Александр Байков - LENIN CREW ~ 42 мин

Введение

Мак­си­маль­ная ско­рость пере­ме­ще­ния, абсо­лют­ный нуль тем­пе­ра­туры, квант дей­ствия, гра­ви­та­ци­он­ная син­гу­ляр­ность… — физика прочно ассо­ци­и­ру­ется в обще­ствен­ном созна­нии с пре­дель­ными явле­ни­ями. Эти явле­ния трудны для изу­че­ния, их едва ли можно постичь вооб­ра­же­нием, но они оста­ются очень при­тя­га­тель­ными для фило­соф­ского размышления. 

Эле­мен­тар­ные частицы — одно из таких пре­дель­ных явле­ний. Раз­ви­тие суб­атом­ной физики в XX веке вновь поро­дило широ­кий инте­рес к фило­соф­ской теме дис­крет­но­сти мате­рии. Над осмыс­ле­нием эле­мен­тар­но­сти частиц тру­ди­лись мно­гие физики по всему миру, а сами частицы то полу­чали ста­тус эле­мен­тар­ных, то теряли его вслед за новыми откры­ти­ями в физике. И если сам атом, его ядро, про­тон и ней­трон, когда-то счи­тав­ши­еся эле­мен­тар­ными, уже давно тако­выми не счи­та­ются, то элек­трон сохра­нил этот ста­тус по сей день.

При­нято счи­тать, что элек­трон явля­ется эле­мен­тар­ной части­цей, то есть таким объ­ек­том, кото­рый явля­ется частью, эле­мен­том дру­гих объ­ек­тов, но сам суще­ствует только как целый и соб­ствен­ных частей, эле­мен­тов не имеет1 2 . Также часто пред­по­ла­га­ется, что он не имеет и раз­мера, пред­став­ляя собой «точеч­ный заряд». 

Идея бес­струк­тур­ного и точеч­ного элек­трона не может удо­вле­тво­рить инте­реса и пока­зы­вает лишь недо­ста­ток совре­мен­ных зна­ний о струк­туре эле­мен­тар­ных частиц. Выра­жа­ясь язы­ком эмпи­ризма, струк­тура элек­трона ещё не обна­ру­жена. Дей­стви­тельно, даже совре­мен­ная экс­пе­ри­мен­таль­ная тех­ника, несмотря на гром­кие успехи, вынуж­дена лишь ука­зы­вать пре­дел своих воз­мож­но­стей в обна­ру­же­нии внут­рен­него устрой­ства элек­трона3 .

В то же время вынуж­ден­ная необ­хо­ди­мость воз­дви­гать эпи­сте­мо­ло­ги­че­ские пере­го­родки про­тивна живому мате­ри­а­ли­сти­че­скому позна­нию. Иссле­дуем ли мы мате­рию «вглубь», пере­ходя от мень­шего к мень­шему, или «вширь», пере­ходя от боль­шего к боль­шему, — мы не хотим и не можем оста­но­виться. Даже если мы нако­нец-то най­дём самую мель­чай­шую частицу мате­рии, мы устре­мимся искать частицу поменьше. 

Наблю­дая исто­рию «неде­ли­мо­сти» тех или иных объ­ек­тов, мы при­хо­дим к выводу, что любая неде­ли­мость или эле­мен­тар­ность должна быть услов­ной. Рас­про­стра­не­нию идеи о пол­ной, окон­ча­тель­ной, фун­да­мен­таль­ной эле­мен­тар­но­сти неко­то­рых частиц слу­жит не столько недо­ста­ток эмпи­ри­че­ских дан­ных, сколько недо­ста­ток попу­ляр­ной философии.

Рас­смот­рим про­блему струк­туры элек­трона в раз­ви­тии, при­ни­мая во вни­ма­ние исто­ри­че­скую огра­ни­чен­ность в пони­ма­нии про­блемы на раз­ных эта­пах раз­ви­тия науки.

По тра­ди­ции ато­мизма, кото­рая полу­чила новое дыха­ние в физике вто­рой поло­вины XIX века, элек­трон мыс­лился как неде­ли­мый объ­ект, кото­рый несёт в себе эле­мен­тар­ный, то есть тоже неде­ли­мый, элек­три­че­ский заряд. 

Сомне­ние в эле­мен­тар­но­сти учё­ные выска­зы­вали и в то время. Австрий­ский физик Эрнст Эрен­гафт на осно­ва­нии своих опы­тов при­шёл к выводу, что суще­ствует суб­элек­трон, частица с заря­дом, мень­шим, чем заряд элек­трона. Эту идею оспа­ри­вал аме­ри­ка­нец Мил­ли­кен, кото­рый сво­ими глу­боко про­ду­ман­ными экс­пе­ри­мен­тами уста­но­вил зна­че­ние эле­мен­тар­ного заряда e, близ­кое к совре­мен­ному. Дис­кус­сия о суб­элек­троне про­дол­жа­лась до конца 1920-х годов и затем заглохла. Элек­трон как атом элек­три­че­ства был утвер­ждён эмпи­ри­че­ски, и науч­ная обще­ствен­ность это при­няла4 .

Как искать структуру?

Для начала рас­смот­рим два опре­де­ле­ния поня­тия «струк­тура»:

«Струк­тура — это вза­и­мо­обу­слов­лен­ная сово­куп­ность свя­зей эле­мен­тов в составе системы, опре­де­ля­ю­щая собой её каче­ствен­ную спе­ци­фику»5 .

«Струк­тура (от лат. structura — стро­е­ние, рас­по­ло­же­ние, поря­док) — сово­куп­ность устой­чи­вых свя­зей объ­екта, обес­пе­чи­ва­ю­щих его целост­ность и тож­де­ствен­ность самому себе, то есть сохра­не­ние основ­ных свойств при раз­лич­ных внеш­них и внут­рен­них изме­не­ниях6 .

Выде­лим из этих поня­тий свя­зан­ные кате­го­рии. Струк­тура как каче­ство есть спо­соб связи частей в целом. Обла­дать струк­ту­рой, или, что то же самое, свой­ством струк­ту­ри­ро­ван­но­сти — зна­чит, в первую оче­редь, состо­ять из эле­мен­тов. В пер­вом плане эле­менты отно­сятся к струк­туре как части к целому, но этим их вза­и­мо­опре­де­ле­ние не исчер­пы­ва­ется. Сущ­ность струк­туры заклю­ча­ется в общей связи эле­мен­тов. Связь эле­мен­тов струк­туры — это устой­чи­вые вза­им­ные отно­ше­ния эле­мен­тов друг к другу и к струк­туре в целом

Из этого сде­лаем заклю­че­ние, что те усло­вия, при кото­рых связи между эле­мен­тами суще­ствуют, явля­ются и усло­ви­ями, при кото­рых суще­ствует структура.

Иссле­дуя элек­трон, сперва най­дём связи, в кото­рых заклю­ча­ется про­стран­ствен­ная опре­де­лён­ность целого объ­екта. Будем под­хо­дить к вопросу о струк­туре с этой «внеш­ней» сто­роны про­стран­ствен­ной опре­де­лён­но­сти, и, в первую оче­редь, со сто­роны про­блемы про­тя­жён­но­сти элек­трона. Проще говоря, най­дём его размер.

Шарик

Итак, встаёт вопрос о раз­мере элек­трона, кото­рый в клас­си­че­ской физике пред­став­лялся ато­мом-шари­ком. Харак­тер­ным раз­ме­ром шара явля­ется радиус — его у элек­трона и при­ня­лись искать физики в начале XX века. В конце пер­вого деся­ти­ле­тия был полу­чен «клас­си­че­ский радиус элек­трона». Клас­си­че­ский радиус элек­трона пони­ма­ется как радиус полой сферы, по пло­щади кото­рой рав­но­мерно рас­пре­де­лён заряд, рав­ный заряду элек­трона. Радиус прямо про­пор­ци­о­на­лен квад­рату заряда и обратно про­пор­ци­о­на­лен массе покоя электрона:

Однако спе­ци­аль­ная тео­рия отно­си­тель­но­сти поста­вила под сомне­ния физи­че­ский смысл най­ден­ной вели­чины. Поня­тие раз­мера эле­мен­тар­ной частицы про­ти­во­ре­чит реля­ти­вист­ской тео­рии. В извест­ном курсе тео­ре­ти­че­ской физики Лан­дау и Лиф­шица это обсто­я­тель­ство опи­сано так:

«Оче­видно, что если бы эле­мен­тар­ная частица обла­дала конеч­ными раз­ме­рами, т. е. была бы про­тя­жён­ной, то она не могла бы дефор­ми­ро­ваться, так как поня­тие дефор­ма­ции свя­зано с воз­мож­но­стью неза­ви­си­мого дви­же­ния отдель­ных частей тела.
Но, как мы только что видели, тео­рия отно­си­тель­но­сти пока­зы­вает невоз­мож­ность суще­ство­ва­ния абсо­лютно твёр­дых тел. Таким обра­зом, в клас­си­че­ской (некван­то­вой) реля­ти­вист­ской меха­нике части­цам, кото­рые мы рас­смат­ри­ваем как эле­мен­тар­ные, нельзя при­пи­сы­вать конеч­ных раз­ме­ров. Дру­гими сло­вами, в пре­де­лах клас­си­че­ской тео­рии эле­мен­тар­ные частицы должны рас­смат­ри­ваться как точеч­ные»
7 .

