О волновой механике

Поскольку методы классической физики оказались непригодны для исследования частиц-волн, потребовалось создание новой науки, в основу которой должна была лечь концепция де Бройля. Эта новая наука – «волновая механика» – появилась благодаря австрийскому физику Э. Шредингеру и немецкому физику В. Гейзенбергу.

Волновое уравнение Шредингера

В 1926 году Шредингер опубликовал знаменитое уравнение, носящее его имя. Волновое уравнение Шредингера играет в квантовой механике такую же фундаментальную роль, как уравнение движения Ньютона в классической механике [4]. Уравнение Шредингера является математическим выражением фундаментального свойства микрочастиц, которые одновременно представляют собой волны. Данное фундаментальное свойство называется «корпускулярно-волновой дуализм».

Этот дуализм оказался очень крепким орешком. Шредингер подгоночным путем ввел в свое уравнение некую неизвестную функцию, назвав ее «волновой функцией». Ее еще иногда называют «пси-функцией» или «вектором состояния».

Надо сказать, что такие подгоночные подходы (их еще называют феноменологическими) правомерны и используются для систематизации данных в тех областях физики, где фундаментальные теории еще не созданы.

Все физические теории можно разделить на три больших класса: фундаментальные, феноменологические (или конструктивные) и полуфеноменологические. Фундаментальная теория базируется на физических принципах, имеющих всеобщую приложимость (конечно, в тех рамках, в которых эти принципы справедливы). Теоретические предсказания явлений, сделанные на основании точных решений фундаментальных уравнений, полностью подтверждаются экспериментальными фактами.

Феноменологические теории возникают в физике под давлением экспериментальных фактов и представляют собой скорее метод для систематизации данных опыта в тех областях физики, где фундаментальные теории еще не созданы. «Потенциалы взаимодействия в феноменологических теориях подбираются искусственным путем так, чтобы удовлетворительно описать феноменологические взаимодействия. Как правило, в феноменологические потенциалы входит одна или несколько подгоночных констант, значения которых определяются путем согласования теории с данными эксперимента. Феноменологические теории обладают слабой предсказательной силой (образно говоря, предсказывают на расстоянии вытянутой руки) и не раскрывают истинной природы физического явления» [8].

В частности, квантовая механика обрела феноменологический (подгоночный) характер не при ее создании, а с появлением вероятностной интерпретации волновой функции в уравнении Шредингера (пси-функции). Именно феноменологическим путем Шредингер в свое время ввел в свое уравнение пси-функцию, рассматривая ее как материальное поле.

В теории физического вакуума, опубликованной в конце ХХ века, академик Г. И. Шипов строго показал, что пси-функция имеет смысл торсионного поля – поля, порождаемого классическим спином. Причем в работах Г. И. Шипова торсионные поля вводятся не феноменологически, на строгом фундаментальном уровне [8].

С помощью волновой функции можно с успехом описывать все электромагнитные, гравитационные, ядерные и другие физические явления. Есть только одно маленькое но. Волновая функция неизвестна.

Шредингер рассматривал волновую функцию как некое пока неизвестное материальное поле, которое объединяет все известные физические взаимодействия. Он надеялся, что когда будут созданы фундаментальные теории, эта волновая функция будет найдена.

Волновая функция полностью описывает состояние микрообъекта (электрона, протона, атома). Но чтобы определить состояние микрообъекта в любой момент времени, необходимо знать волновую функцию в начальный момент времени.

Поскольку волновая функция неизвестна, решения уравнения Шредингера прямого физического смысла не имеют. Смысл имеет квадрат волновой функции, который представляет собой вероятность состояния волновой системы. Например, решили уравнение Шредингера, нашли квадрат волновой функции и определили, что вероятность нахождения электрона в момент времени t в точке пространства с координатами xyz составляет 0,6. Для простоты скажем так: 60 % за то, что электрон в такой-то момент времени находится в такой-то точке пространства.

А это означает, что четкий ответ на вопрос, где находится электрон, невозможен. Он может находиться здесь, а может и там, то есть в любом месте, где квадрат волновой функции не равен нулю. Как кристаллик соли, который может выпасть в осадок где угодно.

Физическое описание микроскопических объектов становится неопределенным.

Закономерности, которые проявляются при случайных событиях, описываются с помощью теории вероятности, которая называет эти возможности просто «вероятностями». Решение уравнения Шредингера позволяет получить значение вероятностей.

Вероятностный характер результатов экспериментов означает, что при проведении серии одинаковых опытов над одинаковыми системами каждый раз будут получаться разные результаты. Однако некоторые значения будут появляться чаще, то есть будут более вероятными.

