Քվանտների նշանակությունը

Հեղափոխություն  ֆիզիկայում

Լուի դը Բրոյլը մեր դարաշրջանի մեծագույն ֆիզիկոսներից է, քվանտային տեսության հիմնադիրներից մեկը:  Հեղինակը շատ մատչելի ցույց է տալիս, թե մեր օրերում ֆիզիկայի զարգացման մեջ ինչ շրջադարձ է կատարել քվանտային տեսությունը: Ամբողջ գիրքը գրված է որպես հիմնական պատկերացումների, որոնք անխուսափելիորեն պետք է հանգեցնեին և իսկապես հանգեցրեցին քվանտային մեխանիկայի ստեղծմանը, պատմական ակնարկ:
Դը Բրոյլն ամբողջ քվանտային տեսությունը շարադրում է առանց մի բանաձևի:
Նրա գիրքն անկասկած հետաքրքրություն է ներկայացնում ֆիզիկոսների լայն շրջանի, ժամանակակից ֆիզիկա սովորող ուսանողների և ֆիզիկայի հաջողություններով հետքրքրվողների համար:

Հատված ռուսերեն թարգմանության ներածությունից

Ընթերցողի ուշադրությանը ներկայացվող գիրքը գրված է հայտնի գիտնականներից մեկի կողմից, ով ինքը անմիջական մասնակցություն է ունեցել քվանտային ֆիզիկայի զարգացմանը այն փուլում, երբ այն իր առաջին քայլերն էր անում:  Սա այն ոչ շատ գրքերից է, որտեղ հանրամատչելի և բավականին ամբողջական շարադրված է ոչ ռելյատիվիստիկ քվանտային տեսությունը, ինչը արդեն դասական է դարձել, բայց դեռևս բավականին հասկանալի և բավականին ծանոթ չէ նրանց, ով անմիջապս չի զբաղվում ֆիզիկայի այս բնագավառով:

Սա հանրամատչելի գրականության լավագույն օրինակ է, որտեղ հեղինակը երբեք չի դիմում ընթերցողի նկատմամբ արհամարհական վերաբերմունքի վատ ոճին,  որն արտահայտվում է նրանով, որ որոշ բարձր և անհասանելի նյութեր փորձում են շատ պարզունակ, «մատներով» և գռեհիկ «նկարների» միջոցով բացատրել իրենց կարծիքով թերզարգացած ընթերցողին: Ընդհակառակը, սա լուրջ խոսակցություն է լուրջ և դժվար հարցերի մասին, որը ընթերցողից ենթադրում է նույնպիսի մտավոր լարում, ինչ ստիպված է անել հեղինակը, որպեսզի դժվար հարցերը հնարավորին չափ պարզ և մատչելի շարադրի:

Գիրքը հանրամատչելի է դարձնում այն, որ շարադրելիս բացարձակապես չի օգտագործվում մաթեմատիկական ապարատ, և ընթերցողից հատուկ գիտելիքներ չեն պահանջվում: Նրանից պահանջվում է միայն ընդհանուր բարեկրթություն և բարի կամք, որը խթանում է առարկայի նկատմամբ հետաքրքրասիրությունը: 

