Некоторые вопросы физики
Зададимся вопросом: «На каком основании строится утверждение квантовой физики о фундаментальном различии законов микро- и макромира?». Рассмотрим с этой точки зрения главные положения квантовой физики.
КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ.
Ну, уж конечно не это положение призвано обосновать упомянутые различия законов. По мысли Нильса Бора именно постулаты корпускулярно-волнового дуализма (далее «дуализма») были предназначены для объединения волновых и квантовых свойств природы при формировании единой картины мира. Для реализации цели объединения Н. Бор сформулировал принцип дополнительности, по которому противоречащие друг другу понятия или свойства объединяются в едином явлении, характеризуя его с различных сторон. Этот принцип оказался таким привлекательным, что стал использоваться и в философии [25].
В то же время термин «дуализм» считается наиболее трудным для понимания. Действительно представить, скажем, летящее пушечное ядро в виде волны, пусть и де Бройля можно, только если Вы обладаете очень «развитым» воображением. В то же время «дуализм» как идея оказался очень плодотворным. Попытаемся разобрать физический смысл этого понятия с помощью того же принципа дополнительности.
Каждый из нас легко может представить волну, наблюдая ее, например, на воде от брошенного камешка. То, что разбегающиеся по глади воды волны не переносят частицы воды, а только колеблют их, знает каждый и из школьных уроков по физике, и из собственного опыта. Бросьте на воду щепку, и она не куда не поплывет, а будет только подниматься и опускаться на волнах.
Уже здесь видно внутреннее противоречие: «Мы наблюдаем движущиеся волны, а частицы воды только колеблются в направлении, перпендикулярном вектору скорости распространения волн». Такую волну в физике называют поперечной волной. Если на пути нашей волны поставить какое-либо препятствие, то волна, ударившись об него, частично передаст энергию своего движения телу препятствия и начнет в нём распространяться тоже в виде волны, но только продольной, а частично отразившись обратно, образует сложную интерференционную картину с бегущей волной.
Обратим внимание на тот факт, что волна образовалась от летящего камня, но только в тот момент, когда он ударился о поверхность, то есть стал двигаться неравномерно (частицы воды в любом месте «бегущего» волнового фронта будут повторять первоначальное замедляющее движение камня).
Это очень важный момент. Мы видим, что волна по своей природе является как бы суммой двух процессов: колебательного (циклического) изменения какой-либо физической величины (электрической или магнитной напряженности, массы и т.д.) и равномерного движения в перпендикулярном направлении «виртуальной» величины (фазовой скорости). Но именно в направлении изменения фазовой скорости и переносится энергия волны. А в колебательном процессе происходит преобразование энергии из одного вида в другой (в нашем случае кинетической энергии в потенциальную и наоборот).
Интересно, что фазовая скорость волны зависит только от свойств среды, где волна распространяется, и остаётся неизменной до момента затухания волны (здесь очень наглядно иллюстрируется принцип неуничтожимости движения).
Интересно также, что именно эта комбинация слагаемых и позволяет с точки зрения формальной математики без изменения конечного результата поменять их местами. Тогда гребень волны можно представить движением какой-то массы воды, переносящей определённую энергию.
Вернёмся ещё раз к определению волны.
«Волны это изменения состояния среды (возмущения), распространяющиеся в этой среде и несущие с собой энергию…. Основное свойство всех волн, независимо от их природы, состоит в том, что в виде волн осуществляется перенос энергии без переноса вещества» (БСЭ). Но движение волны было бы невозможно, если частицы среды не были бы связаны друг с другом. Это понятно. Звуковая волна не может распространяться в пустоте. Потому что звуковая волна – это движение градиента концентрации вещества.
Как движется в пустоте электромагнитная волна? Вы скажите – это движение поля, то есть электрической и магнитной напряженности. Тогда ответьте на следующий вопрос. Существует электрическое или магнитное поле без электрических зарядов и магнитов? Вы ответите, статические поля нет, но динамические существуют!
Допустим, Вы правы. Однако в соответствии с квантовой теорией поля, при воздействии электрического поля на вакуум образуется электрон-позитронная пара (с поглощением фотона). Что это значит? А то, что вакуум не пустота и, по мнению учёных, «масса вакуума Вселенной во много раз превосходит массу материальных объектов». Но тогда свет распространяется не в пустоте, а также в среде-носителе, за счёт внутренних связей элементов среды (виртуальных частиц).
СТАЦИОНАРНЫЕ СОСТОЯНИЯ АТОМОВ.
По определению стационарное состояние атома – это состояние атома с определенной внутренней энергией, находясь в котором атом не излучает [82].
После блестящих экспериментов Э.Резерфорда атом стали представлять в виде планетарной модели. В центре расположили положительно заряженное ядро, где и содержится основная масса атома, а на значительном удалении (несколько порядков от размеров ядра) поместили вращающийся вокруг ядра отрицательный электрон. Однако такое представление движения электрона противоречило основным законам классической физики, согласно которым электрон должен был упасть на ядро. Поскольку в природе это не наблюдалось, Н.Бор предложил в виде постулата считать, что в атоме имеются орбиты, двигаясь по которым, электрон не теряет своей энергии, а значит и не падает на ядро. Такое предположение было в ранге постулата до тех пор, пока усилиями де Бройля и Э.Шрёдингера не стали представлять ускоренное движение электрона вокруг ядра в виде стоячей волны, которая, как известно и по «классике», и по законам квантовой физики не переносит энергию.
Таким образом, в понятии стационарных состояний не содержатся искомые нами различия.
ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ (В.ГЕЙЗЕНБЕРГА).
Здесь особенно бросается в глаза неоднозначность представлений принципа неопределенностей разными школами физиков. Так в энциклопедии [82] даётся следующая трактовка: «Любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты её центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные, точные значения».
