Естествонаучные взгляды Пуанкаре

В этой главе мы продолжим обсуждение принципа относительности Эйнштейна и  Пуанкаре... Пуанкаре сформулировал  принцип относительности следующим  образом... [далее Фейнман излагает доклад на конференции в Сен Луи]

В это  время 26 сентября 1905 года журнал "Annalen der Physik" (Берлин-Лейпциг) публикуют статью Альберта Эйнштейна, озаглавленную "К электродинамике движущихся тел". Рукопись, подписанная Эйнштейном и его женой Милевой Марич была получена редакцией 30 июня 1905 года, то есть более трех недель спустя заметки Пуанкаре. Эта рукопись была немедленно уничтожена после ее публикации. Родившийся в 1879 году Эйнштейн получил образование в Цюрихском Политехникуме, после чего поступил в патентное бюро Берна.

В его  статье можно найти то, о чем  в течение десяти лет Пуанкаре дискутировал с Лоренцем и что уже неоднократно публиковалось: ненужность эфира, абсолютного пространства и абсолютного времени, условность понятия одновременности, принцип относительности, постоянство скорости света, синхронизация часов световыми сигналами, преобразования Лоренца, инвариантность уравнений Максвелла, и так далее. К уже известному Эйнштейн добавил формулы релятивистского эффекта Доплера и аберрации, которые немедленно вытекают из преобразований Лоренца.

Таким образом, независимый исследователь, никогда, ничего не публиковавший по обсуждаемому вопросу прежде, якобы  переоткрыл практически мгновенно то, что ученые класса Лоренца и Пуанкаре смогли установить только после десяти лет усилий. Более того, вопреки научной этике в своей статье Эйнштейн не делает никаких ссылок на работы предшественников, что особенно поразило Макса Борна. При этом Эйнштейн, который читал по-французски также хорошо, как и по-немецки, знал работу Пуанкаре "Наука и гипотеза", а также, без сомнения, и все другие статьи Лоренца и Пуанкаре.

Это не помешало Эйнштейну стать в глазах общественности творцом теории относительности, что обрекало Пуанкаре на забвение. Такое произошло под влиянием немецкой школы и благодаря научному авторитету Планка и фон Лауе. В 1907 году Планк писал: "Принцип относительности, намеченный Лоренцем и в наиболее общем виде сформулированный Эйнштейном..."; здесь Пуанкаре был уже полностью проигнорирован.

Этому есть два главных объяснения. Прежде всего, конфликт двух кланов: Пуанкаре был математиком, а не физиком. Мог  ли профессор математики с высоты своей кафедры давать советы тем, кто внизу ведет тяжелую борьбу с грубой реальностью практики? Затем  конфликт наций: в начале века наука  была немецкой (Рентген, Герц, Планк, Вайн и др.), как могли немцы получать уроки от французов?

Хотя  Эйнштейн и работал в Берне, но родился в Ульме, в Баварии. Он принадлежал к немецкой школе  и поэтому стал знаменитым. Потом  американцы, склонные все преувеличивать до абсурда, сделали из него самого великого ученого человечества.

В этом избытке почестей есть, однако, "небольшая  осечка". Пуанкаре умер в 1912 году, в  этом же году, а затем и в последующих, Эйнштейн неоднократно выдвигался на Нобелевскую премию по теории относительности. В конце концов он получил эту премию, но не за эту теорию, а за фотоэффект. Для премии по теории относительности было существенное препятствие: Лоренц, престиж которого в Шведской Академии Наук был огромен, и который лучше, чем кто-либо знал о приоритете Пуанкаре в генезисе релятивизма. 

2.2 Квантовая механика 

Квантовая механика (волновая механика) - теория, которая устанавливает способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно  измеряемыми на опыте. 

Квантовая механика описывает законы движения микрочастиц. Однако поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием  частиц, из которых они состоят, постольку  квантовая механика применяется  для объяснения многих макроскопических явлений. Например, квантовая механика позволила понять многие свойства твердых  тел, последовательно объяснить  такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических  объектов, как белые карлики, нейтронные звезды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и  звездах. 

Для классической механики характерно описание частиц путем задания их положения в  пространстве (координат) и скоростей  и зависимости этих величин от времени. Опыт показал, что такое  описание частиц не всегда справедливо, в частности, оно не применимо  для описания микрочастиц. 

Квантовая механика делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной теории относительности. 

Нерелятивисткая квантовая механика (как и механика Ньютона для своей области применимости) - это законченная и логически непротиворечивая фундаментальная физическая теория. 

Релятивистская  квантовая механика не является в  такой степени завершенной и  свободной от противоречий теорией. 

Если  в нерелятивистской области можно  считать, что взаимодействие передается мгновенно на расстоянии, то в релятивистской области оно распространяется с  конечной скоростью, значит, должен существовать агент, передающий взаимодействие - физическое поле. Трудности релятивистской теории - это трудности теории поля, с  которыми встречается как релятивистская классическая механика, так и релятивистская квантовая механика. 

Соотношение между классической и квантовой  механикой определяется существованием универсальной мировой постоянной - постоянной Планка, которая называется также квантом действия и имеет  размерность действия. Если в условиях данной задачи физические величины размерности  действия значительно больше постоянной Планка, то применима классическая механика. Формально это условие  и является критерием применимости классической механики. 