Ներծություն: Քվանտների նշանակությունը

1. Ինչո՞ւ պետք է իմանալ քվանտների մասին
Շատերը, նայելով այս փոքրիկ գրքույկի վերնագրին, անկասկած, կվախենան «քվանտ» խորհրդավոր բառից: Իսկապես, նույնիսկ հարաբերականության տեսության մասին, որ վերջին տարիներին աշխույժ քննարկվել է, ընթերցողների լայն շրջանակ շատ աղոտ պատկերացում ունի: Ինչ վերաբերում է քվանտային տեսությանը, դրա մասին, իմ կարծիքով, ընթերցողն ավելի աղոտ պատկերացում ունի: Եվ սա ներելի է, ճիշտ է, ախր քվանտները շատ խորհրդավոր են:
Ինչ ինձ է վերաբերում, քվանտներով սկսել եմ զբաղվել, երբ մոտ քսան տարեկան էի, և շարունակել եմ զբաղվել քառորդ դար շարունակ: Այնուամենայնիվ, պետք է ազնվորեն խոստովանեմ, եթե անգամ այս ամբողջ ընթացքում հասել եմ այդ խնդիրը մի քանի կողմից ավելի խորը ըմբռնելուն, բայց չեմ կարող դեռ միանգամայն վստահ ասել` ինչ է թաքնված քվանտների իրական դեմքը թաքցնող դիմակի ետևում: Այնուամենայնիվ ինձ թվում է, որ չնայած վերջին դարերում ֆիզիկայի առաջընթացի ամբողջ կարևորությանը, գիտնականներն ի վիճակի չէին երևույթների էությունը խորապես հասկանալու, մինչև չիմացան քվանտների գոյության մասին: Քանի որ առանց քվանտների հնարավոր չէր պատկերացնել ո´չ լույսը, ո´չ նյութը:

Կարելի է հասկանալ, թե մարդկային բուն գիտելիքի զարգացման ուղղությամբ ինչ էական ազդեցություն է եղել այն օրը, երբ քվանտները խորամանկորեն թափանցեցին գիտություն: Հենց այդ օրը դասական ֆիզիկայի շքեղ ու մեծ շենքը ցնցվեց մինչև հիմքերը, չնայած դեռ ոչ ոք իրեն հստակ հաշիվ չէր տվել այդ մասին: Գիտության պամության մեջ սրան հավասար ուժի ստորգետնյա ցնցումները շատ չեն:

Եվ միայն հիմա կարող ենք հասկանալ և գնահատել կատարված հեղափոխության մեծությունը և կարևորությունը: Դեկարտի գաղափարներին հավատարիմ` դասական ֆիզիկան Տիեզերքը պատկերում էր մի հսկայական մեխանիզմի տեսքով, որի վարքը կարելի է բացարձակ ճշգրտությամբ նկարագրել՝ տալով նրա բոլոր մասերի դիրքը տարածության մեջ և դիրքի փոփոխությունը ժամանակի մեջ. մեխանիզմ, որի վարքը կարելի է սկզբունքորեն բացարձակ ճիշտ կանխատեսել` իմանալով նրա սկզբնական վիճակը որոշող որոշ թվով պարամետրեր: Սակայն այդպիսի տեսակետը հիմնվում էր մի քանի վարկածների վրա, որոնք այդ ժամանակ արվում էին, և որոնց արդարացիությունն ակնհայտ էր թվում: Դրանցից մեկն այն է, որ տարածության և ժամանակի այն տիրույթը, որտեղ մենք համարյա բնազդորեն ձգտում են տեղավորել մեր զգացումները, բացարձակորեն կոշտ և որոշված տիրույթ է, և այնտեղ յուրաքանչյուր ֆիզիկական երևույթ սկզբունքորեն կարող է խիստ տեղայնացվել՝ անկախ այդ երևույթը ղեկավարող բոլոր դինամիկ պրոցեսներից: Դրա համար էլ ֆիզիկական աշխարհի ամբողջ զարգացումը ժամանակի ընթացքում տարածության մեջ մարմինների դիրքի փոփոխությանն էր հանգեցվում: Հենց այդ պատճառով էլ դասական ֆիզիկայում դինամիկ մեծությունները, ինչպես էներգիան և շարժման քանակը, հանդես են գալիս որպես արագություն հասկացության միջոցով կազմված ածանցյալներ: Այսպիսով, կինեմատիկան դառնում է դինամիկայի հիմքը:

