Идея единства корпускулярных и волновых свойств материи

 

 

В основе идей Бора лежит по сути дела признание двуединой корпускулярно-волновой природы микрообъектов. Мысль о фундаментальном значении для физики объединения корпускулярных и волновых идей уточнялась и развивалась многими исследователями [10]. Существуют еще другие интерпретации квантовой механики; каждая из них по-своему свидетельствует о том, что наиболее существенное в философском плане для квантовой теории заключается в том, как сочетать корпускулярную и волновую картины поведения микрообъектов (эти интерпретации мы оставим в стороне). Диалектическую позицию в этом вопросе отчетливо сформулировал С. И. Вавилов [11]. Материя, т. е. вещество и поле, согласно этой позиции,— не есть совокупность частиц или совокупность волн в смысле классической физики, не есть она также объединение корпускулярных и волновых свойств в некоторой классической модели. Корпускулярные и волновые свойства .материи в своей противоположности едины, т. е. материи присущи одновременно свойства и частиц, и волн.

 

В свете этого понимания материи философски по-новому осмысливаются утверждения о том, что в квантовой физике фундаментально изменяется не только понятие частицы классической механики, но и понятие волны классической теории Поля. Ограничение, которому подвергается в квантовой механике классическое понятие частицы (оно выражается в соотношении неопределенностей), не есть ограничение познания материи, а есть более точное познание ее корпускулярных свойств с учетом также ее волновой природы. В утверждении, что в квантовой теории система частиц математически описывается волнами в многомерном конфигурационном пространст ве, выражается не идеалистический тезис о растворении наблюдаемого мира в математике, а выражается та истина, что совокупность частиц есть одновременно поле (а поле есть в то же время совокупность частиц).

 

В квантовой механике различие между частицей и волной становится относительным; эти понятия в квантовой механике теряют свою абстрактную противоположность, и, соответственно, понятие частицы изменяется и получает новое определение, поскольку в квантовой механике понятия частицы и волны имеют смысл только в своем взаимоотношении. Это отвечает тому факту, что ни в одном опыте свойства микрообъектов не проявляются в точности как свойства частицы или как свойства волны и только в предельных случаях в одних условиях наблюдения микрообъекты ведут себя подобно частицам, а в других — подобно волнам. Таким образом, при описании явлений атомного масштаба нельзя отвлекаться от условий (они фиксируются экспериментальными средствами), в которых эти явления наблюдаются. В этой относительности к экспериментальным средствам или средствам наблюдения, составляющей отличительную черту описания в квантовой механике, выражается истина о единстве противоположных корпускулярных и волновых свойств микрообъектов.

 

В соответствии с этим величины, применяемые в квантовой механике в так называемых соотношениях неопределенностей, отличаются коренным образом от своих классических аналогов. Они приобретают характер относительности к средствам наблюдения, что качественно отличает их от классических величин, которые безотносительны к средствам наблюдения.

 

Сказанное позволяет разрешить парадокс, о котором говорил Гейзенберг. В квантовой механике по существу дела идет речь не о классических координате и импульсе, которые, согласно доквантовой физике, имеют смысл безотносительно к средствам наблюдения. В соотношении неопределенностей раскрывается специфическое в понимании квантового состояния; это последнее (в отличие от понятия состояния в классической механике) таково, что в нем не существует одновременно определенного значения импульса и координаты (или

 

символически Ах-А      где Ах — неопределенность в координате, а Др — неопределенность в импульсе). Понятия координаты, импульса, состояния частицы в квантовой механике не имеют смысла безотносительно к средствам наблюдения, подобно тому как эти понятия в классической механике не имеют смысла безотносительно к системе отсчета.

 

Согласно соотношению неопределенностей, чем больше неопределенность в координате, тем меньше неопределенность в импульсе (предельный случай — электрон находится в состоянии плоской волны де Бройля), и обратно: чем меньше неопределенность в координате, тем больше неопределенность в импульсе (предельный случай — электрон находится в состоянии узкого волнового пакета). Именно потому, что, скажем, электрону присущи нераздельные корпускулярно-волновые свойства, его координата и импульс не имеют одновременно определенного значения. Другими словами, сама природа микрообъекта служит основанием того, что его описание немыслимо вне применения понятий вероятности и потенциальной возможности. Понятие вероятности в квантовой механике, таким образом, отличается в принципе от понятия вероятности в классической физике, поскольку вероятности входят непосредственно в фундаментальные квантовые положения.

