Глава седьмая КВАНТОВАЯ ФИЗИКА И КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ. Квантовая теория и теория

IV. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ И ИСТОКИ УЧЕНИЯ ОБ АТОМЕ. Физика и философия

IV. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ И ИСТОКИ УЧЕНИЯ ОБ АТОМЕ

Понятие „атом“ много старше естествознания нового времени. Оно имеет свои истоки в античной натурфилософии, являясь центральным понятием материализма Левкиппа и Демокрита. С другой стороны, современное понимание атомных явлений имеет весьма малое сходство с пониманием атома в прежней материалистической философии. Более того, можно сказать, что современная атомная физика столкнула естествознание с материалистического пути, на котором оно стояло в XIX веке. Поэтому было бы интересно сопоставить становление понятия атома в греческой философии и его понимание в современной науке.

Идея о существовании последних, наименьших неделимых частиц материи возникла в тесной связи с развитием понятий материи, бытия и становления, характеризующих первый период греческой философии. Этот период начался в VI веке до н. э. с Фалеса, основателя милетской школы, который, согласно Аристотелю, считал, что вода есть материальная основа всех вещей. Каким бы странным ни казалось это высказывание, оно, как подчеркнул Ницше, выражает три основные философские идеи. Во-первых, это высказывание содержит вопрос о материальной основе всех вещей. Во-вторых, оно содержит требование рационального ответа на этот вопрос без ссылки на мифы и мистические представления. В-третьих, оно содержит предположение о возможности понять мир на основе одного исходного принципа.

Высказывание Фалеса было первым выражением идеи об основной субстанции, об основном элементе, из которого образованы все вещи. В этой связи слово „субстанция“, конечно, не имеет еще четкого материалистического смысла, который в настоящее время приписывается этому слову. В это понятие о субстанции включалось и понятие жизни; согласно Аристотелю, Фалес также утверждал, что все вещи „полны богов“. Все это имеет отношение и к материальной основе вещей. Нетрудно представить, что Фалес пришел к своим взглядам главным образом путем метеорологических наблюдений. Очевидно, что среди множества вещей именно вода может принимать самые разнообразные формы и быть в самых разнообразных состояниях. Зимой она становится льдом и снегом. Она может превратиться в пар. Из нее состоят облака Она превращается в землю, где река образует свою дельту, и она в виде родника может образоваться из земли. Вода является условием всякой жизни. Следовательно, вообще если имеется что-либо, подобное основному элементу, основной материи, то естественно считать в качестве основного элемента воду.

Идея первоматерии (основного вещества) развивалась Анаксимандром — учеником Фалеса. Анаксимандр отрицал, что первоматерией может быть обыкновенная вода или какая-нибудь другая известная субстанция. Он учил, что первоматерия бесконечна, вечна, неизменна и заполняет собой весь мир. Эта первоматерия преобразуется в различные, известные нам из опыта субстанции. Согласно Теофрасту5, Анаксимандр считал, что из чего возникают вещи, в то же самое они должны и вернуться, согласно справедливости, ибо за несправедливость они должны нести наказание в установленное время. В этой философии решающую роль играет антитеза бытия и становления. Первоматерия — неизменное, бесконечное, недифференцированное бытие — в процессе становления принимает разнообразные формы, пребывающие в непрерывной, вечной борьбе. Процесс становления рассматривается как некоторое ограничение, уменьшение бесконечного бытия, как разрушение в борьбе, как проклятие, которое в конце концов искупается возвратом в невещественное бытие (неопределенность). Борьба, о которой идет речь, есть противоположность между горячим и холодным, между огнем и водой, между влажным и сухим и т. п. Временная победа одного над другим является несправедливостью, которая в установленное время приводит к искуплению. Согласно Анаксимандру, существует вечное движение, непрерывное творение и разрушение миров — из бесконечного в бесконечное.

Для сравнения античной философии с нашими современными проблемами, пожалуй представляет интерес, что в современной атомной физике в новой форме возникает проблема: является ли первоматерия одной из известных субстанций или она нечто их превосходящее? В наше время пытаются найти основной закон движения материи, из которого могут быть математически выведены все элементарные частицы со своими свойствами. Это фундаментальное уравнение движения может быть отнесено или к волнам известного вида, например протонным или мезонным, или к волнам принципиально иного вида, не имеющим ничего общего с волнами известных элементарных частиц. В первом случае это означало бы, что все множество элементарных частиц может быть объяснено с помощью нескольких „фундаментальных“ „элементарных частиц“. Фактически в последние два десятилетия теоретическая физика главным образом исследует эту возможность. Во втором случае все многообразие элементарных частиц объясняется некоторой универсальной первоматерией, которую можно назвать энергией или материей. В этом случае ни одна из элементарных частиц принципиально не выделяется среди других в качестве фундаментальной частицы. Последняя точка зрения соответствует доктрине Анаксимандра, и я убежден, что такой взгляд правилен и в современной физике.

Однако вернемся снова к греческой философии. Третий милетский философ, Анаксимен, по всей вероятности ученик Анаксимандра, учил, что первоматерией, из которой состоит все, является воздух. Он считал, что так же как наша душа есть не что иное, как воздух, и нас объединяет, так дуновение и воздух объединяют весь мир. Анаксимен ввел в милетскую философию идею, что причиной превращения первоматерии в другие субстанции является процесс сгущения и разрежения. В то время было, конечно, известно о превращении водяного пара в облако, а о различии между водяным паром и облаками еще не знали.

В философии Гераклита первое место заняло понятие становления. Гераклит считал первоматерией движущийся огонь. Трудность соединения идеи единого принципа с наличием бесконечного превращения явлений разрешалась Гераклитом посредством предположения о том, что непрерывно происходящая борьба между противоположностями и есть своего рода гармония. Для Гераклита мир одновременно и единое и многое, именно напряжение противоположностей образует единство целого. Он утверждал: борьба есть всеобщая основа всякого бытия, и эта борьба есть одновременно уравновешивание; все вещи возникают и снова исчезают в процессе борьбы.

Если окинуть взором греческую философию с ее возникновения до момента, когда появилась философия Гераклита, то легко увидеть, что с самого начала она несла в себе противоставление понятий единого и многого.

В наших представлениях мир раскрывается как бесконечное многообразие вещей и событий, цветов и звуков. Но, чтобы его понять, необходимо установить определенный порядок. Порядок означает выяснение того, что тождественно. Он означает единство. На основании этого возникает убеждение, что должен существовать единый принцип; но в то же время возникает трудность, каким путем вывести из него бесконечное многообразие вещей. Естественный исходный пункт: существует материальная первопричина вещей, так как мир состоит из материи. Однако при доведении до логического конца идеи о принципиальном единстве приходят к бесконечному неизменному, бессубстанциональному „бытию“, которое само по себе не может объяснить все бесконечное многообразие вещей безотносительно к тому, считаем ли мы это бытие материальным или нет. Отсюда полярность бытия и становления и, в конце концов, идея Гераклита, что основной принцип — это изменение, вечное превращение, которое, по словам поэта, обновляет мир. Но само превращение не является материальной причиной. Этим объясняется, что в философии Гераклита материальная причина представлена в виде огня. Огонь как первоэлемент является одновременно и материей и движущей силой.

Мы теперь можем сказать, что современная физика в некотором смысле близко следует учению Гераклита. Если заменить слово „огонь“ словом „энергия“, то почти в точности высказывания Гераклита можно считать высказываниями современной науки. Фактически энергия это то, из чего созданы все элементарные частицы, все атомы, а потому и вообще все вещи. Одновременно энергия является движущим началом. Энергия есть субстанция, ее общее количество не меняется, и, как можно видеть во многих атомных экспериментах, элементарные частицы создаются из этой субстанции. Энергия может превращаться в движение, в теплоту, в свет и электрическое напряжение. Энергию можно считать первопричиной всех изменений в мире. Однако более детальное сравнение греческой философии с современными естественнонаучными представлениями будет осуществлено ниже.

