Дополнение
Этот небольшой опус о корпускулярно-волновом дуализме написал в марте 1999 года. Некая попытка – взлететь над сложной темой дуализма и обозреть её с высоты единым взором. Утверждение в физике парадигмы корпускулярно-волнового дуализма было предопределёно с самого рождения квантовой физики, когда Макс Планк ввёл представление о порции излучаемой и поглощаемой энергии, о кванте (1900 г.). Именно тогда образ квантового осциллятора стал доминантой микрофизики. Не только колебания заряженных частиц были источниками электромагнитных волн, но саму частицу следовало рассматривать, как некий осциллятор, осциллятор в структурной среде. Но колебания эти, коей и является устойчивая частица, не электромагнитной природы. Сегодня их можно назвать квантовыми колебаниями со своей энергией. Энергия этих собственных колебаний частицы на порядки превосходит энергию колебаний возбуждаемых ею порций электромагнитных волн. Ещё Майкл Фарадей высказывал идею о волновой, колебательной природе частицы вещества. Именно в этом колебании сосредоточена энергия частицы. Проводя множество физических и химических опытов, Фарадей каждый раз убеждался в наличии этой огромной энергии у частиц. Энергия не бралась со стороны, не возникали ниоткуда, она была здесь, в частице, в связях частиц в молекуле, в атоме. Фарадей, как и все видные учёные того времени, являлся сторонником эфирной гипотезы. Эфирная среда, по мнению Фарадея, не была пассивным фоном происходящих явлений и процессов. Напротив, среда эфира выполняла ключевую роль во всех взаимодействиях частиц и тел. Взаимодействия частиц происходили посредством возбуждаемых в среде волновых и вихревых динамик. В 17-м веке И. Ньютон, будучи сначала сторонником волновой природы света, изменил своё решение в пользу корпускулярной природы света. По взглядам Ньютона, свет ведёт себя, как поток частиц, локализованных в пространстве. Только так, считал учёный, можно объяснить отражение и преломление света. Но в 19-м веке победила в науке всё же волновая теория, объяснившая дифракцию, интерференцию и поляризацию света. И лишь открытие Планком порционного излучения и поглощения вновь заставило говорить о свете, как частицах. Но, вместе с тем, частицы света не перестают быть волновыми образованиями, точно также частица протон в составе атомного ядра не перестаёт быть колебательным образованием в квантовой среде («дыхание вакуума»).
Атом так устроен, что заставить его поглощать или излучать электромагнитные волны видимого спектра не так-то просто. Сначала нужно дополнительной энергией привести атом в возбуждённое состояние, где бы диполи квазичастиц электронов и позитронов атома пришли в такое колебание, в котором возможен резонанс падающего и принимающего электромагнитного излучения. При резонансе дипольные квазичастицы электроны и позитроны удваивают свою энергию колебания, переходят, как говорят, на более высокий энергетический уровень. Резонансный характер излучения и поглощения света подтверждают линейчатые спектры веществ. У каждого вещества линейчатый спектр свой, неповторимый. Резонансный характер взаимоотношений излучения с веществом говорит об их общей колебательной и вращательной природе.
6.12.2022 г.
* * *
ПО ТУ СТОРОНУ ДУАЛИЗМА КОРПУСКУЛ И ВОЛН
Согласитесь, нужно совершить изрядное насилие над здравым смыслом, чтобы как-то примирить в своём сознании взгляд на микрообъект как на корпускулу и одновременно как на волну. И эти два начала микрообъекта принято считать равноправными, не сводимыми друг к другу. Принцип дополнительности здесь является всё же слабым утешением.
По представлениям классической физики, движение частиц и распространение волн – разные физические процессы. Однако опыты по вырыванию светом электронов из металлов (фотоэффект), изучение рассеяния света на электронах (Комптон-эффект) и результаты ряда других экспериментов убедительно показали, что свет – объект, имеющий, согласно классической теории, волновую природу и обнаруживающий сходство с потоком частиц – фотонов, обладающих энергией и импульсом. С другой стороны, пучок электронов, падающих на кристалл, дает дифракционную картину, которую можно объяснить лишь на основе волновых представлений. Позже было установлено, что это явление свойственно вообще всем микрочастицам. Считается, что такой дуализм корпускулярных и волновых свойств не может быть понят в рамках классической физики.
