Часть 6 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Раздел 17 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

17.17. Корпускулярно-волновой дуализм вещества

В начале XX в. физика более-менее освоила два своеобразные виды объективной реальности: дискретную атомістичну вещество и непрерывное электромагнитное поле. Эти противоположные характеристики дискретности и непрерывности выступили в физике того времени независимыми.

С возникновением квантовых представлений начинается диалектический синтез противоположностей перервного и непрерывного.

В квантовой механике важную методологическую роль играют категории прерывности и непрерывности, поскольку все большее значение для теории и практики приобретает изучение волновых и корпускулярных свойств физических объектов. Известно, что представление о частицы и волны в классической физике основывались на резком противопоставлении частиц и волн, на полном взаимоисключении их свойств. У многих отношениях свойства волн и частиц рассматривались как прямо противоположные.

Частицы характеризовались такими свойствами, как масса, пространственная локализация (определенность объекта), непроницаемость. Затем было установлено, что некоторые частицы могут быть носителями электрического заряда. Движение частиц в определенной системе отсчета характеризовался определенным траекториям. Если внешних сил нет, то частицы имеют стали импульс и энергию. Взаимодействие частиц рассматривалась как различные виды столкновений (упругие и неупругие, центральные и нецентральные), при которых происходит обмен импульсами и энергиями. Каждая частица вещества переносит энергию и импульс, а также массу из одного места в другое.

Волны в классической физике рассматривались как поток возмущений среды, под которыми понимали деформации его поверхности (например, морские волны), его сжатия и разрежения (звуковые волны), изменении его электромагнитного состояния (электромагнитные волны). Волны характеризуются периодичностью значений определенных параметров возмущения среды в пространстве и времени, то есть повторяемостью их, например, максимальных возмущений среды (амплитуда) через определенные промежутки времени (период колебаний) и на определенных расстояниях в пространстве (длина волны). Волны, распространяющиеся в пространстве, не переносят вещество, но переносят энергию и импульс. Волны не имеют определенных траекторий, хоть и распространяются в пространстве в определенных направлениях. Если нет препятствия для распространения волны, то она заполняет все пространство и, следовательно, для нее характерно отсутствие пространственной локализации. Основными параметрами волны являются: длина, частота, амплитуда и фаза. Важнейшее свойство волн - их способность огибать препятствия и при соответствующих условиях накладываться одна на одну (інтерферувати).

Итак, в классической физике волны отличаются от частиц: волны имеют ряд существенных признаков непрерывности, а частицы, наоборот, дискретности. Однако классическая физика накопила большой материал для установления связи между перервністю и непрерывностью в явлениях природы. Хотя установление связи между теми или другими противоположными сторонами еще не означает установление единства. Понятие единства включает в себя не только наличие взаимосвязи, но и наличие взаимопереходе, взаимопроникновение и отождествление противоположностей. Установление единства прерывности и непрерывности на материале единства частиц и волн стало достоянием новой квантовой физики. Понятие частицы и волны - это понятие, характеризующие предельные состояния объектов природы.

Важное значение в раскрытии единства волн и частиц, а следовательно, непрерывности и дискретности, имела теория де Бройля, которая установила всеобщность соответствии импульсно-энергетических параметров частиц таким специфическим параметрам колебаний и волн, как длина волны и частота колебаний. По этой теории энергия и частота, импульс и длина волны являются пропорциональными не только в волновых процессах, но и в процессах движения частиц. Это означает, что частицы могут иметь специфические для волны свойства (дифракцию, интерференцию, поляризацию).

Л. де Бройль выполнил с веществом «операцию», противоположную той, которую А. Эйнштейн выполнил со световыми волнами. Как А. Эйнштейн сравнил непрерывную волну с дискретным фотоном, так де Бройль сравнил дискретную частицу с непрерывной волной. Он своеобразно распространил на частицы вещества соотношение корпускулярных и волновых характеристик, которые были открыты для фотонов.

Общий ход рассуждений де Бройля можно представить примерно так. Еще в 20-х годах XIX ст. В. Гамильтон установил так называемую оптико-механическую аналогию. Оказалось, что основные законы геометрической оптики и классической механики можно описать математически в одинаковой форме, сравнив соответственно движение частицы в некотором силовом поле и движение светового луча в оптически неоднородном среде. На то время в науке господствовали геометрическая оптика и ньютонівська механика и речь шла об их аналогию. Позже было развито волновую оптику, отдельной составляющей которой является геометрическая оптика. Где Бройль решил расширить оптико-механическую аналогию. Гамильтона и поставить в соответствие волновой оптике некоторую волновую механику, которая должна иметь две характерные черты: 1) быть в волновой оптике в отношении, аналогичном отношению классической механики и геометрической оптики; 2) включать в себя классическую механику как предельный случай, так же как волновая оптика включает геометрическую. Эту новую механику де Бройль не случайно назвал волновой, ибо ее основная черта и состояла в придании частицам вещества волновых свойств, подобно тому как это делается для фотонов.

