Квантовая сутра: физики иклирики

      Комментарии к записи Квантовая сутра: физики иклирики отключены

Квантовая сутра: физики иклирики

Введение. Принципиальная сложность понимания квантовой теории

Сложно представить, как смотрелась бы отечественная цивилизация без классической физики и математики. Понятия об полной «объективной действительности, существующей независимо от отечественного сознания», о трехмерном евклидовом пространстве и равномерно текущем времени так глубоко укоренились в сознании, что мы не подмечаем их. А основное, отказываемся подмечать, что применимы они только в некоторых рутинных обстановках и для объяснения устройства Вселенной выясняются попросту неверны.

Не смотря на то, что что-то подобное уже столетия назад высказывалось мистиками и восточными философами, в западной науке в первый раз об этом заговорил Эйнштейн. Это была революция, которую отечественное сознание не приняло. Со снисходительностью мы повторяем: «все довольно», «пространство и время едины», — неизменно держа в уме, что это допущение, научная абстракция, имеющая мало неспециализированного с отечественной привычной устойчивой действительностью.

На самом же деле именно отечественные представления слабо соотносятся с действительностью — необычной и немыслимой.

По окончании того как в общем было открыто строение атома и предложена его «планетарная» модель, ученые столкнулись со множеством парадоксов, для объяснения которых показался целый раздел физики — квантовая механика. Она скоро развивалась и на большом растоянии продвинулась в объяснении Вселенной. Но объяснения эти так сложны для восприятия, что до сих пор мало кто может понять их хотя бы в общем.

Вправду, большая часть достижений квантовой механики сопровождаются таким сложным математическим аппаратом, что он попросту не переводится ни на один из людских языков. Математика, как и музыка, предмет очень слишком общий, и над адекватным выражением смысла, например, свертывания функций либо многомерных последовательностей Фурье ученые бьются до сих пор. Язык математики строг, но мало соотносится с нашим ярким восприятием.

Помимо этого, Эйнштейн математически продемонстрировал, что отечественные понятия времени и пространства иллюзорны. В конечном итоге время и пространство нераздельны и образуют единый четырехмерный континуум. Представить его вряд ли быть может, ведь мы привыкли иметь дело лишь с тремя измерениями.

Планетарная теория. Волна либо частица

До конца XIX века атомы считались неделимыми «элементами». Открытие радиации разрешило Резерфорду пробраться под «оболочку» атома и сформулировать планетарную теорию его строения: главная масса атома сосредоточена в ядре. Хороший заряд ядра компенсируется отрицательно заряженными электронами, размеры которых так мелки, что их массой возможно пренебречь.

Электроны вращаются около ядра по орбитам, подобно вращению планет около Солнца. Теория очень прекрасная, но появляется последовательность противоречий.

Во-первых, из-за чего отрицательно заряженные электроны не «падают» на хорошее ядро? Во-вторых, в природе атомы сталкиваются миллионы раз в секунду, что никак не вредит им — чем растолковать необычную прочность всей совокупности? Говоря словами одного из «отцов» квантовой механики Гейзенберга, «никакая планетная совокупность, которая подчиняется законам механики Ньютона, ни при каких обстоятельствах по окончании столкновения с другой подобной системой не возвратится в собственный исходное состояние».

Помимо этого, размеры ядра, в котором собрана фактически вся масса, в сравнении с целым атомом очень мелки. Возможно заявить, что атом — пустота, в которой с неистовой скоростью вращаются электроны. Наряду с этим таковой «безлюдный» атом предстает как очень жёсткая частица.

Объяснение этому явлению выходит за рамки хорошего понимания. В действительности на субатомном уровне скорость частицы возрастает тем больше, чем больше ограничивается пространство, в котором она движется. Так что чем ближе электрон притягивается к ядру, тем стремительнее он движется и тем больше отталкивается от него.

Скорость перемещения так громадна, что «со стороны» атом «выглядит жёстким», как выглядят диском лопасти вращающегося вентилятора.

Эти, не хорошо укладывающиеся в рамки хорошего подхода, показались задолго до Эйнштейна. В первый раз подобная «дуэль» состоялась между Ньютоном и Гюйгенсом, каковые пробовали растолковать свойства света. Ньютон утверждал, что это поток частиц, Гюйгенс вычислял свет волной. В рамках классической физики примирить их позиции нереально. Так как для нее волна — это передающееся возбуждение частиц среды, понятие, применимое только для множества объектов.

Ни одна из свободных частиц не имеет возможности перемещаться по волнообразной траектории. Но вот в глубоком вакууме движется электрон, и его перемещения описываются законами перемещения волн. Что тут возбуждается, в случае если нет никакой среды?

Квантовая физика предлагает соломоново ответ: свет есть одновременно и частицей, и волной.

Вероятностные электронные тучи. ядерные частицы и Строение ядра

Неспешно становилось все более светло: вращение электронов по орбитам около ядра атома совсем не похоже на вращение планет около звезды. Владея волновой природой, электроны описываются в терминах возможности. Мы не можем сообщить об электроне, что он находится в такой-то точке пространства, мы можем лишь обрисовать приблизительно, в каких областях он может пребывать и с какой возможностью.

Около ядра электроны формируют «облака» таких возможностей от несложной шарообразной до очень причудливых форм, похожих на фотографии привидений.

Но тот, кто желает совсем осознать устройство атома, обязан обратиться к его базе, к строению ядра. Составляющие его большие элементарные частицы — положительно заряженные нейтральные нейтроны и протоны — кроме этого владеют квантовой природой, соответственно, движутся тем стремительнее, чем в меньший количество они заключены. Потому, что размеры ядра очень мелки кроме того в сравнении с атомом, эти элементарные частицы носятся со в полной мере приличными скоростями, родными к скорости света.

