В начале XX в. физика более-менее освоил два своеобразных виды объективной реальности: дискретную атомистическую вещество и непрерывное электромагнитное поле. Эти противоположные характеристики дискретности и непрерывности выступили в физике того времени независимыми.
С возникновением квантовых представлений начинается диалектический синтез противоположностей непрерывного и непрерывного.
В квантовой механике важную методологическую роль играют категории прерывности и непрерывности, поскольку все большее значение для теории и практики приобретает изучение волновых и корпускулярных свойств физических объектов. Известно, что представление о частицы и волны в классической физике основывались на резком противопоставлении частиц и волн, на полном взаимоисключения их свойств. Во многих отношениях свойства волн и частиц рассматривались как прямо противоположные. Частицы характеризовались такими свойствами, как масса, пространственная локализация (определенность объекта), непроницаемость. Потом было установлено, что некоторые частицы могут быть носителями электрического заряда. Движение частиц в определенной системе отсчета характеризовался определенным траекториям. Если внешних сил нет, то частицы имеют постоянные импульс и энергию. Взаимодействие частиц рассматривалась как различные виды столкновений (упругие и неупругие, центральные и нецен-тральные), при которых происходит обмен импульсами и энергиями. Каждая частица вещества переносит энергию и импульс, а также массу из одного места в другое.
Волны в классической физике рассматривались как поток возмущений среды, под которыми понимали деформации его поверхности (например, морские волны), его сжатия и разрежения (звуковые волны), изменение его электромагнитного состояния (электромагнитные волны). Волны характеризуются периодичностью значений определенных параметров возмущения среды в пространстве и времени, т.е. повторяемостью их, например, максимальных возмущений среды (амплитуда) через определенные промежутки времени (период колебаний) и на определенных расстояниях в пространстве (длина волны). Волны, распространяющиеся в пространстве, не переносят вещество, но переносят энергию и импульс. Волны не имеют определенных траекторий, хотя и распространяются в пространстве в определенных направлениях. Если нет препятствия для распространения волны, то она заполняет все пространство и, следовательно, для нее характерно отсутствие пространственной локализации. Основными параметрами волны являются: длина, частота, амплитуда и фаза. Важнейшее свойство волн - их способность огибать препятствия и при соответствующих условиях накладываться друг на друга (интерферировать).
Итак, в классической физике волны отличаются от частиц: волны имеют ряд существенных признаков непрерывности, а частицы, наоборот, дискретности. Однако классическая физика накопила большой материал для установления связи между прерывность и непрерывностью в явлениях природы. Хотя установление связи между теми или иными противоположными сторонами еще не означает установление единства. Понятие единства включает в себя не только наличие взаимосвязи, но и наличие взаимопереходов, взаимопроникновение и отождествление противоположностей. Установление единства прерывности и непрерывности на материале единства частиц и волн стало достоянием новой квантовой физики. Понятие частицы и волны - это в понятия, характеризующие предельные состояния объектов природы.
Важное значение в раскрытии единства волн и частиц, а следовательно, непрерывности и дискретности, имела теория де Бройля, которая установила всеобщность соответствии импульсно-энергетических параметров частиц таким специфическим параметрам колебаний и волн, как длина волны и частота колебаний. По этой теории энергия и частота, импульс и длина волны пропорциональны не только в волновых процессах, но и в процессах движения частиц. Это означает, что частицы могут иметь специфические для волны свойства (дифракцию, интерференцию, поляризацию).
JI. де Бройль проделал с веществом «операцию», противоположную той, которую А. Эйнштейн выполнил со световыми волнами. Как А. Эйнштейн сравнил непрерывную волну с дискретным фотоном, так де Бройль сравнил дискретную частицу с непрерывной волной. Он своеобразно распространил на частицы вещества соотношение корпускулярных и волновых характеристик, которые были открыты для фотонов.
Общий ход рассуждений де Бройля можно представить примерно так. Еще в 20-х годах XIX в. У. Гамильтон установил так называемую оптико-механическую аналогию. Оказалось, что основные законы геометрической оптики и классической механики можно описать математически в одинаковой форме, сравнив соответственно движение частицы в некотором силовом поле и движение светового луча в оптически неоднородной среде. В то время в науке господствовали геометрическая оптика и ньютонов-ская механика и речь об их аналогию. Позже было развито волновую оптику, отдельной составляющей которой является геометрическая оптика. Де Бройль решил расширить оптико-механическую аналогию В. Гамильто-на и поставить в соответствие волновой оптике некоторую волновую механику, которая должна иметь две характерные черты: 1) быть к волновой оптики в отношении, аналогичном отношению классической механики и геометрической оптики, 2) включать в себя классическую механику как предельный случай, так же как волновая оптика включает геометрическую. Эту новую механику де Бройль не случайно назвал волновой, поскольку ее основная черта и заключалась в предоставлении частицам вещества волновых свойств, подобно тому как это делается для фотонов.
Он получил соотношение (16.1), которое любой частице с массой m ставит в соответствие определенную длину волны ?. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных (энергия Е и импульс р), так и волновых (частота v и длина волны ?) свойств. Речь идет о внутреннем органическую связь корпускулярных и волновых свойств, что отражается в основных
соотношениях Е = hv и р = у. Эти соотношения сделают невозможным-
?
ют хранение только одного из рассмотренных аспектов - корпускулярного или волнового, ибо каждый из них вводится через противоположный себе с помощью элементарного кванта действия, является константой связи этих двух аспектов, ключом, что позволяет переходить от одного аспекта к другому.
