В начале ХХ века Макс Планк, великий немецкий физик, исходя из результатов экспериментов, высказал идею, что свет (электромагнитное излучение) испускается не непрерывно, как это следует из теории излучения, а дискретно – порциями. Например, теплота от нагретой поверхности испускается непрерывно, а свет от источника, оказывается, испускается порциями.
Минимальную порцию энергии электромагнитного излучения Планк назвал квантом энергии. А процесс деления энергии на порции (на кванты) был назван квантованием.
Планк нашел формулу для определения величины этого кванта энергии. Формула проста: квант энергии равен некой константе, умноженной на частоту света. Эта некая константа оказалась фундаментальной константой квантования, которую благодарное человечество назвало постоянной Планка (а фундаментальных констант не так уж много: заряд и масса электрона, скорость света в пустоте и… постоянная Планка).
Постоянная Планка (h = 6,62 10–27 эрг с) устанавливает минимальный предел измерений всех физических параметров. Она определяет масштабы квантовых явлений и, главное, границы применимости классической и квантовой физики.
Вследствие чрезвычайно малой величины постоянной Планка квантование в макроскопических физических экспериментах остается незамеченным.
Лауреат Нобелевской премии, российский физик, академик РАН В. Л. Гинзбург утверждал, что, исходя из расчетов Планка, мы можем представить Вселенную, состоящей из частиц величиной 10–33 м. То есть наша Вселенная – это квантовая Вселенная!
Однако приборы и сенсоры, которыми мы усиливаем свои органы чувств, позволяют выделить частицы и их характеристики величиной до 10–16 м. А это значит, что наши знания о Вселенной далеко не полны.
Квантовая физика, собственно, и называется «квантовой», потому что изучает наше мироздание на микроуровне, на уровне квантов.
В 1905 году Эйнштейн доказал, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, то есть поток света состоит из квантов энергии, а проще – из квантов света. Световые кванты стали называть фотонами.
По поводу фотона есть и другая точка зрения. Доктор технических наук, академик РАЕН В. А. Ацюковский утверждает, что фотон – не электромагнитная волна! Такое утверждение было сделано после тщательного теоретического и экспериментального исследований эфира. Ацюковский пишет: «Почему фотоны проникают в морскую воду не так, как электромагнитная волна? Потому что они имеют разную структуру. В электромагнитной волне каждый полупериод существует сам по себе, поскольку движения эфира в каждом полупериоде направлены по-разному. В фотоне же потоки эфира переходят из одного ряда вихрей в другой, нигде не прерываясь. Весь фотон – единая энергетическая структура… Фотон – не электромагнитная волна, вот что отсюда вытекает» [2].
Эксперименты показали, что: фотон – это элементарная частица с нулевой массой покоя и положительной энергией. Что значит – «с нулевой массой покоя»? Это значит, что свет не существует в остановленном виде.
Однако русским ученым-физикам, работающим в Бостоне на базе астрофизической лаборатории Гарвардского университета, удалось остановить луч света. Правда, всего лишь на долю секунды, но остановили!
Как сообщил Михаил Лукин, выпускник Московского физико-технического института, ныне руководитель лаборатории в Гарвардском университете, им удалось не только сохранить в рубидиевой среде, помещенной в магнитное поле, информацию об импульсе, выпущенном из лазера, но потом и восстановить ее в полном объеме, после чего импульс продолжил движение со скоростью в 297 000 км/с. Пока в астрофизической лаборатории Гарварда Михаилу Лукину и его американскому коллеге Рональду Уолсуорду удается останавливать свет только на одну тысячную секунды [3].
А можно ли «заморозить» световой луч на время большее, чем одна тысячная секунды?
«Законов, запрещающих это, нет, – подчеркнул заведующий лабораторией лазерной спектроскопии Института спектроскопии РАН профессор Владилен Летохов. – И я не могу утверждать, что это в принципе невозможно. Квантовая физика это не запрещает».
А что вообще такое элементарные частицы? Когда появился этот термин, под элементарными частицами понимали первичные, далее уже неделимые частицы, из которых состоит вся материя. А потом оказалось, что эти, так сказать, неделимые частицы делятся. И в современной физике термин «элементарные частицы» используется для наименования большой группы мельчайших частиц, которые не являются атомами или атомными ядрами (за исключением протона, который в гордом одиночестве представляет собой ядро водорода).
Мы с вами используем понятие «элементарные частицы» в качестве общего названия субъядерных частиц.
Познакомившись поближе с планетарной моделью атома, согласно которой ядро играет роль Солнца, а электроны – роль планет, вращающихся вокруг него, ученые сразу же столкнулись с проблемой. Какой?
Дело в том, что вращающийся вокруг атомного ядра электрон, двигаясь ускоренно по орбите, по всем классическим законам должен излучать электромагнитные волны (свет) и терять энергию. В результате он неминуемо должен упасть на ядро, что означало бы гибель атома. Но атом стабилен, электроны свет не излучают и на ядро не падают. Почему?