Греческая философия в учении Парменида на некоторое время возвратилась к понятию „единого“. Парменид жил в Элее. в южной Италии. По-видимому, его важнейшим вкладом в греческую философию является введение им в метафизику одного чисто логического аргумента. Согласно этому аргументу, нельзя знать того, чего нет; не может существовать то, что в то же время нельзя выразить; одно и то же — то, что может быть немыслимо, и то, что может существовать. Поэтому существует только единое и нет никакого становления и уничтожения. На основании логических соображений Парменид отрицал существование пустого пространства. Так как всякое изменение предполагает понятие пустого пространства, то он отрицал как иллюзию и всякое изменение.

Однако философия не могла долго останавливаться на этих парадоксах. Эмпедокл перешел от монизма к одной из разновидностей плюрализма. Чтобы устранить трудность, заключающуюся в том, что ни один из первоэлементов не дает достаточной основы для объяснения многообразия вещей и событий, он рассматривал четыре основных элемента — землю, воду, воздух и огонь. Элементы соединяются и разделяются под воздействием любви и вражды. Любовь и вражду, которые обусловливают вечное изменение, и четыре первоэлемента он представлял как нечто телесное. Эмпедокл следующим образом описывал происхождение мира: сначала существовала бесконечная сфера единого. Последнее утверждение совпадает с подобным утверждением философии Парменида. В первоматетерии Эмпедокла в отличие от первоматерии Парменида смешаны под влиянием любви четыре „корня“, четыре первоэлемента. Когда любовь отступает и наступает вражда, элементы отчасти разделяются, отчасти снова объединяются. Наконец элементы полностью разделяются, и любовь совершенно исчезает из мира. Затем любовь снова наступает и соединяет элементы, и вражда исчезает. Так что опять все возвращается в первоначальное состояние. Учение Эмпедокла, хотя в нем большую роль играют не очень ясные понятия любви и вражды, представляет в известной мере поворот в греческой философии к более конкретным и в этом смысле материалистическим представлениям. Четыре элемента являются не столько основными началами, сколько материальными субстанциями. Этим впервые выражается мысль, что соединение и разделение нескольких принципиально различных субстанций объясняет бесконечное многообразие явлений. Плюрализм будет всегда казаться неудовлетворительным тем, кто привык думать последовательно (принципиально). Плюрализм представляет собой весьма разумный копромисс, устраняющий трудности монизма и в то же время допускающий определенный порядок 6.

Следующий шаг в направлении к понятию атома был сделан Анаксагором, современником Эмпедокла 7. Он жил около 30 лет в Афинах, по всей вероятности в первой половине V века до н. э. Анаксагор развивал идею, что все изменение в мире происходит благодаря соединению и разъединению различных элементов. Он считал, что существует бесконечное многообразие бесконечно малых „семян“, из которых состоят все вещи. Эти семена не имеют отношения ни к одному из четырех элементов Эмпедокла. Напротив, существует бесконечное множество семян. Семена соединяются и разъединяются, и таким образом происходит изменение. Учение Анаксагора впервые дало геометрическое толкование выражению „соединение“: так как он говорил о бесконечно малых семенах, то их соединение можно представить как соединение двух песчинок разного цвета. Семена могут изменяться в числе и в относительном положении. Анаксагор полагал, что все семена имеются во всех телах, но изменяется только их отношение от тела к телу. Анаксагор утверждал, что все вещи во всем, и невозможно им полностью разделиться, но все вещи имеют некоторую часть всего. Вселенная Анаксагора создается не посредством любви и вражды, а посредством „нуса“, что в переводе примерно означает „ум“.

Для перехода от философии к понятию атома необходим был только один шаг, и этот шаг был сделан Левкиппом и Демокритом из Абдеры. Полярность бытия и небытия философии Парменида здесь была заменена полярностью „заполненного“ и „пустого“. Бытие не есть только единое; оно может бесконечно повторяться. Оно атом, мельчайшая неделимая частица материи. Атом вечен и неразложим, но он обладает конечной величиной. Движение невозможно без существования пустого пространства между атомами. Так впервые в истории была выражена мысль о существовании в качестве первичных кирпичей наименьших частиц материи, мы бы сказали элементарных частиц.

Представление об атоме (неделимом) сводилось к тому, что материя состояла не только из заполненного, но и из пустого, а именно из пустого пространства, в котором движутся атомы.

Логическое обоснование возражения Парменида против пустого пространства, против того, что небытие не может существовать, просто игнорировалось на основании опыта. С точки зрения современной науки мы бы сказали, что пустое пространство между атомами Демокрита — это не ничто; оно является носителем геометрии и кинематики и делает возможным порядок и движение атомов. До сих пор возможность пустого пространства осталась нерешенной проблемой. В общей теории относительности Эйнштейна показано, что геометрия и материя взаимно обусловливают друг друга. Такой ответ соответствует взгляду, представляемому во многих философских системах и заключающемуся в том, что пространство определяется протяженной материей. Демокрит сохранил представление о пустом пространстве для того, чтобы иметь возможность объяснить изменение и движение. Атомы Демокрита суть та же самая субстанция, которая прежде обладала одним свойством — „быть“; но они имеют различную величину и форму. Поэтому их можно считать делимыми в математическом, а не в физическом смысле. Атомы могут двигаться и занимать различное положение в пространстве. Но они не обладают никакими другими физическими свойствами. У них нет ни цвета, ни запаха, ни вкуса. Свойства материи, воспринимаемые нашими органами чувств, согласно этому взгляду создаются путем расположения атомов в пространстве и их движения. Подобно тому как комедия и трагедия могут быть написаны одними и теми же буквами алфавита, так и бесконечное многообразие событий в мире релизуется посредством одних и тех же атомов благодаря их движению и конфигурации. Этим объясняется, что в развитии атомистической философии геометрия и кинематика, обусловленные пустотой, имели большее значение, чем чистое бытие. Как известно, Демокрит утверждал, что только кажется, что вещи имеют цвет; только кажется, что они сладкие или горькие. В действительности существуют только атомы и пустота. Атомы в философии Левкиппа не двигались просто случайно. Левкипп, по-видимому, полностью исходил из детерминизма, ибо, как известно, он говорил, что ничто не возникает из ничего, а все — из определенной причины и необходимости. Атомисты не дали никакого объяснения происхождения и причины первого толчка, вызывающего первоначальное движение атомов. Это хорошо согласуется с их положением о причинном описании движения атомов. Причинность всегда объясняет последующие события через предыдущие, но никогда не может объяснить исходное начало. В дальнейшем основные идеи атомического учения частично были восприняты последующими греческими философами, частично — изменены.

Для сравнения с современной физикой атома представляет интерес понимание материи Платоном, высказанное им в диалоге „Тимей“. Платон не был атомистом. По свидетельству Диогена Лаэртского, Платон до такой степени не одобрял философию Демокрита, что у него было желание сжечь все его книги. Но Платон в своем учении соединил представления, близкие атомистам, с представлениями пифагорейской школы и философией Эмпедокла. Школа пифагорейцев была связана с орфическим культом, которому покровительствовал Дионис. Именно в пифагорейской школе установлена взаимосвязь между религией и математикой, которая начиная с того далекого времени оказывала сильнейшее влияние на человеческое мышление. По-видимому, пифагорейцы впервые осознали творческую силу математики. Их открытие, что две струны производят гармоническое звучание при условии, если их длины находятся в определенном рациональном отношении, показало им значение математики для понимания явлений природы. Собственно, для них дело заключалось не столько в рациональном понимании. Для них математическое отношение длин струн создавало гармонию звуков. Таким образом, в учении пифагорейцев было много мистицизма, для нас почти непонятного. Но, сделав математику частью своей религии, они затронули решающий пункт в развитии человеческого мышления. Английский философ Б. Рассел так сказал о Пифагоре: „Я не знаю ни одного человека, который бы оказал такое влияние на человеческое мышление, как Пифагор“.

