Фундаментальные модели неклассической физики

То, что человечество узнало о законах природы до ХХ в., в основном, относится к классической физике. Она дает прекрасное количественное описание природы на макроуровне, когда микроструктуру материи и неконтролируемое воздействие на нее можно не учитывать.

Материя на макроуровне предстает перед нами в двух качественно различных формах: вещества, состоящего из дискретных частиц, описываемых классической механикой Ньютона, и непрерывного электромагнитного излучения, описываемого классической электродинамикой Максвелла. Открытие столь разных форм материи явилось выдающимся достижением физики. Но в нем отсутствовало фундаментальное единство в описании природы.

Классическое описание природы обладает тем преимуществом, что оно совершенно не зависит от масштабов физической системы, поэтому применимо как на макро-, так и на микроуровне без каких-либо различий между ними.

Дальнейшее исследование строения материи привело на рубеже XIX и XX веков к открытию качественно определенных элементов материи на микроуровне – атомов, электронов и фотонов. На первый план выдвинулся принцип атомизма, дискретности любых форм материи и неделимости ее физических характеристик. Оказалось, что полное описание систем таких микрочастиц должно включать наряду с привычными физическими характеристиками, качественно новые характеристики микросостояний физической системы. Единое описание природы, включающее характеристики микросостояний физической системы, было начато в рамках квантовой физики. Только с появлением квантовых идей открылась возможность последовательного изучения природы и формирования неклассического взгляда на нее как единое целое.

После того как квантовая физика получила всеобщее признание, выяснилось, что отличный от классического взгляд на природу давно развивался в рамках термодинамики (т.е. тепловой, или статистической, физики). В настоящее время можно считать, что квантовая и статистическая физика при описании природы совместно реализуют неклассическую стратегию познания. Как уже отмечалось выше, главной особенностью такой стратегии является последовательный учет неконтролируемого внешнего воздействия на материальные объекты. В итоге оказалось, что физическая реальность не сводится только к характеристикам материальных объектов самих по себе. Неотъемлемой частью этой реальности является внешнее окружение, создающее неконтролируемое воздействие на объект. Его характеристики, которые определяют состояние материального объекта, также могут наблюдаться на опыте.

Смысл понятия состояния связан с вероятностями наблюдения определенных значений характеристик объектов. Задать состояние объекта можно не только через распределение вероятности наблюдаемых характеристик. В неклассической физике его можно задать и через другие величины (квантовые числа, температуру и т.п.), также наблюдаемые на опыте., в частности,, от некоторых из них зависят физические характеристики объектов самих по себе. Тем самым физические характеристики объекта несут на себе «печать» его состояния.

Поскольку в неклассической физике при изучении природы центр внимания переносится на внешнее окружение объектов, вполне естественно, что моделированию подлежат в этом случае не сами материальные объекты, а их состояния. К настоящему моменту наиболее хорошо изучены два качественно различных типа неконтролируемого воздействия на объект. В соответствии с этим можно ввести и две фундаментальные модели состояний объектов. Одна из них получила наибольшее распространение при описании явлений микромира в отсутствии тепловых эффектов. Эту модель состояний можно назвать квантоводинамической или микросостоянием. Другая фундаментальная модель состояния оказалась наиболее эффективной при описании макроскопических явлений в тепловом равновесии или вблизи него. Она позволяет описывать, прежде всего, состояния в макромире и может быть названа термодинамической, или макросостоянием.

Квантоводинамическая модель состояния отражает в своих характеристиках такие факты, как наблюдаемое в природе принципиальное различие между большим и малым, устойчивость микрообъектов при наличии их структурной сложности. Свойства квантоводинамической модели состояния отражают вероятностный характер описания движения микрообъектов, фундаментальную роль внешнего окружения в подготовке состояний и проведении в них измерений физических величин.

Неожиданные с классической точки зрения особенности микросостояний в квантоводинамической модели проявляются в возможности их своеобразного сложения и разложения по правилам, сходным с правилами сложения и разложения векторов на плоскости (принцип суперпозиции). Это означает, что материальный объект, находясь в каком-то микросостоянии, может одновременно частично находиться и в других микросостояниях. Подготовка квантоводинамических состояний связана с выбором условий внешнего окружения, включая прибор, используемый человеком. В результате данная физическая величина в произвольном микросостоянии задана лишь в среднем, а ее наблюдаемые значения испытывают отклонения от среднего.

При изучении все более сложных и тонких объектов микромира приходится иметь дело со многими физическими величинами, отсутствующими в макромире. Эти величины – характеристики внутренних состояний целостных, но сложных объектов, которые в классическом смысле слова не имеют структуры. Интересно так же отметить, что квантоводинамическая модель состояния в некоторых случаях оказывается применимой и к макрообъектам (сверхпроводники, лазеры, транзисторы). Тем самым, она связана не с какой-то спецификой микромира, а с квантовым воздействием.

В своих характеристиках термодинамическая модель состояния отражает возможность описывать поведение материальных объектов, находящихся в тепловом равновесии или вблизи него, испытать еще одно неконтролируемое воздействие, называемое тепловым воздействием. В этих условиях появляется возможность сокращенного описания состояния объектов, когда их удается охарактеризовать небольшим числом макропараметров. Неконтролируемое тепловое воздействие в термодинамической модели состояния проявляет себя двояко.

Во-первых, для описания особенностей теплового равновесия приходится использовать принципиально новые, также наблюдаемые на опыте характеристики или макропараметры типа температуры или энтропии, не имеющие аналогов в микромире. Во-вторых, все макропараметры также в действительности испытывают отклонения от средних значений, которые существенно сказываются на результатах измерений. В этом отражается вероятностный характер описания в термодинамической модели, который сближает ее с квантоводинамической моделью.

В конце концов выясняется, что термодинамическая модель состояния в определенных условиях применима не только к макрообъектам. Это означает, что она во всех случаях отражает специфику теплового неконтролируемого воздействия.

Таким образом, описание природы в неклассической стратегии познания существенно связано с использованием фундаментальных моделей состояния – квантоводинамической и термодинамической, позволяющих отразить другую сторону физической реальности, воплощенную в неконтролируемом воздействии внешнего окружения. Наиболее существенно в этом описании то, что состояние физической системы оказывается вполне доступным для наблюдения и измерения физических характеристик. Обе фундаментальные модели состояния, в принципе, применимы к любым объектам природы. Но, как и в классической стратегии познания, здесь существуют предпочтения. Квантоводинамическая модель состояния преимущественно используется в физике микромира, термодинамическая модель – в основном, в физике макромира.

Контрольные вопросы:

1. Почему с неклассической точки зрения прибор оказывается неидеальным каналом связи между экспериментатором и исследуемым объектом?

2. Что является источником возмущающего воздействия прибора, если в рассуждениях придерживаться неклассической стратегии мышления?

3. Какие величины служат характеристиками макроусловий, окружающих исследуемый объект в эксперименте?

4. Почему среднее значение исследуемой характеристики не содержит полной информации о ее поведении?

5. Каким набором характеристик описывается поведение системы «объект плюс окружение»?

6. Каким понятием описывается макроскопическая обстановка, в которой находится исследуемый объект?

7. Какую роль играют характеристики объекта и характеристики его состояния в отражении целостности системы «объект плюс его окружение»?

8. Перечислите фундаментальные модели неклассической физики и опишите специфику каждой из них.

9. Что сближает квантоводинамическую и термодинамическую модели состояний?