Квантовая механика

Материал из Новый Человек

Перейти к: навигация, поиск

Содержание

Перерождение ума

Уже почти 100 лет, как учёные-физики пытаются вырваться из капкана двухполярного ума. Это происходит неосмысленно, а под натиском экспериментальных фактов релятивистской физики и физики микромира.

Геометрия Лобачевского, Римана, Гильберта, банаховы пространства, и даже теоретическая многополярность, не связаны с фактами действительного мира. Им предстоит ариом, то есть проверка на реализацию в действительном мире. Близко к реализации подошли учёные на фактах микромира. Конечно стихия не сформировала у них иной вид ума, но сильно пошатнула двухполярный ум феноменологическими моделями.

История

В1901 г., Макс Планк предложил теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым этим телом излучением. С этого момента родилась квантовая теория. Как и его предшественники, Планк предположил, что излучение испускают атомные осцилляторы, но при этом считал, что энергия осцилляторов существует в виде небольших дискретных порций. Эти порции Эйнштейн назвал квантами. Энергия каждого кванта пропорциональна частоте излучения. Выведенная Планком формула вызвала всеобщее восхищение. И всё же, принятые им допущения оставались непонятными некоторое время, так как противоречили классической физике. Альберт Эйнштейн в 1905 г. воспользовался квантовой теорией для объяснения некоторых аспектов фотоэлектрического эффекта – испускания электронов поверхностью металла, на которую падает ультрафиолетовое излучение. Попутно Эйнштейн отметил кажущийся парадокс – свет распространяется как непрерывные волны, при поглощении и излучении проявляет дискретные свойства.

Через восемь лет Нильс Бор распространил квантовую теорию на атом и объяснил частоты волн, испускаемых атомами, возбужденными в пламени или в электрическом разряде. Эрнест Резерфорд показал, что масса атома почти целиком сосредоточена в центральном ядре, несущем положительный электрический заряд и окруженном на сравнительно больших расстояниях электронами, несущими отрицательный заряд, вследствие чего атом в целом электрически нейтрален. Бор предположил, что электроны могут находиться только на определенных дискретных орбитах, соответствующих различным энергетическим уровням, и что «перескок» электрона с одной орбиты на другую, с меньшей энергией, сопровождается испусканием фотона, энергия которого равна разности энергий двух орбит.

По теории Планка частота пропорциональна энергии фотона. Таким образом, модель атома Бора установила связь между различными линиями спектров, характерными для испускающего излучение вещества, и атомной структурой.

Чтобы избавиться от расхождений между теорией и экспериментом модель атома Бора вскоре потребовала модификаций. Кроме того, квантовая теория на той стадии ещё не давала устойчивого решения многих квантовых задач. Однако стало ясно, что классическая физика неспособна объяснить тот факт, что движущийся с ускорением электрон не падает на ядро, так как теряет энергию при излучении электромагнитных волн.

Вот тут и следует отметить начало конфликта новых конструкций ума с детерминированным двухполярным умом. Пока это конструкции, но уже не принадлежат линейному уму.

Так было положено начало «избавления» материальных объектов от массы. Французский ученый Луи де Бройль (1892—1987) осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами.

Так как дифракционная картина исследовалась для потока электронов, то необходимо было доказать, что волновые свойства присущи каждому электрону в отдельности. Это удалось экспериментально подтвердить в 1948 г. советскому физику В. А. Фабриканту. Он показал, что даже в случае столь слабого электронного пучка, когда каждый электрон проходит через прибор независимо от других, возникающая при длительной экспозиции дифракционная картина не отличается от дифракционных картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов в десятки миллионов раз более интенсивных.

Таким образом, в мире малых масс стёрлась граница между классическими частицами и классическими волнами. В формулировке де Бройля частота, соответствующая частице, связана с её энергией, как в случае фотона, но предложенное де Бройлем математическое выражение было эквивалентным соотношением между длиной волны, массой частицы и её скоростью.

