Квантово-полевая картина мира

9. Квантово-полевая картина мира.

9.1 Характеристики и свойства микрообъектов.

Микрообъекты – это молекулы, атомные ядра, элементарные частицы. Элементарные частицы - это фотоны, адроны и лептоны. Адроны – нуклоны (протоны и нейтроны), мезоны более легкие, чем протон и гипероны (тяжелее нейтрона), а также их античастицы (кроме нейтральных). Лептоны участвуют в слабых взаимодействиях. В их число входят электроны, мюоны с античастицами и два нейтрино – мюонное и электронное. Важнейшая их характеристика – масса покоя - фотона и всех видов нейтрино, предположительно, равна нулю. Масса атома отличается от масс, составляющих его частиц на дефект массы, равный энергии его связи, поделенной на с² (с – скорость света). Обычно дефект массы на один нуклон составляет порядка 10 электронных масс. Заряд сложного объекта равен сумме зарядов его составляющих. Есть у частиц и спин (S)– их специфическое свойство (аналог момента импульса частиц относительно оси симметрии). Для фотона S – целое число, для лептонов и нуклонов – полуцелое. Все бозоны, как отмечалось, имеют целый спин, а фермионы – полуцелый. В одном состоянии может находиться не более одного фермиона, а бозонов – сколько угодно. Бозоны – это фотоны и мезоны, а фермионы – лептоны, нуклоны, гипероны. Все частицы - нестабильны и распадаются, кроме фотона, электрона, протона и всех видов нейтрино. Время жизни мюонов 2,2·10^–6сек, π⁺  мезона – 2,6·10^–8сек, π⁰  мезона – 10^–16сек, гиперонов – 10^–10сек, а у резонансов (их около ста) – 10^–22сек. Есть (преобладают) нестабильные атомные ядра (радиоактивные).

Среди стабильных ядер выделяется железо. Стабильность ядер связана с соотношением числа протонов и нейтронов. Дробление элементарных частиц не выявляет их структуры, они просто превращаются в другие частицы. Закон сохранения энергии-массы сильно ограничивает число каналов реакций. Существуют и специфические характеристики элементарных частиц: барионный заряд (число нуклонов), странность и так далее. В микромире возникает концепция квантования физических величин и идея дуализма. Это две важнейшие идеи квантовой физики.

9.2 Две фундаментальные идеи квантовой теории.

Оказалось, что квантуется (порционируется) энергия, импульс, спин, заряд элементарных частиц. Дискретному набору энергий электрона в атоме водорода соответствует система энергетических уровней. Для ее объяснения Бор в 1913 г. предложил ввести два постулата: о квантования момента импульса электрона r·mJ = nћ, где n = 1, 2, 3,… и утверждение, что на стационарных орбитах электроны не излучают и не поглощают энергию. Учтя также, что кулоновская сила притяжения электрона к ядру e²/r² равна ньютоновской силе mJ²/r, Бор получил энергию электрона E_n= –me⁴/(2ћ²n²), где n – главное квантовое число. Частоты излучаемых атомом фотонов, определяются из соотношений (E_n– E_m)/ћ = ω_nm, орбитальный момент импульса электрона , где орбитальное квантовое число l = 0,1, 2, …,(n –1).

Первый постулат Бора можно объяснить, если принять гипотезу де Бройля (1923) о том, что длина волны, возникающей при движении частицы с импульсом mJ, равна λ = h/mJ и если предположить, что на длине орбиты 2πr укладывается целое число волн де Бройля. Формула де Бройля представляет концепцию о двойственной (дуальной) природе микрочастиц – корпускулярно-волновой. Эта идея была подтверждена как опытами Тартаковского, Девиссона и Джермера при дифракции электронов на кристаллах, так и на их слабых пучках Фабрикантом в 1949 г. Здесь ћ – шаг квантования в нашей Вселенной для дискретных атомных объектов.

Попытки наглядно представить себе частицу-волну не увенчались успехом. Надо принять это как реальность с учётом так называемого соотношения неопределённостей Гейзенберга для координаты частицы «х» и её импульса «Р_х » :                         

Здесь Dх – погрешность определения координаты частицы,

DР_х – погрешность определения импульса вдоль оси «Х».

