§3. Статистический характер квантовых закономерностей.

3.1. Вероятностный характер поведения микрообъектов.

Классическая механика являет собою образец теории, где господствуют динамические законы, а значит, господствует детерминизм. С помощью законов классической механики, зная начальные условия для материальной системы, можно предсказать ее будущее. Это положение Лаплас выразил словами: "Дайте мне и , и я предскажу будущее мира". Это утверждение любому на первый взгляд покажется тривиальным, но на самом деле при его обосновании содержится большая доля умолчания.

Действительно, можно ли начальные условия определить бесконечно точно? Строго говоря, речь идет о некотором распределении начальных данных. Поэтому следовало бы рассмотреть: в какой мере эта неопределенность в начальных данных влияет на предсказание состояния системы в будущем, т.е. при ? Кроме того, в процессе движения системы не будут ли действовать на нее случайные силы, которые классическая механика не в состоянии предсказать? Даже если эти силы малы, их эффект действия может оказаться значительные за большой промежуток времени . Да и вообще, в течение большого промежутка времени будет ли система оставаться изолированной?

Другими словами, лапласовский детерминизм исключает из рассмотрения элемент случайности в поведении отдельного объекта. Поэтому в классической механике безраздельно господствует необходимость. По этой причине законы классической механики являются динамическими законами, а не статическими.

Элементы случайности появляются в классической физике лишь при рассмотрении поведения больших коллективов частиц, для объяснения поведения и свойств которых требуется привлечение статистических методов.

В квантовой механике мы дело с качественной ситуацией: уже в поведении отдельного микрообъекта присутствуют как элементы случайности, так и элементы необходимости. В качестве примера можно рассмотреть прохождение электронов через отверстие в диафрагме (Д) с последующим попаданием на экран (Э) (рис. 1.6).

Рис. 1.6.

Каждый электрон попадает в ту или другую точку экрана - это случайное явление, но статическая закономерность проявляется с необходимостью: дифракционная картина будет одной и той же как при прохождении пучка электронов, так и при последовательном пропускании их "поодиночке" через отверстие в диафрагме.

Наличие необходимого и случайного в поведении отдельного микрообъекта обуславливает вероятностный характер их поведения. Факт регистрации конкретного электрона в той или иной точке на экране - детекторе случаен, можно характеризовать этот факт лишь его вероятностью, интересно отметить высказывание Фока по этому вопросу: "... в квантовой механике понятие вероятности есть понятие первичное, и оно играет там фундаментальную роль".

Итак, поведение отдельного микрообъекта случайно, но вероятность этого поведения необходима, т.е. необходимость "пробивает себе дорогу в рамках случайности" (Энгельс).

3.2. Статистический характер квантовой механики.

Наличие и случайного, и необходимого в поведении любого микрообъекта приводит к важному выводу: квантовая механика является принципиально статистической теорией, где вероятность события играет важнейшую роль.

В рамках классической физики законы поведения больших совокупностей объектов (частиц) являются статистическими, законы же поведения отдельных объектов - это динамические законы.

Случайность в поведении отдельного микрообъекта ставит квантовую механику в особое положение - как статистическую теорию отдельного микрообъекта.

В чем заключается причина наличия элементов случайности в поведении микрообъекта?

Строго говоря, ответ на поставленный вопрос должна дать более общая и строгая теория, чем квантовая механика (нерелятивистская теория). В настоящее время наличие элементов случайности в поведении микрообъекта объясняется его взаимодействием со всем окружающим его миром (внешние условия). Специфика квантовой механики состоит в том, сто ни один микрообъект не может считаться полностью изолированным, независимо от внешнего окружения. Нельзя не согласиться со словами Мякишева, что "причина статистического характера квантовой механики также, что и в классической статистической механике, - наличие большого числа связей, влияющих на движение объекта. Частица, рассматриваемая в квантовой механике как свободная, в действительности свободна только от воздействий динамического характера. Но она находится под действием случайных сил, вызывающих квантовые флуктуации ее поведения, отражение соотношений неопределенностей".

Какова природа случайных воздействий на микрообъект?

Как известно из квантовой электродинамики, где случайные воздействия на микрообъект проявляются в явном виде, они представляют взаимодействие микрообъекта с вакуумом. При этом следует заметить, что физический вакуум не есть пустота, вакуум заполнен виртуальными частицами.

Квантовая механика, являясь статистической теорией отдельного объекта, имеет специфику статистических коллективов. По словам Фока "элементами статистических коллективов, рассматриваемых в квантовой механике, являются не самые микрообъекты, а результаты опытов над ними, причем определенная постановка опыта соответствует одному определенному коллективу".

Таким образом, классические и квантово-механические коллективы имеют разную природу. В классической физике статистический коллектив образован совокупностью многих частиц (объектов), а в квантовой механике - совокупностью многих потенциально возможных способов реализации свойств микрообъекта, находящегося в заданных условиях, причем всякое изменение условий приводит к новому коллективу. Это различие проявляется и в том, что в классической статистической физике усреднение выполняется по различным состояниям системы, в квантовой же механике усреднение ведется в данном состоянии системы.