Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики. (Роджер Пенроуз, 2003г. Глава 6, “Квантовая магия и квантовое таинство”). Часть 2.
В этой статье часть 1 Пенроуз попытался решить вопрос: нужна ли философам квантовая физика? По моему мнению, этот вопрос так и остался открытым. Да иначе и быть не могло. Философы могут найти другой объект для исследования (социологию, биологию и т.п.), а вот физикам философия не помешала бы.
Раздел “Начало квантовой теории”.
“Как же разрешить все эти загадки? Очевидно, что исходную ньютоновскую схему частиц-корпускул необходимо дополнить максвелловским полем. Можно ли встать на противоположную точку зрения и предположить, что мир построен только из полей, а частицы представляют собой не что иное, как небольшие “сгустки” поля определенного вида? Этот подход имеет свои трудности, ибо такие частицы могли бы непрерывно изменять свою форму, извиваться и совершать колебания большим числом способов. Но ничего подобного в действительности не наблюдается. В реальном мире все частицы одного вида, по-видимому, идентичны. Например, любые два электрона тождественны” (стр. 190).
Хорошо не становитесь на противоположную точку зрения. Тогда объясните из чего и как устроены частицы-корпускулы. Что это какой-то монолит? Что-то однородное? Плотное, твердое, жидкое, газообразное или еще какое? А за одно уж и объясните, каким образом любое из предположенных превращается в электромагнитное излучение, когда тот же электрон будет падать на ядро. Или может быть в этих частицах такие же частицы, но гораздо меньших размеров? Как видим и к очевидной точке зрения можно предъявить много претензий.
А то, что при волновом представлении частица будет извиваться, так именно это, или часть этого, и можно отнести к явлению неопределенности. И колеблется пусть как ей угодно, мы причешем ее уравнением Шредингера, чем придадим хоть какой-то физический смысл этому уравнению.
Ну, а если предположить, что все электроны тождественны, то, как видели выше, это конец света. Все атомы приобретут свойства инертных элементов и никакая химическая реакция не возможна. О жизни некому будет и говорить.
Квантовая жизнь началась после того, как Макс Планк, оперируя с излучением абсолютно черного тела, построил формулу, описывающую кривую излучения этого тела, чем дал теоретический инструмент для формального изучения явления. А предположив, что излучение носит квантованный характер, придал этому излучению физический характер.
“Смелая гипотеза Планка стала первым проблеском квантовой теории, но это событие не привлекло к себе внимания физиков до тех пор, пока Эйнштейн не выдвинул еще одну поразительную идею о том, что электромагнитное поле не только излучается, но исуществует в виде таких дискретных порций. Таким образом, согласно Эйнштейну (и Ньютону, который высказывал аналогичное утверждение на два столетия раньше) свет представляет собой поток частиц! Вспомним, что в начале XIX века блестящий теоретик и экспериментатор Томас Юнг наглядно продемонстрировал волновую природу света, а Максвелл и Герц теоретически показали, что свет представляет собой колебания электромагнитного поля” (стр. 191).
Ученый мир встал на уши, да стоит и до сих пор.
“Каким образом свет может быть одновременно и частицами, и волнами?” (стр. 191).
А тут еще французский аристократ маркиз Луи де Бройль (отдал бы свое де Бальзаку) подлил масла в огонь:
“…продвинулся в этом вопросе еще дальше, высказав в своей докторской диссертации (которая снискала одобрение Эйнштейна) идею о том, что частицы материи иногда ведут себя как волны!” (стр. 191).
Не знаю, знаком ли был Луи де Бройль с работами Вальтера Ритца (последний учился одновременно с Эйнштейном), но он, подобно ему, сгруппировал поток частиц в пакеты и присвоил частицам волновые свойства. Если самолеты заходят на бомбежку волнами, то это не значит, что самолеты обладают волновыми свойствами. Луи де Бройль, как и все ученые мира, способы генерации излучения перенес на свойства частиц. Каждая частица состоит и огромного количества квантов, т.е. минимальных порций энергии в виде электромагнитных волн или точнее вихрей. В электроне их содержится около 1041 штук. Естественно они для нас не различимы и представляются как частицы. А вот как эти частицы (поодиночке, группами по несколько штук, с какой частотой) будут излучаться электроном, зависит от внешних условий, то есть от способа генерации. При дифракции, что и наблюдал де Бройль, происходила группировка частиц в пакеты, которые мы называем фотонами.