Общая теория относительности - неквантовая теория. В этом отношении она подобна классической электродинамике Максвелла. Однако наиболее общие рассуждения показывают, что гравитационное поле должно подчиняться квантовым законам точно так же, как и электромагнитное поле. Применение квантовой теории к гравитации показывает, что гравитационные волны можно рассматривать как поток квантов - гравитонов. 

Впервые квантовые представления были введены  в 1900 году немецким физиком Планком  в работе, посвященной теории теплового  излучения. Существовавшая в то время  теория теплового излучения, построенная  на основе классической электродинамики  и статистической физики, приводила  в противоречию. Чтобы его разрешить, Планк предположил, что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а определенными дискретными порциями энергии - квантами.

Эйнштейн  в 1905 году построил теорию фотоэффекта, развивая квантовые представления  Планка. Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, т.е. что дискретность присуща не только процессам испускания и поглощения света, но и самому свету, что свет состоит из отдельных порций - световых квантов.

Квант света, а более широко - электромагнитного  излучения, называется фотоном. Этот термин ввел американский физико-химик Льюис в 1929 году. 

Для создания современной картины мира важным событием оказалось то, что в 1922 году американский физик Комптон открыл эффект, в котором впервые во всей полноте проявились корпускулярные свойства электромагнитного излучения (в частности, света). Экспериментально было показано, что рассеяние света  свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двух частиц. 

Эффект  Комптона выявил корпускулярные свойства света. Было экспериментально доказано, что наряду с известными волновыми  свойствами (проявляющимися, например, в дифракции) свет обладает и корпускулярными  свойствами: он состоит как бы из частиц. В этом проявляется дуализм  света, его корпускулярно-волновая природа. 

Возникло  формальное логическое противоречие: для объяснения одних явлений  надо было считать, что свет имеет  волновую природу, для объяснения других - корпускулярную. Разрешение этого  противоречия и привело к созданию физических основ квантовой механики.  

В 1913 году Бор применил идею квантов к планетарной  модели атома. Эта модель на основе классических представлений приводила  к парадоксу - радиус орбиты электрона  должен был постоянно уменьшаться  из-за излучения и электрон должен был упасть на ядро. Для объяснения устойчивости атомов Бор предположил, что электрон испускает световые волны не постоянно, а лишь при  переходе с одной орбиты, удовлетворяющей  условиям квантования, на другую рождается  квант света. 

В 1924 году французский физик Луи де Бройль, пытаясь найти объяснение постулированным  в 1913 году Бором условиям квантования  атомных орбит, выдвинул гипотезу о  всеобщности корпускулярно-волнового  дуализма. Согласно этой гипотезе, каждой частице, независимо от ее природы, надо поставить в соответствие волну, длина которой связана с импульсом  частицы. 

Т.е. не только фотоны, но и все "обыкновенные частицы" (электроны, протоны и  др.) обладают волновыми свойствами, которые, в частности, должны проявляться  в дифракции частиц. 

В 1927 году в эксперименте наблюдалась дифракция  электронов, а позднее- дифракция и других частиц, тем самым справедливость гипотезы де Бройля была подтверждена экспериментально. 

В 1926 году австрийский физик Шредингер  предложил уравнение, описывающих  поведение волн, соответствующих  каждой частице (волн де Бройля), во внешних  силовых полях. Это волновое уравнение, которое получило название уравнение  Шредингера, является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики, волновой механики. 

В 1928 году Дираком было сформулировано релятивистское уравнение,описывающее движение электрона во внешнем силовом поле. Уравнение Дирака стало одним из основных уравнений релятивистской квантовой механики. 

Применение  Бором квантовых идей к теории строения атома привело к построению "полуклассической" теории, которая  встретилась со многими трудностями. 

Модель  атома Бора была построена за счет нарушения логической цельности  теории: с одной стороны, использовалась Ньютонова механика, с другой - привлекались чуждые ей искусственные правила квантования, к тому же противоречащие классической электродинамике. Теория Бора не могла объяснить, как движется электрон при переходе с одного уровня на другой. 

Дальнейшая  разработка воросов теории атома привела в выводу, что движение электронов в атоме нельзя описывать в терминах классической механики (как движение по определенной траектории, орбите), что вопрос о движении электрона между уровнями несовместим с характером законов, определяющих поведение электрона в атоме. Стало ясно, что для построения модели атома необходима принципиально новая теория, которая для описания поведения электрона в атоме не оперирует понятиями ньютоновской механики. В новую теорию могли входить только величины, относящиеся к начальному и конечному стационарным состояниям атома. 

Немецкий  физик В.Гейзенберг в 1925 году построил формальную схему, в которой вместо координат и скоростей электрона фигурировали некоторые абстрактные абстрактные величины - матрицы. 

Работа  Гейзенберга была развита Борном и Иорданом. Так возникла матричная  механика. 

Вскоре  после появления уравнения Шредингера эквивалентность этих двух форм была доказана. 

Окончательное формирование квантовой механики как  последовательной теории связано с  работой Гейзенберга 1927 года, в которой  был сформулирован принцип, утверждающий, что любая физическая система  не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции  и импульс одновременно принимают  вполне определенные, точные значения. Этот принцип получил название "соотношение  неопределенностей". 

Соотношение неопределенностей устанавливает, что понятия координаты и импульса в классическом смысле не могут быть применены к микроскопическим объектам. Никакой эксперимент не может  привести к одновременно точному  измерению входящих в соотношение  неопределенностей динамических переменных. При этом неопределенность в измерениях связана не с несовершенством  измерительной техники, а с объективными свойствами микромира.