3. Простір і час у фізиці мікросвіту

3.1. Просторово-часові уявлення квантової механіки

Важко переоцінити значення квантової теорії. Вона поклала початок розвитку некласичної фізики, відкрила дорогу до пізнання невичерпного мікрокосму, до оволодіння внутріатомною енергією, до розуміння процесів у надрах зірок і в «початку» Всесвіту.

В кінці XIX ст. фізики почали досліджувати, як розподіляється випромінювання по всьому спектрі частот. Для цього була розроблена теорія випромінювання чорного тіла. Але незабаром вона зіткнулася з серйозними труднощами. М. Планк намагався вирішити цю проблему за допомогою методів класичної електродинаміки, використовуючи для цього електронну теорію Лоренца стосовно чорного випромінювання осцилятора. Його спроба не дала задовільних результатів і тоді Планк спробував вирішити проблему випромінювання з позиції термодинаміки. На цьому шляху також розкрилися труднощі неузгодженості з досвідом.

У цій ситуації Планк припустив, що можна отримати єдину формулу для спектрального розподілу випромінювання, яка за допомогою інтерполяції об'єднає формули Віна і Релея - Джинса.

Після успішної інтерполяції Планк вирішив з'ясувати фізичний зміст отриманого результату. При цьому він скористався фундаментальним співвідношенням між ентропією і ймовірністю, яке ввів у фізику його опонент Л. Больцман. У результаті була отримана знаменита формула щільності випромінювання :

де v - частота випромінювання, Т - температура, k - стала Больцмана, е - основа натуральних логарифмів.

Отримана Планком формула була дуже змістовною. Вона включала всі раніше відомі формули (закони Стефана - Больцмана, Віна, Релея - Джинса і ін.), а також раніше невідому у фізиці світову сталу h, яку Планк назвав елементарним квантом дії, так як вона представляла собою добуток енергії і часу.

Так з'явилася квантова механіка, в якій міститься подальший розвиток уявлень про простір, час і причинності.

Фізика кінця XIX - початку XX ст. безпосередньо підійшла до дослідження мікроструктури матерії. Якщо більшість явищ, досліджуваних у хвильовій оптиці, таких, як дифракція, інтерференція, дисперсія і т. д., ставилися не до миттєвих, а до середніх за часом величин, то до початку XX ст. на порядок денний у фізиці стала проблема вивчення таких явищ, як виникнення і перетворення світу. Ці процеси виявилися поза компетенцією хвильової оптики або теорії електромагнетизму. Тут наука вторглася в область мікросвіту, в атомний світ, закономірності якого раніше не вивчалися. Визначальну роль у пізнанні мікросвіту зіграли квантові уявлення.

З роботами Ейнштейна про фотони у фізику увійшло уявлення про своєрідний дуалізм. Залежно від характеру випромінювання воно може розглядатися або як хвильовий процес, або як потік частинок, фотонів.

Перехід від корпускулярної оптики Ньютона до хвильової оптики Гюйгенса і до теорії електромагнітного поля Максвелла часто пов'язувався з переходом від абсолютного простору і часу до певного різновиду атрибутивного (наприклад, реляційного) простору і часу.

Але були істотні труднощі, пов'язані з квантами. Наприклад, А. Еддінгтон поставив питання про просторово-часові локалізації квантів. «Загадковість природи кванта полягає в тому, - писав він, - що, будучи неподільним, він тим не менш не має певних меж у просторі. Поки ми маємо справу зі згустком енергії, зібраної в одному місці, тобто з електроном, ми не зустрічаємося з h; як тільки ми переходимо до енергії, що розпливається у просторі, тобто до світлових хвиль, h з'являється. Атом дії не має меж, він як би заповнює собою весь простір. Яке місце ми повинні вказати такому атому за нашою просторово-тимчасовою схемою світобудови? » [3, с.162].

