остаётся просто признать, как аксиому, что «суперпозиция» квантового объекта означает то, что он может находится на 2-х или более траекториях одновременно, в 2-х или более точках одновременно

То же относится и к другому параметру фотона – спину (его собственному угловому моменту). Спин — это вектор. Квантовый объект можно представить как микроскопический магнитик. Мы привыкли, что вектор магнита (спин) либо направлен вверх, либо вниз. Но электрон или фотон опять говорят нам: «Ребята, нам плевать, к чему Вы привыкли, мы можем быть в обоих состояниях спина сразу (вектор вверх, вектор вниз), точно так же, как мы можем находиться на 2-х траекториях одновременно или в 2-х точках одновременно!».

Что такое «измерение» или «коллапс волновой функции»?

Нам осталось немного — понять ещё, что такое «измерение» и что такое «коллапс волновой функции».

Волновая функция — это описание состояния квантового объекта (нашего фотона или электрона).

Предположим, у нас есть электрон, он летит себе в неопределённом состоянии, спин его направлен и вверх, и вниз одновременно . Нам надо измерить его состояние.

Измерим при помощи магнитного поля: электроны, у которых спин был направлен по направлению поля, отклонятся в одну сторону, а электроны, у которых спин направлен против поля — в другую. Ещё фотоны можно направлять в поляризационный фильтр. Если спин (поляризация) фотона +1 – он проходит через фильтр, а если -1, то нет.

Стоп! Вот тут у Вас неизбежно возникнет вопрос: до измерения ведь у электрона не было какого-то конкретного направления спина, так? Он ведь был во всех состояниях одновременно?

В этом-то и заключается фишка и сенсация квантовой механики . Пока Вы не измеряете состояние квантового объекта, он может вращаться в любую сторону (иметь любое направление вектора собственного углового момента – спина). Но в момент, когда Вы измерили его состояние, он как будто принимает решение, какой вектор спина ему принять.

Вот такой крутой этот квантовый объект – сам принимает решение о своём состоянии. И мы не можем заранее предсказать, какое решение он примет, когда влетит в магнитное поле, в котором мы его измеряем. Вероятность того, что он решит иметь вектор спина «вверх» или «вниз» – 50 на 50%. Но как только он решил – он находится в определённом состоянии с конкретным направлением спина. Причиной его решения является наше «измерение»!

Это и называется «коллапсом волновой функции» . Волновая функция до измерения была неопределённой, т.е. вектор спина электрона находился одновременно во всех направлениях, после измерения электрон зафиксировал определённое направление вектора своего спина.

Внимание! Отличный для понимания пример-ассоциация из нашего макромира:

Раскрутите на столе монетку, как юлу. Пока монетка крутиться, у нёё нет конкретного значения — орёл или решка. Но как только Вы решите «измерить» это значение и прихлопните монету рукой, вот тут-то и получите конкретное состояние монеты – орёл или решка. А теперь представьте, что это монета принимает решение, какое значение Вам «показать» – орёл или решка. Примерно также ведёт себя и электрон.

А теперь вспомните эксперимент, показанный в конце мультика. Когда фотоны пропускали через щели, они вели себя, как волна и показывали на экране интерференционную картину. А когда учёные захотели зафиксировать (измерить) момент пролёта фотонов через щель и поставили за экраном «наблюдателя», фотоны стали вести себя, не как волны, а как частицы. И «нарисовали» на экране 2 вертикальные полосы. Т.е. в момент измерения или наблюдения квантовые объекты сами выбирают, в каком состоянии им быть.

Фантастика! Не правда ли?

Но это ещё не всё. Наконец-то мы добрались до самого интересного.

Но… мне кажется, что получится перегруз информации, поэтому 2 эти понятия мы рассмотрим в отдельных постах:

• Что такое ?
• Что такое мысленный эксперимент .

А сейчас, хотите, чтобы информация разложилась по полочкам? Посмотрите документальный фильм, подготовленный Канадским институтом теоретической физики. В нём за 20 минут очень кратко и в хронологическом порядке Вам поведают о всех открытиях квантовой физики, начиная с открытия Планка в 1900 году. А затем расскажут, какие практические разработки выполняются сейчас на базе знаний по квантовой физике: от точнейших атомных часов до суперскоростных вычислений квантового компьютера. Очень рекомендую посмотреть этот фильм.

До встречи!

Желаю всем вдохновения для всех задуманных планов и проектов!

P.S.2 Пишите Ваши вопросы и мысли в комментариях. Пишите, какие ещё вопросы по квантовой физике Вам интересны?

P.S.3 Подписывайтесь на блог - форма для подписки под статьёй.

В истории развития физики было немало революций, кардинально изменявших научную парадигму и взгляды ученых на методы познания и устройство мира. Однако то, что произошло с естествознанием в первой четверти XX века, не было очередной сменой основных законов. Если раньше все в окружающем нас мире было предсказуемо, то с появлением квантовой механики он стал случайным.

Квантовая — значит дискретная

В классической физике Ньютона, Галилея и даже Эйнштейна было одно замечательное свойство - все физические величины можно было не только измерить, но и с любой степенью точности вычислить их последующие изменения во времени. Поведение любой, сколь угодно сложной, системы и движение тел любой массы и размера были в принципе предсказуемы. Квантовая механика предложила принципиально иную систему законов, управляющих миром. Первые изученные ею микрообъекты - атомы, электроны и фотоны, категорически не желавшие вести себя как классические, заставили физиков кардинально изменить методы описания природных явлений.

К началу XX века в классическом естествознании возникли большие трудности с объяснением целого ряда явлений, начиная от дискретного характера оптических спектров и устройства атома и заканчивая тепловым излучением тел и внешним фотоэффектом. Понимание того, что микромир живет по особым законам, формировалось постепенно и происходило с большим трудом, поскольку очень уж необычными были эти законы.

Классическая физика оперировала величинами, которые могли изменяться равномерно и непрерывно, принимая любые сколь угодно близкие значения. Попытка такого классического подхода к миру атомов и элементарных частиц потерпела неудачу, и ученым пришлось построить новую - квантовую механику, адекватно описывающую особый мир микроскопических частиц и изменений энергий. В новой теории много необычного, и одна из особенностей квантового мира состоит в том, что его характеристики могут изменяться лишь дискретным способом, принимая ряд фиксированных значений.

Квантовые порции

Одной из первых проблем, для решения которой понадобилось введение кванта энергии, было рассмотрение сосуществования частиц и полей и построение теории теплового излучения. Это излучение можно почувствовать не только под ярким летним солнцем, но и поднеся руку к обычной лампочке или горячему утюгу. Однако попытки объяснить такие обыденные явления в рамках классической теории оказались несостоятельными.

В 1900 году Джон Рэлей и Джеймс Джинс, используя классическую теорию, рассмотрели нагретое тело, в котором электромагнитное поле (волны) находилось в тепловом равновесии с частицами. Оказалось, что в этом случае поле забирает у частиц всю их энергию. Тем самым классическая теория приводила к бессмысленному результату: нагретое тело, непрерывно теряя энергию из-за излучения волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Этот физически абсурдный результат получил название «ультрафиолетовой катастрофы». В действительности ничего подобного, естественно, не происходит. Наблюдения показали, что на высоких частотах энергия излучения не возрастает бесконечно, а убывает до нуля. Максимальное излучение при фиксированной температуре приходится на определенную частоту или цвет.

Примерами этого могут служить красный цвет раскаленной кочерги (температура около 1 000 К) или желто-белый цвет Солнца (около 6 000 К).

Частный, казалось бы, вопрос об излучении электромагнитных волн нагретыми телами приобрел принципиальное значение. Классическая теория приводила к результатам, резко противоречащим опыту. В 1900 году, чтобы добиться согласования теории с опытом, Максу Планку пришлось отступить от классического подхода лишь в одном пункте. Он использовал гипотезу, согласно которой излучение электромагнитного поля может происходить только отдельными порциями - квантами. Принятая Планком гипотеза противоречила классической физике, однако построенная им теория теплового излучения превосходно согласовывалась с экспериментом.

Эффект Комптона

Вещество может не только излучать, но и поглощать электромагнитные волны. Процесс поглощения, исходя из классических представлений, также оказался не совсем понятным. В начале прошлого века уже умели изготавливать электровакуумные лампы и знали, что при освещении катода светом такой лампы происходит испускание электронов. Это явление назвали внешним фотоэффектом. Все попытки описать его на основе классической теории, в которой свет рассматривался как электромагнитная волна, оказались безрезультатными. Не удавалось объяснить основное свойство фотоэффекта - тот факт, что энергия вылетающих электронов определяется только частотой падающего света и не зависит от его интенсивности.

