Роль прибора в квантовой механике. Причины появления понятия физической реальности

«Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других - подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообъектом. М. Борн образно заметил, что волны и частицы - это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию.

Во-первых, идея корпускулярно-волнового дуализма означает, что любой материальный объект, обладающий корпускулярно-волновым дуализмом, имеет энергетическую оболочку. Подобная энергетическая оболочка существует и у Земли, а также у человека, которую чаще всего называют энергетическим коконом. Эта энергетическая оболочка может играть роль сенсорной оболочкой, экранирующей материальный объект от внешней среды и составляющей его внешнюю "гравитационную сферу". Эта сфера может играть роль мембраны в клетках живых организмов. Она пропускает внутрь только "отфильтрованные" сигналы, с уровнем возмущений, превышающий некоторое предельное значение. Аналогичные сигналы, превысившие некоторый определенный порог чувствительности оболочки, она может пропускать и в обратную сторону.

Во-вторых, наличие у материальных объектов энергетической оболочки, выводит на новый уровень осмысления гипотезу французского физика Л. де Бройля о действительно универсальной природе корпускулярно-волнового дуализма.

В-третьих, в силу эволюции строения материи, природа корпускулярно-волнового дуализма электрона может являться отражением корпускулярно-волнового дуализма фотонов. Это означает, что фотон, являясь нейтральной частицей, имеет мезонное строение и представляет собой самый элементарный микро атом, из которого, по образу и подобию строятся все материальные объекты Вселенной. Более того, это строительство осуществляется по одним и тем же правилам.

В-четвертых, корпускулярно-волновой дуализм позволяет естественным образом объяснить феномен генной памяти (Генная память) частиц, атомов, молекул, живых организмов, давая возможность осознания механизмов такой памяти, когда бесструктурная частица помнит о всех своих порождениях в Прошлом и обладает "интеллектом" к избранным процессам синтеза, с целью формирования новых "частиц", с избранными свойствами. 
Принцип неопределенности - физический закон, который утверждает, что нельзя одновременно точно измерить координаты и импульс микроскопического объекта, т.к. процесс измерения нарушает равновесие системы. Произведение этих двух неопределенностей всегда больше Постоянной Планка. Этот принцип был впервые сформулирован Вернером Гейзенбергом.

Из принципа неопределённости следует, что чем точнее определена одна из входящих в неравенство величин, тем менее определенно значение другой. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению таких динамичных переменных; при этом неопределённость в измерениях связано не с несовершенством экспериментальной техники, а с объективными свойствами материи.

Принцип неопределённости, открытый в 1927 г. немецким физиком В. Гейзенбергом, явился важным этапом в выяснении закономерностей внутриатомных явлений и построении квантовой механики. Существенной чертой микроскопических объектов является их корпускулярно-волновая природа. Состояние частицы полностью определяется волновой функцией (величина, полностью описывающая состояние микрообъекта (электрона, протона, атома, молекулы) и вообще любой квантовой системы). Частица может быть обнаружена в любой точке пространства, в которой волновая функция отлична от нуля. Поэтому результаты экспериментов по определению, например, координаты имеют вероятностный характер.

Пример: движение электрона представляет собой распространение его собственной волны. Если стрелять пучком электронов через узкое отверстие в стенке: узкий пучок пройдёт через него. Но если сделать это отверстие ещё меньше, такое, чтобы его диаметр по величине сравнялся с длиной волны электрона, то пучок электронов разойдётся во все стороны. И это не отклонение, вызванное ближайшими атомами стенки, от которого можно избавиться: это происходит вследствие волновой природы электрона. Попробуйте предсказать, что произойдёт дальше с электроном, прошедшим за стенку, и вы окажетесь бессильными. Вам точно известно, в каком месте он пересекает стенку, но сказать, какой импульс в поперечном направлении он приобретёт, вы не можете. Наоборот, чтобы точно определить, что электрон появится с таким-то определённым импульсом в первоначальном направлении, нужно увеличить отверстие настолько, чтобы электронная волна проходила прямо, лишь слабо расходясь во все стороны из-за дифракции. Но тогда невозможно точно сказать, в каком же точно месте электрон-частица прошёл через стенку: отверстие-то широкое. Насколько выигрываешь в точности определения импульса, настолько проигрываешь в точности, с какой известно его положение.

