Волновая функция и ее статистический смысл. Условие нормировки волновой функции
Экспериментальное подтверждение идеи Луи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, ограниченность применения классической механики к микрообъектам, диктуемая соотношением неопределенностей, а также противоречия ряда экспериментов с применяемыми в начале XX века теориями привели к новому этапу развития квантовой физики – созданию квантовой механики, описывающей законы движения и взаимодействия микрочастиц с учетом их волновых свойств. Ее создание и развитие охватывает период с 1900 г. (формулировка Планком квантовой гипотезы) до 20-х годов XX века и связано, прежде всего, с работами австрийского физика Э. Шредингера, немецкого физика В. Гейзенберга и английского физика П. Дирака.
Необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц является важнейшей отличительной особенностью квантовой теории. Можно ли волны де Бройля истолковывать как волны вероятности, т.е. считать, что вероятность обнаружить микрочастицу в различных точках пространства меняется по волновому закону? Такое толкование волн де Бройля уже неверно, хотя бы потому, что тогда вероятность обнаружить частицу в некоторых точках пространства может быть отрицательна, что не имеет смысла.
Чтобы устранить эти трудности, немецкий физик М. Борн в 1926 г. предположил, что по волновому закону меняется не сама вероятность , а величина , названная амплитудой вероятности и обозначаемая . Эту величину называют также волновой функцией (или -функцией). Амплитуда вероятности может быть комплексной, и вероятность W пропорциональна квадрату ее модуля:
 |
(4.3.1) |
где , где – функция комплексно-сопряженная с Ψ.
Таким образом, описание состояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический , вероятностный характер: квадрат модуля волновой функции (квадрат модуля амплитуды волны де Бройля) определяет вероятность нахождения частицы в момент времени в области с координатами x и dx , y и dy , z и dz .
Итак, в квантовой механике состояние частицы описывается принципиально по-новому – с помощью волновой функции, которая является основным носителем информации об их корпускулярных и волновых
| . | (4.3.2) |
Величина 
(квадрат модуля Ψ-функции) имеет смысл плотности вероятности
, т.е. определяет вероятность нахождения частицы в единице объема в окрестности точки
, имеющей
координаты
x
, y
, z
. Таким образом, физический смысл имеет не сама Ψ-функция, а квадрат ее модуля , которым определяется интенсивность волн де Бройля
.
Вероятность найти частицу в момент времени t в конечном объеме V , согласно теореме о сложении вероятностей, равна:
.
Т.к. определяется как вероятность, то необходимо волновую функцию Ψ представить так, чтобы вероятность достоверного события обращалась в единицу, если за объем V принять бесконечный объем всего пространства. Это означает, что при данном условии частица должна находиться где-то в пространстве. Следовательно, условие нормировки вероятностей:
| (4.3.3) |
где данный интеграл вычисляется по всему бесконечному пространству, т.е. по координатам x , y , z от до . Таким образом, условие нормировки говорит об объективном существовании частицы во времени и пространстве.
Чтобы волновая функция являлась объективной характеристикой состояния микрочастицы, она должна удовлетворять ряду ограничительных условий. Функция Ψ, характеризующая вероятность обнаружения микрочастицы в элементе объема, должна быть:
· конечной (вероятность не может быть больше единицы);
· однозначной (вероятность не может быть неоднозначной величиной);
· непрерывной (вероятность не может меняться скачком).
Волновая функция удовлетворяет принципу суперпозиции: если система может находиться в различных состояниях, описываемых волновыми функциями , , … , то она может находиться в состоянии, описываемом линейной комбинацией этих функций:
где (n = 1, 2, 3…) – произвольные, вообще говоря, комплексные числа.
Сложение волновых функций (амплитуд вероятностей, определяемых квадратами модулей волновых функций) принципиально отличает квантовую теорию от классической статистической теории , в которой для независимых событий справедлива теорема сложения вероятностей.
Волновая функция Ψ является основной характеристикой состояния микрообъектов . Например, среднее расстояние электрона от ядра вычисляется по формуле
,
Для описания корпускулярно-волновых свойств электрона в квантовой механике используют волновую функцию, которая обозначается греческой буквой пси (Т). Главные свойства волновой функции таковы:
- в любой точке пространства с координатами х, у, z она имеет определенные знак и амплитуду: ЧДд:, у , г);
- квадрат модуля волновой функции | ЧДх, y,z) | 2 равен вероятности нахождения частицы в единице объема, т.е. плотности вероятности.
Плотность вероятности обнаружения электрона на различных расстояниях от ядра атома изображают несколькими способами. Часто ее характеризуют числом точек в единице объема (рис. 9.1, а). Точечное изображение плотности вероятности напоминает облако. Говоря об электронном облаке, следует иметь в виду, что электрон - это частица, проявляющая одновременно и корпускулярные, и волновые
Рис. 9.1.
свойства. Область вероятности обнаружения электрона не имеет четких границ. Однако можно выделить пространство, где вероятность его обнаружения велика или даже максимальна.