Вихід з цих труднощів був знайдений Н. Бором шляхом синтезу планетарної моделі атома і квантової гіпотези. Він прийняв за основу неподільність кванта дії і представив кожну зміну стану атома як індивідуальний процес, який не допускає більш детального опису і в ході якого атом переходить з одного стаціонарного стану в інший. Перебуваючи в стаціонарному стані, атом не випромінює енергії. Проте квантова теорія Бора також зіткнулася з істотними труднощами. Вона давала рішення проблеми частот спектральних ліній, але не дозволяла вирішувати задачі про їх інтенсивності і поляризації. Не пояснювала вона і багатоелектронних атомів.

Постала проблема створення хвильової механіки квантових об'єктів, яка відповідала б певній теорії класичної механіки подібно взаєминам хвильової та геометричної оптик. Ця програма була реалізована Е. Шредінгером в 1926 р., який вивів хвильове рівняння, що нині носить його ім'я. Це диференціальне рівняння визначає рух хвиль, пов'язаних з електронами.

У фізиці склалася дивна ситуація. З одного боку, розвинена квантова механіка, в основі якої лежить уявлення про квантові стрибки, про дискретності дії, енергії і т. д. у мікросвіті, з іншого - існує хвильова механіка Шредінгера, яка заперечує перервність у мікросвіті і все зводить до хвиль матерії. Спочатку квантовою механікою називали теорію Гейзенберга, яка протиставлялася хвильовій механіці Шредінгера. Потім теорію Гейзенберга стали називати матричною механікою, а під квантовою механікою стали мати на увазі теорію, яка виникла зі злиття матричної механіки та хвильової механіки.

У дискусії Бора з Шредінгером в Копенгагені (1926 р.) було з'ясовано, що в атомній фізиці не можна обійтися без квантових уявлень. У ході її Шредінгер висловив ряд зауважень, в яких порушувалися просторово-часові уявлення квантової механіки. По-перше, було констатовано, що в квантовій теорії не пояснюється, чому в стаціонарному стані атома електрон не випромінює, хоча цього вимагає теорія Максвелла. По-друге, вона не дає також відповіді на питання, як відбувається перехід електрона з однієї орбіти на іншу - поступово або стрибкоподібно. Якщо цей перехід поступовий, то так само повинна змінюватися і частота випромінювання, його енергія, але тоді незрозумілий лінійчатий характер атомних спектрів. Якщо ж перехід стрибкоподібний, то як рухається електрон при стрибку? Які закони цього незвичайного руху електрона при квантовому стрибку?

Єдності поглядів з цих питань у дискусії Бора і Шредінгера не було досягнуто, але були чітко сформульовані труднощі обох теорій.

Важливий внесок у розвиток квантової механіки зробив Гейзенберг, сформулювавши своє співвідношення невизначеностей: чим більша невизначеність просторової координати, тим менша невизначеність значення імпульсу частинки які пов'язані між собою квантом дії h. Інше співвідношення має місце для часу і енергії: невизначеність енергії тим більша, чим менший час перебування частинки в даному стані, її час життя.

Таким чином, у квантовій механіці була розкрита принципова межа застосовності класичних фізичних уявлень до атомних явищ і процесів. При цьому поняття просторових координат розширюється у квантовій механіці, і вони зображуються операторами; що стосується часу, то він залишається величиною класичною. Відмінність просторових координат у квантовій механіці від таких у класичній фізиці полягає в тому, що координати, від яких залежать хвильові функції квантової механіки, не мають нічого спільного зі спостережуваними координатами частинок. Лише власні значення оператора координати (або середнє значення координати) представляють собою спостережувані координати. Таким чином ми маємо в квантовій фізиці формально математичний фон геометричного простору-часу, на якому реалізуються лише окремі точки як місця розташування частинок.

В перші роки розвитку квантової механіки її творці робили основний акцент на розгляд того факту, що вона не дає опису руху атомних частинок у просторі та часі і веде до повної відмови від причинного просторово-часового опису.