Совет­ский физик Бло­хин­цев пишет:

«Однако ока­за­лось, что все попытки раз­вить тео­рию этого элек­трона-шарика при­во­дили к фун­да­мен­таль­ному про­ти­во­ре­чию с тео­рией отно­си­тель­но­сти. Тео­рия отно­си­тель­но­сти тре­бо­вала, чтобы элек­трон был точеч­ным. Тре­бо­ва­ние же „точеч­но­сти“ элек­трона в свою оче­редь при­во­дит к про­ти­во­ре­чию, потому что энер­гия элек­трона, а вме­сте с тем его масса в этом слу­чае ока­зы­ва­лись бес­ко­неч­ными, что про­ти­во­ре­чило, конечно, и самой отно­си­тель­но­сти. Элек­трон­ная тео­рия имела в то время очень боль­шие успехи, но все успехи были свя­заны с явле­ни­ями, в кото­рых элек­трон высту­пал как точка. К тому же нужно ска­зать, что ника­ких экс­пе­ри­мен­таль­ных средств для иссле­до­ва­ния струк­туры элек­тро­нов, т. е. для иссле­до­ва­ния мас­шта­бов порядка a = 2,8 · (10−13) см, в то время не было. Их и сей­час почти нет [Речь о 1959 г. — А. Б.]»8 .

С воз­ник­но­ве­нием кван­то­вой меха­ники силь­нее пошат­ну­лась идея элек­трона как шарика с опре­де­лён­ным ради­у­сом. Так, в 20-х годах про­шлого века кван­то­вая меха­ника дала новую вели­чину для оценки раз­мера элек­трона — комп­то­нов­скую длину. Это изме­не­ние длины волны фотона, кванта света, при рас­се­я­нии на электроне:

Комп­то­нов­ская длина ока­за­лась в 137 раз больше клас­си­че­ского ради­уса элек­трона, что может пока­заться стран­ным: новая и более точ­ная тео­рия, каза­лось бы, должна была дать более точ­ные резуль­таты. Обе вели­чины были под­твер­ждены мно­же­ством экс­пе­ри­мен­тов. Но обе же вели­чины харак­те­ри­зуют два совер­шенно несо­по­ста­ви­мых по раз­меру шарика. Воз­ни­кает вопрос о физи­че­ском смысле рас­смот­рен­ных вели­чин: какой именно объ­ект они характеризуют?

Это затруд­не­ние при­вело к выводу, что под­хо­дить к струк­туре и раз­меру элек­трона с «клас­си­че­ских» пози­ций нельзя. Комп­то­нов­ская длина волны задала тот мас­штаб, начи­ная с кото­рого ста­но­вятся непри­год­ными обыч­ные кон­цеп­ции раз­мера для частицы. 

Теперь мы шаг­нём из 1923 года, явив­шего нам комп­то­нов­ский эффект, в 1924 год, когда физик Луи де Бройль выска­зал свою гипо­тезу об уни­вер­саль­ном кор­пус­ку­лярно-вол­но­вом дуализме.

Волна

С раз­ви­тием кван­то­вой меха­ники воз­никло пред­став­ле­ние о вол­но­вом пове­де­нии веще­ства. Экс­пе­ри­менты по дифрак­ции элек­тро­нов обна­ру­жили вол­но­вое пове­де­ние, под­твер­див тео­рию. Было уста­нов­лено, что элек­трон как волна имеет вол­но­вую про­стран­ствен­ную харак­те­ри­стику: длину волны. Длина волны элек­трона в атоме водо­рода полу­ча­ется порядка 10−8 см, что в 1000 раз больше комп­то­нов­ской длины и в 100 000 раз больше клас­си­че­ского ради­уса. Это зна­чит, что игно­ри­ро­вать вол­но­вые свой­ства элек­трона нельзя: волна имеет не меньше прав на форму элек­трона, чем шарик.

Под­ход к элек­трону как к волне поме­нял пред­став­ле­ния об иско­мой струк­туре. Можно раз­де­лить волну на эле­менты (гребни, впа­дины, вол­но­вая поверх­ность) и пара­мет­ри­зо­вать их (ампли­туда воз­му­ще­ний, длина волны, частота). Но оста­ется ещё глав­ный вопрос, к кото­рому тяго­теют все осталь­ные. Если волна — это рас­про­стра­не­ние воз­му­ще­ния в про­стран­стве, тогда воз­му­ще­нием какой среды явля­ется электрон? 

Об этом пишет совет­ский физик Блохинцев:

«Вна­чале были попытки рас­смат­ри­вать сами частицы как обра­зо­ва­ния из волн, рас­пре­де­лён­ные в неко­то­рой обла­сти про­стран­ства. Интен­сив­ность волны де Бройля рас­смат­ри­ва­лась в этой кон­цеп­ции как вели­чина, харак­те­ри­зу­ю­щая плот­ность среды, из кото­рой обра­зо­вана частица. Это пони­ма­ние волн де Бройля имело совер­шенно клас­си­че­ский харак­тер. Осно­ва­нием для него слу­жило то обсто­я­тель­ство, что в неко­то­рых, весьма част­ных слу­чаях, ока­за­лось воз­мож­ным (тео­ре­ти­че­ски) постро­ить вол­но­вые обра­зо­ва­ния, дви­же­ние кото­рых сов­па­дает с дви­же­нием частицы, дви­жу­щейся по зако­нам клас­си­че­ской меха­ники»9 .

Осно­во­по­лож­ник кван­то­вой меха­ники, Эрвин Шрё­дин­гер, дал одну из пер­вых интер­пре­та­ций вол­но­вой при­роды, согласно кото­рой элек­трон пред­став­ляет собой вол­но­вой пакет. Собран­ные вме­сте волны лишь кажутся нам части­цей, так как частоты этих волн довольно близки и рас­про­стра­ня­ются они с близ­кой ско­ро­стью, что поз­во­ляет их обна­ру­жить как нечто, плотно запол­ня­ю­щее неболь­шой объём про­стран­ства и сохра­ня­ю­щее свою обособленность.

Рису­нок 1. Ком­пью­тер­ное моде­ли­ро­ва­ние интер­фе­рен­ции двух вол­но­вых паке­тов. Зелё­ная плос­кость — плос­кость X–Y, где встре­ча­ются два элек­трона. Вер­ти­каль­ное зелё­ное направ­ле­ние пока­зы­вает веще­ствен­ную часть вол­но­вой функ­ции. На полу­про­зрач­ной белой плос­ко­сти наверху отоб­ра­жа­ется плот­ность веро­ят­но­сти обна­ру­же­ния частицы (квад­рат модуля вол­но­вой функ­ции) в виде синего пятна.

Если сво­бод­ный элек­трон летит вдаль в виде сгустка волн, то в атоме элек­трон-волна замы­ка­ется на орби­тали и обра­зует сто­я­чую волну. Таким обра­зом, вме­сто шарика, вра­ща­ю­ще­гося вокруг атома, как пла­нета вокруг звезды, элек­трон пред­став­ляет собой нечто, раз­ма­зан­ное по орбите и при этом колеблющееся.

«Э. Шрё­дин­гер рас­смат­ри­вал элек­трон в атоме как отри­ца­тельно заря­жен­ное облако, плот­ность кото­рого про­пор­ци­о­нальна квад­рату зна­че­ния вол­но­вой функ­ции в соот­вет­ству­ю­щей точке атома»10 .

Ком­пью­тер­ное моде­ли­ро­ва­ние интер­фе­рен­ции двух про­ти­во­по­ложно цир­ку­ли­ру­ю­щих элек­тро­нов в атоме водо­рода в элек­тро­маг­нит­ном поле11 .