Именно здесь уместно будет сказать, что волна это «дрожание» материального тела, но такое, что возбуждает среду себе подобных. Поэтому со словом «волна» будем обходиться аккуратнее. Дрожание может быть в плоскостях поляризации, а, следовательно, иметь свойства наложения. По мере уменьшения массы «дрожащий» объект и возмущение сливаются.

Конечно, линейный ум не мог допустить «дрожание» одновременно в нескольких плоскостях, то есть когда «волна» имеет многополярную природу. Поэтому все эксперименты ставились под требования линейного ума.

Существование электронных волн было экспериментально доказано в 1927 г. в Соединенных Штатах Клинтоном Дж. Дэвиссоном и Лестером Х. Джермером и в Англии Джорджем Паджетом Томсоном. Это открытие привело к созданию в 1933 г. Эрнстом Руской электронного микроскопа.

Идеи Луи де Бройля вдохновили Эрвин Шрёдингер так, что он сделал попытку применить волновое описание электронов к построению последовательной квантовой теории, не связанной с неадекватной моделью атома Бора. Он намеревался сблизить квантовую теорию с классической физикой, которая накопила немало примеров математического описания волн. Первая попытка, предпринятая им в 1925 г., закончилась неудачей. Скорости электронов в теории Шрёдингера были близки к скорости света, что требовало включения в неё Специальной Теории Относительности Эйнштейна и учета предсказываемого ею значительного увеличения массы электрона при очень больших скоростях.

Конечно, все математические выкладки Теории Относительности выполнены алгеброй действительных чисел, не задумываясь, что этот формальный аппарат может не соответствовать физике исследуемого процесса. А вот уравнение Шрёдингера построено на ином базисе ума. Шрёдингер взял в основу функцию комплексных переменных, то есть четырёхполярность. Существует ли такой вид ума? Нет. Однако что позволило Шрёдингеру, и другим исследователям, конструировать модели, лежащими за пределами двухполярного ума? Четырёхполярность включает в себя законы отношений двухполярного ума. Вот это и было базой мышления. Однако существующий наблюдательный ум (см.mind:Виды ума), который позволяет конструировать, избегая жестких двухполярных законов. Поэтому одной из причин постигшей Шрёдингера неудачи было то, что он не ввёл дополнительные свойства, присущие четырёхполярному и иным пространствам.

Такое свойство, опять таки конструкторским приёмом, ввели как дополнение С.Гоудсмит и Д.Уленбек (1025 г.) и назвали его спином. Спин – это вынужденное искусственное изобретение попавших в многосложные процессы физики исследователей. Однако двухполярному уму здесь поспособствовал зрительный образ. «Шарикам» микромира пришлось приписать вращение электрона вокруг собственной оси наподобие волчка. А иными словами, ввести новую функцию в неудовлетворительный двухполярный аппарат математики.

Здесь можно проанализировать феномен отрыва ума от двухполярности. Наблюдательный ум синтезировался со свойствами анализатора зрения. Анализатор зрения имеет семиполярность и никак не «стыкуется» по свойствам с двухполярным умом. Но конструкция – это другое дело. Она не может быть понята двухполярным умом, но отвечает требованиям факта экспериментов. Этого могло бы хватить, чтобы осмыслить, что микро мир не живёт по двухполярным законам, а может носить свойства семиполярности, то есть света. Действительно, «колебание» по представлениям имеет плоскость поляризации, а, следовательно, соответствует двухполярному уму. Это и показали И. Ньютон и Луи де Бройль. Однако корпускулы по свойствам взяты из анализатора зрения. Но семиполярного ума ни у кого нет. Вот почему в силу вступает не осмысление двухполярным умом, а конструирование. Однако осмысление ещё предстоит, так как многополярность только шагнула в мир науки, правда, это потребует изменить у исследователей вид ума.

На отказе от каких-либо простых наглядных представлений или моделей в пользу только таких свойств, которые могли быть определены из эксперимента особенно настаивал Гейзенберг так как по его соображениям микромир имеет принципиально иное устройство, чем макромир в виду особой роли постоянной Планка, несущественной в мире больших величин.

