Главная Обратная связь

Дисциплины:






Теории относительности



О философских вопросах современного физического знания говорят, главным образом, в связи теориями относительности и квантовой механикой.

Наличие собственно философской составляющей в теориях относительности связано с тем, что в рамках специальной и общей теорий относительности ставятся вопросы:

1. О природе и геометрических характеристиках таких предельных свойств реальности, как пространство и время;

2. О зависимости между данными, которые получает наблюдатель, и той системы отсчета, с которой он связан.

Первый вопрос имеет отношение к проблемам онтологии, а второй – к проблемам современной теории познания.

Создание А. Эйнштейном специальной теории относительности было связано с необходимостью решить ряд проблем фундаментального характера, существование которых было осознано в физике на рубеже XIX – XX вв. Одна из таких проблем была связана с так называемым «эфиром» – гипотетической средой, через которую передаются электромагнитные колебания (в том числе, видимый свет).

Еще в XVII веке в физике был поставлен вопрос о природе света. Тогда же были выдвинуты две противоречащие друг другу теории:

- сторонники одной из них полагали, что свет – это поток мельчайших частиц или корпускул, которые двигаются в пустоте;

- сторонники другой теории считали, что свет представляет собой волну, т.е. пространственное перераспределение энергии.

В конце XIX века большинство ученых придерживалось волновой теории света. Следует заметить, что волновая теория предполагает поиск вещества или среды, через которую распространяются волны. Эту среду и называли «эфиром». Проблема была в том, что эфир никто не наблюдал.

Джеймс Максвелл выдвинул идею опыта по обнаружению эфира. Смысл этой идеи можно объяснить так. Если а) направить луч света на объект, который движется со скоростью, допустим, 30 км/сек в том же направлении, что и луч, который движется со скоростью 300 000 км/сек (примерная скорость света в пустоте), а затем б) направить другой луч навстречу этому объекту, то в результате должно получиться следующее. В случае а), когда объект как бы «убегает» от луча, последний обгонит его со скоростью, которая равна 300 000 – 30 = 299 970 км/сек. В случае б), когда объект и луч движутся навстречу друг другу, они минуют друг друга со скоростью, которая равна 300 000 + 30 = 300 030 км/сек. Разницу полученных результатов можно интерпретировать следующим образом. Луч и объект находятся в эфире и перемещаются через него. Сам эфир – неподвижен и его можно рассматривать как абсолютную систему отсчета, в пределах которой происходи движение тел. Факт того, что измеряемая скорость изменяется в зависимости от направления движения тел, доказывает, что эфир как абсолютная система отсчета есть.



Еще более наглядно идею Максвелла можно представить следующим образом. Допустим, я еду в автобусе, который двигается со скоростью 60 км/ час. Во время движения автобуса я перемещаюсь по его салону сначала по направлению движения со скоростью 5 км/час, а затем против направления движения с такой же скоростью. Какова будет моя суммарная скорость в каждом случае относительно дороги? Очевидно, что в первом случае – 65 км/час, а во втором – 55 км/час. Данный расчет основан на предположении, что дорога есть и она неподвижна. Дорога в данном случае – это абсолютная и неподвижная система отсчета, отталкиваясь от которой я и провожу соответствующие расчеты. Дорога в данном примере – это аналог эфира, который пытался обнаружить Максвелл.

Следует заметить, что идея эксперимента Максвелла основана на предположении, что эфир – это абсолютная система отсчета, вычисление координат любых объектов в которой может быть выполнено в соответствии с преобразованиями Галилея.

Согласно преобразованиям Галилея координаты неподвижной (А) и движущейся (В) систем отсчета связаны следующими преобразованиями:

1) xʹ = x + v × t; 2) tʹ = t.

Из этого следует, что движение не оказывает никакого влияния на ход времени, то есть время абсолютно (т.е. везде течет одно и то же время): tʹ = t. Пространство также предполагается абсолютным (т.е. везде есть одно и то же пространство). Например, наблюдатель, связанный с неподвижной системой отсчета А и находящейся в точке X = 0, легко может определить местоположение автомобиля движущегося с постоянной скоростью 60 км/ч в течение 30 мин. (система отсчета В): Xʹ = X + 60 × 0,5.