Поня­тие вол­но­вого пакета пред­по­ла­гает, что волны, из кото­рых он состоит, имеют близ­кие, но не оди­на­ко­вые ско­ро­сти рас­про­стра­не­ния. Разу­ме­ется, эта раз­ница со вре­ме­нем при­во­дит к уда­ле­нию волн друг от друга — вол­но­вой пакет «рас­плы­ва­ется» за довольно малое время, что про­ти­во­ре­чит наблю­да­е­мой ста­биль­но­сти электрона.

Сво­бодно летя­щая частица в виде вол­но­вого пакета. Со вре­ме­нем пакет «рас­плы­ва­ется».

Соб­ственно, элек­трон-волна-облако про­ти­во­ре­чит идеи об эле­мен­тар­но­сти. Каза­лось бы, вот реше­ние про­блемы — отдель­ные волны из вол­но­вого пакета и обра­зуют элек­трон, их соот­но­ше­ние опре­де­ляет его струк­туру. Но модель вол­но­вого пакета не согла­су­ется ни с теми опыт­ными дан­ными, где элек­трон про­яв­ляет себя как частица, ни с теми, где элек­трон про­яв­ляет себя как волна. Вол­но­вой пакет про­ти­во­ре­чит реаль­ной ста­биль­но­сти и целост­но­сти электрона.

Надо при­знать, что Шрё­дин­гер в своём тол­ко­ва­нии под­ме­няет двой­ствен­ность при­роды элек­трона пер­вич­но­стью вол­но­вой при­роды по отно­ше­нию к кор­пус­ку­ляр­ной, тем самым отри­цая двой­ствен­ность. Обрат­ная точка зре­ния состоит в том, что элек­трон-волна-облако состоит из коле­ба­ний более мел­ких частиц, как это имеет место в воз­душ­ных и водя­ных. И это тол­ко­ва­ние также нужно отвергнуть:

«Рав­ным обра­зом нельзя допу­стить, что сами волны явля­ются обра­зо­ва­нием частиц или, точ­нее говоря, воз­ни­кают в среде, обра­зо­ван­ной части­цами. Опыт пока­зы­вает, что дифрак­ци­он­ная кар­тина, воз­ни­ка­ю­щая на фото­пла­стинке, не зави­сит от интен­сив­но­сти пада­ю­щего пучка частиц, а сле­до­ва­тельно, и от плот­но­сти частиц в еди­нице объ­ёма. Чтобы полу­чить одну и ту же дифрак­ци­он­ную кар­тину, можно умень­шить интен­сив­ность, но уве­ли­чи­вать экс­по­зи­цию: важно лишь общее число про­шед­ших частиц. Этот факт опре­де­лённо пока­зы­вает, что каж­дый из элек­тро­нов дифра­ги­рует неза­ви­симо от дру­гих»12 .

Кван­то­вая меха­ника не дала меха­ни­сти­че­ского ответа на вопрос о струк­туре элек­трона, в том смысле, что не загля­нула внутрь шарика. Но она дала много новой инфор­ма­ции о про­стран­ствен­ных харак­те­ри­сти­ках элек­трона. Были опре­де­лены и новые вели­чины, харак­те­ри­зу­ю­щие элек­трон. Напри­мер, элек­трон теперь имеет не только массу и заряд, но ещё и спин и маг­нит­ный момент.

Если кван­то­вая меха­ника так настой­чиво дока­зы­вает, что к малому объ­екту в целом непри­ме­нимы «клас­си­че­ские», по сути — меха­ни­сти­че­ские, пред­став­ле­ния, то эти пред­став­ле­ния непри­ме­нимы и к струк­туре этого объ­екта. Сле­дует отойти и от меха­ни­сти­че­ского пред­став­ле­ния о волне, ана­ло­гич­ной вол­нам на поверх­но­сти воды, потому что рас­про­стра­не­ние кван­то­вой волны про­ис­хо­дит не в при­выч­ном нам про­стран­стве, а в фазо­вом «про­стран­стве» состо­я­ний, кото­рое пред­став­ляет собой опре­де­лён­ный род мате­ма­ти­че­ского мно­же­ства. Вол­но­вая функ­ция харак­те­ри­зует неко­то­рое состо­я­ние кван­то­вого объ­екта, но не внут­рен­нюю струк­туру. Кван­то­вые вели­чины явля­ются харак­те­ри­сти­ками состо­я­ний и пред­став­ляют собой пока­за­тели, внеш­нюю опре­де­лён­ность, кото­рая должна выра­жать внут­рен­нюю.

Вращение и направленность

Можно сде­лать вывод, что кван­то­вая меха­ника не дала ответа на вопрос о струк­туре, но, что не менее важно, уточ­нила поста­новку этого вопроса. Кроме того, кван­то­вая меха­ника не смогла решить про­блему бес­ко­неч­ной массы элек­трона. Макс Борн и Лео­польд Инфельд в 1934 г. пред­ло­жили ори­ги­наль­ное реше­ние про­блемы бес­ко­неч­ной массы в обход кван­то­вой меха­ники. Они пре­об­ра­зо­вали клас­си­че­скую элек­тро­маг­нит­ную тео­рию в нели­ней­ную тео­рию. Но с кван­то­вой меха­ни­кой эта тео­рия ока­за­лась несов­ме­стима, и от неё отказались.

Рас­про­стра­нив­ша­яся среди физи­ков и при­ня­тая впо­след­ствии Шрё­дин­ге­ром ста­ти­сти­че­ская интер­пре­та­ция при­знаёт объ­ек­тив­ный харак­тер как вол­но­вых свойств, так и кор­пус­ку­ляр­ных. Но в раз­лич­ных интер­пре­та­циях, раз­ра­бо­тан­ных на основе ста­ти­сти­че­ской, про­сле­жи­ва­ется неко­то­рое «тяго­те­ние смыс­лов» в сто­рону частиц, в сто­рону пер­вич­но­сти кор­пус­ку­ляр­ной природы.

Несмотря на то, что основу пол­но­цен­ной кван­то­вой меха­ники зало­жили вол­но­вая тео­рия Шрё­дин­гера и поня­тие кор­пус­ку­лярно-вол­но­вого дуа­лизма, все мик­ро­объ­екты и в наше время больше пони­ма­ются как частицы. Но спе­ци­фи­че­ские харак­те­ри­стики мик­ро­объ­ек­тов, напри­мер, спин частицы, трудно под­да­ются клас­си­че­ским меха­ни­че­ским представлениям. 

Как может спин харак­те­ри­зо­вать струк­туру элек­трона? Перед тем, как пытаться отве­тить на этот вопрос, про­сле­дим кратко исто­рию откры­тия этого поня­тия. Для этого вер­нёмся в эпоху ста­рой кван­то­вой тео­рии Бора и Зоммерфельда. 

Гипо­тезу об элек­троне, вра­ща­ю­щемся вокруг своей оси, впер­вые пред­ло­жил А. Комп­тон в 1921 г. Но Комп­тон не вос­поль­зо­вался своей идеей для объ­яс­не­ния ано­маль­ного эффекта Зее­мана, и его работа не ока­зала вли­я­ния на даль­ней­ший ход событий.

В 1922 году в опыте Штерна — Гер­лаха была под­твер­ждена гипо­теза Зоммер­фельда о про­стран­ствен­ном кван­то­ва­нии в маг­нит­ном поле. Под этим под­ра­зу­ме­ва­ется дис­крет­ность воз­мож­ных про­стран­ствен­ных ори­ен­та­ций момента импульса. Схема опыта была сле­ду­ю­щей. Неболь­шая печь выпус­кала через отвер­стие сереб­ря­ный пар. Из пара выде­лялся пучок ато­мов серебра, кото­рый про­пус­кался через неод­но­род­ное маг­нит­ное поле и оса­ждался на пла­стинке. В резуль­тате полу­ча­лось, что в поле пучок все­гда рас­щеп­лялся на два, вме­сто того чтобы рав­но­мерно рас­пре­де­литься по пла­стинке. Резуль­тат этого опыта пока­зал, что атомы серебра обла­дают общим момен­том импульса и маг­нит­ным момен­том, кото­рый может при­ни­мать только две ори­ен­та­ции отно­си­тельно направ­ле­ния маг­нит­ного поля.

В 1925 г. немец­кий физик Вольф­ганг Паули, иссле­дуя дуб­лет­ный харак­тер спек­тров щелоч­ных метал­лов, а также ано­маль­ный эффект Зее­мана, выска­зал пред­по­ло­же­ние для объ­яс­не­ния этих явле­ний, согласно кото­рому элек­трону можно при­пи­сать неко­то­рую «дву­знач­ность». Смысл дву­знач­но­сти Паули не объяснил.