В 1905 году, через 5 лет после опубликования работы Макса Планка, для объяснения фотоэффекта была применена гипотеза квантов. Из того, что свет, как показал Планк, излучается порциями (квантами), еще не следует дискретная (порционная) структура самого света. Альберт Эйнштейн предположил, что дискретность (разделенность на порции) излучения должна проявляться не только при излучении, но и при поглощении и распространении электромагнитных волн.

Под напором экспериментальных фактов ученые были вынуждены ввести представление о свете как о потоке частиц. Однако еще в начале ХIХ века Томас Юнг экспериментально доказал волновую природу света, а в конце XIX века Джеймс Максвелл теоретически обосновал, что свет представляет собой волны, то есть колебания электромагнитного поля. Каким же образом свет может быть одновременно и частицами, и волнами? Ведь и частица, и волна представляются совершенно не похожими друг на друга. Тем не менее одни экспериментальные факты явно указывают на то, что свет - это поток частиц, а другие на то, что свет - это волны. Возникло логическое противоречие: для объяснения одних явлений свет необходимо было описывать как волны, а для объяснения других - как частицы.

Таким образом, выяснилось, что представления о «частице» и «волне» лишь в какой-то степени отражают реальность. Открытие двойственности (дуализма) свойств света в период формирования новой физики имело огромное значение. Именно попытки объяснить этот дуализм и породили современную квантовую теорию.

Окончательное доказательство существования квантов света было получено в 1922 году американским физиком Артуром Комптоном. Его эксперимент показал, что рассеяние света свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двух частиц - фотона и электрона. Теперь это явление называется эффектом Комптона.

Неустойчивый атом

Про то, что существуют минимальные, далее неделимые, частицы материи, говорили еще древние греки. К концу XIX века уже почти никто из ученых не сомневался в реальности атомов, но было непонятно, как они устроены и из чего состоят. Существовало много разных гипотез, но только в 1911 году, после опытов английского физика Эрнеста Резерфорда по обстрелу атомов золота а-частицами, родилась планетарная модель атома. Согласно этой модели в центре атома, подобно маленькому солнцу, располагалось ядро. Вокруг ядра, сходно планетам, обращались электроны, удерживаемые электромагнитными силами. Планетарная модель позволила объяснить результаты опытов, но оставался непонятным факт существования атома. Согласно классической теории электрон, вращающийся в атоме, должен излучать электромагнитные волны. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электрон должен в конце концов упасть на ядро, а атом - прекратить свое существование.

Выход из этого «тупика» был предложен в 1913 году датским физиком Нильсом Бором. В своей модели Бор рассматривал электроны как классические частицы, движущиеся вокруг маленького массивного ядра под влиянием электрического поля. Однако вопреки законам классической физики Бор предположил существование в атоме стационарных (не меняющихся во времени) состояний, каждому из которых соответствует определенная энергия. В стационарных состояниях электрон не излучает. Излучение и поглощение света происходят лишь в том случае, когда атом переходит из одного состояния в другое.

Волновая гипотеза Бройля

Сначала только свету приписывалось такое странное свойство - быть одновременно и волной, и частицей. Вещество же рассматривалось как система обычных точечных частиц. В 1923 году Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности дуализма волна-частица. Согласно этому предположению не только фотоны, но и электроны, а также любые другие частицы обладают волновыми свойствами. И это касается как микроскопически малых атомов и молекул, так и любых других окружающих нас макроскопических объектов.

Основным признаком волн является их способность интерферировать, то есть складываться и вычитаться. Другими словами, если вещество обладает волновыми свойствами, то для него должны наблюдаться явления дифракции (огибание волнами встречающихся на пути препятствий) и интерференции (сложения и вычитания волн).

Прямое экспериментальное доказательство того, что электроны могут дифрагировать и интерферировать, было получено в 1927 году в опытах Клинтона Дэвиссона и Лестера Джемера, а также, независимо от них, в экспериментах Джорджа Томсона. В настоящее время экспериментаторы наблюдают интерференцию и других частиц, вплоть до молекул. Так, в 2003 году в Институте экспериментальной физики Венского университета была впервые обнаружена квантовая интерференция органических молекул биологического происхождения C4444H3 0N4, содержащих 44 атома углерода, 30 атомов водорода и 4 атома азота. В связи с этими экспериментами возникает вопрос: возможна ли квантовая интерференция живых существ?

После выдвижения де Бройлем гипотезы об универсальности дуализма волна-частица и экспериментального подтверждения наличия у частиц вещества волновых свойств возникли новые принципиальные проблемы. Стало необходимым совместить волновую природу частиц с привычными представлениями о размещении (локализации) частиц в пространстве.

Предсказуемая пси-функция

Как уже говорилось, квантовые объекты существенно отличаются от классических. Достаточно ярко это отличие видно при прохождении пучка частиц через экран с двумя щелями. Когда на щели налетают классические частицы, то каждая проходит заведомо лишь через какую-то одну щель и на экране четко видны две независимые области попадания пролетевших частиц. Применительно к квантовым объектам положение оказывается иным. Квантовые частицы (например, электроны) одновременно проходят через обе щели, причем этот процесс описывается вероятностными методами. Явление интерференции электронов приводит к тому, что на экране наблюдается картина, характерная для прохождения волн, - с большим количеством максимумов и минимумов интенсивности. Квантовые частицы (каждая из них) как бы «чувствуют» наличие обеих щелей. Происходит не сложение волн различных квантовых частиц, прошедших через разные щели, а интерференция волны каждой из квантовых частиц на обеих щелях.

Для того чтобы рассчитывать такие явления, квантовую частицу стали характеризовать не точными значениями координат и импульсов, а некоторой пси-функцией - эта комплексная волновая функция позволяет описывать свойства частиц и определять вероятности тех или иных событий. Уравнение Шредингера, которому подчиняется эта функция, является линейным дифференциальным уравнением, и в этом плане поведение самой пси-функции вполне вычислимо и предсказуемо в отличие от поведения описываемых ею квантовых объектов.

Комбинации с котом

Одной из основ квантовой механики является так называемый принцип суперпозиции (наложения). Согласно этому принципу если есть несколько состояний, отвечающих различным волновым функциям, то существуют состояния, описываемые линейными комбинациями этих функций.

Рассмотрим умозрительный эксперимент с так называемым «котом Шредингера», проясняющий принцип суперпозиции. Кота помещают в коробку. В ней, кроме кота, находится капсула с ядовитым газом (или бомба), которая может взорваться с 50-процентной вероятностью благодаря радиоактивному распаду атома плутония или случайно залетевшему кванту света. Через некоторое время коробка открывается и выясняется, жив кот или нет. До тех пор пока коробка не открыта (не произведено измерение), кот пребывает в суперпозиции двух состояний: «живой» и «мертвый». Описывая с помощью волновых функций всю систему (коробку), включая кота, Эрвин Шредингер в 1935 году пришел к парадоксальному выводу. Состоял он в том, что наряду с состояниями, отвечающими живому или мертвому коту, согласно квантовой механике, существует и суперпозиция этих состояний. Другими словами, должно существовать состояние, когда кот «ни жив, ни мертв» (или, если хотите, - жив и мертв одновременно). Применительно к окружающим нас объектам такая ситуация выглядит странновато. Однако для элементарных частиц нахождение одновременно в двух, казалось бы, взаимоисключающих состояниях совершенно естественно.

Недавно группа Джонатана Фридмана из Нью-Йоркского университета получила одно из доказательств того, что законам квантовой теории подвластны не только элементарные частицы, но и макроскопические объекты. Ученые показали, что примерно так же, как кот Шредингера, может вести себя электрический ток в сверхпроводящем кольце. Исследователи добились такого состояния сверхпроводящего кольца, при котором ток по нему тек одновременно и по часовой, и против часовой стрелки.

Одним из важнейших понятий квантовой теории поля является представление о вакууме. Физический вакуум не пустое место. Если полю, находящемуся в вакуумном состоянии, сообщить достаточную энергию, то происходит его возбуждение и рождение частиц - квантов этого поля.

Эмпирика точных расчетов

Открытие универсальности дуализма волна-частица для всего микромира привело к пониманию того, что противопоставление понятий «частица» и «волна» не совсем оправданно. Квантовые объекты должны описываться более фундаментальными понятиями, а представления о «частице» и «волне» лишь в некоторой степени отражают объективную реальность окружающего нас мира.

Классические частицы движутся по определенным траекториям. Если точно известны координаты и импульсы частицы в начальный момент времени, то можно определить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени.

