Зарождение теоретической физики: квантовая теория

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

"ЧИТИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

(ЧитГУ)

КАФЕДРА ФИЗИКА И ТЕХНИКА ОПТИЧЕСКОЙ СВЯЗИ

РЕФЕРАТ

по дисциплине: " история физики "

на тему: "Зарождение теоретической физики: квантовая теория"

Выполнил: ст. гр. ТКВз10

Хлуднев В.А.

Чита, 2011 год

Содержание

Введение

1. История развития квантовой теории

2. Квантово-полевая картина мира

3. Основные принципы квантово-механического описания

3.1 Принцип наблюдаемости

3.2 О наглядности квантово-механических явлений

3.3 Соотношение неопределенностей

3.4 Принцип дополнительности Н. Бора

3.5 Туннельный эффект

3.6 Принцип суперпозиции

4. Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена и его интерпретации

Заключение

Используемая литература

Введение

В истории развития физики было немало революций, кардинально изменявших научную парадигму и взгляды ученых на методы познания и устройство мира. Но в первой четверти XX века, произошло то, что не было очередной сменой основных законов. Если раньше все в окружающем нас мире и науке было предсказуемо, то с появлением квантовой теории он стал случайным.

Таким образом, актуальность данной работы заключается в ответе на ряд вопросов, которые волнуют сейчас ученых и исследователей в дальнейшем развитии квантовой теории и ее влияния на все остальные разделы теоретической физики и другие науки. Необходимо разобраться, как же повлияла квантовая теория на дальнейшее развитие науки. Каковы же основные аспекты и главные проблемы квантовой теории, которые имеют место быть в настоящее время.

Целью работы является - проанализировать главные теоретические и практические категории квантовой теории и выявить ее основные направления развития.

Определенная нами цель обусловила следующие задачи, которые необходимо решить в процессе работы над данным вопросом:

сделать анализ исторического развития квантовой теории;

определить основные понятия, принципы и категории данного раздела физики;

оценить стоящие проблемы квантовой теории и ее дальнейшего развития и влияния.

Среди ученых и мыслителей, внесших свой вклад в создание квантовой теории сознания следует отметить таких авторов как Дэвид Бом, Роберт А. Уилсон, Стивен Х. Волинский, Фритьоф Капра, Руперт Шелдрейк, Арнольд Минделл, Роджер Пенроуз, Карл Прибрам.

1. История развития квантовой теории

Квантовая теория родилась в 1901 г., когда Макс Планк предложил теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым этим телом излучением, вывод, который долгое время ускользал от других ученых. Как и его предшественники, Планк предположил, что излучение испускают атомные осцилляторы, но при этом считал, что энергия осцилляторов (и, следовательно, испускаемого ими излучения) существует в виде небольших дискретных порций, которые Эйнштейн назвал квантами. Энергия каждого кванта пропорциональна частоте излучения. Хотя выведенная Планком формула вызвала всеобщее восхищение, принятые им допущения оставались непонятными некоторое время, так как противоречили классической физике.

Е = h v

где V - частота света, а h - универсальная постоянная, характеризующая меру дискретной порции энергии, которой обмениваются вещество и излучение. В атомную теорию вошли, таким образом, прерывистые физические величины, которые могут изменятся только скачками.

Планк ввел в физику новые представления. Сам того же не желая Планк совершил переворот в физике. В 1905 г. Альберт Эйнштейн воспользовался квантовой теорией для объяснения некоторых аспектов фотоэлектрического эффекта - испускания электронов поверхностью металла, на которую падает ультрафиолетовое излучение. Попутно Эйнштейн отметил кажущийся парадокс: свет, о котором на протяжении долгого времени было известно, что он распространяется как непрерывные волны, при поглощении и излучении проявляет дискретные свойства.

Примерно через восемь лет Нильс Бор распространил квантовую теорию на атом и объяснил частоты волн, испускаемых атомами, возбужденными в пламени или в электрическом разряде. Порция энергии излучается лишь при переходе с одной стационарной орбиты на другую:

= Ен - Ек

где Ен и Ек - энергия электрона на его начальной и конечной орбитах.

Эрнест Резерфорд показал, что масса атома почти целиком сосредоточена в центральном ядре, несущем положительный электрический заряд и окруженном на сравнительно больших расстояниях электронами, несущими отрицательный заряд, вследствие чего атом в целом электрически нейтрален.

