Квантоны как объекты познания и «вещи в себе» (Некоторые эвристические точки зрения)

«Ощущение тайны – наиболее прекрасное из доступных нам переживаний. Именно это чувство стоит у колыбели истинного искусства и науки».  (А. Эйнштейн)

Две тысячи пятый год объявлен в Украине годом физики. Это дает повод «оглянуться назад» и поразмышлять «в стиле ретро», но с позиций современных достижений физики. Современная физика является теоретической основой научно-технического прогресса.

Сто пять лет назад ни сам Макс фон Планк, ни другие выдающиеся физики не осознавали глубокого значения понятия «квант» (порция энергии при дискретном ее изменении). Для Планка квант был всего лишь средством, позволившим «угадать», какой должна быть формула, дающая удовлетворительное согласие с экспериментальной кривой излучения абсолютно черного тела. В  1919 году Планк был удостоен Нобелевской премии по физике «в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии». Оценивая значение открытия Планка, Альберт Эйнштейн писал: «Это открытие стало основой для всех исследований в физике 20-го века и с этого времени почти полностью обусловило ее развитие».  За четверть века начала двадцатого столетия квантовая теория была создана. Но отношение к ней великих ученых не было однозначным. «Послушаем» их через годы прошедшего двадцатого века.

* 1913 год. А. Эйнштейн: «Если это правильно, то это означает конец физики как науки».

* 1920 год. Х. Крамерс: «Теория квантов подобна другим победам в науке: месяцами вы улыбаетесь им, а затем годами плачете».

* 1920 год. В. Гейзенберг: «Пусть это и безумие, но в нем есть метод».

*1923 год. Х. Лоренц: «Все это красиво и крайне важно, но, к сожалению, не очень понятно».

*1925 год. В. Паули: «Физика снова зашла в тупик, во всяком случае для меня она слишком трудна, и я предпочел бы быть комиком в кино или кем-нибудь вроде этого и не слышать ничего о физике».

*1926 год. А. Эйнштейн: «К квантовой механике я отношусь восторженно-недоверчиво».

*1928 год. А. Эйнштейн: «Философия успокоения Гейзенберга-Бора (или религия?) так тонко придумана, что предоставляет верующему до поры до времени мягкую подушку, с которой его не так легко спугнуть. Пусть спит»

*1944 год. А. Эйнштейн: «Большой первоначальный успех квантовой теории не может заставить меня поверить в лежащую в основе всего игру в кости. «Бог не играет в кости» – Эту фразу он повторял неоднократно до конца своей жизни.

*1951 год. А. Эйнштейн (за четыре года до своей кончины): «Все эти пятьдесят лет бесконечных размышлений ни на йоту не приблизили меня к ответу на вопрос: что же такое кванты света? В наши дни любой мальчишка воображает, что это ему известно. Но он глубоко ошибается…»

Вот ситуация, которая наводит на размышления. Идея гармонии мира и его красоты послужила мощным стимулом для научных поисков и теоретических исследований Эйнштейна. Своими работами он неизмеримо расширил и углубил эту гармонию. Но в какой-то период его научного творчества страстная приверженность этой гармонии помешала учёному воспринять новые идеи в квантовой физике на уровне убеждений.

Современная квантовая механика – это физико-математическая теория, которая даёт схему вычислений физически измеримых характеристик атомных явлений. Вместе с тем наука призвана дать нам и правдоподобную картину мира. Сделать это только с формулами и числами не представляется возможным. Необходимо создать ещё и образы объектов (в том числе и квантонов!), а также понятия, им соответствующие. Особенно важно это для тех, кто не знает и не понимает формул квантовой механики. Для таких познающих субъектов язык образов и понятий – единственный способ иметь научные представления о реальности! А какова эта реальность?

В 1902-1904 г.г. У. Томсон (лорд Кельвин) развивал теорию «вихревого атома». Согласно этой теории атом – «кекс» мог принимать различные формы. Как доказывал Кельвин, атомы подобны кольцам дыма, выпускаемых опытным курильщиком.

В 1905 году ректор Мюнхенского университета Фердинанд Линдеман придерживался оригинальной точки зрения, утверждая, что атом кислорода имеет форму кольца, а атом серы – форму лепёшки.

Абсолютное большинство физиков придерживалось планетарной модели атома, а  после  научных исследований Резерфорда и Бора эта модель стала общепринятой. И никто даже не вспоминает о теории «вихревого атома» Кельвина и о «кольцах-лепёшках» Линдемана. А зря!

