2.13. Квантовое поведение или единая полевая среда
Каким образом в непрерывном поле возникают дискретные изменения? Этот вопрос поставил в тупик исследователей еще в конце XIX века. Одним из аспектов проблемы служила ультрафиолетовая катастрофа. Другим – стационарность атомных орбит и дискретность их спектров. Это были самые первые эффекты, послужившие толчком к развитию квантовой физики, потребовавшей заменить непрерывные поля набором дискретных частиц в согласии с корпускулярно-волновым дуализмом.
Проведя краткий обзор следствий полевой модели для классической и релятивистской физики, мы теперь уделим немного внимания возникновению квантовых эффектов. И основный вывод состоит в том, что непрерывная полевая среда может обладать дискретными состояниями! И ее свойства также могут меняться дискретно. И для этого нет необходимости постулировать дуализм волн и частиц. Как и изобретать виртуальные частицы, которые служили бы переносчиками взаимодействий. В полевой физике опять все решается намного проще!
Следуя духу нашего исследования, начнем с распространения на квантовые эффекты основных идей модели полевой среды, обозначенных в начале этой главы. Однако теперь мы уже не будем говорить об обособленных полевых оболочках, когда частиц немного, они достаточно удалены друг от друга и самостоятельны, а полевые связи между ними невелики. В квантовых условиях все как раз наоборот! При значительном сближении частиц приближение отдельных полевых оболочек уже не годится. Полевая среда группы частиц, находящихся на малом расстоянии друг от друга, представляет собой единую структуру со сложными общими свойствами.
Это означает, что в условиях малых расстояний мы должны от классической концепции полевых оболочек перейти к концепции единой полевой среды. На малых расстояниях связи между частицами гораздо сильнее и роль полевой среды как основного участника и переносчика взаимодействий заметно возрастает. Ее уже нельзя поделить между взаимодействующими частицами в виде обособленных оболочек, которые созвучны с представлениями о том, что частицы создают поля.
В условиях единой полевой среды мы уже не можем говорить об обособленном движении одной отдельной частицы под действием поля, созданного другими частицами. (Хотя как мы видели ранее, даже в классической физике этот подход не совсем корректен.) В единой полевой среде первостепенное значение приобретает движение самой полевой среды. А все частицы движутся под влиянием этой среды. Часто это движение является коллективным, когда каждая частица неотделима от движения всех остальных частиц.
Другими словами, в модели единой полевой среды понятие того, что частицы создают поле, вообще теряет смысл. В классической физике с некими натяжками так можно было сказать, как в хорошую погоду можно говорить о том, что плывущие корабли создают волны на воде. И у каждого корабля есть свой след. А влияние среды на корабли сводится к наличию лишь слабой ряби на воде, которая разбегается от одного корабля к остальным и слегка покачивает их (рисунок 2.13.1).
В плохую погоду все происходит уже совсем не так, и становится понятно, что именно океан – настоящий хозяин ситуации. Все корабли своим движением уже не оказывают почти никакого влияния на бушующее море, а наоборот, становятся беспомощными марионетками общих штормовых волн. А сами волны движутся в согласии с законами стихии, независимо от наличия или отсутствия кораблей на поверхности моря (рисунок 2.13.2).
Это модель квантового поведения. Динамика единой полевой среды так же отличается от динамики выделенных полевых оболочек, как штормовое море от спокойного. Если в модели полевых оболочек в большей степени движение самих частиц определяет все эффекты, а полевая среда служит только их переносчиком, то в модели единого поля все определяется динамикой самой полевой среды. Это особенно актуально для микрочастиц, которые гораздо сильнее подвержены влиянию полевой среды, нежели макрообъекты.
Вооружившись первыми представлениями о единой полевой среде, попробуем на качественном уровне понять природу основных квантовых эффектов. Например, в чем состоит принципиальное различие между многоэлектронным атомом и Солнечной системой? И как мы уже догадались, дело здесь вот в чем. Электронная система в атоме в отличие от планетной системы связана единой полевой оболочкой. И происходит это потому, что в атоме все частицы находятся в гораздо меньшей области пространства и сами они значительно мельче, в результате чего влияние полевой среды на них оказывается определяющим. Похоже, что размер имеет значение!
Изучая движение планет, мы можем оперировать представлениями о собственной полевой оболочке каждой планеты. В результате этого траектория каждой планеты может иметь непрерывно изменяемые характеристики. Располагаться чуть ближе к Солнцу или чуть дальше от него, двигаться чуть быстрее или чуть медленнее. И влияние всех остальных планет вносит лишь незначительные поправки в это движение. Отклонения орбит планет Солнечной системы от идеальных эллипсов, связанные с их взаимным влиянием, крайне невелики и имеют порядок вычисленного несколькими разделами выше аномального смещения перигелия Меркурия. Таким образом, каждая планета, похоже, является в достаточной мере обособленной и слабосвязанной с другими планетами. Похожим образом мы можем запустить на орбиту Земли искусственный спутник, задав любую нужную нам высоту его орбиты путем сообщения спутнику соответствующей скорости.
С электронами в атоме все обстоит иначе. Каждый электрон не обладает своей полевой оболочкой. Его движение нельзя описать в виде силы, действующей на него со стороны каждого отдельного электрона, а также со стороны атомного ядра. Описанию поддается только единая система частиц – ядро и совокупность всех электронов. Частиц, «встроенных» в единую полевую оболочку, которая и определяет движение всей системы.
Если мы попробуем совсем немного изменить траекторию одной из планет, то принципиально динамика Солнечной системы не изменится. Движение всех остальных планет исказится незначительно, как мы видели на примере Меркурия – какие-то считанные угловые секунды в столетие. Но изменить траекторию одного отдельного электрона в единой полевой среде не так-то просто. Потому что на самом деле это уже не изменение траектории одного только электрона. Это изменение характеристик всей полевой среды. И если такое пусть даже совсем небольшое изменение траектории электрона приводит к изменению собственных частот колебания единой полевой оболочки и перестройке стоячих волн, то полевая среда очень быстро вернет электрон на место!