“Природа каким-то образом “умудряется” построить непротиворечивый мир, в котором частицы и осцилляции поля суть одно и то же! Или, точнее, мир природы состоит из каких-то более тонких составляющих, а представления о “частице” или “волне” лишь частично отражают реальность” (стр. 191).
Нет не одно и то же. Частица это субстрат, состоящий из, определенным образом упакованных (сконденсированных), электромагнитных вихрей очень большой частоты, а осцилляции поля это организация излучения и распространения этих частиц.
А вот последняя фраза вполне справедлива. Сейчас для нас тонкой составляющей представляется квант. Разберемся с его внешними проявлениями, а потом полезем в его составляющие.
Заметим, что на этом разделе, так и не начавшись, закончилась физика квантов. Не началась она потому, что не было даже упомянуто о главном кирпичике вселенной – о минимальном кванте. Никакой гносеологической трактовки устройства минимального кванта и его значимости в природе не предполагалось.
Несомненно, что такие объяснения явлений квантового мира оказались не достаточными, и потребовалось новый взгляд на квантовый мир. Этот взгляд и был предложен.
“Сегодняшняя квантовая физика произошла из двух независимых схем, предложенных позже немцем Вернером Гейзенбергом и австрийцем Эрвином Шредингером (“матричной механики” в 1925 году и “волновой механики” в 1926 году, соответственно). Сначала две эти схемы казались совершенно различными, но вскоре они были включены в более общую теорию как ее эквивалентные представления. Это было сделано главным образом британским физиком-теоретиком Полем Адриеном Морисом Дираком” (стр. 191).
Как Вы, уважаемый читатель, думаете, с какими физическими объективными реальностями эти независимые системы будут оперировать? Давайте проследим за этим.
Раздел “Эксперимент с двумя щелями”.
Это давнишний всем известный эксперимент, когда свет от одного источника света пропускается через две щели. Сначала свет пропускается через одну из щелей и наблюдается освещенность экрана после щели. Оказывается, что в этом случае экран будет освещен более-менее равномерно. Но как только мы открываем обе щели, на экране появляется чередование светлых и темных полос. Вот классическая картинка интерференции волн (стр. 193). Рис(1)
Что это за кусок синусоиды впереди перед двумя щелями? Р. Пенроуз это трактует так:
“Для большей конкретности выберем свет (в смысле не рентгеновское, тепловое, радиоволновое или другое излучение) и условимся называть квант света “фотоном” согласно принятой терминологии” (стр. 192).
Поле для математической мысли зачищено. Больше такая маленькая часть энергии как квант не существует, будем работать с фотонами, величина энергии которых зависит от их частоты. Это примерно так если бы сказать: назовем молекулу бензина литром бензина и будем теоретически разрабатывать его свойства. Такая то текучесть, такое то октановое число, такая-то энергоемкость и т.д. и т.п. И при этом предполагать, что пол литра бензина или молекулы бензина не существует в природе. Может быть, кое-что и удалось бы выяснить в свойствах бензина, но почему он горит, без молекулярного взгляда на проблему мы вряд ли бы поняли.
“Свет достигает экрана в виде дискретных точечных порций энергии, которые всегда связаны с частотой света формулой Планка:E=hv. Энергия никогда не передается в виде “половинки” (или иной доли) фотона” (стр. 192).
Здесь не все верно. Не понимание соотношения кванта и фотона и приводит к таким высказываниям. Это квант (минимальная частица энергии) не может делиться, а фотон, представляющий набор квантов, не то что делится, а обязан делиться, как литр бензина делится на части вплоть до молекулы, а дальше нет. 
Если мы сильно увеличим фотон, то увидим, что он представляет нечто похожее на объемную волну (возможно, в виде бусин, наложенных друг на друга, частично), в которой как-то движутся вихри электрических (положительных и отрицательных) полей и вихри магнитных (отрицательных и положительных) полей. Они как-то индуцируют друг друга и таким образом самостоятельно движутся со скоростью света в вакууме. Одна группа из таких четырех вихрей (бусин) и есть квант, самая маленькая порция энергии. Таких порций энергии в фотоне может быть большое количество. Если развернуть весь электрон в фотон, то фотон будет содержать примерно 1041 штук квантов. Такое возможно при аннигиляции электрона и позитрона. Они просто “размотают” друг друга, образовав мощные фотоны. Мы получим большой поток энергии.
Эти сгруппированные в фотоны кванты и представляющие маленькие синусоиды, которые оказались, справа от экрана с отверстиями на рисунке 1, были уже перед экраном. Незачем большой синусоиде как-то раздваиваться.
Прошедшие через отверстия различные фотоны не обязательно должны быть синхронизированы своим началом. И не должны быть одинаковой длины (энергии). Важно, что они синхронизируются по кванту. Фотоны могут перекрыться частично, или маленький фотон может наложится на большой фотон. А за синхронизацией кванта следит спин. Именно он ответственен за генерацию кванта.
Благодаря такому устройству фотона и удается построить морфологию живого организма.
Частота следования пакетов это и есть частота излучения например того же желтого цвета. Более мощные фотоны изменят насыщенность цвета, а если изменится длина волны, то изменится и цвет. А длина волны излучения может быть различной. Например, от единичных квантов (нейтрино) до любой скважность движения фотонов вплоть до самого длинноволнового радиоизлучения.
Так это видится автору данной статьи.
В последующих разделах Р. Пенроуз все излагает на математическом языке: амплитуды вероятностей, эволюционные процедуры U и R, гильбертово пространство, измерения, спин и сфера Римана состояний и так далее. Все это может быть и интересные вещи, но они самодостаточны, им не требуется окружающий мир.
После всего этого Пенроуз подводит некоторый итог: “К чему мы пришли после всего сказанного?”
“Затронутые выше вопросы в том или ином обличье присутствуют в любой интерпретации квантовой механики – в том виде, в каком эта теория существует в настоящее время. Приведем краткий обзор того, что стандартная квантовая теория в действительности говорит нам о том, каким образом мы должны описывать мир, особенно в отношении этих удивительных вопросов, и затем спросим: куда мы намерены двигаться дальше?
Прежде всего напомним, что описания, даваемые квантовой теорией, по-видимому, разумно (полезно?) применимы только на так называемом квантовом уровне – молекул, атомов или субатомных частиц, а также на больших масштабах при условии, что разности энергии между альтернативными возможностями остаются очень малыми. На квантовом уровне мы должны рассматривать такие “альтернативы” как нечто способное сосуществовать в виде суперпозиции с комплексными коэффициентами” (стр. 241).
Да действительно, в изложении положений квантовой механики любым ученым, всегда присутствует опыт Юнга, каждый пытается объяснить, как это частицы узнают, что сейчас открыты обе щели и как в этом случае они должны действовать. Не найдя ответа на этот вопрос, каждый ученый начинает верить в дуализм частиц, возводя эту веру в закон. Эмиссионная теория Вальтера Ритца нынче не в моде. Не могут ученые заменить синусоиду перед экраном с двумя щелями на пакеты “пыли”, где каждая пылинка это и есть эта самая волна, которая в одном месте складывает свои усилия с другой волной, а в другом месте эти усилия направлены противоположно. Если такие две пылинки попадают на атом серебра в экране, то в зависимости от времени их прилета к электрону в атоме, они либо будут стараться перетянуть этот электрон на следующий уровень в атоме, либо одна пылинка будет тянуть этот электрон на другой уровень, а вторая будет тащить этот электрон в обратную сторону. В результате одни атомы серебра будут иметь один уровень, а другие не изменят своего состояния. А так как начала этих пылинок (подобие Фейнмановых червячков) в волне могут быть сдвинутыми друг относительного друга из-за тепловых флуктуаций при генерации, то полосы темного светлого будут частично размыты.
Вот сюда и надо двигаться. Надо научиться генерировать требуемой энергии фотоны, научится измерять их энергию, понять, как эти частицы энергии содержаться в электроне и как они оттуда извлекаются и как упаковываются обратно и так далее, то есть необходимо работать с реально существующими физическими объектами.
Конечно, можно сказать, что и комплексные коэффициенты тоже реальные физические объекты, ибо им соответствует определенная энергетическая конфигурация нейротрансмиттеров в мозге определенных людей. Но это субъективный реальный физический объект. Возможно, что в мозгу Роджера Пенроуза и некоторых других ученых он выражен достаточно ярко, а у других, особенно начинающих изучать эту теорию, такие конфигурации сначала проявляются слабо, мало активизируется нейротрансмиттеров, ни как не устанавливаются между ними связи. Но затем все это связывается больше и больше и вот вроде вырисовывается картина реально существующего объекта с некоторой смутной неуверенностью. И эта смутная неуверенность кроется в отсутствии покрытия этого объекта объективной реальностью. Мы умрем, исчезнут комплексные коэффициенты, мнимые единицы, сфера Римана, уравнение Шредингера, а электрон как излучал и поглощал фотоны, так и будет продолжать это дело.
Вывод из сказанного можно сделать следующий. В заявке “Начало квантовой теории” нет ничего квантового, кроме констатации наличия фотона. И то не понятно, как он связан с квантом.