Քվանտային ֆիզիկայում վիճակը միանգամայն այլ է: Գործողության քվանտի գոյությունը հանգեցնում է տարածության ու ժամանակի մեջ խիստ սահմանափակվածության հայեցակարգի և դինամիկ զարգացման հայեցակարգի հակասությանը: Դրանցից յուրաքանչյուրը առանձին կարող է օգտագործվել շրջակա աշխարհը նկարագրելու համար: Սակայն չի կարելի դրանք միաժամանակ օգտագործել՝ ամբողջ խստությամբ: Տարածության և ժամանակի մեջ ճշգրիտ տեղայնացումը մի տեսակ ստատիկ իդեալականացում է, որը բացառում է որևէ զարգացում և շարժում:  Շարժման վիճակի հասկացությունը, վերցված մաքուր տեսքով, հակառակը, դինամիկ իդեալիզացիա է, որը հակասում է դիրքի և ժամանակի պահի ճշգրիտ հասկացությանը:

Քվանտային տեսության շրջանակում ֆիզիկական աշխարհը չի կարելի նկարագրել՝ առանց այս կամ այն չափով օգտվելու իրար հակասող այս երկու հասկացություններից մեկն ու մեկից: Այսպիսով, այն ելնում է իր տեսակի փոխզիջումից, Հեյզենբերգի հայտնի անորոշությունների սկզբունքը մեզ ցույց է տալիս, թե ինչ չափով է այդ փոխզիջումը հնարավոր: Նոր տեսության արդյունքներից է նաև այն հետևությունը, որ կինեմատիկան արդեն ինքնուրույն ֆիզիկական իմաստ ունեցող գիտություն չէ: Դասական մեխանիկայում կարելի էր տարածության մեջ տեղափոխությունն ուսումնասիրել և այդպիսով որոշել արագությունը և արագացումը, անկախ նրանից, թե ֆիզիկապես ինչպես են իրականացվում այդ տեղափոխությունները: Հետո, նոր ֆիզիկական սկզբունքներ ներմուծելով, շարժման օրենքների այդ վերացարկված ուսումնասիրությունից կարելի է անցնել դինամիկային: Նման ճանապարհը քվանտային մեխանիկայում սկզբունքորեն անընդունելի է, քանի որ կինեմատիկայի հիմքում ընկած տարածա-ժամանակային տեղայնացումը հնարավոր է միայն մի քանի մասնավոր դեպքում, որ որոշվում են շարժման դինամիկ կոնկրետ պայմաններով:  Հետագայում կտեսնենք, թե ինչու մեծամասշտաբ երևույթներն ուսումնասիրելիս լրիվ թույլատրելի է կինեմատիկայի օրենքներից օգտվելը: Սակայն, երբ անցնում ենք ատոմի չափսերի երևույթներն ուսումնասիրելուն, որտեղ քվանտները գլխավոր դեր են խաղում, կարելի ասել, որ կինեմատիկան, որպես շարժման մասին գիտություն՝ անկախ բոլոր դինամիկ պայմաններից, լրիվ կորցնում է իր նշանակությունը: 

Դասական ֆիզիկայի հիմքում մյուս էական ենթադրությունն այն է, որ չափման պրոցեսի ազդեցությունն ուսումնասիրվող երևույթի բնական ընթացքի վրա, համապատասխան նախազգուշական միջոցների դեպքում, կարելի է սկզբունքորեն աննշան դարձնել: Այլ կերպ ասած, ենթադրվում է, որ փորձը կարելի է այնպես կատարել, որ ուսումնասիրվող երևույթի վրա դրա առաջացրած ազդեցությունը փոքր լինի՝ որքան ցանկանանք: Այսպիսի ենթադրությունը կարող է ճիշտ համարվել մեծ չափսերում ընթացող երևույթների համար: Իսկ ատոմային աշխարհի երևույթների համար այն ճիշտ չի լինում: Դա կապված է գործողության քվանտի գոյության և այն բանի հետ, որ, ինչպես ցույց է տվել Հեյզենբերգի և Բորի նուրբ վերլուծությունը, տրված համակարգը բնորոշող ցանկացած մեծություն չափելը հանգեցնում է այդ համակարգի հատկությունները որոշող այլ մեծությունների անկառավարելի փոփոխությունների: Ավելի ճիշտ, որևէ մեծության չափումը, որը թույլ է տալիս որոշել համակարգի դիրքը տարածության և ժամանակի մեջ, որպես հետևանք հանգեցնում է համակարգի դինամիկ վիճակը որոշող համալուծ մեծության անկառավարելի փոփոխության:  Մասնավորապես, անհնար է դառնում նույն պահին ճշգրիտ չափել երկու համալուծ մեծություններ:

Հիմա հասկանալի է՝ ինչ իմաստով կարելի է ասել, որ գործողության քվանտի գոյությունը անհամատեղելի է դարձնում համակարգի տարբեր մասերի տարածական-ժամանակային տեղայնացումը նրա որոշակի դինամիկ վիճակի հետ, քանի որ համակարգի տեղայնացման համար պետք է ճշգրիտ իմանալ մի շարք մեծություններ, որոնց չափումը իր հերթին բացառում է համակարգի դինամիկ վիճակը բնութագրող համապատասխան համալուծ մեծության որոշումը, և հակառակը: Քվանտների գոյությունը շատ յուրահատուկ կերպով որոշում է այն խռովքի մեծության ներքին սահմանը, որ ֆիզիկոսը ներդնում է ուսումնասիրվող համակարգը չափելիս: Այսպիսով, դասական ֆիզիկայի հիմքում դրված ենթադրություններից մեկը հերքված է, և այդ փաստի նշանակությունը շատ մեծ է:

Եվ այսպես, պարզվում է, որ երբեք չի կարելի ճշգրիտ իմանալ մեծությունների կեսից ավելին, որ անհրաժեշտ են համակարգը դասական տեսանկյունից նկարագրելու համար: Համակարգը բնութագրող որևէ մեծության արժեքն այնքան անորոշ է, որքան ավելի մեծ ճշտությամբ է հայտնի նրա համալուծ մեծության արժեքը: Այստեղից բխում է բնության երևույթների դետերմինիզմի նկատմամբ հին և նոր ֆիզիկաների տեսակետների էական տարբերությունը:

Դասական ֆիզիկայի տեսանկյունից ժամանակի որևէ պահի համակարգի տարբեր մասերի դիրքը որոշող մեծությունների և համապատասխան համալուծ դինամիկ մեծությունների  արժեքներն իմանալը լրիվ բավական է, գոնե սկզբունքորեն, համակարգի վիճակը ժամանակի հաջորդ պահերին նկարագրելու համար: Իմանալով ժամանակի t0 պահին համակարգի վիճակը նկարագրող x0, y0... մեծությունների ճշգրիտ արժեքները, կարելի է միարժեքորեն կանխատեսել՝ ինչ x, y... արժեքներ կունենան այդ մեծությունները, եթե որոշենք դրանք ժամանակի որևէ t պահի: Սա հետևում է մեխանիկական և ֆիզիկական տեսությունների հիմքում դրված հավասարումներից, և այդ հավասարումների ուղղակի մաթեմատիկական հատկություն է:

Ներկայից ելնելով՝ ապագա երևույթները ճշգրիտ կանխատեսելու հնարավորության մասին պնդումները, և այն, որ ապագան որոշակի իմաստով ամբողջությամբ պարունակվում է ներկայում և նրան ոչինչ չի կարող ավելացնել, հենց այն է, ինչը անվանում են բնության երևույթների դետերմինիզմ: Բայց ճշգրիտ որոշելու նման հնարավորությունը ենթադրում է ժամանակի որոշակի պահի տարածության մեջ դիրքը նկարագրող և դրան համալուծ դինամիկ փոփոխականի մեծությունների ճշգրիտ որոշում: Բայց փոխադարձ համալուծ մեծությունների հենց այդպիսի միաժամանակյա որոշումն անհնար է քվանտային մեխանիկայի տեսանկյունից: Եվ դրա հետ  են կապված էական փոփոխությունները, որոնք տեղի են ունեցել ժամանակակից տեսական ֆիզիկայի հնարավորությունների ընկալման և բնության երևույթների փոխկապակցվածության միջև:
Քանի որ համակարգի վիճակը բնութագրող մեծությունների արժեքները ժամանակի t0 պահին հնարավոր է պարզել որոշակի անորոշությամբ, ֆիզիկոսը համապատասխանաբար արդեն չի կարող ճշգրիտ կանխատեսել, թե ինչպիսին կլինեն այդ մեծությունների արժեքները ժամանակի հետագա որևէ պահի: Նա կարող է միայն կանխատեսել այն հավանականությունը, որ ժամանակի հետագա t պահին այդ մեծությունները որոշելիս կստանանք այդ մեծության այս կամ այն արժեքները: Հաջորդական չափումների արդյունքների միջև կապը, որ երևույթների քանակական կողմն է բացատրում, արդեն դասական դետերմինիզմին հատուկ պատճառական կապը չի լինի: Այն ավելի շուտ անորոշության հետ միակ համատեղելի հավանակային կապը կլինի, որը բխում է գործողության քվանտի գոյությունից: Հենց սա է ֆիզիկական օրենքների նկատմամբ մեր տեսանյան հիմնական փոփոխությունը, փոփոխություն, որի փիլիսոփայական բոլոր հետևանքները, մեզ թվում է, դեռ մտածված չեն:

Նորագույն տեսական ֆիզիկայի զարգացման արդյունքում հայտնվեցին երկու կարևոր գաղափար` Բորի լրացնելիության սկզբունքը և պատկերացումների սահմանափակության սկզբունքը: Բորը առաջինը նկատեց, որ նոր քվանտային ֆիզիկայում (այն տեսքով, որ նրան տվեց ալիքային մեխանիկան) մասնիկի և ալիքի, տարածական-ժամանակային տեղայնացման և լրիվ որոշակի դինամիկ վիճակի հասկացությունները լրացուցիչ են: Դրանով նա նկատի ուներ, որ դիտարկվող երևույթների լրիվ նկարագրությունը պահանջում է այդ երկու հասկացությունների օգտագործում, բայց այնուամենայնիվ ինչ-որ իմաստով դրանք համատեղելի չեն իրար հետ: Դրանց առաջացրած պատկերները երբեք հնարավոր չէ միաժամանակ օգտագործել իրականությունը նկարագրելիս: Օրինակ, ատոմային ֆիզիկայում դիտարկվող մեծ թվով երևույթներ կարելի է բացատրել միայն մասնիկի հասկացությունից ելնելով: Հետևաբար ֆիզիկոսին անհրաժեշտ  է այդ հասկացությունն օգտագործելը: Նմանապես մեծ թվով երևույթներ բացատրելու համար էլ անհրաժեշտ է օգտվել ալիքի հասկացությունից:  Բնության երևույթները նկարագրելու համար այս երկու պատկերացումներից մեկի հետևողական կիրառումը, խիստ ասած, բացառում է մյուսի կիրառումը: Սակայն իրականում որոշ պրոցեսներ նկարագրելու համար օգտագործում են երկու հասկացություններն էլ, և, չնայած նրանց հակասական բնույթի, պետք է կիրառել դրանցից մեկը կամ մյուսը՝ իրավիճակից կախված:

