Неопределенность Гейзенберга в квантовой механике как кость в горле физической науки или как хиральность (кость) в биологической науке.

Именно выводы из этой неопределенности не позволяют науке объединить под одной теорией квантовую механику и общую теории относительности. А как хочется получить теорию объединяющую все. В чем заключается сложность данного единения?

По мнению современных ученых на микроуровне не возможны точные измерения. Точнее мы не можем точно измерить несколько параметров какого-нибудь объекта одновременно. Например, нельзя измерить координату частицы и ее импульс. Получается так, чем точнее мы измеряем координату частицы, тем неопределенней становится ее импульс. Точность измерения координаты частицы и ее импульса связаны соотношением:

Когда мы пытаемся измерить координату, мы так или иначе должны чем-то коснуться частицы, а это значит, что мы ее можем сдвинуть, то есть придать ей дополнительный импульс. Значит, первоначальный импульс будет изменен. Чем грубее касание, тем сильнее изменение импульса. На рисунке это выглядит примерно так.

Пусть нам предстоит измерить расстояние от А до Б, скажем от края стола аа до начала частицы. Будем считать, что частица квантового порядка, но мы ее видим. Возможны несколько способов измерения данного расстояния.

1. Возьмем линейку и начало ее приложим в точке А, а точка Б, где получится на линейке. Если линейка имеет сантиметровые деления, то точность измерения ∆x будет равна 1 см или больше. Не надо думать, что можно считать точность половина сантиметра, хотя соблазн такой есть. Но это человек в уме уже сделал точность линейки до полсантиметра, мысленно прикинув, где в этом сантиметре средина. Автомат работает с целыми сантиметрами.

Можно увеличить точность, взяв линейку с миллиметровыми делениями, микрометровыми делениями, нано метровыми и т.д. Но этот способ неудобен – надо следить за двумя точками и здесь много всяких других погрешностей и не видно, как координата связана с импульсом. Поэтому рассмотрим несколько другой способ измерения этого расстояния.

2. Возьмем рулетку, и конец полотна зацепим за край стола аа. На конце полотна имеется уголок, который и зацепится за угол стола, если он не сильно закруглен. Растянем рулетку и посмотрим, в каком месте оказалась наша частица. Пусть это будут показания 17 и 18. Между ними мы видим частицу. Казалось бы, все, уменьшая и уменьшая расстояния между делениями, мы можем устремить ∆x к нулю. Но не тут то было. Когда мы цепляем уголком полотна за столешницу, она начинает прогибаться. Конечно, в макромире этот прогиб не виден, он слишком мал. Но если бы вместо края столешницы была натянута слабенькая резинка между точками аа, то мы бы смогли это видеть и в макромире. И если рулетка с сантиметровыми делениями сможет прогнуть резинку на половину сантиметра, то для получения той же сантиметровой точности измерения ∆x следует тоже уменьшить наполовину. Чем больше прогиб от натяжения рулетки, тем меньше остается для отклонения ∆x. А величина прогиба зависит от величины импульса ∆p, создаваемого натяжением полотна.

Конечно, в макромире рулетка не двигает частицу, точнее мы этого не можем обнаружить. Но если бы стол ни за что не крепился и был бы безынерционен, то рулетка подвинула бы его, а вместе с ним и частицу.    

В этом пункте я просто показал связь между точностью измерения, координатой и импульсом. Такая связь существует и возможно в каких-то случаях соответствует выше приведенному неравенству. Но ученых интересует несколько иная интерпретация неопределенности.

3. На рисунке изображен радиолокационный метод измерения расстояний. Из точки А излучается сигнал, который отражается в точке Б и возвращается обратно в точку А. Если мы знаем скорость и время распространения сигнала, то расстояние вычислить просто.

Наука пока пользуется одним сигналом в виде электромагнитного излучения, которое распространяется в виде волн определенной длины. Кроме того наука полагает, что энергия сигнала зависит от этой длины волны, а соответственно от этого зависит и величина импульса сигнала. Это даже, как будь то, подтверждается фотоэффектом.  В действительности это не так: микроволновое излучение спокойно кипятит воду и плавит металлы, а в реликтовом излучении мы живем и ни чего. Да и рентгеновское излучение не зажарит цыпленка (если вообще зажарит) так быстро как микроволновое излучение или даже инфракрасное. Видимый спектр выбивает электроны, а рентгеновский не всегда. А частоты этих излучений отличаются в миллионы или даже миллиарды раз. Об этом рассказано в статье об электромагнитном излучении. Но суть не в этом, будем считать, что наука права.