Это и есть принцип неопределённости Гейзенберга. Он сыграл исключительно важную роль при построении математического аппарата для описания волн частиц в атомах. Его строгое толкование в опытах с электронами такого: подобно световым волнам электроны сопротивляются любым попыткам выполнить измерения с предельной точностью. Этот принцип меняет и картину атома Бора. Можно определить точно импульс электрона (а, следовательно, и его уровень энергии) на какой-нибудь его орбите, но при этом его местонахождение будет абсолютно неизвестно: ничего нельзя сказать о том, где он находится. Отсюда ясно, что рисовать себе чёткую орбиту электрона и помечать его на ней в виде кружка лишено какого-либо смысла. 
В конце XIX в. многие ученые считали, что развитие физики завершилось по следующим причинам:

• больше 200 лет существуют законы механики, теория всемирного тяготения
• разработана молекулярно-кинетическая теория
• подведен прочный фундамент под термодинамику
• завершена максвелловская теория электромагнетизма
• открыты фундаментальные законы сохранения (энергии, импульса момента импульса, массы и электрического заряда)

В конце XIX -- начале XX в. открыты В. Рентгеном — X-лучи (рентгеновские лучи), А. Беккерелем — явление радиоактивности, Дж. Томсоном —электрон. Однако классическая физика не сумела объяснить эти явления.

Теория относительности А. Эйнштейна потребовала коренного пересмотра понятии пространства и времени. Специальные опыты подтвердили справедливость гипотезы Дж. Максвелла об электромагнитной природе света. Можно было предположить, что излучение электромагнитных волн нагретыми телами обусловлено колебательным движением электронов. Но это предположение нужно было подтвердить сопоставлением теоретических и экспериментальных данных.

Для теоретического рассмотрения законов излучений использовали модель абсолютно черного тела, т. е. тела, полностью поглощающего электромагнитные волны любой длины и, соответственно, излучающего все длины электромагнитных волн.

Примером абсолютно черного тела по излучающей способности может быть Солнце, по поглощающей - полость с зеркальными стенками с маленьким отверстием.

Австрийские физики И. Стефан и Л. Больцман экспериментально установили, что полная энергия Е, излучаемая за 1 с абсолютно черным телом с единицы поверхности, пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры Т:

, где s = 5,67.10-8  Дж/(м2.К-с) - постоянная Стефана-Больцмана.

Этот закон был назван законом Стефана — Больцмана. Он позволил вычислить энергию излучения абсолютно черного тела по известной температуре.

Стремясь преодолеть затруднения классической теории при объяснении излучения черного тела, М. Планк в 1900 г. высказал гипотезу: атомы испускают электромагнитную энергию от дельными порциями —квантами. Энергия Е , где h=6,63.10-34 Дж.с—постоянная Планка.

Иногда удобно измерять энергию и постоянную Планка в электрон вольтах.

Тогда h=4,136.10-15 эВ.с. В атомной физике употребляется также величина (1 эВ - энергия, которую приобретает элементарный заряд, проходя ускоряющую разность потенциалов 1 В. 1 эВ=1,6.10-19 Дж).

Таким образом, М. Планк указал путь выхода из трудностей, с которыми столкнулась теория теплового излучения, после чего начала развиваться современная физическая теория, называемая квантовой физикой. 
Физика - главная из естественных наук, поскольку она открывает истины, о соотношении нескольких основных переменных, справедливые для всей вселенной. Её универсальность обратно пропорциональна количеству переменных, которые она вводит в свои формулы.

Прогресс физики (и науки в целом) связан с постепенным отказом от непосредственной наглядности. Как - будто такой вывод должен противоречить тому, что современная наука и физика, прежде всего, основывается на эксперименте, т.е. эмпирическом опыте, который проходит при контролируемых человеком условиях и может быть воспроизведён в любое время, любое число раз. Но всё дело в том, что некоторые стороны реальности незаметны для поверхностного наблюдения и наглядность может ввести в заблуждение.

Квантовая механика - это физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне.

Для классической механики характерно описание частиц путём задания их положения и скоростей, и зависимости этих величин от времени. В квантовой механике одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному.

