ЧТО СЛУЧИЛОСЬ С ФИЗИКОЙ В ХХ ВЕКЕ ?

       Развитие теоретической  физики в ХХ веке шло под флагом зарождения, развития и становления квантовой механики, а также специальной теории относительности (СТО). Принципы и постулаты квантовой механики и СТО, предложенные вначале как чисто методологический прием с целью упорядочения экспериментальных данных, превратились позднее в фундамент не только нового направления в развитии теоретической физики, но и целого философского мировоззрения. При этом для согласования с экспериментом использовалось, как правило, абстрактное математическое моделирование, не всегда адекватно отражающее реальные процессы, происходящие в природе.

     Классическая физика попала в странное положение. С одной стороны, квантовая механика была не в состоянии справляться с экспериментальными данными без помощи фундаментальных законов классической физики, с другой стороны, квантовая механика "командовала" классической физикой, как наездник лошадью: здесь - можно применять законы классической физики, а тут - нельзя. Командовала, но при этом сама не являлась достаточно совершенной.

     Многие физики не могли смириться с этим положением и всю жизнь пытались примирить экспериментальные данные с принципами и законами классической физики. В их числе такие видные исследователи, стоящие возле истоков квантовой механики, как Макс Планк, А.Эйнштейн, Э. Шредингер, А. Ланде.

     Предлагаемая читателю работа [1] является очередной и, как нам представляется, плодотворной попыткой примирения экспериментальных данных с законами классической физики.

Интересно проследить основные этапы становления квантовой механики, а также причины и обстоятельства отказа от классической физики.    Наиболее    полно    эти    вопросы    изложены    в    книге    М. Джеммера [2].

 Считается, что начало отказа от классических понятий при  осмыслении  экспериментальных  данных  положил в   1900 г. М.Планк. Активный   сторонник   классической    физики, оказавшись не в состоянии объяснить спектральный состав излучения черного тела на базе представлений классической физики, он делает шаг в сторону от своих убеждений. Как "акт отчаяния", вызванный необходимостью найти "теоретическое объяснение... любой ценой, сколь высокой она ни была бы" [3], Планк делает допущение, что энергия осцилляторов не непрерывна, как этого требуют законы классической электродинамики, а дискретна. При этом минимальная порция энергии осциллятора зависит от частоты по закону  Е = hv.  Так, в обиходе физиков появилось понятие о новой универсальной постоянной  h с размерностью эрг´с. Эта величина стала интерпретироваться как элементарный квант действия, определяющий дискретную структуру энергетических уровней осцилляторов. Всю свою дальнейшую жизнь Планк пытался примирить появление величины   h   с классической физикой, но... безуспешно...

Введение М. Планком величины  h   долгое   время рассматривалось физиками как чисто методический прием, так же, как и введение А. Эйнштейном в 1905 г. понятия дискретного распределения самой энергии излучения, т.е. понятия о квантах света, получивших  впоследствии  (1926 г.)  название  фотонов.    Так,  в характеристике Эйнштейна, подписанной в 1913 г. рядом видных ученых, в том числе Планком, читаем такие слова: "То, что он в своих умозаключительных  построениях иногда, возможно, заходит слишком далеко, как, например, в своей гипотезе световых квантов, вряд ли заслуживает серьезного упрека: не отваживаясь когда-то на риск, даже в самых точных науках о природе, невозможно добиться ничего подлинно нового" [3].

Но вот в 1916 году Р. Милликен получил неопровержимое доказательство прямой пропорциональности между кинетической энергией фотоэлектронов и частотой падающего света с коэффициентом пропорциональности, действительно равном  h.  В свете представлений, бытующих в умах физиков того времени, имеющихся сведений о свойствах света оказалось достаточно, чтобы после этих опытов "квант действия стал восприниматься как физическая реальность, ... а догадка Эйнштейна о квантах света приобрела физический смысл.."[2].

Следующий этап в развитии теоретической физики в ХХ веке связан с именем Н. Бора - этого неуемного бунтаря против классики, беспокойного искателя новых путей развития физики, человека, наглядно продемонстрировавшего, как философские взгляды ученого могут определять выбор путей решения научных проблем, даже в такой точной естественной науке, как физика.