Вскоре после того, как Гейзенберг и Шрёдингер разработали квантовую механику, Поль Дирак предложил более общую теорию, в которой элементы Специальной Теории Относительности Эйнштейна сочетались с волновым уравнением. Уравнение Дирака применимо к частицам, движущимся с произвольными скоростями. Спин и магнитные свойства электрона следовали из теории Дирака без каких бы то ни было дополнительных предположений. Теория Дирака предсказывала существование античастиц, таких, как позитрон и антипротон, то есть, двойников частиц с противоположными по знаку электрическими зарядами.

Итак, появился корпускулярно-волновой дуализм. Проблема не сложная с позиции многополярности и понятий о разных пространствах (см.Пространства). Но по свойствам линейного ума исследователей и скудности математики, квантовая механика, по крайней мере, пытается объяснять как корпускулярные, так и волновые свойства вещества. Волна любой природы полностью описывается её амплитудой и фазой, поэтому квантовая механика должна использовать именно такое описание. Функция волнового процесса представляет собой суперпозицию комплексных экспонент, взятых с определёнными весами. Так начинает появляться добавление полярных состояний. Отсюда становится более удачным описание системы комплексной волновой функцией, амплитуда и фаза которой полностью определяют состояние такой системы. Иными словами, четырёхполярность в формальном аппарате позволяет описывать волновые явления, такие, как интерференцию элементарных частиц или дифракцию электронов на кристаллической решетке. Практически интерференция наблюдалась для фотонов, электронов и некоторых атомов.

Важно понимать, что «квантовое дрожание» локализованной микроскопической частицы неустранимо, и именно оно приводит к некоторым чисто квантовым явлениям. Например, даже при нулевой температуре, когда, согласно классической механике, никакого движения не должно быть, нулевые колебания по-прежнему остаются. Именно из-за этого жидкий гелий не затвердевает при нормальном давлении даже при нулевой температуре по Кельвину.

Предыдущие свойства меняют понятие наблюдения за микрочастицей. Действительно, наблюдение — это процесс взаимодействия объекта с прибором, в результате которого на выходе прибора появляется какой-то определённый сигнал. Но всякое взаимодействие, а значит, и просто наблюдение, самим фактом своего существования принципиально меняет свойства наблюдаемого объекта. И важно, что это возмущение нельзя сделать пренебрежимо малым — важен сам факт возмущения. Итак, при измерении какого-либо свойства частицы, и даже просто при её наблюдении, исходное состояние частицы, как правило, разрушается. Это важное свойство используется в квантовой телепортации и квантовой криптографии.

Кошка Шрёдингера

Эрвин Шредингер, размышляя о странностях поведения частиц, поставил в 1935 году мысленный эксперимент, который до сих пор смущает умы. В закрытый ящик помещёна кошка. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность того, что ядро распадётся за 1 час, составляет 50 %. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие, он открывает ёмкость с газом, и кот умирает. Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдения, то его состояние описывается суперпозицией двух состояний — распавшегося ядра и не распавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор обязан увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив». Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное?

Что можно сказать о кошке, глядя на закрытый ящик? С житейской точки зрения, кошка либо жива, либо нет. Но законы квантовой физики предполагают, что кошка и жива, и мертва одновременно с вероятностью 0,5. И такое ее странное состояние будет продолжаться до тех пор, пока какой-нибудь наблюдатель не снимет эту неопределенность, заглянув в ящик.

Шредингер и сам был не рад, когда запустил в оборот такую абстракцию. Ученые всех стран переполошились. Выходит, и человек может быть наполовину жив - наполовину мертв. Так как понимать?

