Корпускулярная концепция описания природы

Физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения, называются квантованными. А само их выражение через квантовые числа называется квантованием. Сама идея квантования сформировалась на основе ряда открытий в конце 19-го – начале 20-го века. Рассмотрим основные из них.

В 1897 г. был  открыт электрон. Его заряд оказался наименьшим, элементарным. Заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов. Таким образом, заряд дискретен, а равенство q=±ne представляет собой форму квантования электрического заряда.

Тепловое  излучение. Во второй половине 19 в. в результате исследования теплового излучения был открыт ряд законов: Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Однако из теории, основанной на традиционных представлениях об электромагнитных излучениях, следовало, что энергия теплового излучения на всех частотах (во всем интервале длин волн)равнялась бесконечности, что противоречило закону сохранения энергии. Особенно ярко это противоречие проявлялось в области коротких длин волн, поэтому оно получило название «ультрафиолетовой катастрофы».

В 1900 г. Макс Планк (1858-1947) для выхода из этой ситуации предложил следующую гипотезу (впоследствии названную квантовой гипотезой Планка): электромагнитное излучение испускается отдельными порциями – квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения. Гипотеза Планка фактически стала началом новой физики – квантовой физики (старая при этом получила название классической). Согласно этим представлениям энергия кванта e = h×n, где n - частота, а h – постоянная Планка, равная 6,626×10^-34 Дж×с. Она является фундаментальной физической константой (квант действия).

Таким образом, если в классической физике считалось, что энергия может изменяться непрерывно и принимать любые, сколь угодно близкие значения, то согласно квантовым представлениям, она может принимать лишь дискретные значения, равному целому числу квантов энергии W =n×h×n, где n = 1,2,3… - целые числа.

В конце 19 в. в результате экспериментов были установлены законы фотоэффекта – явления выбивания электронов из вещества под действием света: 1) независимость энергии выбиваемых электронов от интенсивности света, а зависимость ее только от частоты световой волны и 2) наличие для каждого вещества «красной» границы фотоэффекта, т.е. минимальной частоты, при которой фотоэффект еще возможен. Эти законы не могли быть объяснены на основе представлений ЭМКМ.

В 1905 г. А. Эйнштейн, приняв гипотезу Планка, расширил ее, предположив, что свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается тоже квантами (названными впоследствии фотонами). Таким образом, свет представляет собой поток световых частиц – фотонов. Как видно, это возвращает нас к корпускулярным воззрениям Ньютона, но на новом уровне.

Энергия фотона e = h×n = mc², импульс P = mc = hn/c = h/l. Эти соотношения означали, что масса покоя фотона m₀ = 0 (покоящийся фотон не существует), а скорость его равна скорости света. Масса движения фотона m = hn/c² = P/c. На основе фотонных представлений и закона сохранения и превращения энергии Эйнштейн записывает основное уравнение фотоэффекта hn = A + E_k (энергия фотона расходуется на работу выхода электрона из атома и придание ему кинетической энергии.⁶

2. Полевые структуры – континуальная  концепция описания природы

Среди фундаментальных понятий существенное место занимают поля, в частности - электромагнитное поле. Понятие поля используется в различных естественных науках достаточно широко. Полем называют любое физическое свойство, проявляющееся в некоторой области пространства, причем в разных точках это свойство может иметь различные значения.

В классической, макроскопической физике известны только два фундаментальных поля - электромагнитное и гравитационное. Остальные фундаментальные поля, известные в современной физике, действуют только в микроскопических масштабах и не проявляются в макроскопических масштабах (точнее - проявляются практически только в свойствах атомных ядер). Фундаментальные явления нельзя "объяснить", сводя их к явлениям более глубокого уровня, их свойства необходимо просто описать как можно точнее и, по возможности, нагляднее. Основные свойства фундаментального поля - это законы его возникновения, взаимодействия с другими видами материи и движения. Именно так физика описывает фундаментальные поля.⁷