На рис. 9.1, а штриховой линией обозначена сферическая поверхность, внутри которой вероятность обнаружения электрона составляет 90%. На рис. 9.1, б приведено контурное изображение электронной плотности в атоме водорода. Ближайший к ядру контур охватывает область пространства, в которой вероятность обнаружения электрона 10%, вероятность же обнаружения электрона внутри второго от ядра контура составляет 20%, внутри третьего - 30% и т.д. На рис. 9.1, в электронное облако изображено в виде сферической поверхности, внутри которой вероятность обнаружения электрона составляет 90%.
Наконец, на рис. 9.1, г и б двумя способами показана вероятность обнаружения электрона Is на разных расстояниях г от ядра: вверху показан «разрез» этой вероятности, проходящий через ядро, а внизу - сама функция 4лг 2 |У| 2 .
Уравнение Шрёдингсра. Это фундаментальное уравнение квантовой механики было сформулировано австрийским физиком Э. Шрёдингером в 1926 г. Оно связывает полную энергию частицы Е, равную сумме потенциальной и кинетической энергий, потенциальную энергию?„, массу частицы т и волновую функцию 4*. Для одной частицы, например электрона массой т е, оно имеет следующий вид :
С математической точки зрения это уравнение с тремя неизвестными: У, Е и?„. Решить его, т.е. найти эти неизвестные, можно, если решать его совместно с двумя другими уравнениями (для нахождения трех неизвестных требуется три уравнения). В качестве таких уравнений используют уравнения для потенциальной энергии и граничных условий.
Уравнение потенциальной энергии не содержит волно- вую функцию У. Оно описывает взаимодействие заряженных частиц по закону Кулона. При взаимодействии одного электрона с ядром, имеющим заряд +z, потенциальная энергия равна
где г = У* 2 + у 2 + z 2 .
Это случай так называемого одноэлектронного атома. В более сложных системах, когда заряженных частиц много, уравнение потенциальной энергии состоит из суммы таких же кулоновских членов.
Уравнением граничных условий является выражение
Оно означает, что волновая функция электрона стремится к нулю на больших расстояниях от ядра атома.
Решение уравнения Шрёдингера позволяет найти волновую функцию электрона? = (х, у , z) как функцию координат. Это распределение называется орбиталью.
Орбиталь - это заданная в пространстве волновая функция.
Система уравнений, включающая уравнения Шрёдингера, потенциальной энергии и граничных условий, имеет не одно, а много решений. Каждое из решений одновременно включает 4 х = (х, у , г) и Е , т.е. описывает электронное облако и соответствующую ему полную энергию. Каждое из решений определяется квантовыми числами.
Физический смысл квантовых чисел можно понять, рассмотрев колебания струны, в результате которых образуется стоячая волна (рис. 9.2).
Длина стоячей волны X и длина струны b связаны уравнением
Длина стоячей волны может иметь лишь строго определенные значения, отвечающие числу п, которое принимает только целочисленные неотрицательные значения 1,2,3 и т.д. Как очевидно из рис. 9.2, число максимумов амплитуды колебаний, т.е. форма стоячей волны, однозначно определяется значением п.
Поскольку электронная волна в атоме представляет собой более сложный процесс, чем стоячая волна струны, значения волновой функции электрона определяются не одним, а че-
Рис. 9.2.
тырьмя числами, которые называются квантовыми числами и обозначаются буквами п, /, т и s. Данному набору квантовых чисел п, /, т одновременно отвечают определенная волновая функция Ч"лДл, и полная энергия E„j. Квантовое число т при Е не указывают, так как в отсутствие внешнего поля энергия электрона от т не зависит. Квантовое число s не влияет ни на 4* п хт, ни на E n j.
- , ~ elxv dlxv 62*p
- Символы --, --- означают вторые частные производные от fir1 дуг 8z2 Ч"-функции. Это производные от первых производных. Смысл первой производной совпадает с тангенсом угла наклона функции Ч" от аргумента х, уили z на графиках? = j(x), Т =/2(у), Ч" =/:!(z).
Волновая функция
Wave function
Волновая функция
(или вектор состояния) – комплексная функция, описывающая состояние квантовомеханической
системы. Её знание позволяет получить максимально полные сведения о системе,
принципиально достижимые в микромире. Так с её помощью можно рассчитать
все измеряемые физические характеристики системы, вероятность пребывания
её в определенном месте пространства и эволюцию во времени. Волновая функция
может быть найдена в результате решения волнового уравнения Шредингера.
Волновая функция ψ (x, y, z, t) ≡ ψ (x,t)
точечной бесструктурной частицы является комплексной функцией координат
этой частицы и времени. Простейшим примером такой функции является волновая
функция свободной частицы с импульсом
и полной энергией Е (плоская волна)
.
Волновая функция системы А частиц содержит координаты
всех частиц: ψ ( 1 , 2 ,..., A ,t).
Квадрат модуля волновой функции отдельной частицы | ψ (,t)| 2
= ψ *(,t) ψ (,t)
дает вероятность обнаружить частицу в момент времени t в точке пространства,
описываемой координатами
, а именно,
| ψ (,t)| 2 dv
≡ | ψ (x, y, z, t)| 2 dxdydz это
вероятность найти частицу в области пространства объемом dv = dxdydz вокруг
точки x, y, z. Аналогично, вероятность найти в момент времени t систему
А частиц с координатами
1 , 2 ,..., A
в элементе объема многомерного пространства дается величиной | ψ ( 1 , 2 ,..., A ,t)| 2 dv 1 dv 2 ...dv A .
Волновая функция полностью определяет все физические характеристики
квантовой системы. Так среднее наблюдаемое значение физической величины
F у системы дается выражением
,
где
- оператор этой величины и интегрирование проводится по всей области многомерного
пространства.
В качестве независимых переменных волновой функции вместо координат
частиц x, y, z могут быть выбраны их импульсы p x , p y ,
p z или другие наборы физических величин. Этот выбор зависит от
представления (координатного, импульсного или другого).
Волновая функция ψ (,t)
частицы не учитывает ее внутренних характеристик и степеней свободы, т.
е. описывает ее движение как целого бесструктурного (точечного) объекта
по некой траектории (орбите) в пространстве. Этими внутренними характеристиками
частицы могут быть её спин, спиральность, изоспин (для сильновзаимодействующих
частиц), цвет (для кварков и глюонов) и некоторые другие. Внутренние характеристики
частицы задаются специальной волновой функцией её внутреннего состояния
φ. При этом полная волновая функция частицы Ψ может быть представлена в
виде произведения функции орбитального движения ψ и внутренней функции φ:
поскольку обычно внутренние характеристики частицы и её степени свободы,
описывающие орбитальное движение, не зависят друг от друга.
В качестве примера ограничимся случаем, когда единственной
внутренней характеристикой, учитываемой функцией
,
является спин частицы, причем этот спин равен 1/2. Частица с таким спином
может пребывать в одном из двух состояний − с проекцией спина на ось z,
равной +1/2 (спин вверх), и с проекцией спина на ось z, равной -1/2 (спин
вниз). Эту двойственность описывают спиновой функцией
взятой в виде
двухкомпонентного спинора:
Тогда волновая функция Ψ +1/2 = χ +1/2 ψ
будет описывать движение частицы со спином 1/2, направленным вверх, по траектории,
определяемой функцией ψ , а волновая функция Ψ -1/2
= χ -1/2 ψ будет описывать движение по той же траектории
этой же частицы, но со спином, направленным вниз.
В заключении отметим, что в квантовой механике возможны такие
состояния, которые нельзя описать с помощью волновой функции. Такие состояния
называют смешанными и их описывают в рамках более сложного подхода, использующего
понятие матрицы плотности. Состояния квантовой системы, описываемые волновой
функцией, называют чистыми.
ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ, в КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ функция, позволяющая найти вероятность того, что квантовая система находится в некотором состоянии s в момент времени t. Обычно пишется: (s) или (s, t). Волновая функция используется в уравнении ШРЕДИНГЕРА … Научно-технический энциклопедический словарь
ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ Современная энциклопедия
Волновая функция - ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ, в квантовой механике основная величина (в общем случае комплексная), описывающая состояние системы и позволяющая находить вероятности и средние значения характеризующих эту систему физических величин. Квадрат модуля волновой… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ - (вектор состояния) в квантовой механике основная величина, описывающая состояние системы и позволяющая находить вероятности и средние значения характеризующих ее физических величин. Квадрат модуля волновой функции равен вероятности данного… … Большой Энциклопедический словарь
ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ - в квантовой механике (амплитуда вероятности, вектор состояния), величина, полностью описывающая состояние микрообъекта (эл на, протона, атома, молекулы) и вообще любой квант. системы. Описание состояния микрообъекта с помощью В. ф. имеет… … Физическая энциклопедия
волновая функция - — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN wave function … Справочник технического переводчика
волновая функция - (амплитуда вероятности, вектор состояния), в квантовой механике основная величина, описывающая состояние системы и позволяющая находить вероятности и средние значения характеризующих её физических величин. Квадрат модуля волновой функции равен… … Энциклопедический словарь
волновая функция - banginė funkcija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. wave function vok. Wellenfunktion, f rus. волновая функция, f; волнообразная функция, f pranc. fonction d’onde, f … Fizikos terminų žodynas
волновая функция - banginė funkcija statusas T sritis chemija apibrėžtis Dydis, apibūdinantis mikrodalelių ar jų sistemų fizikinę būseną. atitikmenys: angl. wave function rus. волновая функция … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas
ВОЛНОВАЯ ФУНКЦИЯ - комплексная функция, описывающая состояние квантовомех. системы и позволяющая находить вероятности и ср. значения характеризуемых ею физ. величин. Квадрат модуля В. ф. равен вероятности данного состояния, поэтому В.ф. наз. также амплитудой… … Естествознание. Энциклопедический словарь
Книги
- , Б. К. Новосадов. Монография посвящена последовательному изложению квантовой теории молекулярных систем, а также решению волновых уравнений в нерелятивистской и релятивистской квантовой механике молекул.… Купить за 855 грн (только Украина)
- Методы математической физики молекулярных систем , Новосадов Б.К.. Монография посвящена последовательному изложению квантовой теории молекулярных систем, а также решению волновых уравнений в нерелятивистской и релятивистской квантовой механике молекул.…
Переформулировка квантовой механики
1. Суть проблемы
Свое знаменитое уравнение Шрединберг не выводил, он его угадал:
Масса частицы;
Мнимая единица;
Квантовая постоянная;
Энергия поля;
Шредингеровская волновая комплексная функция (амплитуда волн де Бройля).