Бор предположил, что электроны могут находиться только на определенных дискретных орбитах, соответствующих различным энергетическим уровням, и что "перескок" электрона с одной орбиты на другую, с меньшей энергией, сопровождается испусканием фотона, энергия которого равна разности энергий двух орбит. Частота, по теории Планка, пропорциональна энергии фотона. Таким образом, модель атома Бора установила связь между различными линиями спектров, характерными для испускающего излучение вещества, и атомной структурой. Несмотря на первоначальный успех, модель атома Бора вскоре потребовала модификаций, чтобы избавиться от расхождений между теорией и экспериментом. Кроме того, квантовая теория на той стадии ещё не давала систематической процедуры решения многих квантовых задач. Однако стало ясно, что классическая физика неспособна объяснить тот факт, что движущийся с ускорением электрон не падает на ядро, теряя энергию при излучении эл. - м. волн.

Новая существенная особенность квантовой теории проявилась в 1924 г., когда Луи де Бройль выдвинул радикальную гипотезу о волновом характере материи: если электромагнитные волны, например свет, иногда ведут себя как частицы (что показал Эйнштейн), то частицы, например электрон при определенных обстоятельствах, могут вести себя как волны. Таким образом в микромире стёрлась граница между классическими частицами и классическими волнами. В формулировке де Бройля частота, соответствующая частице, связана с её энергией, как в случае фотона (частицы света), но предложенное де Бройлем математическое выражение было эквивалентным соотношением между длиной волны, массой частицы и её скоростью (импульсом). Существование электронных волн было экспериментально доказано в 1927 г. Клинтоном Дж. Дэвиссоном и Лестером Х. Джермером в Соединенных Штатах и Джорджем Паджетом Томсоном в Англии.

В свою очередь это открытие привело к созданию в 1933 г. Эрнстом Руской электронного микроскопа. Под впечатлением от комментариев Эйнштейна по поводу идей де Бройля Эрвин Шрёдингер предпринял попытку применить волновое описание электронов к построению последовательной квантовой теории, не связанной с неадекватной моделью атома Бора. В известном смысле он намеревался сблизить квантовую теорию с классической физикой, которая накопила немало примеров математического описания волн. Первая попытка, предпринятая им в 1925 г., закончилась неудачей. Скорости электронов в теории Шрёдингера были близки к скорости света, что требовало включения в неё специальной теории относительности Эйнштейна и учета предсказываемого ею значительного увеличения массы электрона при очень больших скоростях.

Одной из причин постигшей Шрёдингера неудачи было то, что он не учел наличия специфического свойства электрона, известного ныне под названием спина (вращение электрона вокруг собственной оси наподобие волчка, однако такое сравнение не совсем корректно), о котором в то время было мало известно. Следующую попытку Шрёдингер предпринял в 1926 г. Скорости электронов на этот раз были выбраны им настолько малыми, что необходимость в привлечении теории относительности отпадала сама собой. Вторая попытка увенчалась выводом волнового уравнения Шрёдингера, дающего математическое описание материи в терминах волновой функции. Шрёдингер назвал свою теорию волновой механикой. Решения волнового уравнения находились в согласии с экспериментальными наблюдениями и оказали глубокое влияние на последующее развитие квантовой теории. В настоящее время волновая функция лежит в основе квантово-механического описания микросистем, подобно уравнениям Гамильтона в классической механике.

Незадолго до того Вернер Гейзенберг, Макс Борн и Паскуаль Иордан опубликовали другой вариант квантовой теории, получивший название матричной механики, которая описывала квантовые явления с помощью таблиц наблюдаемых величин. Эти таблицы представляют собой определенным образом упорядоченные математические множества, называемые матрицами, над которыми по известным правилам можно производить различные математические операции. Матричная механика также позволяла достичь согласия с наблюдаемыми экспериментальными данными, но в отличие от волновой механики не содержала никаких конкретных ссылок на пространственные координаты или время. Гейзенберг особенно настаивал на отказе от каких-либо простых наглядных представлений или моделей в пользу только таких свойств, которые могли быть определены из эксперимента, так как по его соображениям микромир имеет принципиально иное устройство, чем макромир в виду особой роли постоянной Планка, несущественной в мире больших величин.

Шрёдингер показал, что волновая механика и матричная механика математически эквивалентны. Известные ныне под общим названием квантовой механики, эти две теории дали долгожданную общую основу описания квантовых явлений. Многие физики отдавали предпочтение волновой механике, поскольку её математический аппарат был им более знаком, а её понятия казались более "физическими"; операции же над матрицами - более громоздкими.

квантовая теория бор физика

Вскоре после того, как Гейзенберг и Шрёдингер разработали квантовую механику, Поль Дирак предложил более общую теорию, в которой элементы специальной теории относительности Эйнштейна сочетались с волновым уравнением. Уравнение Дирака применимо к частицам, движущимся с произвольными скоростями. Спин и магнитные свойства электрона следовали из теории Дирака без каких бы то ни было дополнительных предположений. Кроме того, теория Дирака предсказывала существование античастиц, таких, как позитрон и антипротон, - двойников частиц с противоположными по знаку электрическими зарядами.

