Квантовая механика

В рамках исследования строения и закономерностей микромира – что и является предметом современной квантовой механики – также существует проблемы, которые имеют значение в рамках философского знания.

1. Каким закономерностям подчиняются и что из себя представляют объекты микромира по сравнению с привычными объектами макро- и мегамира;

2. Насколько приемы и методы познания, апробированные в рамках исследования «большого» мира могут быть использованы для изучения микромира.

Задолго до появление классического естествознания, еще в рамках античной натурфилософии сформировалось два подхода к описанию явлений природы: корпускулярный и континуальный. Согласно корпускулярной концепции (самый известный сторонник этой концепции – Демокрит) все стоит из мельчайших неделимых частиц (атомов) и пустоты (пространства). Отдельные невидимые атомы двигаются в пустоте и иногда образуют более-менее устойчивые соединения. Так возникают большие, видимы тела. По прошествии некоторого времени эти соединения разрушаются, видимы тела исчезают, и опять остаются одни атомы и пустота. Затем атомы объединяются вновь и тем самым создаются новые тела.

Согласно континуальной концепции, основой всего является некая непрерывная субстанция, которая не имеет определенных границ и заполняет собою все пространство. Пустоты, с точки зрения этой концепции, не существует. Например, античный философ Фалес учил, что все в мире состоит из воды, все является ее состояниями: пар и воздух – это разряженная вода, а лед и другие твердые тела – это вода, которая застыла и затвердела.

В Новое время проблема корпускулярности и континуальности возникла вновь в связи с интерпретацией природы света. Согласно взглядам, которых придерживался И. Ньютон, свет – это поток «световых частиц» или корпускул, которые движутся в пустом пространстве. Ньютону возражал Х. Гюйгенс, который считал, что свет – это движение волн в эфире. В начале XIX в. в оптике были открыты характерные для волн явления дифракции и интерференции, после чего доминирующей стала волновая концепция света. В частности, Т. Юнг экспериментально показал, что при прохождении света через систему близкорасположенных малых отверстий в непрозрачном экране свет ведет себя не как прямолинейно распространяющиеся лучи, а как взаимодействующие волны, в результате чего на поверхности, расположенной за экраном, возникает интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос. О. Френель также представил теоретические доказательства, согласно которым свет – это распространяющиеся колебания или волна. Дело в том, что волны движутся совсем не так как твердые материальные частички или атомы.

В случае столкновения с непроницаемым препятствием в соответствии с третьим законом Ньютона частицы должны останавливаться или двигаться в противоположном направлении. Волны же способны огибать препятствия (это и есть дифракция) и накладываться друг на друга (в этом смысл интерференции). Согласно аргументам Френеля, в центре тени от круглого препятствия, на которое подает свет, должно наблюдаться светлое пятно. Этот факт был зарегистрирован экспериментально. Появление светлого пятна в центре тени противоречит третьему закону Ньютона, но может быть объяснено с позиции волновых представлений о природе света, в как следствие дифракции и интерференции световых волн.

Кроме оптики, континуальная концепция получила распространения в связи с исследованием электромагнитных явлений. В начале XIX в. было установлено, что между электричеством и магнетизмом существует связь. Х. Эрстед обнаружил, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, а Фарадей показал, что магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Позднее было показано родство электромагнитных, оптических и тепловых явлений. Опираясь на эти факты, Майкл Фарадей высказал интересные мысли о природе материи. Он возражал против атомистического взгляда на строение вещества: наличие атомов и пустого пространства между ними. Вместо этого Фарадей предложил считать исходным материальным образованием не атомы, а поле. Материя, по Фарадею, занимает все пространство и ее основные характеристики – силы притяжения и отталкивания. Атомы же – лишь сгустки силовых линий поля или центры этих сил.

В конце XIX в. в физике существовало представление, что существуют два вида материи: неделимые частички или атомы, которые обладают массой покоя, и электромагнитное поле, которое четко не локализовано в пространстве, но которое является переносчиком волновых электромагнитных взаимодействий. Кроме этого полагали, что законы классической механики носят универсальный характер и пригодны для описания любых явлений природы, в том числе относящихся к области микромира.