Идею опыта Максвелла практически реализовали А. Майкельсон и Г. Морли, которые в 1880 году при помощи интерферометра попытались обнаружить эфир. Полученный ими результат не подтвердил ранее произведенных расчетов скорости, но показал, что скорость света одинакова в любых направлениях и не зависит от направления движения и скорости других тел. В результате эксперимента Майкельсона – Морли была отвергнута теория о существовании эфира как гипотетической среды и абсолютной системы отсчёта. Однако, возник вопрос о том, как можно объяснить константность скорости света, который состоит в том, что если, например, направить навстречу два луча, каждый из которых движется со скоростью 300 000 км/сек, то результат будет 300 000 км/сек, а не 600 000 км/сек.

Парадокс константности скорости света не согласуется с данными наблюдений для случаев относительно малых скоростей и противоречит преобразованиям Галилея, которые следуют из гипотез об абсолютности времени и пространства, принятых в рамках классической механики.

Хендрик Лоренц предложил систему преобразований, отличающиеся от преобразований Галилея, которые позволяют вычислить пространственные и временные координаты в разных системах отсчета и которые не противоречат опыту Майкельсона:

3) ; 4) .

Из этих уравнений можно получить формулу, которая называется релятивистским законом сложения скоростей:

5) .

В этой формуле и v – скорость объектов, а с – скорость света в вакууме, которая равна 300000 км/сек. Например, если скорости обеих тел равны скорости света, и они двигаются навстречу друг другу, то их суммарная скорость будет:

Релятивистский закон сложения скоростей эквивалентен постулату о постоянной скорости света и является обобщением классического закона сложения скоростей (т.е. преобразований Галилея) i = iʹ + v для случаев скоростей, которые сравнимы со скоростью света. Поэтому если рассматриваемые скорости значительно меньшие скорости света, то релятивистский закон сложения скоростей дает практически такие же результаты, что и классический:

Лоренц попытался дать физическое обоснование опыта Майкельсона и смысла данных формул. По его мнению, в теле, движущемся с околосветовой скоростью, возникают силы, которые сжимают его в направлении движения, и все процессы, происходящие в этом теле, также замедляются. Однако было совершенно непонятным, какова и природа этих сил и почему они действуют совершенно одинаково в любых телах независимо от их физико-химического состава. Поэтому Эйнштейн отказался от интерпретации, которая была предложена Лоренцем. Согласно его выводам, эффект с которым столкнулся Майкельсон и который математически описал Лоренц, является следствием определенных свойств пространства и времени.

В 1905 г. в статье «К электродинамике движущихся тел» А. Эйнштейн изложил теорию, которая впоследствии получила название специальной теории относительности. В основу этой теории Эйнштейн положил два постулата:

1. Специальный принцип относительности;

2. Принцип постоянства скорости света.

Согласно первому постулату, в любых инерциальных системах отсчета все физические процессы протекают одинаково. Другими словами, утверждение Галилея о том, что в инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одиноко, Эйнштейн обобщил до утверждения об одинаковом протекании любых физических явлений (в том числе и электромагнитных и оптических) во всех инерциальных системах. Вторым постулатом является утверждение о постоянстве скорости света. Согласно этому постулату, скорость света не зависит от движения источника света или наблюдателя, одинакова во всех инерциальных системах отсчета и является предельной скоростью распространения какого-либо сигнала.

Одновременное признание этих двух постулатов означало, что необходимо найти такие преобразования, при которых при переходе от одной инерциальной системы к другой скорость света оставалась постоянной. Этим требованиям как раз и удовлетворяют уравнения Лоренца. Из постулатов специальной теории относительности следуют выводы о том, что понятия об «одновременности событий», «длительности временного промежутка» и «длины отрезка» перестают носить абсолютный характер, а являются зависимыми от выбора системы отсчета, из которой ведется наблюдение.

Относительность понятия «одновременность событий» может быть проиллюстрирована следующим примером. Даны две инерциальные системы отсчета: А и В. Будем считать, что система А неподвижна, а система В перемещается относительно системы А вдоль оси X слева направо.

Пусть в движущейся системе В происходят два одновременных события. Представим, что движущаяся система В это поезд, двигающийся слева направо, на обеих концах которого одновременно вспыхивают сигнальные огни. С точки зрения наблюдателя, связанного с движущейся системой В (пусть это будет пассажир, который находится точно по середине поезда и поэтому равноудален от обеих огней) события, появление которых он фиксирует одновременно, и «в действительности» происходят одновременно. Другими словами, пассажир, видящий одновременно вспышки фонарей и знающий, что фонари расположены относительно него на одинаковом расстоянии, сделает вывод, что они вспыхнули одновременно.

