Тайны квантового мира. О парадоксальности пространства и времени - Олег Фейгин

Так закончилась стремительная «пятилетка» взлета квантовой физики, которая началась с появления волн материи де Бройля как дальнейшего развития принципа корпускулярно-волнового дуализма и закончилась разработкой основных методов и математического аппарата квантовой физики. В конце двадцатых годов прошлого века квантовая теория поражала ученых-современников стройностью и глубиной построения, но самая ее главная ценность виделась в том, что физики впервые получили в свои руки мощный научный инструмент для исследования атомных объектов. И началось все с пересмотра модели атома Резерфорда — Бора. Первая нестыковка с квантовой механикой была в понятии электронных траекторий, ведь понятие определенной траектории в микромире квантовых объектов лишено всякого смысла! Какой же новый физический образ может заменить классические «планетарные» орбиты электронов?

Тут несомненно одно — новая модель атома, так или иначе, должна основываться на принципе распределения вероятностей нахождения электрона в атоме. При этом надо учитывать, что максимальная энергия электрона (физики называют ее полной) зависит от расстояния между атомным ядром и электроном. Ну а как же само понятие электронной орбиты? Можно его видоизменить в соответствии с квантовой теорией?

Любопытно, что на этот незатейливый вопрос, больше всего волнующий педагогов, физики не могут дать разумного ответа уже целое, без малого, столетие.

Сейчас несколько признанных лидеров в квантовой физике решительно требуют вообще убрать из школьных и вузовских учебников всяческие упоминания об электронных траекториях!

Судя по всему, до окончательного разрешения этого методологического спора еще далеко, а при реконструкции атома Бора выход был найден довольно быстро. Физики просто стали изображать линию условной траектории электрона, соединяя те точки, в которых вероятность встретить электрон была максимальной. При этом следовало дополнение, что сам по себе электрон, конечно же, точкой не является и его надо воспринимать как фигурное облачко размазанного по пространству корпускулярно-волнового объекта. И самым главным тут было то, что на облачках электронных орбит укладывалось строго ровное количество электронных волн де Бройля! Так, минимальная энергия ближайшей к атому орбиты соответствовала одной волне, следующая и более высокая — двум, и так далее…

Нобелевский лауреат В. Гейзенберг

В истории присуждения Нобелевской премии Вернер Гейзенберг был одним из самых молодых физиков, которому целеустремленность и потрясающая работоспособность позволили стать одним из создателей новой — квантовой физики, открыв при этом фундаментальный научный принцип неопределенности.

Почтовая марка, выпущенная к столетнему юбилею Вернера Гейзенберга

Наконец-то строение орбит в атоме получило четкое физическое обоснование, хотя и не очень-то наглядное, ведь отобразить на бумаге электронные облака вероятности можно только символически. Именно так и изображается положение электронов в школьных и вузовских учебниках — там, где вероятность пребывания электронов велика, они выглядят как плотные клубы черного дыма, а там, где встретить их трудно, они переходят в прозрачную кисею. Такие изображения даже носят название дымных моделей, учитывающих и разную форму электронных облаков, вызванную межэлектронным взаимодействием.

В сложных атомах электроны буквально разрываются на части отталкиванием от своих многочисленных собратьев и притяжением к ядру, вот при этом и возникают довольно сложные взаимопроникающие конструкции, ажурное переплетение которых так отличается от кругов и эллипсов планетарной модели атома.

Сегодня уже каждый желающий может воочию наблюдать восхитительную динамику переливающихся условным разноцветьем электронных оболочек в компьютерных моделях атомов, молекул и просто фрагментов кристаллических решеток твердых тел.

История становления квантовой науки полна парадоксов и кажущихся несуразностей. Вот и после, казалось бы, полного краха планетарной модели атома Резерфорда — Бора в 1923 году появилась научная публикация, защищающая этот «реликт» атомной теории, и написал ее не кто иной, как творец вероятностной квантовой механики Нильс Бор!

Создатель копенгагенской школы физиков-теоретиков в своей работе ввел новый научный принцип соответствия, сформулировав его в виде утверждения о том, что поведение квантово-механической системы стремится к таковому по канонам классической физики в пределах больших квантовых чисел. Более пространно принцип соответствия можно истолковать как утверждение о том, что любая новая физическая теория должна в определенных пределах воспроизводить результаты предшествующей модели уже прошедшей (но на другом уровне) всестороннюю проверку.

Разумеется, весь аппарат квантовой физики создавался для описания микроскопических атомарных объектов и элементарных частиц. При этом, конечно же, никто из основателей этой новой научной парадигмы ни на мгновение не сомневался, что в макромире продолжают вполне успешно действовать законы классической механики и электродинамики. Бор считал, что было бы весьма разумно полагать, что объективные законы физики должны быть вообще независимыми от размера описываемых физических объектов.

Все это и послужило основанием для окончательной формулировки принципа соответствия в виде утверждения, что классическая физика является приближением к квантовой механике.

Следующий принцип, который должен был хоть в какой-то мере объяснить странные отношения, которые сложились в квантовом мире между частицами и волнами, Бор очень точно и емко назвал принципом дополнительности. Надо сказать, что принцип дополнительности Бора до сих пор считается одной из самых глубоких философских и методологически емких идей современного естествознания. К примеру, выдающийся теоретик прошлого века Ричард Фейнман ставил данный принцип на одну доску с такими шедеврами абстрактного мышления, как принцип относительности или принцип полевого действия.

В работе, навсегда вошедшей в копилку шедевров естественно-научной философии, — «Квантовый постулат и новейшее развитие атомной теории» Н. Бор рассуждал:

«Открытие универсального кванта действия привело к необходимости дальнейшего анализа проблемы наблюдения. Из этого открытия следует, что весь способ описания, характерный для классической физики (включая теорию относительности), остается применимым лишь до тех пор, пока все входящие в описание величины размерности действия велики по сравнению с квантом действия Планка. Если это условие не выполняется, как это имеет место в области явлений атомной физики, то вступают в силу закономерности особого рода, которые не могут быть включены в рамки причинного описания… Этот результат, первоначально казавшийся парадоксальным, находит, однако, свое объяснение в том, что в указанной области нельзя более провести четкую грань между самостоятельным поведением физического объекта и его взаимодействием с другими телами, используемыми в качестве измерительных приборов; такое взаимодействие с необходимостью возникает в процессе наблюдения и не может быть непосредственно учтено по самому смыслу понятия измерения…