У квантовій механіці була поставлена ​​важлива проблема про необхідність перегляду просторово-часових уявлень і лапласовского детермінізму класичної фізики. Вони виявилися лише наближеними поняттями і ґрунтувалися на занадто сильних ідеалізаціях. Квантова фізика зажадала більш адекватних форм впорядкованості подій, в яких враховувалося б існування принципової невизначеності у стані об'єкта, наявність рис цілісності та індивідуальності у мікросвіті, що і виражалося в понятті універсального кванта дії h.

Відмінною особливістю квантової механіки є наявність в її структурі двох інгредієнтів (типів величин): квантових і класичних. Створити теорію, що використовує тільки перші величини, виявилося неможливим. Справа в тому, що для системи з одних квантових об'єктів, які позбавлені будь-яких динамічних характеристик, взагалі не можна побудувати ніякої логічно замкнутої механіки. Кількісний опис руху електрона засобами квантової механіки вимагає наявності також фізичних об'єктів, які з достатньою точністю підпорядковуються класичній механіці (експериментальна установка, прилад). Таким чином, виникла парадоксальна ситуація: з одного боку, квантова механіка «перевершила» механіку класичну показавши її принципову обмеженість, а з іншого – підтверджуючий її експериментальний матеріал інтерпретується на основі понять класичної механіки і на класичній мові спостереження.

Таким чином, у сучасній фізиці учені зіткнулися з істотно новим видом емпіричного пізнання. Це визначається, по-перше, використанням експериментальних установок, створених за законами класичної фізики, і, по-друге, специфікою некласичних об'єктів, які досліджуються цими установками.

Квантова механіка була покладена в основу бурхливо розвиваючоїся фізики елементарних частинок, кількість яких досягає кількох сотень, але до теперішнього часу ще не створена коректна узагальнююча теорія. У фізиці елементарних частинок уявлення про простір і час зіткнулися з ще більшими труднощами. Виявилося, що мікросвіт є складною багаторівневою системою, на кожному рівні якої панують специфічні види взаємодій і характерні специфічні властивості просторово-часових відносин. З урахуванням цих міркувань область доступних в експерименті мікроскопічних інтервалів умовно ділиться на чотири рівні: 1) рівень молекулярно-атомних явищ, 2) рівень релятивістських квантово-електродинамічних процесів, 3) рівень елементарних частинок і 4) рівень ультрамалих масштабів.

В області молекулярно-атомних масштабів простір і час ще зберігають звичний для нас зміст, хоча багато важливих просторово-часових відносин виявляються істотно іншими , ніж у класичній фізиці макросвіту. На цих відстанях невизначеність у значенні енергії частинки виявляється порядку маси електрона, і це зумовлює можливість утворення віртуальних електронно-позитронних пар. Тут вже необхідно враховувати релятивістські ефекти, і структура простору-часу повинна задаватися законами спеціальної теорії відносності.

Просуваючись вглиб матерії, вчені переступили рубіж і почали досліджувати фізичні процеси в області субатомних просторово-часових відносин. На цьому рівні структурної організації матерії визначальну роль грають сильні взаємодії елементарних частинок (ці взаємодії, наприклад, пов'язують протони і нейтрони в атомних ядрах). Тут інші просторово-часові поняття. Так, специфіці мікросвіту не відповідають повсякденні уявлення про співвідношення частини і цілого. Ще більш радикальних змін просторово-часових уявлень вимагає перехід до дослідження процесів, характерних для слабких взаємодій (відповідальних за бета-розпад). Тому на порядок денний постає питання про порушення просторової і тимчасової парності, тобто правий і лівий просторові напрямки виявляються нееквівалентні.

У цих умовах були зроблені різні спроби принципово нового тлумачення простору і часу. Один напрям пов'язаний зі зміною уявлень про перервність і неперервність простору і часу, а другий - з гіпотезою про можливу мікроскопічну природу простору і часу.