Рекомендуемые материалы

Это состояние – неизбежное следствие того, что частица (где-то находящаяся ) – одновременно и волна (неизбежно «размазанная» в пространстве). Из этого соотношения следует, что одновременно никогда  и  , как это должно быть в макромире, где мы можем пользоваться (так нам казалось) идеально точными приборами.

Следовательно, в принципе не возможно одновременно указать, где точно находится частица и какой точно у неё импульс!!

Дуализм понимают как потенциальную возможность проявления у частицы-волны в одних ситуациях корпускулярных свойств (преимущественно), когда каждый электрон проявляет себя в виде точки на фотопластинке, а в других – волновых, если размер препятствия соизмерим с длиной волны де Бройля и тогда на передний план выходят волновые свойства материи.

9.3 Принципы квантово-полевой картины мира.

Принцип соответствия. Таким образом, из гипотезы де Бройля следует, что волновыми свойствами обладают все без исключения движущиеся объекты. Однако для объектов с большой массой длина волны настолько мала, что эта волна не обнаружима существующими способами.

Следовательно, классическая физика - частный, предельный случай физики микромира.

Из сказанного следует, что развитые де Бройлем представления находятся в соответствии с фундаментальным принципом естествознания - принципом соответствия. Этот принцип гласит, что любая новая теория, любое новое представление, претендующие на более глубокое описание реальности и на более  широкую область применимости, чем старые, должны включать последнюю как предельный случай.

После работ Планка, Эйнштейна, де Бройля, возникла настоятельная необходимость такой теории, в которой волновые и корпускулярные свойства материи выступали бы не как исключающие, а как взаимно дополняющие друг друга. В основу волновой теории, волновой или квантовой механики, и легла концепция де Бройля. Оказалось, что эти волны не являются физическими, материальными волнами. Они лишь показывают вероятность обнаружения данной частицы в различных точках пространства и в различные моменты времени. Поэтому поведение микрообъектов описывает статистическая теория. Причина статистического характера квантовой теории – наличие множества связей, влияющих на движение объектов. Свободная частица в действительности свободна только от взаимодействия динамического характера, но она находится под действием случайных сил, вызывающих квантовые флуктуации её поведения. Последнее отражает собой взаимодействие микрообъектов с вакуумом, который заполнен виртуальными частицами. Микрочастица окружена миром вакуума ( полем Дирака).

Из сказанного следует, что если появится необходимость определения координаты частицы, то удастся определить лишь наиболее вероятную её величину, так как неизбежна некоторая неопределённость последней - (Dх).

Таким образом, понятие координаты в ее классическом смысле не может быть применено к микроскопическим объектам.

Принципы дополнительности и неопределённостей. Сказанное - частный случай более общего принципа, высказанного Максом Борном принципом дополнительности. Из этого принципа следует, что получение экспериментальных данных об одних физических величинах неизбежно связано с изменением таких данных о величинах, дополнительных к первым (например, координата и импульс частицы) и что лишь вся сумма явлений исчерпывает информацию об объекте.

Вернер Гейзенберг (1901-1976) - немецкий физик, лауреат Нобелевской премии, один из создателей квантовой механики, в 1927 году математически выразил принцип неопределенности: Dp_x Dx => h.

Оказалось, что не только координату, но и импульс частицы (произведение массы частицы на ее скорость) невозможно точно определить. Согласно этому принципу, чем точнее определяется местонахождение данной частицы, тем меньше точность в определении ее скорости (масса постоянна) и наоборот.

Принцип неопределенности показывает, почему невозможно «падение» электрона на ядро атома. Ядро атома имеет очень малые размеры, и при «падении» электрона местоположение последнего окажется весьма точным определенным. Следовательно, резко увеличится неопределенность в скорости электрона, разброс в значениях скоростей станет весьма большим. В этот разброс будут включаться столь большие скорости, что электрону впору покинуть атом, а не падать на ядро!

