Частина 2. Основні моменти, і ключові теорії

> КВАНТОВЫЕ ПОРЦІЇ

Однією із перших проблем, на вирішення якої знадобилося запровадження кванта енергії, було розгляд співіснування частинок і полів й модульна побудова теорії теплового випромінювання. Це випромінювання можна почути як під яскравим літнім сонцем, а йподнеся руку до звичайної лампочці чи гарячого праски. Проте спроби пояснити такі повсякденні явища у межах класичної теорії виявилися невтішними.

У 1900 року ДжонРелей і Джеймс Джинсу, використовуючи класичну теорію, розглянули нагріте тіло, у якому електромагнітне полі (хвилі) перебував у тепловому рівновазі із часточками. Виявилося, у цьому разі полі забирає в частинок все їхнє енергію. Тим самим було класична теорія сприяла безтямному результату: нагріте тіло, безупинно втрачаючи енергію через випромінювання хвиль, має остудитися нанівець. Цей фізично абсурдний результат отримав назву " ультрафіолетової катастрофи". Насправді нічого такого, природно, немає. Спостереження показали, що у високих частотах енергія випромінювання зростає нескінченно, а убуває нанівець. Максимальне випромінювання при фіксованою температурі посідає певну частоту чи колір. Прикладами цього можуть бути червоний колір розпеченій кочерги (температура близько 1 000 До) чижелто-белий колір Сонця (близько 6 000 До).

Приватний, начебто, питання випромінюванні електромагнітних хвиль нагрітими тілами придбав принципове значення. Класична теорія сприяла результатам, різко суперечить досвіду. У 1900 року, аби домогтися узгодження теорії із досвідом, Максу Планку довелося відступити від класичного підходу є лише одна пункті. Він використовував гіпотезу, за якою випромінювання електромагнітного поля може відбуватися лише окремими порціями - квантами. ПрийнятаПланком гіпотеза суперечила класичній фізиці, проте побудована їм теорія теплового випромінювання чудово узгоджувалась з експериментом.

ПРИНЦИПГЕЙЗЕНБЕРГА

Принцип Гейзенберга взагалі грає у квантової механіці ключову роль хоча б оскільки досить наочно пояснює, як і чому мікросвіт відрізняється від знайомого нам матеріального світу. Щоб осягнути Україні цього принципу, задумайтеся спершу у тому, що таке «виміряти» хоч би не пішли величину. Щоб відшукати, наприклад, цієї книжки, ви, зайшовши у кімнату, окидиваете її поглядом, що він не зупиниться у ньому. Мовою фізики це, що ви провели візуальне вимір (знайшли поглядом книжку) й одержали результат — зафіксували її просторові координати (визначили місце розташування книжки - у кімнаті). Насправді процес виміру відбувається набагато складніше: джерело світла (Сонце чи лампа, наприклад) випускає промені, які, пройшовши якийсь шлях у просторі, взаємодіють із книгою, відбиваються від неї поверхні, після чого частина їх сягає ваших очей, проходячи через кришталик, фокусується, потрапляє на сітківку — і це бачите образ тогочасні книги й визначаєте її становище у просторі. Ключ до виміру тут — взаємодія між світлом та публіцистичною книгою. Ось і незалежно від вимірі, уявіть собі, інструмент виміру (у разі, це світло) входить у взаємодію Космосу з об'єктом виміру (у разі, це книга).

У класичній фізиці, побудованої наньютоновских засадах і застосовувану до об'єктів нашого звичайного світу, ми звикли ігнорувати те що, що інструмент виміру, вступаючи у взаємодію Космосу з об'єктом виміру, впливає нею і змінює його властивості, включаючи, власне, обчислювані величини. Включаючи світ у кімнаті, щоб знайти книжку, ви навіть замислюєтеся у тому, що під впливом виниклого тиску світлових променів книга може зрушити з його місця, і це дізнаєтеся її спотворені під впливом включеного вами світла просторові координати. Інтуїція підказує нам (й у тому випадку, цілком правильно), що акт виміру впливає на обчислювані властивості об'єкта виміру. Нині ж задумайтеся про процеси, що відбуваються на субатомному рівні. Припустимо, мені треба зафіксувати просторове місцезнаходження електрона. Мені як і потрібен вимірювальний інструмент, який вступить у взаємодію Космосу з електроном і поверне моїм детекторам сигнал з туристичною інформацією про його місцеперебування. І відразу виникає складність: інших інструментів взаємодії з електроном визначення її положення у просторі, крім інших елементарних частинок, не маю.

