Основные идеи квантовой теории и ее эволюция (стр. 3 из 4)
Отказ от идола классического детерминизма и утверждение вероятности как непреложного факта теории открывают возможности для более глубокого понимания вероятностной интерпретации квантовой механики. Далее попробуем показать, что именно учет вероятности как факта определяет новую — вероятностную — форму энергии, и, таким образом, делает теорию более полной, чем это казалось ранее. В этом смысле ситуация изменяется коренным образом: вероятность как факт приводит к тому, что теория становится полной.
Для обоснования полноты квантовой механики необходимо обратиться к принципу инвариантности. Известно, что инвариантность как методологический принцип выражает тенденцию искать и открывать неизменные величины. С этой точки зрения любая физическая константа, как мы уже отмечали, указывает на инвариантность — выражает некоторое сохранение. Например, константа Планка как фундаментальная величина выражает в общем виде закон сохранения момента импульса в атомном мире. Таким образом, выясняется ее физический смысл, т.е. решается задача, которую Эйнштейн считал “самой важной целью будущих десятилетий” и которая определяет “содержание самого важного направления в развитии новейшей теоретической физики”6.
Если считать, что теория является полной, когда каждому элементу физической реальности соответствует в теории определенная физическая величина, то с энергетической точки зрения теория должна быть признана полной, если для каждой энергетической области можно указать ее энергию. И так как во всех процессах микромира нет других энергетических областей, кроме областей состояний и областей переходов из них, то с позиций закона сохранения энергии, т. е. принципа инвариантности, признание вероятностной частоты наряду с действительной исчерпывает все возможности, и, таким образом, квантовая механика становится полной теорией.
3. Неравенство Белла и открытие А.Аспекта.
В 1964 году Дж.С.Белл сформулировал неравенства, которые должны выполняться для любой классической (неквантовой) статистической теории, в которой выполняется требование локальности (объективная локальная теория, ОЛТ), имевшие целью продемонстрировать принципиальное отличие предсказаний любой ОЛТ от предсказаний квантовой механики. В квантовой механике при измерении проекций спинов ЭПР-пары на различные оси эти неравенства обязаны нарушаться. Первым экспериментальную проверку в 1980-х гг. неравенств Белла произвел А.Аспект. В дальнейшем были поставлены многочисленные эксперименты по типу эксперимента Аспекта. Все они сопровождались нарушением неравенств Белла, что говорит против выдвинутых А.Эйнштейном гипотезы о существовании скрытых параметров квантовомеханических систем. Невозможность одновременного выполнения несовместных измерений связано с тем, что поворот одного прибора, регистрирующего частицу, меняет информацию о системе и, таким образом, на вероятность измерения второго прибора. Носителя (частицы или поля) этого взаимодействия не существует. Эффект связан с редукцией волнового пакета, и демонстирирует невыполнение белловского требования локальности (невозможность влияния измерения в точке А на результаты измерения в точке В). Таким образом, невыполнение неравенств Белла свидетельствует о наличии нелокальной корреляции между частицами, однажды входившими в контакт.
Эксперименты Аспекта говорят в пользу существования нелокальной квантовой корреляции между компонентами ЭПР-пары: измерение параметра одного из компонентов в некотором смысле предопределяет результаты измерения параметра второго компонента, даже если они разделены пространственноподобным интервалом. Субстанциональная основа этой корреляции, как мы уже говорили, неясна. Возможно, это все-таки следствие существования скрытых параметров, о которых говорил Эйнштейн. Такой поворот событий чисто философски в силу проблемы индукции не является принципиально невозможным: быть может, более точные эксперименты смогут сказать в пользу скрытых параметров. Однако, современная физика не имеет оснований к однозначному их признанию. Отрицательных аргументов больше, чем положительных и главные из них – результаты опытов.
4. Физический вакуум и его свойства.
Стимулом стойкого интереса к физическому вакууму является надежда ученых на то, что он откроет доступ к океану экологически чистой вакуумной энергии. Очевидно, что эти надежды не беспочвенны. В рамках квантовой электродинамики теория указывает на реальность существования в физическом вакууме "океана" энергии. Плотность энергии вакуума W определяется соотношением:
,где: h – постоянная Планка, a – коэффициент, ν – частота.