В копенгагенской интерпретации система перестаёт быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение. Эксперимент с котом показывает, что в этой интерпретации природа этого самого наблюдения определена недостаточно. Некоторые полагают, что опыт говорит о том, что до тех пор, пока ящик закрыт, система находится в обоих состояниях одновременно, в суперпозиции состояний «распавшееся ядро, мёртвая кошка» и «не распавшееся ядро, живая кошка», а когда ящик открывают, то только тогда происходит коллапс волновой функции до одного из вариантов. Другие полагают, что «наблюдение» происходит, когда частица из ядра попадает в детектор. Однако в копенгагенской интерпретации нет чёткого правила, которое говорит, когда это происходит, и потому эта интерпретация неполна до тех пор, пока такое правило в неё не введено или не сказано, как его можно ввести в принципе. Точное правило таково: случайность появляется в том месте, где в первый раз используется классическое приближение. По этим предположениям, опираются на следующий подход: в макроскопических системах не наблюдаются квантовые явления. Поэтому, если накладывать макроскопическую волновую функцию на квантовое состояние, то из опыта должны заключить, что суперпозиция разрушается. Вообще-то не совсем ясно, что является «макроскопическим» вообще. Однако про кошку точно известно, что она является макроскопическим объектом. Таким образом, копенгагенская интерпретация не считает, что до открытия ящика кот находится в состоянии смешения живого и мёртвого.

Существует также многомировая интерпретация Эверетта и совместные истории. В многомировой интерпретации квантовой механики, которая не считает процесс измерения чем-то особенным, оба состояния кошки существуют, но декогерируют. Когда наблюдатель открывает ящик, он «связывается» с кошкой и от этого образуются два состояния наблюдателя, соответствующие живой и мёртвой кошке, которые не взаимодействуют друг с другом.

Тот же механизм квантовой декогеренции бытует и для совместных историй. В этой интерпретации только «мёртвая кошка» или «живая кошка» могут быть в совместной истории. Другими словами, когда ящик открывается, Вселенная расщепляется на две разные Вселенные, в одной из которых наблюдатель смотрит на ящик с мёртвым котом, а в другой…. другой наблюдатель смотрит на живого кота. Парадокс? Для двухполярного ума – парадокс. А вот в трёхполярном пространстве реальным является не телепортация, а «раздвоение», то есть клонирование объекта.

Распараллеливание миров в каждый момент времени соответствует подлинному недетерминированному автомату, в отличие от вероятностного, когда на каждом шаге выбирается один из возможных путей в зависимости от их вероятности. С позиции многополярности такое «распараллеливание» имеет столько полярных состояний объекта, сколько допускает выбранное пространство. Окончательного единства среди физиков по этому вопросу всё ещё не достигнуто и не будет достигнуто, пока учёные не поймут, что в каждом пространстве свои свойства. Нет универсальных пространств!

Постепенно все немного успокоилось. Специалисты сошлись на том, что законы микромира не стоит переносить на большой мир. Другими словами - что дозволено электрону, то не дозволено человеку. Но недавно ситуация вновь стала зыбкой. ... Кристофер Монро из Института стандартов и технологий (США) экспериментально показал реальность парадокса «кошки Шредингера» на атомном уровне. Опыт выглядел следующим образом: ученые взяли атом бериллия и мощным лазерным импульсом оторвали у него один из двух электронов.

У оставшегося на орбите электрона существовали две возможности - либо вращаться по часовой стрелке, либо против. Но физики лишили его выбора, затормозив частицу все тем же лучом лазера. Тут-то и произошло невероятное. Атом гелия раздвоился, реализовав себя сразу в обоих состояниях: в одном электрон крутился по часовой стрелке, в другом – против часовой... Итак, пусть в микромире, но «раздвоение» произошло. С позиций многополярности, такое возможно в трёхполярном мире. Не удивительно, в эксперименте применён лазерный луч, то есть средство, выполняющее законы трёхполярного пространства! В четырёхполярности клонирование не возможно.

Усложнение конструкций

Так шаг за шагом физики создавали модели, не вписывающиеся в бытующий двухполярный линейный ум. Поэтому всё дальше и дальше их модели уходят от понимания. Это особенно стало заметно в прибавлении к имеющимся новых свойств.

