Наука - Физика
ому положению вещей. Именно
эта противоречивость и обусловливает вероятность квантовой теории. Понятия
классической физики составляют важную составную часть естественного языка.
Если мы не будем использовать этих понятий для описания проводимых
экспериментов, то мы не сможем понять друг друга.
Идеалом классической физики является полная объективность знания. Но в
познании мы используем приборы, а тем самым, как говорит Гейнзерберг, в
описание атомных процессов вводится субъективный элемент, поскольку прибор
создан наблюдателем. "Мы должны помнить, что то, что мы наблюдаем, - это не
сама природа, а природа, которая выступает в том виде, в каком она
выявляется благодаря нашему способу постановки вопросов научная работа в
физике состоит в том, чтобы ставить вопросы о природе на языке, которым мы
пользуемся, и пытаться получить ответ в эксперименте, выполненном с помощью
имеющихся у нас в распоряжении средств. При этом вспоминаются слова Бора о
квантовой теории: если ищут гармонии в жизни, то никогда нельзя забывать,
что в игре жизни мы одновременно и зрители, и участники. Понятно, что в
нашем научном отношении к природе наша собственная деятельность становится
важной там, где нам приходится иметь дело с областями природы, проникнуть в
которые можно только благодаря важнейшим техническим средствам"[15]
Классические представления пространства и времени также оказалось
невозможным использовать для описания атомных явлений. Вот что писал по
этому поводу другой создатель квантовой теории: "существование кванта
действия обнаружило совершенно непредвиденную связь между геометрией и
динамикой: оказывается, что возможность локализации физических процессов в
геометрическом пространстве зависит от их динамического состояния. Общая
теория относительности уже научила нас рассматривать локальные свойства
пространства-времени в зависимости от распределения вещества во Вселенной.
Однако существование квантов требует гораздо более глубокого преобразования
и больше не позволяет нам представлять движение физического объекта вдоль
определенной линии в пространстве-времени (мировой линии). Теперь нельзя
определить состояние движения, исходя из кривой, изображающей
последовательные положения объекта в пространстве с течением времени.
Теперь нужно рассматривать динамическое состояние не как следствие
пространственно-временной локализации, а как независимый и дополнительный
аспект физической реальности"[16]
Дискуссии по проблеме интерпретации квантовой теории обнажили вопрос о
самом статусе квантовой теории - является ли она полной теорией движения
микрочастицы. Впервые вопрос таким образом был сформулирован Энштейном. Его
позиция получила выражение в концепции скрытых параметров. Эйнштейн исходил
из понимания квантовой теории как статистической теории, которая описывает
закономерности, относящиеся к поведению не отдельной частицы, а их
ансамбля. Каждая частица всегда строго локализована, одновременно обладает
определенными значениями импульса и координаты. Соотношение
неопределенностей отражает не реальное устройство действительности на
уровне микропроцессов, а неполноту квантовой теории - просто на ее уровне
мы не имеем возможности одновременно измерять импульс и координату, хотя
они в действительности существуют, но как скрытые параметры (скрытые в
рамках квантовой теории). Описание состояния частицы с помощью волновой
функции Эйнштейн считал неполным, а потому и квантовую теорию представлял в
виде неполной теории движения микрочастицы.
Бор в данной дискуссии занял противоположную позицию, исходящую из
признания объективной неопределенности динамических параметров микрочастицы
как причины статистического характера квантовой теории. По его мнению,
отрицание Энштейном существования объективно неопределенных величин
оставляет необъясненным присущие микрочастице волновые черты. Возврат к
классическим представлениям движения микрочастицы Бор считал невозможным.
В 50-х гг. ХХ века Д.Бом вернулся к концепции волны-пилота де Бройля,
представив пси-волну в виде реального поля, связанного с частицей.
Сторонники копенгагенской интерпретации квантовой теории и даже часть ее
противников позицию Бома не поддержали, однако она способствовала более
углубленной проработке концепции де Бройля: частица стала рассматриваться в
виде особого образования, возникающего и движущегося в пси-поле, но
сохраняющего свою индивидуальность. Работы П.Вижье, Л.Яноши,
разрабатывавших данную концепцию, были оценены многими физиками как
слишком "классичными".