Для окончательного объяснения их поведения и строения нам пригодится «скрестить» квантовую теорию с теорией относительности. К сожалению, такая теория до сих пор не создана и нам нужно будет ограничиться несколькими общепринятыми моделями.

Теория относительности продемонстрировала (а совершённые опыты доказали), что масса есть только одной из форм энергии. Энергия — величина динамическая, которая связана с процессами либо работой. Исходя из этого элементарную частицу направляться принимать как вероятностную динамическую функцию, как сотрудничества, которые связаны с постоянным превращением энергии. Это дает неожиданный ответ на вопрос, как элементарны элементарные частицы, возможно ли поделить их на «еще более простые» блоки.

В случае если разогнать две частицы в ускорителе, и после этого столкнуть, мы возьмём не две, а три частицы, причем совсем однообразные. Третья из энергии их столкновения — так, они и разделятся, и не разделятся в один момент!

Участник вместо наблюдателя

В мире, где понятия безлюдного пространства, изолированной материи теряют суть, частица описывается лишь через ее сотрудничества. Чтобы сообщить что-то о ней, нам нужно «будет вырвать» ее из начальных сотрудничеств и, подготовив, подвергнуть второму сотрудничеству — измерению. Так что мы меряем в итоге?

И как правомерны отечественные измерения по большому счету, в случае если отечественное вмешательство меняет сотрудничества, в которых участвует частица, — соответственно, меняет и ее саму?

В современной физике элементарных частиц все больше нареканий вызывает сама фигура ученого-наблюдателя. Правомернее было бы именовать его «участником».

Наблюдатель-участник нужен не только для измерения особенностей субатомной частицы, но и чтобы выяснить эти самые свойства, поскольку и о них возможно сказать только в контексте сотрудничества с наблюдателем. Стоит ему выбрать метод, каким он будет проводить измерения, и в зависимости от этого реализуются вероятные особенности частицы. Стоит поменять замечающую совокупность, и свойства замечаемого объекта кроме этого изменятся.

Данный принципиальный момент раскрывает глубинное единство всех вещей и явлений. Сами частицы, непрерывно переходя одна в другую и в иные формы энергии, не имеют постоянных либо правильных черт — эти характеристики зависят от метода, каким мы решили их видеть. В случае если пригодится измерить одно свойство частицы, второе обязательно изменится.

Такое ограничение не связано с несовершенством устройств либо вторыми в полной мере исправимыми вещами. Это черта действительности. Попытайтесь совершенно верно измерить положение частицы, и вы ничего не сможете сообщить о скорости и направлении ее перемещения — легко вследствие того что у нее их не будет.

Обрисуйте совершенно верно перемещение частицы — вы не отыщете ее в пространстве. Так современная физика ставит перед нами неприятности уже совсем метафизического свойства.

Принцип неопределенности. Место либо импульс, энергия либо время

Мы уже говорили, что разговор о субатомных частицах нельзя вести в привычных нам правильных терминах, в квантовом мире нам остается только возможность. Это, само собой разумеется, не та возможность, о которой говорят, делая ставки на скачках, а основное свойство элементарных частиц. Они не то дабы существуют, но скорее — смогут существовать. Они не то дабы владеют чертями, а скорее — смогут ими владеть.

Научно выражаясь, частица есть динамической вероятностной схемой, и все ее особенности находятся в постоянном подвижном равновесии, балансируют, как Инь и Ян на старом китайском знаке тайцзи. Недаром нобелевский лауреат Нильс Бор, возведенный в дворянское звание, для собственного герба выбрал этот знак и девиз: «Противоположности дополняют друг друга». Математически распределение возможности представляет собой неравномерные волновые колебания.

Чем больше амплитуда волны в определенном месте, тем выше возможность существования частицы в нем. Наряду с этим протяженность ее непостоянна — расстояния между соседними гребнями неодинаковы, и чем выше амплитуда волны, тем посильнее отличие между ними. Тогда как амплитуда соответствует положению частицы в пространстве, протяженность волны связана с импульсом частицы, другими словами с скоростью и направлением ее перемещения.

Чем больше амплитуда (чем правильнее возможно локализовать частицу в пространстве), тем более неизвестной делается протяженность волны (тем меньше возможно сообщить об импульсе частицы). В случае если мы сможем установить положение частицы с предельной точностью, у нее по большому счету не будет никакого определенного импульса.

Это основное свойство математически выводится из особенностей волны и именуется принципом неопределенности. Принцип касается и других черт элементарных частиц. Еще одна такая взаимосвязанная пара — это время и энергия протекания квантовых процессов.

Чем стремительнее проходит процесс, тем более неизвестно количество энергии, примененной в нем, и напротив — совершенно верно охарактеризовать энергию возможно лишь для процесса достаточной длительности.

Итак, мы осознали: о частице нельзя сказать ничего определенного. Она движется в том направлении, либо не в том направлении, а верней, ни в том направлении и ни ко мне. Ее характеристики такие либо сякие, а правильнее — и не такие, и не сякие. Она находится тут, но возможно и в том месте, быть может и не быть нигде.

Так существует ли она по большому счету?

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№43, май 2006).

Индийская философия о неделимых частицах. Вайшешика сутра. ИСКОННАЯ ФИЗИКА АЛЛАТРА №10


Интересные записи на сайте:

Подобранные по важим запросам, статьи по теме: