Чтение онлайн

С введением понятия поля в физике произошло нечто весьма важное. Постепенно, хотя и не без борьбы, это понятие завоевало прочное положение в науке. Но было бы неверным считать, что идея поля освободила физику от заблуждений старой теории электрических жидкостей или что эта новая идея разрушает старую (в теории Максвелла мы, например, ещё обнаруживаем понятие электрического заряда, хотя заряд понимается только как источник электрического тока).

Сначала теоретики поле рассматривали как нечто, что в перспективе можно будет истолковать механистически с помощью эфира. Но со временем стало ясно, что эту программу осуществить невозможно. Единственный выход - это допустить, что пространство обладает физическим свойством передавать электромагнитные волны. Вместе с тем, по всей вероятности, слово "эфир" употреблять всё же можно, но исключительно для того, чтобы выразить вышеупомянутое физическое свойство пространства. "Слово эфир изменяло свой смысл много раз в процессе развития науки. В данный момент оно уже не употребляется для обозначения среды, построенной из частиц. Его история, никоим образом не законченная, продолжается теорией относительности" (Там же.
– С. 452).

Итак, мы имеем две реальности: поле и вещество. Мы должны принять оба понятия. Но возникает вопрос: а можно ли считать поле и вещество двумя различными, совершенно несходными реальностями? Что составляет физический критерий, с помощью которого можно различить вещество и поле?

Когда не была известна теория относительности, ответ был простым: вещество имеет массу, а поле её не имеет. Такой ответ в сфере новых знаний совершенно недостаточен. Из общей теории относительности мы знаем, что вещество представляет собой огромные запасы энергии, и что энергия представляет вещество (См.: Там же.
– С. 510). Таким образом, очень трудно провести качественное различие между полем и веществом, поскольку различие между массой и энергией, видимо, не качественное. Какой-либо резкой границы, разделяющей поле и вещество, невозможно себе представить. "Мы могли бы рассматривать вещество как такие области в пространстве, где поле чрезвычайно сильно. Таким путём можно было бы прийти к новым представлениям о природе. Их конечная цель состояла бы в объяснении всех событий в природе структурными законами, справедливыми всегда и всюду... В нашей новой физике не было бы места и для поля, и для вещества, поскольку единственной реальностью было бы поле. Этот новый взгляд внушён огромными достижениями физики поля, успехом в выражении законов электричества, магнетизма, тяготения в форме структурных законов и, наконец, эквивалентностью массы и энергии" (Там же.
– С. 511).

Однако, авторы сочинения "Эволюция физики" констатировали, что "до сих пор мы не имели успеха в последовательном и убедительном выполнении этой программы". Поэтому во всех построениях "мы всё ещё должны допускать две реальности - поле и вещество" (Там же).

Развитие квантовой физики, начавшееся со знаменитой статьи М. Планка "О строении атомов и молекул" (1913), показало, что излучение носит двойственный корпускулярно-волновой характер. Нильс Бор не согласился с эйнштейновскими световыми квантами, предполагавшими дискретность пространственной структуры излучения. В вопросе о природе света Бор увидел гораздо более общую (не столько физическую), сколько методологическую проблему. Он писал, что "вопрос о существовании или отсутствии связи отдельных атомарных процессов нельзя просто рассматривать как различие между двумя чётко определёнными толкованиями распространения света в пустом пространстве, которые соответствовали бы корпускулярной или волновой теории света" (Бор Н. О действии атомов при соударениях //Бор Н. Избранные научные труды. Т. 1.
– М., 1970.
– С. 560). Речь, вероятнее всего, должна идти о том, насколько пространственно-временные представления, с помощью которых физики пытаются объяснить явления природы, применимы к описанию атомных процессов.

Следует подчеркнуть, что в классической механике всякая частица движется по определённой траектории, так что в любой момент времени точно фиксированы её координата и импульс. Напротив, микрочастицы из-за наличия у них волновых свойств существенным образом отличаются от классических частиц. Это следует из корпускулярно-волновой природы микрочастиц. Так, понятие "длина волны в данной точке" лишено физического смысла, а поскольку импульс выражается через длину волны (

[Image001]

)**, то микрочастица с определённым импульсом имеет полностью неопределённую координату. И наоборот, если микрочастица находится в состоянии с точным значением координаты, то её импульс является полностью неопределённым.

______________ ** Р - импульс микрообъекта, h - постоянная Планка, л - длина волны.

В. Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц, пришёл в 1927 году к следующему выводу: объект микромира невозможно одновременно с любой наперёд заданной точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Согласно соотношению неопределённостей Гейзенберга, микрочастица не может иметь одновременно координату х и определённый импульс р. Причём, неопределённости данных величин удовлетворяют условию

[Image002]

,

т.е. произведение неопределённостей координаты и импульса не может быть меньше постоянной Планка.

