Ограничение воздействия на микроуровне как фундаментальный закон природы

Мы знаем еще со школы да и на собственном опыте о проявлении атомизма вещества. Свойства атомов, электронов и атомных ядер довольно трудно сочетать с законами классической физики. В последних отсутствует отличающий большой материальный объект от малого, тогда как в природе наблюдается четкое различие по размерам и другим свойствам между микрообъектами (атомы, молекулы и их составные части) и макроскопическими телами. Поскольку это различие универсально, оно должно быть связано с каким-то общим свойством, присущим микромиру в целом, а не со свойствами каких-то конкретных атомов или типов действующих в них сил.

То, что позволяет различать микро- и макрообъекты, может служить реакция материального объекта на внешнее воздействие, включая воздействие, с которым связано любое наблюдение за объектом. В классической физике предполагается, что воздействие при наблюдении всегда можно сделать пренебрежимо малым независимо от размеров и других свойств объекта. Т.к. атомы обладают близкими по величине размерами и энергиями связи, естественно было бы допустить, что в самой природе существует ограничение на минимальное значение любого воздействия на материальный объект, включая самое аккуратное его наблюдение.

Следовательно, объективный критерий, позволяющий отличить большие объекты от малых, можно было бы сформулировать так: если объект таков, что минимальным квантовым воздействием на него можно пренебречь, то это макрообъект; если же объект таков, что минимальным квантовым воздействием на него пренебречь нельзя, то это микрообъект. Природа устроена так, что в ней существует min «порция» («атом») квантового воздействия. Новый фундаментальный закон природы–существование универсального ограничения на величину квантового воздействия.

Для нахождения соответствующей «порции» необходим тщательный анализ экспериментов. Как мы знаем, при воздействии меняются – все вместе или порознь – энергия, импульс и момент материального объекта. Если уж воздействие в природе характеризуется некой минимальной порцией, то этот факт должен единообразно сказываться на всех физических величинах, которые передаются объекту при воздействии.

Заслуга распространения принципа атомизма принадлежит М. Планку. Непосредственным поводом, приведшим его к открытию нового фундаментального закона природы, послужило исследование процессов испускания и поглощения электромагнитного излучения нагретыми твердыми телами при постоянной температуре (теплового излучение). Подчеркнем его черты, существенные для понимания революционной идеи Планка.

Характерной особенностью рассмотренной им системы было то, что в ней взаимодействовали два материальных объекта: атомы вещества и электромагнитное излучение. Результаты опытов не зависели от типа вещества и зависели лишь от такой общей характеристики электромагнитного излучения, как частота w, так что здесь видно, что это универсальное явление. Все попытки предшественников Планка и его самого объяснить экспериментальные данные по тепловому излучению с точки зрения классической физики закончились неудачей. Тогда в конце 1900 года Планк первым осознал, что причина неудач связана с концепцией, присущей классическому взгляду на природу. Тщательный анализ экспериментальных законов теплового излучения привел его к выводу, что их можно без труда объяснить, если предположить, что воздействие электромагнитного излучения на атомы вещества происходит отдельными дискретными «порциями», отличными от нуля.

Согласно идее Планка, универсальной количественной характеристикой минимального квантового воздействия на объекты, находящиеся в микросостояния, служит постоянная Планка Дж×с, или элементарный квант действия. Любое воздействие, происходящее в природе, можно охарактеризовать целым числом квантов действия , так что постоянная Планка играет роль неделимой более «порции» или «атома» воздействия.

К настоящему времени идея Планка обоснована бесчисленными опытами с самыми различными объектами в микросостояниях, из которых следует одно и то же значение . Они подтвердили универсальный характер постоянной Планка, характеризующей не какое-то конкретное микросостояние объекта или конкретное воздействие (включая наблюдение), а фундаментальный закон природы – «атомизм» всякого воздействия.

Универсальный характер постоянной Планка проявляется и в том, что через нее могут быть выражены любые физические характеристики, которыми обмениваются два взаимодействующих объекта (из которых один обязательно микроскопичен).

Когда открытый ранее атомизм вещества и электричества был дополнен идеей Планка об атомизме воздействия и его физических характеристик. Дальнейшая разработка этой идеи и применение ее к объяснению все новых и новых экспериментов в микромире привели в конце 20-х годов XX в. к созданию квантовой физики.

Значение открытия Планка, его квантовой гипотезы не сводится только к построению еще одной фундаментальной физической теории, речь идет о принципиальном изменении взгляда на природу и методы познания ее человеком. Величайшее достижение квантовой физики состоит в том, что она позволила последовательно развить качественно новый, неклассический взгляд на природу.

Открытие Планка, с одной стороны, создало основу для объяснения существования в природе атомизма, а с другой стороны, показало всю ограниченность, всю «классичность» самого принципа атомизма. Как известно, классическая физика знает только одну форму описания сложной системы – это составная система, т.е. система, состоящая из каких-то более элементарных объектов.

Ситуация коренным образом изменилась с установлением фундаментальной роли в природе постоянной Планка . Можно утверждать, что фундаментальные физические характеристики обладают определенной целостностью и дальнейшему дроблению не подлежат. В этом смысле классический принцип атомизма себя полностью исчерпал.