Физический смысл волновой функции, вернее, квадрата ее модуля был установлен в соответствии с копенгагенской трактовкой, как плотность вероятности волновой функции. Вероятность обнаружить частицу в заданной точке в заданное время равна нулю, поэтому и говорят не о вероятности, а о плотности вероятности.
Здесь нет никакой натяжки. Ситуация вполне реальная, например, вероятность падения шара в выбранную на его поверхности точку равна нулю, но шар обязательно упадет в какую-либо точку.
Вероятность обнаружить частицу в заданном объеме пространства 
в момент времени в копенгаганской трактовке:
(2)
Основоположникам статистической физики не приходило в голову представлять молекулу или атом в виде размытого облака по всему объему сосуда. Не очень их волновало и то, что в статистической физике пришлось распрощаться с понятием «траектория частицы». Случайность в микромире воспринималась Максвеллом, Больцманом и Гиббсом как вполне объективная закономерность. Ведь на самом деле траектории прдолжали существовать.
Вполне закономерно поэтому, что против предложенной Борном статистической трактовки волновой функции выступали Щредингер, де Бройль, Эйнштейн и другие менее известные физики..
Суть проблемы сводилась к выяснению вопроса о том, действительно ли электрон и другие элементарные частицы являются неделимыми, и тогда волновая функция не имеет физического смысла, или электрон и другие элементарные частицы не являются первокирпичиками материи, а состоят из более мелких, действительно фундаментальных частиц. В этом случае волновая функция приобретала реальный физический смысл: в механике – это амплитуда колебаний материальных частиц, а в электродинамике – амплитуда колебаний частиц, составляющих заряд электрона. Правда, в последнем случае требовалось каким - то образом объяснить, почему электрон не разлетается под действием сил кулоновского отталкивания.
2. Абсолютная система измерения физических величин
С помощью абсолютной системы измерения физических величин была установлена размерность волновой функции.
В основу построения абсолютной системы измерения физических величин положена формула:
Где и - единицы измерения времени и расстояния в системе СИ.
Формула (3) является следствием более глубокой теории строения материи, рассмотрение которой выходит за рамки рассматриваемой проблемы переформулировки квантовой механики. Отметим лишь, что формула (3) отражает диалектическое единство и противоположность пространства и времени.
В абсолютной системе измерения физических величин можно все величины выразить либо в метрах, либо в секундах. Например, чтобы выразить все величины в метрах, надо в формулу равномерного движения
Подставить размерности , 
. В результате получаем размерность скорости в абсолютной системе измерения физических величин:
Подбирая физические формулы таким образом, чтобы в них входила лишь одна физическая величина неизвестной размерности, можно вычислить размерности всех физических величин в абсолютной системе единиц измерения.
Так, например, размерность имеют: длина, частота, угловая скорость, градиент скорости, объемный расход, электрический заряд, поток электрического смещения, напряженность магнитного поля, абсолютная магнитная проницаемость, температура, и т. д.
Размерность имеют: площадь, угловое ускорение, скорость, масса, удельный вес, динамическая вязкость, индуктивность, магнитная проводимость, и т. д.
Размерность имеют: объем, ускорение, объемная плотность энергии, давление, кинематическая вязкость, напряженность гравитационного поля, Коэффициент диффузии , электрическое сопротивление, удельная теплоемкость, газовая постоянная, и т. д.
Размерность имеют: импульс, поверхностное натяжение, плотность потока энергии, момент инерции, потенциал гравитационного поля, напряженность электрического поля, удельное электрическое сопротивление, магнитный поток, магнитный момент контура с током, удельное количество теплоты, и т. д.
Размерность имеют: сила, постоянная планка, момент импульса, действие, электрическое напряжение, теплопроводность, и т. д.
Размерность имеют: энергия, работа, момент силы, количество теплоты, и т. д.
Размерность имеет сила.
Размерность имеет плоский и телесный угол.
Из формулы (3) следует, что , что позволяет вывести следующие соотношения:
(6)
(8),
Физическая величина, имеющая размерность в абсолютной системе измерения физических величин.
3. Размерность волновой функции
Теперь мы можем определить размерность волновой функции в уравнении Шредингера (1). Первый член уравнения
И сомножитель имеют одинаковую размерность, поэтому
(9)
Разделив обе части (9) на имеем:
(10)
Уравнение (10) справедливо только при
Итак, вопреки утверждениям Борна, абсолютная система измерения физических величин позволила нам установить размерность волновой функции в абсолютной системе измерения физических величин. Но такую размерность имеют механические метры, постоянная Планка, электрические кулоны и термодинамическая температура. Значит, уравнения механики, квантовой механики, электродинамики и термодинамики – инвариантны.
Но почему копенгагенская интерпретация запрещает придавать волновой функции физический смысл? Все дело в том, что в уравнении (2) Борн приравнял к нулю квадрат модуля волновой функции в предположении что размерность волновой функции равна и этим самым наложил запрет на наделение волновой функции какими - либо физическими свойствами.