Платон знал о пяти правильных геометрических телах, открытых пифагорейцами, и о том, что их можно сопоставить с элементами Эмпедокла. Наименьшие части элемента земли он ставил в связь с кубом, наименьшие части элемента воздуха — с октаэдром, элементы огня — с тетраэдром, элементы воды — с икосаэдром. Не было элемента, соответствующего додекаэдру. Здесь Платон сказал, что существует еще пятый элемент, который бог использовал, чтобы создать вселенную. Правильные геометрические тела в некотором отношении можно сравнить с атомами; однако Платон категорически отрицал их неделимость. Он конструировал свои правильные тела из двух видов треугольников: равностороннего и равнобедренного прямоугольного. Соединяя их, он получал грани правильных тел. Этим объясняется частичное превращение элементов друг в друга. Правильные тела можно разложить на треугольники, а из этих треугольников можно построить новые правильные тела. Например, тетраэдр и два октаэдра можно разложить на 20 равносторонних треугольников. Эти последние можно вновь соединить и получить икосаэдр, то есть один атом огня и два атома воздуха в сочетании дают один атом воды. Треугольники нельзя считать материей, так как они не имеют пространственного протяжения. Только в том случае, если треугольники объединены в правильные тела, возникает частица материи. Поэтому наименьшие частицы материи не являются первичными образованиями, как это имело место у Демокрита, и они представляют собой математические формы. Понятно, что в этом случае форма имеет большее значение, чем вещество, из которого форма состоит или в которой оно выявляется 8.

Теперь, после краткого обзора развития греческой философии вплоть до формирования понятия атома, мы снова возвратимся к современной физике и спросим, как наше современное понимание атома и квантовая теория относятся к развитию античной натурфилософии. Исторически слово „атом“ в физики и химии нового времени было связано с самого начала с ложным объектом. Это произошло в .XVII веке, когда началось возрождение наук. В то время атомами именовались части химического элемента, которые с точки зрения современной науки являются довольно сложными образованиями. Единицы, еще меньшие, чем атом химического элемента, сегодня называются элементарными частицами. И если что из современной физики подлежит сравнению с атомами Демокрита, так это элементарные частицы: протон, нейтрон, электрон, мезон. Демокриту было совершенно ясно, что если атомы посредством своего движения и конфигурации объясняют свойства материи — такие, как цвет, вкус, запах, — то сами они не могут обладать этими свойствами. Поэтому Демокрит лишил атомы этих свойств, и атом у Демокрита представляет собой довольно абстрактную единицу материи. Атом у Демокрита обладает свойством существования и движения, имеет форму и пространственное протяжение. Без этих свойств было бы трудно говорить об атоме. Отсюда следует, что понятие „атом“ не объясняет геометрическую форму, пространственное протяжение и существование материи, поскольку эти свойства предполагаются и ни к чему более первичному не сводятся. Современное понимание элементарных частиц в решении этих вопросов является более последовательным и радикальным. Например, мы очень просто и легко употребляем слово „нейтрон“. Но мы не в состоянии дать никакого определенного образа нейтрона и не можем сказать, что, собственно, мы понимаем под этим словом. Мы пользуемся различными образами и представляем нейтрон то как частицу, то как волну или волновой пакет. Но мы знаем, что ни одно из этих описаний не является точным. Очевидно, нейтрон не имеет цвета, запаха, вкуса. Тем самым он подобен атомам греческой философии. Но элементарные частицы в некотором отношении лишены и других свойств. Обычные представления геометрии и кинематики о частице, такие, как форма или движение в пространстве, не могут применяться в отношении элементарных частиц непротиворечивым образом. Если хотят дать точное описание элементарной частицы (здесь мы делаем ударение на слове „точное“), то единственное, что может быть пригодно в качестве этого описания, — это функция вероятности. Отсюда делают вывод, что вообще если речь идет о „свойстве“, то свойство „быть“ не подходит без ограничения к элементарной частице. Есть только тенденция, возможность „быть“. Поэтому элементарные частицы современной физики значительно абстрактнее, чем атомы у греков и именно по этой причине они представляют более подходящий ключ для понимания природы материи.

В философии Демокрита все атомы состоят из одной и той же субстанции (материала), поскольку вообще здесь можно применить это слово. Элементарные частицы современной физики имеют массу. По теории относительности масса и энергия, в сущности, одно и то же, и поэтому можно сказать, что все элементарные частицы состоят из энергии. Таким образом, энергию можно считать основной субстанцией, первоматерией. Фактически она обладает существенным свойством, принадлежащим понятию субстанции: она сохраняется. На этом основании, как уже упоминалось, представления современной физики очень сходны с представлениями Гераклита, если только элемент „огонь“ интерпретировать как энергию. Энергия есть движущее. Она рассматривается как конечная причина всех изменений и может превращаться в материю, теплоту и свет. Борьба противоположностей, характерная для философии Гераклита, находит здесь свой прообраз во взаимодействии различных форм энергии.

В философии Демокрита атомы являются вечными и неразложимыми единицами материи: они не могут превращаться друг в друга. Современная физика выступает против положения Демокрита и встает на сторону Платона и пифагорейцев. Элементарные частицы не являются вечными и неразложимыми единицами материи, фактически они могут превращаться друг в друга. При столкновении двух элементарных частиц, происходящем при большой скорости, образуется много новых элементарных частиц; возникая из энергии движения, столкнувшиеся частицы могут при этом исчезнуть. Такие процессы наблюдаются часто и являются лучшим доказательством того, что все частицы состоят из одинаковой субстанции — из энергии. Но сходство воззрений современной физики с воззрениями Платона и пифагорейцев простирается еще дальше. Элементарные частицы, о которых говорится в диалоге Платона „Тимей“, ведь это в конце концов не материя, а математические формы. „Все вещи суть числа“ — положение, приписываемое Пифагору. Единственными математическими формами, известными в то время, являлись геометрические и стереометрические формы, подобные правильным телам и треугольникам, из которых образована их поверхность. В современной квантовой теории едва ли можно сомневаться в том, что элементарные частицы в конечном счете суть математические формы, только гораздо более сложной и абстрактной природы. Греческие философы думали о статических, геометрических формах и находили их в правильных телах. Естествознание нового времени при своем зарождении в XVI и XVII веках сделало центральной проблемой проблему движения, следовательно, ввело в свое основание понятие времени. Неизменно со времен Ньютона в физике исследуются не конфигурации или геометрические формы, а динамические законы. Уравление движения относится к любому моменту времени, оно в этом смысле вечно, в то время как геометрические формы, например орбиты планет, изменяются. Поэтому математические формы, представляющие элементарные частицы, в конечном счете должны быть решением неизменного закона движения материи.

В последующие годы развитие физики пришло к такому состоянию, что физики стали стремиться сформулировать основной закон для материи. Экспериментальная физика собрала большой материал о свойствах элементарных частиц и их превращений. Теоретическая физика может попытаться, исходя из этого материала, вывести основной закон для материи. Еще раньше был предложен простой вид этого уравнения материи. Хотя лишь в будущем выяснится, насколько верно это уравнение, все же эта первая попытка показывает такие черты физики и философии, которые с большой вероятностью могут быть установлены из изучения элементарных частиц, что по крайней мере качественно эта попытка здесь должна быть описана.

В проблеме основного уравнения речь идет о нелинейном волновом уравнении для операторов поля. Это уравнение рассматривается как математическое представление всей материи, а не какого-либо определенного вида элементарных частиц или полей. Это волновое уравнение математически эквивалентно сложной системе интегральных уравнений, которые, как говорят математики, обладают собственными значениями и собственными решениями. Собственные решения представляют элементарные частицы. Следовательно, они суть математические формы, которые заменяют правильные тела пифагорейцев. Между прочим, здесь следует вспомнить, что собственные решения основного уравнения получаются посредством математической процедуры, с помощью которой из дифференциального уравнения натянутой струны выводятся гармонические колебания струны пифагорейцев.