     В 1913 г. Н. Бор для объяснения дискретного характера спектров атомов, следуя М. Планку, применил положение о дискретных устойчивых состояниях осцилляторов к атомным системам, введя постулаты, которые в современном изложении выглядят приблизительно так:   

1. Атомы могут длительное время находиться в дискретных устойчивых энергетических состояниях   Е₁,Е₂,....,Е_n,   не излучая и не поглощая энергии, несмотря на происходящие в них движения заряженных частиц по орбитам.

2. При переходе из одного состояния в другое атомы испускают или поглощают монохроматическое излучение, частота которого n определяется соотношением:    hv = E_m - E_n.

Постулаты явились результатом обобщения известных к тому времени экспериментальных данных и послужили основой для развития планетарной модели атомов.

Как показано авторами, они допускают и чисто классическую интерпретацию. Для этого требуется лишь более корректная постановка задачи и более полный учет всех действующих в природе факторов. Однако Н. Бор, не доверяя старой механике и " избегая этого по мере возможности" [2], предпочел идти по пути построения новой механики - квантовой.

Можно думать, что с работ Н. Бора начался резкий поворот в сторону противопоставления квантовой механики классической физике и здравому смыслу вообще. Это связано, прежде всего, с философскими   взглядами Н. Бора, почерпнутыми из работ С. Кьеркегора, Х.Гёффдинга, В. Джемса. Как утверждается в работе [2], философские направления, развивавшиеся на рубеже веков, такие как "контингентализм, экзистенциализм, прагматизм, логический эмпиризм, объединенные отходом от причинности,... взрыхлили  философскую  почву для современной квантовой механики", "внесли вклад в создание такого философского климата, который способствовал отказу от классических понятий", вклад, опирающийся на такие, например, положения, как "нам не дано создать исчерпывающую концепцию реальности", поэтому "мы должны создать (любой ценой) такую теорию, которая будет работать", т.е. объяснять физические явления, не взирая ни на что.

Существенно отметить, что в последующих постулатах Н. Бор вводит понятие о квантовании момента импульса электрона, указав, что его минимальная величина равна:   h/2p = ћ. На полмесяца раньше подобный подход к использованию величины   h   для квантования момента импульса был выдвинут П. Эренфестом [2].  Идеи витают в воздухе!

Размерность эрг´с - это, действительно, не только размерность некоего действия, но и размерность такой хорошо известной величины, как момента количества движения. Но, по иронии, судьбы развитие теоретической атомной физики пошло по пути, определяемом взглядом на  h  как на некий непонятный, но эффективный символ кванта действия, а не как на символ момента  количества движения. Долгое время никого не смущал тот факт, что универсальная постоянная, какой оказалась величина   h,   обусловлена каким-то мифическим явлением, называемым действием, т.е. таким явлением, для которого даже закона сохранения не существует.

Этот взгляд на величину ћ  оказался роковым для теоретической физики. Так, Н. Бор, получив связь величины   ћ с квантованием момента импульса -  момента количества движения, - над этой зависимостью даже не задумался, а расценил это соотношение как совпадение, как просто интерпретацию физических явлений на языке "символов, взятых из обычной  классической механики" [2].

Третий, завершающий этап становления квантовой механики связан    с      именами     Л. де Бройля,    Э. Шредингера,   М. Борна,      В. Гейзенберга и их сотрудников. В 1923 г. де Бройль предложил чисто методологический прием описания движения частиц с помощью волновой механики [2].

"Быть может, каждое движущееся тело сопровождается волной, и что невозможно разделить движение тела и распространение волн". Не рассматривая физическую сущность понятия волны, де Бройль предложил описывать движение тела при помощи так называемой присоединенной фиктивной волны. Основным постулатом динамики  свободной частицы по де Бройлю стало утверждение, что в каждой точке своей траектории частица следует по лучу ее фазовой волны со скоростью, в точности равной групповой скорости  фазовых волн. Кроме этого, де Бройль предложил рассматривать частицу как средоточение некоего внутреннего периодического движения, частота которого в случае частиц с массой покоя   М_o   равна: v = M_оc²/h.