На рубеже XIX и XX вв. в физике были сделаны открытия, которые привели к коренному пересмотру основных принципов классического естествознания. В частности, было открыто явление радиоактивности или превращение атомов различных элементов друг в друга. Это открытие показало ошибочность представлений об атоме как мельчайшей неделимой частице вещества. Было установлено, что атом имеет сложную структуру и состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые вращаются вокруг него.

В результате расчета взаимодействия электронов и ядра в атоме было установлено, что вращающиеся вокруг ядра электроны при излучении ими электромагнитных волн ультрафиолетового диапазона должны терять энергию и вследствие этого падать на ядро. Из этого следовало, что в процессе взаимодействия света с веществом вся энергия должна перейти от вещества к электромагнитному полю. Это явление получило название «ультрафиолетовой катастрофы». Выводы о возможности ультрафиолетовой катастрофы следовали из расчетов, но противоречили наблюдениям.

Было открыто явление фотоэффекта, который состоит в том, что металлы при действии на них света испускают электроны. Объяснить фотоэффект, исходя из волновой теории света, невозможно, так как согласно этой теории, энергия электронов, которые испускает металл, должна быть пропорциональна интенсивности падающего света. В действительности же энергия электронов не зависит от интенсивности света, а зависит от его частоты. Из этого следует, что свет может вести себя подобно частицам, энергия которых пропорциональна частоте излучения.

Д.И. Менделеев установил периодическую (т.е. дискретную) зависимость химических свойств элементов от зарядов их атомов. Периодический характер этой зависимости невозможно было объяснить с точки зрения классической физики.

Таким образом, на рубеже XIX – XX вв. было накоплено большое количество фактов, которые не могли быть удовлетворительно объяснены в рамках классической физики.

В конце XIX в. считалось, что свет представляет собой волну или колебание электромагнитного поля. Однако решение проблемы ультрафиолетовой катастрофы и интерпретация фотоэффекта вновь вернули к жизни представления о свете как частице. Как мы уже заметили, проблема ультрафиолетовой катастрофы состояла в том, что при взаимодействии вещества с электромагнитным полем вся энергия должна перейти к последнему.

Макс Планк установил, что проблема ультрафиолетовой катастрофы может быть снята, если считать, что энергия совершающих колебания электронов имеет не непрерывный, а дискретный набор значений. Согласно Планку: W = hω × n, где W – энергия электронов, h – постоянная Планка, ω – частота собственных колебаний атома, n = 0, 1, 2, 3 … – целое число. При этом частота колебаний ω и длина волн λ связаны соотношением λ × ω = c, где с – скорость света. Из этой формулы видно, что чем меньше длина волны, тем больше частота колебаний и энергия электронов. Пытаясь объяснить физический смысл этой формулы, Планк предположил, что обмен энергией между веществом и электромагнитным излучением происходит дискретными порциями или «квантами». Сначала это предположение было отвергнуто, так как считалось, что все физические процессы протекают непрерывно и, следовательно, величина энергии может изменяться тоже только непрерывно. Считалось, что понятие квантов в лучшем случае может быть использовано для описания взаимодействия между полем и веществом, что это лишь объяснительный прием, но в действительности нет ничего, что соответствовало бы понятию квантов.

Гипотезой квантов воспользовался А. Эйнштейн для объяснения фотоэффекта. Согласно Эйнштейну, свет представляет собой поток частиц – фотонов, величина энергии которых зависит от частоты электромагнитного излучения. Соответственно, поле – это совокупность фотонов, которые возникают и исчезают при излучении и поглощении света. Концепция фотонов – это корпускулярная модель света. Она позволяет хорошо объяснить явление фотоэффекта, но плохо применима для объяснения интерференции и дифракции.