С точки же зрения наблюдателя, связанного с неподвижной системой отсчета А события будут развиваться по-другому. Пусть система отсчета A это перрон, на котором неподвижно стоит дежурный по станции, мимо которого проносится поезд (система отсчета В). Допустим, что в тот момент, когда середина поезда и находящийся там пассажир оказывается точно напротив дежурного, он тоже видит одновременно вспышки двух фонарей на разных концах поезда. Однако, по его мнению, «в действительности» фонари вспыхнули не одновременно, так как свет распространяется с конечной скоростью, равной 300 000 км/сек. Дело в том, что по расчетам дежурного, в тот момент, когда фонари вспыхнули, середина поезда еще не поравнялась с ним, а была немного сзади, поэтому фонарь последнего вагона был дальше, чем фонарь первого. То есть свет – согласно этому рассуждению – от последнего вагона прошел больший путь, чем свет от первого. Но если вспышки от обоих фонарей наблюдаются одновременно, значит фонарь последнего вагона вспыхнул раньше. Рассуждения каждого наблюдателя логически корректны и каждый по-своему прав. Из этого можно сделать вывод, что не существует абсолютной одновременности не связанной ни с какой системой отсчета, т.е. одновременностьотносительна.

Из постулатов Эйнштейна следует эффект замедления времени или относительность временных промежутков. Смысл этого эффекта состоит в том, что с точки зрения наблюдателя, движущегося относительно рассматриваемой системы, все интервалы времени, характеризующие процессы в этой системе () увеличиваются по сравнению с интервалами, наблюдаемыми в самой этой системе (t), то есть наблюдателю кажется, что время «течет замедленно». Эффект сокращения расстояния состоит в уменьшении длин отрезков с точки зрения наблюдателя, перемещающегося вдоль этих отрезков. Понять смысл этого можно при помощи следующей аналогии. Допустим, мимо нас проносится некоторый объект длиной l = 100. Для того, что бы измерить его длину, мы должны одновременно приложить к его концам линейку. Но сделать это действительно одновременно можно лишь в случае, если измеряемый объект неподвижен относительно нас. Если же он движется, то сделать это одновременно невозможно: всякий раз он будет смещаться на некоторую величину и поэтому измеренная нами длина будет немного меньшей той, какая бы получилась, если бы объект был неподвижным относительно нас. Следует заметить, что отрезки, ориентированные перпендикулярно направлению движения, сохраняют свою длину неизменной.

Разработанная А. Эйнштейном специальная теория относительности применима для расчета временных и пространственных характеристик объектов, которые находятся в инерциальных системах отсчета, то есть двигаются равномерно.

Однако реальные тела двигаются не только равномерно, но и с ускорением. Чтобы отразить этот факт, Эйнштейн в рамках общей теории относительности сформулировал следующие постулаты:

1. Законы физики инвариантны (одинаковы) в любых движущихся системах координат (в том числе и не инерциальных, а движущихся с ускорением);

2. Ускоренное движение физически эквивалентно покою в гравитационном поле.

Эйнштейн обратил внимание на интересное свойство гравитации. С одной стороны, от нее нельзя заслониться никакими экранами как, например, можно сделать в случае электромагнитного взаимодействия. С другой стороны, от нее легко избавиться, если соответствующим образом выбрать направление движения. Об этом, в частности, свидетельствует мысленный эксперимент, впоследствии названный «лифт Эйнштейна»: помещенный в закрытый лифт наблюдатель, ощущая исчезновение веса, не может решить, что произошло в действительности: либо лифт начал падать вниз с ускорением свободного падения, либо исчезло гравитационное поле Земли.

Пропорциональность гравитационной силы инертной массе делает ее неотличимой от силы инерции. При движении неинерциальной системы отсчета с ускорением, равным ускорению свободного падения, вдоль направления гравитационных сил наступает взаимная компенсация сил тяготения и сил инерции, вследствие чего возникает явление невесомости. До появления общей теории относительности считалось, что гравитация или взаимное притяжение между телами возникает вследствие того, что все тела, обладающие массой, создают вокруг себя особое поле.

