Вольфганг Паули

Д£ • Д/ = А,

где А£ = Ej — £| — разность энергий в два различных момента времени, разделенных промежутком St. С точки зрения кванто­вой физики роль измерительного прибора состоит как бы в «приготовлении» квантового состояния (как — неясно: мифиче­ский «черный ящик»). Поэтому считают, что принцип дополни­тельности Бора объективно отражает поведение квантовых систем и не связан с существованием экспериментатора, прово­дящего измерения. Таким образом, квантово-механическая не­определенность, выражаемая через принцип неопределенности Гейзенберга, входит составной частью в более общий принцип дополнительности Бора.

Отметим, что современная теория строения атома также ос­нована на квантово-механических представлениях; в частности, используя идею о свойствах электрона, Паули сформулировал принцип, позволяющий объяснить расположение электронов по оболочкам.

Классическое представление о планетарной модели атома и орбитах электронов было заменено волновой механикой и кван­товой теорией элементарных процессов. Не будем остана&чи- ваться на физических деталях проблемы строения вещества. Они достаточно сложны для общего понимания нашего курса, но от­метим только, что они хорошо описывают природу микромира и его закономерности и с ними можно ознакомиться по соответст­вующим физическим курсам.

5.6. Квантовая механика и обратимость времени

Сделаем одно общее замечание, касающееся упомянутых ра­нее свойств времени. Мы уже видели, что ни Ньютон, ни Эйнш­тейн в своих уравнениях движения формально не получили «стрелы времени», и тем самым «разрешили» телам и частицам вольно двигаться во времени. Оказалось, что так тонко построен­ная квантовая механика, правильно отражающая событии в мик­ромире, также не вносит ничего нового в понимание процессов времени при движении квантовых частиц. Вероятно, это связано с тем, что в квантовое уравнение движения Шрёдингера волновая функция v входит в квадрате и имеет реальный физический смысл как |vp.

Кроме того, согласно Эйнштейну гравитация проявляется в кривизне пространства-времени. Поэтому в квантовой теории гравитации Вселенной структура пространства—времени и его кривизна должны флуктуировать, поскольку квантовый мир ни­когда не находится в покое и имеет вероятностный характер. Эти флуктуации не обнаруживаются в макромире из-за малой величины постоянной Планка А, которая определяет область проявления квантово-механических свойств. В связи с этим по­следовательность событий, ход времени могут быть другими, чем в классической и релятивистской механиках. Вполне вероятно, что они еще не открыты.

5.7. Квантовая электродинамика

Результаты и идеи квантовой теории позволили построить новый раздел современной физики — о движении заряженных микрочастиц, учитывая их квантово-механическую природу, — квантовую электродинамику. Огромный вклад в эту физику внес Нобелевский лауреат Р. Фейнман. По существу, здесь рассмат­ривается квантовая природа электромагнитного поля, и посколь­ку движение заряженных микрочастиц есть всеобщее явление природы, то можно сказать, что квантовая электродинамика описывает все явления физического мира, за исключением гра­витации и радиоактивности. Эта теория проверялась в диапазоне размеров от ста диаметров Земли до одной сотой атомного ядра, и точность предсказаний была поистине потрясающей. Напри­мер, вычисленное на ее основе значение собственного магнит­ного момента электрона совпадает с полученной из эксперимен­та величиной до 10^_6. Чтобы оценить такую точность совпаде­ния, как писал Р. Фейнман [180], надо измерить расстояние от Нью-Йорка до Лос-Анджелеса с точностью до толщины челове­ческого волоса!

Конечно, надо понимать, как указывает Р. Фейнман, что этот расчет относится к отдельным электронам и частицам, и не забывать о том, что их много и для их описания требуется веро­ятностный подход. Мы не будем дальше касаться квантовой электродинамики не только потому, что изучаем не физику, а современное естествознание, но и потому, что это потребует большого объема объяснений. Любознательные и пытливые могут почерпнуть массу интересного о ней в замечательных на- учно-популярных книгах Фейнмана, как будто специально на­писанных для иллюстраций могущества и торжества физики в

проблемах современного естествознания, и в его известных фейнмановских лекциях по физике. Это позволит оценить кра­соту (с научной точки зрения!) нашего прекрасного мира и вмес­те с тем получить физическое представление о мире, которое, по мнению Фейнмана, и составляет главную часть истинной куль­туры нашего времени. Однако уместно было бы привести и за­мечание редактора русского перевода фейнмановских лекций по физике Смородинского: «В действительности выучить формулы и уравнения, пожалуй, легче, чем следовать физическим рассуждени­ям и понимать логику явлений природы, которая часто выглядит очень странной». Впрочем об этом говорил и сам Фейнман в сво­ей нобелевской лекции в 1965 г. [180].

В заключение отметим, что физические явления в микромире подчиняются другим законам, чем в классической и релятивист­ской механике. Логично было бы спросить: может ли проявлять­ся тяготение в микромасштабах? На этот вопрос могла бы отве­тить квантовая теория гравитации, но ее пока нет, поскольку нет теории тяготения, согласованной с квантово-механическими принципами и принципом неопределенности. Будем, тем не ме­нее, оптимистами и вслед за С. Хокингом считать, что, несмотря на то что «квантовая теория — это совершенно иная картина ре­альности, которую даже специалисты понимают не очень хорошо, современные парадоксы этой теории будут восприниматься детьми наших детей как самые общие понятия».

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое корпускулярно-вол- новой механизм?

2. В чем состоит гипотеза Луи де Бройля?

3. Как надо понимать квантовую гипотезу Планка? Каков физический смысл постоянной Планка?

4. Какие экспериментальные подтвер­ждения квантовой гипотезы Вы знаете?

5. Приведите примеры проявления дискретных и вероятностных свойств вещества и поля.

6. В чем заключается универса­лизм принципа дополнительности в современном естествознании?

7. В чем состоит физический смысл волновой функции?

8. Каким уравнением описывается движение квантово-механических час­тиц?

9. Вытекает ли из уравнения Шрё- дингера однонаправленный ход време­ни? Почему?

10. Почему нельзя применить классическую механику для описания поведения частиц в микромире?

ЛИТЕРАТУРА

3, 8, 19, 26, 63, 73, 180.

В чем проявляется вероятност­ный характер физических законов микромира

?

Самое удивительное в природе — это то, что мы можем ее понять.

А. Эйнштейн

Чем постижимей становится Вселенная, тем она кажется бес-' емысленней. ₄