Модели атома, квантовая механика

Деление ядра

Величайшее находится в мельчайшем.

Лао Цзы

В начале 19 в. англичанин Праут считал все атомы состоящими из атомов водорода. В середине 19 в. с возрождением картезианских идей В. Томсон высказал мысль, что атомы - вихревые кольца в эфире. Новый толчок развитию идеи о сложном строении атома дало открытие периодического закона Д.И. Менделеевым (1834-1907).

Модели атома

Теория строения атома начала развиваться по-настоящему только после открытия электрона и радиоактивности. Эти открытия показали делимость атома. Первая модель атома была предложена В.Томсоном и Дж.Дж.Томсоном, причем последним - в наиболее законченном виде в книге “Электричество и материя” в 1903 г. Атом представлял собой равномерно положительно заряженную сферу, содержащую электроны, которые в то время еще так не назывались. В 1904 г. японский физик Нагаока предложил планетарную модель атома: положительное ядро и электронное кольцо. Эта гипотеза поначалу не привлекла серьезного внимания. В 1905 г. Вин указал, что такая модель из-за ускоренного движения электронов при вращении должна излучать и терять таким образом энергию.

В 1909-1910 гг. английским физиком Э.Резерфордом были проведены экспериментальные исследования поглощения альфа-частиц тонким слоем вещества. Эти исследования свидетельствовали в пользу планетарной модели, причем, в согласии с мнением Ван ден Брука, порядковый номер в периодической системе (периодическая система была открыта еще в 1869 г.) равен числу электронов. В 1913 г. Дж.Томсон предложил модель с центральным положительным ядром и покоящимися электронами, располагающимися слоями вокруг ядра с не чисто кулоновской силой взаимодействия.

В том же 1913 г. появилась модель молодого Бора, работавшего у Резер-форда. Он постулировал устойчивые орбиты электронов, при переходе между которыми происходило поглощение или излучение света. В 1925 г. немецкий физик Вольфганг Паули (1900-1958) для объяснения дублетных спектров щелочных металлов сделал предположение о двузначности свойств излучавшего электрона, а американский физик Р.Крониг в том же году связал двузначность с собственным вращательным моментом электрона и соответствующим магнитным моментом. Однако гипотезу о собственном вращении электрона Паули вначале не принял. В том же году Уленбек и Гаудсмит пришли к аналогичному заключению о наличии собственного вращения электрона.

Еще в 1923 г. Штерн и Герлах, пропуская пучок атомов серебра через сильное магнитное поле получили его расщепление на два пучка. Их опыт стал впоследствии истолковываться как прямое доказательство спина электрона. Одновременно с двузначностью Паули высказал предположение о правилах заполнения электронных оболочек (правило 4-х квантовых чисел - принцип Паули), что давало возможность объяснить периодическую систему элементов. Однако рассчитать даже такой простой атом, как атом гелия было еще нельзя. Казалось, физика снова зашла в тупик, в связи с чем В.Паули писал: “...во всяком случае, для меня она (физика- А.Р.) слишком трудна, и я предпочел бы быть комиком в кино или кем-нибудь вроде этого и не слышать ничего о физике”.

Квантовая механика

Если квантовая механика не потрясла вас до глубины души, значит, вы ее еще не поняли.

Нильс Бор

Выход был найден в квантовой механике. К матричной форме квантовой механики пришел Вернер Гейзенберг (1901-1975). Появившиеся объяснения не имели наглядности. Борн и Иордан придали идеям Гейзенберга математически более строгую форму. Ознакомившись с теорией Гейзенберга, Поль Дирак вводит в квантовую механику вместо матриц операторы, назвав их q-числами. Иное направление избрал Луи де Бройль, который в 1923 г. высказал идею о волновой природе материальных частиц. Вспоминая о размышлениях, приведших к понятию “волн материи”, де Бройль писал, что он обдумывал аналогию между принципом наименьшего действия и принципом Ферма, ища смысл таинственных квантовых условий, введенных в физику Планком, Бором, Вильсоном и Зоммерфельдом.

Квантовая механика появилась как теория способная объяснить линейчатый вид оптических спектров, испускаемых раскаленными телами; разрешить проблему "ультрафиолетовой катастрофы" - неоправданно большой мощности излучения, получаемой, согласно классической теории, в ультрафиолетовой области спектра и, наконец, корпускулярно-волновой дуализм, приводящий к корпускулярным свойствам света и волновым проявлениям материи (микрочастиц).

Что представляют собой волны материи? На этот вопрос де Бройль не дает ответа. Это не обычные материальные волны, их скорость больше скорости света, следовательно, их распространение не может быть распространением энергии того или иного вида. Де Бройль назвал их “фазовыми” волнами. На работу де Бройля обратил внимание Эрвин Шредингер (1887-1961). На этой основе была создана волновая механика, механика атома. В 1926 Э.Шредингер установил связь между квантовой и волновой механикой. Он показал, что при различии исходных физических положений они математически эквивалентны. Такой методологический подход в физике пользуется большим доверием - несходство начальных предпосылок и математическая эквивалентность в результате. Связующим звеном в этом конкретном случае Шредингер считал оператора.