Универсальность взаимного притяжения тел впервые осознал еще Ньютон, в результате чего им был сформулирован закон Всемирного тяготения, согласно которому между любыми двумя телами возникает сила притяжения, пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. Правильно сформулировав этот закон, Ньютон, однако, не указал причины возникновения гравитационных сил притяжения. После Ньютона неоднократно предпринимались попытки создания теории гравитации. В частности, предлагались теории, которые объясняли возникновение сил тяготения механическими взаимодействиями тел с некой промежуточной субстанцией. Согласно этим теориям, притяжение между телами возникает вследствие разряжения среды, возникающего при поглощении ее телами. Однако, такие теории имели один существенный недостаток: правильно предсказывая зависимость силы от расстояния, они также предсказывали еще один, ненаблюдаемый эффект: торможение тел, движущихся относительно этой субстанции.

При объяснении гравитации Эйнштейн отказался от теории поля. Он выдвинул концепцию, согласно которой гравитация – это не поле, а свойство пространства. Согласно взглядам Эйнштейна, массивное тело не создает вокруг себя никакого поля, оно просто искривляет пространство вокруг себя. Путь тела, движущегося по инерции в искривленном пространстве, описывается не прямой, а так называемой «геодезической линией», характеристики которой определяются степенью кривизны пространства. Степень кривизны пространства зависит от величины массы тела и степени удаленности от него. Таким образом, согласно общей теории относительности геометрические свойства пространства оказываются зависимыми от массы. Это значит, что реальное пространство может быть не плоским, а искривленным. Для описания такого пространства невозможно использовать плоскостную геометрию Евклида, а необходима геометрия кривых Римана.

Общая теория относительности подтверждена экспериментально. Например, зарегистрирована прецессия эллиптической орбиты планеты Меркурий. Также зарегистрировано искривление лучей света вблизи Солнца.

Квантовая механика

В рамках исследования строения и закономерностей микромира – что и является предметом современной квантовой механики – также существует проблемы, которые имеют значение в рамках философского знания.

1. Каким закономерностям подчиняются и что из себя представляют объекты микромира по сравнению с привычными объектами макро- и мегамира;

2. Насколько приемы и методы познания, апробированные в рамках исследования «большого» мира могут быть использованы для изучения микромира.

Задолго до появление классического естествознания, еще в рамках античной натурфилософии сформировалось два подхода к описанию явлений природы: корпускулярный и континуальный. Согласно корпускулярной концепции (самый известный сторонник этой концепции – Демокрит) все стоит из мельчайших неделимых частиц (атомов) и пустоты (пространства). Отдельные невидимые атомы двигаются в пустоте и иногда образуют более-менее устойчивые соединения. Так возникают большие, видимы тела. По прошествии некоторого времени эти соединения разрушаются, видимы тела исчезают, и опять остаются одни атомы и пустота. Затем атомы объединяются вновь и тем самым создаются новые тела.

Согласно континуальной концепции, основой всего является некая непрерывная субстанция, которая не имеет определенных границ и заполняет собою все пространство. Пустоты, с точки зрения этой концепции, не существует. Например, античный философ Фалес учил, что все в мире состоит из воды, все является ее состояниями: пар и воздух – это разряженная вода, а лед и другие твердые тела – это вода, которая застыла и затвердела.

В Новое время проблема корпускулярности и континуальности возникла вновь в связи с интерпретацией природы света. Согласно взглядам, которых придерживался И. Ньютон, свет – это поток «световых частиц» или корпускул, которые движутся в пустом пространстве. Ньютону возражал Х. Гюйгенс, который считал, что свет – это движение волн в эфире. В начале XIX в. в оптике были открыты характерные для волн явления дифракции и интерференции, после чего доминирующей стала волновая концепция света. В частности, Т. Юнг экспериментально показал, что при прохождении света через систему близкорасположенных малых отверстий в непрозрачном экране свет ведет себя не как прямолинейно распространяющиеся лучи, а как взаимодействующие волны, в результате чего на поверхности, расположенной за экраном, возникает интерференционная картина в виде чередующихся светлых и темных полос. О. Френель также представил теоретические доказательства, согласно которым свет – это распространяющиеся колебания или волна. Дело в том, что волны движутся совсем не так как твердые материальные частички или атомы.

В случае столкновения с непроницаемым препятствием в соответствии с третьим законом Ньютона частицы должны останавливаться или двигаться в противоположном направлении. Волны же способны огибать препятствия (это и есть дифракция) и накладываться друг на друга (в этом смысл интерференции). Согласно аргументам Френеля, в центре тени от круглого препятствия, на которое подает свет, должно наблюдаться светлое пятно. Этот факт был зарегистрирован экспериментально. Появление светлого пятна в центре тени противоречит третьему закону Ньютона, но может быть объяснено с позиции волновых представлений о природе света, в как следствие дифракции и интерференции световых волн.