Статистические законы можно применять только к большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам. Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает статистические законы. На базе квантовой механики невозможно описать положение и скорость элементарной частицы или предсказать её будущий путь. Волны вероятности говорят нам о вероятности встретить электрон в том или ином месте.

Значение эксперимента возросло в квантовой механике до такой степени, что, как пишет Гейзенберг, «наблюдение играет решающую роль в атомном событии и что реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы её или нет».

Принципиальное отличие квантовой механики от классической состоит в том, что её предсказания всегда имеют вероятностный характер. Это означает, что мы не можем точно предсказать, в какое именно место попадает, например, электрон в рассмотренном выше эксперименте, какие бы совершенные средства наблюдения и измерения ни использовали. Можно оценить лишь его шансы попасть в определённое место, а, следовательно, применить для этого понятия и методы теории вероятностей, которая служит для анализа неопределённых ситуаций.

В квантовой механике любое состояние системы описывается с помощью так называемой матрицы плотности, но, в отличие от классической механики, эта матрица определяет параметры её будущего состояния не достоверно, а лишь с той или иной степенью вероятности. Важнейший философский вывод из квантовой механики заключается в принципиальной неопределённости результатов измерения и, следовательно, невозможности точного предвидения будущего.

Это в комбинации с принципом неопределённости Гейзенберга, а также другими теоретическими и экспериментальными данными заставило некоторых учёных предположить, что у микрочастиц вообще нет никаких внутренних свойств, и они появляются только в момент измерения. Другие же предположили, что роль сознания экспериментатора для существования всей Вселенной является ключевой, поскольку, согласно квантовой теории, именно наблюдение создаёт или частично создаёт наблюдаемое. 
Детерминизм - учение о первоначальной определимости всех происходящих в мире процессов, включая все процессы человеческой жизни, со стороны Бога (теологический детерминизм, или учение о предопределении), или только явлений природы (космологический детерминизм), или специально человеческой воли (антропологическо-этический детерминизм), для свободы которой, как и для ответственности, не оставалось бы тогда места.

Под определимостью здесь подразумевается философское утверждение, что каждое произошедшее событие, включая и человеческие поступки, и поведение, однозначно определяется множеством причин, непосредственно предшествующих данному событию.

В таком свете детерминизм может быть также определен как тезис, утверждающий, что имеется только одно, точно заданное, возможное будущее.

Индетерминизм - философское учение и методологическая позиция, которые отрицают, либо объективность причинной связи, либо познавательную ценность причинного объяснения в науке.

В истории философии, начиная с древнегреческой философии (Сократ) вплоть до настоящего времени, индетерминизм и детерминизм выступают как противостоящие концепции по проблемам обусловленности воли человека, его выбора, проблеме ответственности человека за совершённые поступки.

Индетерминизм трактует волю как автономную силу, утверждая, что принципы причинности не применимы к объяснению человеческого выбора и поведения.

Термин детерминации ввел в оборот философ-эллинист Демокрит в своей атомистической концепции, которая отрицала случайность, принимая ее просто за непознанную необходимость. С латинского языка термин детерминация переводится как определение, обязательная определимость всех вещей и явлений в мире другими вещами и явлениями. Сначала детерминировать означало определять предмет через выявление и фиксацию его признаков, отделяющих этот предмет от других. Причинность приравнивалась к необходимости, случайность же исключалась из рассмотрения, считалась просто несуществующей. Такое понимание детерминации подразумевало наличие познающего субъекта.

С возникновением христианства, детерминизм выражается в двух новых понятиях - божественного предопределения и божественной благодати, и с этим новым, христианским детерминизмом сталкивается прежний принцип свободы воли. Для общего церковного сознания христианства изначально было одинаково важно сохранить в неприкосновенности оба утверждения: что все без изъятия зависит от Бога и что ничто не зависит от человека. В V веке, на Западе, в своих учениях Пелагий поднимает вопрос христианского детерминизма в аспекте свободы воли. Против пелагианского индивидуализма выступил блаженный Августин. В своих полемических сочинениях, во имя требований христианской универсальности, он нередко доводил до ошибочных крайностей детерминизма, несовместимых с нравственной свободой. Августин развивает мысль о том, что спасение человека зависит всецело и исключительно от благодати Божией, которая сообщается и действует не по собственным заслугам человека, а даром, по свободному избранию и предопределению со стороны Божества.