Электрон, протон, нейтрон и другие элементарные частицы принципиально отличаются от таких классических объектов, как, например, дробинка или шарик для пинг-понга. Одно из основных различий заключается в том, что квантовая частица движется не по траектории. При этом неправомерно говорить об одновременных значениях ее координаты и импульса. В этом и состоит принцип неопределенности, установленный Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Соотношение неопределенности подчеркивает принципиальное различие в описании состояния системы в классической и квантовой физике. Состояние классической частицы можно описывать с помощью точного задания координат и импульсов. Для квантовой частицы не существует состояний, в которых ее координаты и импульс имели бы одновременно точные значения. При этом квантовая механика позволяет установить, какие из физических величин, характеризующих систему, могут иметь одновременно определенные значения, а какие нет.

Диапазон применения квантовой механики удивительно широк. Ей подчиняется огромное число явлений и процессов-деление атомных ядер и образование нейтронных звезд, форма химических соединений и структура спирали ДНК, работа полупроводниковых диодов, транзисторов и лазеров.

Для понимания законов квантового мира нельзя опереться на повседневный опыт. Частицы ведут себя как классические только в том случае, если мы постоянно «подглядываем» за ними, или, говоря более строго, непрерывно измеряем, в каком состоянии они находятся. Но стоит нам «отвернуться» (прекратить наблюдение), как квантовые частицы переходят из вполне определенного состояния сразу в несколько различных состояний. То есть электрон (или любой другой квантовый объект) частично будет находиться в одной точке, частично - в другой, частично - в третьей и так далее. И это вовсе не означает, что он делится на части - в противном случае какую-нибудь часть электрона можно было бы изолировать и измерить ее заряд или массу. Опыт же показывает, что после измерения электрон всегда оказывается «целым и невредимым» в одной-единственной точке, несмотря на то, что до этого успел побывать одновременно почти везде. Такое состояние электрона, когда он находится сразу в нескольких точках пространства, называемое суперпозицией квантовых состояний, описывают обычно волновой функцией, введенной в 1926 году немецким физиком Эрвином Шредингером. После измерения положения частицы ее волновая функция как бы стягивается в ту точку, где частица была обнаружена, а затем, после измерения, опять начинает расплываться.

Но вернемся к эксперименту с двумя щелями. Напомним, что квантовая частица проходит одновременно через две щели, и на экране наблюдается интерференционная картина. При этом квантовая механика предсказывает, что при определении (измерении с помощью любого прибора) того, через какую из двух щелей проходит квантовая частица, интерференционная картина разрушается. Впервые осуществить такого рода эксперименты позволили достижения техники лазерного охлаждения атомных пучков и достижения последних лет в квантовой оптике. Так, с помощью монохроматического пучка атомов натрия в Университете города Констанц (Германия) был реализован эксперимент с двумя щелями. Он показал, что попытка определить траекторию атома путем рассеяния фотонов приводит к исчезновению интерференционной картины.

Сквозь стены

Вероятностный характер происходящих в микромире явлений приводит к тому, что иногда может случиться даже то, чего быть не должно с точки зрения классической физики. Рассмотрим движение частицы в узкой области, внутри которой потенциальная энергия имеет некоторое конечное значение. В этом случае говорят, что наличествует потенциальный барьер. Такой потенциальный барьер можно представлять в виде кратера с высокими стенками. Если полная энергия классической частицы меньше высоты потенциального барьера, то движущаяся частица, достигнув его, не сможет преодолеть потенциальный барьер. В квантовой же механике, согласно уравнению Шредингера, волновая функция частицы, находящейся в таких же условиях, существует не только внутри воображаемого кратера, но и в области за барьером. Это означает, что есть вероятность обнаружить частицу вне кратера. Возникает интересное явление - проникновение квантовых частиц сквозь потенциальный барьер (сквозь стенки), называемое туннельным эффектом.

Туннельный эффект позволяет объяснить распад атомных ядер, при котором из ядер вылетают а-частицы атомов гелия). Известно, что прочно удерживается внутри атомного ядра сильным взаимодействием. Вне ядра на а-частицу действуют электрические силы отталкивания. Потенциальная энергия в зависимости от расстояния до центра ядра имеет вид глубокой ямы, похожей на кратер. Внутри этой ямы а-частица имеет энергию, много меньшую, чем высота потенциального барьера. И а-частицам каким-то образом удается выбраться из этой ямы. Объяснение такого проникновения частиц через стенки дает туннельный эффект. В результате среднее время жизни радиоактивного атомного ядра оказывается хотя и очень большим, но конечным. Например, время жизни ядра урана 238 U составляет около 4 млрд. лет.

Туннельный эффект позволяет достать то, что прочно удерживается за потенциальными барьерами. Именно прохождением частиц сквозь этот барьер объясняются ионизация атомов в сильном электрическом поле и вырывание электронов из металла под действием электрического поля. Однако чем больше ширина и высота потенциального барьера, тем меньше вероятность прохождения через него.

Именно благодаря туннельному эффекту работают полупроводниковые диоды Шотки, в которых электрический ток в десятки ампер успешно протекает через тонкий слой диэлектрика, разделяющий полупроводниковый и металлический электроды данного квантового прибора. Причем, как и положено диоду, прибор этот пропускает ток только в одну сторону - туда, где энергия зарядов меньше.

Полное подобие

Мы привыкли к тому, что практически каждый предмет индивидуален и хоть чем-то отличается от подобного ему. А вот про элементарные частицы этого сказать нельзя, и разные электроны (как и любые однотипные элементарные частицы) обладают той удивительной особенностью, что ничем друг от друга не отличаются. Системы, состоящие из одинаковых (тождественных) частиц, обладают в квантовой механике особыми свойствами. Эти свойства следуют из так называемого принципа неразличимости тождественных частиц. Представим себе, что мы поменяли местами два электрона, переставив один на место другого. Поскольку электроны абсолютно тождественны, такая перестановка не приведет ни к каким изменениям и не сможет быть обнаружена экспериментально. Это приводит к специфическому обменному взаимодействию, благодаря которому возникают химические связи в молекулах и кристаллах.

Идентичность атомов нашего светила и атомов, образующих похожую звезду, находящуюся на расстоянии в миллиарды световых лет от Земли, позволяет астрономам делать выводы об устройстве Вселенной. Более того, физики сегодня исходят не только из того, что в разных точках пространства действуют одни и те же законы, но и полагают, что за последние 10 млрд. лет электроны (да и весь остальной микромир) были неизменными и тождественными современным.

Даже точка может вращаться

Итак, построение квантовой теории началось с работы Планка, выдвинувшего гипотезу о существовании дискретных уровней энергии в рамках классического подхода. В процессе развития квантовой механики возникло уравнение Шредингера, из решения которого дискретные значения энергии получаются автоматически. Однако экспериментальное определение уровней энергии атомов показало, что полного совпадения с предсказаниями теории нет. Все уровни, кроме основного, расщеплены на ряд очень близких подуровней.

Объяснить это расхождение теории с опытом удалось только с помощью предположения, сделанного Джорджем Уленбеком и Сэмюэлем Гаудсмитом в 1925 году. Они решили, что электрон, как и большинство других элементарных частиц, обладает дополнительной внутренней степенью свободы, названной спином. Наличие спина у квантовой частицы означает, что в некотором отношении она подобна маленькому вращающемуся волчку. Спин может принимать только целые и полуцелые значения.

Все квантовые частицы делятся на два вида - фермионы и бозоны, в зависимости от их спина. Фермионами называются частицы, имеющие полуцелое значение спина. Для этих частиц справедлив принцип, открытый Вольфгангом Паули в 1925 году, согласно которому две одинаковые (тождественные) частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Бозонами называются частицы с целым спином. Принцип Паули на них не распространяется: в одном и том же состоянии может находиться любое число частиц. Самыми известными фермионами являются электроны, а бозонами - фотоны. Особенно резко отличаются друг от друга низшие энергетические уровни у систем бозонов и фермионов. Фермионы располагаются ровно по два на каждом энергетическом уровне - один спином вверх, другой вниз. А вот бозоны, напротив, могут все вместе расположиться на одном-единственном нижнем уровне. Именно это явление приводит к сверхпроводимости и сверхтекучести.

Эффект запутывания и ЭПР-парадокс

В процессе становления квантовой картины мира большую роль сыграли не только реальные данные, но и умозрительные эксперименты. Согласно предложенному в 1935 году Эйнштейном, Подольским и Розеном опыту, проводя наблюдения за одной из двух взаимодействовавших частиц, экспериментатор мгновенно изменяет параметры другой, уже далеко отлетевшей частицы. Получается, что квантовая система в процессе разделения сохраняет некую связь (эффект запутывания). Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена, или ЭПР, связан с принципиальной «квантовой нелокальностью».