Рассматривая принцип работы лазера, мы познакомились с постулатами Бора по поводу стационарных орбит, по которым движутся электроны в атоме. Излучение или поглощение энергии происходит только при переходе электрона с одной орбиты на другую.
Напомним, что, стремясь объяснить устойчивость атома в рамках модели Резерфорда, Нильс Бор в 1913 году предположил, что у атома есть такие стационарные орбиты, находясь на которых электрон не излучает фотонов (света). Разные орбиты соответствуют разным уровням энергии. Когда электрон переходит с одной орбиты на другую, он или излучает, или поглощает один фотон. Если переход происходит с орбиты высокого уровня энергии на орбиту низкого уровня, фотон излучается. И наоборот [4].
Надо сказать, что существование уровней энергии в атомах было подтверждено опытами Франка – Герца в 1913–1914 годах.
Тут же встал вопрос: почему электрон, двигаясь ускоренно по орбите, не излучает энергии?
Чтобы понять это, рассмотрим такой пример.
Возьмем сосуд с насыщенным солевым раствором и охладим его. В некоторой точке сосуда выпадет кристаллик соли. Теперь нагреем сосуд, и кристаллик растворится. Снова охладим, опять выпадет кристаллик, но в другом месте. Продолжим эту процедуру и снимем весь процесс на кинопленку. А потом посмотрим полученный фильм на достаточно большой скорости. Что мы увидим? Мы увидим, как кристаллик движется по сосуду, выписывая немыслимые коленца. А на самом деле никакого механического движения он не совершает.
Оказывается, точно так же ведет себя электрон, находящийся на стационарной орбите. Он то «растворяется» в собственном электромагнитном поле, то «конденсируется» из него и занимает на орбите различные положения. Но при этом он не совершает механического движения, вот и не излучает энергии [5].
Странно? Конечно, странно! Так может вести себя не частица, а волна. Но электрон же частица. Во всяком случае, считался на то время частицей. Как частица может проявлять свойства волны? Что это еще за «волны материи»?
Дуальность
Дальнейшие результаты изучения света потрясли научную общественность. В 1922 году американский физик Комптон экспериментально доказал, что свет обладает волновыми и корпускулярными свойствами, то есть является одновременно и волной, и частицей. А эксперименты с рассеянием света электронами подтвердили наличие у электронов волновых свойств.
Это дало возможность французскому физику Луи де Бройлю в 1924 году выдвинуть идею о волновых свойствах материи, за разработку которой в 1929 году он был удостоен Нобелевской премии по физике. Оригинальная гипотеза де Бройля заключалась в том, что не только фотоны, но и все элементарные частицы обладают волновыми свойствами. Причем длина волны де Бройля тем меньше, чем больше масса частицы и ее скорость.
Например, частице массой 1 грамм, движущейся со скоростью 1 м/с, соответствует волна де Бройля с длиной 10–18 А (ангстрем). В свою очередь, 1 А = 10–10 м. А это лежит за пределами доступной наблюдателю области. Именно поэтому в механике макроскопических тел волновые свойства существенной роли не играют. Иное дело, когда речь идет о мире элементарных частиц.
Позднее гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально: на уровне элементарных частиц материя имеет двойственный аспект, который проявляется и как частицы, и как волны.
Поскольку ситуация с электроном в атоме непредсказуема, ибо никогда не знаешь, где он в следующий раз «выпадет в осадок», то термин «волна материи одиночного электрона» по предположению Макса Борна был заменен на термин «волна вероятности». Для электрона, как и для всех элементарных частиц, обладающих свойствами волны, теряет смысл понятие траектории, ибо нельзя одновременно задавать координату и скорость движения.
И, следовательно, ньютоновское описание движения частиц в микромире становится невозможным. По этой причине пришлось отказаться от понятия «силы» как мерила взаимодействия. Какие уж тут «силы», если взаимодействующие частицы не связаны между собой силовыми связями, а просто обмениваются фотонами, примерно как баскетболисты мячом на площадке, которую не могут покинуть, пока идет игра (своеобразное взаимное притяжение).
Двойственность материи буквально ошарашила ученых. Ведь частица имеет более или менее определенное местоположение, а волна в то же самое время распространяется в пространстве. Положение частицы в каждый момент времени определяется заданием трех ее координат, а для описания, например, электромагнитного поля в любой момент времени требуется задание напряженностей этих полей в каждой точке пространства. То есть требуется задание бесконечного числа величин.
Словом, противоречие между свойствами волн и частиц поставило под вопрос основу механистического мировоззрения – понятие реальности материи.
Парадоксальные результаты экспериментов вызывали в среде ученых настоящий шок.
В одной из статей В. Гейзенберг писал: «Бурная реакция ученых на последние открытия современной физики легко объяснима: они сотрясают основы этой науки, и она, похоже, начинает терять почву под ногами».
Эйнштейн был потрясен не меньше, столкнувшись впервые с миром атома. Он писал в своей автобиографии: «Все мои попытки объяснить эти новые открытия были абсолютно безуспешны. Это напоминало ситуацию, когда почва уходит из-под ног и не на что опереться» [6].