Словом, никогда точно не скажешь, как поведет себя электрон или фотон, да и вообще любая элементарная частица.

Рассмотрим простейший опыт по распространению света. На пути пучка света, который представляет собой поток фотонов, ставится прозрачная пластина. Часть фотонов проходит через пластину, часть отражается от нее.

Снова повторили опыт, но усложнили его, а именно: на пути отраженного потока фотонов поставили точно такую же пластину, как первая, от которой эти фотоны уже отразились. Поток фотонов, отразившийся от первой пластины, разделился: часть фотонов отразилась от второй пластины, а часть прошла через нее.

Что же получается? Некоторые фотоны почему-то «не захотели» проходить через первую пластину, а потом «передумали» и прошли через точно такую же вторую пластину? Так что ли?

Именно так!

Одинаковые частицы в одинаковых условиях ведут себя по-разному. Поведение фотона при встрече с пластиной непредсказуемо однозначно. Отражение фотона от пластины или прохождение через нее – случайные события. Данный фотон может пройти через пластину, а может и отразиться.

Вот так и внутри атома материя не существует в определенных местах, а, скорее, «может существовать»; атомные явления не происходят в определенных местах и определенным образом наверняка, а, скорее, «могут происходить». Все законы атомной физики выражаются в терминах вероятностей.

И если классическая физика может предсказать точные результаты, то квантовая физика может предсказать только вероятности различных процессов. А это означает, что в субатомном мире, мире квантовой реальности, отсутствует причинность и царит полнейшая неопределенность. Успех и итог экспериментов в этом мире можно только предсказать с определенной вероятностью.

Поскольку наш курс научно-эзотерический, стоит заметить, что отсутствие причинности в Тонком мире ставит под сомнение неотвратимость закона кармы!

Стоит особо подчеркнуть, что вероятность в квантовой теории следует воспринимать не как элемент нашего незнания или расчета на удачу, на которую рассчитывает, например, игрок в азартные игры, а как основополагающее свойство атомной действительности, управляющей ходом всех процессов и даже существованием материи.

Но вероятностный характер квантовых процессов оказался далеко не единственной проблемой, которая легла на плечи ученых.

Принцип неопределенности Гейзенберга

Когда речь идет о материальной частице, то определенному значению ее координаты соответствуют точные значения ее скорости и импульса. Например, скорость и импульс летящего камня можно точно рассчитать в любой точке его траектории.

В квантовой теории все иначе. Поскольку электрон можно лишь приближенно рассматривать как материальную точку, его координаты и импульсы также можно рассматривать лишь приближенно. И одновременное определение значения динамических переменных оказалось невозможным: если исследователь определяет местонахождение частицы, то она просто не имеет определенного импульса, и наоборот, если он определяет импульс, то частица не имеет точного местонахождения. И чем точнее мы определим импульс, тем менее определенно значение местонахождения частицы.

Что с нее возьмешь! Она же не просто частица, она еще и волна! То есть определить точные параметры, характеризующие одновременно частицу и волну, невозможно.

Эту особенность квантовой физики подметил немецкий ученый Вернер Гейзенберг и сформулировал так называемый принцип неопределенности, который гласит, что, во-первых, ни один квантовый объект не может пребывать в покое, и, во-вторых, сопряженные переменные не могут быть одновременно измерены с определенной точностью. Это касается и скорости, и положения какой-либо частицы или тела.

Уравнение Шредингера и принцип Гейзенберга легли в основу теории волновой физики.

Отсутствие причинности в микромире привело к тому, что мир, описываемый физикой, оказался разделенным на две части. В макромире, с которым мы постоянно имеем дело, действует четкая определенность, последовательность и строгая причинность реальных событий. Ее легко продемонстрировать на простейшем примере: если бильярдный шар ударится под определенным углом о стенку бильярдного стола, то он отскочит обратно под тем же углом. Действие равно противодействию, или что посеял, то и пожнешь.

В субатомной мире, в мире квантовой реальности, все наоборот: отсутствие причинности и полная неопределенность. Заменим бильярдный шар электроном, а стенку стола – атомом. Каждое столкновение электрона с атомом имело бы непредвиденные последствия: электрон отскакивал бы от атома в бесчисленное множество возможных сторон.

Такое положение дел очень напоминает практические результаты исследований паранормальных явлений, когда сознание человека играет активную роль в протекании и разнообразных проявлениях этих процессов. Никогда нет уверенности в выполнении паранормального эксперимента: вчера получилось, а сегодня неизвестно, получится ли.

Мы, конечно, можем рассчитать вероятность нужного нам результата, но электрону совершенно наплевать на наши расчеты. Как говорит пословица: «Человек предполагает, а Бог располагает».