Лекция 3. Образы природы в неклассическом

естествознании

1. Корпускулярно-волновой дуализм. Принцип дополнительности Н. Бора.

2. Соотношение неопределенностей и вероятностный детерминизм в квантовой механике.

3. Концепция относительности А. Эйнштейна и ее философско-мировоззренческое значение.

1. Корпускулярно-волновой дуализм. Принцип дополнительности Н. Бора

К концу XIX в. на счету физики было немало успехов. Удалось достичь глубокого понимания природы электричества и магнетизма, были открыты радиоволны, на твердую основу встала атомистическая теория. И хотя это заставило физику выйти за пределы доступных человеку непосредственных восприятий, новые идеи формулировались путем простой экстраполяции привычных представлений. Атомы рассматривались как всего лишь крохотные подобия бильярдных шаров. Электромагнитные поля мыслились как напряжение в гипотетической среде, названной эфиром, а световые волны – как колебания эфира. Таким образом, хотя атомы ввиду их слишком малых размеров были недоступны непосредственному наблюдению, а таинственный эфир – невидим и неосязаем, с помощью аналогий с хорошо известными объектами им удавалось придавать наглядность. Предполагалось также, что этими невидимыми конструкциями управляют те же законы, которые действуют в мире более конкретных, знакомых физических систем.

Это было время революционных перемен в науке – не одной, а двух, последовавших одна за другой. Сначала появилась квантовая теория, открывшая новый подход к пониманию микромира; затем настал черед теории относительности, сплавившей воедино пространство и время. Старое представление о рациональном и механическом мире, которым управляют причинно-следственные связи, кануло в Лету, уступив место таинственному миру парадоксов и «потусторонней» реальности.

В 1675 г. Ньютон высказал представление о свете как потоке прямолинейно летящих частиц вещества – корпускул. На этой основе хорошо объяснялось прямолинейное распространение света. Для объяснения законов отражения и преломления приходилось принимать новые, довольно искусственные допущения, а явления дифракции и интерференции на основе корпускулярных представлений не объяснялись совсем. Вот почему в 1678 г. Р. Гук и Х. Гюйгенс выдвинули представление о свете как механических волнах. Так возникла волновая теория света, с помощью которой были поняты интерференция и дифракция света, его отражение и преломление. Но волновые представления Гука и Гюйгенса оказались бессильными для объяснения прямолинейного распространения света. Это последнее обстоятельство и высокий научный авторитет Ньютона привели к тому, что XVIII в. оказался веком господства корпускулярной теории света.

И только в начале XIX в., когда английскому физику Т. Юнгу в 1801 г. на основе волновых представлений удалось разработать основные положения об интерференции света и определить длину световой волны, волновая теория заявляла о себе уже более серьезно.

Желая доказать справедливость волновой теории света, Юнг воспользовался явлением интерференции. Интерференция происходит при наложении двух волн. Если гребни одной волны совпадают с гребнями другой волны, то происходит усиление, и волновое движение становится более интенсивным. Если же гребни одной волны приходятся на впадины другой, то волны гасят друг друга, и волновое движение ослабевает.

Полная победа волновой теории в первой четверти XIX в. связана с именем французского ученого Ж. Френеля, создавшего в 1818 г. стройную математическую теорию дифракции света, которая объединила в себе принцип Гюйгенса и принцип интерференции Юнга. Таким образом, в начале XIX в. свет стали представлять как поперечную механическую волну.

Корпускулярно-волновой дуализм света означает, что свет обладает одновременно свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных фотонов. Он представляет диалектическое единство этих противоположностей. Чтобы глубже осознать вывод и воспринимать его как значительное достижение физики XX в., напомним коротко историю развития учения о свете.

В 1860-1865 г. Д. Максвелл разрабатывает теорию электромагнитного поля, на основе которой было предсказано существование электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света. Это дало Максвеллу основание считать свет одним из видов электромагнитного излучения. Экспериментальное открытие в 1888 г. Г. Герцем электромагнитных волн и исследование их свойств подтвердили вывод Максвелла. Итак, в 70-х годах XIX в. под светом стали понимать электромагнитную волну.