Объёмные изображения атома водорода в различных состояниях возбуждения с определёнными квантовыми числами, построенные по функциям плотности электронного облака, вычисленным с помощью уравнения Шрёдингера, дают именно такие причудливые формы орбиталей, напоминающие образы атомов Кельвина и Линдемана! Реальность такова, что образ атома представляется различными формами: сфера, гантель, тор, тор со сферой внутри, тор с двумя сферами, тор с гантелью и т.п.! Форма возбуждённых атомов отличается от сферической тем больше, чем сильнее атом возбуждён. Возбуждая атом, мы затрачиваем энергию на перестройку «электронного облака». Оно может принимать различные конкретные формы в зависимости от строго определённых порций затраченной энергии.

Формы «электронных облаков» в сложных атомах в целом не очень отличаются от форм, рассчитанных для атома водорода. Но рассчитать эти формы не так-то просто. Это удалось только после работ Владимира Александровича Фока и Дугласа Хартри. Задача Хартри-Фока очень сложная и может быть решена только с помощью мощных вычислительных машин.

Всё это относится к исследованиям «электронного облака» в атоме. А ядро? Вот общепринятая точка зрения: ядро атома состоит из нуклонов, которые бывают в двух состояниях – протоны и нейтроны. Однако давайте применим принцип неопределённостей Гейзенберга, например, к протону в ядре, размер которого порядка одного ферми. Тогда неопределённость положения протона должна быть меньше этой величины. Если это так, то в соответствии с соотношением неопределённостей неточность протона в ядре соизмерима со скоростью света, что, естественно, абсурдно: неточность в оценке скорости больше самой скорости?! И обратно, если принять неопределённость скорости протона в «разумных пределах», тогда неопределённость его положения в ядре выходит «за рамки разумного»!? Напрашивается эвристический вывод: нуклонная структура ядра в явном виде «не просматривается»! Таким образом ядро – это своеобразная «вещь в себе», если следовать терминологии И. Канта.

Протонно-нейтронная модель ядра приемлема, что проявляется во многих опытах и используется в теориях! Можно принять эвристическую точку зрения:  протонно-нейтронная структура ядра имеет место только потенциально, а актуально проявляется только при определённых взаимодействиях!

Аналогичным образом принцип неопределённостей Гейзенберга «запретил» электрону в атоме иметь определённую траекторию движения!

В самом деле, поскольку размеры атома порядка одного ангстрема, то желательно неопределённость положения электрона в атоме иметь на порядок меньше. Оценим «потерю информации» об этом электроне. Для него h/2πm=0,0007 м2/с, тогда Δх ·Δν ≥ 0,0007м2. При ∆х=10-11м имеем ∆ν ≥7∙107м/с, что совершенно бессмысленно, так как неопределённость скорости больше самой скорости электрона в атоме. Если всё-таки попытаться взять скорость в разумных пределах, тогда мы потеряем информацию о месте, где он находится! Следовательно, понятие траектории электрона в атоме лишено физического смысла! Таким образом, электрон в атоме – это квантон, который проявляется достаточно необычно, своеобразно!

Каково «поведение» электрона? Оно полностью предопределяется физическими условиями, в которых он находится, и его внутренними физическими свойствами: инертностью, заряженностью и спиральностью! Мерами этих свойств являются физические величины: масса, заряд и спин. Физические свойства, с нашей точки зрения, таинственные, и в этом смысле электрон-квантон это «вещь в себе». А физические величины совершенно конкретны и определённы, и в этом смысле электрон – познаваемая физическая реальность!

В самом деле, чем принципиально отличаются заряженности электрона и позитрона? Что такое особенное есть в их внутренней структуре, что в экспериментах проявляется как наличие отрицательного и положительного зарядов? Мы считаем, что ответы на эти вопросы невозможно получить принципиально.

А теперь ещё раз обратимся к цитате А. Эйнштейна, к той её части, где сказано: «Все эти 50 лет бесконечных размышлений ни на йоту не приблизили меня к ответу на вопрос: что же такое кванты света?..» Не парадоксально ли, что автор фотонной теории фотоэффекта, удостоенный за это Нобелевской премии искренне признаётся в своём непонимании, что же такое фотон? Причём признаётся после открытия и создания теории эффекта Комптона, за что последний тоже получил Нобелевскую премию 1927 года. Это считается прямым доказательством существования фотона! Так считал и один из создателей квантовой теории Луи де Бройль. Тот самый де Бройль, о диссертации которого его научный руководитель Поль Ланжевен писал Эйнштейну: «Идеи диссертанта, конечно, вздорны, но развиты с таким изяществом и блеском что я принял диссертацию к защите». Итак Луи де Бройль: «Теория Комптона-Дебая так просто и изящно объяснила наиболее существенные особенности комптоновского рассеяния, что сразу стала ещё одним блестящим доказательством справедливости фотонной теории света».[1,98]. Так-то оно так, но эта теория, как и теория фотоэффекта, не ответила на вопрос: что же такое фотон? Читаем дальше того же Луи де Бройля: «Что касается квантовой теории, то о ней, я полагаю, читатель имеет более смутное представление. Правда, это и простительно, ведь кванты довольно загадочная вещь. Что касается меня, то я начал заниматься квантами, когда мне было около двадцати лет, и продолжаю изучать их в течение четверти века. И всё же я должен честно признаться, что если за всё это время я и добился несколько более глубокого понимания некоторых сторон этого вопроса, то я не могу ещё с полной уверенностью сказать, что таится под маской, скрывающей подлинное лицо квантов». И далее: «Сказанного здесь уже достаточно, чтобы показать читателю, как глубока и интересна квантовая теория… Именно поэтому квантовая физика представляет интерес не только для специалистов, она заслуживает внимание каждого культурного человека».[1,13].

