VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

Наука никогда не стоит на месте, она развивается и меняет представление людей о реальности, отвечая на их вопросы о природе мира. Но что случается, когда наука не способна ответить на появляющиеся вопросы, а люди, получившие новые результаты, не могут их трактовать однозначно, вследствие чего спорят и порой не могут прийти к соглашению? Век назад ученые не могли представить, что квантовая механика перевернет представление о мире, в котором мы живем. Каждое новое открытие в этой сфере лишь «подливало масло» в огонь неутихающих споров, оказавших самое непосредственное влияние на последующую науку, определяя ее современную конфигурацию. Однако человечество активно пользуется плодами квантовой механики, не всегда задумываясь о ее прямом влиянии на мыслительные схемы в целом и на мышление современного человека посредством сформировавшихся на ее территории методологических принципов. Как же так получилось, что одна из самых неоднозначных теорий в истории дала подобные результаты?

Считается, что квантовая механика родилась в тот момент, когда была выведена постоянная Планка и открыта квантовая природа энергии [1]. До этого человечество считало энергию непрерывной, поэтому оно не сразу восприняло это открытие, и следующий этап развития произошел только спустя пять лет после этого события. В 1905 году Эйнштейн применил гипотезу Планка в задаче фотоэлектрического эффекта и удельной теплоемкости твердых тел, успешно подтвердив ее, что так же позволило ему выдвинуть предположение о квантовой природе света. Конечно, он не мог опровергнуть волновую природу света, доказанную экспериментально; поэтому он считал, что этот вопрос можно будет разрешить только с помощью нового метода мышления. Позднее, в 1913 году Нильс Бор применил теорию Планка к модели атома Резерфорда, получив тем самым из планетарной модели новое представление строения атома на основе стационарных состояний электрона. Это была попытка объединить классическую механику с квантовыми условиями, которые налагаются на классические законы движения для выделения дискретных стационарных состояний среди других состояний [2, с. 12]. Зоммерфельд развил этот подход, получивший название старой квантовой теорией. Он совмещал в себе классическую теорию и противоречащие ей предположения. Множество парадоксов и противоречий привели к тому, что ученые нуждались в новой теории, которая смогла бы дать непротиворечивую картину квантовых процессов [3]. Один их самых ярких парадоксов того времени был связан с двойственностью природы света. Произведенные ранее эксперименты по интерференции рассеянного света давали следующие результаты: падающая световая волна выбивает из пучка электрон, колеблющийся с той же самой частотой; затем колеблющийся электрон испускает сферическую волну с частотой падающей волны и вызывает тем самым рассеянный свет [2, с. 13]. Но в 1923 году Комптон проводил опыты по рассеиванию рентгеновских лучей, получив удивительные результаты: частота рассеянных лучей отличается от частоты падающих лучей, что выглядит так, будто рассеивание – это столкновение кванта света с электроном, потому что частота вычисляется как частное от деления энергии светового кванта на постоянную Планка, а ударяясь, световой квант меняет свою энергию. В попытке разъяснить эти явления Луи де Бройль в 1924 году распространил идею корпускулярно-волнового дуализма, что способствовало развитию двух способов описания квантовых процессов, которые дополняли друг друга. Э. Шредингер вывел волновое уравнение и создал математический аппарат, описывающий квантовые процессы на основе волновой механики, тогда как другая группа ученых исходила из теории дискретных состояний, развивая матричную механику. К 1927 году оформились законы, которые легли в основу квантовой теории, и получила распространения Копенгагенская интерпретация, которая так же была способна объяснить новую теорию.

Основателем Копенгагенской интерпретации считаются В. Гейзенберг и Н. Бор. Они ушли от распространенного ранее принципа полного детерминизма, выделив немаловажную роль наблюдателю. Теперь нельзя было говорить об абсолютно объективных знаниях о мире; было понятно, что мы можем судить о разных результатах, зафиксированных прибором в определенные моменты времени, но не можем судить о том, что происходило в промежутках между этими измерениями. Это предположение было порождено тем, что наблюдатель или прибор, осуществляющий наблюдение, влияет на микромир. Человек может отследить положение электрона, только подействовав на него другой частицей. Таким образом, Гейзенберг пришел к тому, что нельзя определить с одинаковой точностью координаты частиц и ее импульс. Также мы не можем точно описать движение частицы, но не можем каким-либо образом получить траекторию ее движения. Мы способны только вычислить вероятность того, что она окажется в какой-либо точке пространства. С такой статистической природой новой теории были не согласны многие физики тех времен.