Несколько иной смысл имеет принцип неопределенности для энергии и времени. Если система находится в стационарном состоянии (то есть в состоянии, которое при отсутствии внешних сил не изменяется), то точность измерения энергии  (DE) обратно пропорциональна длительности процесса измерения (Dt ), причём в качестве коэффициента пропорциональности выступает опять-таки постоянная Планка h.

Причина этого во взаимодействии прибора с объектом измерения.

Таким образом, указанная выше двуединость находит отражение в самом способе квантово-механического описания, устраняющего резкую границу, разделяющую поля и частицы в классической теории. Это описание продиктовано кopпуcкулярно-волновой природой микрочастиц и его правильность проверена на огромном числе объектов.

Законы квантовой механики составляют фундамент наук, изучающих строение вещества (в частности, химии); они позволили выяснить строение атомов, установить природу химический связи, объяснить периодическую систему химических элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Квантовая механика позволила, например, объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоемкости газов и твердых тел. Только на основе квантовой механики удалось последовательно объяснить такие явлении, как ферромагнетизм, сверхпроводимость, понять природу таких астрономических объектов, как белые карлики, нейтронные звезды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звездах.

Таким образом, квантовая механика восстанавливает идею единства мира и всеобщей взаимосвязи, которая была ущербной в классической физике. Мы пришли к концепции о том, что Вселенная это неделимое целое, но гибкая и постоянно меняющаяся эволюционирующая система.

Таким образом, квантовая механика блестяще разрешила важнейшую из проблем - проблему атома и дала ключ к пониманию многих других загадок микромира. Но в то же время квантовая механика описывает движение электронов, протонов и других частиц, но не их порождение или уничтожение, то есть применима лишь к системе с неизменным числом частиц.

Порождаться и исчезать могут не только фотоны. Одно из самых поразительных и, как выяснилось позже, общих свойств микромира - универсальная взаимопревращаемость частиц. Либо «самопроизвольно» (на первый взгляд), либо в процессе столкновений одних частиц с другими они исчезают, а на их месте появляются другие. Это равносильно представлению о том, что при столкновении двух «Жигулей» на их месте появится трактор. Между тем при столкновении протонов и нейтронов образуются  p-мезоны, два фотона «рождают» пару электрон-позитрон в поле ядра атома, при столкновении же электрона с позитроном на их месте возникает пара фотонов (процесс этот называется аннигиляцией). До сих пор не решена задача квантования такого континуума, как электромагнитное поле. Но её успешно решает квантовая теория поля, являющаяся дальнейшем обобщением квантовой механики.

Важное значение в квантовой физике имеет принцип суперпозиции.

Принцип суперпозиции (принцип  наложения) - это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет  собой  сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности.

Одним из простых примеров является правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются две силы, действующие на тело. Принцип суперпозиции выполняется лишь при условии, когда силы взаимодействия не влияют друг на друга.

Можно привести такой пример. Встречный ветер тормозит движение автомашины по закону параллелограмма - принцип суперпозиции в этом случае выполняется полностью. Но если песок, поднятый ветром, ухудшит работу двигателя, то в этом случае принцип суперпозиции выполнятся уже не будет. Этот принцип не всегда выполняется при распространении света через диэлектрик, так как в ряде случаев при этом изменяются те свойства диэлектрика, от которых зависит распространение света через эту среду. Принцип суперпозиции в ньютоновской физике не универсален и во многих случаях справедлив лишь приближенно.

В микромире, наоборот, принцип суперпозиции - фундаментальный принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики.

B релятивистской квантовой теории, предполагающей взаимное превращение элементарных частиц, принцип суперпозиции должен быть дополнен принципом суперотбора. Простейший пример - при аннигиляции электрона и позитрона принцип суперпозиция дополняется принципом сохранения электрического заряда - до и после превращений сумма зарядов частиц должна быть постоянной. Поскольку заряды электрона и позитрона равны и взаимно противоположны, должна возникать незаряженные частицы, каковыми и являются «рождающиеся» в этом процессе фотоны.

9.4 Связь современной физики с нейронаукой и психологией.