После создания квантовой теории, в состав которой вошёл принцип неопределённостей Гейзенберга-Бора (1927 год) физическое содержание понятия «фотон» изменилось существенным образом.

Фотон характеризуется  энергией Е=hν и импульсом р=h/λ, т.е. для данного фотона его импульс строго определённая величина, так как h, ν, с – конкретны! Однако если частица характеризуется определённым значением импульса, то имеет место полная неопределённость её локализации в пространстве! Отсюда следует, что никакого пространственного деления электромагнитной волны на фотоны нет и быть не может!

Вместе с тем электромагнитная волна может иметь не произвольный, а строго определённый (дискретный) ряд значений энергии, причём минимальная порция этой энергии ΔЕ=hν. Чем больше частота излучения, тем эта порция больше! При взаимодействии электромагнитной волны с электронами вещества её энергия изменяется «порционно». Эту реальную физическую ситуацию можно представить в виде модели взаимодействия фотона, имеющего энергию hν с покоящимся электроном, так как его скорость значительно меньше скорости фотона. Именно в этом и состоит физический смысл понятия «фотон»! Фразы «поглощение» и «испускание» фотона означают, что энергия волны увеличивается или уменьшается на конкретную определённую величину!

Так как нет пространственного деления волны на фотоны, то фотон не есть частица в обычном понимании, как например, свободные электрон или протон. Это означает, что фотон – квазичастица! Его физическое содержание состоит в том, что он представляет собой возбуждённое состояние электромагнитного поля! Фотон – квант этого поля, проявляющийся при взаимодействиях!

Квазичастица-фотон представляет собой «наглядный» модельный образ и удобный метод исследования возбуждённых состояний сложных систем. Сложная задача о взаимодействии электронов вещества с имеющим дискретные уровни полем сводится к задаче о «соударении» частиц на основе законов сохранения! Реально электрон взаимодействует не с какой-то частицей (какой вообще нет), а с электромагнитным полем всей волны! Чрезвычайно сложное это взаимодействие сводится в модели к относительно простому взаимодействию частиц. Однако мы видим, что это достаточно сложная простота!

Теперь посмотрим на электромагнитную волну, вернее на её «картинку» с другой эвристической точки зрения. В теоретической физике утверждается, что в плоской электромагнитной волне имеются взаимосвязанные волны напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля. При этом изменения векторов, характеризующих эти поля, происходят синфазно. Мгновенная плотность энергии электромагнитного поля периодически во времени и пространстве может принимать нулевые и максимальные значения. Этим допускается невыполнение закона сохранения энергии поля. Успокоительным фактом является то, что закон сохранения энергии выполняется   в среднем, т.е. за период. Однако такая позиция была в своё время признана несостоятельной [2]. А в фундаментальном труде по теоретической физике [3] проблема фазовых соотношений между векторами напряжённости электрического поля и индукции магнитного поля вообще не обсуждается.

Мы не видим, что же «мешает» считать ненулевой разность фаз между вышеупомянутыми векторами, а считать её равной π/2. Тогда эти векторы будут со временем изменяться так, что плотность энергии поля волны окажется сохраняющейся! При этом наше научное сознание не будет испытывать дискомфорта. Это гармонически будет согласовано с распределением энергии в бегущей электромагнитной волне, где имеет место закон превращения энергии электрического поля в энергию магнитного поля и наоборот при сохранении полной энергии электромагнитного поля волны.

При таком подходе ещё в большей степени затрудняется пространственное деление электромагнитной волны на фотоны.

Квазичастица-фотон движется только со скоростью «с» в вакууме. Это означает, что фотон это принципиально релятивистский объект! Энергия фотона и его импульс выражаются формулами, в которые входит постоянная Планка, как своеобразная «метка» квантовых объектов. Таким образом фотон -принципиально квантовый объект!