Кроме оптики, континуальная концепция получила распространения в связи с исследованием электромагнитных явлений. В начале XIX в. было установлено, что между электричеством и магнетизмом существует связь. Х. Эрстед обнаружил, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле, а Фарадей показал, что магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Позднее было показано родство электромагнитных, оптических и тепловых явлений. Опираясь на эти факты, Майкл Фарадей высказал интересные мысли о природе материи. Он возражал против атомистического взгляда на строение вещества: наличие атомов и пустого пространства между ними. Вместо этого Фарадей предложил считать исходным материальным образованием не атомы, а поле. Материя, по Фарадею, занимает все пространство и ее основные характеристики – силы притяжения и отталкивания. Атомы же – лишь сгустки силовых линий поля или центры этих сил.

В конце XIX в. в физике существовало представление, что существуют два вида материи: неделимые частички или атомы, которые обладают массой покоя, и электромагнитное поле, которое четко не локализовано в пространстве, но которое является переносчиком волновых электромагнитных взаимодействий. Кроме этого полагали, что законы классической механики носят универсальный характер и пригодны для описания любых явлений природы, в том числе относящихся к области микромира.

На рубеже XIX и XX вв. в физике были сделаны открытия, которые привели к коренному пересмотру основных принципов классического естествознания. В частности, было открыто явление радиоактивности или превращение атомов различных элементов друг в друга. Это открытие показало ошибочность представлений об атоме как мельчайшей неделимой частице вещества. Было установлено, что атом имеет сложную структуру и состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые вращаются вокруг него.

В результате расчета взаимодействия электронов и ядра в атоме было установлено, что вращающиеся вокруг ядра электроны при излучении ими электромагнитных волн ультрафиолетового диапазона должны терять энергию и вследствие этого падать на ядро. Из этого следовало, что в процессе взаимодействия света с веществом вся энергия должна перейти от вещества к электромагнитному полю. Это явление получило название «ультрафиолетовой катастрофы». Выводы о возможности ультрафиолетовой катастрофы следовали из расчетов, но противоречили наблюдениям.

Было открыто явление фотоэффекта, который состоит в том, что металлы при действии на них света испускают электроны. Объяснить фотоэффект, исходя из волновой теории света, невозможно, так как согласно этой теории, энергия электронов, которые испускает металл, должна быть пропорциональна интенсивности падающего света. В действительности же энергия электронов не зависит от интенсивности света, а зависит от его частоты. Из этого следует, что свет может вести себя подобно частицам, энергия которых пропорциональна частоте излучения.

Д.И. Менделеев установил периодическую (т.е. дискретную) зависимость химических свойств элементов от зарядов их атомов. Периодический характер этой зависимости невозможно было объяснить с точки зрения классической физики.

Таким образом, на рубеже XIX – XX вв. было накоплено большое количество фактов, которые не могли быть удовлетворительно объяснены в рамках классической физики.

В конце XIX в. считалось, что свет представляет собой волну или колебание электромагнитного поля. Однако решение проблемы ультрафиолетовой катастрофы и интерпретация фотоэффекта вновь вернули к жизни представления о свете как частице. Как мы уже заметили, проблема ультрафиолетовой катастрофы состояла в том, что при взаимодействии вещества с электромагнитным полем вся энергия должна перейти к последнему.

Макс Планк установил, что проблема ультрафиолетовой катастрофы может быть снята, если считать, что энергия совершающих колебания электронов имеет не непрерывный, а дискретный набор значений. Согласно Планку: W = hω × n, где W – энергия электронов, h – постоянная Планка, ω – частота собственных колебаний атома, n = 0, 1, 2, 3 … – целое число. При этом частота колебаний ω и длина волн λ связаны соотношением λ × ω = c, где с – скорость света. Из этой формулы видно, что чем меньше длина волны, тем больше частота колебаний и энергия электронов. Пытаясь объяснить физический смысл этой формулы, Планк предположил, что обмен энергией между веществом и электромагнитным излучением происходит дискретными порциями или «квантами». Сначала это предположение было отвергнуто, так как считалось, что все физические процессы протекают непрерывно и, следовательно, величина энергии может изменяться тоже только непрерывно. Считалось, что понятие квантов в лучшем случае может быть использовано для описания взаимодействия между полем и веществом, что это лишь объяснительный прием, но в действительности нет ничего, что соответствовало бы понятию квантов.