На самом деле, как это следует из абсолютной системы измерения физических величин, волновую функцию можно выразить как через пространственные, так и через временные координаты и безразмерную величину имеет лишь произведение этих функций:
Функция комплексно сопряжена с .
Правильный результат в копенгагенской интерпретации волновой функции в формуле (2) обеспечивается только в случае независимости пространства от времени . Требование независимости переменных – это требование теории вероятности. Второе условие, неявно накладываемое формулой (2) – условие неизменности размерности волновой функции.
Теория относительности выявила взаимозависимость пространства и времени, а это означает, что формулой (2) можно пользоваться только при скоростях движения систем, значительно меньших скорости света.
При наблюдении за объектом из трехмерного пространства (см. Рис.) и квадрат выглядит квадратом с размерностью . Если начать разгонять квадрат параллельно его плоскости, то длина одной из сторон, согласно СТО начнет сокращаться и при квадрат превратится в отрезок с размерностью . Этому соответствует точка на рисунке, а точке соответствует вся копенгагенская трактовка волновой функции, когда , а 
Таким образом, борновское истолкование волновой функции есть лишь частный случай ее более широкого истолкования в переформулированной с точки зрения абсолютной системы измерения физических величин квантовой механики.
Чтобы понять истинный физический смысл волновой функции, нам придется переосмыслить само понятие движения.
4. Что такое движение?
Физика столкнулась с квантами энергии, но в случае электрона она не вышла на кванты электрических зарядов и кванты массы.
Переформулировка квантовой механики на основе абсолютной системы измерения физических величин позволяет вернуться к классическому вероятностному описанию электрона и других элементарных частиц методами статистической механики для большого числа составляющих электрон действительно фундаментальных частиц.
Действительно квантовые эффекты проявляются при описании распространения света.
Наше трехмерное пространство – квантованное, поэтому в нем парадоксы Зенона не действуют и возможно применение двузначной логики. Но во Вселенной есть безразмерное пространство нулевого числа измерений, отождествляемое в физике с энергией или временем. Это пространство не квантованное, в нем действуют парадоксы Зенона и к нему не применима аристотелевская двузначная логика. Похоже на то, что научное знание имеет границы своей применимости и эти границы начинаются там же, где начинается пространство нулевого числа измерений.
В апориях «дихотомия» и «Ахиллес» Зенон придерживается аксиомы непрерывности пространства и времени в смысле их актуальной абстрактной бесконечности. Без допущения этой аксиомы обе апории разрушаются.
В апориях «стрела» и «стадий» Зенон придерживается аксиомы дискретности пространства и времени. Апории рушатся, если из гипотезы движения убрать аксиомы дискретности.
Попытки опровергателей Зенона представить дело так, будто апории «стрела» и «стадий» не имеют смысла и поставить их в укор философу, не выдерживают никакой критики. Напротив, заслуга Зенона в том и состоит, что он поставил вопрос, который на протяжении двух с половиной тысячелетий пытаются бездарно похоронить опровергатели всех мастей видимостью своих псевдоответов.
Гёдель своей теоремой о том, что в любой непротиворечивой теории имеется недостаточное количество аксиом, а полный набор аксиом приводит к противоречивой теории, внес существенный вклад если и не в разрешение, то в разъяснение сути парадоксов Зенона. По Гёделю полная теория движения должна включать в себя противоречивые гипотезы дискретного и непрерывного пространства и времени.
Мы можем утверждать, что суть парадоксов Зенона не в изъянах его логики, а в противоречивости самого движения. Мы очень мало знаем о самом движении. Наука считает движением нахождение в разные моменты времени в разных местах. Понятие о движении у нас менее критично, чем у элеатов, мы называем движением то, что элеаты движением никогда бы не назвали.
В нашем понимании движется одно и то же тело. Галилей трактовал движение как совокупность «продвинутостей», то есть таким же, каким его описал Зенон в апории «стрела». И наука дальше такого понимания движения не шла. По крайней мере до появления на свет квантовой механики
В дискретной модели движения объект даже не прыгает из точки в точку, а исчезает из одной точки пространства и появляется в другой. Это даже не один и тот же объект, а два разных объекта. В противном случае мы приходим к гипотезе непрерывности пространства и времени.
Современная квантовая физика отошла от модельного представления физических процессов. Считается например, что корпускулярно-волновой дуализм невозможно представить в виде какой-нибудь модели. Физик В. А. Фок (1898-1974) дал такую трактовку корпускулярно-волнового дуализма: “Можно сказать, что для атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна - частица. Всякое иное, более буквальное, понимание этого дуализма в виде какой-нибудь модели неправильно.”
Полная геометризация физики на основе абсолютной системы измерения физических величин напрочь опровергает подобную точку зрения. Возможно построение геометрических моделей любых физических процессов. Для микромира нет своих, специальных законов. Природа едина и законы природы едины.
4. Квантовая теория относительности
Многочисленные попытки ввести в рамках специальной теории относительности фундаментальную длину, чтобы построить свободную от расходимостей теорию, показывают, что это неизбежно приводит к нарушению принципа причинности. Для того, чтобы совместить теорию относительности с квантовой механикой, нужно проквантовать само пространство и время.