В том же 1925 г. Ральф Кро­ниг, узнав об идеях Паули, выска­зал пред­по­ло­же­ние, что эта дву­знач­ность явля­ется резуль­та­том того, что самому элек­трону нужно при­пи­сать момент импульса, рав­ный ½ ħ, и соот­вет­ствен­ный маг­нит­ный момент. Если пол­ный момент отли­ча­ется от орби­таль­ного момента l на ±½, то это озна­чает, что каж­дый элек­трон в допол­не­ние к моменту, свя­зан­ному с орби­таль­ным дви­же­нием, имеет ещё соб­ствен­ный момент с про­ек­цией, рав­ной ±½ ħ, на любое выбран­ное направ­ле­ние. Чтобы интер­пре­ти­ро­вать этот момент дина­ми­че­ски, Кро­ниг пред­по­ло­жил, что элек­трон вра­ща­ется вокруг соб­ствен­ной оси13 . Сооб­ра­же­ния Кро­нига не встре­тили под­держки ни у Паули, ни у ряда дру­гих тео­ре­ти­ков. Про­тив гипо­тезы о вра­ще­нии элек­трона выска­зы­ва­лось много воз­ра­же­ний14 .

В том же 1925 г. появи­лась заметка Улен­бека и Гауд­смита, в кото­рой эти авторы неза­ви­симо выдви­нули идею о внут­рен­нем моменте импульса и свя­зан­ном с ним маг­нит­ном моменте.

«На языке моде­лей, кото­рый до созда­ния кван­то­вой меха­ники был един­ствен­ной осно­вой для обсуж­де­ния, этот соб­ствен­ный момент элек­трона можно наглядно изоб­ра­зить только как вра­ще­ние элек­трона вокруг своей оси. Правда, такое пред­став­ле­ние сопря­жено с рядом серьёз­ных труд­но­стей»15 .

В речи, про­из­не­сён­ной в Лей­дене в 1955 г. по слу­чаю заня­тия про­фес­сор­ской кафедры Лоренца, Улен­бек рас­ска­зал об откры­тии и пуб­ли­ка­ции гипо­тезы о вра­ща­ю­щемся электроне:

«Гауд­смит и я при­шли к этой идее, изу­чая ста­тью Паули, в кото­рой был сфор­му­ли­ро­ван зна­ме­ни­тый прин­цип запрета и элек­трону впер­вые при­пи­сы­ва­лись четыре кван­то­вых числа. Вывод Паули был довольно фор­маль­ным; он не свя­зы­вал ника­кой кон­крет­ной кар­тины со своим пред­ло­же­нием. Для нас оно каза­лось загад­кой. Мы свык­лись с пред­став­ле­нием, что каж­дому кван­то­вому числу соот­вет­ствует сте­пень сво­боды, и, с дру­гой сто­роны, с точеч­но­стью элек­трона, кото­рый, оче­видно имел лишь три сте­пени сво­боды, и не могли найти место для чет­вёр­того кван­то­вого числа. Мы могли при­нять его только в том слу­чае, если элек­трон явля­ется малень­кой сфе­рой, спо­соб­ной вра­щаться…
Несколько позже мы обна­ру­жили из работы Абра­гама, что мно­жи­тель 2 в маг­нит­ном моменте вра­ща­ю­щейся сферы с поверх­ност­ным заря­дом можно понять клас­си­че­ски. Это обод­рило нас, но наш энту­зи­азм в зна­чи­тель­ной мере остыл, когда мы обна­ру­жили, что ско­рость вра­ще­ния на поверх­но­сти элек­трона должна во много раз пре­вы­шать ско­рость света! …
Лоренц … очень заин­те­ре­со­вался нашей идеей, хотя, я думаю, в душе отно­сился к ней несколько скеп­ти­че­ски. … через неделю он пере­дал нам … руко­пись, содер­жав­шую длин­ные рас­чёты элек­тро­маг­нит­ных свойств вра­ща­ю­ще­гося элек­трона. Мы не вполне поняли их, но было оче­видно, что пред­став­ле­ние о вра­ща­ю­щемся элек­троне, если его при­ни­мать все­рьёз, свя­зано с боль­шими труд­но­стями. Напри­мер, маг­нит­ная энер­гия элек­трона должна быть столь велика, что его масса по прин­ципу экви­ва­лент­но­сти должна пре­вос­хо­дить массу про­тона, или, если при­нять извест­ное зна­че­ние массы, его раз­меры должны пре­вос­хо­дить раз­меры атома! И то, и дру­гое каза­лось бес­смыс­ли­цей»
16 .

Паули неохотно при­ни­мал гипо­тезу вра­ща­ю­ще­гося элек­трона из-за её клас­си­че­ского меха­ни­че­ского содер­жа­ния. Дей­стви­тельно, трудно гово­рить о моменте импульса, не думая о вра­ще­нии. Здесь снова обна­ру­жи­ва­ется огра­ни­чен­ность поня­тий меха­ники и свя­зан­ных с ними представлений.

Спин — харак­те­ри­стика, кото­рая не имеет пря­мого ана­лога в клас­си­че­ской меха­нике. Она имма­нентна для частицы, выра­жает внут­ренне при­су­щую подвиж­ность. Это един­ствен­ная кван­то­вая харак­те­ри­стика, кото­рая ука­зы­вает на соб­ствен­ную про­стран­ствен­ную ори­ен­ти­ро­ван­ность элек­трона без­от­но­си­тельно окру­же­ния. В этом смысле можно ска­зать, что спин выра­жает струк­туру частицы.

На дан­ном этапе такое объ­яс­не­ние было бы чрез­вы­чайно туман­ным. Мы также не выявили, какое свой­ство волны выра­жает спин, а упо­мя­нули только интер­пре­та­цию спина для клас­си­че­ского пред­став­ле­ния о частице. Позже, когда мы выяс­ним роль ста­ти­стики в кван­то­вых явле­ниях, зна­че­ние спина откро­ется нам с дру­гой стороны.

Неопределённость

В 1927 году Вер­нер Гей­зен­берг ввёл в свою тео­рию соот­но­ше­ние неопре­де­лён­но­стей, кото­рое стало прин­ци­пом кван­то­вой меха­ники. Согласно этому соот­но­ше­нию, опре­де­лён­ность (в субъ­ек­ти­вист­ской тер­ми­но­ло­гии — точ­ность изме­ре­ния или точ­ность зна­ния) импульса и коор­ди­наты вза­имно огра­ни­чи­вают друг друга: уве­ли­че­ние одной опре­де­лён­но­сти умень­шает дру­гую. Это же соот­но­ше­ние спра­вед­ливо для энер­гии и отрезка вре­мени, в тече­ние кото­рого кван­то­вый объ­ект обла­дает этой энер­гией. Соот­но­ше­ние неопре­де­лён­но­стей сле­до­вало из при­зна­ния вол­но­вой при­роды частиц.

«Как сле­дует из кван­то­вой меха­ники, одна из про­ти­во­ре­чи­вых тен­ден­ций, свой­ствен­ных меха­ни­че­скому дви­же­нию, заклю­ча­ется в том, что вся­кая тен­ден­ция к про­стран­ствен­ному огра­ни­че­нию дви­же­ния нераз­рывно соеди­нена с тен­ден­цией к уве­ли­че­нию коли­че­ства дви­же­ния. Вза­и­мо­связь между этими двумя про­ти­во­ре­чи­выми тен­ден­ци­ями коли­че­ственно выра­жа­ется соот­но­ше­нием неопре­де­лён­но­сти…»17

В неко­то­рых учеб­ни­ках и научно-попу­ляр­ных мате­ри­а­лах объ­яс­не­ние этого прин­ципа стро­ится на тол­ко­ва­нии опре­де­лён­но­сти как точ­но­сти изме­ре­ния, наблю­де­ния или зна­ния. Такое объ­яс­не­ние неверно и пре­вра­щает тео­ре­ти­че­скую физику из науки в игру субъ­ек­тив­ных эффек­тов. Соот­но­ше­ния неопре­де­лён­но­стей выра­жают объ­ек­тивно реаль­ную зако­но­мер­ность, а зна­чит, рас­ши­ряют, а не огра­ни­чи­вают наши позна­ва­тель­ные спо­соб­но­сти, как бы ни про­ти­ви­лись этому само­на­зван­ные «мате­ри­а­ли­сты», по неве­же­ству отри­ца­ю­щие кван­то­вую меха­нику за агностицизм.