Окончательное разрешение этого «парадокса» произошло только в 1964 году, когда Джон Белл рассмотрел пару запутанных квантовых частиц, бывших в контакте, а затем удалившихся друг от друга так, что их взаимовлияние стало невозможно. Он показал, что эти частицы проявляют себя столь взаимосогласованно, что это явление не может быть объяснено с точки зрения классической теории. Эксперименты с фотонами и другими частицами многократно показали наличие этой согласованности, тем самым подтвердив правильность квантовой механики и нелокальность пси-функции для системы из нескольких частиц.

Квантовый факс и ксерокс

Одним из важных выводов квантовой теории является теорема о неосуществимости копировании неизвестного квантового состояния. Согласно этой теореме невозможно, получив полную информацию о неизвестном квантовом объекте, создать второй, точно такой же, объект, не разрушив первый. Это утверждение, которое строго доказывается в квантовой механике, можно назвать парадоксом квантовых близнецов. Запрещая создание двойников, квантовая механика не запрещает создание точной копии с одновременным уничтожением оригинала - то есть телепортацию.

Слово «телепортация» совсем недавно перешло из фантастики в науку. Обычно полагают, что переместить какой-то объект или даже человека - значит переместить все частицы, из которых он состоит. Но поскольку элементарные частицы неотличимы друг от друга, их можно не перемещать, а «собрать» телепортируемый объект из новых частиц на основе полученной информации.

Следовательно, телепортация объекта есть считывание квантового состояния частиц и воссоздание этого состояния на удаленном расстоянии. Правда, согласно квантовой механике, как только будет считана вся нужная информация, объект исчезнет и снова появится на свет только после квантовой сборки.

Современному научному значению слова «телепортация» соответствует следующая процедура: объект дезинтегрируется (разрушается его квантовое состояние) в одном месте, а в другом месте возникает его совершенная копия. Причем объект или его полное описание в ходе телепортации никогда не находится между этими двумя местами. Обратите внимание, что «дезинтеграция» квантового состояния является необходимым условием согласно теореме о запрете на клонирование.

В силу принципа неопределенности, чем больше получено информации о некоем объекте, тем больше искажений вносится в этот объект - и так до тех пор, пока исходное состояние не будет разрушено полностью. И даже полностью разрушив исследуемый объект, мы все равно не получим полной картины его исходного квантового состояния. Это звучит как возражение против телепортации: если для создания точной копии из объекта невозможно извлечь достаточно информации, то точная копия не может быть создана. Однако шестеро ученых из группы Чарлза Беннета, нашли возможность обойти это затруднение, используя знаменитый ЭПР-эффект.

Практика телепортации

Вопрос о квантовой телепортации впервые был поставлен в 1993 году группой Чарлза Беннета, которая, используя запутанные состояния, показала, что при присоединении третьей частицы к одной из запутанных частиц можно передавать ее свойства другой удаленной частице. Экспериментальная реализация ЭПР-канала была осуществлена в работах двух групп исследователей - австрийской, из Университета в Инсбруке, возглавляемой Антоном Цойлингером, и итальянской, из Университета в Риме под руководством Франческо Де Мартини. Опыты группы Цойлингера и де Мартини доказали выполнимость принципов ЭПР на практике при передаче по оптическим кабелям состояний поляризации между двумя фотонами посредством третьего на расстоянии до 10 км.

Достигнув успехов в телепортации фотонов, экспериментаторы уже планируют работы с другими частицами - электронами, атомами и даже ионами. Это позволит передавать квантовое состояние от короткоживущей частицы к более долгоживущей. Таким способом можно будет создавать запоминающие устройства, где информация, принесенная фотонами, хранилась бы на ионах, изолированных от окружающей среды. Телепортация может обеспечить надежную передачу и хранение данных на фоне мощных помех, когда все другие способы оказываются неэффективными. Возможно, в будущем сети квантовой телепортации получат такое же распространение, как современные телекоммуникационные сети.

Квантовая механика описывает элементарные частицы, движущиеся со скоростями, много меньшими скорости света. Квантовая теория поля описывает процессы с участием частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. И то, и другое в совокупности составляет квантовую теорию, описывающую движение, взаимодействие, рождение и уничтожение элементарных частиц.

Преемственность физики

Несмотря на совершенно новый взгляд на многие природные явления, квантовую механику никак нельзя расценивать как полное опровержение классической физики. Последняя может рассматриваться как предельный случай квантовой механики или как первое и очень грубое приближение к ней. Как подчеркивал Поль Дирак, соответствие между квантовой и классической теориями состоит не только в их предельном согласии. Соответствие заключается прежде всего в том, что математические операции двух теорий во многих случаях подчиняются одним и тем же законам и описываются одной математической структурой. Отличия заключаются лишь в представлении (реализации) этих структур конкретными математическими объектами.

Сегодня физики твердо верят в то, что наш мир един и познаваем. Все разнообразие природных явлений просто обязано описываться в рамках некоего единого универсального подхода. Другое дело, что человек пока еще не до конца сумел понять глубинную сущность законов природы и пределы познаваемости мира.

Однако большинство физиков убеждены в том, что, если идти по пути, указанном квантовой механикой и квантовой теорией поля, будет открыт тот самый свод законов и правил, который и правит нашим удивительно красивым миром.

Василий Тарасов, кандидат физико-математических наук

В. Гейзенберг

Понятие "материи" на протяжении истории человеческого мышления неоднократно претерпевало изменения. В различных философских системах его интерпретировали по-разному. Когда мы употребляем слово "материя", то надо иметь в виду, что различные значения, которые придавались понятию "материя", пока еще в большей или меньшей степени сохранились в современной науке.

Ранняя греческая философия от Фалеса до атомистов, искавшая единое начало в бесконечном изменении всех вещей, сформулировала понятие космической материи, мировой субстанции, претерпевающей все эти изменения, из которой все единичные вещи возникают и в которую они в конце концов снова превращаются. Эта материя частично идентифицировалась с некоторым определенным веществом -- водой, воздухом или огнем, -- частично же ей не приписывали никаких других качеств, кроме качеств материала, из которого сделаны все предметы.

Позднее понятие материи играло важную роль в философии Аристотеля -- в его идеях о связи формы и материи, формы и вещества. Все, что мы наблюдаем в мире явлений, представляет собой оформленную материю. Материя, следовательно, является реальностью не сама по себе, но представляет собой только возможность, "потенцию", она существует лишь благодаря форме 13. В явлениях природы "бытие", как называет его Аристотель, переходит из возможности в действительность, в актуально свершившееся, благодаря форме. Материя у Аристотеля представляет собой не какое-либо определенное вещество, как, например, воду или воздух, не является она также и чистым пространством; она оказывается в известной степени неопределенным телесным субстратом, который содержит в себе возможность перейти благодаря форме в актуально свершившееся, в действительность. В качестве типичного примера этого соотношения между материей и формой в философии Аристотеля приводится биологическое развитие, в котором материя преобразуется в живые организмы, а также создание человеком произведения искусства. Статуя потенциально содержится в мраморе уже до того, как ее высекает скульптор.

Только значительно позднее, начиная с философии Декарта, материю как нечто первичное стали противопоставлять духу. Имеются два дополняющих друг друга аспекта мира, материя и дух, или, как выражался Декарт, "res extensa" и "res cogitans". Поскольку новые методологические принципы естествознания, особенно механики, исключали сведение телесных явлений к духовным силам, то материя могла быть рассматриваема только как особая реальность, независимая от человеческого духа и от каких-либо сверхъестественных сил. Материя в этот период представляется уже сформировавшейся материей, и процесс формирования объясняется причинной цепью механических взаимодействий. Материя уже утеряла связь с "растительной душой" аристотелевской философии, и поэтому дуализм между материей и формой в это время уже не играет никакой роли. Это представление о материи внесло, пожалуй, наибольший вклад в то, что мы ныне понимаем под словом "материя".

Наконец, в естествознании XIX столетия важную роль играл другой дуализм, а именно дуализм между материей и силой, или, как тогда говорили, между силой и веществом. На материю могут воздействовать силы, и материя может вызывать появление сил. Материя, например, порождает силу тяготения, и эта сила в свою очередь воздействует на нее. Сила и вещество являются, следовательно, двумя ясно различимыми аспектами физического мира. Поскольку силы являются также формирующими силами, это различие снова приближается к аристотелевскому различению материи и формы. С другой стороны, именно в связи с новейшим развитием современной физики, это различие силы и вещества полностью исчезает, так как всякое силовое поле содержит энергию и в этом отношении представляет собой также часть материи. Каждому силовому полю соответствует определенный вид элементарных частиц. Частицы и силовые поля -- только две различные формы проявления одной и той же реальности.