Математическая симметрия, играющая центральную роль в правильных телах платоновской философии, составляет ядро основного уравнения. Уравнение — только математическое представление всего ряда свойств симметрии, которые, конечно, не так наглядны, как платоновские тела. В современной физике речь идет о свойствах симметрии, которые соотносятся с пространством и временем и находят свое математическое выражение в теоретико-групповой структуре основного уравнения. Важнейшая группа — так называемая группа Лоренца в теории относительности — определяет структуру пространства и времени. Кроме того, имеются и другие группы, найденные только в последнее время и связанные с различными квантовыми числами элементарных частиц.

Хотя само основное уравнение имеет очень простую форму, оно содержит большое количество различных свойств симметрии, и, по-видимому, богатый экспериментальный материал о превращении элементарных частиц точно соответствует этим свойствам симметрии.

Следовательно, современная физика идет вперед по тому же пути, по которому шли Платон и пифагорейцы. Это развитие физики выглядит так, словно в конце его будет установлена очень простая формулировка закона природы, такая простая, какой ее надеялся видеть еще Платон. Трудно указать какое-нибудь прочное основание для этой надежды на простоту, помимо того факта, что до сих пор основные уравнения физики записывались простыми математическими формулами. Подобный факт согласуется с религией пифагорейцев, и многие физики в этом отношении разделяют их веру, однако до сих пор еще никто не дал действительно убедительного доказательства, что это должно быть именно так.

Можно привести соображение, касающееся вопроса, часто задаваемого дилетантами относительно понятия элементарной частицы в современной физике. Почему физики говорят о том, что элементарные частицы не могут быть разложены на меньшие частицы. Ответ на этот вопрос отчетливо показывает, насколько современное естествознание абстрактнее греческой философии. Наше соображение на этот счет примерно такое: как можно разложить элементарные частицы? Единственные средства эксперимента, имеющиеся в нашем распоряжении, — это другие элементарные частицы. Поэтому столкновения двух элементарных частиц, обладающих чрезвычайно большой энергией движения, являются единственными процессами, в которых такие частицы, пожалуй, могут быть разложимы. Они распадаются при таких процессах иногда даже на много различных частей. Однако сами составные части снова элементарные частицы, а не какие-нибудь маленькие части их, и их массы образуются из энергии движения столкнувшихся частиц. Другими словами: благодаря превращению энергии в материю составные части элементарных частиц — снова элементарные частицы того же вида.

После такого сравнения современных представлений атомной физики с греческой философией мы обязаны высказать предостережение, которое исключало бы возникновение непонимания. С первого взгляда все это может выглядеть так, как будто греческие философы благодаря гениальной интуиции пришли к таким же или по крайней мере к очень сходным результатам, к которым мы продвинулись в новое время после нескольких веков труднейшей работы в области эксперимента и математики. Но такое толкование нашего сравнения несло бы в себе опасность грубого непонимания. Существует очень большое различие между современным естествознанием и греческой философией, и одно из важнейших состоит именно в эмпирическом основании современного естествознания. Со времен Галилея и Ньютона естествознание основывается на тщательном изучении отдельных процессов природы и на требовании, согласно которому о природе можно делать только высказывания, подтвержденные экспериментами. Мысль, что посредством эксперимента можно выделить процессы природы, чтобы изучить их детально и при этом вскрыть неизменные законы, содержащиеся в постоянном изменении, не возникала у греческих философов. Поэтому современное естествознание покоится на более скромном и более прочном фундаменте, чем античная философия. Если, например, Платон, говорил, что наименьшие частицы огня суть тетраэдры, то нелегко предположить, что он в действительности думал. Символически ли форма тетраэдра принадлежит элементу огня или наименьшие частицы огня ведут себя механически как жесткие или упругие тетраэдры, и посредством какой силы они могут быть разложены на треугольники, о которых писал Платон? Современное естествознание должно бы, наконец, спросить: как можно экспериментально решить, что атомы огня суть тетраэдры и не могут быть чем-либо иным, например кубами. Поэтому если современная теория поля утверждает, что протон представляется посредством некоторого определенного собственного решения основного уравнения материи, то это означает, что из данного решения математически выводятся все возможные свойства протона и что правильность решения может быть доказана в каждом отдельном случае посредством эксперимента. Возможность экспериментально доказать справедливость высказывания с очень большой точностью придает высказываниям современной физики больший вес, чем тот, которым обладали высказывания античной натурфилософии.

И все-таки некоторые высказывания античной философии удивительно близки высказываниям современного естествознания. А это показывает, как можно далеко пойти, если связать наш обычный опыт, не подкрепленный экспериментом, с неустанным усилием создать логический порядок в опыте и попытаться, исходя из общих принципов, понять его.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

fil.wikireading.ru

КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ И СТРОЕНИЕ МАТЕРИИ — МегаЛекции

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 форме13. 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 г. 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 г., 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 описание 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 г. 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, 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 в теории относительности позволяет представить проблему в новом свете.

megalektsii.ru

Вероятностная концепция смыслов и квантовая теория измерений

Вероятностная концепция смыслов и квантовая теория измерений

Согласно подходу, развиваемому в этой книге В. В. Налимовым, семантика каждого конкретного текста задается своей функцией распределения ?( ?) — (плотностью вероятности), где ?, — переменная, заданная на числовом континууме, или — в более общем рассмотрении, — в многомерном пространстве. Полагается, что изначально все возможные смыслы мира как-то соотнесены с линейным континуумом Кантора (переменная ?).

Изменение текста — его эволюция — связано со спонтанным появлением в некоей ситуации у фильтра ?(y/ ?), мультипликативно взаимодействующего с исходной функцией ?( ?).

Взаимодействие задается известной формулой Бейеса:В 

где функция ?(y/ ?) определяет семантику нового текста, возникающего после эволюционного толчка у (наложение фильтра), a k — константа нормировки.

Формула Бейеса выступает здесь как силлогизм: из двух посылок ?( ?) и ?(y/ ?) с необходимостью следует текст с новой семантикой: ?(y/ ?).

Цель последующего изложения — указать аналогию, существующую между приведенным преобразованием смыслов в вероятностной модели языка и процессом измерения в квантовой механике и провести сопоставление между ними.

Как известно, состояние объекта в квантовой механике задается волновой функцией ?(q,t), которая определяет вероятности различных результатов измерения.

Существенно, что состояние объекта определяется именно зависимостью по координатам q.

Зависимость же по t описывает эволюцию этого состояния но времени.

Результат измерения связан лишь с зависимостью волновой функции от пространственных координат q.

По этой причине результаты измерения отнесены к состоянию в определенный момент времени t0 («замороженное время»).

Поэтому всюду ниже переменная t опускается.

Рассмотрим теперь подробнее процесс измерения.

Пусть для определенности производятся измерения величины у (или совокупности величин {у}) у объекта, находящегося в состоянии ?0(q).

Измерительные средства наблюдателя (приборы) играют роль фильтра у, с которым взаимодействует микрообъект. При этом разные измерения (измерения отличающихся наборов величин) будут соответствовать различным фильтрам в том смысле, в котором о них говорится в вероятностной модели смыслов (сокращенно ВМС).

Пусть выбрана конкретная измерительная процедура, соответствующая физической величине у и пусть {yn} — множество возможных значений этой величины, которые могут быть получены в этом измерении (для простоты записи полагаем, что это множество дискретно — в непрерывном случае существо выкладок сохраняется). Если в начальный момент (до взаимодействия с прибором) волновая функция объекта есть ?0(q), а прибора Y0( ?) (где + характеризует совокупность координат прибора), то волновая функция системы объект + прибор будет:

После процесса взаимодействия (измерения) волновая функция системы объект + прибор станет(*170):

где an — комплексная величина такая, что |а„|^2 —дает вероятность обнаружить в результате измерения величины у значение у„ (с волновой функцией прибора Yn( ?). В результате исхода уn объект окажется в состоянии ?n(q).

Таким образом, исходное состояние объекта ?0(q) трансформируется в результате измерения в состояние

Запись ?n(q/yn) выражает то обстоятельство, что возникшее состояние ?n(q) будет различным в зависимости от того, какое значение у„ будет получено в результате измерения величины у.

