Техника - молодёжи 1992-05-07, страница 28

Судьбы научных идей

Александр РАБИНОВИЧ,

кандидат физико-математических наук

Мир ненаглядных квантов,

или

Где обитает бог?

Лауреат Нобелевской премии Р.Фейман, один из крупнейших специалистов в квантовой теории, писал о ней в конце своей жизни: «Ее никто не понимает». Знаменательное признание!

Все упирается в удивительно красивое, но пока логически непостижимое понятие корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц. Элементарным кирпичикам мироздания одновременно приписываются свойства корпускулы — и волны!

Сущность этой двойственности активно обсуждается на семинарах, возрождающих былые традиции неравнодушия к чужим идеям, демократизма дискуссий. В отличие от сухой и чрезмерно формализованной «академической» физики, здесь присутствует нечто иное — то, что я бы назвал наукой с «человеческим лицом».

Уже несколько лет в Сочи организуются такие школы-семинары по нерешенным вопросам квантовой физики. Особенно запомнились выступления нескольких ученых из Англии и Италии, примыкающих к французской школе, основателем которой был де Бройль. В нашей стране продолжателями его взглядов являются известные физики Я.П.-Терлецкий и Ю.П.Рыбаков. В одной из наших бесед Юрий Петрович дал такую трактовку сегодняшней ситуации в физике:

«Нерелятивистская квантовая механика прекрасно подтверждается опытом. Однако релятивистская квантовая механика (согласующаяся с теорией относительности.— А.Р.) еще не создана, хотя успехи квантовой электродинамики, в последнее время и квантовой хромоди-намики (теория сильных взаимодействий— А.Р.) весьма впечатляющи. Корень затруднений квантовой механики заключается в том, что она дает описания индивидуального микропроцесса, ограничиваясь статистическим описанием процессов с точечными частицами. Неспособность теории к описанию протяженных микрообъектов приводит к рас-ходимостям (бесконечным выражениям для заведомо конечных величин.— А.Р.), незамкнутости теории и другим трудностям».

Эти нелегкие вопросы были в центре внимания на сочинских конференциях. Высказывались разнообразные взгляды, много было споров. Подтвердилась простая истина: давние квантовые про

блемы по-прежнему остаются крепким орешком

Вспомним, что в течение многих лет Эйнштейн дискутировал с Бором по принципиальным вопросам квантовой механики, безуспешно пытаясь опровергнуть складывающуюся копенгагенскую концепцию. Среди множества загадок, которыми Эйнштейн озадачивал Бора, особое место занимает парадокс ЭПР (по именам трех физиков: Эйнштейна, Подольского, Розена). Суть его вкратце в следующем.

Пусть из некоторой точки разлетаются в разные стороны два фотона, суммарный спин которых равен нулю. Когда расстояние между ними достигнет астрономической величины, измерим проекцию спина одного из них на некоторую ось. В силу сохранения суммарного спина, мы автоматически узнаем, чему равна проекция спина другого фотона. А это противоречит принципам квантовой механики, согласно которой результат подобных измерений можно предсказать лишь с определенной вероятностью.

Выход из положения был найден. Предполагалось, что частицы, находясь друг от друга на гигантских расстояниях, ухитряются каким-то чудесным образом влиять на состояния друг друга; их нельзя считать независимыми. Для Эйнштейна такой парадокс (частицы полностью разделены, но взаимосвязаны) был доказательством концептуальной незавершенности квантовой физики.

Макс Планк совершил в 1900 году переворот в науке, введя понятие кванта света. Для него кванты были дискретными порциями электромагнитной (волновой) энергии, излучаемой нагретыми телами. В теории Планка свет, по сути, представлялся либо как волна, либо как частица (при испускании или поглощении). Эйнштейн в 1905 году приписал квантам света корпускулярные свойства и в пространстве. Это положение натолкнуло де Бройля на поистине сумасшедшую идею, что все без исключения микрочастицы обладают, помимо корпускулярных, также и волновыми свойствами. Едва ли теория де Бройля получила бы быстрое признание, если б не последовавшее вскоре неожиданное экспериментальное ее подтверждение. Появилось знаменитое уравнение Шредингера, выразившее математически корпускулярно-волновой дуализм. Началось триумфальное шествие квантовой механики.

Но трудности у теории все же были. Уравнение Шредингера, описывающее частицу, было составлено для некоторой волновой функции, физический смысл которой ускользал от ученых. Вначале Шредингер думал, что с помощью волновых функций с близкими характеристиками (волнового пакета) можно описать локализованный в малой области пространства микрообъект Тогда корпускулярно-волновой дуализм стал бы понятным. В этом случае он разрешался бы по существу в пользу волн Но такая точка зрения была опровергнута. Оказалось, что шредингеровские волновые пакеты расплываются и поэтому никак не могут соответствовать микрообъектам.

В конце концов квантовая физика расписалась в своем бессилии понять индивидуальные свойства микрочастиц. Определяются только вероятности переходов, движение же отдельной частицы в пространстве и времени описать невозможно.

Последовательное и доведенное едва ли не до абсурда, как может показаться любому неиспорченному науками человеку, развитие такой интерпретации принадлежит копенгагенской школе, которую основал Бор. С его именем связано не только становление квантовой механики как науки, но и создание ее философии. В соответствии с ней квантовая механика должна описывать и предсказывать только статистические результаты экспериментов над микрочастицами. Если же в данный момент над частицей не проделывается никаких опытов, то ни на один вопрос о ней мы не имеем права ответить. Имеет ли она в данный момент энергию, импульс и существует ли она вообще? Такие вопросы считаются некорректными.

Чтобы увидеть тот гупик, в котором оказались физики, достаточно привести один пример: основополагающий опыт по дифракции микрочастиц на экране с двумя щелями (рис. 1).

Если мы закроем одну щель и пустим N частиц через открытую, на фотопластинке за экраном возникнет дифракционная картина I, а при открытии только второй шели— 2. Если же открыть обе щели, пустив 2N частиц, то одна половина их пройдет через первую щель, а другая — через вторую. Итоговая картина на фотопластинке 3 должна была бы, по здравому смыслу, представлять собой простую сумму предыдущих. На самом же деле будут склады

26