8.2.2. Фундаментальные модели неклассической физики

Материя на макроуровне предстает перед нами в двух качественно различных формах: вещества, состоящего из дискретных частиц, описываемых классической механикой Ньютона, и непрерывного электромагнитного излучения, описываемого классической электродинамикой Максвелла. Открытие столь разных форм материи явилось выдающимся достижением физики. Но в нем отсутствовало фундаментальное единство в описании природы.

Дальнейшее исследование строения материи привело на рубеже XIX и XX веков к открытию качественно определенных элементов материи на микроуровне – атомов, электронов и фотонов. На первый план выдвинулся принцип атомизма, дискретности любых форм материи и неделимости ее физических характеристик. Оказалось, что полное описание систем таких микрочастиц должно включать наряду с привычными физическими характеристиками, качественно новые характеристики микросостояний физической системы. Единое описание природы, включающее характеристики микросостояний физической системы, было начато в рамках квантовой физики. Только с появлением квантовых идей открылась возможность последовательного изучения природы и формирования неклассического взгляда на нее как единое целое.

Поскольку в неклассической физике при изучении природы центр внимания переносится на внешнее окружение объектов, вполне естественно, что моделированию подлежат в этом случае не сами материальные объекты, а их состояния. К настоящему моменту наиболее хорошо изучены два качественно различных типа неконтролируемого воздействия на объект. В соответствии с этим можно ввести и две фундаментальные модели состояний объектов. Одна из них получила наибольшее распространение при описании явлений микромира в отсутствии тепловых эффектов. Эту модель состояний можно назвать квантово-динамической или микросостоянием. Другая фундаментальная модель состояния оказалась наиболее эффективной при описании макроскопических явлений в тепловом равновесии или вблизи него. Она позволяет описывать, прежде всего, состояния в макромире и может быть названа термодинамической, или макро-состоянием.

Квантово-динамическая модель состояния отражает в своих характеристиках такие факты, как наблюдаемое в природе принципиальное различие между большим и малым, устойчивость микрообъектов при наличии их структурной сложности. Свойства квантово-динамической модели состояния отражают вероятностный характер описания движения микрообъектов, фундаментальную роль внешнего окружения в подготовке состояний и проведении в них измерений физических величин.

Неожиданные с классической точки зрения особенности микросостояний в квантово-динамической модели проявляются в возможности их своеобразного сложения и разложения по правилам, сходным с правилами сложения и разложения векторов на плоскости (принцип суперпозиции). Это означает, что материальный объект, находясь в каком-то микросостоянии, может одновременно частично находиться и в других микросостояниях. Подготовка квантово-динамических состояний связана с выбором условий внешнего окружения, включая прибор, используемый человеком. В результате данная физическая величина в произвольном микросостоянии задана лишь в среднем, а ее наблюдаемые значения испытывают отклонения от среднего.

При изучении все более сложных и тонких объектов микромира приходится иметь дело со многими физическими величинами, отсутствующими в макромире. Эти величины – характеристики внутренних состояний целостных, но сложных объектов, которые в классическом смысле слова не имеют структуры. Интересно так же отметить, что квантово-динамическая модель состояния в некоторых случаях оказывается применимой и к макрообъектам (сверхпроводники, лазеры, транзисторы). Тем самым, она связана с квантовым воздействием.

В своих характеристиках термодинамическая модель состояния отражает возможность описывать поведение материальных объектов, находящихся в тепловом равновесии или вблизи него, испытать еще одно неконтролируемое воздействие, называемое тепловым воздействием. В этих условиях появляется возможность сокращенного описания состояния объектов, когда их удается охарактеризовать небольшим числом макропараметров. Неконтролируемое тепловое воздействие в термодинамической модели состояния проявляет себя двояко.

Во-первых, для описания особенностей теплового равновесия приходится использовать принципиально новые, также наблюдаемые на опыте характеристики или макропараметры типа температуры или энтропии, не имеющие аналогов в микромире. Во-вторых, все макропараметры также в действительности испытывают отклонения от средних значений, которые существенно сказываются на результатах измерений. В этом отражается вероятностный характер описания в термодинамической модели, который сближает ее с квантово-динамической моделью.

Таким образом, описание природы в неклассической стратегии познания существенно связано с использованием фундаментальных моделей состояния – квантово-динамической и термодинамической, позволяющих отразить другую сторону физической реальности, воплощенную в неконтролируемом воздействии внешнего окружения. Наиболее существенно в этом описании то, что состояние физической системы оказывается вполне доступным для наблюдения и измерения физических характеристик. Обе фундаментальные модели состояния, в принципе, применимы к любым объектам природы. Но, квантово-динамическая модель состояния преимущественно используется в физике микромира, термодинамическая модель – в основном, в физике макромира.

Контрольные вопросы: