ПРОБЛЕМЫ ПРИЧИННОСТИ В КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ И КЛАССИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОДИНАМИКЕ

                                               ¹Стукалов В.И., ²Шаляпин А.Л.

¹Уральский государственный технический университет, Екатеринбург, stukalovvi@mail.ru

²Институт машиноведения, УрО РАН, Екатеринбург, shalyapinal@mail.ru

 

            Теоретическая физика (ТФ) – одно из величайших достижений человеческой культуры. Ее влияние на современную цивилизацию огромно, и оно не только в том, что ТФ – важнейшая составляющая фундамента новейших технологий. Очевидна ее роль и в формировании современного мировоззрения. Такие философские категории как причинность, случайность, детерминизм и многие другие, наполнились благодаря ее достижениям новым содержанием [1]. Невозможно также переоценить роль ТФ как одной из базовых систем современного образовательного процесса. В этой связи интересны ретроспективные оценки успехов физических наук, достигнутых за последние сто лет. Спектр таких оценок предельно разнообразен – от “золотого века ТФ” до кризисного состояния науки. Действительно, можно указать на довольно-таки обширный круг исследователей, которые могли бы согласиться с тем, что “несмотря на несомненные успехи квантовой теории волновых полей, в ней обнаруживаются глубокие внутренние пороки, приводящие к таким расходимостям и бесконечностям, которые, по-видимому, не могут быть полностью устранены без существенного изменения исходных принципов построения теории. Что же касается проблемы структуры элементарных частиц, то даже одна ее постановка в рамках этой теории встречается с препятствиями принципиального характера, ибо самые элементарные частицы рассматриваются лишь как квантовые возбуждения “вакуума”, и бесструктурность частиц как бы заложена в самих исходных представлениях и постулатах квантовой теории”.

Примечательно, что не только Г.А. Лоренц, представитель “старой школы” физиков, в свое время “усиленно настаивал на том, что по его убеждению, ТФ должна оставаться детерминистической и продолжать использовать ясные образы в классических рамках пространства и времени”. Но также и основоположник “новой школы” великий Н.Бор неоднократно настаивал на том, что “решающим является признание следующего положения: как бы сильно явления ни превосходили возможностей их объяснения в рамках классической физики, описание всех опытных данных должно вестись при помощи классических понятий"[3].

Каково же на самом деле положение дел в современной ТФ относительно некоторых ключевых проблем и категорий, к которым, в первую очередь, могут быть отнесены такие понятия как “электрический заряд”, ”физические силовые поля”, “физический вакуум или эфир”, вопросы причинности и дополнительности? Трудно оставить без внимания мнение классика ТФ, выдающегося физика современности Р.Фейнмана: “Уловка, при помощи которой мы находим m и e имеет специальное название - «перенормировка». Но каким бы умным ни было слово, я назвал бы ее “дурацким” приемом! Необходимость прибегнуть к такому “фокусу-покусу” не позволила нам показать математическую самосогласованность квантовой электродинамики. Удивительно, что до сих пор самосогласованность квантовой электродинамики, этой теории, не доказана тем или иным способом: я подозреваю, что перенормировка математически незаконна” [4]. Еще больший интерес представляет честная и прямолинейная позиция Р. Фейнмана относительно возможной природы физических силовых полей: “Единственное, что можно сейчас сказать – что вопрос о том, чем скреплен электрон, вызвал много трудностей при попытке создать полную теорию электромагнетизма. И ответа на этот вопрос так и не получили... Немало изобретательности было потрачено на то, чтобы помочь людям мысленно представить поведение полей. И самая правильная точка зрения – это самая отвлеченная: надо просто рассматривать поля как математические функции координат и времени. Лучше всего пользоваться абстрактными представлениями о поле. Жаль, конечно, что оно абстрактно, но ничего не поделаешь” [5]. К этому можно добавить и более простой пример из экспериментальных наблюдений: “Два атома, находящиеся по соседству, рассеивают в четыре раза большую мощность, три атома – в 9 раз и т.д. С точки зрения квантовой теории это совершенно необъяснимо. Волновая теория Максвелла справляется с этим легко” [6]. В связи с приведенными примерами полезно упомянуть авторов работы [7]:

«...если в рамках квантовой механики ряд явлений остается необъяснимым, то это свидетельствует о том, что должны возникнуть новые более совершенные теории, в рамках которых эти явления найдут свое объяснение».

            При детальном ознакомлении с современной квантовой электродинамикой авторы пришли к заключению, что данная теория не лишена внутренних противоречий и парадоксов, что для нее характерно в целом ряде случаев отсутствие причинно- следственных и логических связей. Об этом же пишет  в своей работе Фейнман [4]: «Квантовая электродинамика дает совершенно абсурдное с точки зрения здравого смысла описание Природы… Так что я надеюсь, что вы сможете принять Природу такой, как Она есть - абсурдной». Авторы работы [8] предложили альтернативные пути решения некоторых ключевых задач, которые не были своевременно решены в рамках классической электродинамики. С учетом волновых процессов, происходящих в физическом вакууме, рассматривается новый подход к раскрытию природы электрических сил. При этом физический вакуум выступает в роли переносчика силовых взаимодействий. С использованием квазиупругой модели физического вакуума естественным путем получен вывод уравнений Максвелла и других уравнений электродинамики (калибровка Лоренца, сила Лоренца, запаздывающие потенциалы и др.), многие из которых считались до последнего времени не выводимыми и просто постулировались, исходя из опыта. Исходя из этих же представлений, можно понять природу массы частиц, природу ядерных взаимодействий и гравитации.