, якщо те, що світло, вступаючи у взаємодію Космосу з книгою, їхньому просторових координатах позначається, щодо взаємодії вимірюваного електрона з іншим електроном чи фотонами такого сказати не можна.

На початку 20-х років, коли стався бурхливий сплеск творчої думки, який призвів до створенню квантової механіки, цієї проблеми першим усвідомив молодий німецький фізик-теоретик ВернерГейзенберг. Почавши зі складних математичних формул, що описують світ на субатомному рівні, поволі дійшов дивовижною за простотою формулі, дає загальне опис ефекту впливу інструментів виміру на обчислювані об'єкти мікросвіту, про яку ми щойно казали. У результаті їм було сформульовано принцип невизначеності, під назвою тепер іменем Тараса Шевченка:

«Термін «невизначеність просторової координати» таки означає, що ми знаємо точної місцеположення частки. Наприклад, коли ви використовуєте глобальної системи рекогносцирування GPS, щоб визначити місце розташування цієї книжки, система обчислить його з точністю до 2-3 метрів. (GPS, GlobalPositioning System — навігаційна система, у якій задіяні 24 штучних супутника Землі. Коли ви, наприклад, автомобілем встановлено приймач GPS, то, приймаючи сигнали від цих коштів супутників та зіставляючи час їхнього затримки, система визначає ваші географічні координати Землі з точністю до кутовий секунди.) Проте, з погляду виміру, проведеного інструментом GPS, книга можна з деякою ймовірністю перебувати деінде не більше зазначених системою кількох кв. метрів. У разі ми бачимо говоримо про невизначеності просторових координат об'єкта (у цьому прикладі, книжки). Ситуацію можна поліпшити, беручи замість GPS рулетку — у разі зможемо стверджувати, що вона перебуває, наприклад, на чотири м 11 див від однієї стіни й у 1 м 44 див одної. Але й тут обмежені з точністю виміру мінімальним розподілом шкали рулетки (нехай буде навіть міліметр) і похибками вимірювання, і самого приладу, — у самому кращому разі зможемо визначити просторове становище об'єкта з точністю до мінімального розподілу шкали. Чим більше точний прилад ми будемо використовувати, тим точніше будуть отримані нами результати, тим нижче буде похибку вимірювання і тим меншим буденеопределенность».[2]

І тут наближаємося найбільш принципового відмінності мікросвіту від нашого повсякденного фізичного світу. У звичайному світі, вимірюючи ситуацію і швидкість тіла у просторі, ми нею мало впливаємо. Отже, в ідеалі ми можемо одночасно виміряти і швидкість, і координати об'єкта вже напевне (інакше кажучи, з травня нульової невизначеністю).

Іноді вам можуть зустрітися затвердження, ніби принцип невизначеності передбачає, що з квантових частинок відсутні певні просторові координати і швидкості, або що ці величини абсолютно непізнавані. Не вірте: як ми хіба що бачили, принцип невизначеності корисно нас із будь-який бажаної точністю виміряти кожну з цих величин. Його буква стверджує лише, що ми може достовірно дізнатися й про й інше одночасно. І, як та значною мірою іншому, змушені на компроміс. Знову-таки, писатели-антропософи у складі прибічників концепції «Нової ери» інколи твердять, що, нібито, оскільки виміру розуміють присутність розумного спостерігача, отже, певному фундаментальному рівні людську свідомість пов'язані з Всесвітнім розумом, і саме ця зв'язок обумовлює принцип невизначеності. Повторимо з цього приводу вкотре: ключовим у відсотковому співвідношенні Гейзенберга є взаємодія міжчастицей-объектом вимірювання, і інструментом виміру, впливає з його результати. Який факт, що заодно присутній розумний спостерігач від імені вченого, ставлення до справи немає; інструмент виміру перетворилася на будь-якому разі впливає його результати, присутній у своїй розумне істота чи ні.

> ВЕРОЯТНОСТНЫЙ ХАРАКТЕРПРЕДСКАЗАНИЙ І РОЛЬ СПОСТЕРІГАЧА УПРИРОДЕ

«На думку, миша може переробити світ, просто подивившись нею?»

(Ейнштейн про роль спостерігача у Всесвіті — «Миша Ейнштейна»).

«Головною проблемою квантової механіки – це питання, що відбувається у момент “реалізації” хвильової функції. Чому пласка хвиля електрона “реалізується” лише у точці фотопластини? Чи є наша нездатність “обчислити”, яка саме з наявних можливостей “реалізується”, фундаментальним законом природи, або ж наслідком недосконалості використовуваних нами методів і приладів. Сам процес “реалізації” як і не уловимо, як обрій чи підставу веселки. Коли він відбувається? У час взаємодії хвильової функції зфотопластиной, що є “класичним” об'єктом, або ж у момент “спостереження” експериментатора зафотопластиной? І що так виділено “спостерігач”, що він право вибирати яким із можливих шляхів піде світ далі?