В этих словах великих физиков заключена самая суть: почвы-то под ногами действительно нет! Нет той самой тверди, которая всегда служила нам, людям, опорой. Какая уж тут твердь, если материя в любом материальном объекте составляет менее 1 %!
А что же есть?
Современный ученый, один из руководителей Института биосферы РАН, академик Ф. Я. Шипунов говорит: «За пределами элементарных частиц – нейтронов, позитронов и других – материального мира уже не существует, остается лишь их волновая составляющая. Получается, что Вселенная состоит из некой субстанции, которую никак нельзя назвать материальной. Это духовная субстанция, имеющая волновую природу. Именно она и строит весь физический мир» [7].
Оказывается, есть духовная субстанция волновой природы. Наша Вселенная – это волновой мир. Возникла необходимость изучения волнового мира, который строит наш физический мир и управляет им.
О волновой механике
Поскольку методы классической физики оказались непригодны для исследования частиц-волн, потребовалось создание новой науки, в основу которой должна была лечь концепция де Бройля. Эта новая наука – «волновая механика» – появилась благодаря австрийскому физику Э. Шредингеру и немецкому физику В. Гейзенбергу.
Волновое уравнение Шредингера
В 1926 году Шредингер опубликовал знаменитое уравнение, носящее его имя. Волновое уравнение Шредингера играет в квантовой механике такую же фундаментальную роль, как уравнение движения Ньютона в классической механике [4]. Уравнение Шредингера является математическим выражением фундаментального свойства микрочастиц, которые одновременно представляют собой волны. Данное фундаментальное свойство называется «корпускулярно-волновой дуализм».
Этот дуализм оказался очень крепким орешком. Шредингер подгоночным путем ввел в свое уравнение некую неизвестную функцию, назвав ее «волновой функцией». Ее еще иногда называют «пси-функцией» или «вектором состояния».
Надо сказать, что такие подгоночные подходы (их еще называют феноменологическими) правомерны и используются для систематизации данных в тех областях физики, где фундаментальные теории еще не созданы.
Все физические теории можно разделить на три больших класса: фундаментальные, феноменологические (или конструктивные) и полуфеноменологические. Фундаментальная теория базируется на физических принципах, имеющих всеобщую приложимость (конечно, в тех рамках, в которых эти принципы справедливы). Теоретические предсказания явлений, сделанные на основании точных решений фундаментальных уравнений, полностью подтверждаются экспериментальными фактами.
Феноменологические теории возникают в физике под давлением экспериментальных фактов и представляют собой скорее метод для систематизации данных опыта в тех областях физики, где фундаментальные теории еще не созданы. «Потенциалы взаимодействия в феноменологических теориях подбираются искусственным путем так, чтобы удовлетворительно описать феноменологические взаимодействия. Как правило, в феноменологические потенциалы входит одна или несколько подгоночных констант, значения которых определяются путем согласования теории с данными эксперимента. Феноменологические теории обладают слабой предсказательной силой (образно говоря, предсказывают на расстоянии вытянутой руки) и не раскрывают истинной природы физического явления» [8].
В частности, квантовая механика обрела феноменологический (подгоночный) характер не при ее создании, а с появлением вероятностной интерпретации волновой функции в уравнении Шредингера (пси-функции). Именно феноменологическим путем Шредингер в свое время ввел в свое уравнение пси-функцию, рассматривая ее как материальное поле.
В теории физического вакуума, опубликованной в конце ХХ века, академик Г. И. Шипов строго показал, что пси-функция имеет смысл торсионного поля – поля, порождаемого классическим спином. Причем в работах Г. И. Шипова торсионные поля вводятся не феноменологически, на строгом фундаментальном уровне [8].
С помощью волновой функции можно с успехом описывать все электромагнитные, гравитационные, ядерные и другие физические явления. Есть только одно маленькое но. Волновая функция неизвестна.
Шредингер рассматривал волновую функцию как некое пока неизвестное материальное поле, которое объединяет все известные физические взаимодействия. Он надеялся, что когда будут созданы фундаментальные теории, эта волновая функция будет найдена.
Волновая функция полностью описывает состояние микрообъекта (электрона, протона, атома). Но чтобы определить состояние микрообъекта в любой момент времени, необходимо знать волновую функцию в начальный момент времени.
Поскольку волновая функция неизвестна, решения уравнения Шредингера прямого физического смысла не имеют. Смысл имеет квадрат волновой функции, который представляет собой вероятность состояния волновой системы. Например, решили уравнение Шредингера, нашли квадрат волновой функции и определили, что вероятность нахождения электрона в момент времени t в точке пространства с координатами xyz составляет 0,6. Для простоты скажем так: 60 % за то, что электрон в такой-то момент времени находится в такой-то точке пространства.
А это означает, что четкий ответ на вопрос, где находится электрон, невозможен. Он может находиться здесь, а может и там, то есть в любом месте, где квадрат волновой функции не равен нулю. Как кристаллик соли, который может выпасть в осадок где угодно.