Когда естествознание изучает проблему материи, ему следует прежде всего исследовать формы материи. Бесконечное многообразие и изменчивость форм материи должны стать непосредственным объектом исследования; усилия должны быть направлены на то, чтобы найти законы природы, единые принципы, которые могли бы служить направляющей нитью в этом бесконечном поле исследований. Поэтому точное естествознание и особенно физика уже давно концентрируют свои интересы на анализе строения материи и сил, которые это строение определяют.

Со времени Галилея основным методом естествознания является эксперимент. Этот метод сделал возможным перейти от общих исследований природы к специфическим исследованиям, выделить характеристические процессы в природе, на основе которых ее законы можно изучать более непосредственно, чем в общих исследованиях. То есть при изучении строения материи необходимо произвести над ней эксперименты. Необходимо поставить материю в необычные условия, чтобы изучить ее превращения в этих обстоятельствах, надеясь познать тем самым определенные фундаментальные черты материи, которые сохраняются при всех ее видимых изменениях.

Со времени формирования естествознания нового времени это было одной из важнейших целей химии, в которой довольно рано пришли к понятию химического элемента. Субстанция, которая не могла быть разложена или расщеплена далее какими угодно средствами, имевшимися в то время в распоряжении химиков: кипячением, сжиганием, растворением, смешиванием с другими веществами, была названа "элементом". Введение этого понятия было первым и исключительно важным шагом в понимании строения материи. Многообразие имеющихся в природе веществ было тем самым сведено по крайней мере к сравнительно малому числу более простых веществ, элементов, и благодаря этому среди различных явлений химии был установлен определенный порядок. Слово "атом" поэтому и было применено к мельчайшей единице материи, которая входит в состав химического элемента, и самая маленькая частица химического соединения могла быть наглядно представлена в виде маленькой группы различных атомов. Мельчайшей частицей элемента железа оказался, например, атом железа, и наименьшая частица воды, так называемая молекула воды, оказалась состоящей из атома кислорода и двух атомов водорода.

Следующим и почти столь же важным шагом было открытие сохранения массы в химических процессах. Если, например, сжигается элемент углерода и при этом образуется двуокись углерода, то масса двуокиси углерода равна сумме масс углерода и кислорода до того, как процесс начался. Это открытие придало понятию материи прежде всего количественный смысл. Независимо от химических свойств материя могла быть измерена ее массой.

В течение следующего периода, главным образом в XIX столетии, было открыто большое число новых химических элементов. В наше время их число перешагнуло за 100. Это число, однако, совершенно ясно говорит о том, что понятие химического элемента еще не привело нас к тому пункту, исходя из которого можно было бы понять единство материи. Предположение о том, что существует очень много качественно различных видов материи, между которыми нет никаких внутренних связей, не было удовлетворительным.

К началу XIX столетия были уже найдены свидетельства в пользу наличия взаимосвязи между различными химическими элементами. Эти свидетельства заключались в том факте, что атомные веса многих элементов казались целочисленно кратными некоторой наименьшей единице, которая приблизительно соответствует атомному весу водорода. Подобие химических свойств некоторых элементов также говорило в пользу существования этой взаимосвязи. Но только благодаря применению сил, которые во много раз сильнее, чем те, которые действуют в химических процессах, можно было действительно установить связь между различными элементами и подойти ближе к пониманию единства материи.

Внимание физиков было привлечено к этим силам в связи с открытием радиоактивного распада, осуществленного Беккерелем в 1896 году. В последовавших затем исследованиях Кюри, Резерфорда и других превращение элементов в радиоактивных процессах было показано со всей очевидностью. Альфа-частицы испускались в этих процессах в виде обломков атомов с энергией, которая приблизительно в миллион раз больше, чем энергия единичной частицы в химическом процессе. Следовательно, эти частицы могли быть теперь использованы в качестве нового инструмента для исследования внутреннего строения атома. Ядерная модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 году, явилась результатом экспериментов по рассеянию альфа-частиц. Важнейшей чертой этой известной модели было разделение атома на две совершенно различные части -- атомное ядро и окружающие атомное ядро электронные оболочки. Атомное ядро занимает в центре только исключительно малую долю всего пространства, которое занято атомом, -- радиус ядра приблизительно в сто тысяч раз меньше радиуса всего атома; но оно все-таки содержит почти всю массу атома. Его положительный электрический заряд, являющийся целочисленно кратным так называемому элементарному заряду, определяет общее число окружающих ядро электронов, ибо атом как целое должен быть электрически нейтрален; он определяет тем самым и форму электронных траекторий.

Это различие между атомным ядром и электронной оболочкой сразу дало согласованное объяснение тому факту, что в химии именно химические элементы являются последними единицами материи и что для превращения элементов друг в друга необходимы очень большие силы. Химические связи между соседними атомами объясняются взаимодействием электронных оболочек, и энергии взаимодействия при этом сравнительно малы. Электрон, ускоренный в разрядной трубке потенциалом всего в несколько вольт, обладает достаточной энергией, чтобы "разрыхлить" электронные оболочки и вызвать испускание света или разрушить химическую связь в молекуле. Но химическое поведение атома, хотя в основе его и лежит поведение электронных оболочек, определяется электрическим зарядом атомного ядра. Если хотят изменить химические свойства, нужно изменить само атомное ядро, а это требует энергий, которые примерно в миллион раз больше, чем те, которые имеют место при химических процессах.

Но ядерная модель атома, рассматриваемого как система, в которой выполняются законы ньютоновской механики, не может объяснить стабильность атома. Как было установлено в одной из предыдущих глав, только применение к этой модели квантовой теории может объяснить тот факт, что, например, атом углерода, после того как он взаимодействовал с другими атомами или излучил квант света, по-прежнему остается в конечном счете атомом углерода, с той же самой электронной оболочкой, какую он имел ранее. Эту стабильность можно просто объяснить на основе тех самых черт квантовой теории, которые делают возможным объективное описание атома в пространстве и во времени.

Этим путем было, следовательно, создано первоначальное основание для понимания строения материи. Химические и другие свойства атомов можно было объяснить, применяя к электронным оболочкам математическую схему квантовой теории. Исходя из этого основания, далее можно было пытаться вести анализ строения материи в двух различных направлениях. Можно было или изучать взаимодействие атомов, их отношение к более крупным единицам, таким, как молекулы или кристаллы или биологические объекты, или же можно было пытаться, исследуя атомное ядро и его составные части, продвинуться до того пункта, в котором стало бы понятным единство материи. Физические исследования форсированно развивались в прошедшие десятилетия в обоих направлениях. Последующее изложение и будет посвящено выяснению роли квантовой теории в обеих этих областях.

Силы между соседними атомами являются в первую очередь электрическими силами -- речь идет о притяжении противоположных зарядов и об отталкивании между одноименными; электроны притягиваются атомным ядром и отталкиваются другими электронами. Но эти силы действуют здесь не по законам ньютоновской механики, а по законам квантовой механики.

Это ведет к двум различным типам связи между атомами. При одном типе связи электрон одного атома переходит к другому атому, -- например для того, чтобы заполнить еще не совсем заполненную электронную оболочку. В этом случае оба атома оказываются в конечном счете электрически заряженными и получают название "ионов"; поскольку их заряды в таком случае противоположны, они взаимно притягиваются. Химик говорит в этом случае о "полярной связи".

При втором типе связи электрон определенным образом, характерным только для квантовой теории, принадлежит обоим атомам. Если использовать картину электронных орбит, то можно приблизительно сказать, что электрон обращается вокруг обоих атомных ядер и значительную долю времени проводит как в одном, так и в другом атоме. Этот второй тип связи соответствует тому, что химик называет "валентной связью".

Эти два типа связи, которые могут существовать во всевозможных комбинациях, вызывают в конечном счете образование различных совокупностей атомов и оказываются в конце концов определяющими все сложные структуры, которые изучаются физикой и химией. Итак, химические соединения образуются благодаря тому, что из атомов различного рода возникают небольшие замкнутые группы, и каждая группа может быть названа молекулой химического соединения. При образовании кристаллов атомы располагаются в виде упорядоченных решеток. Металлы образуются тогда, когда атомы расположены так плотно, что внешние электроны покидают свои оболочки и могут проходить сквозь весь кусок металла. Магнетизм некоторых веществ, особенно некоторых металлов, возникает вследствие вращательного движения отдельных электронов в этом металле и т. д.

