Техника - молодёжи 2006-03, страница 10

2006 №03 ТМ

НАШИ ДИСКУССИИ

В «ТМ» 2005 № 8 и № 9 в рубрике «Смелые гипотезы» опубликована статья О. Митрофанова «Почему трава зеленая?». В статье много спорного и интересного, однако ответа на поставленный в заголовке вопрос автор не дает ввиду его сложности. И именно о причинах сложности вопроса хочу рассказать.

ЗАГАДКИ ФОТОСИНТЕЗА

Михаил ГЕРЦЕНШТЕЙН, доктор физико-математических наук

Автор статьи широко использует радиотехнический язык. Я много лет работал в радиотехническом НИИ и занимался созданием устройств сантиметрового и дециметрового диапазона. Так что этот язык тоже люблю, но аналогия между радиотехникой и оптикой все-таки ограничена. Радиотехника умеет генерировать когерентные сигналы, в которых много фотонов одинаковой фазы. Оптика научилась это делать сравнительно недавно — когда появились лазеры. В оптике привычные источники света — тепловые, фотонов много, но все они имеют разные и при этом случайные фазы. Сумматор может сложить амплитуды сигналов с известной фазой, для шумовых сигналов это сделать нельзя.

Обсуждение механизма фотосинтеза затрагивает основы современной физики — интерпретацию квантовой механики. Споры по этому вопросу продолжаются до настоящего времени. Квантовый объект обладает двумя явно несовместимыми свойствами — с одной стороны это частица, с другой стороны — волна. Как примирить эти свойства, явно противоречащие друг другу? Волна может занимать большой объем пространства и одновременно проходить через различные отверстия в экране, что дает интерференцию двух или многих лучей. Частица локализована и может пройти только через одно отверстие, она вызывает потемнение только одного зерна фотоэмульсии. Как совместить эти свойства?

Это физическое противоречие в основах теории не давало возможность физикам конструктивно работать дальше. Н. Бор считал, что причина противоречия — теория познания и язык, которые выработаны на опыте макромира и поэтому не годятся для микромира. С этим был согласен и В. Гейзенберг. Такая интерпретация была предложена в конце 1920-х гг. и получила название «Копенгагенская». Она успокоила физиков и дала им возможность конструктивно работать. К тому времени была закончена только «Классическая квантовая механика фиксированного числа частиц». Квантовая электродинамика (КЭД) была завершена значительно позднее, ее современный язык — диаграммы Фейнмана — был сформулирован в 1948 г. Квантовая частица — фотон — либо поглощается полностью, либо вообще не регистрируется. Аналогом диаграмм Фейнмана в радиотехнике является описание цепей с помощью

графа. Как пишет сам Фейнман, строгое изложение квантовой электродинамики излишне сложно и сам он излагает ее значительно проще. Я попытаюсь это сделать популярно: читатель сам убедится, что проще рисовать диаграммы и графы прямо на чертеже устройства и пользоваться ими, чем прочитать всю ученую литературу, которая о них написана! К тому же, «строгое» математическое изложение не вызывает доверия, пока используются искусственные методы выбрасывания бесконечных слагаемых. Я уже писал, что учет поляризации вакуума (см. «ТМ» №7, 2005 г.) позволяет изменить уравнения так, что бесконечные слагаемые просто не возникают.

В технике первой половины XX в. использовались либо частицы — их корпускулярные свойства, либо волны. И только незадолго до Второй мировой войны появилась импульсная радиолокация, в которой, по существу, используются волновые пакеты и измеряются их корпускулярные свойства — например время движения пакета. По этим величинам можно определить координаты цели. Передатчик излучает импульс — «классическую электромагнитную волну» — волновое поле, диаграмма направленности формируется всей антенной — большим зеркалом. Работает все зеркало, а не небольшая часть его. Волновой пакет облучает цель, например самолет. Небольшая часть энергии отражается обратно и попадает в антенну, к которой в момент возвращения волнового пакета подключен приемник.

Поскольку используются корпускулярные свойства волновых пакетов, то дуализм волна — частица должен проявляться и в этих технических устройствах, как подсказывает нам интерпретация квантовой механики. Преж

де всего, следует отметить, что при чувствительном приеме существуют внутренние шумы, в результате возникают ошибки при приеме сигнала — возможен пропуск импульса и прием ложного сигнала. Приемник «принимает решение» о наличии импульса, когда на входе приемника его не было.

Терминология здесь такая же, как и в теории измерений в квантовой механике — возникают возможности, приемник «принимает решения». И это происходит в самом приемнике без участия оператора — «наблюдателя». Поэтому мы думаем, что и квантовая теория измерений может быть изложена без привлечения сознания наблюдателя. Таким образом, в классической задаче о приеме радиосигнала возникает вероятностное описание. К этому в радиотехнике все привыкли, а ранее при возникновении квантовой механики это обстоятельство вызывало споры.

Чтобы атом или молекула взаимодействовали со светом, должен быть электрический дипольный момент, его ориентация и определяет поляризацию. Взаимодействие — резонансное. Иными словами, молекула является и антенной, и приемником, и частотным фильтром.

Если квантовая система поглощает квант, то ее энергия увеличивается — она переходит на более высокий энергетический уровень. При взаимодействии с квантом той же или более высокой частоты она может вновь перейти на низкий уровень. Процесс погло