«Кван­то­вая меха­ника в своей основе отри­цает пред­став­ле­ние о дви­же­нии как сумме состо­я­ний покоя. Кван­то­вая меха­ника глубже рас­кры­вает сущ­ность дви­же­ния, так как пока­зы­вает, что вся­кое явле­ние, огра­ни­чи­ва­ю­щее поло­же­ние частицы в про­стран­стве в то же время изме­няет её коли­че­ство дви­же­ния»18 .

Дан­ная мысль фило­софа Вла­ди­мира Готта про­яс­няет важ­ное фило­соф­ское отли­чие новой меха­ники от ста­рой. Если в клас­си­че­ской меха­нике апо­рия Зенона о летя­щей стреле устра­ня­лась вве­де­нием в тео­рию мате­ма­ти­че­ских поня­тий пре­дель­ного пере­хода и отно­ше­ния бес­ко­нечно малых вели­чин, то в кван­то­вой меха­нике абстракт­ные пред­став­ле­ния о покое и жёст­кой лока­ли­за­ции исче­зают по чисто физи­че­ским сооб­ра­же­ниям, потому что сами объ­екты иссле­до­ва­ния про­яв­ляют себя как не-поко­я­щи­еся и не-лока­ли­зо­ван­ные. Диа­лек­ти­че­ский прин­цип, согласно кото­рому мате­рия все­гда нахо­дится в дви­же­нии, здесь обна­ру­жи­ва­ется в кван­то­вой меха­нике с необы­чай­ной ясно­стью. Попи­рая обы­ва­тель­скую мета­фи­зику, диа­лек­тика про­би­вает себе дорогу.

Имея в виду прин­цип неопре­де­лён­но­стей, мы можем по-новому рас­смот­реть вопрос о струк­туре. В первую оче­редь ста­но­вится понят­ным, что не полу­чится даже умо­зри­тельно схва­тить элек­трон в какой-то точке, обез­дви­жить, изо­ли­ро­вать от внеш­них воз­дей­ствий и затем пре­па­ри­ро­вать. Сама «раз­мы­тость» по про­стран­ству или энер­гии пере­хо­дит в раз­ряд струк­тур­ных свойств, так как посред­ством этой «раз­мы­то­сти» элек­трон может вза­и­мо­дей­ство­вать с окру­же­нием. Струк­тура не может быть только внут­рен­ней опре­де­лён­но­стьюэто было бы абсо­лю­ти­за­цией кате­го­рии внут­рен­нее. Сле­до­ва­тельно, не нужно рас­смат­ри­вать строго лока­ли­зо­ван­ный объ­ект, то есть замкну­тый в огра­ни­чен­ной обла­сти про­стран­ства, пре­делы кото­рого мы по меха­ни­сти­че­ской тра­ди­ции назвали бы гра­ни­цами самого объ­екта. Все­об­щее вза­и­мо­дей­ствие частиц мате­рии ока­зы­ва­ется суще­ствен­нее и опре­де­лён­нее, чем их соб­ствен­ное бытие (бытие-в-себе), изо­ли­ро­ван­ность кото­рого все­гда отно­си­тельна. В кван­то­вой меха­нике эта диа­лек­тика вошла в саму физи­че­скую основу тео­рии. Мы про­дол­жим эти рас­суж­де­ния далее при рас­смот­ре­нии выво­дов кван­то­вой тео­рии поля.

Окружение

После опуб­ли­ко­ва­ния урав­не­ния Шрё­дин­гера в 1926 году Оскар Клейн и Вла­ди­мир Фок неза­ви­симо друг от друга обоб­щили это урав­не­ние на слу­чай реля­ти­вист­ских частиц. Пол­но­цен­ную кван­тово-реля­ти­вист­скую тео­рию вза­и­мо­дей­ствия элек­тро­нов с элек­тро­маг­нит­ным полем раз­ра­бо­тал Поль Дирак в 1928 г. Все резуль­таты тео­рии Дирака ока­зы­ва­ются в согла­сии с экс­пе­ри­мен­тами и с резуль­та­тами суще­ство­вав­ших ранее тео­рий, осно­ван­ных на гипо­тезе о вра­ща­ю­щемся электроне.

«… в наме­ре­ния Дирака не вхо­дило про­стое постро­е­ние тео­рии вра­ща­ю­ще­гося элек­трона. Он подо­шёл к реше­нию задачи по-дру­гому, сфор­му­ли­ро­вав вопрос, кото­рый сей­час кажется очень стран­ным. В начале своей ста­тьи, напи­сан­ной в 1928 г., Дирак спрашивает:

„Почему При­рода непре­менно должна пред­по­честь эту кон­крет­ную модель элек­трона, а не про­сто удо­вле­тво­риться суще­ство­ва­нием точеч­ного заряда?“

С совре­мен­ной точки зре­ния, такой вопрос ана­ло­ги­чен вопросу „Почему бак­те­рия имеет только одну обо­лочку?“ Нали­чие спина ħ/​2 — это про­сто одно из свойств, опре­де­ля­ю­щих элек­трон, а не какую-то иную частицу из мно­же­ства частиц с раз­лич­ными спи­нами, извест­ных на сего­дняш­ний день. Тем не менее, в 1928 г. можно было верить, что всё веще­ство состоит из элек­тро­нов и чего-то похо­жего, но обла­да­ю­щего поло­жи­тель­ным заря­дом и явля­ю­ще­гося состав­ной частью атом­ных ядер»19 .

Из тео­рии Дирака сле­до­вало суще­ство­ва­ние состо­я­ний элек­трона с отри­ца­тель­ной энер­гией. Дирак интер­пре­ти­ро­вал эти состо­я­ния как бес­ко­неч­ный фон, запол­нен­ный элек­тро­нами — элек­трон­ный вакуум, кото­рый в силу своей одно­род­но­сти во Все­лен­ной недо­сту­пен для наблю­де­ния. Этот фон про­яв­ля­ется только тогда, когда элек­трон из фона перей­дёт в «реаль­ное» состо­я­ние с поло­жи­тель­ной энер­гией, а на месте элек­трона обра­зу­ется «дырка» в фоне с поло­жи­тель­ным заря­дом e+. В 1932 г. такие дырки были обна­ру­жены экс­пе­ри­мен­тально как реаль­ные частицы с помо­щью камеры Виль­сона в маг­нит­ном поле. Их назвали позитронами.

Для более глу­бо­кого иссле­до­ва­ния струк­туры элек­трона мы обра­тимся теперь к выво­дам кван­то­вой тео­рии поля, кото­рая яви­лась раз­ви­тием и обоб­ще­нием кван­то­вой меха­ники, кван­тово-реля­ти­вист­ской тео­рии Дирака и клас­си­че­ской тео­рии поля.

Поня­тие вир­ту­аль­ных частиц вве­дено в кван­то­вой тео­рии поля для интер­пре­та­ции мате­ма­ти­че­ской модели вза­и­мо­дей­ствия частиц. Вир­ту­аль­ные частицы являют собой про­ме­жу­точ­ные состо­я­ния системы вза­и­мо­дей­ству­ю­щих частиц. Вир­ту­аль­ность в физи­че­ском смысле озна­чает, что частица не суще­ствует дольше того вре­мени, кото­рое тре­бу­ется для обла­да­ния опре­де­лён­ной энергией.

Несмотря на попу­ляр­ность вопроса о харак­тере реаль­но­сти вир­ту­аль­ных частиц, кото­рый ино­гда под­ни­ма­ется в фило­соф­ской лите­ра­туре, науч­попе и интер­нете, неко­то­рые физи­че­ские явле­ния поз­во­ляют нам с уве­рен­но­стью рас­смат­ри­вать вир­ту­аль­ные частицы как объ­ек­тивно реаль­ные вещи.

Элек­тро­маг­нит­ное поле, созда­ва­е­мое элек­тро­ном, рас­про­стра­ня­ется вир­ту­аль­ными фото­нами. Для любого, в том числе вир­ту­аль­ного, фотона может быть реа­ли­зо­вана поро­го­вая реак­ция пре­вра­ще­ния в пару элек­трон — пози­трон под дей­ствием внеш­него для вир­ту­аль­ного фотона поля. Вир­ту­аль­ные элек­трон и пози­трон, родив­ши­еся из вир­ту­аль­ного фотона вблизи «реаль­ного» элек­трона, испы­ты­вают на себе дей­ствие его поля. Вслед­ствие элек­тро­ста­ти­че­ского оттал­ки­ва­ния (по закону Кулона) вир­ту­аль­ные элек­троны несколько уда­ля­ются от «реаль­ного» элек­трона, а пози­троны при­бли­жа­ются к нему, так что вокруг него воз­ник­нет область со скоп­ле­нием поло­жи­тель­ных заря­дов. Это явле­ние, пред­ска­зан­ное тео­ре­ти­че­ски, полу­чило назва­ние поля­ри­за­ции ваку­ума. Экс­пе­ри­мен­тально оно про­яв­ля­ется в виде откло­не­ния в энер­гии между энер­ге­ти­че­скими уров­нями атома водо­рода.