Вероятность появления этого состояния ?„(q/у„) описывается величиной а„^2 которая определяется лишь исходным состоянием ?0(q) и видом и результатом измерения:

где ?n — собственные функции оператора у, соответствующего физической величине у. В состоянии ?n(q) величина у с достоверностью имеет значение уn.

Сопоставим теперь описанный процесс измерения в квантовой механике с преобразованием функции ?( ?) при появлении фильтра у в вероятностной теории смыслов.

Множеству значений переменной ? (множеству смыслов) в ВМС соответствует множество значений переменной q — описывающей степени свободы физического объекта.

Функции ?( ?) отвечает функция ?0(q), или — более точно — | ?0(q)|2.

Фильтру ?(у/ ?) в ВМС. следует поставить в соответствие «измерительную установку» (прибор), реализующую измерение физической величины у.

Преобразованию ?( ?/y)=kp( ?)p(y/ ?) функции ?( ?) при спонтанном появлении фильтра у в ВМС соответствует преобразование волновой функции ?о(q)=» ?(q/yn) отвечающее измеренному значению уn величины у (фильтра). При этом появление того или иного значения yn в процессе измерения, а с ним и преобразование функции ?0(q) оказываются спонтанными.

Заключение. Сказанное выше позволяет сделать следующие выводы. Оперирование с текстами и смыслами в вероятностной модели смыслов и процесс измерения в квантовой теории имеют много общих черт, которые можно иллюстрировать таблицей.

Отличие может быть отмечено в том, что преобразование волновой функции ?0(q) в результате процесса измерения описывается более сложной процедурой, нежели преобразование функции ?( ?). Однако это отличие едва ли существенно при том, что общий характер вхождения величин, обусловливающих общие свойства преобразования, является сходным в обоих случаях(**171).

Изложенное позволяет поставить вопрос о том, в какой степени квантово-механические процессы могут соответствовать процессам мышления, понимаемым так, как это представлено вероятностной моделью смыслов, опирающейся на представление о семантически насыщенном пространстве.

Вероятностная модель смыслов

 Квантовая теория измерений

1 ? — переменная, описывающая множество смыслов (степени свободы текста)

1 q — переменная, описывающая степени свободы физического объекта.

2 Некоторый текст

2 Состояние физического объекта

3 ?( ?) — вероятностная функция, задающая спонтанную «распаковку» смыслов (обнаружение того или иного значения переменной ?

 3 | ?(q)|^2 — функция вероятности,

4 у — фильтр (некоторый текст), с которым начинает взаимодействовать исходный текст

 4 у — фильтр (измерительный прибор, известный объект, взаимодействие с которым дает измерение физической величины "у").

5 ?(у/ ?) = kp ( ?) ?( ?/у) — преобразование весовой функции смыслов

 5 ?o (q) =» ? (q/yn) — преобразование функции состояния в процессе измерения

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

fil.wikireading.ru

головоломки и парадоксы. Тени разума [В поисках науки о сознании]

5.1. Квантовая теория: головоломки и парадоксы

Квантовая теория дает нам превосходное описание физической реальности на микроскопическом уровне, однако полна при этом тайн и загадок. Нет никакого сомнения: разобраться в том, как именно работает эта теория, чрезвычайно трудно; еще труднее отыскать какой-либо смысл в той «физической реальности» (или нереальности), которая, как утверждает квантовая теория, и составляет основу нашего мира. На первый, неискушенный, взгляд может показаться, что эта теория способствует формированию мировоззрения, которое многие (включая и меня) находят в высшей степени неудовлетворительным. В лучшем случае, буквально понимая все положения и определения теории, мы получаем, мягко говоря, очень странную картину мира. В худшем — столь же буквально воспринимая заявления некоторых из наиболее знаменитых приверженцев квантовой теории, никакой картины мира мы не получаем вовсе, а та, что была, рассыпается на глазах.

Я думаю, все те загадки, что ставит перед нами квантовая теория, можно четко разделить на два совершенно различных класса. Одни я называю загадками-головоломками, или Z-загадками (от слова puzzle[32]). К этому классу я отношу те квантовые истины об окружающем нас мире, которые действительно способны кого угодно привести в замешательство и заставляют изрядно поломать над собой голову — и в то же время находят непосредственное экспериментальное подтверждение. Сюда же можно включить и те общие предсказания квантовой теории, которые не подтверждены экспериментально, но — ввиду уже подтвержденного — очень похожи на правду. Среди наиболее поразительных Z-загадок упомяну те, что известны под общим названием феномены Эйнштейна—Подольского—Розена (или ЭПР-феномены; подробнее о них мы поговорим позднее, см. §§5.4, 6.5). Второй класс составляют квантовые загадки, которые я называю загадками-парадоксами, или X-загадками (от слова paradox[33]). Согласно квантовому формализму, эти утверждения о мире вроде бы должны быть истинными, однако они настолько невероятны и парадоксальны, что мы просто не можем в них поверить, не можем признать их «действительно» истинными. Именно эти загадки и не дают нам принять предлагаемый формализм всерьез, препятствуют образованию на рассматриваемом уровне сколько-нибудь достоверной картины мира. Самая знаменитая X-загадка — парадокс шрёдингеровой кошки, в рамках которого, по всей видимости, утверждается, что макроскопические объекты (например, кошки) способны существовать в двух совершенно различных состояниях одновременно (этакое подвешенное состояние, в котором кошка и «жива», и «мертва» сразу). К подобным парадоксам мы еще вернемся в §6.6 (см. также §6.9, рис. 6.3, и НРК, с. 290-293).

Нередко утверждают, что все трудности, которые возникают у наших современников с восприятием квантовой теории, происходят исключительно от того, что мы чересчур крепко цепляемся за наши старые физические концепции. С каждым же последующим поколением люди будут «вживаться» в квантовые таинства все глубже, и в конце концов, после достаточного количества сменившихся поколений, смогут без какого-либо напряжения принять их все скопом — как Z-загадки, так и X-загадки. Этот взгляд представляется мне фундаментально ошибочным.

Я полагаю, что к Z-загадкам мы, возможно, и в самом деле сможем со временем привыкнуть и даже счесть их вполне естественными, однако с X-загадками такой номер не пройдет. По моему глубокому убеждению, X-загадки заведомо неприемлемы с философской точки зрения, а возникновение их объясняется только тем, что квантовая теория не является полной теорией — или, скорее, не является вполне точной на том уровне феноменов, на котором начинают проявляться X-загадки. В совершенной квантовой теории ни одной X-загадки в списке квантовых тайн не останется (а крест в их названии оказался символичен — им и перечеркнем). Иначе говоря, свыкаться нам предстоит лишь с Z-загадками.

Учитывая вышесказанное, мы имеем полное право поинтересоваться, где же проходит граница между Z-загадками и X-загадками. Одни физики утверждают, что квантовых загадок, которые следовало бы в этом смысле классифицировать как X-загадки, попросту нет, — все странные и на первый взгляд парадоксальные утверждения, в которые нам предлагает поверить квантовый формализм, действительно истинны и описывают реальный мир, нужно только правильным образом на этот самый мир посмотреть. (Если такие люди хотят избежать обвинений в отсутствии логики и всерьез воспринимают возможность описания физической реальности в терминах «квантовых состояний», то они должны также верить и во «множественность миров» в той или иной форме (см. §6.2). Согласно этой концепции, шрёдингеровы мертвая и живая кошки обитают в различных «параллельных» вселенных. Вы видите кошку, и тут же в каждой из двух вселенных возникает по вашей копии, один из вас глядит на живую кошку, а другой — на мертвую.) Другие физики устремляются к противоположной крайности. По их мнению, я слишком благодушно настроен по отношению к квантовому формализму, раз полагаю, что всем этим необъяснимым ЭПР-феноменам (о которых, напоминаю, мы еще поговорим) и впрямь найдется в будущем экспериментальное подтверждение. Я никоим образом не настаиваю, что все должны непременно разделять мое мнение о том, где именно надлежит проводить границу между Z- и X-загадками. Мой выбор определяется предположениями, согласующимися с точкой зрения, которую я представлю в следующей главе, в §6.12.