С созданием квантовой физики в ней утвердилась парадоксальная ситуация: с одной стороны, налицо ограниченность классических понятий, с другой – необходимость их использования. Что касается дуализма, то с помощью идеи дополнительности, выдвинутой Бором, удалось отчасти преодолеть узость старых представлений, а также установить определенную связь между взаимоисключающими понятиями. Принцип дополнительности выступает здесь не только как физический, но и как философский, логико-методологический. Однако до сих пор принцип остается камнем преткновения, у дополнительности есть сторонники, но были и есть противники. Положение совершенно аналогичное положению с толкованием пси-функции в волновом уравнении Шредингера. Пси-функция – что это, реальный волновой процесс или только вероятность нахождения частицы в той или иной точке?
Возможно ли решить проблему дуализма, увидеть, что действительно стоит за подобным странным симбиозом? Полагаю, возможно. Открытия отцов-основоположников квантовой механики и изыскания физиков-теоретиков последних лет дают эту уверенность. Другой важный момент – наглядность, образность физических представлений. Возможно ли создать наглядные, образные модели физических микрообъектов и процессов? Ведь совершенно справедливо высказывание Луи де Бройля о том, что в физике можно понять до конца только то, что можно представить образно. Похожие суждения встречаются у других крупных ученых прошлого, в частности, у Максвелла.
Ключи к решению проблемы дуализма находятся, как мне кажется, в несложном утверждении: микрочастица не объект с формой, массой и зарядом или без него, микрочастица – это процесс, своеобразное движение в материальной среде. Подобное утверждение, конечно, не новость. С тех пор как в физическую картину мира вошел эфир, среда, заполняющая все пространство космоса, периодически возникали попытки толковать атомы как локальные движения в эфире, движения главным образом вихревого характера. Идея оказалась удивительно живучей. И сегодня обсуждаются гипотезы, в которых элементарные частицы рассматриваются как некие вихри, пусть уже не в эфире. А то, что элементарные частицы следует рассматривать как возбуждения вакуума, – сейчас признанная многими научная истина.
В середине 20 века прозвучали слова Поля Дирака: «Проблема точного описания вакуума, по моему мнению, является основной проблемой, стоящей в настоящее время перед физиками. В самом деле, если вы не можете правильно описать вакуум, то как можно рассчитывать на правильное описание чего-то более сложного». Именно вакуум, его строение, свойства, характеристики и особенности дают ключ к пониманию материального мира как целостного организма, живого, развивающегося, динамичного. Абсолютной пустоты нет и быть не может, это понимали еще древние греки. Пустота есть небытие, а небытие даже нельзя себе представить! Единство мира, стало быть, в единственности материальной среды. Можно назвать её как угодно: физический вакуум, эфир, субквантовая среда, праматерия, единое поле и прочее, дело не в этом. Дело и чудо в том, как подобная единая среда рождает всё многообразие мира, известное нам.
Любой человек, более или менее знакомый с азами философии и логики, должен согласиться, что в первичной единой среде может произойти что-либо, если эта среда способна в локальном объеме, говоря знакомым языком, «поляризоваться», то есть принимать два противоположных состояния. Взаимопереход из одного состояния в другое по колебательному закону – есть движение, динамика. И это уже событие! Физический вакуум, по моему мнению, – материальная среда с колоссальной плотностью. Плотность эта способна изменяться (поляризоваться) как в сторону уменьшения (отри-цательная плотность, расширение), так и в сторону увеличения (положительная плотность, сжатие). Вакуум может иметь только два состояния, переходящие из одного в другое по колебательному принципу: состояния с положительной и с отрицательной плотностью, что соответствует в колебательном процессе фазам сжатия и расширения. Микрочастица, по существу, есть стоячая сферическая продольная волна колебаний плотности, радиальный осциллятор колебаний плотности. Такой трёхмерный осциллятор постоянно возбуждает вокруг себя сферические продольные волны той же природы. Осциллятор - не что иное, как трёхмерная струна в трёхмерном пространстве, способная при определенных условиях перемещаться как целое. Изложенная модель осциллятора плотности была найдена автором этой работы в конце 1983 года. Подобный объект удалось найти через критическое переосмысление представлений о кривизне пространства-времени в общей теории относительности Эйнштейна. И это, как оказалось впоследствии, отнюдь не умозрительный объект.