Гипотеза де Бройля о волновые свойства микрочастиц получила сразу прямые экспериментальные подтверждения в опытах по дифракции электронов. Без учета волновых свойств микрочастиц невозможно было объяснить естественную и искусственную радиоактивности. Вылета частиц из ядра атома с энергией, меньше высоты потенциального барьера, можно объяснить лишь утечкой, проникновением их через барьер, то есть туннельным эффектом. А это может быть только тогда, когда микрочастинци свойственны как дискретные, так и волновые свойства.
Развивая идеи JI. де Бройля, Э. Шредингер завершил создание волновой механики. Он открыл основной закон движения микрообъектов - волновое уравнение (16.11). Это уравнение описывает изменение со временем особой величины - так называемой волновой функции, или \ | /-функции, характеризующей состояние электрона или любой другой частицы. В сфере своей компетенции (движения микрообъектов со скоростями, значительно меньше скорости света) квантовая механика, точнее нерелятивист-ская механика, дает полное описание физических явлений.
Учитывая пропорциональность между энергией и массой, можно утверждать, что частица с малой массой является волной, а не частицей. Справедливо обратное утверждение: чем больше масса частицы и чем быстрее она движется, тем ярче проявляются его корпускулярные свойства. Для частиц, имеющих только массу движения, их существование в виде частиц возможно только при движении с предельной скоростью передачи взаимодействия, то есть со скоростью света в вакууме. Фо-тона-кванты электромагнитного поля существуют лишь при такой скорости.
Следовательно, проявление в материальных объектов корпускулярных или волновых свойств зависит от таких параметров движения. Поскольку эти параметры изменяются, то они являются относительными по различным взаимодействиям, а следовательно, относительными есть и их корпускулярные и волновые свойства.
В одних взаимодействиях объект ведет себя как частица, в других - как волна. В предельных экстремальных случаях, а именно при минимальных значениях энергии, частица ведет себя как волна, а при максимальных значениях энергии - как частица. Итак, в процессе взаимодействия, во время движения объектов природы они ведут себя либо как частицы, или как волны относительно своих состояний взаимодействия и движения. Отсюда напрашивается вывод, что понятие о частицы и волны могут быть применены к одному и тому же объекту, что эти понятия и тождественны, и одновременно отличные, а следовательно, тождественны и одновременно отличные более общие понятия прерывности и непрерывности, которые положены в основу понятий частицы и волны.
Оперируя в квантовой механике понятиями частицы и волны, дискретности и непрерывности, постоянно переходим от различия их в тождества и наоборот. Эти переходы от различия их в тождества и от тождества к их отличия составляют суть единства понятий о волну и частицу, дискретность и непрерывность, отражающих одну сторону диалектики самой природы. Единство тождества и различия, присущая прерывности и непрерывности, проявляется также через единство волновых и корпускулярных свойств объектов природы, а один из аспектов в единстве этих свойств - их аналогия друг другу, соответствие и взаимозаменяемость.
Следовательно, нет никаких оснований для разделения объектов природы на частицы и волны. Речь идет лишь о том, что объекты природы имеют взаимосвязанных типа свойств: корпускулярные и волновые. Поскольку в том или ином объекте природы на первый план выступает то один, то другой тип его свойств, то образы частицы и волны имеют объективное содержание. Понятие волны и частицы не находятся в отношении взаимного исключения, оба они необходимы для описания микрообъектов в различных взаимосвязях и взаимодействиях. А. Фок справедливо отмечал, что при наличии у микрообъектов корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальные возможности, которые при изменении условий существования микрообъектов могут проявиться. Единство прерывности и непрерывности в существовании микрообъектов отнюдь не нарушается, а проявляется через единство возможности и действительности. То, что в действительности есть непрерывно, в возможности - непрерывное и наоборот.
Корпускулярно-волновой дуализм является одной из форм проявления диалектики прерывности - непрерывности, но в современной физике (квантовой физике, теории элементарных частиц) он чаще выступает в форме метафизического обособления или суммирования двух свойств: корпускулярных и волновых.
Очевидно, будущее развитие физики приведет к более адекватного отражения с помощью ее теорий диалектики прерывности и непрерывности.
Материальные объекты, процессы и явления характеризуются диалектическим единством прерывности и непрерывности. Непрерывность, целостность объекта, процесса является фундаментом последующих образований новой непрерывности через систему взаимодействующих частей (прерывности) этой непрерывности.
Контрольные вопросы и задания
1. Назовите основные методы наблюдения заряженных частиц.
2. Какие вы знаете методы регистрации заряженных частиц? Охарактеризуйте основные из них.
3. С какой целью ускоряют заряженные частицы? Каковы основные принципы и отличия ускорения заряженных частиц линейным ускорителем и циклотроном?
4. Какие атомы называют изотопами, изобарами, изомерами?
5. Какой химический элемент имеет атомное ядро с символическим обозначением 55 X? Сколько нуклонов в этом ядре?
6. Что называют массовым числом?
7. Как вычислить энергию связи атомного ядра? Что такое «дефект массы» и упаковочный коэффициент?
8. Капельная и оболочечная модели ядра атома. В чем их отличие? Какие числа принято считать магическими для нуклонов?
9. Охарактеризуйте a-, ?-и у-излучения.
10. При ?-распаде радиоактивного вещества его атомные ядра теряют всегда одинаковую энергию. Почему же энергетический спектр ?-частиц оказался сплошным?
11. Сформулируйте законы смещения при радиоактивном распаде.
12. В каких единицах выражается стала распада?
13. Дайте определение периода полураспада.
14. Для каких элементов по ядерные реакции деления? Какие условия цепной реакции?
15. При каких условиях реализуются реакции термоядерного синтеза и с какими элементами?
16. Как вы понимаете двоединисть корпускулярных и волновых свойств вещества?