Так вот какая возникает проблема. Это излучение сродни нашей рулетке. Чем длиннее волна, тем более длинные единицы измерения, то есть тем длиннее ∆x. А соответственно этому и меньшая точность измерения. Если наша частица окажется между 17 и 18 волной, то точность измерения и будет равна длине волны. Мы не можем точно сказать, где расположена частица: в начале или в конце волны. Чтобы увеличить точность координаты частицы следует все уменьшать и уменьшать длину волны. Но тут возникает другая беда. Как мы согласились выше: чем меньше длина волны излучения, тем больший импульс оно имеет. И как только наш сигнал отразился от частицы, мы и будем судить по нему о координате нашей частицы. Но пока сигнал возвратится обратно частица, получив дополнительный импульс, окажется уже в другом месте.

Образуется такая ситуация: мы пытаемся получить более точную координату, уменьшая ∆p, что может осуществиться только при увеличении длины волны, а это ведет к увеличению ∆x. И произведение этих величин должно быть всегда больше или равно величине h/2, согласно утверждению Гейзенберга.

Это ужасное положение. Это противоречит диалектическому материализму, в том смысле, что это физический предел наших знаний о частице: мы никогда не узнаем положение частицы и ее скорость в данной точке.  А еще хуже этого то, что это и есть физическое состояние частицы: она сама не может находиться в пределе меньшем, чем h/2.

Ученые рассказывают, что если частицу поместить в ящик и начать сжимать стенки ящика, уменьшая ∆x, то частицы начнет биться, все увеличивая ∆p. Естественно это увеличение происходит не потому, что стенка толкает частицу и этим передает дополнительный импульс частице (этот процесс обоюдный – стенка может дать импульс, а может с такой же вероятностью и погасить его), а потому что это именно квантовый эффект, как суперпозиция или дуализм.  Откуда появляется этот дополнительный импульс, ученые не объясняют. А когда представляют формулу неопределенности в виде энергии и времени, то объяснение находится.

Согласно этой формуле, чем меньшее время   мы измеряем энергию, тем больший всплеск энергии   получаем. И эта формула относится не столько к нашему процессу измерения, сколько представляет процесс флуктуации энергии. Даже в замкнутом пространстве, в котором ничего нет, происходит флуктуация энергии. Вот что пишет по этому поводу Брайан Грин в “Элегантной Вселенной” в пункте “Суть квантовой механики”:

“Согласно соотношению неопределённостей, даже в пустых областях пространства (например, в пустой коробке) энергия и импульс являются неопределёнными: они флуктуируют между крайними значениями, которые возрастают по мере уменьшения размеров коробки и временно́го масштаба, на котором проводятся измерения. Это выглядит так, как если бы область пространства внутри коробки являлась маниакальным «заёмщиком» энергии и импульса, непрерывно беря «в долг» у Вселенной и неизменно «возвращая долг». Но что участвует в этих обменах, например, в пустой области пространства? Всё. В буквальном смысле слова. Энергия (как и импульс) являются универсальной конвертируемой валютой. Формула E = mc2 говорит нам, что энергия может превращаться в материю и наоборот. Например, если флуктуации энергии достаточно велики, они могут привести к мгновенному возникновению электрона и соответствующей ему античастицы — позитрона, даже в области, которая первоначально была пустой! Поскольку энергия должна быть быстро возвращена, данные частицы должны спустя мгновение аннигилировать, высвободив энергию, заимствованную при их создании”.