Законы макроскопического электромагнитного поля были детально изучены в 19-м веке и сформулированы в работах английских физиков Майкла Фарадея, который внес большой вклад в экспериментальное изучение электромагнитных явлений и ввел в науку представление об их распределении в пространстве, и Джеймса Клерка Максвелла, который на основе идей Фарадея сформулировал математическую теорию электромагнитного поля. Для электромагнитных явлений уравнения Максвелла играют такую же роль, какую в механике играют уравнения Ньютона. Из них следует вся динамика поля, закон его движения - электромагнитное поле распространяется со скоростью света, существование распределенной в поле энергии, импульса, вращательного импульса. Вся современная электротехника и радиотехника, включая космические средства связи, основаны на этих законах. Подчеркивая колоссальное значение теории Максвелла, знаменитый австрийский физик Людвиг Больцман, предпослал переводу его сочинений на немецкий язык эпиграф: "Тот, кто начертал эти знаки, был сам бог".

Второе фундаментальное поле - поле тяжести или гравитационное поле. Закон всемирного тяготения, открытый Ньютоном в конце 17-го века, описывает взаимодействие тел через гравитационное поле, но не законы движения этого поля. Эти законы были найдены только в 1916 г., когда Альберт Эйнштейн установил геометрический смысл гравитационного поля: как уже было сказано, согласно общей теории относительности Эйнштейна, тяжелые тела изменяют геометрию окружающего пространства, которое становится "искривленным", неевклидовым, это искривление пространства и является полем тяготения, в таком пространстве движение тел происходит не по прямым линиям, а искривляется, что и наблюдается экспериментально.

Общая теория относительности не отвергает, а уточняет закон всемирного тяготения Ньютона и дополняет его законом распространения поля. При смещении тел, создающих гравитационное поле, изменение поля распространяется не мгновенно, а со скоростью света. Детальное описание свойств гравитационного поля требует использования сложного математического аппарата неевклидовой геометрии, поэтому, несмотря на довольно прозрачный смысл исходных идей, разработка общей теории относительности потребовала от ее создателя гениальной интуиции и колоссального труда. Эта теория считается до сих пор одним из наиболее красивых достижений человеческой мысли.

На микроскопическом, даже субмикроскопическом, т. е. внутриядерном уровне действуют  еще два фундаментальных поля, определяющие сильное и слабое взаимодействие элементарных частиц. Сильное взаимодействие определяет энергию связи частиц ядра, протекание интенсивных внутриядерных процессов, слабое - вызывает процессы, сопровождающиеся меньшим выделением энергии.

Таким образом, существуют 4 фундаментальные  взаимодействия. Их интенсивность характеризуется соответствующим зарядом, аналогичным электрическому. В универсальных безразмерных единицах элементарный электрический заряд имеет величину 1/137. В этих единицах "сильный" заряд равен примерно 15, "слабый" - 10^-5 гравитационный - 10^-40- В таблицах свойств частиц указывается не эта величина, а число таких зарядов, например, электрон и протон имеют заряды 1 и +1, т. е. по одному заряду такой величины. Кроме величины заряда, взаимодействия характеризуются и радиусом действия. Для сильного взаимодействия этот радиус имеет величину порядка 10^-15 м, для слабого - 10^-17м. Такой малый радиус действия приводит к тому, что внутриядерные, поля любой интенсивности не обнаруживаются вне ядер, а на макроскопических расстояниях действуют только гравитационные и электромагнитные силы.

Четыре взаимодействия различаются  и "охватом". В гравитационном взаимодействии участвуют все виды материи, включая все поля, в слабом - все частицы, но не гравитационное и , электромагнитное поля, в электромагнитном - только электрически заряженные частицы, в сильном - только часть частиц, их называют сильновзаимодействующими. Чем "универсальнее" силы, тем они слабее. Это дает возможность изучить слабое взаимодействие в процессах, в которых не участвует сильное.

3. Единство корпускулярных и  волновых свойств

В основе современной квантово-полевой  картины мира  лежит новая физическая теория – квантовая механика, описывающая состояние и движение микрообъектов. Это – четвертая (после механики, электродинамики и теории относительности) фундаментальная физическая теория. Она является базой для развития современного естествознания.

В основе квантовой механики лежат  фундаментальные идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновом дуализме (единстве корпускулярного и континуального подхода к описанию мира).