Интерпретация квантовой механики развивалась по нескольким направлениям. Матричный вариант лишен наглядности и носит формальный характер. Важный шаг был сделан М. Борном (1862-1970), который указал на статистический смысл волновой функции. Наиболее известна “копенгагенская” интерпретация квантовой механики. Физические понятия и величины определяются операциями измерения, в промежутке между измерениями говорить о конкретном состоянии системы микрочастиц не имеет смысла. Измеряемые величины подчиняются соотношений неопределенностей В. Гейзенберга: , где в правой части неравенства стоит произведение неопределенностей по координате и импульсу соответственно. Бор выдвинул принцип дополнительности, включающий в себя и соотношение неопределенностей Гейзенберга. Наблюдавшийся в микромире корпускулярно-волновой дуализм требует применения принципа дополнительности. Хотя сам микрообъект ни волной, ни частицей не является, при измерениях его приходится интерпретировать в классических понятиях волны или частицы. Бор выступил за отказ от принципа причинности в элементарных процессах и за признание невозможности объективных представлений о микрообъектах ("копенгагенская" интерпретация квантовой механики, "конструктивизм").

Против копенгагенской интерпретации на 5-ом Сольвеевском конгрессе выступили Лоренц, Эйнштейн, Шредингер. Защищали ее Бор, Гейзенберг, Дирак и Паули. Дирак высказался за то, что в элементарных процессах “природа делает свободный выбор”. Гейзенберг же утверждал, что “наблюдатель сам делает выбор”. Что касается Эйнштейна, то он не мог допустить, что в атомных процессах “господь прибегает к помощи игральных костей”, т.е. “поступает” случайным образом. Он продолжал выступать против копенгагенской интерпретации и дальше, считая, что квантовая механика не является логически замкнутой теорией и содержит внутренние противоречия, скрытые параметры. Обсуждалась и роль субъективного фактора: можно ли говорить (см. выше) о существовании микрообъекта, когда он не наблюдается (вспомним Ленина: кто наблюдал природу до появления человека - этот вопрос идеалистов он приводил как пример абсурда, но “абсурд” оказался твердым орешком!).

В самом деле, ведь микрообъект не является чем-то определенным сам по себе. Иордан, например, считал, что квантовая механика приводит к невозможности разделения субъекта и объекта. Ощущалось сильное влияние позитивистской философии (все основные открытия квантовой физики были интерпретированы с позитивистских позиций). Гейзенберг считал, что квантовая механика ведет в известном смысле к возрождению идей Пифагора и Платона. Подобно треугольнику Платона, представлявшему собой геометрическую фигуру, атом в современной физике тоже лишен каких-либо иных качеств, кроме математических.

Большое значение для интерпретации квантовой механики имела дискуссия между Бором и Эйнштейном на 5-ом Сольвеевском конгрессе, которую Эйнштейн продолжил на 6-ом конгрессе в 1930 г. А в 1935 г. Эйнштейн, Подольский и Розен ("реалисты") опубликовали статью “Можно ли считать квантовомеханическое описание реальности полным?” В статье рассматриваются две микрочастицы, образующие систему, описываемую волновой функцией. Затем они разлетаются на большое расстояние и взаимодействие между ними практически прекращается, но описание по-прежнему можно производить с помощью все той же волновой функции. Теперь, измеряя различными способами состояние частицы 1, мы можем определить и состояние частицы 2, которое тоже будет различным. Если представить состояния частицы 2 через два некоммутирующих оператора (координаты и импульса), то состояние частицы 2 можно описать, а она не взаимодействует с частицей 1, что свидетельствует о неполноте квантовой механики, ибо физически это бессмысленно, по мнению авторов. Это так называемый парадокс ЭПР (Эйнштейна-Подольского-Розена).

На критику "конструктивист" Н. Бор ответил статьей, где показал, что никакого логического противоречия в этом случае нет, как нет и неполноты. А противоречие возникает, если использовать старое понимание физической реальности, независимо от способа наблюдения микрообъекта. Причем под реальностью Бор предлагает понимать не сами объекты, а их образы (позитивизм!). Эйнштейн остался при своем мнении и считал, что признание возможности изменения состояния квантовой системы без материального воздействия на нее равносильно признанию наличия телепатии в физических процессах.

Как мы уже упоминали в начале книги, английский научно-популярный журнал “Nature” от 11 декабря 1997 г. опубликовал сообщение, “потрясшее мир” о наблюдении двумя группами физиков независимо друг от друга явления “квантовой телепортации”, подтверждающее реальность связи двух микрочастиц (фотонов), о которых шла речь в эксперименте ЭПР, описанном выше как мысленный, причем связи мгновенной. Эти “телефонные”, т.е. имеющие информацию друг о друге, частицы даже получили клички Алиса и Боб, а изменение состояния одной из них (Алисы), на которое мгновенно реагирует удаленный от нее Боб, производит Кэрол (так звали автора “Алисы в стране чудес”).