Линейный ум продолжал подстёгивать учёных, поэтому в начале XX столетия стало предполагаться, что атомы отнюдь не являются элементарными «кирпичиками» материи, а сами имеют сложную структуру и состоят из еще «более элементарных» частиц — нейтронов и протонов, образующих атомные ядра, и электронов, которые эти ядра окружают. И снова усложненность на одном уровне, казалось бы, сменила простота на следующем уровне детализации строения вещества. Однако и эта кажущаяся простота продержалась недолго, поскольку ученые стали открывать всё новые и новые элементарные частицы.

Труднее всего было разобраться имеющимся умом с многочисленными адронами — тяжелыми частицами, родственными нейтрону и протону, которые, как оказалось, во множестве рождаются и тут же распадаются в процессе различных ядерных процессов. Более того, в поведении различных адронов были обнаружены необъяснимые с позиций двухполярного ума закономерности — и из них у физиков стало складываться некое подобие периодической таблицы.

Применив математический аппарат так называемой теории групп, физикам удалось объединить адроны в группы по восемь — два типа частиц в центре и шесть в вершинах правильного шестиугольника. Почему? В книге В.Ленского «Зарождение Новых Миров» показано, что современная теория групп имеет фрагмент трёхполярности, а в сочетании с имеющейся двухполярностью можно сконструировать шестиполярность. Дополнение к восьми составят неполяризованные объекты. Так чисто конструкторским приёмом физики получили восьмеричные группы. Конечно это ещё не шести и восьмиполярность, но уже отход от двух и четырёхполярности. Такая классификация получила название восьмеричный путь.

В начале 1960-х годов линейный ум подстегнул теоретиков к тому, что такую закономерность можно объяснить лишь тем, что элементарные частицы на самом деле таковыми не являются, а сами состоят из еще более фундаментальных структурных единиц. Эти структурные единицы назвали кварками. Эти новые обитатели микромира оказались существами весьма странными. Не удивительно! Приверженность к двухполярности не отпускала исследователей из построений линейного ума. Для начала, стали дробить двухполярный электрический заряд: 1/3 или 2/3 заряда электрона или протона.

А далее, по мере развития ума у теоретиков, выяснилось, что отдельно их не увидишь, поскольку они вообще не могут пребывать в свободном, не связанном друг с другом внутри элементарных частиц состоянии, и о самом факте их существования можно судить только по свойствам, проявляемым адронами, в состав которых они входят. Чтобы лучше понять этот феномен, получивший название пленение или заточение кварков, представьте, что у вас в руках магнитная полоска. Если вы её распилите, то получите опять два полюса ни маленьких кусочках и так далее, сколько бы вы не распиливали магнит. То же и с кварками; какими бы энергиями мы ни воздействовали на элементарные частицы, стремясь «выбить» из них кварки, нам этого не удастся — частицы будет распадаться на другие частицы, сливаться, перестраиваться, но свободных кварков мы не получим. Казалось бы, этого достаточно для того, чтобы понять, что полярности существуют независимо от количеств (см.Пространства).

Сегодня, согласно теории, предсказывается существование шести разновидностей кварков, и в лабораториях уже открыты элементарные частицы, содержащие все шесть типов. Каждый из шести кварков, помимо электрического заряда, характеризуется изотопическим (условно направленным) спином. Наконец, каждый из кварков может принимать три значения квантового числа, которое называется его «цветом» и обладает «ароматом». Конечно же, кварки не пахнут и не имеют цвета в традиционном понимании, просто такое название сложилось исторически для обозначения их определенных свойств. Тут заметно, что привлекаются ещё свойства – ароматы, а это – анализатор обоняния.