Но сам В.Гейзенберг утверждал, что этот принцип квантовой теории имеет дело уже не непосредственно с природой, а с нашими знаниями о природе [83]. В качестве примера он приводил, в том числе наблюдение «живых клеток». Установление того факта, что «клетка является живой» исключает точное и полное знание условий, определяющих её физическую структуру. Для достижения такого полного знания было бы необходимо прибегнуть к столь сильным воздействиям (например, к рентгеновским лучам), что клетка в процессе наблюдения была бы разрушена.
Иногда соотношение неопределённостей связывают с принципом дополнительности. Так в работе [84] автор, обращаясь к трудам П.Флоренского и анализируя проблему кантовских антиномий, приходит к следующему выводу: «Мы можем предположить, что антиномия – это противоречащие друг другу высказывания об одном и том же, но делаемые в разных дополнительных ситуациях. Короче, можно сказать, что антиномия = дополнительность». Напомним также, что идея антиномии лежит и в основе доказательства знаменитой теоремы о неполноте формальных аксиоматических теорий (К.Гёдель -1931г.). В этом смысле соотношение неопределённостей, выраженное математическими формулами, есть запись теоремы Гёделя.
ПОНЯТИЕ УСТОЙЧИВОСТИ.
К числу наиболее фундаментальных и в то же время наименее упоминаемых понятий квантовой физики относится понятие устойчивости. Сегодня это понятие отсутствует даже в физических словарях энциклопедического ранга. А ведь основателями квантовой физики проблема устойчивости атомов считалась центральной [83]. Процитируем их.
« … Мы теперь знаем, что кусок какого-либо химического элемента может делиться на всё меньшие части до тех пор, пока мы не достигнем мельчайшей частицы, характерной для данного элемента. Это и есть атом элемента. Свойства атомов проявляют особую устойчивость по отношению к всевозможным воздействиям. Такая устойчивость внешних свойств чужда, однако, механическим системам. Характер движения планетарной системы может навсегда измениться под влиянием внешних воздействий, скажем при пересечении их орбит кометой большой массы. После прекращения возмущения планетарная система уже не вернулась бы к своей первоначальной конфигурации…
Объяснить устойчивость атомов с точки зрения законов механики оказалось совершенно невозможным… Решение этой центральной проблемы квантовой физики оказалось возможным лишь на основе открытия М.Планка о дискретности энергии, заключённой в атомах. Последние представляются подобно малым излучающим системам, которые могут иметь только вполне определенные, дискретные значения энергии…».
« … Но эти представления лишили атом наглядности, данной нам в повседневном опыте. Элементарная частица современной атомной физики не обнаруживает больше даже простейших геометрических и механических свойств; она проявляет их только в той мере, в какой они становятся доступными наблюдению через внешние воздействия. При этом различные наблюдаемые свойства частицы являются дополнительными в том смысле, что, зная одно какое-либо свойство, мы не можем одновременно познать другое. Эта удивительная особенность наших знаний элементарных частиц ведет к разного рода важным следствиям…
Прежде всего, поведение атома во многих экспериментах может быть описано посредством классических понятий, например, в траекториях определённых частиц...
С другой стороны имеются иного рода опыты, например по исследованию химических свойств атома. Здесь вопрос о «применимости» законов механики теряет смысл. Механические и химические свойства становятся взаимоисключающими. И именно это взаимоисключение и делает возможной специфическую немеханическую устойчивость атомных систем…».
Необходимость приведения столь обширной цитаты станет понятной ниже. Вернёмся к примеру, где сравнивается внешняя устойчивость планетарной и атомной систем. Проанализируем его.
Логическое построение примера очень показательно. Сначала говорится об особой устойчивости атома по отношению к всевозможным воздействиям. Затем на примере планетарной системы показывается, что механические системы упомянутой устойчивостью не обладают. На основании этих двух посылов у нас формируется представление об уникальной устойчивости атомов. Но такое сравнение некорректно. Планетарная система образована самыми слабыми из известных физике сил – гравитационными. И устойчивость её в приводимом примере проверялась воздействием большой массы. Атомные системы образованы сильнейшими взаимодействиями: электромагнитными и сильными (ядерными). Значит и устойчивость атомов надо проверять теми же воздействиями. В экспериментальной физике известно, что воздействия электромагнитных полей на атомы (эффекты Штарка, Зеемана, электронного парамагнитного резонанса и т.д.) приводят к изменению (хотя и обратимому при относительно слабых полях) внешних характеристик атомов, а воздействие высокоэнергетичных частиц может вызвать распад ядер и образование новых атомов.
Специфичность атомных систем заключается в наличии у них порога устойчивости, который позволяет им после прекращения возмущений восстановить свои исходные свойства. Но именно это специфика и позволяет нам сделать следующий вывод.
Известно, что сложные органические молекулы имеют внутренние связи, по энергии на порядки меньшие, чем у более простых элементов.
С «лёгкой руки» учёных и писателей-фантастов (наших современников) уровень развития той или иной цивилизации определяется интенсивностью электромагнитного фона, сопровождающего место обитания данной цивилизации. Чем мощнее фоновое излучение планеты в космосе, тем более «умная» цивилизация там обитает. По этому признаку пытались и пытаются отыскать наши учёные «братьев по разуму».
На самом же деле, создавая искусственный электромагнитный фон на нашей планете, мы стремительно движемся только не к «галактической цивилизованности», так вожделенной всеми нами, а к уничтожению порога устойчивости нашей жизни, дарованной нам природой как «оберег» от нашей «разумности». Как тут не вспомнить пусть и анекдот, но с очень глубоким подтекстом: «Главным доказательством существования мирового космического Разума является тот факт, что Он до сих пор с нами не связался».