Отсюда следует, что энергия вакуума может быть очень большой. Однако, вследствие высокой симметрии вакуума, непосредственный доступ к этой энергии весьма затруднителен. В результате, находясь, по существу, среди океана энергии, человечество вынуждено пользоваться только традиционными способами ее получения, основанными на сжигании природных энергоносителей. Тем не менее, при нарушении симметрии вакуума доступ к океану энергии возможен. Поэтому внимание исследователей привлекают новые физические эффекты и феномены в надежде на то, что они позволят заставить физический вакуум "работать".
При достижении критического уровня возбуждения физический вакуум порождает элементарные частицы – электроны и позитроны. Поэтому многих исследователей интересует способность вакуума генерировать электроэнергию. Эффект Казимира указывает на возможность извлечения механической энергии из вакуума. Достижению реальных результатов, в плане практического использования энергии физического вакуума, мешает отсутствие понимания его природы. Загадка природы физического вакуума остается одной из серьезных нерешенных проблем фундаментальной физики.
По современным представлениям в основе всех физических явлений лежат квантованные поля. Вакуумное состояние является основным состоянием любого квантованного поля. Отсюда следует, что физический вакуум является самым фундаментальным видом физической реальности. В настоящее время преобладает концепция, в рамках которой считается, что вещество происходит из физического вакуума и его свойства проистекают из свойств физического вакуума. Я.Б.Зельдович исследовал даже более амбициозную проблему – происхождение всей Вселенной из вакуума. Он показал, что твердо установленные законы Природы при этом не нарушаются. Строго выполняются закон сохранения электрического заряда и закон сохранения энергии. Единственный закон, который не выполняется при рождении Вселенной из вакуума – это закон сохранения барионного заряда. Отается непонятным, куда подевалось огромное количество антивещества, которое должно было появиться из физического вакуума. Поэтому решение проблемы физического вакуума представляет интерес, как для фундаментальной науки, так и для прикладных исследований. Несмотря на большой интерес к нему, физический вакуум по-прежнему остается загадочным объектом, которому, тем не менее, наука определяет наиболее фундаментальный статус.
Несмотря на то, что актуально физический вакуум ничего не содержит, он содержит все потенциально. Поэтому, вследствие наибольшей общности, он может выступать в качестве онтологической основы всего многообразия объектов и явлений в мире. В этом смысле, пустота – самая содержательная и наиболее фундаментальная сущность. Такое понимание физического вакуума заставляет признать реальность существования не только в теории, но и в Природе и "ничто" и "нечто". Последнее существует как проявленное бытие – в виде наблюдаемого вещественно-полевого мира, а "ничто" существует как непроявленное бытие - в виде физического вакуума. Поэтому, непроявленное бытие, при распространении этого понятия на физический вакуум, следует рассматривать как самостоятельную физическую сущность, которую необходимо изучать.
Физический вакуум непосредственно не наблюдается, но проявление его свойств регистрируется в экспериментах. К вакуумным эффектам относятся: рождение электронно-позитронной пары, эффект Лэмба-Ризерфорда, эффект Казимира. В результате поляризации вакуума электрическое поле заряженной частицы отличается от кулоновского. Это приводит к лембовскому сдвигу энергетических уровней и к появлению аномального магнитного момента у частиц. При воздействии высокоэнергетичного фотона на физический вакуум в поле ядра возникают вещественные частицы – электрон и позитрон. Эффект Казимира указывает на возникновение сил, сближающих две пластины, находящиеся в вакууме. Эти эффекты указывают на то, что вакуум является реальным физическим объектом.
В современной физике предпринимаются попытки представить физический вакуум различными моделями. Многие ученые, начиная от П.Дирака, пытались найти модельное представление, адекватное физическому вакууму. Известны: вакуум Дирака, вакуум Уилера, вакуум де Ситера, вакуум квантовой теории поля, вакуум Тэрнера-Вилчека и др. Вакуум Дирака является одной из первых моделей. В ней физический вакуум представлен "морем" заряженных частиц, заполняющих все энергетические уровни. Вакуум Уилера состоит из геометрических ячеек планковских размеров. Согласно Уилеру все свойства реального мира и сам реальный мир есть проявление геометрии пространства. Вакуум де Ситтера представлен совокупностью частиц с целочисленным спином, находящихся в низшем энергетическом состоянии. Вакуум квантовой теории поля содержит в виртуальном состоянии всевозможные частицы. Вакуум Тэрнера-Вилчека представлен двумя проявлениями – "истинным" вакуумом и "ложным" вакуумом. То, что в физике считается самым низким энергетическим состоянием, есть "ложный" вакуум, а остинно нулевое состояние находится ниже по энергетической лестнице. При этом "ложный" вакуум может переходить в состояние "истинного" вакуума.