В отличие от фотона электрон может рассматриваться как в нерелятивистском, так и в неквантовом, т.е. в классическом приближении. Исходя из этого, фотон – квант поля, а электрон – настоящая, «порядочная и честная» частица!

Однако в ультрарелятивистском приближении энергия электрона Е=рс, т.е. такая же, как и у фотона. Это означает, что в этом случае «стирается» различие между полевыми частицами и частицами вещества. При Е»m0с2 энергетически не запрещено рождение частиц вещества из поля и превращение «вещественных» частиц в полевые. Всё это блестяще подтверждено экспериментально!

При анализе сильных взаимодействий соотношение неопределённостей в энергетической форме для ультрарелятивистского случая даёт интересный результат: ΔрΔť≥ћ/с. Это означает, что в этом случае нельзя детально рассматривать взаимодействие частиц. Малая продолжительность акта взаимодействия порождает невозможность «следить» за импульсами взаимодействующих частиц. Отказ от понятия взаимодействия лишает смысла вопрос о существовании «составных» и истинно элементарных частиц, так как составную частицу невозможно построить без рассмотрения взаимодействий. В результате в рамках релятивистских квантовых представлений все частицы выступают как «равноправные». В такой системе как протон-электрон (атом водорода) отношение энергии связи к собственной энергии электрона порядка 10-5 , и о связанном электроне имеет смысл говорить как о самостоятельном объекте. А вот для протон-пионной системы, которая живёт 10-23 секунды, отношение энергии связи к собственной энергии пиона порядка единицы. Таким образом система «протон-пион» (это один из резонансов) в такой же степени элементарна, как и протон и пион, отдельно взятые.

Некоторые другие эвристические точки зрения рассматривались нами ранее и докладывались на Международной научно-практической конференции [4].

Итоги. Кванты представляют собой субстанции, т.е. первичные «кирпичики мироздания». Они обладают соответствующими атрибутами, которые постулируются на основе их внешних проявлений. Объяснение наличия этих внутренних свойств принципиально невозможно. Мы принципиально не можем объяснить, чем же объясняются «внутренности», например, электрона и позитрона, что их заряды проявляются как отрицательные и положительные, т. е. разные. Мы уже добрались до первооснов материи и дальнейшее продвижение «вглубь» стало невозможным. Таким образом  И. Кант был прав, утверждая наличие «вещей в себе», и критику Ленина в этом отношении следует признать несостоятельной. Вместе с тем слова Ленина о том, что «Электрон также неисчерпаем, как и атом…», необходимо признать в отношении внешних проявлений, но не «внутренней начинки» электрона.

Инертность, заряженность и спиральность квантонов дают основания считать, что квантоны – «вещи в себе». А масса, заряд и спин, как внешнее проявление внутренних свойств квантонов – это конкретные, строго определённые меры этих свойств. И в этом смысле квантоны – объекты познания.

Вот ещё одна эвристическая точка зрения. Если заряд и спин лоренц – инвариантные величины, то и масса должна быть лоренц – инвариантной величиной. Однако в современной физике имеет место масса «недоразумений» с массой [5 -7], но эту проблему мы пока обсуждать не будем.

Нам представляются оригинальными и такие точки зрения на развитие современной физики:

*Пространственно-временной континуум является лишь ареной проявления частиц и полей, которые «чужие» для геометрии. Их необходимо было бы добавить к геометрии, чтобы стало возможным вообще вести разговор о физике.

*В мире нет ничего, кроме пустого искривлённого пространства. Материя, заряд, электромагнитное поле и другие поля являются только проявлением искривлённого пространства. Физика есть геометрия. [8,218].

ЛИТЕРАТУРА    

  1. Луи де Бройль. Революция в физике (Новая физика и кванты). – М. : Атомиздат,1965.
  2. Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. – М.: Наука, 1985.
  3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля. – М. :Наука, 1967.
  4. Проказа А. Т., Беляев Б. В., Певный Е. М. О содержании учебного материала по физике на основе оптимистического прогнозирования. // Зб. наук. праць Кам’янець-Подільського державного університету. – Кам’янець-Подільський,- 2003. – с. 40-41.
  5. Храпко Р. И. Успехи физических наук, 2000. – Т. 170,N 4. –с. 1363.
  6. Окунь Л. Б. Успехи физических наук, 2000. – Т. 170, N4. – с. 1366.
  7. Смульский И. И. Электромагнитное и гравитационное воздействие. – Новосибирск: ВО «Наука»,1994.
  8. Уилер Дж. Гравитация, нейтрино и Вселенная. – М. :Наука,1962.
Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.