2. Квантово-полевая картина мира

Согласно электромагнитной картине мира окружающий человека мир представляет собой сплошную среду - поле, которое может иметь в разных точках различную температуру, концентрировать разный энергетический потенциал, по-разному двигаться и т.д. Сплошная среда может занимать значительные области пространства, ее свойства изменяются непрерывно, у нее нет резких границ. Этими свойствами поле отличается от физических тел, имеющих определенные и четкие границы. Разделение мира на тела и частицы поля, на поле и пространство является свидетельством существования двух крайних свойств мира - дискретности и непрерывности. Дискретность (прерывность) мира означает конечную делимость всего пространственно-временного строения на отдельные ограниченные предметы, свойства и формы движения, тогда как непрерывность (континуальность) выражает единство, целостность и неделимость объекта.

В рамках классической физики дискретность и непрерывность мира первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые, хотя в целом и взаимодополняющие свойства. В современной физике это единство противоположностей, дискретного и непрерывного нашло свое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

В основе современной квантово-полевой картины мира лежит новая физическая теория - квантовая механика, описывающая состояние и движение микрообъектов материального мира.

Квантовой механикой называют теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми опытным путем.

Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволяют выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, изучить свойства элементарных частиц.

Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, то законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Например, квантовая механика позволила определить строение и понять многие свойства твердых тел, последовательно объяснить явления ферромагнетизма, сверхтекучести, сверхпроводимости, понять природу астрофизических объектов - белых карликов, нейтронных звезд, выяснить механизм протекания термоядерных реакций на Солнце и звездах.

Разработка квантовой механики относится к началу XX в., когда были обнаружены физические явления, свидетельствующие о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики к процессам взаимодействия света с веществом и процессам, происходящим в атоме. Установление связи между этими группами явлений и попытки объяснить их на основе теории привели к открытию законов квантовой механики.

Своими исследованиями Планк продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями - квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны. Эксперименты Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно и корпускулярными, и волновыми свойствами, представляя собой, таким образом, диалектическое единство этих противоположностей. Диалектика, в частности, выражается в том, что чем короче длина волны излучения, тем ярче проявляются квантовые свойства; чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства света.

Л. де Бройль, как говорилось выше, выдвинул гипотезу, что корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы вещества обладают волновыми свойствами. Позднее эта идея была подтверждена экспериментально, и принцип корпускулярно-волнового дуализма был распространен на все процессы движения и взаимодействия в микромире.

В соответствии с квантово-полевой картиной мира любой микрообъект, обладая волновыми и корпускулярными свойствами, не имеет определенной траектории движения и не может иметь определенных координат и скорости (импульса). Это можно сделать только через определение волновой функции в данный момент, а потом найти его волновую функцию в любой другой момент. Квадрат модуля дает вероятность нахождения частицы в данной точке пространства.

Кроме того, относительность пространства-времени в данной картине мира приводит к неопределенности координат и скорости в данный момент, к отсутствию траектории движения микрообъекта. И если в классической физике вероятностным законам подчинялось поведение большого числа частиц, то в квантовой механике поведение каждой микрочастицы подчиняется не динамическим, а статистическим законам.

Таким образом, материя двулика: она обладает и корпускулярными, и волновыми свойствами, которые проявляются в зависимости от условий. Отсюда общая картина реальности в квантово-полевой картине мира становится как бы двуплановой: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой - условия наблюдения, от которых зависит определенность этих характеристик. Это означает, что картина реальности в современной физике является не только картиной объекта, но и картиной процесса его познания.

Итак, ушли в прошлое представления о неизменности материи и возможности достичь конечного предела ее делимости. Сегодня мы рассматриваем материю с точки зрения корпускулярно-волнового дуализма. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость и взаимозависимость. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц.

Кардинально меняется представление о движении, которое становится лишь частным случаем фундаментальных физических взаимодействий. Известно четыре вида фундаментальных физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Все они описываются на основе современного принципа близкодействия. В соответствии с ним взаимодействие каждого типа передается соответствующим полем от точки к точке. При этом скорость передачи взаимодействия всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме (300 000 км/с).

Окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, их зависимости от материи. Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и согласно теории относительности сливаются в едином четырехмерном пространстве-времени, которое не существует вне материальных тел.

Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они всегда выступают в вероятностной форме, в виде так называемых статистических законов. Они соответствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей. Таким образом, оказалось, что в основе нашего мира лежит случайность, вероятность.

Также новая картина мира впервые включила в себя наблюдателя, от присутствия которого зависели получаемые результаты исследований. Более того, был сформулирован так называемый антропный принцип, который утверждает, что наш мир таков, каков он есть, только благодаря существованию человека. Отныне появление человека считается закономерным результатом эволюции Вселенной.