В отечественной философской литературе советского периода копенгагенская
интерпретация квантовой теории была подвергнута критике за "приверженность
к позитивистским установкам" в трактовке процесса познания. Однако рядом
авторов отстаивалась справедливость копенгагенской интерпретации квантовой
теории.[17] Смена классического идеала научного познания неклассическим
сопровождалась пониманием того, что наблюдатель, пытаясь построить картину
объекта, не может отвлечься от процедуры измерения, т.е. исследователь
оказывается не в состоянии измерять параметры изучаемого объекта такими,
какими они были до процедуры измерения. В.Гейзенберг, Э.Шредингер и П.Дирак
положили принцип неопределенности в основу квантовой теории, в рамках
которой частицы уже не имели определенных и не зависящих друг от друга
импульса и координат. Квантовая теория, таким образом, внесла в науку
элемент непредсказуемости, случайности. И хотя Эйнштейн не смог согласиться
с этим, квантовая механика согласовывалась с экспериментом, а потому стала
основой многих областей знания.
е) Квантовая статистика
Одновременно с развитием волновой и квантовой механики развивалась другая
составная часть квантовой теории - квантовая статистика или статистическая
физика квантовых систем, состоящих из большого числа частиц. На основе
классических законов движения отдельных частиц была создана теория
поведения их совокупности - классическая статистика. Аналогично этому на
основе квантовых законов движения частиц была создана квантовая статистика,
описывающая поведение макрообъектов в случаях когда законы классической
механики не применимы для описания движения составляющих их микрочастиц - в
данном случае квантовые свойства проявляются в свойствах макрообъектов.
Важно иметь в виду, что под системой в данном случае понимаются лишь
взаимодействующие друг с другом частицы. Квантовая система при этом не
может рассматриваться как совокупность частиц, сохраняющих свою
индивидуальность. Иными словами, квантовая статистика требует отказа от
представления различимости частиц - это получило название принципа
тождественности. В атомной физике две частицы одной природы считались
тождественными. Однако эта тождественность не признавалась абсолютной. Так,
две частицы одной природы можно было различать хотя бы мысленно.
В квантовой статистике возможность различить две частицы одинаковой
природы полностью отсутствует. Квантовая статистика исходит из того, что
два состояния системы, которые отличаются друг от друга лишь перестановкой
двух частиц одинаковой природы, тождественны и неразличимы. Таким образом,
основное положение квантовой статистики - принцип тождественности
одинаковых частиц, входящих в квантовую систему. Этим квантовые системы
отличаются от классических систем.
Во взаимодействии микрочасти важная роль принадлежит спину - собственному
моменту количества движения микрочастицы. (В 1925 г. Д.Уленбеком и
С.Гаудсмитом впервые было открыто существование спина у электрона). Спин д
электронов, протонов, нейтронов, нейтрино и др. частиц выражается полуцелой
величиной, у фотонов и пи-мезонов - целочисленной величиной (1 или 0). В
зависимости от спина микрочастица подчиняется одному из двух разных типов
статистики. Системы тождественных частиц с целым спином (бозоны)
подчиняются квантовой статистике Бозе-Эйнштейна, характерной особенностью
которой является то, что в каждом квантовом состоянии может находиться
произвольное число частиц. Данный тип статистики был предложен в 1924 г.
Ш.Бозе и затем усовершенствована Энштейном). В 1925 г. для частиц с
полуцелым спином (фермионов) Э.Ферми и П.Дирак (независимо друг от друга)
предложили другой тип квантовой статики, получивший имя Ферми-Дирака.
Характерной особенностью этого типа статики является то, что в каждом
квантовом состоянии может находиться произвольное число частиц. Это
требование называется принципом запрета В.Паули, который был открыт в 1925
г. Статистика первого типа подтверждается при исследовании таких объектов,
как абсолютно черное тело, второго типа - электронный газ в металлах,
нуклоны в атомных ядрах и т.д.
Принцип Паули позволил объяснить закономерности заполнения электронами
оболочек в многоэлектронных атомах, дать обоснование периодической системе
элементов Менделеева. Этот принцип, выражает специфическое свойство частиц,
которые ему подчиняются. И сейчас трудно понять, почему две тождественные
частицы взаимно запрещают друг другу занимать одно и то же состояние.
Подобного типа взаимодействия в классической механике не существует. Какова
его физическая природа, каковы физические источники запрета - проблема,
ждущая разрешения. Сегодня ясно одно: физическая интерпретация принципа
запрета в рамках классической физики невозможна.
Важным выводом квантовой ста
| |  скачать работу |
Наука - Физика |