Принципова новизна квантової механіки від класичної також у тому, що її передбачення маютьвероятностний характер. Це означає, що минихуя не знаємо поспіль не можемо точно передбачити, у який саме місце потрапляє, наприклад, електрон в розглянутий вище експерименті, які б досконалі засоби спостереження та виміру ні використовували. Можна оцінити лише його шанси потрапити до певний місце, отже, застосувати при цьому поняття й ефективні методи теорії ймовірностей, яка служить для аналізу невизначених ситуацій.

У квантової механіці будь-яке стан системи описується з допомогою так званої хвильової функцією матриці щільності, та на відміну від класичної механіки ця матриця визначає параметри її майбутнього стану не достовірно, а лише з тим чи іншого мірою вірогідності. Найважливіший філософський вихід із квантової механіки залежить від принципової невизначеності результатів вимірювання, і, отже, неможливості точного передбачення майбутнього.

Це комбінації з принципом невизначеності Гейзенберга, а як і іншими теоретичними і експериментальними даними змусило деяких вчених поставити під сумнів класичної механіки і припустити, що з мікрочастинок взагалі немає жодних внутрішніх властивостей і вони під час виміру. Деякі дослідники припустили, що роль свідомості експериментатора в існуванні усього Всесвіту є трохи більш ніж вирішальної, оскільки до квантової теорії, саме спостереження створює чи частково створює бачимо». [3]

> КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛІЗМ

> Корпускулярно-волновой дуалізм - це теорія у тому, що будь-який речовина (електромагнітне випромінювання, фізичне тіло, атом тощо.) представляється на мікрорівні і як частинки (корпускули), як і хвилі. Зокрема, світло - те й корпускули (фотони), і електромагнітні хвилі.

Французький учений Луї деБройль (1892-1987) усвідомлюючи яка у природі симетрію і розвиваючи ставлення до двоїстоїкорпускулярно-волновой природу світла, висунув 1923 р. гіпотезу універсальність корпускулярно-хвилястого дуалізму. Він стверджував, що українці фотони, а й електрони й інші частки матерії поруч ізкорпускулярними мають також хвилевими властивостями. Відповідно до деБролю, з кожниммикрообъектом зв'язуються, з одного боку, корпускулярние характеристики - енергія E і імпульсp, з другого боку - хвильові характеристики - частота й довжину хвилі.

Оскількидифракционная картина досліджувалася для потоку електронів, необхідно було довести, що хвильові властивості властиві кожній електрону окремо. Це вдалося експериментально підтвердити в 1948 р. радянському фізику У. А.Фабриканту. Він довів, що у разі настільки слабкого електронного пучка, коли кожний електрон проходить через прилад незалежно з інших, що виникає при тривалої експозиціїдифракционная картина не відрізняється від дифракційних картин, одержуваних при короткій експозиції для потоків електронів кілька десятків мільйонів раз більш інтенсивних.

Сучасне трактування корпускулярно-хвилястого дуалізму має словами фізика У. А.Фока (1898-1974): " Можна сміливо сказати, що з атомного об'єкта існує потенційна можливість почуватися, залежно від зовнішніх умов, або як хвиля, або мов частка, або проміжним чином. Саме в потенційної до різноманітних проявів властивостей, властивихмикрообъекту, і полягає дуалізм хвиля - частка. Будь-яке інше, більш буквальне, розуміння цього дуалізму як який-небудь моделі неправильно".

КІТШРЕДИНГЕРА

Однією з запорук квантової механіки є так званий принципсуперпозиции (накладення). Відповідно до цього принципу є кілька станів, відповідальних різним хвильовим функцій, це вони мають стану, описувані лінійними комбінаціями цих функцій.