3. Основные принципы квантово-механического описания

3.1 Принцип наблюдаемости

Согласно принципу наблюдаемости, сформулированному одним из основателей квантовой механики В. Гейзенбергом, "разумно включать в теорию только величины, поддающиеся наблюдению…".

В любой науке данные наблюдений становятся понятными лишь тогда, когда есть теория. Все физические теории, которые были известны ученым до создания квантовой механики, содержали исключительно понятия, прямо и непосредственно сопряженные с данными наблюдений.

ÂY = аn Y

Â, Y и аn измеряется лишь последний. Все физические теории, которые были известны учеными до создания квантовой механики, содержали исключительно понятия прямо и непосредственно сопряженные с данными наблюдений.

В квантовой механике появляются ранее неведомые физикам конструкты, волновая функция (Y) оператор (Â), причем оба в принципе не могут быть зарегистрированы в эксперименте:

 и Y не наблюдаемы, лишь аn фиксируется в эксперименте.

Квантово-механическая реальность открывается в эксперименте лишь одной своей гранью. Вопреки расхожему мнению реальность дана не только в эксперименте, но и в теории. Разумеется, остается в силе старое правило: подтверждением теории является ее согласие с данными наблюдений. В науке, в том числе физике, данные наблюдений никогда не фигурируют отдельно от теории, т.е. концептуальной интерпретации. Главная цель ученых состоит в том, чтобы добиться гармонии, резонанса теории и эксперимента.

3.2 О наглядности квантово-механических явлений

Все, что происходит с квантовыми объектами до фиксации собственных значений того или иного оператора Â, в эксперименте не фиксируется в непосредственном виде, а потому не дано в наглядной форме. Несостоятельна всякая попытка представления себе квантового объекта самого по себе, до его взаимодействия с макроусловиями его существования. Квантово-механические явления как таковые невозможно сфотографировать и представить их изображения, они не поддаются зарисовке. Это и не сгустки вещества, и не волны распределенные в реальном пространстве, и не материальные точки, движущиеся по траекториям.

Все попытки представить себе квантовые объекты и происходящие с ними процессы в наглядной, т.е. подвластной чувствам форме игнорируют специфику квантовой механики. Желающий уяснить себе природу квантово - механических явлений должен записать волновую функцию Y и те уравнения, в которых она фигурирует, а затем подвергнуть полученные записи всестороннему анализу, при этом часто оказывается возможным изображение аналитических выражений в форме графических построений. Природа квантово-механических явлений такова, что она может быть представлена в аналитико-графическом виде, но не в форме изображения объектов в пространстве.

Квантово-механические явления таковы, каковыми их описывают уравнения квантовой механики, исходя из которых можно предсказать, причем вероятностным образом, результаты измерений. Эти уравнения не позволяют предсказать наличие у квантовых объектов, каких - то "скрытых" параметров, доступных наблюдениям, если не настоящим, то будущим. При правильном понимании квантовой механики вопрос о скрытых параметрах вообще не возникает, он инициируется теми, кто абсолютизирует концептуальную базу классической физики, в результате чего переносит ее в квантовую механику.

Квантовая механика описывает поведение реальных, а не мифических частиц, но посредством особых концептуальных средств, иных, чем те, которые использовала классическая физика и от которых пришлось отказаться под давлением экспериментальных фактов.

3.3 Соотношение неопределенностей

Как было впервые подмечено В. Гейзенбергом, измеряемые значения координат квантовых объектов и их импульсов подчиняются соотношениям:

где значок  обозначается - неопределенность. Соотношения Гейзенберга свидетельствуют о том, что чем определеннее значение одного из параметров, входящих в указанные соотношения, тем неопределеннее значение другого параметра, и, наоборот, чем больше неопределенность координаты, тем меньше неопределенность импульса: имеется в виду, что оба параметра измеряются одновременно.

Соотношение неопределенностей Гейзенберга вытекает непосредственно из квантово-механического формализма. Анализ показал, что соотношение неопределенностей выполняется для тех величин, операторы которых не коммутируют друг с другом. Соотношения неопределенностей Гейзенберга как показывают простейшие подсчеты, являются следствием наличия некоммутирующих операторов. Иначе говоря, природа квантовых объектов такова, что взаимосопряженные (т.е. соотносящиеся с некоммутирующими операторами) величины связаны друг с другом уравнением неопределенностей, в случае взаимосопряженных параметров. Одновременно точно можно измерить лишь те величины, которым соответствуют коммутирующие друг с другом операторы.

3.4 Принцип дополнительности Н. Бора

Квантовые объекты относительны к средствам наблюдения. О параметрах квантовых явлений можно судить лишь после ТОО как они про взаимодействовали со средствами наблюдения, т.е. приборами.

"Поведение атомных объектов невозможно резко отграничить от их взаимодействия с измерительными приборами, фиксирующими условия, при которых происходят явления".

