Глава 5

ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ И КВАНТОВОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИК

И

Квантовая механика — это пол­ная загадок и парадоксов дисцип­лина, которую мы не понимаем до конца, но умеем применять.

Гелл-Манн

Квантовую механику не понимает никто.

Р. Фейнма

н

5.1. Описание процессов в микромире

Как мы убедились (гл. 2 и 4), классическая и релятивистская механика дают ответ на многие вопросы движения больших объ­ектов и с большими скоростями, вплоть до скоростей света. Од­нако ряд физических фактов, связанных с движением и взаимо­действием света с веществом, не укладывается в известные зако­ны механики. Рассмотрим кратко эти явления и проследим, как они привели к механике микромира, или квантовой механике, и в рамках ее были объяснены.

Предварительно отметим два соображения

.Первое. Несмотря на точность количественных законов классической механики, в том числе и в объяснении движения планет, природа сил тяготения так до сих пор и не выяснена. И. Ньютон лишь объяснял как, а не почему движутся тела, и го­ворил по этому поводу: «Гипотез я не измышляю». В релятивист­ской механике Эйнштейну пришлось несколько изменить закон тяготения в соответствии с положениями теории относительнос­ти. Как известно, согласно ОТО расстояние между объектами нельзя преодолеть со скоростью, большей скорости света, а со­гласно классической механике И. Ньютона это происходит мгновенно. Наличие у света энергии и массы приводит к иск­ривлению световых лучей около массивных тел, и сила тяготе­ния изменяется. Но это не объясняет природу тяготения, хотя А. Эйнштейн и пытался связать тяготение через геометрическую механику с искривлением пространства—времени.

Второе. Классическая, и релятивистская механика фор­мально не возражают против движения и в будущее, и в про­шлое, не выделяют стрелу времени. Это положение приводит к мысли, что мы что-то не учитываем при таком количественном описании движения тел. Природа не все позволила нам пока от­крыть! Наконец, нельзя не обратить внимание на формальное совпадение законов тяготения по Ньютону и взаимодействия электрических зарядов по Кулону. Возникает предположение, что в этой закономерности также имеется глубокий смысл. Од­нако, как указывал Р. Фейнман [180], до сих пор никому не уда­валось представить тяготение и электричество как два разных проявления одной и той же сущности.

Переходя от рассмотрения характера движения в макромире к явлениям микроскопического масштаба, т.е. порядка размеров атомов и элементарных частиц, можно отметить, что описывать такие явления привычными нам терминами не удается. Это свя­зано, по-видимому, с психологией сознания, и человеку трудно найти сопоставления из реальной обыденной жизни с тем, что происходит как в мегамире (релятивистская механика), так и микромире (квантовая механика). Язык людей, выражающий то, что отражается в нашем сознании от восприятия реальных для нас макрообъектов классической механики, вероятно, не подхо­дит для описания событий в микромире, хотя попытка исполь­зования его и объясняется естественным стремлением находить подтверждение выведенным законам на макроскопическом уровне.

Можно понять, что происходит в микромире, можно даже на­писать математические законы, отражающие это понимание, но объяснить процессы в этом микромире на вербальном уровне очень сложно, а может быть, и невозможно. Приведем высказы­вание В. Гейэенберга по поводу того, что говорить обычным языком о квантовой теории очень сложно: «...непонятно, какие слова надо употребить вместо соответствующих математических символов. Ясно одно: понятия обычного языка не подходят для обычного описания строения атомов». Мы пытаемся говорить о принципиально новых явлениях на языке старых представлений. Такая ситуация часто обусловлена еще и тем, что нам проще иметь дело с представлениями о реальности (теория всегда абст­рактна, и теоретические модели подчас «навязывают» природе свои законы, исходя, например, из того же антропного принци­па), чем с самой реальностью. И мы, как правило, смешиваем одно с другим и принимаем свои символы и понятия за реаль­ность. Ф. Капра в своей книге «Дао физики» [11], сравнивая современную физику и восточный мистицизм и находя в них много общего, отмечал, что все понятия, используемые нами для описания природы, ограничены, они могут не являться свойст­вами действительности, а есть продукты мышления — части кар­ты, а не местности. Значит, для описания явлений микромира надо преодолеть некий «лингвистический барьер» и говорить на адекватном этому миру «квантовомеханическом» языке. В этом смысле создание квантовой механики является поистине револю­цией не только в физике, но и в современном естествознании в це­лом. Н. Бор говорил: «Если у человека при первом знакомстве с квантовой механикой голова не идет кругом, то он не понимает в ней ничего».