Вместо эпиграфа: "Волнительная функция - рассказывать о волновой функции..."
Сегодня во всех учебниках по квантовой механике можно прочитать о том, что волновая функция, как таковая, физического смысла не имеет. Физический смысл имеет лишь квадрат модуля волновой функции, иначе, плотность вероятности нахождения частицы в заданном месте в заданное время. Числовые значения модуля всегда положительны, отрицательных значений нет. Но, вот что странно: возьмите любой реальный колебательный процесс, любую колебательную динамику – мы всегда имеем дело как с положительными значениями силы, так и с отрицательными, иначе, в другую сторону направленными (по закону Гука). Противоборство двух сил и определяют колебательный процесс, устойчивую динамику. Квадрат модуля волновой функции, как плотность вероятности, сюда вошел с лёгкой руки Макса Борна, который дал своё толкование волновой функции Э. Шрёдингера (1926 г.). Шрёдингер так до конца своей жизни и не согласился с вероятностным толкованием волновой функции, как, впрочем, и другие видные учёные той поры. Ну как согласиться, если теория Шрёдингера, пусть и для одноэлектронных атомов, но даёт верные результаты спектров излучения!.. Получается так, что нематериальная плотность вероятности даёт очень даже материальные величины энергии линий спектра излучения! Что за фокусы?! Первоначально Шрёдингер толковал волновую функцию как пространственное распределение заряда, а частицу – как волновой пакет, построенный из большого числа таких функций. Но такие волновые пакеты должны были со временем расплываться, чего не наблюдалось в опытах, частицы оставались частицами. Хотя волновая механика Шрёдингера была близка по духу классической механике сплошных сред и устраивала многих учёных той поры, но вероятностное толкование волновой функции одержало верх. Статистические методы в квантовой механике стали определяющими, вероятности и неопределённости прочно здесь прописались. Учёные довольно успешно научились с ними работать.
В общую картину согласия с вероятностным толкованием волновой функции Шрёдингера внёс некое несогласие Поль Дирак (1928 г.). Дирак получил релятивистское уравнение движения для волновой функции электрона. Оказалось, что у электрона должен быть свой двойник – электрон с положительным зарядом, позитрон. В 1932 году в космических лучах позитрон был обнаружен (К. Андерсон). Квадрат модуля волновой функции, который должен быть всегда положительным, на самом деле таковым не оказался, во всяком случае, для релятивистского электрона. У электронов при рождении всегда должен быть двойник – позитрон. И аннигилировать электрон и позитрон тоже должны вместе, никак не в одиночку. Из такой природы релятивистского электрона естественным образом выводился спин, момент собственного вращения, который может принимать две проекции спина: минус одна вторая и плюс одна вторая (электрон, позитрон). Именно здесь релятивизм, относительность движения частиц и квазичастиц в микромире проявляется особенно явственно, относительность правого и левого винта. Тот же электрон (допустим, с правым винтом) для электрона с левым винтом будет выглядеть античастицей, позитроном. И тут они могут аннигилировать, взаимно уничтожать друг друга, испустив фотоны излучения.
Нам не понять механизм излучения, появление спектров излучения возбуждённых атомов, без участия на равных правах как электронов, так и позитронов. Аналогично с природой электрического тока, где на равных правах участвуют и электроны, и позитроны. Если в возбуждённом атоме есть или появился электрон, то рядом непременно должен быть и позитрон, иначе, при возвращении атома к низшему энергетическому уровню, никакого фотона не появится. Фотоны появляются лишь при аннигиляции электронов и позитронов, при взаимном их уничтожении, гашении. Природа фотона двойственна, фотон в своей волновой переменной магнитной структуре имеет как левую закрутку винта, так и правую. Фотон с большой энергией (большой частотой), налетая на тяжелый атом, «рассыпается» на левовинтовой электрон и правовинтовой позитрон. Динамическая комбинация тяжелого атома с этими двумя или многим количеством противоположных квазичастиц и есть возбуждённое состояние атома. В любом случае такая комбинация неустойчива, и вскоре противоположные квазичастицы «гасят» себя, снова становясь фотонами излучения, и атом возвращается к низшему энергетическому уровню. Тут важно понять то, что сам по себе единственный электрон, с какой бы энергией движения он ни был, ничего излучить не может, куда бы и откуда он ни прыгал, не перескакивал. Для излучения всегда нужна его античастица – позитрон. Здесь симметрия имеет первостепенное значение, как и во многих других явлениях физики движений и взаимодействий.