При этом приходится учитывать, что приборы, которые используются для измерения параметров, связанных между собой соотношением неопределенностей, разнотипны. Исследователи вынуждены прибегать к использованию различных установок.

"…Данные, полученные при различных условиях опыта, не могут быть охвачены одной-единственной картиной; эти данные должны рассматриваться как дополнительные в том смысле. Что только совокупность разных явлений может дать более полное представление о свойствах объекта". В этом как раз и состоит содержание принципа дополнительности.

Согласно квантовой механике, каждое отдельно проведенное измерение разрушает микрообъект: после измерения его волновая функция перестает существовать. Чтобы провести измерение приходится заново готовить микрообъект. Это обстоятельство существенно усложняет процесс синтеза данных измерений по сравнению с теми. Что имеет место в классической физике и специальной теории относительности. В этой связи Бор как раз и утверждал взаимодополнительность квантовых измерений. Данные классических измерений не взаимодополнительны, они просто-напросто сосуществуют, имеют самостоятельный смысл независимо друг от друга. Взаимодополнение имеет место там, где исследуемые сущие неотделимы друг от друга и взаимосвязаны между собой.

Бор соотносил принцип дополнительности не только с физическими науками. По мысли Бора, возможности живых существ столь многообразны и так тесно взаимосвязаны, что при их изучении вновь приходится обращаться к процедуре взаимодополения данных наблюдений. К сожалению, эта мысль Бора не получила должного развития по настоящий день.

3.5 Туннельный эффект

Любой потенциальный барьер может быть преодолен в том случае, если кинетическая энергия тела (Е) больше его потенциальной энергии (U) так сказать, на вершине барьера

Е = Uо

С позиции квантовой механики, частиц попав в область потенциального барьера, не обладает точным значением импульса, а значит, и кинетической энергии. В соответствии с соотношением неопределенностей, неопределенность импульса частицы - это гарантия того, что вероятность достижения частицей необходимого для преодоления барьера импульса не равна нулю. Любая квантовая частица имеет шанс преодолеть потенциальный барьер. Именно в этом состоит содержание так называемого туннельного эффекта.

Квантово-механическое объяснение туннельного эффекта с позиций классической физики кажется странным, но именно оно подтверждается данными многочисленных экспериментов.

В термоядерных реакциях происходит необходимое для их слияния сближение положительно заряженных и, следовательно, отталкивающихся друг от друга ядер-реагентов. Значительную роль в этом сближении опять играет туннельный эффект.

Частица в потенциальной яме

Квантовая частица, находящаяся в потенциальной яме, в силу неопределенности величины ее импульса не может покоиться. Следовательно, ее энергия на может быть равна нулю. В полном соответствии с аппаратом квантовой механики энергия частицы принимает дискретные (а не любые!) значения.

Потенциальная яма-абстракция. В реальной действительности U = . Используется эта абстракция для того, чтобы понять повеление частиц в силовых полях.

3.6 Принцип суперпозиции

Принцип суперпозиции состоит в том, что если квантовый объект может находиться в состояниях, описываемых волновыми функциями, то возможно состояние, изображаемое волновой функцией.

Квантово-механический принцип суперпозиции является уточнением соответствующих представлений классической физики. Согласно последней, в среде, не меняющей свои свойства под действием возмущений, волны распространяются независимо друг от друга. Следовательно, результирующее возмущение в какой-либо точке среды при распространении в ней нескольких волн равно сумме возмущений, соответствующих каждой из этих волн.

4. Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена и его интерпретации

Самые интересные моменты в истории и методологии современной физики связаны с решением проблемы интерпретации квантовой теории. Эта проблема и сейчас остается в центре внимания научного сообщества, так как ни сторонники копенгагенской интерпретации, ни ее противники не собираются оставлять своих позиций. Однако ни те, ни другие, не отрицая правомерности принципа неопределенностей в квантовой теории, тем не менее не проводят последовательно методологические принципы инвариантности, относительности и симметрии, которые, как мы указывали, непосредственно связаны с проблемой полноты квантовой механики. Как станет ясно из дальнейшего, если мы в своих исследованиях опираемся на эти принципы, то должны с необходимостью признавать, что вероятность есть объективная характеристика, неустранимый факт квантовой теории. А если это так, то нет оснований считать, что в квантовой механике присутствуют субьективно-позитивистские элементы и что она является якобы неполной теорией.

Подобные обвинения были выдвинуты с позиций реализма классической физики, которая отказывала вероятности в праве быть фактом с онтологическим содержанием. Но в действительности дело обстоит как раз наоборот. Если принять, что вероятность - объективная характеристика природы, т.е. имеет онтологическую нагрузку, то можно приблизиться к идеалу А. Эйнштейна, ориентированному на реалистическое толкование квантовой теории, хотя сам ученый в этом идеале не хотел видеть вероятности - "только факты”. Таким образом, если из тезы взять рациональное зерно - признание необходимости реалистического описания микромира, не стесненного, однако, классическими требованиями, из антитезы - признание вероятности как реальности, а не как недостаточности информации об объекте (с чисто гносеологической стороны), то можно прийти к синтезу - вероятностному реализму как диалектическому опровержению классической тезы. И тогда становится ясным, что квантовая механика является полной теорией и поэтому нет необходимости продолжать поиски "скрытых параметров”, имеющих целью вернуть физику к классическому идеалу классической картины мира.

Принимая в качестве критерия полноты теории удовлетворение требования, чтобы каждому элементу физической реальности соответствовал элемент физической теории, А. Эйнштейн, Б. Подольский и Н. Розен сумели показать, что описание квантового состояния волновой функцией не является полным - так называемый парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена. Как отмечает X. Бьом, уместнее в этом случае говорить об аргументе, а не о парадоксе, поскольку ничего парадоксального здесь нет. Парадокс означает нечто необыкновенное, странное, неожиданное, невероятное, а Эйнштейн, Подольский и Розен получили в своей работе именно такой результат, какой и хотели получить. Но иначе и не могло быть, поскольку они выбрали критерий реальности, противоположный самой сущности квантовой теории. Согласно этому критерию, существует элемент физической реальности, соответствующий данной физической величине, если ее значения можно определить только с вероятностью, равной единице. При таком критерии было бы парадоксальным, если бы авторы сумели показать, что квантовая теория не является неполной. Как известно, при корректном использовании формального аппарата невозможно опровергнуть то, что заложено в основе. Так что с помощью этого парадокса Эйнштейн не смог доказать несостоятельность квантовой теории, а более логично обосновал свою позицию,

Что касается попыток сделать квантовую механику полной теорией путем введения "скрытых параметров”, то, как известно, они оказались безуспешными. Сначала Р. фон Нейман показал, что существование "скрытых параметров” находится в противоречии с формализмом квантовой механики. Затем шаги, предпринятые Д. Бомом и А. X. Ароновым, тоже не привели к удовлетворительному результату, так как авторы предполагали существование нелокальных свойств, а это противоречило выдвинутому Эйнштейном требованию локальности. Позже Д. Белл обосновал невозможность формулировки квантовой механики как локально-детерминистской теории "скрытых параметров”. Экспериментальная проверка неравенства, установленного Беллом, показала, что в пределах точности измерений результаты подтверждают истинность квантовой теории. Таким образом, можно считать доказанным, что идея "скрытых параметров” несовместима с квантовой теорией. Конечно, искать "скрытые параметры" не просто невозможно, но, видимо, бессмысленно: "скрытые параметры" до того скрыты, что их вообще нельзя найти. Программа Эйнштейна: найти такое корректное полное описание явлений в микромире, чтобы в нем были "только факты, а не вероятности”, чтобы в нем не было неопределенностей и чтобы оно удовлетворяло идеалу строгого классического детерминизма, - оказывается нереализуемой.

Идея "скрытых параметров” и нужна как раз для создания полной теории. Оказывается, однако, что хотя такая теория и претендует на то, чтобы обладать внутренним совершенством, быть естественной и логически простой, она вступает в противоречие с первым и основным критерием - критерием внешнего оправдания. Дело в том, что теория, построенная на основе "скрытых параметров”, не только вводит принципиально ненаблюдаемые (действительно, мистически скрытые!) величины - следствия из этой теории не подтверждаются экспериментально. Попытки создать теорию на основе "скрытых параметров” суть попытки создать полную теорию, но это происходит за счет ее внешнего оправдания, что лишает теорию смысла.

Разумеется, нельзя не согласиться с мыслью Эйнштейна, высказанной им в свое время В. Гейзенбергу, что теория сама решает, какие величины наблюдаемы, а какие ненаблюдаемы, однако второй критерий - критерий внутреннего совершенства, естественности и логической простоты - заставляет нас все-таки принимать, что наблюдаемы те величины, значения которых можно определить экспериментально. Как известно, вероятности переходов из одного состояния в другое в микрофизике являются экспериментально определяемыми величинами. Они определяются по значениям ширины состояния, и хотя это вероятностные величины, их можно получить опытным путем абсолютно достоверно и с любой точностью. А раз так, то основной критерий - критерий внешнего оправдания - обязывает нас принять вероятность как факт и отказаться от дополнительного требования - требования реальности, которое навязывается из соображений соответствия классической теории.

Таким образом, не следует думать, что вероятности и факты только противоположны и поэтому взаимно как бы исключаются. Но тогда почему бы не рассмотреть обратную возможность: не вероятность или факты, а вероятность как факт?