Мир можно представлять как совокупность дискретных элементов, взаимодействующих между собой на основе причинно-следственных связей. Но из-за того, что энергия E = mc², то можно говорить о том, что это энергия активна и ее нельзя рассматривать без использования времени. Поэтому по Эйнштейну различие между прошлым и будущим это стойкая иллюзия. Квантовая теория использует идею «туманного мира», где материя всегда движется. Эти частицы проявляют себя только во взаимодействиях, это как бы не объекты, а отношения между ними. Здесь человек – звено, дающее реальность объектам путем своего решения приписывать им некоторые свойства. То есть без человека и роза и гранит – сгустки излучений. Аналогичное имеет место между одушевленными и неодушевленными предметами.

По Борну (1954) все мертвое на самом деле находится в вечном движении. Чтобы отличать мертвое в таком случае от живого нам нужны наилучшие способы описания предметов. В этом плане, возможно, поможет голография. Она позволяет получать на плоской поверхности объемное изображение предметов. Каждый ее участок содержит полную информацию обо всем объекте.

По Прибраму (1971) мозг человека функционирует по этому же принципу. Сигналы от частиц объекта могут проецироваться на все точки мозга. Сам же мозг с учетом всех сигналов воспринимаемых им, предположительно, создает математически на основе интерференционной картины образ предмета – «конкурентную реальность». Он также полагает, что сама Вселенная голографична и наш мозг создает голограмму, которая эту Вселенную отображает. Каждый человеческий мозг создает большую голограмму, имеющую доступ ко всей информации.

По Бому (1973) связи между частицами могли бы создать живую энергию во всей материи (обобщенный разум природы). Тогда материя содержала бы в себе сущность разума, и он рос бы вместе с уровнем сложности материи. Согласно этому допущению, интерференционные элементы разума и принцип самоорганизации, управляющий Вселенной с момента Большого Взрыва, имеют одну природу. Тогда между сознанием гранита и нашим сознанием была бы разница только в степени. В таком случае речь идет уже о монистической концепции, еще более фундаментальной, чем представления, основанные на чисто физиологическом взаимодействии между нейронами (передают нервные возбуждения).

Голограмма, возникающая в коре мозга, базируется на коротковолновой голограмме от взаимодействия частиц, составляющих материю нейронов. В этом случае получается как бы голограмма в голограмме, связанная со Вселенной невидимым потоком, организующим связь на уровне субатомной реальности. По Прибраму, если бы мы видели реальность, без расчетов мозга, то познавали бы мир сигналов (частот) вне времени и пространства, мир, где существуют лишь события. И только мозг устанавливает понятия «до», «после», «здесь», «там», причины и следствия. Сколько людей, столько и восприемников мира, столько и нюансов в его восприятии у каждого индивидуума.

Этот подход нашел отклик в различных областях психологии. Так мистические состояния, видимо, соответствуют погружению в область сигналов, устанавливающих гармонию с источником реальности. Сознание изменяют психотропные вещества за счет иной интерпретации сигналов, не совпадающей с таковой для обычных условий. Подсознание могло бы быть такой базовой «туманной» областью, содержание которой может раскрываться только при участии психоаналитика, обогащающего расшифровку (частот) сигналов и такие процессы как обучение и запоминание могли бы найти связное объяснение благодаря этой концепции. Тогда не надо было бы ссылаться на какую-то энергию, пронизывающую пространство вне чувственного восприятия, или телекинеза. Действительно, ведь тогда информация не передается из одной точки в другую, ибо она одновременно находится в обеих этих точках.

Такой новый подход, конечно же, в корне изменил бы наше понимание реальности, чтобы охватывать им всю науку с учетом всех старых моделей. Это миропонимание поставило бы человека на качественно новый уровень в изучении и самопознании Вселенной.

10 КОНЦЕПЦИИ МАТЕРИАЛЬНОСТИ МИРА.

10.1 Материя: вещество, энергия, организация.

