Корпускулярно-волновой дуализм в неклассическом естествознании

     2. Волновые и корпускулярные свойства  микрочастиц и физических полей 

     Недостатки  теории Бора указывали на необходимость пересмотра основ квантовой теории и представлений о природе микрочастиц (электронов, протонов и т.п.). Возник вопрос о том, насколько исчерпывающим является представление электрона в виде малой механической частицы, характеризующейся определенными координатами и определенной скоростью.

     В оптических явлениях наблюдается своеобразный дуализм:

     Наряду  с явлениями дифракции, интерференции (волновыми явлениями) наблюдаются  и явления, характеризующие корпускулярную природу света (фотоэффект, эффект Комптона).

     1924 г., Луи де Бройль выдвинул гипотезу, что дуализм не является особенностью только оптических явлений, а имеет универсальный характер - частицы вещества также обладают волновыми свойствами.

     Допуская, что частицы вещества наряду с корпускулярными свойствами имеют также и волновые, де Бройль перенес на частицы вещества те же правила перехода от одной картины к другой, какие справедливы в случае света.

     Если  фотон обладает энергией E = hv и импульсом p = h/λ, то и частица (например, электрон), движущаяся с некоторой скоростью, обладает волновыми свойствами, т.е. движение частицы можно рассматривать как движение волны.

                                 Рисунок 3: «Волны де Броиля»

     Согласно  квантовой механике, любой материальной частице с массой m, обладающей импульсом p = mυ  (где υ – скорость частицы), можно сопоставить волновой процесс (волну де Бройля) с длиной волны распространяющуюся в том же направлении, в котором движется частица.

                                                                                                                      (2.1)

     Поскольку кинетическая энергия сравнительно медленно движущейся частицы K = mυ²/2, то длину волны можно выразить через энергию:

                                                                                                                       (2.2.) 

     При взаимодействии частицы с некоторым  объектом – с кристаллом, молекулой  и т.п. – её энергия меняется: к  ней добавляется потенциальная  энергия этого взаимодействия, что приводит к изменению движения частицы. Соответственно, меняется характер распространения связанной с частицей волны, причём это происходит согласно принципам, общим для всех волновых явлений.

     Поэтому, основные геометрические закономерности дифракции частиц, ничем не отличаются от закономерностей дифракции любых волн.

     Общим условием дифракции волн любой природы  является соизмеримость длины падающей волны λ с расстоянием d между рассеивающими центрами:

                                                     λ ≤ d                                                            (2.3)

     Идея  «волн материи», высказанная французским  физиком Л. де Бройлем, получила блестящее  подтверждение в опытах по дифракции  частиц.

     Дифракция частиц – рассеяние микрочастиц (электронов, нейтронов, атомов и т.п.) кристаллами или молекулами жидкостей и газов, при котором из начального пучка частиц данного типа возникают дополнительно отклонённые пучки этих частиц.

     Направление и интенсивность таких отклонённых пучков зависят от строения рассеивающего объекта.

     Дифракция частиц может быть понята лишь на основе квантовой теории.

     Дифракция – явление волновое, оно наблюдается  при распространении волн различной  природы: дифракция света, звуковых волн, волн на поверхности жидкости и т.д.

     Дифракция при рассеянии частиц, с точки  зрения классической физики, невозможна. Квантовая механика устранила абсолютную грань между волной и частицей. Для доказательства идеи де Бройля о волновой природе микрочастиц немецкий физик Эльзассер предложил использовать кристаллы для наблюдения дифракции электронов (1925). В США К. Дэвиссон и Л. Джермер обнаружили явление дифракции при прохождении пучка электронов через пластинку из кристалла никеля (1927). Независимо от них дифракцию электронов при прохождении через металлическую фольгу открыли Дж. П. Томсон в Англии и П.С. Тартаковский в СССР. Так идея де Бройля о волновых свойствах вещества нашла экспериментальное подтверждение. Впоследствии дифракционные, а значит волновые, свойства были обнаружены у атомных и молекулярных пучков. Корпускулярно-волновыми свойствами обладают не только фотоны и электроны, но и все микрочастицы.