Помимо того, что в поис­ках струк­туры элек­трона вновь и вновь шата­ются наши обы­ден­ные пред­став­ле­ния о частице, также пошат­нуться должны и при­выч­ные пред­став­ле­ния о физи­че­ском поле. Выводы кван­то­вой тео­рии поля пока­зали огра­ни­чен­ность мета­фи­зи­че­ских пред­став­ле­ний о ваку­уме как о пустоте, о поле как о «месте, где дей­ствует сила», о вза­и­мо­дей­ствии объ­ек­тов в умо­зри­тель­ных усло­виях изо­ля­ции от внеш­него мира.

Раз­ви­тие кван­то­вой тео­рии поля утвер­дило среди физи­ков одну из основ­ных диа­лек­тико-мате­ри­а­ли­сти­че­ских идей: объ­ект или про­цесс дол­жен рас­смат­ри­ваться во вза­им­ной связи и вза­им­ном дей­ствии с окру­же­нием. По сути, объ­екты и про­цессы — одно и то же. Каж­дая «вещь» — это про­цесс вза­и­мо­дей­ствия чего-то с чем-то, а каж­дый про­цесс вза­и­мо­дей­ствия объ­ек­тов может про­яв­лять себя как «отдель­ный» объект.

«Диа­лек­ти­че­ский мате­ри­а­лизм ука­зы­вает, что все пред­меты и явле­ния в при­роде нахо­дятся во вза­им­ной связи и обу­слов­лен­но­сти. Любое явле­ние можно понять пра­вильно только в связи с окру­жа­ю­щим миром. Поэтому в изу­че­нии свойств мик­ро­объ­ек­тов важ­ней­шую роль играет изу­че­ние внеш­них свя­зей, т. е. вза­и­мо­дей­ствий дан­ного мик­ро­объ­екта с дру­гими телами и полями. … Таким обра­зом, если внут­рен­ние связи опре­де­ляют струк­туру объ­екта, то во внеш­них свя­зях его струк­тура про­яв­ля­ется. … Во вся­ком вза­и­мо­дей­ствии с внеш­ними телами ока­зы­ва­ются как внут­рен­ние, так и внеш­ние связи. Но в одних слу­чаях опре­де­ля­ю­щую роль играют внут­рен­ние связи, в дру­гих — внеш­ние. Без­условно, про­стран­ствен­ная кон­фи­гу­ра­ция играет в этом опре­де­лён­ную роль. Но нельзя при­да­вать ей такой кате­го­ри­че­ский харак­тер. Напри­мер, в слу­чае атома мы довольно точно можем про­из­ве­сти такое отно­си­тель­ное под­раз­де­ле­ние свя­зей на внут­рен­ние и на внеш­ние. В слу­чае же „эле­мен­тар­ных“ частиц это в насто­я­щее время сде­лать дей­стви­тельно затруд­ни­тельно, так как они ещё очень слабо изу­чены»20 .

Пони­ма­ние струк­туры как внут­рен­ней опре­де­лён­но­сти, про­яв­ля­ю­щейся во внеш­них свя­зях, нужно при­ме­нить к струк­туре кван­то­вых объ­ек­тов. Для таких объ­ек­тов раз­мы­ва­ется грань между про­стран­ственно-внут­рен­ним и про­стран­ственно-внеш­ним. Ещё вер­нее будет ска­зать, что в мик­ро­мире явно обна­ру­жи­ва­ется услов­ность этой грани и непра­во­мер­ность её абсо­лю­ти­за­ции, к кото­рой при­вык мета­фи­зи­че­ский обы­ден­ный ум. Связи и вза­и­мо­дей­ствие объ­екта с его окру­же­нием нельзя рас­смат­ри­вать как только внеш­нее. Эти связи столько же опре­де­ляют струк­туру мик­ро­объ­ек­тов, сколько и про­яв­ляют её.

Сле­до­ва­тельно, элек­тро­маг­нит­ное поле элек­трона явля­ется его струк­ту­рой, оно — явле­ние струк­туры. Это поле вза­и­мо­дей­ствует само с собой: кванты поля, вир­ту­аль­ные фотоны, пре­вра­ща­ются в элек­трон-пози­трон­ные пары; дей­ствие поля на эти пары при­во­дит к пере­рас­пре­де­ле­нию этих частиц, кото­рое обрат­ным обра­зом вли­яет на поле. Про­из­вод­ное от поля окру­же­ние из пози­тро­нов тоже состав­ляет струк­туру элек­трона. Кроме того, вир­ту­аль­ные пози­троны сами имеют вокруг себя «ещё более» вир­ту­аль­ное поле, кото­рое также поля­ри­зу­ется. Чем выше сте­пень этой вир­ту­а­ли­за­ции, тем более ничтожно явле­ние, но для общей кар­тины об этом нужно упомянуть.

Стоит отме­тить неко­то­рые суще­ствен­ные затруд­не­ния, с кото­рыми столк­ну­лась кван­то­вая тео­рия поля и кото­рые до сих пор не пре­одо­лены окон­ча­тельно, хотя раз­ра­бо­таны раз­лич­ные мате­ма­ти­че­ские при­ёмы устра­не­ния этих затруд­не­ний в рас­чё­тах. Это не ума­ляет смысл пред­ше­ству­ю­щих рас­суж­де­ний о струк­туре элек­трона, но даёт идеи для даль­ней­шего поиска.

По пред­ска­за­ниям тео­рии поля­ри­за­ция ваку­ума должна при­во­дить либо к бес­ко­неч­ной массе элек­трона, либо к нуле­вому заряду, так как число экра­ни­ру­ю­щих пози­тро­нов вокруг элек­трона должно быть бес­ко­нечно большим.

Когда Вик­тор Вай­скопф под­счи­тал соб­ствен­ную массу элек­трона с учё­том поля­ри­за­ции ваку­ума, то он полу­чил пора­зи­тельно малый радиус элек­трона21 :

Эта вели­чина ока­за­лась слиш­ком малой, и её физи­че­ский смысл сомни­те­лен. Даже гра­ви­та­ци­он­ный радиус элек­трона (~10−55 см) больше этой вели­чины. Для срав­не­ния, гра­ви­та­ци­он­ный радиус Земли состав­ляет всего 0,844 см. Это гово­рит о том, что в струк­туре элек­трона может суще­ствен­ную роль играть гра­ви­та­ция, кото­рая, как известно, не учи­ты­ва­ется в кван­то­вой физике. Таким обра­зом, можно ска­зать, что кван­то­вая тео­рия ото­дви­нула про­блему струк­туры элек­тро­нов в область исклю­чи­тельно малых масштабов.

Мы при­няли, что резуль­тат вза­и­мо­дей­ствия элек­трона с соб­ствен­ным полем, кото­рое нахо­дится как бы «вне» элек­трона, в ваку­уме, явля­ется струк­тур­ным эле­мен­том самого элек­трона. Есть ещё один инте­рес­ный эффект вза­и­мо­дей­ствия элек­трона с ваку­у­мом. Ока­за­лось, что элек­троны в ато­мах дви­жутся не ровно по тем «орби­та­лям», кото­рые рас­счи­ты­ва­ются в кван­то­вой меха­нике. Из-за вза­и­мо­дей­ствия элек­трона с «флук­ту­а­ци­ями ваку­ума» про­ис­хо­дит что-то вроде неустра­ни­мого бро­унов­ского дви­же­ния возле орби­тали, «дро­жа­ние» электрона.

Эти явле­ния, несмотря на их тон­кость, ука­зы­вают на совер­шен­ную неадек­ват­ность пред­став­ле­ний о ваку­уме как о пустоте. Сей­час мало кто из учё­ных пред­став­ляет себе вакуум бук­вально, если речь не идёт об упро­щён­ных моде­лях. Кроме того, снова ока­зы­ва­ется невер­ным и пред­став­ле­ние о про­стран­ствен­ных гра­ни­цах, жёстко и устой­чиво лока­ли­зу­ю­щих микрочастицу. 

Так что же внутри?