Невозможность одновременно точного определения координаты и импульса является следствием специфики микрообъектов, отражающей особенности их объективных свойств, их двойственной корпускулярно-волновой природы.

Принцип дополнительности. По свидетельству В. Гейзенберга, основы идеи дополнительности выкристаллизовались у Н. Бора в начале 1927 года, во время отдыха в Норвегии, после нескольких месяцев изнурительной работы. Первым публичным изложением концепции дополнительности была лекция Бора, прочитанная 16 сентября 1927 года на Международном физическом конгрессе в Комо (Италия), посвящённом памяти Вольта.

Бор констатировал, что использование классических физических представлений в атомной физике является ограниченным. Данное обстоятельство породило стремление совершенно избавиться от классических понятий и образов. Однако Бор не сомневался в том, что "интерпретация эмпирического материала в существенном покоится именно на применении классических понятий" (Бор Н. Квантовый постулат и новейшее развитие атомной теории //Избр. науч. труды. Т. 2.
– М., 1971.
– С. 30). Таким образом, отказываться от классических понятий нельзя, и в то же время применяться они должны не во всей полноте.

В ходе долгих размышлений Бор пришёл к необходимости расщепления единого классического описания микромира на два дополняющих и исключающих друг друга. Это обоснование опирается на два исходных пункта: во-первых, на так называемый квантовый постулат, а во-вторых, на подчинение квантовому постулату процессов наблюдения атомных явлений (См.: Алексеев И.С. Концепция дополнительности: историко-методологический анализ.
– М.: Наука, 1978.
– С. 17).

Согласно квантовому постулату, "каждому атомному процессу свойственна существенная прерывность или, скорее, индивидуальность, совершенно чуждая классической теории и выраженная планковским квантом действия" (Бор Н. Квантовый постулат и новейшее развитие атомной теории //Там же.
– С. 30). По мнению Бора, обычное (классическое) описание природы "покоится всецело на предпосылке, что рассматриваемое явление можно наблюдать, не оказывая на него заметного влияния" (Там же.
– С. 31). Совсем другое дело, когда мы описываем квантовый мир. "Согласно квантовому постулату, всякое наблюдение атомных явлений включает такое взаимодействие последних со средствами наблюдения, которым нельзя пренебречь" (Там же). А поскольку взаимодействие наблюдаемых микрообъектов и средств наблюдения имеет неделимый характер, то ни явления, ни средства наблюдения не обладают статусом самостоятельной реальности.

"Итак, классические понятия пространственных координат и времени... а также энергии и импульса... остаются применимыми, - пишет И.С. Алексеев, и в квантовой области. Меняется только способ их сочетания - в строгом, точном смысле они не могут применяться совместно. Поэтому дополнительный способ описания можно назвать неклассическим употреблением классических понятий" (Алексеев И.С. Указ. соч.
– С. 19).

Принцип дополнительности, который Н. Бор сформулировал в 1927 году, звучит следующим образом:

получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым" (См.: Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания.
– С. 161).

Такими взаимно дополнительными величинами можно считать, например, координату частицы и её скорость (или импульс).

Принципы причинности и соответствия. Некоторые исследователи из соотношения неопределённостей делают вывод о неприменимости принципа причинности к явлениям микромира. При этом они опираются на следующие соображения. В классической механике по известному состоянию системы в некоторый момент времени и силам, приложенным к ней, можно абсолютно точно описать её состояние в любой последующий момент. Микрообъекты, напротив, не могут иметь одновременно и определённую координату, и определённую соответствующую проекцию импульса. Отсюда делается тот вывод, что в начальный момент времени состояние системы точно не определяется. А если это так, то невозможно прогнозировать последующие состояния системы, т.е. происходит нарушение принципа причинности.

Однако в действительности ничего подобного не происходит. Ведь само понятие состояние микрообъекта приобретает иной смысл, чем в классической физике. В квантовой механике состояние микрообъекта описывается волновой функцией. Её задание для данного момента времени определяет её значение в последующие моменты (См.: Там же.
– С. 165).

В становлении квантово-механических представлений выдающуюся роль сыграл выдвинутый Н. Бором в 1923 году принцип соответствия, согласно которому всякая новая более общая теория, являющаяся развитием классической, не отвергает её полностью, а включает в себя классическую теорию, указывая границы её применения, причём в определённых предельных случаях новая теория переходит в старую (См.: Там же).