В истории развития учения о свете  сменяли друг друга корпускулярная теория света (Ньютон) и волновая (Р. Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель), представлявшая свет как механическую волну. В 70-х  годах после утверждения теории Максвелла под светом стали понимать электромагнитную волну.

В начале 20-го века на основе экспериментов  было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Было также обнаружено, что в проявлении этих свойств существуют вполне определенные закономерности: чем меньше длина волны, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света.

В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул смелую гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы, имеющие конечный импульс Р, обладают волновыми свойствами. Так в физике появилась знаменитая формула де Бройля , где m – масса частицы, V – ее скорость, h – постоянная Планка.⁸

В настоящее время волновые свойства микрочастиц находят широкое  применение, например, в электронном микроскопе. Современные электронные микроскопы позволяют видеть молекулы и даже атомы вещества (увеличение в 105-106 раз).

При проявлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальная возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность (диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств материи).

По современным представлениям квантовый объект – это не частица, не волна, и даже не то и не другое одновременно. Квантовый объект – это нечто третье, не равное простой сумме свойств частицы и волны. Для выражения свойства квантового объекта у нас в языке просто нет соответствующих понятий. Но, поскольку сведения о микрообъекте, о его характеристиках мы получаем в результате взаимодействия его с прибором (макрообъектом), то и описывать этот микрообъект приходится в классических понятиях, т.е. используя понятия волны и частицы.

Итак, из сказанного выше следует, что  корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Эта идея была высказана Н. Бором и положена им в основу важнейшего методологического принципа современной науки, охватывающего в настоящее время не только физические науки, но и все естествознание – принципа дополнительности (1927). Суть принципа дополнительности по Н. Бору сводится к следующему: как бы далеко не выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных.

Важно отметить, что идея дополнительности рассматривалась Бором как выходящая  за рамки чисто физического познания. Он считал (и эта точка зрения разделяется в настоящее время), что интерпретация квантовой механики «имеет далеко идущую аналогию с общими трудностями образования человеческих понятий, возникающих из разделения «субъекта и объекта».

Принцип дополнительности, как общий  принцип познания может быть сформулирован  следующим образом: всякое истинное явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизнь, психика и др. Бор, в частности, видел необходимость применения принципа дополнительности в биологии, что обусловлено чрезвычайно сложным строением и функциями живых организмов, которые обеспечивают им практически неисчерпаемые скрытые возможности.

Все рассмотренные ранее картины мира отличались своей трактовкой таких фундаментальных понятий как пространство и время, движение, принцип причинности, взаимодействия. Рассмотрим, как они представлены в КПКМ.

Пространство и время. При рассмотрении МКМ подчеркивалось, что пространство и время в ней абсолютны и независимы друг от друга. Для характеристики объекта в пространстве вводились три пространственные координаты (X,Y,Z), а для обозначения времени независимо от них вводилась одна временная координата t. В СТО и ЭМКМ они потеряли абсолютный и независимый характер. Появилось новое пространство-время как абсолютная характеристика четырехмерного Мира (пространственно-временного континуума Минковского). И новая величина – пространственно-временной интервал стал оставаться неизменным (инвариантным) при переходе от одной системы отсчета к другой.

Причинность. В МКМ при описании объектов используется два класса понятий: пространственно-временные, которые дают кинематическую картину движения и энергетически импульсные, которые дают динамическую (причинную) картину. В МКМ и ЭМКМ они независимы. В КПКМ, в соответствии соотношением неопределенностей они не могут применяться независимо друг от друга, они дополняют друг друга. Таким образом, пространство, время и причинность оказались относительными и зависимыми друг от друга.⁹

Независимость пространства, времени  и причинности в МКМ позволяет  говорить о точной локализации объекта  в пространстве, его траектории, об однозначной причинно-следственной связи (лапласовский детерминизм), об одновременном, точном измерении координат и скорости, энергии и времени.

В квантовой механике относительность  пространства-времени и причинности 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 частицы подчиняется не динамическим (детерминистским), а статистическим законам. Таким образом, причинность в современной КПКМ имеет вероятностный характер (вероятностная причинность).