Ну а если смещение орбиты электрона не столь уж малое, а достаточно значительное? Происходящее, скажем, под действием интенсивных внешних полей, способных произвести изменения не только в движении электрона, но и в движении самой полевой среды? Тогда, конечно, изменения произойдут. Но произойдут они не на сколь угодно малую величину, а существенным образом, возможно, даже качественно изменив свойства системы частиц. Другими словами, единая полевая оболочка, подверженная сложной внутренней динамике, может изменять свое состояние только под действием существенных причин, и это изменение будет связано только с переходом в другое уравновешенное состояние.
С чем это связано? С тем, что чем больше частиц и чем сильнее связи между ними, тем сложнее достигнуть баланса системы, согласовать все условия. Это обстоятельство очень хорошо видно на примере человеческого коллектива. Достаточно сложно бывает согласовать интересы всех людей, когда они находятся не на достаточном «расстоянии» друг от друга, а в стесненных условиях. Например, живут в одной квартире или работают в одном помещении. В этих условиях, порой, вообще оказывается невозможным найти общий компромисс сосуществования, и коллектив распадается. Если же компромисс и существует, то может оказаться возможной только одна или небольшое конечное количество структур, при которых коллектив сбалансирован. И нередко плавный переход от одной структуры взаимоотношений к другой невозможен – он происходит только благодаря резким революционным переменам.
Подобным образом некоторые группы частиц в принципе не могут образовать связанное состояние. Например, мы не наблюдаем связанного состояния двух протонов или двух нейтронов. Зато оказывается возможным связанное состояние протона и нейтрона. А вот четверка из двух протонов и двух нейтронов, крайне стабильна и ведет себя подобно единой частице, получившей в свое время название альфа-частицы, когда еще не была известна ее внутренняя структура.
Все эти примеры приводят нас к представлению об устойчивых и неустойчивых состояниях группы частиц и их единой полевой оболочки. Нечто подобное есть и в классической механике, но там понятие устойчивости часто не играет принципиальной роли. Например, мы можем рассмотреть поверхность, состоящую из бугров и впадин. Если пустить по ней шарик, то он, в общем-то, может находиться в любой точке этой поверхности. Но в большинстве из них только очень недолгое время. Например, на склоне он всегда должен катиться в какую-нибудь сторону. На вершине бугра он, в принципе, мог бы задержаться и надолго, но это положение неустойчивое. Малейшее возмущение приведет к тому, что он скатится с него. Зато впадины представляют собой идеальное место для «отдыха». Здесь шарик может застрять надолго. Пока мы не подтолкнем его сильнее, чтобы он мог катиться дальше. Хотя со временем он снова застрянет в очередной впадине. (Имеется в виду, что по мере движения шарик теряет часть энергии на трение.)
В этом примере важную роль приобретает понятие устойчивых положений. Причем нечто подобное используют и в квантовой механике для описания движения частиц в потенциальной яме. Только шарик катается довольно медленно, и мы успеваем за ним следить. А если это движение снять на видео и прокрутить гораздо быстрее? Тогда мы перестанем успевать следить за шариком, и нам будет казаться, что он как бы прыгает из одной ямы в другую. А потом лежит или крутится в одной из них, пока не получит очередной толчок и не перепрыгнет в очередную яму. Следует отметить, что элементарные частицы двигаются гораздо быстрее нашего шарика – их скорости часто бывают близки к световым, поэтому и возникает эффект дискретных квантовых скачков.
В модели полевой среды этот пример перестает быть отвлеченным. Потому что «нарисованная» нами поверхность – это и есть реально существующая полевая среда! Бугры соответствуют областям высокой плотности, впадины – малой. В связанном состоянии с группой частиц полевая среда имеет определенную конфигурацию плотности, в которой каждая частица занимает свое место. Или имеет свою стационарную орбиту. Это соответствует устойчивому состоянию всей системы.
Различные малые флуктуации могут приводить к небольшим искажениям устойчивого состояния системы. И здесь возможны два варианта развития событий. Либо эти малые изменения «гасятся» полевой средой и пропадают вообще. (Они могут также сохраняться в виде небольших локальных колебаний среды, дополнительных гармоник.) Либо они влекут за собой все большие и большие изменения, в результате чего вся система перестраивается в другое устойчивое состояние. Учитывая очень большую скорость распространения полевых возмущений (скорость света) и малые области пространства, в которых все это происходит, становится понятной кажущаяся мгновенность таких переходов. Полевая среда и связанные с ней частицы очень быстро проскакивают все неустойчивые состояния и занимают ближайшую устойчивую конфигурацию.
Теперь осталось только применить эти представления к известным эффектам. Например, мы начинаем понимать, почему атом не излучает свет по классическим законам. Излучение атома становится возможным только благодаря изменению всей конфигурации единой полевой среды, что описывается в современной физике в терминах квантового перехода электрона на другой уровень. Электрон мог бы излучать непрерывно, если бы обладал обособленной полевой оболочкой, как это происходит со свободным электроном. А в атоме он вынужден учитывать «мнение» коллектива.
В условиях малых расстояний и сильных полей, а также большого количества частиц полевая среда является единым целым и не может быть представлена в виде набора полевых оболочек отдельных частиц. Важными свойствами подобной единой полевой оболочки являются коллективные эффекты, наличие выделенных устойчивых состояний, образующих дискретный спектр, а также изменение свойств группы частиц путем резкого перехода от одного устойчивого состояния к другому.