На конкретных примерах показано, как хорошо проработанная классическая электродинамика и статистическая физика могут справиться с задачами, ранее считавшимися неразрешимыми в рамках классической физики. Это:  электромагнитная устойчивость планетарного атома, нахождение функций распределения электронной плотности и функций распределения электронов по импульсам, электромагнитный механизм дифракции микрочастиц на монокристаллах, закономерности фотоэффекта с классической точки зрения, последовательный вывод уравнения Шредингера и других уравнений статистической атомной физики на основе теоремы Лиувилля и спектрального метода Фурье, спектр излучения абсолютно черного тела и др.

            Поскольку все выведенные в работе уравнения совпадают с хорошо известными уравнениями, то уравнения статистической атомной физики и квантовой механики остались здесь неизменными, за исключением отдельных терминов. И эти термины полностью соответствуют представлениям классической физики. Например, вместо термина “волновая функция” используется термин “комплексная амплитуда функции распределения” в спектральном Фурье-анализе, вместо термина “волновое уравнение” Шредингера применяется более естественное название уравнения как “закон сохранения полной энергии в спектральном методе Фурье”. При этом замена некоторой динамической переменной оператором или производной по сопряженной переменной полностью соответствует методу Фурье.

            Более последовательным и логичным подходом к рассмотрению динамики силовых полей, на наш взгляд, является не преобразование электромагнитных полей при переходе в  подвижную систему координат, а учет деформации силового поля за счет запаздывания рассеянных продольных кулоновских волн при движении электрона в физическом вакууме. По поводу продольных волн кулоновского поля ничего не говорится в учебниках физики, хотя и признается существование продольных волн в плазме в электродинамике сплошных сред. Как нам представляется, именно эти волны и определяют, главным образом, все силовые взаимодействия между частицами в физическом вакууме. Хорошо известно, что кулоновское электрическое поле распространяется в физическом вакууме и в других средах не мгновенно, а в виде некоторого волнового процесса со скоростью с. По этой причине и были введены в электродинамике силовые запаздывающие потенциалы Льенара и Вихерта. Чтобы ощутить реальность продольных кулоновских волн, достаточно вспомнить тот факт, что при передаче электроэнергии по проводам в них с огромной скоростью, близкой к скорости света, двигаются не электроны, а передается именно такая продольная волна, которая многократно рассеивается  на электронах вещества. Эта же продольная волна проходит достаточно свободно и через конденсатор в цепи.

При таком подходе достаточно хорошо удается объяснить природу электрического заряда электрона и позитрона как способность этих частиц рассеивать в различной фазе нулевые колебания физического вакуума. Эти колебания вакуума, являясь по своей природе случайными волнами в сплошной среде, проявляют себя как изотропное реликтовое излучение со сплошным спектром. Эти же колебания при воздействии на электроны атомов приводят к сдвигу Лэмба в спектрах водородоподобных атомов.

            На основе предложенного авторами подхода закладывается прочный фундамент для успешного развития физики ХХI века. Наконец, появилась надежда вывести теоретическую физику из глубокого затянувшегося кризиса. Переход от абстрактного математического моделирования к описанию реальных процессов и явлений, к раскрытию механизмов физических явлений – только так можно наиболее полно решить проблему физики и реальности, рассматриваемую на протяжении многих десятилетий классиками науки. Физика, как точная наука, должна представлять собой стройную систему знаний, связанную логически в единое целое. С построением фундамента теории дальнейшее развитие физики как теоретической, так и экспериментальной приобретет вполне осмысленный и рациональный характер. Каждая новая идея должна пройти тщательную проверку на достоверность, т.е. быть тщательно согласована со всеми известными законами физики. Особенностью классических теорий является то, что все они обладают преемственностью. Это означает наличие тесной логической связи между отдельными теориями и разделами физики, постепенный и непрерывный переход из одной теории в другую, минуя ломку каких-либо понятий, законов и принципов. Классические физические теории представляют собой единую, стройную, логически связанную систему знаний. Характерная черта этой системы – ее материалистичность, поскольку все ее построения основываются на материальных телах, материальных средах, их движениях и на реальных силовых полях. Энергия рассматривается как мера движения материи. Математика в классической теории подчинена физике, но ни в коем случае не наоборот и у исследователя выполняет лишь роль инструмента для вычислений.

Впервые для студентов появилась реальная возможность иметь полный успех в изучении современной физики, благодаря глубокому пониманию и освоению материала в рамках классических представлений. В результате прохождения курса общей физики, с учетом этих открытий, студент приобретет надлежащее современное мировоззрение и умение логически мыслить.

           

Цитируемая литература

1.        Изюмов Ю.А. Теоретическая физика: итоги века. – “Наука Урала”, № 22, 1999.

2.        Вопросы причинности в квантовой механике. Сборник переводов. Под редакцией Я.П. Терлецкого и А.А. Гусева. М.: ИЛ, 1955.

3.        Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. М.: ИЛ, 1961.

4.        Фейнман Р. КЭД - странная теория света и вещества. М.:Наука,1988.

5.        Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Электродинамика. М.: Мир, 1977.        Вып. 6. С. 305, 321.

6.        Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. М.: Мир, 1977. Вып. 3, 4.

7.        Соколов А.А., Тернов И.М., Жуковский Б.Ч. Квантовая механика. М.: Наука, 1979.

8.        Шаляпин А.Л.,  Стукалов В.И.  Введение  в  классическую электродинамику и атомную физику. Екатеринбург. Изд-во УГТУ, 1999.