Во всех этих случаях дуализм между материей и силой еще может быть сохранен, так как ядра и электроны можно рассматривать как строительные кирпичи материи, которые удерживаются вместе с электромагнитными силами.

В то время как физика и химия (там, где они имеют отношение к строению материи) составляют единую науку, в биологии с ее более сложными структурами положение складывается несколько по-другому. Правда, несмотря на бросающуюся в глаза целостность живых организмов, резкое различие между живой и неживой материей, вероятно, проведено быть не может. Развитие биологии дало нам большое число примеров, из которых можно видеть, что специфически биологические функции могут выполняться особыми большими молекулами или группами, или цепями таких молекул. Эти примеры подчеркивают тенденцию в современной биологии объяснять биологические процессы как следствие законов физики и химии. Но род стабильности, который мы усматриваем в живых организмах, по своей природе несколько отличен от стабильности атома или кристалла. В биологии речь идет скорее о стабильности процесса или функции, чем о стабильности формы. Несомненно, квантово-механические законы играют в биологических процессах очень важную роль. Например, для понимания больших органических молекул и их разнообразных геометрических конфигураций существенны специфические квантово-механические силы, которые только несколько неточно могут быть описаны на основе понятия химической валентности. Опыты по биологическим мутациям, вызываемым излучением, показывают также как важность статистического характера квантово-механических законов, так и существование механизмов усиления. Тесная аналогия между процессами в нашей нервной системе и процессами, которые имеют место при функционировании современной электронной счетной машины, снова подчеркивает важность для живого организма отдельных элементарных процессов. Но все эти примеры все-таки не доказывают, что физика и химия, дополненные учением о развитии, сделают возможным полное описание живых организмов. Биологические процессы должны трактоваться естествоиспытателями-экспериментаторами с большей осторожностью, чем процессы физики и химии. Как пояснил Бор, вполне может оказаться, что описания живого организма, которое с точки зрения физика может быть названо полным, совсем не существует, потому что данное описание потребовало бы таких экспериментов, которые должны были бы прийти в слишком сильный конфликт с биологическими функциями организма. Бор описал эту ситуацию следующим образом: в биологии мы имеем дело скорее с реализацией возможностей в той части природы, к которой мы принадлежим, чем с результатами экспериментов, которые мы сами можем произвести. Ситуация дополнительности, в которой действенна эта формулировка, отражается как тенденция в методах современной биологии: с одной стороны, полностью использовать методы и результаты физики и химии и, с другой стороны, все же постоянно употреблять понятия, которые относятся к тем чертам органической природы, которые не содержатся в физике и химии, как, например, понятие самой жизни.

Пока мы провели, следовательно, анализ строения.материи в одном направлении -- от атома к более сложным структурам, состоящим из атомов: от атомной физики к физике твердого тела, к химии и, наконец, к биологии. Теперь мы должны повернуть в противоположном направлении и проследить линию исследований, направленную от внешних областей атома к внутренним областям, к атомному ядру и, наконец, к элементарным частицам. Только эта вторая линия приведет нас, быть может, к пониманию единства материи. Здесь не нужно бояться того, что характеристические структуры будут сами разрушены в опытах. Если поставлена задача проверить в опытах принципиальное единство материи, то мы можем подвергнуть материю действию самых сильных из возможных сил, воздействию самых предельных условий, чтобы увидеть, может ли,в конце концов материя быть превращена в какую-нибудь другую материю.

Первым шагом в этом направлении был экспериментальный анализ атомного ядра. В начальные периоды этих исследований, которые заполняют примерно первые три десятка лет нашего столетия, единственным инструментом для экспериментов над атомным ядром были альфа-частицы, испускаемые радиоактивными веществами. С помощью этих частиц Резерфорду удалось в 1919 году превратить друг в друга атомные ядра легких элементов. Он смог, например, ядро азота превратить в ядро кислорода, присоединяя к ядру азота альфа-частицу и в то же самое время выбивая из него протон. Это был первый пример процесса на расстояниях порядка радиусов атомных ядер, который напоминал химические процессы, но который вел к искусственному превращению элементов. Следующим решающим успехом было искусственное ускорение протонов в приборах высокого напряжения до энергий, достаточных для ядерных превращений. Для этой цели необходимы разности напряжений примерно в миллион вольт, и Кокрофту и Уолтону в их первом решающем эксперименте удалось превратить атомные ядра элемента лития в атомные ядра элемента гелия. Это открытие выявило для исследований совершенно новое поле, которое может быть названо ядерной физикой в собственном смысле слова и которое очень быстро привело к качественному пониманию строения атомного ядра.

На самом деле строение атомного ядра оказалось очень простым. Атомное ядро состоит всего из двух различных видов элементарных частиц. Одна из элементарных частиц -- протон, являющаяся одновременно ядром атома водорода. Другая была названа нейтроном, частица, обладающая примерно той же массой, что и протон, и, кроме того, электрически нейтральная. Каждое атомное ядро можно, таким образом, охарактеризовать общим числом протонов и нейтронов, из которых оно состоит. Ядро обычного атома углерода состоит из 6 протонов и 6 нейтронов. Но есть также и другие ядра атомов углерода, которые являются несколько более редкими -- они были названы изотопами первых -- и которые состоят из 6 протонов и 7 нейтронов и т. д. Так в конце концов пришли к описанию материи, в котором вместо многих различных химических элементов использовались только три основные единицы, три фундаментальных строительных кирпича -- протон, нейтрон и электрон. Вся материя состоит из атомов и построена поэтому в конечном счете из этих трех основных строительных кирпичей. Это еще, конечно, не означает единства материи, но несомненно означает важный шаг в направлении этого единства и, что было, пожалуй, еще важнее, означает существенное упрощение. Правда, впереди был еще длинный путь от знания этих основных строительных кирпичей атомного ядра к полному пониманию его строения. Здесь проблема была несколько отличной от соответствующей проблемы относительно внешней оболочки атома, решенной в середине двадцатых годов. В случае электронной оболочки силы между частицами были известны с большой точностью, но, кроме того, должны были быть найдены динамические законы, и они в конце концов были сформулированы в квантовой механике. В случае атомного ядра можно было вполне предположить, что динамическими законами являются в основном законы квантовой теории, но здесь были прежде всего неизвестны силы между частицами. Их необходимо было вывести из экспериментальных свойств атомных ядер. Эта проблема не может быть решена полностью еще до сих пор. Силы, вероятно, не имеют такого простого вида, как в случае электростатических сил между электронами во внешних оболочках, и поэтому математически вывести свойства атомных ядер из более сложных сил труднее, и, кроме того, прогрессу препятствует неточность экспериментов. Но качественные представления о структуре ядра приобрели вполне определенный вид.

В конце концов, в качестве последней важнейшей проблемы остается проблема единства материи. Являются ли эти элементарные частицы -- протон, нейтрон и электрон последними, неразложимыми строительными кирпичами материи, иными словами, "атомами" в смысле философии Демокрита, без каких-либо взаимных связей (отвлекаясь от действующих между ними сил), или же они являются только различными формами одного и того же вида материи? Далее, могут ли они превращаться друг в друга или даже в другие формы материи? Если решать эту проблему экспериментально, то для этого требуются силы и сконцентрированные на атомных частицах энергии, которые должны быть во много раз больше, чем те, которые были использованы для исследования атомного ядра. Так как запасы энергии в атомных ядрах недостаточно велики, чтобы обеспечить нам средства для проведения таких экспериментов, то физики должны или воспользоваться силами в космосе, то есть в пространстве между звездами, на поверхности звезд, или же они должны довериться умению инженеров.

На самом деле успехи были достигнуты на обоих путях. Прежде всего физики использовали так называемое космическое излучение. Электромагнитные поля на поверхности звезд, простирающиеся на гигантские пространства, при благоприятных условиях могут ускорить заряженные атомные частицы, электроны и атомные ядра, которые, как оказалось, вследствие своей большей инерции имеют больше возможностей более долгое время оставаться в ускоряющем поле, и когда они в конце концов уходят с поверхности звезды в пустое пространство, то иногда успевают пройти потенциальные поля во много миллиардов вольт. Дальнейшее ускорение при благоприятных условиях происходит еще в переменных магнитных полях между звездами. Во всяком случае, оказывается, что атомные ядра долгое время удерживаются переменными магнитными полями в пространстве Галактики, и в конце концов они, таким образом, заполняют пространство Галактики тем, что называют космическим излучением. Это излучение достигает Земли извне и, следовательно, состоит из всех возможных атомных ядер -- водорода, гелия и более тяжелых элементов, -- энергии которых изменяются примерно от сотен или тысяч миллионов электрон-вольт до величин, в миллион раз больших. Когда частицы этого высотного излучения вторгаются в верхние слои атмосферы Земли, они сталкиваются здесь с атомами азота или кислорода атмосферы или атомами какого-либо экспериментального устройства, которое подвергают воздействию космического излучения. Результаты воздействия могут быть затем исследованы.