Отправной точкой в построении квантовой теории относительности служит принцип неопределенностей Гейзенберга. Самый известный спор о принципе неопределенностей произошел на пятом Сольвеевском международном конгрессе ученых в 1927 году в Брюсселе. и Нильс Бор. Спорили о том, вероятностна ли в основе своей Вселенная. По легенде, именно на этом конгрессе Эйнштейн произнес свое знаменитое «Бог в кости не играет»
Через два года после конгресса, основательно обдумав создавшееся положение, Эйнштейн, совместно с Подольским и Розеном, предлагает мысленный эксперимент, по его мнению, напрочь опровергающий реальность существования волновой функции, квадрат модуля которой, как известно, определяет вероятность нахождения электрона в точке x, y, z трехмерного пространства.
Суть эксперимента состоит в следующем. Пусть система состоит из двух электронов и пусть в какой-то момент времени электроны находятся на большом (известном) расстоянии друг от друга. Пусть также электроны обладают известным суммарным импульсом. Если измерить импульс первого электрона, то импульс второго электрона можно найти немедленно, ведь сумма импульсов известна. С другой стороны, если кто-нибудь измерил положение первого электрона, то мгновенно становится известным и положение второго. Это означает, что, наблюдая состояние первого электрона, мы можем мгновенно изменить волновую функцию так, что второй электрон станет занимать определенное положение и обладать определенным импульсом, несмотря на то, что мы к нему и близко не подходили.
Интересно, что подобный эксперимент был, в конце концов, проведен и показал, что все происходит именно так, как описал Эйнштейн, и что волновая функция изменяется практически мгновенно. Один из экспериментов проводился в 2008 году на фотонах, находящихся в определенном «спутанном состоянии». Ученые университета Женевы разделяли пары спутанных фотонов и отправляли их по оптическому волокну на два детектора, находящиеся в противоположных направлениях на расстоянии 9 километров от излучателя. Детекторы на входе и выходе определяли «цвета» фотонов (их волновые характеристики). Измерения повторялись неоднократно в течение 12 часов. Оказалось, что физические свойства фотонов менялись одинаково и синхронно. Если один фотон становился «красным», то второй – тоже. Не удалось засечь время запаздывания, но в пределах точности аппаратуры можно было утверждать, что волновая функция изменялась со скоростью, превосходящей скорость света не менее чем в 10000 раз. Обе частицы как бы следуют сигналу внешнего «регулировщика движения».
Ни одна физическая теория дать удовлетворительного объяснения результатов экспериментов не смогла. Ведь если в природе существуют явления, при которых скорость передачи взаимодействий бесконечно велика, то тела могут действовать друг на друга на расстоянии и при отсутствии материи между ними. Такое воздействие тел друг на друга в физике называют дальнодействием. Когда же тела действуют друг на друга с помощью материи, находящейся между ними, то их взаимодействие называется близкодействием.
У многих физиков нет привычки говорить «не знаю», когда проблема не решается доступными им средствами, поэтому неоднократно заявлялось, что парадокс Эйнштейна, Подольского и Розена разрешен, но всякий раз оказывалось, что это не так.
По существу проблема сводится все к тем же парадоксам Зенона и требует для своего разрешения принятия одного из двух постулатов: либо пространство и время дискретны (позиция Бора), либо пространство и время непрерывны (позиция Эйнштейна). Ошибочность позиции Бора состоит в том, что признавая дискретность трехмерного пространства и времени, он допускает бесконечную скорость передачи взаимодействий в нем.
Для передачи воздействия одного тела на другое через промежуточную среду, необходимо некоторое время, так как любые процессы в материальной среде передаются от точки к точке с конечной и вполне определенной скоростью. В специальной теории относительности утверждается, что нет скорости передачи взаимодействий больше, чем м /с. Ошибочность позиции Эйнштейна состоит в том, что признавая непрерывность пространства и времени (пространство и время нулевого числа измерений), он ограничивает скорость передачи взаимодействий в нем.
В § 3 мы показали, что специальная теория относительности описывает лишь один частный случай из множества фазовых пространственно-временных преобразований. Наше трехмерное пространство, в котором происходит преобразование двумерного пространства в одномерное, не является абсолютной пустотой, именно поэтому м/c. Из-за различного соотношения пространства и времени в квантах материи, плотность пространства скачкообразно уменьшается при переходе к пространствам большего числа измерений. Забегая вперед скажем, что в пространстве четвертого числа измерений, например, все процессы протекают в раз быстрее, чем в нашем трехмерном пространстве.
Макс Планк предложил в качестве естественных единиц использовать единицы, построенные из фундаментальных констант:
= 1,6м
Легко убедиться, что размерности планковской длины, массы, и времени соответствуют размерностям абсолютной системы измерения физических величин. Хуже обстоит дело с численными значениями фундаментальных планковских величин. В области значений, достигнутых современной физикой, эти величины имеют порядок: ~м, ~c. Можно предположить, что мы еще не достигли планковских значений длины и времени, но что делать с планковской массой? Ведь планковская масса – это масса обычной пылинки, состоящей из миллионов атомов, и поэтому она не может быть фундаментальной массой. На самом деле ситуация еще хуже.