Сильная сторона позиции Эйнштейна - это критерии внешнего оправдания и внутреннего совершенства. Дополнительные же требования, касающиеся полноты теории и безвероятностной реальности, так сильно искажают "тематический фильтр”, по терминологии Дж. Холтона, что делают эйнштейновскую программу невыполнимой. Эти требования продиктованы классическими соображениями и должны быть отброшены, тем более что они сами не соответствуют критерию внешнего оправдания. Дело в том, что не только в микромире, где "мешает” соотношение неопределенностей, но и в макромире физические величины всегда могут быть определены в ходе опыта только с некоторой неточностью. Теория не должна противоречить фактам - она должна соответствовать тому, что может быть установлено экспериментально. А ученым хорошо известно, что все физические величины экспериментально определяются с некоторой неопределенностью, которая, как отметил М. Борн, со временем линейно нарастает. С экспериментальной точки зрения утверждение, что "величина Х имеет абсолютно точное значение”, является бессмысленным, поскольку никто и нигде до сих пор не сделал абсолютно точного измерения. И поэтому данное утверждение должно быть исключено из квантовой теории, подобно тому как в свое время было исключено как бессмысленное понятие одновременности из теории относительности.

Итак, необходимо признать, что классические представления об абсолютно точных физических величинах не имеют внешнего оправдания. Такие представления ведут к идеализированной схеме, которая выглядит естественной и логически простой, однако не соответствует физической действительности, и поэтому от нее необходимо отказаться. Абсолютно точных физических величин нет, как бы того ни хотелось некоторым авторам. "Как получается, что этот ложный идеал так прочно укоренился в головах даже превосходных исследователей? - недоумевал Борн. - Это не физическая проблема, а психологическая, которая, вероятно, может быть понята из развития физической картины мира со времен Ньютона. Именно успехи ньютоновской физики, которая смогла использовать для своих задач математический континуум (D x = 0, D t = 0), закрепили ошибочное убеждение, будто бы существуют абсолютно точные значения физических величин. Законы Ньютона описывают движение материальной точки, но материальная точка - это модель действительности, а вовсе не сама действительность. Отождествлять модель и реальность - также "результативно”, как отождествлять каменную статую с живым человеком. Однако тот факт, что классическая физика может с успехом описывать взаимодействие между двумя массами как эквивалентное взаимодействию между двумя материальными точками, позволил физикам поверить, что точки в самом деле существуют реально и даже что все физические величины реально имеют абсолютно точные значения.

Между тем квантовая физика разрушает эту иллюзию. А потому классический детерминизм не может более быть идеалом для физической теории. Как писал Борн, "детерминизм классической физики оказывается призраком, вызванным тем, что математико-логическим структурам понятий придается слишком большое значение. Это идол, а не идеал в исследовании природы, и, следовательно, его нельзя использовать как возражение против существенно индетерминистской статистической интерпретации квантовой механики”.

К мысли, что время и пространство объективно не существуют как абсолютно точные величины, а являются лишь относительно точно определенными, т.е. существуют с некоторой объективной неопределенностью, можно прийти и другим путем - путем последовательного применения идеи относительности. Эйнштейн, следуя своему основному критерию - критерию внешнего оправдания, согласно которому из теории необходимо исключить понятия, не имеющие опытного подтверждения, отказался от представления об однородности времени и пространства. В теории относительности классические представления о времени и пространстве не просто отрицаются, а опровергаются, заменяются новыми, более высокого уровня - таким образом, чтобы прежние классические представления об абсолютном времени и пространстве оставались справедливыми для предельного случая малых скоростей. Но на этом Эйнштейн остановился и не захотел идти дальше по пути развития идеи относительности. Он не мог допустить, что сама определенность относительных интервалов времени и пространства должна считаться также относительной. Хотя ученый и считал, что время и пространство относительны, он продолжал в духе классической физики думать, что их величины определены абсолютным образом. Если же последовательно проводить идею относительности, то необходимо будет признать, что относительные сущности не могут быть абсолютно точно определены, а только относительно точно. Поэтому боровскую концепцию дополнительности следует рассматривать как более развитую. Принимая соотношение неопределенностей как факт, она автоматически включает в себя это необходимое продолжение идеи относительности времени и пространства.

С точки зрения основного критерия Эйнштейна - внешнего оправдания - в теорию необходимо включить и соотношение неопределенностей, поскольку оно оказывается неоспоримым экспериментальным фактом. Как известно, до сих пор никто не смог экспериментально показать несостоятельность этого соотношения. Если трактовать принцип неопределенностей как опытный факт и как существенную часть теории, то идея относительности получает свое логическое и последовательное развитие, что ведет к большей естественности и логической простоте. А это означает, что и второй критерий - внутреннего совершенства - соответствует теории в большей степени. Следовательно, относительность в широком смысле, понимаемая и как отрицание возможности существования абсолютно точной определенности, ведет к естественной и логически более простой картине мира.