Все то, что нас окружает вместе с нами и есть материя. Это ее самое общее определение. Поэтому никакие уточнения свойств мира не влияют на сущность материи. Любое изучение материи сводится к расчленению ее на части для анализа различных ее сторон и свойств. Одной из составляющих материи является вещество на уровне атомов и молекул, второй ее составляющей является энергия – обе они предмет изучения физики. Эти две составляющие материи как-то довольно сложно организованы и взаимодействуют между собой. Организацией вещества и энергии занимается кибернетика, информирующая об этой их организации.

Пример: в атоме ядро и электроны взаимодействуют по закону Кулона. С точки зрения строения атома нас не интересует природа ядерных сил, а лишь то, как электроны и ядро взаимодействуют.

При рассмотрении молекул уже берут атом как целое. Польза от четкого формулирования системы, введенная кибернетикой, очевидна. Это стимулировало развитие науки. Можно полагать, что материя M = b·B + e·E + o·O, где b, e, o – размерные коэффициенты, а B, E, O – вещество, энергия и организация. По-видимому, в векторном виде,

В этом случае закон сохранения материи  выглядит так:

= const

В координатах bB, eE оO это будет сфера (рис.9), описывающая эволюцию системы при . Однако, при этом все изменения протекают взаимосвязано с одновременными изменениями (в различной степени) каждой доли материи: B, E, O.

Ещё Аристотель утверждал, что материя это земля, огонь, вода и воздух. Но с XVIII века пришли к отождествлению материи с веществом, массой (Ломоносов). В 1748 г. Ломоносов писал Эйлеру уже о законе сохранения: «все перемены в натуре встречающиеся такого суть состояния, что если чего где убудет, то столько же присовокупится в другом месте». Через 17 лет Лавуазье вновь открыл этот закон (но без представлений об атомном строении вещества). При этом он его экспериментально обосновал, изучая химические реакции в ретортах. И Ломоносов и Лавуазье считали, что материя есть вещество, масса.

Хотя это и упрощение, но оно дало закон сохранения массы, описавший взаимодействия частиц и вещества. Майер в 1841 г. пришел к выводу о том, что климатические условия, влияя на интенсивность окислительных процессов в организме человека, меняют цвет его крови: у южан она более яркой окраски, чем у северян. При этих исследованиях он пришел к мысли, что между теплотой и работой есть количественная связь и даже некий эквивалент (1 калория = 4,182 Дж). Это была идея об эквивалентности различных форм энергии и количественного сохранения её при переходе от одного вида к другому.

Через 100 лет (1947) Шеннон сформулировал закон сохранения организации. Он ввел для информационных систем термин неопределенности, или энтропии. Разность неопределенностей для объекта – это информация. В 1954 г. Схоутен уже говорил о законе сохранения информации: эксперимент изменяет знание и незнание на равные величины, но с противоположными знаками. Советский философ Новик (1964) сформулировал этот закон для каналов связи (в них полная сумма информации плюс шум остается постоянной).

Антомонов (1965) утверждает, что «на любом этапе эволюции замкнутой системы сумма реализованной и нереализованной неопределенности остается неизменной». Шеннон предложил неопределенность состояния определять по формуле:                                                     ,

где P_i – вероятность нахождения системы в i – состоянии, n – число состояний.

Если наблюдать за человеком, который либо бодрствует, либо работает, либо спит (n = 3), то поскольку в среднем он по 8 часов находится в одном из этих состояний, то Р₁ = Р₂ = Р₃ = 1/3. Если неопределенность в системе максимальна, то в ней царит беспорядок, или хаос. Действительно, она максимальна для человека бодрствующего или отдыхающего (за которым наблюдают целые сутки и каждую минуту фиксируют его состояние), когда ему все равно, в каком состоянии он находится. Тогда-то неопределенность максимальна и .

Если наблюдать за больным человеком (в постели) или за мертвым (в гробу), то получим соответственно для вероятностей Р₁= 0 (что стоит), Р₂= 0 (что работает), Р₃= 1 (что лежит). При этом число интересующих нас событий равно числу опытов. Тогда неопределенность , то есть она минимальна. Хаос исчез, появился порядок.

Таким образом, получается, что . Шеннон предложил считать организацией разницу между максимальной неопределенностью системы и ее реальной величиной, т.е. O = H _max– H, или иначе .

