2. Квантово-полевая картина мира

Разрешение затруднений классической физики в описании явлений микромира было связано с осознанием ограниченности применения ее моделей для этой области, необходимости смены аксиоматического аппарата и разработки новых методов исследования. Завершилось оно рождением новой механики - квантовой - теории, устанавливающей способ описания и законы движения микрочастиц во внешних полях.

Первой важной вехой в ее становлении стала квантовая гипотеза Планка-Эйнштейна: свет излучается, распространяется и поглощается квантами, энергия которых определяется выражением

Разрешение этой парадоксальной ситуации привело Н.Бора к открытию принципа дополнительности:

Ни одна теория не может описать объект столь исчерпывающим образом, чтобы исключить возможность альтернативных подходов. «Несовместимости» с точки зрения классической науки в рамках неклассической не исключают, а дополняют друг друга.

Эти «несовместимости» представляют не реализуемые друг без друга две стороны одной медали.

В 1927 году американцами К. Дэвиссоном и Л. Джермером и независимо от них советским ученым П.С.Тартаковским волновые свойства электронов были обнаружены в эксперименте по дифракции электронов на кристаллических структурах. Экспериментально измеренная длина волны lэ = 1,23*10-10м совпала с большой точностью с рассчитанной по формуле де Бройля. Позднее будут обнаружены волновые свойства и у других микрочастиц.

Дальнейшие исследования в области микромира показали, что затруднения Бора были вовсе не случайными. Дело в том, что он в своей теории попытался объединить необъединяемое: квантование энергии и импульса электрона с представлением о нем как некоем заряженном шарике, движение которого по орбите подчиняется законом классической механики. Построение такого «кентавра» оказалось бесперспективным, но оно стимулировало ученых на пересмотр классических представлений о фундаментальных свойствах материи на уровне микромира. Микрочастицы сами по себе не являются ни корпускулами, ни волнами, ни их симбиозом. Их просто невозможно представить наглядно. Но это не мешает нам использовать условные модели и математические абстракции для объяснения их свойств - массы, спина, энергии, импульса, времени жизни и других. Микрочастицы имеют потенциальную способность проявлять корпускулярные или волновые свойства в зависимости от условий наблюдения. Наблюдая их треки в камере Вильсона, мы можем охарактеризовать корпускулярные свойства микрочастиц. Наблюдая их дифракцию на различных структурах, мы можем охарактеризовать их волновые свойства.

Рассматривая вероятностный характер поведения микрочастиц, современная наука пришла к выводу, что именно статистические, а не динамические закономерности являются фундаментальными. Это значит, что фундаментальность динамических закономерностей проявляется только в рамках механической картины мира. Законы сохранения не отменяют вероятностной природы процессов, они лишь формируют условия, при которых вероятность протекания определенных процессов равна нулю. Например, сохранение массы, импульса, энергии, заряда и других величин жестко выполняется только в закрытых системах. В квантовой механике яркой иллюстрацией этому являются правила запрета для энергетических переходов (правила отбора). Правила отбора и свойства объектов определяют характер спектров в радиоволновой, оптической и рентгеновской областях шкалы электромагнитных волн.

Применение принципа неопределенности к квантовым системам позволило объяснить такие необъяснимые с точки зрения классической физики явления как туннельный эффект (просачивание a-частиц сквозь потенциальный барьер) и ряд других. Более того, его философское осмысление показало, что случайность и неопределенность есть фундаментальное свойство природы и присуще всему, начиная от элементарных частиц до одухотворенной деятельности человека.

Гейзенберг первым поставил вопрос о влиянии наблюдателя, приборов и условий на производимый эксперимент, полученные в его ходе результаты и их интерпретацию. Если классическая физика понимает роль экспериментатора как стороннего наблюдателя, то в квантовой механике он является составной частью системы, в которой наблюдается явление, и принципиально неотделим от объекта наблюдения. Он не просто «созерцатель» событий, происходящих в исследуемой системе, он их активный участник. Используя измерительные приборы, он, пусть и незначительно, но вмешивается в ход протекающих событий. И не учитывать этого нельзя.

В процессе становления квантовой механики удалось установить некоторые фундаментальные принципы, отражающие закономерности природы и принципы, позволяющие найти соотношения между новой и старой картинами мира (принцип дополнительности, принцип соответствия, принцип неопределенности и др.). Квантовая механика смогла объяснить электронную структуру химических элементов и спектральные закономерности, обосновать периодическую систему, построить теорию химической связи, стать базой для развития квантовой химии и фотохимии. Под ее влиянием сформировались новые направления синтетической химии, сложились новые представления о строении жизненно важных биополимеров и их метаболизме ( превращении) в живых организмах. Она подвела к пониманию принципиального отсутствия абсолютного знания и внешнего абсолютного наблюдателя, к признанию его частью развивающейся системы, и существенно повлияла на представление о причинно-следственных связях, заложенное в классическом детерминизме.

Рождение квантовой механики было сложным и трудным. Ее понятия, представления и абстракции нелегко давались и самим ученым. Об этом свидетельствуют их собственные многочисленные воспоминания о том, как мучительно шел процесс становления знаний, поисков философских обоснований теории и смены мировоззрения. Планк, выдвинувший квантовую гипотезу, до конца жизни тяготился ею и пытался искать компромиссные варианты. Эйнштейн, сомневаясь в вероятностном характере поведения микрочастиц, утверждал: «бог не играет в кости», Шредингер, получивший свое знаменитое уравнение, поначалу затруднялся объяснить физическую суть волновой функции. Гейзенберг до последних дней пытался найти «мировую формулу» - уравнение, из которого можно получить весь спектр свойств элементарных частиц.

Вслед за рождением квантовой механики последовал целый каскад принципиальных изменений в других областях естествознания, в основу которых были заложены новые представления о структуре микромира. В химии - это, прежде всего, квантовая химия, в биологии - новый виток в развитии молекулярной биологии и молекулярной генетики. Развитие идей квантовой механики способствовало появлению и развитию новой экспериментальной техники и новых теоретических методов исследования строения вещества (молекулярная, атомная и ядерная спектроскопия, квантовая теория проводимости, нелинейная оптика и т.д.). Благодаря квантовой механике на новую ступень поднялась ядерная физика, что имеет огромное значение для жизни человечества: это возможности использования энергии ядра, поиски путей получения энергии за счет термоядерных реакций. Но у достижений квантовой механики есть и другая сторона. Ее исследования напрямую способствовали разработке ядерного и термоядерного оружия, оружия такой разрушительной силы, которая в один момент способна разрушить мировую цивилизацию.