Однако в 1905 г. А. Эйнштейн для объяснения экспериментально установленных законов фотоэффекта вынужден был предположить, что свет – это поток частиц, названных позднее фотонами. Так появилась фотонная теория света, на основе которой были объяснены не только фотоэффект, но люминесценция, фотохимические реакции, эффект Комптона и др. явления, которые оказались не под силу электромагнитной теории света. Но интерференция, поляризация, дисперсия и многие другие свойства света прекрасно объяснялись на основе волновых представлений. И в физике вновь уже, в который раз, возникает вопрос: «Что же такое свет?». Трудность ситуации осложнялась еще тем, что в классической физике волны и частицы были объектами, противоположными по многим своим свойствам: частицы локализованы в пространстве, волны лишены этой локализации; частицы движутся по траекториям, а волны их не имеют; частицы не могут огибать препятствия и накладываться, а волны дифрагируют и интерферируют; частицы дискретны, а волны непрерывны.

В опытах со светом было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Было обнаружено, что в проявлении этих свойств имеются вполне определенные закономерности: чем короче длина волны, тем ярче проявляются квантовые (корпускулярные) свойства; чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства света. Так физика XX в. открыла диалектическое единство двух классических противоположностей – частицы и волны.

Чтобы понять, в каком соотношении находятся волновая и корпускулярная картины, рассмотрим с той и другой точки зрения освещенность в данном месте поверхности. Согласно волновым представлениям, освещенность прямо пропорциональна квадрату амплитуды световой волны. По квантовым представлениям, освещенность в данной точке поверхности определится числом фотонов, ежесекундно попадающих в нее. Поскольку в данную точку фотон из потока попадает с определенной вероятностью, то квадрат амплитуды волны как раз и определяет эту вероятность.

Новый радикальный шаг в развитии физики был связан с распространением корпускулярно-волнового дуализма на мельчайшие частицы вещества – электроны, протоны, нейтроны и другие микрообъекты. В классической физике вещество всегда считалось состоящим из частиц, и потому волновые свойства казались явно чуждыми ему. Тем удивительней оказалось открытие о наличии у частиц волновых свойств, первую гипотезу о существовании которых высказал в 1924 г. известный французский ученый Луи де Бройль (1875-1960). Экспериментально эта гипотеза была подтверждена в 1927 г. американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером, впервые обнаружившими явление дифракции электронов на кристалле никеля, т. е. типично волновую картину. Гипотеза де Бройля: каждой материальной частице независимо от ее природы следует поставить в соответствие волну, длина которой обратно пропорциональна импульсу частицы:l=h/p, где h – постоянная Планка, p – импульс частицы, равный произведению ее массы на скорость.

Таким образом, было установлено, что не только фотоны, т. е. кванты света, но и материальные, вещественные частицы, такие, как электрон, протон, нейтрон и другие, обладают двойственными свойствами. Следовательно, все микрообъекты обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Это явление, названное впоследствии дуализмом волны и частицы, совершенно не укладывалось в рамки классической физики, объекты изучения которой могли обладать либо корпускулярными, либо волновыми свойствами. В отличие от этого микрообъекты обладают одновременно как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Например, в одних экспериментах электрон обнаруживал типично корпускулярные свойства, а в других – волновые свойства, так что его можно было назвать как частицей, так и волной. Тот факт, что поток электронов представляет собой поток мельчайших частиц вещества, знали и раньше, но то, что этот поток обнаруживает волновые свойства, образуя типичные явления интерференции и дифракции, подобно волнам света, звука и жидкости, оказались полной неожиданностью для физиков.

В настоящее время волновые свойства микрочастиц нашли уже широкое техническое применение, например электронный микроскоп, электронография, нейтронография. Как известно, разрешающая способность микроскопа зависит от длины волны: чем меньше длина волны, тем больше увеличение и разрешающая способность микроскопа. Если увеличение оптического микроскопа равно –2,5 × 10³, то увеличение электронного микроскопа равно 10⁵ – 10⁶ раз. Современные электронные микроскопы позволяют видеть непосредственно атомы и молекулы вещества.

Следует заметить, что наличие у частиц волновых свойств – отнюдь не доказательство того, что частицы являются волнами, т. е. и в квантовой механике понятие частицы не сводится к понятию волны, как и понятие волны не сводится к понятию частицы. Квантовая механика показывает, что различие между частицами и волнами относительно, что в одних условиях объект выступает как волна, в других как частица.

В.А. Фок неоднократно подчеркивал, что при появлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность. Непривычное, но несомненное диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств материи отражено в формулах Планка (e=hv) и де Бройля (λ=h/m× V) . Энергия e и масса m – это, в первую очередь, характеристики частицы; частота v и длина волны l - характеристики волн. Может возникнуть вопрос: почему мы не замечаем дуализма в повседневной жизни? Причина состоит в малости постоянной Планка (h=6,63 × 10^-34 Дж × с). Например, длина волны де Бройля для пули массой m=10^-3 кг, летящей со скоростью 660м/с, будет равна 10^-33 м; для Земли, масса которой, примерно 6× 10²⁴ кг и скорость движения по орбите 3× 10⁴ м/с, длина волны де Бройля будет равна 4× 10^-63 м. Эти величины не только невозможно измерить, их трудно даже представить.

По современным воззрениям квантовый объект – это не частица, и не волна, и даже не то и не другое одновременно. Квантовый объект- это нечто третье, не равное простой сумме свойств волны и частицы, для выражения которого у нас нет соответствующих понятий, соответствующего языка. Но поскольку сведения о микрообъекте, о его характеристиках мы получаем в результате взаимодействия его с классическим прибором (макрообъектом), то и описать этот микрообъект следует в классических понятиях, т. е. использовать понятия волны и частицы. Мы вынуждены говорить на классическом языке, потому что другого у нас нет. П. Девис отмечает: «Наглядно представить себе волну-частицу невозможно, не стоит и пытаться. В нашей повседневной жизни нет ничего такого, что хотя бы отдаленно напоминало подобную нелепость. Доведись нам столкнуться с волной-частицей, мы никогда не поняли бы этого» (Девис П. Суперсила. М., 1989. С. 30).

Из осмысления квантово-волнового дуализма родился один из важнейших методологических принципов современной науки – принцип дополнительности, разработанный Н. Бором в 1927 г. В авторской формулировке он звучит так: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в тоже время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеются два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других – подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообъектом. М. Борн образно заметил, что волны и частицы – это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию. В микромире корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как в мире больших тел. Обе «картины» законны, и противоречия между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т. е. быть комплиментарными. Только при учете обоих аспектов можно получить общую картину микромира.

Дополнительный способ можно назвать неклассическим употреблением классических понятий. Принцип дополнительности, как общий принцип познания, может быть сформулирован следующим образом: всякое истинно глубокое явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимно исключающих, дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизнь и другие. Сам Бор стремится распространить принцип дополнительности на разные науки и различные сферы деятельности человека (например, на биологию, на деятельность художника и др.) Именно практически неисчерпаемые скрытые возможности живых организмов, обусловленные их чрезвычайно сложным строением и функциями, требуют, по Бору, применения принципа дополнительности в биологии.

Еще один пример. С давних пор известно, что наука и искусство – это два различных способа изучения окружающего мира. Их совместное существование может служить в какой то мере иллюстрацией принципа дополнительности. Можно углубленно заниматься тем или другим. Оба подхода правомерны, но, взятые по отдельности, не полны. Стержень науки – логика и опыт. Основа искусства – интуиция, прозрение и чувства. Но истинная наука всегда сродни искусству, а настоящее искусство всегда включает в себя элементы науки. То есть эти два подхода не противоречат, а дополняют друг друга. Они отражают разные дополнительные стороны человеческого опыта и лишь вместе дают нам наиболее полное представление о Мире. Неслучайно выдающиеся естествоиспытатели очень часто обладали талантами и в художественной сфере, обнаруживая тонкое чувство прекрасного.