Рассматривая поглощение или рассеяние квантов света атомами, или прохождение их через диафрагму, де Бройль вводит гипотезу о том, что вероятность рассматриваемых процессов  определяется геометрической результирующей вектора фазовых волн, проходящих через атом как через отверстие в диафрагме. Эта гипотеза согласно де Бройлю аналогична той, что принимается электромагнитной теорией, когда она связывает интенсивность наблюдаемого света с интенсивностью результирующего электрического вектора. Иначе говоря, волновая механика рассматривалась де Бройлем просто как статистический способ  описания явлений.

     Законы волновой механики по де Бройлю должны выполняться и в случае электронов: "пучок электронов, проходящий сквозь достаточно  узкое отверстие, также должен испытывать дифракцию" [2].

Заканчивая рассмотрение подобных явлений, де Бройль заключает: "Тем самым пролит свет на фундаментальную связь, объединяющую два великих принципа - геометрической оптики и динамики частиц", а "гипотеза световых квантов согласуется с явлениями интерференции и дифракции".

Математическое оформление идей де Бройля нашло свое воплощение в уравнении     Э. Шредингера в    1926 г. В том же году появилась по аналогии с гипотезой де Бройля вероятностная интерпретация волновой функции, выдвинутая Борном, и постулат дополнительности Н. Бора, развитый позднее В. Паули.

В  1927 г. идеи де Бройля по дифракции электронов получили экспериментальное подтверждение. Началось триумфальное шествие квантовой механики.

Существенно отметить, что "для физики конца ХIХ века пространственное распределение энергии было либо дискретным, как в корпускулярно-кинетической теории ньютоновской механики, либо непрерывным, как в максвелловской электромагнитной теории, но никогда не было и дискретным и непрерывным для одного и того же класса физических явлений" [2]. Например, А. Эйнштейн, вводя понятие кванта света, не отрицал классической волновой природы света, а рассматривал ее результаты как данные, описывающие только средние по времени величины. В то время как представление о квантах света использовалось для рассмотрения "мгновенных значений  величин, или когда в рассмотрение включается взаимодействие вещества и излучения как в процессах испускания и поглощения света".

Но не так думали физики во главе с Н. Бором, объединенные в Копенгагенскую школу. После работ Н. Бора и его последователей физическая интерпретация экспериментальных данных стала  пропитываться туманом необъяснимых понятий, порой не согласующихся как со здравым смыслом, так и с элементарной  логикой. Чего, например, стоит постулат дополнительности Бора - Паули. Согласно этому  постулату материальное тело может быть и волной и частицей одновременно. А вот мотивация этого подхода к физическим явлениям, данная Бором [2]: "Необходимость прибегнуть к дополнительному, или взаимному, способу описания, видимо, известна нам по психологическим проблемам". "В частности, видимое противоречие между непрерывным уходящим вдаль потоком ассоциативного мышления и сохранением индивидуальности личности обнаруживает наводящую на размышление аналогию с соотношением между волновым описанием материальных частиц, подчиняющихся принципу суперпозиции и сохраняющейся индивидуальности частиц". И, наконец, "идея  дополнительности подходит для того, чтобы охарактеризовать ситуацию, имеющую глубокую  аналогию с общей трудностью формирования представлений у человека, пытающегося разграничить субъект и объект".

В этом последнем изречении, как нам представляется, заключается вся идеологическая и даже психологическая суть квантовой механики. Согласно   П. Фейерабенду,  одной  из  причин  "живучести вероучения о дополнительности перед лицом решительных возражений следует считать расплывчатость основных принципов этого вероучения", а Грёневольд указывал, что "недоговоренность этого понятия является, вероятно, одной из причин его плодотворности". В этом случае можно было бы сказать, что характерный принцип философии Кьеркегора-Гёффдинга - невозможность познания реальности, под влиянием которой... находился Бор, оправдал себя [2].