Гипотезой квантов воспользовался А. Эйнштейн для объяснения фотоэффекта. Согласно Эйнштейну, свет представляет собой поток частиц – фотонов, величина энергии которых зависит от частоты электромагнитного излучения. Соответственно, поле – это совокупность фотонов, которые возникают и исчезают при излучении и поглощении света. Концепция фотонов – это корпускулярная модель света. Она позволяет хорошо объяснить явление фотоэффекта, но плохо применима для объяснения интерференции и дифракции.

Таким образом, существуют опыты по интерференции и дифракции, в которых проявляется волновая природа света. С другой стороны, опыты по фотоэффекту и измерению светового давления говорят в пользу корпускулярной природы электромагнитного излучения. В связи с этим возникает вопрос: какова же действительная природа электромагнитных явлений? Ответ, который можно получить на современном уровне развития естествознания, звучит так: поскольку в зависимости от характера опыта проявляется то одна, то другая сторона явления, то обе они и составляют его сущность. То есть, электромагнитное излучение (например, видимый свет) имеет как волновую, так и корпускулярную природу. Такое утверждение и называется «корпускулярно-волновым дуализмом».

Следует заметить, что вследствие волновой природы микрочастицы не имеют точного местоположения (не локализованы в пространстве с такой точностью, чтобы можно было определить их координаты X, Y, Z классическим способом). В частности, соизмерение длины волны движущегося в атоме электрона с размерами самого атома не позволяют рассматривать электрон как точку, движущуюся по строго определенной траектории. Его следует считать как бы волной, распределенной по всему атому. Электрон в атоме представляет собой не движущийся точечный заряд, а заряд, распределенный по всем объему и имеющий некоторую «плотность», величина которой – это соотношений силы заряда к объему.

Представление об объектах микромира как о том, что обладает корпускулярной и волновой природой, лежит в основе одного из главных принципов квантовой механики – принципа неопределенности. Согласно принципу неопределенности, который сформулировал Вернер Гейзенберг, невозможно одновременно точно определить местоположение частицы и ее импульс. Чем точнее определяется местоположение или координата частицы, тем более неопределенным становится ее импульс. И наоборот, чем точнее определен импульс, тем более неопределенным остается местоположение объекта микромира.

Принцип неопределенности можно проиллюстрировать при помощи следующего мысленного эксперимента. Для того чтобы определить местоположение электрона, его надо осветить, то есть направить на него фотон. В случае столкновения двух элементарных частиц мы сможем точно рассчитать координаты электрона (определяется место, где он был в момент столкновения). Однако вследствие столкновения электрон неизбежно изменит свою траекторию, так как в результате столкновения ему будет передан импульс от фотона. Поэтому если мы точно определим координату электрона, то одновременно лишимся знания о траектории его последующего движения.

Из соотношения неопределенности следует, что законы классической механики Ньютона не могут использоваться для описания процессов с участием микрообъектов, что означает отказ от детерминированности в смысле Лапласа и признание принципиальной роли случайности в процессах с участием микрообъектов. В рамках классической физики понятие случайности используется для описания поведения большого числа элементов и является лишь сознательной жертвой полноты описания в пользу упрощения решения задачи. В микромире же точный прогноз поведения объектов вообще невозможен. Следует подчеркнуть, что принцип неопределенности не связан с какими-то недостатками в конструировании измерительных приборов. Принципиально невозможно создать прибор, который одинаково точно измерил бы координату и импульс микрочастицы.

Принцип неопределенности является частным случаем более общего по отношению к нему принципа дополнительности. Из принципа дополнительности следует, что если в каком-либо эксперименте мы можем наблюдать одну сторону физического явления, то одновременно, мы лишены возможности наблюдать другую, дополнительную к первой, сторону явления. Дополнительными свойствами, которые проявляются только в разных опытах, проведенных при взаимно исключающих условиях, могут быть положение и импульс частицы, волновой и корпускулярный характер вещества или излучения.

Следует заметить, что из принципа неопределенности также следует, что в квантовой механике отвергается постулируемая в классическом естествознании принципиальная возможность выполнения таких измерений и наблюдений объектов и происходящих с ними процессов, которые не влияют на эволюцию изучаемой системы.