Мы установим, что гравитационная постоянная не такая уж фундаментальная, она есть производная от скорости света. Более того, так как скорость света имеет производную, отличную от нуля, то она тоже является величиной переменной, и быть фундаментальной константой никак не может. Но и это еще не все. Чтобы соблюдался закон сохранения энергии, вместе со скоростью света должна изменяться и постоянная Планка. Похоже на то, что в природе вообще нет ничего постоянного и правы релятивисты, утверждающие, что все относительно. Но это не так. Чтобы соблюдался закон сохранения энергии, скорость света и постоянная Планка в должны изменяться так, чтобы
м ~
Так как нет силы, меньше, чем h, и нет скорости, больше чем с , (мы рассматриваем с с позиций наблюдателя, находящегося в трехмерном пространстве), то величина , принадлежащая пространству первого измерения, является той самой фундаментальной длиной, поисками которой квантовая механика занималась с момента своего появления:
Итак, (4.1) дает нам минимальное значение физических величин пространства первого измерения. В теории многомерных пространств принцип неопределенностей Гейзенберга можно сформулировать следующим образом: минимальное значение физических величин пространства пятого измерения равно постоянной Планка:
Зная и , не составляет труда найти формулу для вычисления минимальных значений физических величин пространства любого числа измерений, такую, чтобы размерности физических величин соответствовали размерностям пространства:
Принцип неопределенностей Гейзенберга является частным случаем формулы (4.3) при , и в одном из возможных вариантов может быть записан в виде:
(4.4)
где: и - неопределенности в определении координаты и скорости тела, имеющего массу .
Неопределенности никак не связаны с наблюдателем, они полностью определяются квантовыми свойствами пространства-времени. В квантовой теории относительности наблюдатель выведен из наблюдаемого пространства в пространство большей размерности и никак не может влиять на результаты измерений.
Причина, по которой специалист в области квантовой механики Р. Фейнман мог совершенно спокойно сказать, что квантовую механику не понимает никто, кроется в том, что основы квантовой механики были сформулированы не полностью.
Формула (4.3) – это формула общего члена геометрической прогрессии, образующей некоторое гипердействительное число. Отношение минимальных порций (квантов) двух соседних пространств есть величина постоянная:
Справедливость (4.5) доказывается прямой подстановкой значений и в формулу (4.3)
При фазовых пространственно-временных преобразованиях изменяется размерность пространства. Процесс происходит с соблюдением закона сохранения материи, поэтому увеличение (уменьшение) количества пространства приводит к уменьшению (увеличению) количества времени в материи:
Из (4.5) и (4.6) следует, что максимальная скорость протекания процессов в двух соседних пространствах отличается в число раз:
(4.7)
Формула (4.7) не отменяет принципа относительности, физические процессы протекают одинаково в пространствах любой размерности. На основании (4.7) можно лишь утверждать, что в пространствах различной размерности процессы протекают с различной максимальной скоростью. Увеличение времени жизни элементарных частиц объясняется не только замедлением (увеличением масштаба) времени, но и сокращением масштаба пространства.
Значение максимальной скорости изменяется скачкообразно при изменении размерности пространства-времени. Постулат постоянства скорости света действует лишь в пространстве фиксированного числа измерений. Переходя к пространству большей размерности, мы принимаем за ноль скорость света пространства меньшей размерности.
Линейные размеры квантов абсолютных (не искривленных) пространств найдем, исходя из чисто геометрических соображений:
По (4.8) получаем, что квант абсолютного одномерного пространства – это отрезок прямой длиной 7,37м; квант двумерного пространства – это квадрат со стороной 1,13м; квант трехмерного пространства – это куб со стороной 1,30м.
Линейные размеры квантов абсолютного пространства-времени связаны с соответствующими размерами времени соотношением:
Из (4.9) следует, что минимально возможная продолжительность процессов в пространстве первого измерения составляет 2,45с; в пространстве второго измерения – 3,76с; а в пространстве третьего измерения – 4,34с
Радиус кванта замкнутого (равномерно искривленного) пространства согласно (3.6):
(4.10)
Число квантов в замкнутом пространстве:
(4.11)
Из (4.3) и (4.11) следует, что энергия, связывающая кванты пространства-времени в единую физическую систему, равна:
Эта же энергия выделяется при фазовых пространственно-временных преобразованиях 
. Формула энергии Эйнштейна есть частный случай формулы (4.12) при . По формуле Эйнштейна мы извлекаем энергию связи квантов двумерного пространства на атомных электростанциях . Но энергия связи есть и у квантов трехмерного пространства, или, как его сейчас называют, физического вакуума :
Можно вычислить, что в одном кубическом метре трехмерного пространства сосредоточена энергия, эквивалентная энергии 1130 тонн тротила. Если мы научимся расщеплять кванты вакуума, то получим неисчерпаемый источник энергии. Помимо всего прочего, мы получим возможность не создавать большие запасы энергии на космических кораблях, а черпать ее прямо из космического пространства.
В теории многомерных пространств можно рассматривать дробные размерности пространства (рис.1). Широкое применение дробных интегралов и производных сдерживается отсутствием их четкого физического истолкования, такого, например, как у обыкновенного интеграла и обыкновенной производной.