Эйнштейн не принимал эту теорию, несмотря на то, что внес большой вклад в ее развитие. В мышлении людей науки прошлых столетий укоренилась идея о том, что законы Вселенной, выводимые с помощью математики, познаваемы, и каждый человек, зная эти законы, сможет описать все процессы, происходящие в мире. Столкнувшись с вероятностным описанием законов, их разум воспротивился такой теории, посчитав ее неполной, лишь промежуточной версией. Эйнштейн входил в их число. «Бог не играет в кости», – говорил он [4].

Но статистическое описание было не единственным камнем преткновения новой теории. Советские физики, исходившие из позиции материализма, трактовали квантовую теорию по-своему. Д. И. Блохинцев пытался исключить особую роль наблюдателя, сделав ее такой же объективной, как и другие науки [5, с. 94]. Несмотря на то, что он считал квантовую механику вполне совершенной теорией, ему казалось невозможным, что волновую функцию приходится рассматривать как «записную книжку» наблюдателя, поэтому он сформировал собственную теорию на основе квантовых ансамблей, которая исключала бы субъективизм. Но его интерпретация не получила дальнейшего распространения и не развивалась далее.

Такая же судьба постигла и другие гипотезы и предположения, однако каждое из них стало новым шагом в развитии, приближая к истине. Со временем был сформирован эффективный математический аппарат, выведены новые принципы и законы квантовой механики. Например, в основу квантовой механики вошел принцип неопределенности Гейзенберга, гласивший, что мы не можем измерить скорость и координату частицы одновременно с одинаковой точностью [2, с. 17]. Но появились не только новые теории, но и изменились старые. Если раньше считалось, что человек при измерении никак не влияет на объект и мир в целом, то теперь с уверенностью можно было говорить, что прибор вносит свои изменения в микромир. Так же раньше считалось, что мир полностью познаваем, и любое его явление можно описать на языке математики, если известны какие-либо начальные условия и законы, по которым эти явления развиваются. Но вся квантовая механика построена на вероятностном описании событий, т. е. человек не может с уверенностью сказать, что событие будет происходить так, а не иначе, а может лишь высчитать вероятность какого-либо из путей развитий. Таким образом, разрушилась классическая картина мира, построенная Ньютоном, признававшая лишь эксперименты и наблюдения. Ей на смену пришла новая, неклассическая картина мира, в которой умозрительные принципы познания, такие как наблюдаемость, дополнительность, симметрия и неопределенность стали равноправными, а зачастую и более предпочтительными, принципами научного исследования. Иначе говоря, открытия и споры в научном сообществе привели к тому, что методология научного познания была трансформирована в нечто иное, более абстрактное и куда более сложное, нежели просто обобщение групп экспериментальных данных наблюдений.

Используемая литература

1. Квантовая_механика. – https://ru.wikipedia.org/wiki/

2. Гейзенберг, В. Физика и философия. Часть и целое; пер. с нем.И.А. Акчурина, Э.П. Андреева, В.В. Бибихина. – М.: Наука. Гл. Ред. физ.-мат. лит, 1989. – 400 с.

3. Наумов, А.А. Парадокс как критерий развития науки, или о принципе неопределенности Гейзенберга и теореме Геделя о неполноте / А.А. Наумов // Материалы студенческого научного Форума 2013 (электронный ресурс). – htpp: www.science.ru / 2013

4. Эйнштейн, Альберт. – https://ru.wikipedia.org/wiki/

5. Блохинцев, Д.И. Квантовая механика. Лекции по избранным вопросам: Учеб. Пособие, 2-е изд. – М.: Изд-во МГУ, 1988. – 112 с.

Код для цитирования: Скопировать