Физиками-теоретиками разработана модель частицы как солитоноподобного возбуждения в среде. Имя ему – бризер (от англ. breathe – дышать, живое существо), или бионом (живая частица). Бризер внешне выглядит как стоячая волна, которую ничто не удерживает на краях, и ведет себя этот объект подобно частице. Бризер может равномерно двигаться, он ускоряется или замедляется вблизи неоднородностей. При столкновении с солитоном или другим бризером тоже ведет себя как частица. С другой стороны, в бризере наглядно проявляется волновая природа солитонов.
Бризер – теоретическая находка математиков, занимающихся солитонными возбуждениями в средах. Он был получен в «непрерывной» модели Френкеля и Конторовой, где среда представляется в виде кристаллической решетки, а солитоны и антисолитоны выглядят в виде смещений (дислокаций) узлов решетки: сгущения и разрежения соответственно. Бризер есть одно из решений уравнений взаимодействующих солитонов: движущийся солитон и покоящийся антисолитон. В результате образуется стоящее на месте пульсирующее состояние, объект весьма стабильный и энергоемкий. Однако бризер нельзя описать просто как две частицы А и В, связанные пружинкой. «Внутри» него действительно пульсирует стоячая волна сжатий и разрежений среды.
Что примечательно, через модифицированное уравнение Кортевега де Фриза (основное уравнение, описывающее солитон), через бризерное решение уравнения синус-Гордон возможно прийти к кубическому уравнению Шредингера. И, кроме того, солитоноподобные возбуждения в средах типа бризеров нашли уже себе место в квантовой теории поля в качестве «элементарных» бозонов. Их использование в этой теории приводит к неплохим результатам, а именно количественным данным связанных состояний бозонов в устойчивые системы.
Модель бризера могла бы послужить исключительной иллюстрацией в единой теории гравитационных и сильных взаимодействий. Здесь исследователи, путем операций с фундаментальными константами, пришли к удивительному предположению. Оказалось, что вселенную и адрон можно рассматривать как подобные системы, то есть системы, которые управляются (внутри) подобными законами, отличающимися лишь масштабным фактором, который переводит радиус вселенной в радиус адрона и гравитационное поле в сильное поле. Грубо говоря, можно представить себе, что посредством сокращения радиуса вселенной с известным коэффициентом можно получить адрон, или посредством растяжения радиуса адрона с тем же известным коэффициентом, но обратной функциональной зависимости, можно получить вселенную.
Если наша вселенная аналогична адрону, то её можно рассматривать, например, как суперпион и, следовательно, как состоящий из полувселенной материи и из полувселенной антиматерии. И если адроны аналогичны нашей вселенной, то они, так же как и вселенная, могут совершать последовательные циклы расширения и сжатия, но с периодом, примерно равным 10 в минус 23-й степени секунды. По сути, выходит так, что нестатические решения уравнений общей теории относительности Эйнштейна, выведенные Фридманом в 1922 году, оказываются более подходящими для «внутренней» природы микрочастиц, нежели для вселенной.
В этой связи вновь уместно вспомнить интересную гипотезу Эйнштейна – теорию «мостов» (см. предыдущую статью). Бризер, если угодно, это именно тот волновой пакет, который когда-то упорно отстаивал Шредингер. Бризер – это именно та волна с горбом, которую использовал де Бройль в своей теории двойного решения. Это гармоничный непротиворечивый симбиоз волны и частицы, снимающий труднообъяснимый дуализм в современных представлениях квантовой физики.
Уже в силу своей колебательной природы, поступательное перемещение радиального осциллятора в пространстве не может быть простым и прямолинейным. Двигаясь в собственном волновом поле и в волновых полях других частиц-осцилляторов, бризер неизбежно возбуждает волну иного рода, а именно поперечную, сдвиговую, характеризуемую спиральностью и ориентацией, – то, что принято называть электромагнитной волной. Чем больше поступательная скорость частицы-осциллятора, тем короче длина возбуждаемой поперечной волны. Волновой процесс одного рода при поступательном движении порождает волну другого рода. С такой точки зрения теряют всякую странность явления фотоэффекта, Комптон-эффект, обнаружение дифракционной картины от падающего на кристалл потока электронов и прочее, так как все эти явления объединены одной материальной средой и общими принципами волновой механики.
Март 1999 г.