Розглянемо умоглядний проведений експеримент із так званим " котом Шредінгера", який прояснює принципсуперпозиции. Кота вміщують у коробку. У ньому, крім кота, перебуває капсула з отрутним газом (чи бомба), яка може вибухнути з 50-відсотковою ймовірністю завдяки радіоактивного розпаду атома плутонію чи випадковозалетевшему кванту світла. Невдовзі коробка відкривається і з'ясовується, живий кіт чи ні. До того часу поки коробка не відкрита (не вироблено вимір), кіт досі усуперпозиции двох станів: " живої" і " мертвий". Описуючи з допомогою хвильових функцій всієї системи (коробку), включаючи кота, ЕрвінШредингер в 1935 року дійшов парадоксального висновку. Складався він у тому, що з станами, відповідають живому чи мертвому котові, відповідно до квантової механіці, є і суперпозиція цих станів. Інакше кажучи, має існувати стан, коли кіт " ні живий, ні мертвий" (чи живий і мертвий одночасно). Що стосується оточуючим нас об'єктах що ситуація виглядає трохи дивно. Проте задля елементарних частинок перебування одночасно у двох, начебто, взаємовиключних станах цілком природно.

Нещодавно група Джонатана Фрідмана з Нью-йоркського університету отримала одна з доказів те, що законам квантової теорії підвладні як елементарні частки, а й макроскопічні об'єкти. Вчені показали, що як і, як кіт Шредінгера, може поводитися електричний струм всверхпроводящем кільці. Дослідники домоглися такої мірисверхпроводящего кільця, у якому струм у ній протікав це й по годинниковий, та " проти годинниковий стрілки.

Одне з найважливіших понять квантової теорії поля є уявлення про вакуумі. Фізичний вакуум не порожнє місце. Якщо полю, що у вакуумному стані, повідомити достатню енергію, це відбувається його порушення народження частинок - квантів цього поля.

> ИНТЕРПРИТАЦИЯКВАНТОВОЙМЕХАНИКИ

Інтерпретації квантової механіки — спроба одержати відповідь питанням що ж, по суті, каже квантова механіка? Квантова механіка вважається «найбільш вивіреної і найуспішнішою теорією історія науки», але основне питання — який її глибинний зміст — усе ще відкритий.

> Копенгагенская інтерпретація — найпопулярніше інтерпретація в сучасномуквантмехе. Стверджує, що у квантової механіці результат виміру принциповонедетерминирован, авероятностний характер пророцтв квантової механіки принциповонеустраним.Копенгагенская інтерпретація відкидає запитання на кшталт «де була частка доти, який у мене зареєстрував її місце розташування» у вигляді фундаментального обгородження. Послідовники інтерпретації поголовно складаються з «мишей Ейнштейна», оскільки впевнені, що став саме процес виміру випадково вибирає з точністю жодну з можливостей, допустимих хвильової функцією даного стану, а хвилева функція миттєво змінюється, аби відбити цей вибір.

> Многомировая інтерпретація — це інтерпретація квантової механіки, яка передбачає існування «паралельних вселених», у кожному у тому числі діють одні й самі закони природи й яким властиві одні й самі світові постійні, проте вони перебувають у різноманітному вигляді. Під час проведення будь-якого квантового експерименту всесвіт розщеплюється настільки вселених, скільки є можливих фіналів експерименту, і кожен із результатів стовідсотково реалізується у а такою, а спостерігач, опинившись знов-таки на а такою, бачить свій одне конкретне результат. Що стосується «> двухщелевим досвідом» (Досвід Юнга) відбувається таке: при підльоті до щілини всесвіт роздвоюється, і фотон вилетить із творців тієї щілини, у Всесвіті якій опиниться спостерігач. Відповідно спостерігач констатує що досвід вдався. І навпаки: якщо спостерігач опиниться у тієї всесвіту, де фотон не вилетить (цебто в насправді він вилетить, лише у тієї всесвіту де спостерігача немає), то спостерігач констатує, що досвід був замалий. За сформованою думкою противників КФ, дана гіпотеза вважається самої науково-фантастичній. Проте, безліч авторитетних вчених визнають цю гіпотезу право існувати.

Теорія прихованих параметрів намагається пояснити результати квантових експериментів неповнотою наших знання мікросвіті. Цілком логічні у своїй основі ейнштейнівські ідеї цієї теорії, тим щонайменше, не підтверджуються експериментально, а проведені перевірки нерівності Белла безпосередньо спростовують існування прихованих параметрів.

> Транзактная інтерпретація квантів стверджує, що частка посилає запит у майбутнє (хвиля пропозицію) і навіть отримує із майбутнього (хвиля підтвердження). Ступінь збіги фаз визначає амплітуду.Квадрат амплітуди визначає ймовірність події. Такий їхній підхід розв'язує проблеми спостерігача (парадокс кота Шредінгера, і мишіЭйнштейна).[4]

З іншого боку, багато фізики дійшли так званої «ніякої» інтерпретації квантової механіки, лаконічно що у афоризмі ДевідаМермина: «Заткнися і вважай!»