Таким образом, существуют опыты по интерференции и дифракции, в которых проявляется волновая природа света. С другой стороны, опыты по фотоэффекту и измерению светового давления говорят в пользу корпускулярной природы электромагнитного излучения. В связи с этим возникает вопрос: какова же действительная природа электромагнитных явлений? Ответ, который можно получить на современном уровне развития естествознания, звучит так: поскольку в зависимости от характера опыта проявляется то одна, то другая сторона явления, то обе они и составляют его сущность. То есть, электромагнитное излучение (например, видимый свет) имеет как волновую, так и корпускулярную природу. Такое утверждение и называется «корпускулярно-волновым дуализмом».

Следует заметить, что вследствие волновой природы микрочастицы не имеют точного местоположения (не локализованы в пространстве с такой точностью, чтобы можно было определить их координаты X, Y, Z классическим способом). В частности, соизмерение длины волны движущегося в атоме электрона с размерами самого атома не позволяют рассматривать электрон как точку, движущуюся по строго определенной траектории. Его следует считать как бы волной, распределенной по всему атому. Электрон в атоме представляет собой не движущийся точечный заряд, а заряд, распределенный по всем объему и имеющий некоторую «плотность», величина которой – это соотношений силы заряда к объему.

Представление об объектах микромира как о том, что обладает корпускулярной и волновой природой, лежит в основе одного из главных принципов квантовой механики – принципа неопределенности. Согласно принципу неопределенности, который сформулировал Вернер Гейзенберг, невозможно одновременно точно определить местоположение частицы и ее импульс. Чем точнее определяется местоположение или координата частицы, тем более неопределенным становится ее импульс. И наоборот, чем точнее определен импульс, тем более неопределенным остается местоположение объекта микромира.

Принцип неопределенности можно проиллюстрировать при помощи следующего мысленного эксперимента. Для того чтобы определить местоположение электрона, его надо осветить, то есть направить на него фотон. В случае столкновения двух элементарных частиц мы сможем точно рассчитать координаты электрона (определяется место, где он был в момент столкновения). Однако вследствие столкновения электрон неизбежно изменит свою траекторию, так как в результате столкновения ему будет передан импульс от фотона. Поэтому если мы точно определим координату электрона, то одновременно лишимся знания о траектории его последующего движения.

Из соотношения неопределенности следует, что законы классической механики Ньютона не могут использоваться для описания процессов с участием микрообъектов, что означает отказ от детерминированности в смысле Лапласа и признание принципиальной роли случайности в процессах с участием микрообъектов. В рамках классической физики понятие случайности используется для описания поведения большого числа элементов и является лишь сознательной жертвой полноты описания в пользу упрощения решения задачи. В микромире же точный прогноз поведения объектов вообще невозможен. Следует подчеркнуть, что принцип неопределенности не связан с какими-то недостатками в конструировании измерительных приборов. Принципиально невозможно создать прибор, который одинаково точно измерил бы координату и импульс микрочастицы.

Принцип неопределенности является частным случаем более общего по отношению к нему принципа дополнительности. Из принципа дополнительности следует, что если в каком-либо эксперименте мы можем наблюдать одну сторону физического явления, то одновременно, мы лишены возможности наблюдать другую, дополнительную к первой, сторону явления. Дополнительными свойствами, которые проявляются только в разных опытах, проведенных при взаимно исключающих условиях, могут быть положение и импульс частицы, волновой и корпускулярный характер вещества или излучения.

Следует заметить, что из принципа неопределенности также следует, что в квантовой механике отвергается постулируемая в классическом естествознании принципиальная возможность выполнения таких измерений и наблюдений объектов и происходящих с ними процессов, которые не влияют на эволюцию изучаемой системы.