Единственной, условно говоря, частицей-монополем в микромире является частица протон, которую невозможно создать заново и невозможно уничтожить. Протон – устойчивый волновой пакет радиальных осцилляций квантового вакуума, «дыхание» вакуума (планковский масштаб). Волновой пакет протона-монополя в гипотетически покоящемся состоянии – не магнитен, не имеет ни левого, ни правого винта закрутки. Но протон по природе своей не может быть в состоянии покоя, как целое, он постоянно движется в своём волновом поле, им же и возбуждаемом. Движется по спиралеобразной траектории с замыканием в тор, в кольцо. А вот когда движение протона замкнулось в кольцо, здесь и появляется «магнетизм» протона, появляется магнитный момент частицы (правый и левый вихрь закрутки). Подобный тор протона (он же диполь, магнетон) и есть основа всех атомных ядер. Возбуждение диполя протона дополнительной энергией приводит к симметричному рождению квазичастиц электронов и позитронов.
Эрвин Шрёдингер верил в реальность устойчивого волнового пакета, так и не принял вероятностное толкование своей волновой функции. В споре великих победила так называемая копенгагенская интерпретация квантовой механики, где в основе – принцип неопределённости Гейзенберга и принцип дополнительности Бора. Но, несмотря на победу «копенгагенцев», по-своему оказался прав и Шрёдингер. Волновой пакет – реальность, вполне физический объект, устойчивый и энергоёмкий, в сущности, и частица, и волна одновременно (точнее, стоячие колебания). Но дело только в том, что волновой пакет напрямую, без дополнительной круговой динамики, не даст механизм излучения и поглощения, а также магнитные характеристики частицы, без чего не будет взаимодействия с фотонами излучения, переменной магнитной вихревой динамикой. Звенящей струной, которая при возбуждении дополнительной энергией, даёт спектры излучения (комбинационные тоны, по Шрёдингеру), является не сам по себе гипотетически покоящийся волновой пакет, а его круговое, кольцевое движение, как целое. Он же – орбитальный момент протона. Этот тор протона вне атома не ориентирован строго в пространстве, и потому главная ось тора может быть направлена как угодно, пока нет рядом подобного же тора или сильного магнитного поля. Суммарное волновое поле такого протона может даже иметь сферическую симметрию. То есть, сам протон (максимум амплитуды) может находиться в любой периферийной точке подобной сферы. Вот тут вероятностное толкование волновой функции как раз и оказывается справедливым. Орбитальный момент протона, в зависимости от влияний других частиц и полей, может быть не только круговым, правильным, но и эллиптическим.