Նույն իրավիճակն է նաև տարածական-ժամանակային տեղայնացման և լրիվ որոշված դինամիկ վիճակի հասկացությունների դեպքում. դրանք նույնպես լրացուցիչ են, ինչպես մասնիկների և ալիքների հասկացությունը,  որոնց հետ, ինչպես շուտով կտեսնենք, դրանք սերտորեն կապված են: Կարելի է հարցնել, թե ինչու երբեք այս երկու իրար հակասող հասկացությունների կիրառությունը անհեթեթության չեն հասցնում: Ինչպես արդեն ասել ենք, դա կապված է այն բանի հետ, որ չի կարելի միաժամանակ որոշել բոլոր մանրամասները, որոնք թույլ կտային ամբողջությամբ ճշտել այս երկու պատկերացումները: Մաթեմատիկայի լեզվով ասած` դա արտահայտվում է անորոշությունների Հեյզենբերգի սկզբունքով, որն ի վերջո գործողության քվանտի գոյության հետևանք է: Այսպես ամբողջ պարզությամբ երևում է քվանտների բացահայտման հսկայական նշանակությունը ժամանակակից տեսական ֆիզիկայի զարգացման վրա:

Բորի լրացնելիության սկզբունքի հետ սերտորեն կապված է պատկերացումների սահմանափակության սկզբունքը: Այդպիսի պարզ պատկերները, ինչպիսիք են մասնիկը, ալիքը, տարածության մեջ ճշգրիտ տեղակայված կետը, միանգամայն որոշակի շարժման վիճակը, ըստ էության  վերացարկումներ, գաղափարականացումներ են: Շատ դեպքերում այդ գաղափարականացումները մոտավորապես համապատասխանում են իրերի իրական վիճակին, չնայած կիրառման որոշակի սահմաններ ունեն: Այս վերացարկումներից յուրաքանչյուրի կիրառությունը հնարավոր է, քանի դեռ անհրաժեշտ չի դառնում «լրացուցիչ» վերացարկման կիրառումը: Այսպիսով, կարելի է ասել, որ մասնիկները գոյություն ունեն, քանի որ մեծ թվով ֆիզիկական երևույթներ կարելի է բացատրել միայն այն դեպքում, եթե ընդունենք նրանց գոյությունը: Սակայն ուրիշ երևույթներում մասնիկային բնույթը ավելի կամ պակաս շղարշված է, և պարզ երևում է գործընթացի միայն ալիքային բնույթը:

Մեր կողմից ստեղծված շատ թե քիչ սխմատիկ վերացարկումները կարող են արտացոլել տարբեր երևույթների մի քանի կողմերը, բայց ամեն դեպքում դրանք սահմանափակ են և նրանց կարծր շրջանակներում չի տեղավորվում իրականության ամբողջ հարստությունը: 

Չենք ցանկանում ձգձգել նոր հեռանկարների այս նախնական նկարագրությունը, որը մեզ հնարավորություն տվեց ընդհանուր գծերով դիտարկել քվանտային ֆիզիկայի զարգացումը: Դեռ առիթ կունենանք մանրամասն անդրադառնալու դիտարկված հարցերից յուրաքանչյուրին` շարադրմանը զուգահեռ լրացնելով և խորացնելով: Այստեղ ասվածն արդեն բավական է, որ ընթերցողին ցույց տանք, թե որքան խորն ու հետաքրքիր է քվանտային տեսությունը: Այն ոչ միայն կյանքի կոչեց գիտության նոր ճյուղ՝ ատոմային ֆիզիկան, առավել կենսունակ և գրավիչ, այլ անվիճելիորեն ընդարձակեց մեր պատկերացումներն աշխարհի մասին և հասցրեց շատ նոր գաղափարների ծնունդի, որոնք, անկասկած, խորը հետք կթողնեն մարդկային մտքի պատմության մեջ: Հենց այդ պատճառով քվանտային ֆիզիկան հետաքրքիր է ոչ միայն մասնագետների համար, այն արժանի է յուրաքանչյուր կիրթ մարդու ուշադրությանը:

Թարգմանություն ռուսերենից