 

Итак, классические понятия выступают приближенно в квантовой механике; соотношение неопределенностей отмечает границы применимости классического способа описания и открывает перспективу более полному и точному описанию физических явлений. В этом выражается в квантовой теории диалектика познания движущейся материи и ее форм, ибо это познание не сводится к какому-либо одному универсальному способу описания природы, а представляет собой процесс, в котором создаются все более широкие и глубокие абстракции, понятия, принципы и т. д., охватывающие материальный мир.

 

Несколько замечаний о возможных поисковых путях современного развития квантовой теории поля

 

Зададимся вопросом: почему идея о единстве корпускулярных и волновых свойств материи служит лишь применительно к познанию явлений микромира, тогда )как при исследовании процессов макромира нельзя обойти жесткой антитезы: вещество (частица) и поле (волна)? Универсальная константа /2, связывающая воедино корпускулярные и волновые величины и имеющая размерность действия, очень мала в сравнении с величинами размерности действия, характерными для явлений макромира. При исследовании этих явлений можно считать величину h практически бесконечно малой, т. е. рассматривать корпускулярные и волновые свойства материи вне их единства; в этом случае законы квантовой механики переходят в законы классической механики. Почему /г имеет именно такое-то численное значение — вопрос, который стоит вне современной квантовой теории; в этой теории h является фундаментальной величиной и ее значение принимается эмпирически данным. Решение этого вопроса относится к компетенции более глубокой теории, нежели современная квантовая физика.

 

В литературе рассмотренный вопрос часто подменяется совершенно другим: в чем сущность единства корпускулярных и волновых свойств микрообъектов, или, как пишут, в чем сущность корпускулярно-волнового дуализма? Считается, что квантовая теория не раскрывает этой сущности, а какая-то будущая теория это сделает.

 

Вопрос этот не имеет смысла, подобно тому как для атомиста не имеет смысла вопрос о сущности и основании атома: ведь атом есть сущность и основание всего сущего и потому сам не имеет основания и сущности. Единство корпускулярных и волновых свойств материи есть принцип, раскрывающий сущность явлений микромира и лежащий в основании квантовой теории. Именно поэтому с точки зрения квантовой теории, отражающей микромир, не имеет смысла вопрос о сущности этого единства, хотя и необходимо разъяснение его проявления на основе анализа условий наблюдения.

 

Другое дело, что современная физика не является логически цельной системой теорий. Одни из них (например, квантовая механика) являются логически замкнутой системой понятий, другие (например, теория элементарных частиц) только строятся, отыскиваются логические мостики между такими теориями, как теория относительности и квантовая механика, и т. д. Однако тенденции современной физики к логически цельной системе теорий несомненны, и к такой системе — если речь идет о философской стороне дела — приведет не «раскрытие сущности корпускулярно-волнового дуализма», а нечто совершенно другое.

 

В данном случае необходимо иметь в виду, что «единство корпускулярных и волновых свойств материи» есть адекватное выражение в современной физике принципа единства прерывности и непрерывности материи. В философии диалектического материализма этот последний принцип внутренне связан в одну логическую цепь с принципом единства пространства и времени, а также принципом единства мира и принципом развития. В современной физике до адекватного выражения всей этой интегральной связи еще далеко. Например, в квантовой механике синтез корпускулярных и волновых представлений о материи не относится к полям; в квантовой теории поля этот синтез становится более глубоким, сочетая в нечто единое понятие поля и понятие вещества. Однако в современной физике нет еще органического соединения квантовой теории и частной теории относительности (в которой принцип единства пространства и времени нашел более полное выражение, нежели в классической физике); начало этому синтезу, но только начало, положено релятивистской теорией электрона Дирака. Что касается общей теории относительности, связавшей в нечто единое пространственно-временной континуум и поле тяготения, то она пока что стоит в стороне от квантовой физики, если не считать тех или других идей и концепций отдельных авторов.

 

Таким образом, современная физика встала перед глубоким «синтезом своих ведущих теорий. Этому будущему синтезу соответствует соединение философских принципов, указанных выше. Принципы эти в их интегральной связи открывают философскую перспективу современной физике в решении теоретических задач, поставленных ее развитием.

 

В плане этих соображений рассмотрим проблему причинности в нелокальной квантовой теории поля. Нас будет интересовать, разумеется, не столько физическая суть дела, сколько философский ее аспект.