К теку­щей строчке мы подо­шли с неко­то­рым раз­ви­тием нашего исход­ного пред­став­ле­ния. До этого мы обра­ща­лись с элек­тро­ном как с всё той же клас­си­че­ской части­цей-шари­ком, кото­рому мы про­сто добав­ляли вся­кие необыч­ные кван­то­вые свой­ства. Вна­чале мы взяли элек­трон в общем клас­си­че­ском пони­ма­нии частицы и в спе­ци­аль­ном пони­ма­нии элек­трона как такой частицы, кото­рая явля­ется ато­мом элек­три­че­ства, и попы­та­лись оце­нить его раз­мер. Далее, мы посмот­рели на элек­трон как на волну в интер­пре­та­ции Шрё­дин­гера (вол­но­вой пакет), затем учли спин и те осо­бен­но­сти, кото­рые вно­сит в пони­ма­ние струк­туры соот­но­ше­ние неопределённостей.

Нако­нец, когда мы подо­бра­лись к кван­тово-поле­вым явле­ниям, мы подо­шли к струк­туре элек­трона с дру­гой сто­роны: если до этого мы ука­зы­вали на про­яв­ле­ние струк­туры «извне» элек­трона, то теперь мы можем пока­зать струк­туру «внутри», раз­де­ляя его «по слоям». Общий прин­цип опре­де­ле­ния струк­туры объ­екта дол­жен оста­ваться одним и тем же для любых при­бли­же­ний и уточ­не­ний. Заклю­чаться он дол­жен в опре­де­ле­нии струк­туры его вза­и­мо­дей­ствий как «внеш­них», так и «внут­рен­них».

При пере­ходе к кван­то­вой тео­рии поля перед нами пред­стаёт совсем дру­гая физи­че­ская кар­тина суще­ство­ва­ния и вза­и­мо­дей­ствия объ­ек­тов, где раз­ли­чие между соб­ственно части­цей (дис­крет­ным) и полем (непре­рыв­ным) ста­но­вится услов­ной и относительной.

Имея в виду эти сооб­ра­же­ния, перей­дём теперь к «послой­ному» опи­са­нию струк­туры, кото­рое при­вёл в своих ста­тьях Дмит­рий Бло­хин­цев22 23 . Раз­мер раз­лич­ных слоёв соот­вет­ствует харак­тер­ным вели­чи­нам раз­лич­ных видов вза­и­мо­дей­ствия, в кото­рых участ­вует элек­трон. Бло­хин­цев особо уде­ляет вни­ма­ние «сла­бым» явле­ниям, таким, как опи­сан­ные выше поля­ри­за­ция ваку­ума и бро­унов­ское дви­же­ние. Кроме этого, он оце­ни­вает область сла­бого вза­и­мо­дей­ствия, в кото­ром участ­вует элек­трон, через вир­ту­аль­ный про­цесс рас­пада элек­трона на мюон, элек­трон­ное анти­ней­трино и мюон­ное ней­трино. Радиус этого вза­и­мо­дей­ствия имеет поря­док 10−16 см.

Бло­хин­цев пред­став­ляет схе­ма­тич­ное изоб­ра­же­ние струк­туры элек­трона, раз­де­лён­ной на слои вир­ту­аль­ных частиц, соот­вет­ству­ю­щих раз­лич­ным взаимодействиям.

Дан­ная схема осно­вана на псев­до­клас­си­че­ском пред­став­ле­нии об элек­троне, непо­движно закреп­лён­ном в какой-то точке про­стран­ства24 .

Итак, элек­трон испус­кает и погло­щает вир­ту­аль­ные фотоны, кванты сво­его элек­тро­маг­нит­ного поля. Эти фотоны поля­ри­зуют вакуум, так что пер­вый внеш­ний слой «атмо­сферы» элек­трона состоит из вир­ту­аль­ных пар элек­трон — пози­трон. Эта атмо­сфера имеет раз­меры комп­то­нов­ской длины элек­трона, то есть порядка 10−11 см. Плот­ность этой атмо­сферы ничтожна из-за мало­сти посто­ян­ной тон­кой струк­туры, опре­де­ля­ю­щей силу элек­тро­маг­нит­ных взаимодействий.

Про­цессы, про­ду­ци­ру­ю­щие сле­ду­ю­щие слои вглубь атмо­сферы, также про­те­кают вир­ту­ально, чтобы не нару­шался закон сохра­не­ния энер­гии. Кроме того, эти про­цессы могут быть про­из­вод­ными от дру­гих вир­ту­аль­ных про­цес­сов, напри­мер, от поля­ри­за­ции ваку­ума. Ближе к цен­тру элек­трона должна воз­ни­кать атмо­сфера из пар дру­гих частиц — π-мезо­нов. Харак­тер­ный раз­мер состав­ляет 1,4 ⋅ 10−13 см. Атмо­сфера π-мезо­нов, в свою оче­редь, про­ду­ци­рует атмо­сферу вир­ту­аль­ных нук­ло­нов и анти­нук­ло­нов. Мас­штаб этого слоя состав­ляет 2 ⋅ 10−14. Таким обра­зом, вокруг цен­тра элек­трона име­ется система обо­ло­чек, обра­зо­ван­ных парами частиц и анти­ча­стиц раз­ного сорта. Все эти обо­лочки имеют очень малую плотность.

Ещё на мень­ших рас­сто­я­ниях (10−16 см) будут суще­ствен­ными сла­бые вза­и­мо­дей­ствия, кото­рые только в этом мас­штабе будут замет­ными. И где-то совсем в глу­бине элек­трона будет суще­ственна вели­чина гра­ви­та­ци­он­ного вза­и­мо­дей­ствия ~10−55 см и «кван­то­вый» радиус элек­трона ~10−70 см (см. выше оценку Вай­скопфа для учёта поля­ри­за­ции вакуума).

Бло­хин­цев при­во­дит сле­ду­ю­щее пояс­не­ние к пред­став­лен­ной схеме:

«…нужно отме­тить, что элек­трон — частица очень лёг­кая, и поэтому при всех про­цес­сах [С рож­де­нием более тяжё­лых вир­ту­аль­ных частиц. — А. Б.], кото­рые мы рас­смот­рели, элек­трон полу­чает силь­ную отдачу. В силу этого, в дей­стви­тель­но­сти струк­тура элек­трона не такая нагляд­ная, как мы изоб­ра­зили выше.
Порт­рет элек­трона, кото­рый мы могли бы полу­чить на опыте, дол­жен похо­дить на порт­рет лица, пры­га­ю­щего со стула на стул перед своим фото­гра­фом»
25 .

Заключение

Мы рас­смот­рели, как обо­га­ща­лось физи­че­ское пони­ма­ние струк­туры элек­трона в ходе раз­ви­тия физи­че­ской тео­рии. Кроме того, мы уви­дели, что это раз­ви­тие при­вело к раз­ви­тию фило­соф­ского пони­ма­ния струк­туры: от меха­ни­сти­че­ского поня­тия к диа­лек­ти­че­скому. Фило­соф Вла­ди­мир Сви­дер­ский пока­зал в своей работе, что поня­тие струк­туры и струк­тур­ных эле­мен­тов в диа­лек­ти­че­ском мате­ри­а­лизме раз­ви­ва­лось в связи с раз­ви­тием физики эле­мен­тар­ных частиц:

if«Прежде всего, если рас­смат­ри­вать „эле­мен­тар­ные частицы“ в каче­стве эле­мен­тов, обра­зу­ю­щих физи­че­ские объ­екты, то бро­са­ются в глаза сле­ду­ю­щие их осо­бен­но­сти. … эле­менты есте­ственно пред­став­лять в виде каких-либо пре­бы­ва­ю­щих или изме­ня­ю­щихся про­цес­сов или устой­чи­вых отно­ше­ний, нахо­дя­щихся в неко­то­рой струк­тур­ной связи с дру­гими про­цес­сами и отно­ше­ни­ями. Подоб­ные эле­менты, испы­ты­вая на себе вли­я­ние дру­гих эле­мен­тов и всей системы как целого, в то же время сохра­няли своё отли­чие, само­сто­я­тель­ность и опре­де­лён­ную неза­ви­си­мость от дру­гих эле­мен­тов в рам­ках дан­ного целого.
В слу­чае же „эле­мен­тар­ных“ частиц любой из эле­мен­тов пред­по­ла­гает пря­мую или кос­вен­ную связь его с дру­гими эле­мен­тами, спо­соб­ность пере­хода его во все дру­гие эле­менты и, нако­нец, воз­мож­ность порож­де­ния при опре­де­лён­ных усло­виях дан­ным эле­мен­том всех дру­гих эле­мен­тов. Таким обра­зом, здесь каж­дый эле­мент несёт на себе печать дру­гих эле­мен­тов в смысле потен­ций и воз­мож­но­стей пере­хода в них и черт того общего физи­че­ского целого, кото­рое реа­ли­зу­ется сово­куп­но­стью „эле­мен­тар­ных“ частиц и полей в нашей части Все­лен­ной»
26 .