Вряд ли уместно будет приводить на этих страницах исчерпывающее объяснение природы квантовой теории. Поэтому в настоящей главе я ограничусь относительно кратким (но в достаточной мере полным) описанием некоторых необходимых нам аспектов теории, особое внимание уделив при этом природе Z-загадок. В следующей главе я расскажу, почему я полагаю, что наличие X-загадок делает современную квантовую теорию неполной, невзирая на все те поразительные экспериментальные подтверждения, которыми она на сегодняшний день может похвастаться. Читателям, желающим познакомиться с квантовой теорией поближе, я рекомендую обратиться к НРК (глава 6) или к более специальной литературе — например, [94], или [70].

Далее (глава 6, §6.12) я представлю одну новую идею относительно уровня, на котором имеет смысл предпринимать попытки усовершенствования квантовой теории (думаю, следует предупредить читателя, что идея эта существенно отличается от той, что была предложена в НРК, хотя мотивы остались почти теми же). В §7.10 (и в §7.8) я приведу некоторые предварительные причины, позволяющие предположить, что подобные попытки вполне могут быть связаны с невычислимостью в том общем смысле, который нас так интересует. Что касается стандартной квантовой теории, то невычислимой она является лишь постольку, поскольку в измерительной процедуре здесь наличествуют случайные элементы. Случайные же элементы, как я особо подчеркивал в первой части (§§3.18, 3.19), не способны сами по себе обусловить ту невычислимость, которая нам потребуется в конечном итоге для понимания процессов мышления.

Рассмотрим для начала некоторые из наиболее поразительных Z-загадок квантовой теории на примере двух весьма показательных и мозгодробительных головоломок.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

fil.wikireading.ru

Более полная квантовая теория. Квантовый ум [Грань между физикой и психологией]

Более полная квантовая теория

Теория множественных миров Эверетта и ДеВитта – это канва более полной квантовой механики, включающей в себя опыт взаимодействия наблюдателя и наблюдаемого в НОР.

Аспект физики, который исходит из того, что взаимоотношение между наблюдателем и наблюдаемым имеет много измерений, получает поддержку психологии. Психология добавляет к физике идею о том, что конкретный мир, проявляющийся в данный момент, зависит не только от случая или статистики, а связан с многими тонкими факторами, включая точку зрения общепринятой реальности, а также психологию и физику наблюдателя и наблюдаемого.

Короче говоря, то, что видится, зависит от взаимоотношения между наблюдателем и объектом. Это взаимоотношение связано:

• с текущей общепринятой реальностью наблюдателя;

• с тем, как себя идентифицирует наблюдатель;

• с тем, как он использует свое второе внимание;

• с конкретной природой всех участвующих сторон и их взаимодействующими отношениями.

В момент наблюдения эти факторы определяют, какое переживание или наблюдение имеет место и какие другие будут маргинализироваться как незначительные или несуществующие миры.

Что все это означает для вас как отдельного человека. Если вы восприимчивы к квантовым заигрываниям, то, как осознающий свидетель, можете более или менее одновременно видеть различные миры. Возможно, описанное выше упражнение позволило вам почувствовать, что если не уверены в отношении наблюдении, то неуверенность возникает отчасти от того, что вы сосредоточиваетесь только на одном возможном мире. Судя по всему, использование осознания в любой момент имеет неограниченное число преимуществ и не дает никаких побочных эффектов, за исключением большей уверенности.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

fil.wikireading.ru

Глава седьмая КВАНТОВАЯ ФИЗИКА И КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ. Амбарцумян

Глава седьмая КВАНТОВАЯ ФИЗИКА И КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ

Квантование пространства и времени Гейзенберга, Амбарцумяна и Иваненко

Несмотря на свою перегруженность, Виктор Амазаспович не упускал возможности бывать в других обсерваториях страны. Были установлены хорошие научные связи с астрономами Абастумани (Грузия) и Симеиза (Крым).

Однажды, когда Виктор Амазаспович собирался поехать в Симеиз, где директором был академик Г. А. Шайн, его пулковский приятель, астроном Александр Николаевич Дейч, посоветовал ему обратить внимание на весьма привлекательную племянницу Пелагеи Фёдоровны, жены Григория Абрамовича — Верочку. Дело в том, что сам Дейч собирался жениться па пулковской красавице Александре Михайловне, которая была весьма благосклонна к Виктору Амазасповичу. Тем самым он решил отвлечь внимание Виктора Амазасповича и дал ему хитрый совет.

Приехав в Симеиз и посетив Шайнов, Виктор Амазаспович, естественно, обратил внимание и на Верочку. Яркая русская красота восемнадцатилетней Верочки мгновенно покорила сердце двадцатидвухлетнего юноши. Они сразу договорились о встрече в Ленинграде. Вера Фёдоровна поехала в Ленинград на учёбу, и в 1930 году Виктор Амазаспович под Новый год привёл Веру Фёдоровну в свою семью и представил своей женой. Брак был зарегистрирован гораздо позже. Так в жизни Виктора Амазасповича появился прекрасный, преданный на всю жизнь друг. А Александр Николаевич Дейч женился на Александре Михайловне.

Вера Фёдоровна (девичья фамилия Клочихина) родилась на Урале, в Соликамске. Её новгородские предки за непослушание были переселены на Урал ещё Иваном Грозным. Дед её, Фёдор Санников, был ходоком к Ленину. После смерти родителей, Фёдора и Елены Клочихиных, Верочку взяла к себе сестра её матери, Пелагея Фёдоровна, которая к тому времени окончила Бестужевские курсы, стала астрономом и вышла замуж за Г. А. Шайна.

Вера Фёдоровна родила Виктору Амазасповичу четырёх, в будущем успешно работающих в математике и физике детей: Карине — в 1933 году, Елену — в 1936 году, Рафаэла (впоследствии иностранный член НАН Армении) — в 1940 году и Рубена (впоследствии действительный член НАН Армении) — в 1941-м. Вера Фёдоровна была строгой, но бесконечно заботливой женой и матерью. Прожив в дальнейшем благополучную жизнь — 52 года — в Армении и полюбив родину своего мужа и армянский народ, она, однако, очень скучала по России. Хорошо знала историю России и много о ней увлечённо читала. Русская поэзия и литература, а также история России занимали огромное место в её жизни. Правда, Виктор Амазаспович не только не уступал ей в знании русской культуры, но зачастую помнил больше, благодаря своей феноменальной памяти. Она превосходно владела английским и некоторое время преподавала в Ереванском педагогическом институте. У неё был редкий музыкальный слух и великолепный голос. Однажды она очень красиво спела романс «Отцвели уж давно хризантемы в саду…» в США, на приёме, организованном советской делегацией в честь XI съезда MAC в Калифорнии, в здании ратуши Беркли. Об этом вспоминает бюраканский астрофизик Нина Леонидовна Иванова, присутствовавшая на этом приёме в числе шестидесяти участников съезда из Советского Союза.

Семья Виктора Амазасповича в 1930-е годы жила в Ленинграде, на 7-й линии Васильевского острова. В 1934 году Виктору Амазасповичу присвоили звание профессора, а в 1935-м ему была присуждена без защиты диссертации учёная степень доктора физико-математических наук. В этом же году им была организована в университете кафедра астрофизики, которой он руководил до 1946 года.

Кроме проблем теоретической астрофизики и математической физики Виктор Амазаспович сильно увлёкся и теоретической физикой. Как он говорил, «не сумел устоять перед очарованием теоретической физики». Он самостоятельно стал изучать теорию Бора по строению атома, а с 1927 года — квантовую механику. Он досконально изучил работы Шрёдингера, посвящённые квантовой теории, и стал посещать прекрасные лекции Д. С. Рождественского[100] по строению атома. Следует отметить, что именно на этой почве он и познакомился с М. П. Бронштейном и Г. А. Гамовым, которые, в свою очередь, серьёзно увлекались астрофизикой.