Что касается соотношений теорий квантовой и классической механик, то по этому поводу можно заметить следующее. Согласно идеям Л. де Бройля волновыми свойствами обладают все без исключения объекты, в том числе и те, которые принадлежат области макромира. Однако объекты макромира обладают очень большой массой, в силу чего волновые свойства объектов макромира крайне незначительны. Согласно современным представлениям, классическая физика макромира – это частный случай физики микромира и уравнения последней могут быть использованы для описания макромира. Поэтому несмотря на всю оригинальность и необычность, идеи, развитые М. Планком, А. Эйнштейном и Л. де Бройлем и другими учеными находятся вполномсоответствии с законами классического естествознания, так как они удовлетворяют требованию принципа соответствия, который гласит, что любая теория, претендующая на новое описание реальности и на более широкую область применения, должна включать в себя старую и проверенную теорию как частный или предельный случай.

Следует заметить, что, рассматривая квантовую механику, часто обращают на два момента, которые имеет большое значение в рамках теории познания:

1. Картина реальности, которая согласно положениям этой теории существует на уровне микромира, не согласуется с обычными представлениями, которые доступны сознанию человека и которые релевантны для области макро- и мегамира;

2. Логика, которая следует из квантово-механической картины природы, значительно отличается от «естественной» логики, в рамках форм и закономерностей привык мыслить человек.

Дело в том, что объекты микромира – это такое «нечто», которое в действительности нельзя представить наглядно. В частности, хотя понятие «корпускулярно-волновой дуализм» известно сейчас практически всем, однако наглядно представить эту абстракцию фактически невозможно, так как в этом понятии совмещаются два разных представления. Одно – о корпускуле как относительно автономной частице, субстанции, которая имеет четко определенные границы, и другое – о волне как свойстве, атрибуте, колебании чего-либо. Попытка «собрать» два столь разных представлений в одно, видимо, немногим будет отличаться от попытки представить себе, допустим, «круглый квадрат», что сделать в принципе невозможно. Вследствие волновой природы микрочастицы не имеют точного местоположения и они не могут быть локализованы в пространстве с такой точностью, чтобы можно было определить их размеры. Поэтому, например, широко известная планетарная модель атома Резерфорда, хотя и является наглядной, однако в действительности она не дает адекватного представления об объектах микромира.

Изучение микромира выявило не только ограниченность и неполноту человеческой способности «представлять» реальность, но и поставило под сомнение его традиционную логику. Из принципов неопределённости и дополнительности следует, что обычная классическая логика Аристотеля не может служить логикой рассуждения о микрообъектах. Дело в том, что классическое исчисление высказываний применимо лишь к таким областям знания, в которых к каждому высказыванию может быть отнесено одно и только одно из двух значений истинности: «истинно» либо «ложно». В квантовой же механике это условие не выполняется. Например, относимая к макромиру конъюнкция высказываний «автомобиль А сейчас находится в Петербурге» и «автомобиль А сейчас едет в Москву со скоростью 60 км/ч» может быть истинной или ложной, но она в любом случае будет иметь смысл. Действительные события, которые происходят с этим автомобилем, могут быть (либо не быть) именно такими, как об этом говориться. И это можно проверить. Относимая к микромиру конъюнкция высказываний «частица А сейчас находится в точке пространства с координатами x, y, z» и «частица А сейчас движется к другой точке пространства с координатами x1, y1, z1 со скоростью V» будет просто бессмысленной. Это объясняется тем, что в этом случае теряет смысл (становится принципиально неопределенным) одно из этих высказываний, так как в силу принципа неопределенности невозможно одновременно измерить импульс и координаты одной и той же частицы.

Из этого следует ограниченность применения в квантовой механике классической логики.

В отличие от искусственного языка науки основой для естественного человеческого языка и для его логики является видимый и осязаемый мир, который во многом состоит из точно локализованных в пространстве «твердых тел». Формализм классической логики Аристотеля во многом является отражением такого образа мира и, в значительной мере, предназначен для того, чтобы мысленно оперировать свойствами и отношениями в этом мире. Мир же квантовой механики совершенно иной, так как здесь нет ничего, чтобы могло соответствовать обычному миру «твердых тел». Поэтому то, по словам Гейзенберга, «в языке, соответствующем математическому формализму квантовой теории, уже нельзя опираться на классическую аристотелевскую логику».





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...