«…струк­тур­ные связи и соот­но­ше­ния [частицы] с дру­гими части­цами опре­де­ля­ются её внут­рен­ней струк­ту­рой. Таким обра­зом, обна­ру­жи­ва­ется орга­ни­че­ская связь внут­рен­ней струк­туры эле­мен­тов со струк­ту­рой воз­мож­ной связи между эле­мен­тами»27 .

Заяв­ле­ния о бес­струк­тур­ных части­цах имеют под собой лож­ные осно­ва­ния и явля­ются резуль­та­том путан­ных фило­соф­ских взгля­дов. К сча­стью, на прак­тике наука не оста­нав­ли­ва­ется на подоб­ных заявлениях.

Раз­ви­тие физики снова и снова опро­вер­гает уста­рев­шие иде­а­ли­сти­че­ские пред­став­ле­ния об эле­мен­тар­ных части­цах. Но совре­мен­ные учё­ные-физики часто ока­зы­ва­ются иде­а­ли­стами и под­дер­жи­вают про­тив­ные науке кон­цеп­ции. При­чина этого лежит не в физике, а в усло­виях жизни учё­ных в совре­мен­ном обще­стве. Сфор­ми­ро­вав­шись в эпоху глу­бо­кой реак­ции как узкие спе­ци­а­ли­сты, под­вер­жен­ные всем заблуж­де­ниям бур­жу­аз­ной про­па­ганды в той же мере, что и так­си­сты, и достав­щики еды и про­давцы-кон­суль­танты, физики про­сто не могут про­ти­во­сто­ять потоку иде­а­ли­сти­че­ских помоев, лью­ще­муся со всех сто­рон. Про­ти­во­сто­ять и бороться с неве­же­ством может тот, кто в ходе само­сто­я­тель­ных поис­ков дохо­дит до диа­лек­ти­че­ского материализма.

Талант­ли­вый физик, пони­ма­ю­щий диа­лек­ти­че­ский мате­ри­а­лизм, спо­со­бен на основе суще­ству­ю­щего мас­сива экс­пе­ри­мен­таль­ных дан­ных и физи­че­ских тео­рий нахо­дить ответы на осно­во­по­ла­га­ю­щие вопросы о при­роде. При­мер — Дмит­рий Ива­но­вич Бло­хин­цев, на основе работ кото­рого напи­сана эта ста­тья. Конечно, нельзя пола­гать, что он поста­вил точку в про­блеме струк­туры элек­трона. Он про­чер­тил линию к мно­же­ству новых вопро­сов, отве­тить на кото­рые пред­стоит уже совре­мен­ным физи­кам. Так и раз­ви­ва­ется чело­ве­че­ское познание.

При­ме­ча­ния

  1. «Совре­мен­ная наука рас­смат­ри­вает элек­трон как фун­да­мен­таль­ную эле­мен­тар­ную частицу, не обла­да­ю­щую внут­рен­ней струк­ту­рой и раз­ме­рами». Нау­мов А. И. Физика атом­ного ядра и эле­мен­тар­ных частиц. — М.: Про­све­ще­ние, 1984. — С. 82.
  2. «Гос­под­ству­ю­щей стала точка зре­ния, согласно кото­рой цепочка состав­ных эле­мен­тов мате­рии завер­ша­ется дис­крет­ными бес­струк­тур­ными обра­зо­ва­ни­ями, кото­рые и были названы „эле­мен­тар­ными части­цами“». Ibid. — С. 260.
  3. «Срав­не­ние изме­рен­ного и рас­счи­тан­ного соб­ствен­ного маг­нит­ного момента уста­нав­ли­вает пре­дел воз­мож­ной элек­три­че­ской суб­струк­туры на уровне 130 ГэВ, опять же, огра­ни­чен­ный неопре­де­лён­но­стью в неза­ви­си­мых опре­де­ле­ниях посто­ян­ной тон­кой струк­туры, а не погреш­но­стями в рас­чё­тах g или QED». Gabrielse, G.; et al. (2006). «New Determination of the Fine Structure Constant from the Electron g Value and QED». Physical Review Letters. 97 (3): 030802 (1–4).
  4. Куд­ряв­цев П. С. Исто­рия физики. т. III. От откры­тия квант до кван­то­вой меха­ники. М., «Про­све­ще­ние», 1971.
  5. Спир­кин А. Г. Основы фило­со­фии, 1988.
  6. Фило­соф­ский энцик­ло­пе­ди­че­ский сло­варь. М.: Совет­ская энцик­ло­пе­дия:, 1983.
  7. Лан­дау Л. Д., Лиф­шиц Е. М. Тео­ре­ти­че­ская физика. Том 2. Тео­рия поля, 1973.
  8. Бло­хин­цев Д. И. Труды по мето­до­ло­ги­че­ским про­бле­мам физики, М.: Изда­тель­ство Мос­ков­ского уни­вер­си­тета, 1993., стр. 19.
  9. Бло­хин­цев Д. И. Основы кван­то­вой меха­ники. 1976, стр. 47.
  10. Атом­ная орби­таль // Вики­пе­дия.
  11. Electron wave-packet interference // Wikipedia.
  12. Бло­хин­цев Д. И. Основы кван­то­вой меха­ники. 1976, стр. 48.
  13. Ван дер Вар­ден Б. Прин­цип запрета и спин // Тео­ре­ти­че­ская физика 20 века. М.: Изда­тель­ство ино­стран­ной лите­ра­туры, 1962. С. 244.
  14. Спас­ский Б. И. Исто­рия физики. Ч. II. 2 изд. М.: Выс­шая школа, 1977. С. 241.
  15. Кро­ниг Р. Пере­лом­ные годы // Тео­ре­ти­че­ская физика 20 века. М.: Изда­тель­ство ино­стран­ной лите­ра­туры, 1962. С. 31.
  16. Ван дер Вар­ден Б. Прин­цип запрета и спин // Тео­ре­ти­че­ская физика 20 века. М.: Изда­тель­ство ино­стран­ной лите­ра­туры, 1962. С. 246–247.
  17. Готт В. С. Фило­соф­ские вопросы совре­мен­ной физики. 2 изд. М.: Выс­шая школа, 1972. С. 65.
  18. Готт В. С. Фило­соф­ские вопросы совре­мен­ной физики. 2 изд. М.: Выс­шая школа, 1972. С. 66.
  19. Вайн­берг С. Кван­то­вая тео­рия поля. Т. 1. Общая тео­рия / Пер. с англ; Под ред. В. Ч. Жуков­ского. — М.: ФИЗ­МАТ­ЛИТ, 2003. — 648 с. — C. 21.
  20. Готт В. С. Фило­соф­ские вопросы совре­мен­ной физики. 2 изд. М.: Выс­шая школа, 1972. С. 170–171.
  21. Бло­хин­цев Д. И. Книга В. И. Ленина «Мате­ри­а­лизм и эмпи­рио­кри­ти­цизм» и совре­мен­ные пред­став­ле­ния о струк­туре эле­мен­тар­ных частиц» // Успехи физи­че­ских наук. — 1959. — № 1. — С. 5–6.
  22. Бло­хин­цев, Д. И. Новые пред­став­ле­ния об элек­троне // Избран­ные труды. Том 2. — М.: Физ­мат­лит, 2009. — C. 677–683.
  23. Бло­хин­цев Д. И. Книга В. И. Ленина «Мате­ри­а­лизм и эмпи­рио­кри­ти­цизм» и совре­мен­ные пред­став­ле­ния о струк­туре эле­мен­тар­ных частиц» // Успехи физи­че­ских наук. — 1959. — № 1.
  24. Бло­хин­цев, Д. И. Новые пред­став­ле­ния об элек­троне // Избран­ные труды. Том 2. — М.: Физ­мат­лит, 2009. — С. 680.
  25. Бло­хин­цев Д. И. Книга В. И. Ленина «Мате­ри­а­лизм и эмпи­рио­кри­ти­цизм» и совре­мен­ные пред­став­ле­ния о струк­туре эле­мен­тар­ных частиц» // Успехи физи­че­ских наук. — 1959. — № 1. С. 9.
  26. Сви­дер­ский В. И. О диа­лек­тике эле­мен­тов и струк­туры в объ­ек­тив­ном мире и в позна­нии // М., Соц­эк­гиз, 1962. — С. 172–173.
  27. Сви­дер­ский В. И. О диа­лек­тике эле­мен­тов и струк­туры в объ­ек­тив­ном мире и в позна­нии // М., Соц­эк­гиз, 1962. — С. 174.