Другая возможность состоит в конструировании очень больших ускорителей элементарных частиц. В качестве прототипа для них может считаться так называемый циклотрон, который был сконструирован в Калифорнии в начале тридцатых годов Лоуренсом. Основная идея конструкции этих установок состоит в том, что благодаря сильному магнитному полю заряженные атомные частицы принуждают многократно вращаться по кругу, так что они на этом круговом пути могут снова и снова ускориться электрическим полем. Установки, в которых могут быть достигнуты энергии во много сотен миллионов электрон-вольт, в настоящее время действуют во многих местах земного шара, главным образом в Великобритании. Благодаря сотрудничеству 12 европейских стран в Женеве строится очень большой ускоритель такого рода, который, как надеются, будет давать протоны энергией до 25 миллионов электрон-вольт. Эксперименты, проведенные с помощью космического излучения или очень больших ускорителей, выявили новые интересные черты материи. Кроме трех основных строительных кирпичей материи -- электрона, протона и нейтрона, -- были открыты новые элементарные частицы, которые порождаются в этих происходящих при высоких энергиях столкновениях и которые по истечении исключительно малых промежутков времени исчезают, превращаясь в другие элементарные частицы. Новые элементарные частицы имеют свойства, подобные свойствам старых, за исключением своей нестабильности. Даже самые стабильные среди новых элементарных частиц имеют продолжительность жизни только около миллионной доли секунды, а время жизни других -- еще в сотни или тысячи раз меньше. В настоящее время известно приблизительно 25 различных видов элементарных частиц. Самая "молодая" из них -- отрицательно заряженный протон, который называют антипротоном.

Эти результаты кажутся на первый взгляд опять уводящими в сторону от идей о единстве материи, так как число фундаментальных строительных кирпичей материи, по-видимому, снова увеличилось до количества, сравнимого с количеством различных химических элементов. Но это было бы неточным толкованием действительного положения вещей. Ведь эксперименты одновременно показали, что частицы возникают из других частиц и могут быть превращены в другие частицы, что они образуются просто из кинетической энергии таких частиц и могут снова исчезнуть, так что из них возникнут другие частицы. Стало быть, другими словами: эксперименты показали полную превращаемость материи. Все элементарные частицы в столкновениях достаточно большой энергии могут превратиться в другие частицы или могут быть просто созданы из кинетической энергии; и они могут превратиться в энергию, например в излучение. Следовательно, мы имеем здесь фактически окончательное доказательство единства материи. Все элементарные частицы "сделаны" из одной и той же субстанции, из одного и того же материала, который мы теперь можем назвать энергией или универсальной материей; они -- только различные формы, в которых может проявляться материя.

Если сравнить эту ситуацию с понятием материи и формы у Аристотеля, то можно сказать, что материю Аристотеля, которая в основном была "потенцией", то есть возможностью, следует сравнивать с нашим понятием энергии; когда элементарная частица рождается, энергия выявляет себя благодаря форме как материальная реальность.

Современная физика не может, естественно, удовлетвориться только качественным описанием фундаментальной структуры материи; она должна попытаться на основе тщательно проведенных экспериментов углубить анализ до математической формулировки законов природы, определяющих формы материи, а именно элементарные частицы и их силы. Четкое разграничение между материей и силой или силой и веществом в этой части физики больше проведено быть не может, так как любая элементарная частица не только сама порождает силы и сама испытывает воздействие сил, но и в то же самое время сама представляет в данном случае определенное силовое поле. Квантово-механический дуализм волн и частиц является причиной того, что одна и та же реальность проявляет себя и как материя, и как сила.

Все попытки найти математическое описание для законов природы в мире элементарных частиц до сих пор начинались с квантовой теории волновых полей. Теоретические исследования в этой области были предприняты в начале тридцатых годов. Но уже первые работы в этой области выявили очень серьезные трудности в области, где квантовую теорию пытались объединить со специальной теорией относительности. С первого взгляда кажется, будто две теории, квантовая и теория относительности, относятся к столь различным сторонам природы, что практически они никак не могут влиять друг на друга и что поэтому требования обеих теорий должны быть легко выполнимы в одном и том же формализме. Но более точное исследование показало, что обе эти теории вступают в определенном пункте в конфликт, в результате чего и проистекают все дальнейшие трудности.

Специальная теория относительности раскрыла структуру пространства и времени, которая оказалась несколько отличной от структуры, приписывавшейся им со времени создания ньютоновской механики. Наиболее характерная черта этой вновь открытой структуры -- существование максимальной скорости, которая не может быть превзойдена любым движущимся телом или распространяющимся сигналом, то есть скорости света. Как следствие этого два события, имеющие место в двух весьма удаленных друг от друга точках, не могут иметь никакой непосредственной причинной связи, если они происходят в такие моменты времени, когда световой сигнал, выходящий в момент первого события из этой точки, достигает другой только после момента свершения другого события и наоборот. В этом случае оба события можно назвать одновременными. Поскольку никакое воздействие любого рода не может передаться от одного процесса в один момент времени другому процессу в другой момент времени, оба процесса не могут быть связаны никаким физическим воздействием.

По этой причине действие на большие расстояния так, как оно выступает в случае сил тяготения в ньютоновской механике, оказалось несовместимым со специальной теорией относительности. Новая теория должна была заменить такое действие "близкодействием", то есть передачей силы из одной точки только непосредственно соседней точке. Естественным математическим выражением взаимодействий этого рода оказались дифференциальные уравнения для волн или полей, инвариантные относительно преобразования Лоренца. Такие дифференциальные уравнения исключают какое-либо прямое воздействие одновременных событий друг на друга.

Поэтому структура пространства и времени, выражаемая специальной теорией относительности, предельно резко отграничивает область одновременности, в которой не может быть передано никакое воздействие, от других областей, в которых непосредственное воздействие одного процесса на другой может иметь место.

С другой стороны, соотношение неопределенностей квантовой теории устанавливает жесткую границу точности, с которой могут быть одновременно измерены координаты и импульсы или моменты времени и энергии. Так как предельно резкая граница означает бесконечную точность фиксации положения в пространстве и во времени, то соответствующие импульсы и энергии должны быть полностью неопределенными, то есть с подавляющей вероятностью должны выступить на первый план процессы даже со сколь угодно большими импульсами и энергиями. Поэтому всякая теория, которая одновременно выполняет требования специальной теории относительности и квантовой теории, ведет, оказывается, к математическим противоречиям, а именно к расходимостям в области очень больших энергий и импульсов. Эти выводы не обязательно могут носить необходимый характер, так как всякий формализм рассмотренного здесь рода является ведь очень сложным, и возможно еще, что будут найдены математические средства, которые помогут устранить в этом пункте противоречие между теорией относительности и квантовой теорией. Но до сих пор все-таки все математические схемы, которые были исследованы, приводили в самом деле к таким расходимостям, то есть к математическим противоречиям, или же они оказывались недостаточными, чтобы удовлетворить всем требованиям обеих теорий. Кроме того, было очевидно, что трудности в самом деле проистекают из только что рассмотренного пункта.

Тот пункт, в котором сходящиеся математические схемы не удовлетворяют требованиям теории относительности или квантовой теории, оказался очень интересным уже сам по себе. Одна из таких схем вела, например, когда ее пытались интерпретировать с помощью реальных процессов в пространстве и времени, к некоторого рода обращению времени; она описывала процессы, в которых в определенной точке внезапно происходило рождение нескольких элементарных частиц, а энергия для этого процесса поступала только позднее благодаря каким-то другим процессам столкновения между элементарными частицами. Физики же на основании своих экспериментов убеждены, что процессы такого рода в природе не имеют места, по крайней мере тогда, когда оба процесса отделены друг от друга некоторым измеримым расстоянием в пространстве и во времени.