     Октрытие волновых свойств у микрочастиц показало, что такие формы материи, как поле (непрерывное) и вещество (дискретное), которые с точки зрения классической физики, считались качественно отличающимися, в определенных условиях могут проявлять свойства, присущие и той и другой форме. Это говорит о единстве этих форм материи. Полное описание их свойств возможно только на основе противоположных, но дополняющих друг - друга представлений. 
 

     3. Принцип дополнительности и его  методологическое значение

     Проблема  интерпретации квантовой механики, формирование математического аппарата которой было закончено к началу 1927 года, потребовала для своего разрешения создания новых логико-методологических средств. Одним из них является боровский принцип дополнительности, согласно которому для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих ("дополнительных") набора классических понятий, совокупность которых дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных.

     Этот  принцип стал ядром "ортодоксальной" (так называемой копенгагенской) интерпретации  квантовой механики. С его помощью получил объяснение корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов, долгое время не поддававшийся никакому рациональному истолкованию. Принцип дополнительности сыграл главную роль при отражении изощренных критических возражений в адрес копенгагенской интерпретации со стороны А.Эйнштейна.

     Для доклада на Международном физическом конгрессе в Комо «Квантовый постулат и новейшее развитие атомной теории»  ввиду важности обсуждавшихся проблем  Бору была предоставлена четырехкратная норма времени. Дискуссия по его докладу заняла все оставшееся время конгресса.

     «...Открытие универсального кванта действия, —  говорил Нильс Бор, — привело  к необходимости дальнейшего  анализа проблемы наблюдения. Из этого  открытия следует, что весь способ описания, характерный для классической физики (включая теорию относительности), остается применимым лишь до тех пор, пока все входящие в описание величины размерности действия велики по сравнению с квантом действия Планка. Если это условие не выполняется, как это имеет место в области явлений атомной физики, то вступают в силу закономерности особого рода, которые не могут быть включены в рамки причинного описания... Этот результат, первоначально казавшийся парадоксальным, находит, однако, свое объяснение в том, что в указанной области нельзя более провести четкую грань между самостоятельным поведением физического объекта и его взаимодействием с другими телами, используемыми в качестве измерительных приборов; такое взаимодействие с необходимостью возникает в процессе наблюдения и не может быть непосредственно учтено по самому смыслу понятия измерения...

     Это обстоятельство фактически означает возникновение  совершенно новой ситуации в физике в отношении анализа и синтеза  опытных данных. Она заставляет нас  заменить классический идеал причинности некоторым более общим принципом, называемым обычно «дополнительностью».

     С самых первых шагов идея дополнительности рассматривалась ее автором как  выходящая за рамки собственно физического  познания. Уже в первой статье "Квантовый  постулат и новейшее развитие атомной теории", излагающей концепцию дополнительности, Н.Бор указал в заключительной фразе, что ситуация, сложившаяся в связи с проблемой интерпретации квантовой механики, "имеет далеко идущую аналогию с общими трудностями образования человеческих понятий, возникающими из разделения субъекта и объекта". Впоследствии он неоднократно отмечал характерные дополнительные черты во многих областях человеческого знания.

     Получаемые  нами с помощью различных измерительных  приборов сведения о поведении исследуемых объектов, кажущиеся несовместимыми, в действительности не могут быть непосредственно связаны друг с другом обычным образом, а должны рассматриваться как дополняющие друг друга. Таким образом, в частности, объясняется безуспешность всякой попытки последовательно проанализировать «индивидуальность» отдельного атомного процесса, которую, казалось бы, символизирует квант действия, с помощью разделения такого процесса на отдельные части. Это связано с тем, что если мы хотим зафиксировать непосредственным наблюдением какой-либо момент в ходе процесса, то нам необходимо для этого воспользоваться измерительным прибором, применение которого не может быть согласовано с закономерностями течения этого процесса. Между постулатом теории относительности и принципом дополнительности при всем их различии можно усмотреть определенную формальную аналогию.