Конструирование в моделях мира было предопределено там, что математика глубоко отстала от фактов экспериментальных наблюдений. Однако с появлением многополярности стало не сложно вводить математический аппарат (см.Математика). Детально смотрите в монографии «Полинарныне отношения и многополярные модели», Свердловск, 1982 г., а так же «Упразднение феноменологических моделей элементарных частиц, релятивистской и квантовой физик единосистемным изображением», Алма-Ата, 1980 г. (рукопись депонирована в ВИНИТИ № 791-81), и в «Абстрагирование кварковой модели и исследование её как целостной системы», Алма-Ата, (рукопись депонирована в КазНИИНТИ № Р 281). Такой подход обеспечивает в будущем применить алгебру многополярных отношений к любой модели физики, где современный аппарат алгебр не «работает». Однако экспериментаторам придётся чётко определить пространство, то есть условия эксперимента.

Увы, но на сегодня физики, ставя эксперименты в мире, где нет двухполярности, не учитывают тот главнейший факт, что сам эксперимент задаёт условия того или иного пространства. Универсального пространства не существует!

Современная Стандартная модель останавливается на уровне кварков в детализации строения материи, из которой «состоит наша Вселенная»; кварки — самое фундаментальное и элементарное в ее структуре. Уже этим полагается, что вселенная универсальна. Однако это подобно тому, что заявлять о том, что все биологические существа универсальны.

Линейный ум требует наращивания сил. Так рождаются на свет ускорители «элементарных частиц». С позиции многополярности неразумная и дорогостоящая затея с ускорителями ещё, к тому же, и слабо перспективна. Почему?

Если случайно появится трёх, пяти, семи и прочих полярностей частица, то для современных приборов они не зримы. Что же тогда ищут учёные? Всё, что откликнется на двухполярность! И только. Исследователи уверены, что изучение мира атомов и частиц идет по нескольким причинам. Одна из них - так называемые фундаментальные исследования. Конечно, они не приносят никаких практических результатов, однако они обладают «долговременным эффектом» – польза от них может проявиться в будущем. Другая причина – то, что современные технологии уже вплотную подошли к нанометровым размерам. А это автоматически означает, что здесь уже царствует квантовая физика. Что мы имеем?

Помимо калибровочных бозонов существует целый набор фундаментальных фермионов, которые на сегодняшний день считаются элементарными. Фундаментальные фермионы имеют полуцелый спин, равный одной второй, и делятся на две группы.

К первой группе относятся лептоны. Эти частицы не участвуют в сильном взаимодействии. Лептонами являются электрон , мюон, тау-лептон и соответствующие им нейтрино трех типов: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-лептонное нейтрино. Электрон, мюон и тау-лептон имеют массы. Что касается масс нейтрино, то только в 2001 году получены определенные доказательства их существования на Нейтринной обсерватории Садбери (Канада).

Вторую группу фундаментальных фермионов образуют кварки. Они участвуют во всех взаимодействиях, включая сильное. Физикам известно шесть типов или, иначе, ароматов кварков. В настоящее время все экспериментально открытые частицы, отличные от лептонов и калибровочных бозонов, состоят из кварков и глюонов. Эти составные частицы носят название адронов. Наиболее известные адроны - протон и нейтрон. Физики считают, что из протона, нейтрона и электрона состоит почти вся материя во Вселенной. Остальные адроны, кварки и лептоны присутствуют в Природе в весьма малых количествах. Физики обычно получают данные частицы на ускорителях, регистрируют в космических лучах или в результате радиоактивных распадов. Особняком в мире фундаментальных частиц стоит бозон Хиггса.

Таков на сегодняшний день полный набор самых элементарных составляющих "нашего мира". Может ли он пополниться? Весьма вероятно, так как многополярность «не за горами». Согласно двухполярному уму физики считают, что, если же в природе имеется «суперсимметрия», то число фундаментальных частиц как минимум удваивается - каждому лептону, кварку и калибровочному бозону необходимо поставить в соответствие частицу-суперпартнера. Отвозможных «тройках», «пятерках» и прочего числа полярной «суперсимметрии» физики не могут знать, пока не постигнут многополярность.

Личные инструменты