Однако такое возможно лишь ценой отказа от классического детерминизма, но так как этот детерминизм не идеал, а всего лишь идол, расставаться с ним следует без сожаления. Время показало, что даже "бог - глиняный идол, который можно разбить молотком”. Историю науки, как и вообще историю всего человечества, можно рассматривать как цепь последовательного сотворения идолов и их ниспровержения: красивые мечты чередуются (симметрия требует этого!) с горькими разочарованиями, чтобы открыть дорогу новым иллюзиям.

Отказ от идола классического детерминизма и утверждение вероятности как непреложного факта теории открывают возможности для более глубокого понимания вероятностной интерпретации квантовой механики. Далее попробуем показать, что именно учет вероятности как факта определяет новую - вероятностную - форму энергии, и, таким образом, делает теорию более полной, чем это казалось ранее. В этом смысле ситуация изменяется коренным образом: вероятность как факт приводит к тому, что теория становится полной.

Для обоснования полноты квантовой механики необходимо обратиться к принципу инвариантности. Известно, что инвариантность как методологический принцип выражает тенденцию искать и открывать неизменные величины. С этой точки зрения любая физическая константа, как мы уже отмечали, указывает на инвариантность - выражает некоторое сохранение. Например, константа Планка как фундаментальная величина выражает в общем виде закон сохранения момента импульса в атомном мире. Таким образом, выясняется ее физический смысл, т.е. решается задача, которую Эйнштейн считал "самой важной целью будущих десятилетий" и которая определяет "содержание самого важного направления в развитии новейшей теоретической физики”6.

Если считать, что теория является полной, когда каждому элементу физической реальности соответствует в теории определенная физическая величина, то с энергетической точки зрения теория должна быть признана полной, если для каждой энергетической области можно указать ее энергию. И так как во всех процессах микромира нет других энергетических областей, кроме областей состояний и областей переходов из них, то с позиций закона сохранения энергии, т.е. принципа инвариантности, признание вероятностной частоты наряду с действительной исчерпывает все возможности, и, таким образом, квантовая механика становится полной теорией.

Заключение

Несмотря на совершенно новый взгляд на многие природные явления, квантовую теорию никак нельзя расценивать как полное опровержение классической физики. Последняя, может рассматриваться как предельный случай квантовой или как первое и очень грубое приближение к ней.

В основе современной квантово-полевой картины мира лежит новая физическая теория, описывающая состояние и движение микрообъектов материального мира.

Квантовая теория, это теория устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми опытным путем.

Таким образом, в квантовой теории сформировано представление о целостном, неразложимом характере мира, о не сведении его к отдельным элементам. Этот результат, имеющий глубокое мировоззренческое значение, является едва ли не самой удивительной страницей в истории физики и имеет далеко идущие перспективы по развитию телепортационных способов передачи информации. XXI век, по всей видимости, станет веком квантовой телепортации.

Сегодня физики твердо верят в то, что наш мир един и познаваем. Все разнообразие природных явлений просто обязано описываться в рамках некоего единого универсального подхода. Другое дело, что человек пока еще не до конца сумел понять глубинную сущность законов природы и пределы познаваемости мира.

Однако большинство физиков убеждены в том, что, если идти по пути, указанном квантовой теорией, будет открыт тот самый свод законов и правил, который и правит нашим удивительно красивым миром.

Используемая литература

1.      Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики. - М.: Высш. шк., 1961.

2.      Бом Д. Квантовая теория. - М.: Наука, 1998.

.        Гейзенберг В. Физика и философия. - М.: Наука, 1989.

.        Концепции современного естествознания: Под ред. профессора С.И. Самыгина. Серия "Учебники и учебные пособия" - 4-е изд., перераб. и доп. - Ростов н/Д: "Феникс", 2003

.        Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов, обучающихся по гуманитарным специальностям и специальностям экономики и управления / А.П. Садохин. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006

.        Кунафин М.С. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. Изд-е. - Уфа, 2003

.        Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. - М.: Наука, 1972.

.        Менский М.Б. Квантовая механика. - М.: Наука, 2000.

.        Мессиа А. Квантовая механика. - М.: Наука, 1978. - Т.1, 2.

.        Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. - Изд.2-е, перераб. и доп. - М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004

.        Начала современного естествознания: концепции и принципы: учебное пособие / В.Н. Савченко, В.П. Смагин. - Ростов н/Д.: Феникс, 2006

.        Печенкин А.А. Три классификации интерпретаций квантовой механики (www.philosophy.ru).

.        Юнг Р. Ярче тысячи солнц. - М.: Атомиздат, 1960.