Правда, вскоре после публикации об экспериментальном наблюдении квантовой "телепортации" (копирования) появилось теоретическое объяснение описанного эффекта[21], в которой предлагается схема установки для наблюдения этого эффекта. Пока что трудно сказать, исчерпывается ли названная проблема предложенным объяснением. Если считать, что это так, то центр тяжести проблем микромира перемещается к проблеме взаимного превращения частиц, о чем свидетельствует высказывание Я.Б. Зельдовича (см. ниже) и к построению теории всех (четырех) взаимодействий[22]

В связи с вышеописанным опытом “спутывания” “телефонных” частиц уместно вспомнить, что Владимир Александрович Фок (1898-1975) считал, что для микрочастиц существуют как силовые, так и несиловые (мгновенно распространяющиеся) взаимодействия.

Микромир и сознание.Квантовая механика описывает поведение частиц атомных и субатомных размеров, что позволяет объяснять и свойства макроскопических тел (кристаллы, магнитные материалы, газы). Возможность объяснения свойств тел или явлений характеристиками их составных частей получило в философии название редукционизма. Однако, редукционизм[23] дает сбои при переходе к субатомным размерам, при которых утрачивается самоподобие материи, выражающееся в частности в ее фрактальности. Материя как бы перестает состоять из более мелких частей.

Высокие скорости субатомных микрочастиц требуют применения специальной теории относительности. Учет этих особенностей субатомных микрочастиц производится в квантовой электродинамике, в создании которой принимал участие Р.Фейнман.

При переходе от макроуровня, который хорошо описывается классической механикой, к микроуровню (т.е. атомному и субатомному) теряют смысл традиционные понятия механики Ньютона такие как сила (заменяется на "взаимодействие"), траектория - утрачивается применительно к отдельной микрочастице, согласно Бому, либо продолжает существовать, по мнению Бора, Гейзенберга и их единомышленников ("копенгагенская" интерпретация квантовой механики, которая подвергалась критике в отечественной философской литературе времен диалектического материализма и становится все более принятой в настоящее время). Подлежит пересмотру и понятие причинности как предсказуемости последовательности событий. Взамен их привлекается понятие вероятности и поведения микрочастицы как части ансамбля, т.е. при описании редукционизм заменяется холизмом[24], который в последнее время нередко называют системным подходом [41], хотя эта замена неполная и описанием на языке классической механики пользуются, по возможности, и при изучении микромира. Происходит это не только в силу большей разработанности классической механики, но и в связи с тем, что макромир, для которого остается применимой классическая механика, соизмерим с размерами человеческого тела и поэтому воспринимается нашими органами чувств. А одним из методологических принципов науки является утверждение (чаще всего подразумеваемое, т.е. принятое по умолчанию), которое гласит, что существует только то, что прямо или опосредовано может быть зарегестрировано органами чувств человека. Так, например, заряженные микрочастицы считаются существующими, если их треки зарегистрированы в камере Вильсона, или каким-либо другим наблюдаемым способом.

Ансамблевый, статистический подход квантовой механики к описанию микромира создает как бы новую форму детерминизма, когда причинно-следственная связь существует, но в применении к ансамблю в целом, а не к отдельной микрочастице, поведение которой зависит от условий эксперимента и, следовательно (в интерпретации Бома) , от наблюдателя и его сознания. Вопрос о наблюдателе оказался особенно важен в квантовой механике, хотя появился он гораздо раньше, в механике классической (Коперник, Галилей).

Многие физики-теоретики (см. высказывание В.Л.Гинзбурга в Приложении, а также [37]) придерживается мнения, что дело не в сознании наблюдателя, а в макроскопичности прибора. С другой стороны, А.А.Гриб[25], например, считает, что такая точка зрения не подтверждается аппаратом квантовой механики и является всего лишь эмоциональным убеждением. Аналогичные точки зрения на роль сознания высказывали еще В.Гейзенберг, а также И.Пригожин и другие видные ученые.

Так, д'Эспанья[26]считает, что Вселенная не является чисто физическим объектом, но психофизическим, а физические и психические свойства объекта взаимно дополнительны (по принципу дополнительности Бора). Объединяет их по-видимому информация, роль которой прослеживается в парадоксе ЭПР и связанном с ним недавно открытом явлении "квантовой телепортации", о котором уже говорилось выше.

Правда, с подходом ко Вселенной как объекту психофизическому пока трудно оперировать, но он существенно более кардинален, чем "приборный". Вот почему физика, по большому счету, заинтересована в развитии психологии, Именно психология может дать физике необходимые сведения о структуре сознания (наблюдателя), которыми исторически "ведала" религия. И этот интерес обоюдный.[27] Действительно, в последние годы развиваются представления о квантовом механизме работы сознания[28], а также квантовых компьютерах. Их обзор дан в монографии Е.М.Иванова.[29] Так достижения и даже трудности фундаментальной физики стимулируют развитие "смежных" отраслей естествознания, психологии, информатики и вычислительной техники.