В 1928–1929 годах ему попалась книга Р. Куранта и Д. Гильберта «Методы математической физики», о которой он высоко отзывался и которую он также досконально изучил.

Университетские лекции по астрофизике Виктор Амазаспович непременно увязывал с современной теоретической физикой, в частности с результатами квантовой механики. Для астрономов в университете он впервые начал читать спецкурс по теоретической физике.

Примерно в это время начала стремительно развиваться квантовая, или волновая, механика, которая впервые пыталась описать структуру атомов и понять их спектры. Корпускулярно-волновой дуализм материи потребовал нового подхода к описанию состояния физических систем и их измерений. В отличие от классической теории, все частицы в квантовой механике выступают как носители и корпускулярных, и волновых свойств, которые не исключают, а дополняют друг друга. В это время волновая природа электронов, протонов и других частиц уже была подтверждена опытами по дифракции частиц. Была установлена фундаментальная роль постоянной Планка (h) — одного из основных масштабов природы. Она отделяет область явлений, которые можно описывать классической физикой (когда h принимается равной нулю), от области тех явлений, для истолкования которых необходима квантовая теория. В основу квантовой электродинамики было положено подтверждённое на опыте представление о дискретности электромагнитного излучения. Кванты электромагнитного поля — фотоны — являются носителями минимально возможной при данной частоте поля (v) энергии (Е):

Е = hv.

К этому времени относится замечательная идея квантования пространства и времени, принадлежащая Амбарцумяну и Иваненко и независимо от них Гейзенбергу[101]. Зачем она потребовалась?

История с квантованием пространства такова. Ещё до появления квантовой механики А. Эддингтон указал на опасности, связанные с введением в теорию длин, малых по сравнению с размерами электронов. Эддингтон утверждал, что нет смысла говорить о длине порядка 10-18 сантиметров, если самая мелкая существующая материальная единица, наверное, обладает во много раз большими размерами. Большими являются даже длины электромагнитных волн. Это очень важно, если захотеть ввести в квантовую механику понятие о конечных размерах электрона. Поэтому у Гейзенберга и, одновременно и независимо, у Амбарцумяна с Иваненко возникла идея «проквантовать четырёхмерное пространство — время», то есть построить такую теорию, в которой фигурировала бы «наименьшая возможная длина». А выход таков. Когда речь идёт о принципиальной невозможности измерять сколь угодно малые длины, легко можно представить такую теорию, при которой эта невозможность преодолена лоренцовским сокращением длины согласно принципу относительности при больших скоростях движения. В случае же волны невозможность измерения сколь угодно малой длины волны преодолевается эффектом Доплера при достаточно быстром движении источника излучения по направлению к наблюдателю.

Оказалось, что из теории квантования пространства без всяких специальных гипотез, вроде гипотезы Дирака[102], можно получить правильное отношение масс протона и электрона. Однако не следовало преувеличивать того численного совпадения, которое при этом получалось. Здесь нет строгих доказательств. Как пишет М. П. Бронштейн: «Мы должны считать вычисленным разве только лишь порядок величины искомого отношения масс. Но всё же самая возможность такого вычисления показывает, на наш взгляд, что мы здесь имеем дело не только с игрой математическими формулами, основанной на так называемых «размерностях», что дискретность пространства всё же, каким-то образом, связана с асимметрией масс протона и электрона, и что только дискретная геометрия даёт надежду на решение этой трудной головоломки»[103].

Такова основная идея квантования пространства и времени. Но для её осуществления необходимо было построить дискретную геометрию, то есть такую, которая исключала бы всякую возможность оперировать с бесконечно малыми интервалами. Так Амбарцумян и Иваненко пришли к понятию решётки: обычное непрерывное пространство евклидовой геометрии заменяется дискретной совокупностью точек, образующих кубическую решётку, напоминающую расположение атомов в кристаллах кубической системы. Расстояние между двумя ближайшими узлами решётки и есть наименьший возможный интервал — постоянная решётки. В силу квантовой природы пространства электрон не может занимать место в промежутке между узлами решётки: он должен обязательно сидеть в одном из узлов. Все функции координат должны быть заданы таким образом, чтобы иметь смысл лишь в узлах решётки; остальные точки пространства не имеют физического смысла. Но такая решётка вводит и неоднозначность: стоит только провести через какой-нибудь узел прямые линии по направлению к ближайшим узлам, расположенным на расстоянии, равном постоянной решётки, чтобы получить привилегированную систему координат. Поскольку мы имеем дело с четырёхмерной решёткой, включающей и пространство, и время, то привилегированная система координат обозначает, очевидно, абсолютное время и три преимущественных направления в неподвижном пространстве. Но это противоречит и принципу относительности, и опыту: пространство — время в действительности изотропно, все координатные системы в нём равноправны, все уравнения инвариантны по отношению к преобразованиям Лоренца. Именно с этой трудностью, трудностью преодоления возникшей анизотропии в системе решётки не смог справиться Гейзенберг и перестал работать в этом направлении.

Путь к преодолению этой трудности был найден независимо Амбарцумяном и кембриджским математиком Урселлом. Описание такого преодоления выходит за рамки популярного описания этой сложной и до конца не завершённой теории. Во всяком случае, В. Паули[104] сомневался в окончательном решении задачи таким путём и считал создавшееся положение почти безнадёжным.

В 1929 году в Харькове состоялись представительные конференции, посвящённые вопросам квантовой физики. На конференциях присутствовали П. Йордан[105], Паули, Дирак, Зоммерфельд, Гамов, Иваненко, Фок[106], Ландау, Френкель[107], Гельфанд[108], Мусхелишвили[109] и многие другие видные физики.

На этих конференциях была представлена и вызвала огромный интерес идея Амбарцумяна — Урселла о теории квантования пространства — времени. Разработку этого понятия очень поддерживал Дмитрий Дмитриевич Иваненко, с которым Амбарцумян в те годы тесно сотрудничал. Однако Амбарцумяну, как и многим другим, показалось, что избранный путь не может привести к успеху. Дело в том, что в этом направлении в то время не было получено значительных результатов, и опубликованные Амбарцумяном две статьи развития не получили. Но впоследствии выяснилось, что Амбарцумян тогда несколько поторопился с выводами: идея квантования пространства нашла в дальнейшем широкое применение в теории элементарных частиц и теории поля и даже сегодня является важнейшей проблемой, но далеко не завершённой.

Протоны в ядрах атомов

Теперь перейдём к другой, не менее важной проблеме квантовой теории.

Широкой публике малоизвестно, что 20-летний Амбарцумян и 24-летний Иваненко являлись авторами основополагающей идеи, высказанной всего через два года после создания квантовой механики Гейзенбергом и Шрёдингером, когда Дираком была основана квантовая электродинамика. Эта идея включалась в том, что не только кванты электромагнитного моля — фотоны, но и другие частицы (в том числе обладающие ненулевой массой покоя) могут рождаться и исчезать в результате их взаимодействия с другими частицами. Настоятельность такой идеи была связана с теми трудностями, с которыми столкнулась модель строения ядра, предложенная Э. Резерфордом[110].

Основываясь на том, что при ?-распаде ядра испускают электроны, а в ядерной реакции под действием а-частиц из ядра азота выбиваются протоны, Резерфорд, естественно, предположил, что атомные ядра состоят как раз из протонов и электронов. Модель ядра Резерфорда по существу базировалась на очевидных классических представлениях, согласно которым из составной системы могут испускаться только такие частицы, из которых она состоит. Однако модель Резерфорда не смогла объяснить удержание электрона в ядре. Расчёты показывали, что для этого удержания требуется аномально сильное взаимодействие между электронами и протонами. Добавилась и другая трудность: наличие сплошного спектра при ?-распаде свидетельствовало о некоторой потере энергии, которая также не объяснялась моделью.