Он достал соотношение (16.1), которое любой частице с массой m ставит в соответствие определенную длину волны λ. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных (энергия Е и импульс р), так и волновых (частота ν и длина волны λ) свойств. Речь идет о внутренний органическая связь корпускулярных и волновых свойств, что отражается в основных соотношениях Е = hν и г = . Эти соотношения невозможным хранение только одного из рассматриваемых аспектов - корпускулярного или волнового, ибо каждый из них вводится через противоположный себе с помощью элементарного кванта действия, что является константой связи этих двух аспектов, ключом, что дает возможность переходить от одного аспекта к другому.

Гипотеза де Бройля о волновых свойства микрочастиц получила сразу прямые экспериментальные подтверждения в опытах по дифракции электронов. Без учета волновых свойств микрочастиц невозможно было объяснить естественную и искусственную радиоактивности. Улет частиц из ядра атома с энергией, меньшей высоты потенциального барьера, можно объяснить лишь пропиткой, проникновением их через барьер, т.е. туннельным эффектом. А это может быть только тогда, когда мікрочастинці присущи как дискретные, так и волновые свойства.

Развивая идеи Л. де Бройля, Э. Шредингер завершил создание волновой механики. Он открыл основной закон движения микрообъектов - волновое уравнение (16.11). Это уравнение описывает изменение с время особой величины - так называемой волновой функции, или ψ-функции, характеризующей состояние электрона или любой другой частицы. В сфере своей компетенции (движения микрообъектов со скоростями, значительно меньшими скорости света) квантовая механика, точнее нерелятивістська механика, дает полное описание физических явлений.

Учитывая пропорциональность между энергией и массой, можно утверждать, что частица с малой массой является волной, а не частицей. Справедливо обратное утверждение: чем больше масса частицы и чем быстрее она движется, тем ярче проявляются его корпускулярные свойства. Для частиц, имеющих только массу движения, их существование как частиц возможно лишь при движении с предельной скоростью передачи взаимодействия, то есть со скоростью света в вакууме. Фотоны-кванты электромагнитного поля существуют только при такой скорости.

Следовательно, проявление в материальных объектов корпускулярных или волновых свойств зависит от таких параметров движения. Поскольку эти параметры изменяются, то они являются относительными относительно различных взаимодействий, а итак, относительными являются и их корпускулярные и волновые свойства.

В одних взаимодействиях объект ведет себя как частица, в других - как волна. В предельных экстремальных случаях, а именно при минимальных значениях энергии, частица ведет себя как волна, а при максимальных значениях энергии - как частица. Следовательно, в процессе взаимодействия, под время движения объектов природы они ведут себя либо как частицы, либо как волны относительно своих состояний взаимодействия и движения. Отсюда напрашивается вывод, что понятие частицы и волны могут быть применены к одному и тому же объекта, что эти понятия и тождественны, и в то же время отличные, а следовательно, тождественны и в то же время отличные более общие понятия прерывности и непрерывности, положенные в основу понятий частицы и волны.

Оперируя в квантовой механике понятиями частицы и волны, дискретности и непрерывности, постоянно переходим от отличия их к тождественности и наоборот. Эти переходы от различия их к тождества и от тождества к их отличия составляют суть единства понятий о волну и частицу, дискретность и непрерывность, отражающие один сторону диалектики самой природы. Единство тождества и различия, присущая прерывности и непрерывности, оказывается также через единство волновых и корпускулярных свойств объектов природы, а один из аспектов в единстве этих свойств - их аналогия друг другу, соответствие и взаимозаменяемость.

Следовательно, нет никаких оснований для разделения объектов природы на частицы и волны. Речь идет лишь о том, что объекты природы имеют взаимосвязанные типы свойств: корпускулярные и волновые. Поскольку в том или ином объекте природы на первый план выступает то один, то другой тип его свойств, то образы частицы и волны имеют объективный содержание. Понятие волны и частицы не находятся в отношении взаимного исключения, оба они необходимы для описания микрообъектов в различных взаимосвязях и взаимодействиях. В. 0. Фок справедливо отмечал, что при наличии в мікрооб'єкта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальные возможности, которые за изменения условий существования мікрооб'єкта могут проявиться. Единство прерывности и непрерывности в существовании микрообъектов отнюдь не нарушается, а проявляется через единство возможности и действительности. То, что в действительности является перервним, в возможности - непрерывное и наоборот.

Корпускулярно-волновой дуализм является одной из форм выявления диалектики прерывности - непрерывности, но в современной физике (квантовой физике, теории элементарных частиц) он чаще всего выступает в форме метафизического обособления или суммирования двух свойств: корпускулярных и волновых.

Очевидно, будущее развитие физики приведет к более адекватного отображения ее теорий диалектики прерывности и непрерывности.

Материальные объекты, процессы и явления характеризуются диалектической единством прерывности и непрерывности. Непрерывность, целостность объекта, процесса является фундаментом последующих образований новой непрерывности через систему взаимодействующих частей (перервностей) этой непрерывности.