Лекция 15. ФИЛОСОФСКИЕ ПРОБЛЕМЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
Если вы хотите кое-что выяснить у физиков-теоретиков о методах, которые они применяют, я советую вам твердо придерживаться одного принципа: не слушайте, что они говорят, а лучше изучайте их действия...
Л. Эйнштейн
"Старая" квантовая теория первой четверти XX века
В ходе создания и осмысления современной квантовой механики в 1925–1927 гг. возникло несколько конкурирующих парадигм (и соответствующих им сообществ)[1], которые физики, а за ними и философы назвали "интерпретациями". Спор между ними и сформулированные в ходе этого спора "парадоксы", обсуждающиеся до сего дня, и составляют ядро "философских проблем квантовой механики".
Этому спору предшествовала так называемая старая квантовая теория периода 1900–1925 гг., которая представляла собой совокупность теорий различных явлений, полученных путем введения в соответствующие формулы постоянной Планка. Это было особым искусством[2]. Сами эти явления были выбраны из накопленных физикой в конце XIX в. "аномалий". Наибольшее значение имели три проблемы[3]: спектра теплового излучения черного тела, фотоэффекта, спектра и строения атома. Решение первой из них, приведшей к появлению в 1900 г. постоянной Планка h, ознаменовало рождение "старой" квантовой теории. Создание Эйнштейном в 1905 г. теории фотоэффекта ввело в физику модель волны-частицы (фотона), подхваченную позже Де Бройлем и ставшую затем базовой для новой квантовой механики. Проблема спектра и строения атома водорода стала основным полигоном, на котором отрабатывались элементы как старой (в виде теории атома Бора (1913)), так и новой квантовой механики.
Парадокс теплового излучения абсолютно черного тела был четко сформулирован Лоренцем на IV Международном математическом конгрессе в Риме в апреле 1908 г. в докладе "Распределение энергии между весомой материей и эфиром". "В докладе подчеркивалось, что при использовании статистической механики, верной для любых систем, подчиняющихся уравнениям движения Гамильтона, получается формула Рэлея – Джинса... Полученная для длинных волн (или низких частот. – А. Л.) [эта] формула всеобща... А поскольку эта формула противоречит фактам[4], существует некоторое противоречие" [37, с. 60]. Тем самым Лоренц констатировал, что эта проблема в принципе не может быть решена в рамках существовавших в то время разделов физики (т.е. речь идет об "аномалии", вызывающей "кризис" в смысле Т. Куна). Решение, предложенное в 1900 г. немецким физиком М. Планком, Лоренц рассматривал лишь как один из возможных путей преодоления этого парадокса. Тем не менее именно от формулы Планка и появившейся в ней постоянной Планка h квантовая механика отсчитывает свою историю[5]. К ней стали относить все теории, использовавшие h.
Еще один парадокс – парадокс устойчивости атома – состоял в том, что результаты опытов Резерфорда о столкновении частиц с атомами указывали на то, что атомы содержат маленькое положительное ядро, в поле которого движутся электроны. Отсюда вытекала планетарная модель атома Резерфорда (1911). Но согласно законам электродинамики подобное движение электрона являлось ускоренным, а следовательно, электрон должен был излучать электромагнитные волны, терять энергию и очень быстро (за 10-10 с) упасть на ядро. Поэтому эту гипотезу никто не принял всерьез. Исключением оказался Нильс Бор, который, добавив к ней гипотезу квантов, создан свою знаменитую квантовую модель атома водорода (1913), в которой к планетарной модели Резерфорда были добавлены идея дискретности стационарных орбит и правила перехода между ними: разница между энергиями j-й и r-й орбит (Ejr) приравнивалась величине hvjr, где Ujr – частота отвечающей этому переходу излученной или поглощенной электромагнитной волны. Эта модель позволяла объяснить также ряд обнаруженных к тому времени эмпирических выражений, описывающих дискретные спектры излучения различных атомов, – проблему, которая тоже находилась в центре внимания физиков того времени, хотя, возможно, и не воспринималась как серьезная "аномалия".
Важным нововведением стала корпускулярно-волновая модель света, предложенная Эйнштейном в его квантовой теории фотоэффекта в 1905 г. Основные эмпирические закономерности фотоэффекта были установлены к началу XX в.: "В тех случаях, когда слабые ультрафиолетовые лучи оказывают действие, красные лучи огромной интенсивности никакого действия не оказывают... С увеличением энергии лучей данной длины волны увеличивается число электронов, вылетающих в единицу времени с единицы поверхности освещенного тела, но не меняется их скорость... С точки зрения волновой теории главным фактором фотоэффекта должна была бы быть энергия света, тогда как частота была второстепенным фактором" [37, с. 47–48]. Это звучало как парадокс и было осознано физическим сообществом как "аномалия", хотя и не такая важная, как первая. Впрочем, Эйнштейн констатировал, что эта проблема не может быть решена в рамках существующих разделов физики. Строя теорию фотоэффекта, он в статье "Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света" (1905), ввел представление о свете, состоящем из квантов с энергией Е = hv. Согласно этой модели один квант света выбивает один электрон, для чего требуется энергия кванта Е = hv, большая энергии связи электрона в атоме. Обсуждение гипотезы квантов как способа решения этих парадоксов, и особенно, дискуссия Эйнштейна и Лоренца по поводу гипотезы квантов света – фотонов привели к формулировке парадокса "волна-частица" для света: квант света распространялся согласно волновой теории (это проявлялось в явлениях интерференции и дифракции), а поглощался как частица[6].
"Дальнейшее доказательство корпускулярного характера света было получено в 1922 г. американским физиком А. Комптоном, показавшим экспериментально, что рассеяние света свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двух частиц – фотона и электрона (эффект Комптона)... Таким образом, было доказано экспериментально, что наряду с известными волновыми свойствами (проявляющимися, например, в дифракции света) свет обладает и корпускулярными свойствами: он состоит как бы из частиц – фотонов... Возникло формальное логическое противоречие: для объяснения одних явлений необходимо было считать, что свет имеет волновую природу, а для объяснения других – корпускулярную. По существу, разрешение этого противоречия и привело к созданию физических основ квантовой механики (“новой”. – А. Л.)", – пишет В. Б. Берестецкий [4, с. 253]. В начале 1920-х гг. французский физик Луи де Бройль предположил, что и частицы материи тоже распространяются как волны[7], и в 1927 г. Дэвиссон и Джеммер получили от рассеяния пучка электронов на кристалле картину, аналогичную рентгенограмме Лауэ, свидетельствующую о том, что электроны, как и рентгеновские лучи, испытывают характерную для волн дифракцию.
Эту двойственность поведения квантовых частиц, часто называемую "корпускулярно-волновым дуализмом", хорошо иллюстрирует мысленный эксперимент по прохождению квантовой частицы (электрона, фотона и др.) сквозь экран с двумя щелями ("двухщелевой эксперимент"), изображенный на схеме 15.1.1, где Р1, Р2, Рп изображают интенсивности поглощаемых потоков, проходящих через первую, вторую и обе щели соответственно.
Двойственность состоит в следующем. Если за экраном поставить фотопластинку, то при однократном наблюдении мы увидим локальную точку, как в случае частицы, но при многократном повторении эксперимента с одной частицей мы увидим на фотопластинке дифракционно-интерференционную картину, характерную для волны, проходящей через обе щели одновременно. При этом если мы каким-либо способом захотим подсмотреть, через какую щель проходит каждый раз частица, то интерференционная картина пропадет (подробнее см. работу: [35, т. 8, гл. 1]).
Схема 15.1.1. Двухщелевой эксперимент в квантовой механике