Теперь о самой болезненной для меня теме. Об электронных оболочках атомов. Есть ли они на самом деле, или это что-то другое?! Дело в том, что и ядро атома, и электронные слои атома имеют подобную оболочечную структуру. Получается так, что природа тут расточительно продублировала себя. Я много думал об этом, но ничего путного не вырисовывается. Масса атома на 99, 9 % сосредоточена в ядре. И получается так, что всеми химическими и физическими характеристиками атома элемента управляют легчайшие электроны, отстоящие от ядра на чудовищно большом удалении… Что это? Выходит так, что хвост виляет собакой, а не собака хвостом. Неужели учёных этот момент никогда не смущал? Ну да, электрон имеет такой же заряд, как и протон. Но заряд – это направление вихря закрутки частицы или квазичастицы. Неужели вихрь закрутки сильнее массы, и масса покорно подчиняется направлению вихря? У меня есть предположение, что электроны и позитроны всё же есть в атоме, но не на отдельно и далеко крутящихся оболочках, а в самом ядре, в протоне и нейтроне. В нейтроне – электрон, а в протоне – позитрон. В нейтроне вихрь квазичастицы электрон компенсирует вихрь протона, и частица получается «электрически» нейтральна. А в протоне квазичастица позитрон мирно уживается с протоном, их вихри направлены в одну сторону, и потому заряд протона «положительный». Конечно, это моё предположение, ничем не доказанное, но лучшего варианта я пока не вижу. В природе играет огромную роль и давно известен так называемый электронный захват (е-захват), когда протон захватывает электрон и становится нейтроном (один из видов бета-распада ядер). А почему бы и протону не иметь с собой позитрон? То, что позитроны (антиэлектроны) есть в атомном ядре, подтверждает целый ряд изотопов, испускающих при бета-плюс распаде позитроны и нейтрино. В атомном ядре электроны и позитроны не привязаны жестко к своим протонам, они могут переходить, меняться местами, уничтожаться и рождаться заново при получении дополнительной энергии извне…
В заполненной целиком атомной оболочке движение всех частиц согласованно по фазам угловых моментов периодической динамики, упорядоченно, тут нет хаоса в движении. Химия начинается с внешней незаполненной оболочки атома, когда валентные частицы энергетически активны, способны образовывать связи с другими атомами для получения минимума энергии движения системы частиц. В сущности, вся система атома, начиная с частицы протон, есть собрание периодических, колебательных форм движения материи. Круговое и эллиптическое движение частиц и квазичастиц – это разновидность колебания. Роль волновой, колебательной динамики в нашем физическом мире переоценить невозможно. Это – основа! То, что волновая механика Э. Шрёдингера поначалу вызвала такой огромный энтузиазм в мире учёных, вполне объяснимо. Все так или иначе понимали органичность волновых, колебательных динамик для объяснения физических явлений и процессов, тем более устойчивых во времени. Но первоначальный энтузиазм сменился скорым разочарованием, когда квадрат модуля волновой функции стал толковаться как плотность вероятности.
Об идеях Луи де Бройля, идеях Э. Шрёдингера, о волновой механике я узнал ещё в 1981-82 годах. Но впервые близко познакомился с трудами Э. Шрёдингера летом 1984 года, после того, как в ноябре 1983 года пришел к идее формы колебательной динамики физического вакуума, которую позднее назову «дыханием вакуума». Подобную устойчивую колебательную динамику в среде (радиальный осциллятор) отождествил с частицей протон. Знакомство со статьями Шрёдингера произвело на меня огромное впечатление! Мой радиальный осциллятор я поспешил объявить волновой функцией Шрёдингера. В 1986 году даже написал околонаучный опус «Что открыл Шрёдингер», в котором, на примере одномерного продольного осциллятора и косоугольной потенциальной ямы, попытался изобразить механизм появления комбинационных частот (линейчатых спектров). Сейчас, видя эту свою давнюю статью, понимаю – как я был наивен и глуп! Хотя идеи выглядели очень красиво и логично… Пока радиальный осциллятор «приклеен» к пространству – всё вроде бы получается. Но стоит только «отклеить» осциллятор от пространства, заставить его, как целое, двигаться поступательно или вращательно, красота и наглядность пропадали. Нет, тут не всё так просто и однозначно. Понадобились годы, чтобы получить приемлемый образ вращающегося тороидально протона-осциллятора, и как-то связать это непрерывное периодическое кольцевое движение с волновой функцией Шрёдингера. Кстати сказать, в декабре этого года исполнится ровно 40 лет, как я «отправился в науку» на поиски образа приемлемого устойчивого волнового пакета и смысла волновой функции. Первый мысленный эксперимент, который мне пришел в голову, – колебания гармонического маятника в абсолютно тёмной комнате, но в которой на долю секунду периодически включали свет. Надо было успеть зафиксировать положение маятника. И по мере накопления данных – определить частоту колебаний, и потом иметь возможность – предсказывать место положения груза маятника. Но задача усложнится, если есть секретный механизм изменения длины подвеса маятника. И тем более, если будет нарушаться периодичность включения света. В общем, полный Гейзенберг!..