На взгляд физиков начала ХХ века явления, происходящие в атомах, были так необычны и таинственны, так трудно вписывались в привычные представления, что ученым пришлось ограничиться их формальным математическим описанием. При интерпретации же физической сущности полученных формул они были вынуждены идти на отказ от привычных представлений, даже таких, как принцип причинности и фундаментальные законы классической физики, или вообще отказаться от понимания самой сути явлений (правило наблюдаемых величин Гейзенберга).

Наиболее наглядно это видно на примере  такого понятия, как спин.  В. Паули, развивая взгляд Стокера, выдвигает идею, что при рассмотрении заполнения электронных оболочек атомов каждому состоянию следует приписать не три, а четыре квантовых числа.

Изучая    статью   В. Паули,   С. Гаудсмит   и   Дж. Уленбек попытались четвертую степень свободы объяснить неточечностью электрона и вращением его сферической оболочки вокруг собственной оси. Энтузиазм их угас, когда они обнаружили, что для этого требуются     скорости    вращения,   большие   скорости   света.  Но  П. Эренфест, плененный красотой идеи ("теория любой ценой"), не дожидаясь  расчетов    Х. Лоренца,  отправил   их   заметку  в  печать, заявляя: "вы оба достаточно молоды, чтобы позволить себе сделать одну глупость". Но если в 1925 г. это была всего лишь глупость, то в последующем ее приняли как одеяние в сказке "О голом короле". А сколько в квантовой механике существует других аналогичных нелепостей, не поддающихся логическому объяснению, но позволяющих создать видимость реальности!

Квантовая механика, являющаяся фактически статистической механикой микрочастиц, т.е. одним из разделов физики, начинает приниматься за новое направление развития самого фундамента теоретической     физики.   "Мы утверждаем",  - заявили   Н. Борн   и     В. Гейзенберг  в  1927 г.,  - "что   квантовая   механика является полной теорией, а ее основные физические и математические гипотезы более не нуждаются в модификации".

О возможности такой пагубной для развития физики подмены понятий   предупреждал   еще  в  1904 г.   А. Пуанкаре,  вероятно, последний великий теоретик классической физики. "Физический закон приобретет... новый аспект, это уже не будет дифференциальное уравнение, он примет  характер статистического закона" [4]. На базе этой подмены целого частью и мистицизма постулатов квантовой механики развивается целый ряд философских школ, не менее мистических по своей идеологической направленности.

Неудивительно, что после знакомства с  постулатами квантовой механики   А. Эддингтон  в  своей  книге  "Природа   физического мира" утверждает, что "...доводы современной науки дают, быть может, возможность сделать заключение, что религия стала приемлемой для здравого научного ума, начиная с 1927 г."

Можно надеяться, что в свете  вышесказанного читатель, взявший в руки предлагаемую книгу [1], постарается подойти к ее материалу непредвзято и попытаться трезво оценить обстановку, сложившуюся в настоящее время в теоретической атомной физике. В книге изложены идеи, которые могут показаться абсурдными человеку, воспитанному на догмах официальной науки, и воспринимающему университетский курс физики как некую абсолютную истину в последней инстанции: утверждал же Лавуазье в конце ХVIII века, что "камни с неба (метеориты по-современному) падать не могут - это противоречит законам физики". Но камни с неба падают, Земля вертится, а человеческая мысль непрерывно развивается.

Как тут не вспомнить положение диалектики, что любая достигнутая нами истина всегда относительна и, следовательно, "не отваживаясь когда-то на риск, даже в самых точных науках о природе, невозможно добиться ничего подлинно нового".

  ЛИТЕРАТУРА

1. Шаляпин А.Л., Стукалов В.И. Введение в классическую электродинамику и атомную физику. Второе издание, переработанное и дополненное. Екатеринбург, Изд-во  Учебно-метод. Центр УПИ, 2006, 490 с.  

За дополнительной информацией можно обратиться на сайты: 

http://s6767.narod.ru  http://s1836.land.ru  http://s1836.narod.ru

  http://shal-14.boom.ru  http://shal-14.narod.ru

2. Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. М.: Наука, 1985.

3. Кляус Е.М., Франкфурт У.И. Макс Планк.  М.: Наука, 1980.

4. Пуанкаре А. О теории квантов. // А. Пуанкаре. Избр. Труды. Т.3. С.521.