В другой теоретической схеме попытка устранить расходимости формализма делалась на основе математического процесса, который был назван "перенормировкой". Этот процесс заключается в том, что бесконечности формализма можно было передвинуть в такое место, где они не могут помешать получению строго определяемых соотношений между наблюдаемыми величинами. Действительно, эта схема уже привела до определенной степени к решающим успехам в квантовой электродинамике, так как она дает способ расчета некоторых очень интересных особенностей в спектре водорода, которые до этого были необъяснимы. Более точный анализ этой математической схемы сделал, однако, правдоподобным вывод о том, что те величины, которые в обычной квантовой теории должны быть истолкованы как вероятности, могут в данном случае при некоторых обстоятельствах, после того как процесс перенормировки проведен, стать отрицательными. Это исключало бы, разумеется, непротиворечивое истолкование формализма для описания материи, так как отрицательная вероятность -- бессмысленное понятие.

Тем самым мы уже пришли к проблемам, которые ныне стоят в центре дискуссий в современной физике. Решение будет получено когда-нибудь благодаря постоянно обогащающемуся экспериментальному материалу, который добывается во все более и более точных измерениях элементарных частиц, их порождения и уничтожения, сил, действующих между ними. Если искать возможные решения этих трудностей, то, может быть, следует вспомнить о том, что такие процессы с видимым обращением времени, обсужденные выше, нельзя исключить на основании экспериментальных данных в том случае, если они имеют место только внутри совсем малых пространственно-временных областей, внутри которых с нашим теперешним экспериментальным оборудованием детально проследить процессы еще невозможно. Разумеется, при теперешнем состоянии нашего знания мы едва ли готовы признать возможность таких процессов с обращением времени, если из этого и следует возможность на какой-то более поздней стадии развития физики наблюдать подобного рода процессы таким же образом, каким наблюдают обычные атомные процессы. Но здесь сравнение анализа квантовой теории и анализа теории относительности позволяет представить проблему в новом свете.

Теория относительности связана с универсальной постоянной природы -- со скоростью света. Эта постоянная имеет решающее значение для установления связи между пространством и временем и поэтому должна сама по себе содержаться во всяком законе природы, удовлетворяющем требованиям инвариантности относительно преобразований Лоренца. Наш обычный язык и понятия классической физики могут быть применены только к явлениям, для которых скорость света может рассматриваться практически бесконечно большой. Если мы в наших экспериментах в какой-либо форме приближаемся к скорости света, то мы должны быть подготовлены к появлению результатов, которые более не могут быть объяснены с помощью этих обыкновенных понятий.

Квантовая теория связана с другой универсальной постоянной природы -- с планковским квантом действия. Объективное описание процессов в пространстве и во времени оказывается возможным только тогда, когда мы имеем дело с предметами и процессами сравнительно больших масштабов, а именно тогда постоянную Планка можно рассматривать как практически бесконечно малую. Когда мы в наших экспериментах приближаемся к области, в которой планковский квант действия становится существенным, мы приходим ко всем тем трудностям с применением обычных понятий, которые были обсуждены в предыдущих главах этой книги.

Но должна быть еще третья универсальная постоянная природы. Это следует просто, как говорят физики, из соображений размерности. Универсальные постоянные определяют величины масштабов в природе, они дают нам характеристические величины, к которым можно свести все другие величины в природе. Для полного набора таких единиц необходимы, однако, три основные единицы. Проще всего заключить об этом можно из обычных соглашений о единицах, как, например, из использования физиками системы CQS (сантиметр -- грамм -- секунда). Единицы длины, единицы времени и единицы массы вместе достаточно, чтобы образовать полную систему. Необходимы по меньшей мере три основные единицы. Их можно было бы заменить также единицами длины, скорости и массы или единицами длины, скорости и энергии и т. д. Но три основные единицы необходимы во всяком случае. Скорость света и планковский квант действия дают нам, однако, только две из этих величин. Должна быть еще третья, и только теория, содержащая такую третью единицу, возможно, способна вести к определению масс и других свойств элементарных частиц. Если исходить из наших современных познаний об элементарных частицах, то, пожалуй, самым простым и самым приемлемым путем введения третьей универсальной постоянной является предположение о том, что существует универсальная длина порядка величины 10-13 см, длина, стало быть, сравнимая примерно с радиусами легких атомных ядер. Если из. этих трех единиц образовать выражение, имеющее размерность массы, то эта масса имеет порядок величины массы обычных элементарных частиц.

Если предположить, что законы природы действительно содержат такую третью универсальную постоянную размерности длины порядка величины 10-13 см, то тогда вполне возможно, что наши обычные представления могут быть применимы только к таким областям пространства и времени, которые велики по сравнению с этой универсальной постоянной длины. По мере приближения в своих экспериментах к областям пространства и времени, малым по сравнению с радиусами атомных ядер, мы должны быть готовы к тому, что будут наблюдаться процессы качественно нового характера. Явление обращения времени, о котором говорилось выше и пока что только как о возможности, выводимой из теоретических соображений, могло бы поэтому принадлежать этим мельчайшим пространственно-временным областям. Если это так, то, вероятно, его было бы нельзя наблюдать таким образом, что соответствующий процесс мог бы быть описан в классических понятиях. И все же в той мере, в какой такие процессы могут быть описаны классическими понятиями, они должны обнаруживать также и классический порядок следования во времени. Но пока о процессах в самых малых пространственно-временных областях -- или (что согласно соотношению неопределенностей приблизительно соответствует этому высказыванию) при самых больших передаваемых энергиях и импульсах -- известно слишком мало.

В попытках достичь на основе экспериментов над элементарными частицами большего знания о законах природы, определяющих строение материи и тем самым структуру элементарных частиц, особенно важную роль играют определенные свойства симметрии. Мы напомним о том, что в философии Платона самые маленькие частицы материи были абсолютно симметричными образованиями, а именно правильными телами -- кубом, октаэдром, икосаэдром, тетраэдром. В современной физике, правда, эти специальные группы симметрии, получающиеся из группы вращений в трехмерном пространстве, не стоят больше в центре внимания. То, что имеет место в естествознании нового времени, ни в коем случае не является пространственной формой, а представляет собой закон, стало быть, в определенной степени пространственно-временную форму, и поэтому применяемые в нашей физике симметрии должны всегда относиться к пространству и времени совместно. Но определенные типы симметрии, кажется, в действительности играют в теории элементарных частиц наиболее важную роль.

Мы познаем их эмпирически благодаря так называемым законам сохранения и благодаря системе квантовых чисел, с помощью которых можно упорядочить соответственно опыту события в мире элементарных частиц. Математически мы можем их выразить с помощью требования, чтобы основной закон природы для материи был инвариантным относительно определенных групп преобразований. Эти группы преобразований являются наиболее простым математическим выражением свойств симметрии. Они выступают в современной физике вместо тел Платона. Наиболее важные здесь кратко перечислены.

Группа так называемых преобразований Лоренца характеризует вскрытую специальной теорией относительности структуру пространства и времени.

Группа, исследованная Паули и Гюрши, соответствует по своей структуре группе трехмерных пространственных вращений -- она ей изоморфна, как говорят математики, -- и проявляет себя в появлении квантового числа, которое эмпирически было открыто у элементарных частиц уже двадцать пять лет назад и получило название "изоспин".

Две следующие группы, ведущие себя формально как группы вращений вокруг жесткой оси, приводят к законам сохранения для заряда, для числа барионов и для числа лептонов.

Наконец, законы природы должны быть инвариантны еще относительно определенных операций отражения, которые здесь нет нужды перечислять подробно. По этому вопросу особенно важными и плодотворными оказались исследования Ли и Янга, согласно идее которых величина, называемая четностью и для которой ранее предполагался справедливым закон сохранения, в действительности не сохраняется.

Все известные до сих пор свойства симметрии удается выразить с помощью простого уравнения. Причем под этим понимается, что это уравнение инвариантно относительно всех названных групп преобразований, и поэтому можно думать, что это уравнение уже правильно отображает законы природы для материи. Но решения этого вопроса еще нет, оно будет получено только со временем с помощью более точного математического анализа этого уравнения и с помощью сравнения с экспериментальным материалом, собираемым во все больших размерах.

Но и отвлекаясь от этой возможности, можно надеяться, что благодаря согласованию экспериментов в области элементарных частиц наивысших энергий с математическим анализом их результатов когда-нибудь удастся прийти к полному пониманию единства материи. Выражение "полное понимание" означало бы, что формы материи -- приблизительно в том смысле, в каком употреблял этот термин в своей философии Аристотель, -- оказались бы выводами, то есть решениями замкнутой математической схемы, отображающей законы природы для материи.

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.philosophy.ru/

Репетиторство

Нужна помощь по изучению какой-либы темы?

Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.