Это и есть закон сохранения порядка и беспорядка для системы с постоянным значением максимальной неопределенности (для замкнутой в организационном отношении системы). В детерминированной системе разность неопределенностей, то есть организация, достигает максимума (O _max).

10.2 Законы взаимопревращений и модель эволюции материи.

Из закона сохранения материи следует, что сумма вещества, энергии и организации на всех этапах эволюции материи не меняется. Это накладывает определенные ограничения (запреты) на разнообразие эволюций системы: лишь была бы , но ее составляющие могут переходить друг в друга: масса, например, в энергию при альфа и бета распадах ядер атомов.

При аннигиляции вещества и антивещества (например ) будет то же самое: вещество и антивещество превращаются в энергию. Еще в 1905 г. Эйнштейн записал формулу E = mc², подтверждаемую опытом. Из связи между энергией и массой следует, что должен существовать и закон сохранения энергии-массы-организации.

Например, для образования пары инужно, чтобы энергия фотона была больше 2m₀c². Если организация O = 0, тогда . Для элементарных частиц O = 0 (нет никакой организации!). Сопоставление с опытом показывает, что .

По-видимому, есть еще неизвестные виды перехода компонентов материи друг в друга, это подсказывает нам интуиция. По аналогии между организацией O и энергией E должна существовать связь, либо вида O = k·E, либо функциональная O = f(E). По-видимому, организация О аналогично связана и с дефектом энергии.

Но в микромире значения и влияние организации малы. Поэтому микромир – мир с наиболее простой эволюцией материи, ибо для него ΔE = Δmc². Организация же выступает на передний план в биологических системах. Хорошо бы экспериментом выявить связь организации и энергии по аналогии с известным m_J> m₀  и m_живого > m_{неживого}.

Покой для биосистем это смерть и ΔE = E_жив.– E_мертв.~ O. Смерть биосистем это эксперимент, который ставится природой ежесекундно, но по нему не удается рассчитать коэффициент k в формуле O = k·E.

Следовательно, в биоэкспериментах следует искать закон перехода энергии в организацию. То же самое, но в меньшей мере относится к химии полимеров. Действительно, физические факторы влияют на возникновение сложных молекул. Для примера рассмотрим эволюцию материи, взяв два момента времени при   Тогда получаем равенство .

Усложнение материи в данном случае происходит за счет превращения более грубых ее составляющих в более тонкие. Вещества и энергии в этом случае становится меньше, а организации больше. В другом варианте организация может возрастать за счет уменьшения и вещества и энергии.

Таким образом, можно отметить три характерных этапа эволюции материи.

Первый этап – эволюция неорганического мира (от космического развития до образования планетных систем). На этом этапе организация практически постоянна, а основное – это превращение вещества в энергию.

Второй этап – эволюция Биосферы. В этом случае вещество преобразуется в энергию и организацию. Роль организации резко возросла. Четкой количественной связи между всеми изменениями составляющих материи пока не установлено.

Третий этап – усложнение биосистемы в онтогенезе (индивидуальное развитие организмов от рождения до смерти) после рождения в результате обучения. При этом изменениями вещества пренебрегают, что приводит к переходу энергии в организацию.

Описание поведения человека при изменении организации окружающей среды также не удается выразить количественно. Для жизни в биосистемах характерна совокупность законов сохранения и переходов с многократными актами взаимодействия вещества, энергии (подразумевается под последней электромагнитное поле) и организации. При этом необходим постоянный обмен с окружающей средой веществом, энергией и организацией.

Заметим, что постоянство материи  является следствием симметрии пространства и времени, которая, как уже говорилось, не является идеальной. Что касается того, что материя имеет в качестве составляющих вещество, энергию (электромагнитное поле) и организацию, то эта концепция наиболее распространена. Однако в науке большинство мнений не является критерием истинности утверждения. Критерием истинности является лишь опыт, который, как было рассмотрено выше, подтверждает эту концепцию структуры материи.

В самых общих чертах моделирование различных этапов эволюции материи можно представить блок-схемами: