Анатолий Трутнев - Квантовая физика и нити пространства

Результаты изучения микромира по законам квантования показали «странности» поведения частиц, населяющих этот мир. Одной такой замечательной странностью является известный в научном мире эксперимент с двумя щелями, который показал, что фотоны света ведут себя как волна, но состоят из частиц (фотонов). С этого эксперимента начались интересные парадоксы, которые заставили ученых пересмотреть традиционные взгляды на сами понятия на физическую сущность частиц и волн. Но настоящие чудеса начались, когда в экспериментах начали использовать электроны. Электроны это частицы, и когда поток электронов проходил через две щели, он оставлял на экране не две полосы, два следа против щелей, а интерференционную картину. Это говорило о том, что поток электронов распространяется волнами. Чтобы объяснить этот феномен, было выдвинуто предположение, что на фундаментальном уровне, электроны как частицы, сбираются вместе и у них проявляются волновые свойства. Решили повысить чистоту эксперимента и стали выпускать не поток электронов, а по одному электрону. К удивлению исследователей и в этом случае они наблюдали интерференционные чередования нескольких полос. Но, такое может происходить только в том случае, если электрон пролетал бы одновременно сквозь обои щели, а затем сталкивался бы сам с собой. Конечно, с позиции классической физии такое невозможно. Это нарушение всех её закономерностей, а вот в квантовой физике, это не чудеса, а реальные факты, происходящие в микромире. Проведенный учеными глубокий анализ, полученных результатов, позволил им сделать однозначный вывод. Квантовые частицы могут находиться в нескольких местах одновременно. В этом и заключается суперпозиция, которая означает, что частицы, населяющие микромир могут одновременно проявляться в различных точках пространства и при этом обладать различными свойствами.

Краеугольным камнем квантовой физики является другая её замечательная «странность», принцип соотношений неопределенностей Гейзенберга. Это фундаментальный закон квантовой механики. Его суть состоит в утверждении, что невозможно одновременно точно определить скорость и местонахождение частицы. Чем точнее будет определена первая величина, тем более неопределенной останется вторая и наоборот. То есть существуют определенные ограничения на измерение физических величин, характеризующих микрочастицы. Так, при проведении экспериментов с электронами, исследователи были буквально поражены поведением этой частицы. Когда не проводились наблюдения за электроном, он вел себя как волна. Но, как только исследователи начинали фиксировать, через какую щель проходит, электрон, он проявлял себя как частица. В результате на экране появлялся след против щели, а не чередование интерференционных полос. Это говорит о том, что существуют определенные ограничения на измерение физических величин, характеризующих поведение микрочастицы. Когда электрон летит к щели, он проявляет волновые свойства, то есть, находится в разных точках пространства и в них он имеет различный энергетический потенциал. Но как только, исследователи производили измерение одной из его физических величин, то происходил коллапс волновой функции. А это означало, что электрон в этом случае находился в определенном месте и имел определенное значение спина. Такое состояние частиц микромира соответствует принципу дополнительности, сформулированному Шредингером. Согласно этому принципу волновые и корпускулярные процессы, происходящие в микромире, не исключают, а взаимно дополняют друг друга. Понятия частицы и волны одновременно и дополняют, и противоречат друг другу.

Определенную лепту в развитие квантовой физики внес Нобелевский лауреат немецкий физик Вольфганг Паули. Он открыл закон, который является одним из важнейших принципов в понимании природы вещества. В современном научном лексиконе этот закон именуется принципом исключения или запретом Паули. Принцип Паули гласит – ни одна пара электронов в атоме не может иметь одинаковые электронные квантовые числа. Правомерности этому утверждению служат электромагнитные взаимодействия между электронными облаками и ядрами в атомах химических элементов. Так например, на самой ближайшей к ядру орбитали могут поместиться только два электрона с антипаралельными спинами. Оболочка с энергетическим уровнем выше помещает уже восемь электронов, на уровень выше 18 электронов, а на последнем уровне 32 электрона. Принцип запрета Паули можно применять только к частицам, которые имеют полуцелый спин. Частицы, у которых целый спин, такие как фотоны, с целым числом спинов, не следуют запрету Паули, поэтому могут иметь одинаковое квантовое состояние. Эти физические явления используются в лазерных устройствах