Вот, поди, разберись – есть в этой коробке что-нибудь или она пустая и в ней ничего нет. А вне коробки что есть? Оно отлично от того что находится в коробке? Из приведенной цитаты видно, что все-таки в коробке есть импульс и энергия, только они не определены, и они становится все больше и больше при уменьшении коробки. Помимо этого они еще и флуктуируют от этих значений надо полагать до нуля, как сказано  “между крайними значениями”. Но и этих, внутренне рожденных флуктуаций, мало для квантовой механики. Надо такие флуктуации энергии, которые могли бы рождать электрон-позитронные пары. Для этого внутреннее содержимое пустой коробки “занимает” у Вселенной какое-то количество энергии и импульса, превращает их в пары, и тут же это самое пустое содержимое заставляет электрон и позитрон аннигилировать, и чем больше было “занято” энергии, тем быстрее происходит аннигиляция, чтобы не нарушилось неравенство Гейзенберга. И этот мощный всплеск энергии выделяется из коробки. 

Может быть, каналы поступления и выделения энергии различны? Или то место, откуда коробка, вернее ее содержимое, взяла энергию пустое и дожидается, пока энергия не возвратится? Нам бы был хорош первый случай, мы бы враз смастерили вечный двигатель. Но наверно действует второй случай: где взял, туда и положи. Хотя пустое место может и не дождаться возврата и само попытается “занять” у другого, и так по цепочке. Дух захватывает от такой диалектики. А тут еще и добавили одно гносеологическое понятие – энергия. То были материя и движение, а теперь еще и энергия – не материя и не движение.

Брайан понимает, что для возникновения флуктуаций ящики не нужны. Он так и пишет:

“Например, можно было бы думать, что неопределённость возникает только тогда, когда мы — бестактные наблюдатели — вмешиваемся в происходящее на сцене мироздания. Это не верно.

Даже без «прямых столкновений» с вносящими возмущение «экспериментаторскими» фотонами скорость электрона резко и непредсказуемо изменяется от одного момента времени к другому.

Даже в самой спокойной ситуации, которую только можно себе представить, например, в пустой области пространства, согласно соотношению неопределённостей в микромире имеет место невероятная активность. И эта активность возрастает по мере уменьшения масштабов расстояния и времени”.

Какие масштабы расстояний и времени? И почему они уменьшаются и до каких пределов? Между чем и чем расстояния и времени? От большого взрыва? Так все увеличивается и время и расстояния. Как-то все туманно. Возможно по таким причинам.

1. В неравенстве Гейзенберга взята величина – постоянная Планка. Планк ее подобрал в процессе описания кривой интенсивности излучения абсолютно черного тела. Получилась формула, которая представляет кривую очень похожую на экспериментальную кривую. Но природе нет дела до этой постоянной. Природа может сдвинуть горб кривой по частоте излучения, может растянуть его, изменить форму и тогда значение постоянной может измениться.

А в формуле E=hv постоянная Планка и вовсе не работает. Нет такой зависимости энергии от частоты. Подробнее об этом можно узнать из статьи об электромагнитном излучении здесь же. Возникают не ясности относительно фундаментальности постоянной Планка.

2. Брайан поет осанну Эйнштейну с одной стороны и в тоже время разрушает его основное дело. Верит, что свет распространяется в вакууме и одновременно верит, что пространство заполнено аннигилирующими электронами и позитронами. Эйнштейн боролся против эфира, а Брайан верит, что Гейзенберг его (эфир) вводит.
3. Наличие электронов и позитронов будет изменять коэффициент преломления среды. И что? Теперь будем считать, скорость света в 300 000 км/сек относительно этой смеси? Так может быть, будут образовываться кластеры с различными коэффициентами преломления?
4. Почему если в природе увеличивается то должно уменьшаться Это же не следует из неравенства?

Может же быть произведение этих величин много больше сотни h? Неравенство соблюдено.

Эти не замысловатые соображения не дают возможности поверить во флуктуирующий микромир. Дальше Брайан пишет:

“Как заметил однажды Фейнман, «возникать и аннигилировать, возникать и аннигилировать — какая пустая трата времени». Поскольку заём и возврат в среднем компенсируют друг друга, пустая область в пространстве продолжает выглядеть тихой и спокойной, если исследовать её в любом масштабе, кроме микроскопического. Однако соотношение неопределённостей указывает, что макроскопическое усреднение скрывает интенсивную микроскопическую активность. Как мы увидим вскоре, этот хаос иявляется препятствием к слиянию общей теории относительности и квантовой механики”.

Вот эти трудности, вероятно ветряные мельницы, ученые и пытаются победить при помощи теории струн.