 

Причинная связь — это объективно реальная генетическая связь двух (по меньшей мере) событий, совершающихся в разных местах; если определено, что в таких-то условиях событие А есть причина, а событие В — действие, то значит событие В происходит позже события А. Классическая механика придерживается взгляда, что изменения системы, порожденные (кратковременным) внешним воздействием, образуют «причинную цепь. Если учесть, что причинная связь — это необходимая связь во времени, то высказанное положение о причинности принимает следующую известную форму: сигнал можно передать не в прошлое, а только в будущее. Однако законы классической механики, поскольку в них находят свое выражение обратимые механические процессы, не содержат причинного положения, относящегося к сигналу. Оно является добавочным требованием к законам механики, и сами по себе эти последние не определяют направление времени.

 

Примерно такая же картина в теории относительности и в квантовой механике, которые также представляют собой причинные теории в указанном выше смысле, с тем, правда, существенным дополнением для теории относительности, что в ней скорость света в вакууме является предельной скоростью сигнала. Интересно в этой связи замечание Эйнштейна о событиях, связанных сверхсветовым сигналом (W>c, где W — скорость распространения некоторого действия, а с — скорость света), и о времени Т, необходимом для переноса сигнала от Л в В. Мы читаем: «Скорость v (т. е. скорость наблюдателя.— М. О.) может принимать любое значение, меньшее с. Если при этом W>c, как мы предположили, то v всегда можно выбрать так, что Г<0. Этот результат показывает, что мы вынуждены считать возможным механизм передачи сигнала, при использовании которого достигаемое действие предшествует причине. Хотя этот результат с чисто логической точки зрения и не содержит, по-моему, в себе никаких противоречий, он все же настолько противоречит характеру всего нашего опыта, что невозможность предположения W>c представляется в достаточной степени доказанной» [12, стр. 76].

 

Что касается вопроса о причинности в квантовой теории поля, то он, думается, должен рассматриваться в несколько другой плоскости, нежели в доквантовой физике и (нерелятивистской) квантовой механике.

 

Квантовая локальная теория поля, при так называемом аксиоматическом подходе к ее построению, опирается на принципы релятивистской инвариантности, унитар ностй и локальности (некоторые другие важные требования мы оставим в стороне). Квантовые поля ассоциируются с элементарными частицами, а процесс взаимодействия элементарных частиц (очень высоких энергий) описывается посредством так называемой матрицы рассеяния, или 5-матрицы, которая представляет собой оператор, переводящий волновую функцию (состояние) частицы до реакции (рассеяния) в состояние после реакции.

 

При описании посредством матрицы рассеяния очень важно — в этом исток нового подхода к проблеме причинности в квантовой теории поля по сравнению с классической — иметь в виду, что дело заключается не в выяснении деталей поведения частиц при их очень малых сближениях, а в вопросе о конечных после реакции состояниях и вероятностях их возникновения. С этой точки зрения в теории взаимодействия частиц высоких энергий (она должна быть еще создана) понятие деталей поведения частиц при малых сближениях не имеет смысла (принципиально ненаблюдаемо), а если это признать,то отсюда проистекают важные в принципиальном плане заключения.

 

То обстоятельство, что понятие деталей поведения ча-стиц высоких энергий при их сближении не имеет смысла, открывает новые перспективы существенного характера нелокальной квантовой теории поля. Как известно, эта теория (в своей начальной форме) появилась незамедлительно после того, как в физике возникли парадоксы с расходимостями, присущими современной квантовой теории с ее постулатом локальности взаимодействия полей. В квантовой теории «обычного типа» постулат о локальности, или точечное™, взаимодействий, собственно, заимствуется из классической теории точечных частиц. Он требует, чтобы взаимодействия полей относились к одной и той же точке пространства — времени. Это требование отвечает теории относительности, отрицающей размеры и «жесткую» структуру элементарных частиц, так как иначе приходится принимать, что сигнал может распространяться со скоростью, большей скорости света, и, следовательно, как было отмечено выше, событие-действие должно совершаться раньше события-причины.

 

Таким образом, постулат локальности имманентно связан с утверждением причинности, что событие-причина не может быть позже события-действия. Нелокальная квантовая теория по своему замыслу должна освобождать от трудностей с расходимостями современную квантовую физику. Преследуя эту цель, она отказывается от постулата локальности взаимодействия полей и пытается это сделать различными путями; соответственно развиваются не одна форма и не один вариант нелокальной теории. Не будем останавливаться на этих формах и вариантах, как и на трудностях нелокальной теории (выясняется, кстати, что эти трудности не так уж фундаментальны) [13]. Нас интересует принципиальная суть нелокальной теории: действительно ли она перечеркивает принцип причинности и ведет к отказу от пространственных и временных представлений в применении их к миру элементарных частиц — как утверждают отдельные авторы? Или шире: как обстоит дело с причинностью и с пространством и временем на той ступени материи, которая называется элементарными частицами?