Что касается соотношений теорий квантовой и классической механик, то по этому поводу можно заметить следующее. Согласно идеям Л. де Бройля волновыми свойствами обладают все без исключения объекты, в том числе и те, которые принадлежат области макромира. Однако объекты макромира обладают очень большой массой, в силу чего волновые свойства объектов макромира крайне незначительны. Согласно современным представлениям, классическая физика макромира – это частный случай физики микромира и уравнения последней могут быть использованы для описания макромира. Поэтому несмотря на всю оригинальность и необычность, идеи, развитые М. Планком, А. Эйнштейном и Л. де Бройлем и другими учеными находятся вполномсоответствии с законами классического естествознания, так как они удовлетворяют требованию принципа соответствия, который гласит, что любая теория, претендующая на новое описание реальности и на более широкую область применения, должна включать в себя старую и проверенную теорию как частный или предельный случай.

Следует заметить, что, рассматривая квантовую механику, часто обращают на два момента, которые имеет большое значение в рамках теории познания:

1. Картина реальности, которая согласно положениям этой теории существует на уровне микромира, не согласуется с обычными представлениями, которые доступны сознанию человека и которые релевантны для области макро- и мегамира;

2. Логика, которая следует из квантово-механической картины природы, значительно отличается от «естественной» логики, в рамках форм и закономерностей привык мыслить человек.

Дело в том, что объекты микромира – это такое «нечто», которое в действительности нельзя представить наглядно. В частности, хотя понятие «корпускулярно-волновой дуализм» известно сейчас практически всем, однако наглядно представить эту абстракцию фактически невозможно, так как в этом понятии совмещаются два разных представления. Одно – о корпускуле как относительно автономной частице, субстанции, которая имеет четко определенные границы, и другое – о волне как свойстве, атрибуте, колебании чего-либо. Попытка «собрать» два столь разных представлений в одно, видимо, немногим будет отличаться от попытки представить себе, допустим, «круглый квадрат», что сделать в принципе невозможно. Вследствие волновой природы микрочастицы не имеют точного местоположения и они не могут быть локализованы в пространстве с такой точностью, чтобы можно было определить их размеры. Поэтому, например, широко известная планетарная модель атома Резерфорда, хотя и является наглядной, однако в действительности она не дает адекватного представления об объектах микромира.

Изучение микромира выявило не только ограниченность и неполноту человеческой способности «представлять» реальность, но и поставило под сомнение его традиционную логику. Из принципов неопределённости и дополнительности следует, что обычная классическая логика Аристотеля не может служить логикой рассуждения о микрообъектах. Дело в том, что классическое исчисление высказываний применимо лишь к таким областям знания, в которых к каждому высказыванию может быть отнесено одно и только одно из двух значений истинности: «истинно» либо «ложно». В квантовой же механике это условие не выполняется. Например, относимая к макромиру конъюнкция высказываний «автомобиль А сейчас находится в Петербурге» и «автомобиль А сейчас едет в Москву со скоростью 60 км/ч» может быть истинной или ложной, но она в любом случае будет иметь смысл. Действительные события, которые происходят с этим автомобилем, могут быть (либо не быть) именно такими, как об этом говориться. И это можно проверить. Относимая к микромиру конъюнкция высказываний «частица А сейчас находится в точке пространства с координатами x, y, z» и «частица А сейчас движется к другой точке пространства с координатами x₁, y₁, z₁ со скоростью V» будет просто бессмысленной. Это объясняется тем, что в этом случае теряет смысл (становится принципиально неопределенным) одно из этих высказываний, так как в силу принципа неопределенности невозможно одновременно измерить импульс и координаты одной и той же частицы.

Из этого следует ограниченность применения в квантовой механике классической логики.

В отличие от искусственного языка науки основой для естественного человеческого языка и для его логики является видимый и осязаемый мир, который во многом состоит из точно локализованных в пространстве «твердых тел». Формализм классической логики Аристотеля во многом является отражением такого образа мира и, в значительной мере, предназначен для того, чтобы мысленно оперировать свойствами и отношениями в этом мире. Мир же квантовой механики совершенно иной, так как здесь нет ничего, чтобы могло соответствовать обычному миру «твердых тел». Поэтому то, по словам Гейзенберга, «в языке, соответствующем математическому формализму квантовой теории, уже нельзя опираться на классическую аристотелевскую логику».