Возникшая ситуация, как говорил Н. Бор, породила ряд безумных гипотез. Такой же безумной показалась гипотеза Амбарцумяна и Иваненко, предположивших вопреки очевидности, что электрон не содержится в ядре, а рождается в процессе ?-распада. Это соответствовало корпускулярно-волновому дуализму — основе квантовой физики. А именно: частицы, образующиеся при распаде какой-либо системы, могли и не содержаться ранее в самой этой системе. В качестве иллюстрации этого авторы приводили пример радиационного перехода атома из возбуждённого состояния в нормальное: фотон, испускаемый в этом процессе, вовсе не содержится в возбуждённом атоме, а рождается в результате электромагнитного взаимодействия, приводящего к этому переходу. В силу корпускулярно-волнового дуализма подобным образом может возникать при процессе ?-распада и электрон, не содержавшийся до этого в атомном ядре.

Это была большая смелость со стороны молодых исследователей, несмотря на то, что их гипотеза полностью соответствовала квантово-механическим представлениям. Не сразу приняли гипотезу В. Паули и Н. Бор. Всё разрешилось после открытия нейтрона в 1932 году и создания Э. Ферми[111] теории ?-распада. Ферми, по-видимому, не знал о гипотезе Амбарцумяна и Иваненко 1929 года и независимо пришёл к ней. Как рассказывал Б. Понтекорво[112], самое трудное для Ферми было понять, что не только фотоны, но и массивные (с массой покоя, отличной от нуля) частицы могут рождаться и исчезать в результате взаимодействия их квантовых полей.

Таким образом, Амбарцумян был первым, указавшим на то, что в атомном ядре нет электронов (1929), а Иваненко, также впервые, предложил гипотезу наличия нейтронов в ядре атома (1930). Соответствующие статьи были опубликованы в Докладах Академии наук СССР и Докладах Французской академии наук («Comptes Rendues»). Об этом подробно рассказали академики РАН С. С. Герштейн и А. А. Логунов в своих воспоминаниях об Амбарцумяне и Иваненко.

В конце 1938 года были объявлены выборы в Академию наук. Ленинградский университет предложил кандидатуру Амбарцумяна. Газета «Правда»[113] поместила статью, в в которой говорилось о том, что академия должна избрать передовых учёных. В этой статье приводилось три-четыре примера таких учёных, среди которых было названо и имя Амбарцумяна. В январе 1939-го состоялись выборы, и Амбарцумян был избран членом-корреспондентом АН СССР. Газеты писали об этих выборах как о победе настоящей науки над тёмными силами.

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

biography.wikireading.ru

Квантовая теория и строение материи

Квантовая теория начала зарождаться и развиваться вместе с научными исследованиями, которые проводились в 19 и начале 20 века. Ученые пытались понять строение всех форм и веществ, но для этого необходимо было определить, что такое сама материя и из чего она состоит.

Первые умозаключения, характеризующие понятие «материи» относятся к античным временам. Тогда ее представляли в образе целостных явлений и веществ, таких как огонь, воздух, вода, но с открытием понятий электромагнетизма и иных процесс формирования научных теорий перерос на новый качественный уровень.

Зарождение квантовой теории

Сначала специалисты могли рассматривать объект изучения с точки зрения химических процессов. Исследователь разделял вещество на составные части и просчитывал установленные взаимосвязи между ними. Так рождалось понятие о химическом элементе. Немного позже эти знания были структурированы, так как стало понятно, что подобные элементы состоят не только из одних атомов, но и иных частиц. Через некоторое время количество элементов выросло до сотни, однако это еще не могло привести научный мир к пониманию материи.

Новый виток развития квантовой теории пришелся на начало 20 века, когда физик Резерфорд провел ряд опытов и выявил ядерную модель атома. Чуть позже были открыты частицы атома:

• электрон;
• нейтрон;
• ядро атома;
• протон.

Эти частицы также совершали бесконечное взаимодействие, из которого рождались иные элементы вещества на сверхмалом уровне. Они выглядели как вид излучений, но при этом все равно не смогли ответить на вопрос о реальном строении и формы материи.

Ученые в области квантовой физики начали создавать различные теории, в основе которых лежали понятия гравитации, как основной невидимой силы. Она участвовала во всех основных процессах квантовой механики и могла послужить разгадкой в постижении всего понятия «материи».

Согласно высказанным предположениям в одной и той же реальности может существовать две формы этой же реальности в виде:

• частиц;
• силовых полей.

Согласно классическим понятиям механики, сформулированным Исааком Ньютоном, нельзя объяснить стабильность атома, поэтому формирование квантовой теории шло неоднородно, с осознанием большого числа несоответствий и ошибок. Если математические модели могли дать положительный результат, то на практике все обстояло не таким удачным образом и путь к познанию строения и свойства материи остается нелегким. Однако подобную стабильность все же удается описать в квантовой модели, так как она дает объективное описание атома в пространстве и во времени.

Анализ строения материи

Так как с точностью определить непосредственные характеристики материи нельзя, то теоретики прибегают к помощи составления анализа строения материи. К строению материи имеют отношение, как физика, так и химия. Они вместе составляют большую науку. Однако при составлении понятия материи необходимо брать во внимание дополнительные знания из биологии. Считается, что резкого различия между живой и неживой материей провести нельзя. Есть те специфические биологические функции, которые выполняются всеми группам молекул.

Замечание 1

Род стабильности, что усматривается в живых организмах, по своей природе довольно сильно отличается от стабильности атома или кристалла. В биологии идет речь о стабильности процесса или функции, а не о стабильности формы. Поэтому квантово-механические законы играют в биологических процессах весьма важную роль.

Методы изучения материи

Специалисты имеют ряд методов, для того, чтобы на квантовом уровне достичь определенного понимания понятия «материя». Для этого ни используют космическое излучение. Электромагнитные поля на поверхности звезд, которые простираются на огромные пространства, при особых условиях могут ускорить заряженные атомные частицы, электроны и атомные ядра. Ускорение при благоприятных условиях происходит еще в переменных магнитных полях между звездами. Результаты воздействия могут быть исследованы на новом уровне.

Другая особенность в познании строения материи состоят в экспериментах, проводимых на установках ускорителей частиц. Циклотроны способны под огромным напряжением концентрировать сильное магнитное поле заряженными атомными частицами. Их принуждают многократно вращаться по кругу, дополнительное ускорение придается электрическим полем.

В ходе экспериментов, кроме трех основных строительных элементов материи, были открыты новые элементарные частицы. Они порождались в этих происходящих при высоких энергиях столкновениях, но на предельно короткие промежутки времени, однако их удавалось зафиксировать научным способом, что подтверждает правильность использования квантового метода мышления, который был введен в обращение около века назад. Новые элементарные частицы имеют свойства, похожие на характеристики уже известных протонов, нейтронов и электронов.

Замечание 2

Основным элементом, который существенно отличает их от остальных, является крайняя нестабильность. Наиболее стабильные частицы способны существовать рекордно малое время. Их жизнь длится примерно миллионную долю секунды.

Проведенные таким образом эксперименты при помощи космического излучения или очень больших ускорителей, выявили новые интересные черты материи. Полученные интересные результаты пока никак не могут ответить на главнее вопросы строения всей Вселенной, состоящей из материи. Некоторые ученые считают, что они уводят в сторону от идей о единстве материи, однако приближает к разгадке этой тайны. Благодаря согласованию экспериментов в области элементарных частиц наивысших энергий с математическим анализом их результатов можно будет прийти к полному пониманию единства материи.

spravochnick.ru

---

• 
  Квантум брейк актеры
• 
  Квантовый человек книга
• 
  Квантовая запутанность видео
• 
  Квантовая математика что это
• 
  Квантовое пространство
• 
  Первый высказал предположение о квантовой природе света
• 
  Квантовый дуализм
• 
  Квантовое шифрование
• 
  Эксперимент с двумя щелями квантовая физика
• 
  Квантовая теория поля для чайников
• 
  Принцип причинности в квантовой механике