 

Напомним, что для материалистической диалектики причинность есть лишь малая частичка объективно реальной всемирной связи, лишь одно из определений последней. Метафизик гипертрофирует, возводит на Олимп догматизма причинность, которая, по словам Ленина, лишь односторонне, отрывочно и неполно выражает всесторонность и всеобъемлющий характер мировой связи [14, стр. 143]. Именно с этой позиции рассмотрим поставленные вопросы относительно нелокальной теории.

 

Прежде всего эта теория должна справиться, как говорят, с проблемой макропричинности, т. е. нелокальная теория не должна приводить к возможным экспериментальным следствиям, расходящимся с утверждением о причинности в макроскопических (включая и атомные) масштабах пространства и времени. По существу это означает, что нелокальная теория, будучи обобщена применительно к большим масштабам пространства и времени, переходит в локальную квантовую теорию (принцип соответствия).

 

В нелокальной теории фигурирует новая мировая постоянная размерности длины, или элементарная длина, которая как бы «отделяет» область ультрамалых масштабов от области пространства — времени, где действуют принцип причинности и законы «привычной» геометрии. Таким образом, к мировым постоянным Л и с, на ко торых покоится квантовая теория поля, присоединяется константа, специфичная для физики высоких энергий, которая связывает близкодействие и дальнодействие в нечто единое.

 

Введение элементарной длины при определенных предположениях ставит на почву физики вопрос о пересмотре «привычной» формы геометрии: метрическое пространство— время перестает существовать, понятия «ближе» и «дальше», «раньше» и «позже», «длины», «продолжительности» теряют макроскопический смысл в ультрамалом. Естественно, что должно также отпасть разделение явлений на события-причины и события-действия, и математический аппарат теории должен отражать эту последнюю ситуацию.

 

Означает ли все это, что нелокальная квантовая теория поля предполагает некуф идеалистическую и теистическую линию в вопросе о причинности? Из сказанного выше о том, как материалистическая диалектика понимает причинную связь, ответ на поставленный вопрос ясен.

 

Формы связи и взаимозависимости не исчерпываются причинной связью. Развитие квантовой физики открывает новые формы связи явлений неживой природы, которые не укладываются в схемы существующих физических теорий. В этом, в частности, заключается новое подтверждение объективного характера мировой связи, ее неисчерпаемости, перехода одних ее форм в другие, более глубокие и общие. Причинность в обычном ее понимании не имеет смысла в области ультрамалого; здесь на передний план выступает такая более глубокая и общая форма связи, как взаимодействие. Последнее предстает, однако, не как постоянная смена причины и действия, а как их основание, как охватывающее и причину и действие целое.

 

Конечно, не запрещается взаимодействие толковать как причину, но тогда перед нами не причина в обычном понимании. Эта последняя есть отдельная причина, которая действует в отдельный момент времени и в отдельном месте, т. е. такая форма связи, которая в старых философских системах называется causa efficiens (действующая причина). Взаимодействие же как причина — это не causa efficiens, а скорее — если пользоваться старыми философскими понятиями — causa finalis (конечная причина); в известном высказывании Спинозы: «substantia est causa sui», собственно, речь идет о «конечной причине».

 

Нет, однако, никакой необходимости вино современной науки вливать в старые философские мехи. Уже у Гегеля, как отметил еще Энгельс, снята противоположность между causa efficiens и causa finalis в категории взаимодействия [15, стр. 558].

 

В мире большого (включая атомные масштабы) правомерна абстракция отдельных явлений, вырванных из их всеобщей связи и рассматриваемых, следовательно, разделенно (в пространственном и временном отношении); принцип, или утверждение, причинности и предполагает— как явствует из сказанного выше — правомерность этой абстракции. В ультрамалом же мире, или в мире взаимодействующих, превращающихся друг в друга элементарных частиц высоких энергий, такая абстракция утрачивает кредит, а вместе с ней теряет кредит и утверждение причинности. Необходимы, таким образом, в принципе новые идеи в физике, и нелокальная квантовая теория поля, (собственно, и ведет к этим новым основным понятиям и положениям.

 

Разумеется, окончательное слово в выяснении этих существеннейших для физики вопросов принадлежит опыту, но вместе с тем несомненно, что для их решения важнейшее значение имеет (примененная объективно) всесторонняя, универсальная гибкость понятий (о диалектическом требовании гибкости понятий [см. 14, стр. 99]). Опыт в последнем счете и удостоверяет, что гибкость понятий была применена объективно.

Категория: Философия | Добавил: fantast (22.09.2019)
Просмотров: 20 | Рейтинг: 0.0/0