     Она заключается в том, что подобно  тому, как в теории относительности  оказываются эквивалентными закономерности, имеющие различную форму в  разных системах отсчета вследствие конечности скорости света, так в принципе дополнительности закономерности, изучаемые с помощью различных измерительных приборов и кажущиеся взаимно противоречащими вследствие конечности кванта действия, оказываются логически совместимыми.  

     Чтобы дать по возможности ясную картину сложившейся в атомной физике ситуации, совершенно новой с точки зрения теории познания, мы хотели бы здесь прежде всего рассмотреть несколько подробнее такие измерения, целью которых является контроль за пространственно-временным ходом какого-либо физического процесса. Такой контроль в конечном счете всегда сводится к установлению некоторого числа однозначных связей поведения объекта с масштабами и часами, определяющими используемую нами пространственно-временную систему отсчета. Мы лишь тогда можем говорить о самостоятельном, не зависимом от условий наблюдения поведении объекта исследования в пространстве и во времени, когда при описании всех условий, существенных для рассматриваемого процесса, можем полностью пренебречь взаимодействием объекта с измерительным прибором, которое неизбежно   

     возникает при установлении упомянутых связей. Если же, как это имеет место  в квантовой области, такое взаимодействие само оказывает большое влияние  на ход изучаемого явления, ситуация полностью меняется, и мы, в частности, должны отказаться от характерной для классического описания связи между пространственно-временными характеристиками события и всеобщими динамическими законами сохранения. Это вытекает из того, что использование масштабов и часов для установления системы отсчета по определению исключает возможность учета величин импульса и энергии, передаваемых измерительному прибору в ходе рассматриваемого явления. Точно так же и наоборот, квантовые законы, в формулировке которых существенно используются понятия импульса или энергии, могут быть проверены лишь в таких экспериментальных условиях, когда исключается строгий контроль за пространственно-временным поведением объекта». 

     Согласно  соотношению неопределенностей  Гейзенберга, нельзя в одном и том же опыте определить обе характеристики атомного объекта — координату и импульс.  

     Но  Бор пошел дальше. Он отметил, что  координату и импульс атомной  частицы нельзя измерить не только одновременно, но вообще с помощью  одного и того же прибора. Действительно, для измерения импульса атомной частицы необходим чрезвычайно легкий подвижный «прибор». Но именно из-за его подвижности положение его весьма неопределенно. Для измерения координаты нужен очень массивный «прибор», который не шелохнулся бы при попадании в него частицы. Но как бы ни изменялся в этом случае ее импульс, мы этого даже не заметим. «Дополнительность — вот то слово и тот поворот мысли, которые стали доступны всем благодаря Бору, — пишет Л.И.Пономарев. — До него все были убеждены, что несовместимость двух типов приборов непременно влечет за собой противоречивость их свойств. Бор отрицал такую прямолинейность суждений и разъяснял: да, свойства их действительно несовместимы, но для полного описания атомного объекта оба они равно необходимы и поэтому не противоречат, а дополняют друг друга. 

     Это простое рассуждение о дополнительности свойств двух несовместимых приборов хорошо объясняет смысл принципа дополнительности, но никоим образом  его не исчерпывает. В самом деле, приборы нам нужны не сами по себе, а лишь для измерения свойств атомных объектов. Координата х и импульс р — это те понятия, которые соответствуют двум свойствам, измеряемым с помощью двух приборов. В знакомой нам цепочке познания — явление — образ, понятие, формула, принцип дополнительности сказывается прежде всего на системе понятий квантовой механики и на логике ее умозаключений. Дело в том, что среди строгих положений формальной логики существует «правило исключенного третьего», которое гласит: из двух противоположных высказываний одно истинно, другое — ложно, а третьего быть не может. В классической физике не было случая усомниться в этом правиле, поскольку там понятия «волна» и «частица» действительно противоположны и несовместимы по существу. Оказалось, однако, что в атомной физике оба они одинаково хорошо применимы для описания свойств одних и тех же объектов, причем для полного описания необходимо использовать их одновременно».