В классической геометрии нет промежуточных объектов между точкой () и отрезком прямой (), между отрезком прямой и квадратом () и так далее. В общем случае значение суммарной дробной размерности находится по формуле:
Неподвижное двумерное пространство имеет размерность , это же пространство, движущееся со скоростью света, имеет размерность , а его суммарная дробная размерность при равна:
Целые показатели размерности бывают только у неподвижных пространств. Это предельный идеальный случай, который мы можем представить себе только теоретически, ведь реальное пространство – время без движения не существует.
Зачастую дробные показатели размерности считают противоестественными. Такой взгляд стал возможным лишь из-за того, что показатели размерности в большинстве физических процессов мало отличаются от целых чисел ввиду малых скоростей движения реальных физических объектов.
Дробные степени в показателях размерностей возникают также при описании фрактальных (разномасштабных, подобных целому) сред. В фрактальной среде, в отличие от сплошной среды, случайно блуждающая частица удаляется от места старта медленнее, так как не все направления движения становятся для нее доступными. Замедление диффузии в фрактальных средах настолько существенно, что физические величины начинают изменяться медленнее первой производной и учесть этот эффект можно только в интегрально – дифференциальном уравнении, содержащем производную по времени дробного порядка
Числа, обратные бесконечно малым, есть числа бесконечно большие. Например, число, обратное , дает максимальное значение физических величин пространства минус первого измерения, то есть, времени:
Так как образуют геометрическую прогрессию, то и числа должны образовывать геометрическую прогрессию. Кроме того, размерности должны соответствовать размерностям физических величин в абсолютной системе измерения. Всем этим требованиям удовлетворяет формула
Формула (4.3) описывает физические пространства отрицательной кривизны микромира, а формула (4.13) – пространства положительной кривизны Вселенной. Численные значения максимальных и минимальных значений физических величин приведены в табл.2.
Соответствует размерности материи, следовательно обычная математика работает с безразмерными точными числами от нуля до невообразимо велики. В квантовом микромире пренебрежение неопределенностями может привести к ошибкам. При устойчивых физических процессах и сходимости к определенному результату, неопределенности должны быть достаточно малыми, чтобы можно было использовать обычную логику и математику.
В неустойчивых процессах неопределенности должны приводить к полной «размытости» результата, что делает возможным применение традиционных вероятностных методов квантовой механики. Если процесс неустойчивый, то малая «размытость» приводит к неопределенности результата.
В любом случае следует остановиться, достигнувили .
Наличие неопределенностей делает возможным применение так называемой «целесообразной логики». Целесообразная логика не претендует на роль главной логической конструкции. Она определяет область применимости известных вариантов неклассической логики, таких как конструктивная, релевантная (уместная), многозначная и нечеткая логика. В этой логической системе высказывание А = В верно или неверно в зависимости от того, сколь велика разность А – В и препятствует ли это достижению цели.
В рамках целесообразной логики проблема осла, стоящего между двумя стогами сена, решается путем перехода к рассмотрению ансамбля ослов. Ослы располагаются не точно посредине, а в некотором пространстве между стогами. В этом случае ослы распределятся на две равные группы и пойдут по кратчайшему пути, одни направо, а другие налево. Такое поведение ослов целесообразно. Вопрос о том, куда пойдет каждый конкретный осел ставить нецелесообразно. В этом и состоит плата за переход к вероятностным методам вычислений.
В рамках классической логики осел останется на месте и умрет от голода. Такое поведение осла нецелесообразно. При применении целесообразной логики, как и при применении обычной логики, вычисления следует прекратить, достигнув или . Мы не имеем права переходить границы научного познания.
Следует обратить внимание на одно важное обстоятельство: мы переходим к вероятностным вычислениям не из-за того, что достигли , а из-за того, что достигли предела точности наших приборов. Сторонники копенгагенской трактовки квантовой механики поторопились объявить, что физика вышла на минимальные значений физических величин, ограничивающих действие физических законов и применение обычной логики. В связи с этим неправильно считать, что электрон и другие элементарные частицы не обладают внутренней структурой. Возможно построение механических моделей электрона и элементарных частиц из строительных блоков одномерного пространства (струны длиной
м) двумерного пространства (сферы площадью 
м2) и трехмерного пространства (кубики объемом
м3).
Более того, у нас появляется возможность дать математическое определение и систематизировать некоторые физические величины, ранее такого определения не имевшие.
Материя: ;
Эфир: . В эфире взаимодействия либо не передаются (), либо передаются мгновенно (), лишены смысла понятия пространственной и временной протяженности, часть равна целому, начало совмещено с концом, бесконечно большое равно бесконечно малому. В эфире не соблюдается принцип причинности. Необычность физических свойств эфира привела к отказу от него в начале XX века;
Физический вакуум: . Это трехмерное пространство без вещества и поля
Формула (4.13) расширяет действие принципа неопределенностей Гейзенберга на максимальное значение всех физических величин. Из (4.3) и (4.13) следует, что принцип неопределенностей Гейзенберга – это лишь частный случай неопределенностей значений физических величин пространства пятого измерения и должен записываться в виде:
(4.14)
Если - число измерений движущегося пространства, то при теория многомерных пространств дает теорию суперструн, при - специальную, а при - общую теорию относительности.