Принцип дополнительности

Объекты микромира описываются и как частицы, и как волны, и одно описание дополняет другое.

В повседневной жизни имеется два способа переноса энергии в пространстве — посредством частиц или волн. Чтобы, скажем, скинуть со стола костяшку домино, балансирующую на его краю, можно придать ей необходимую энергию двумя способами. Во-первых, можно бросить в нее другую костяшку домино (то есть передать точечный импульс с помощью частицы). Во-вторых, можно построить в ряд стоящие костяшки домино, по цепочке ведущие к той, что стоит на краю стола, и уронить первую на вторую: в этом случае импульс передастся по цепочке — вторая костяшка завалит третью, третья четвертую и так далее. Это — волновой принцип передачи энергии. В обыденной жизни между двумя механизмами передачи энергии видимых противоречий не наблюдается. Так, баскетбольный мяч — это частица, а звук — это волна, и всё ясно.

Однако в квантовой механике всё обстоит отнюдь не так просто. Даже из простейших опытов с квантовыми объектами очень скоро становится понятно, что в микромире привычные нам принципы и законы макромира не действуют. Свет, который мы привыкли считать волной, порой ведет себя так, будто состоит из потока частиц (фотонов), а элементарные частицы, такие как электрон или даже массивный протон, нередко проявляют свойства волны.

Теперь давайте проведем несложный эксперимент для иллюстрации вышесказанного. Предположим, у нас есть замкнутая камера с двумя тонкими горизонтальными прорезями — одна выше средней линии, другая ниже. Теперь представим, что на эти прорези направлен параллельный пучок световых лучей. Естественно предположить, что частицы света будут проходить через оба отверстия прямо, и на задней стенке камеры (на экране) будут наблюдаться две отчетливые световые полосы напротив каждой из прорезей, а посередине между ними свет попадать не должен.

Однако на практике мы наблюдаем совершенно иную картину. Согласно принципу Гюйгенса, каждая из прорезей играет роль независимого источника вторичных световых волн, и на экране на средней линии между двумя прорезями мы, напротив, должны наблюдать максимум амплитуды их колебаний. В частности, звуковые волны, исходящие из двух стереодинамиков, как раз и дают пик громкости на линии равного удаления между ними. То же самое касается и двух равноудаленных источников световых волн, проецируемых на экран. Иными словами, пик амплитуды волны приходится как раз на ту пространственную зону, куда, согласно корпускулярной теории, должно попадать минимальное число частиц.

Если направить на подобную камеру пучок электронов, на экране будут отчетливо прослеживаться свойственные волнам полосы пиков и спадов интенсивности излучения, то есть электрон будет вести себя как волна. С другой стороны, если «выстреливать» электроны по одному, каждый из них будет оставлять четкий след на экране — то есть вести себя как частица. Самое интересное, что то же самое будет, если вместо пучка электронов вы возьмете пучок фотонов: в пучке они будут вести себя как волны, а по отдельности — как частицы (см. Опыт Дэвиссона—Джермера).

Подытожим сказанное. Если фотоны или электроны направлять в такую камеру по одному, они ведут себя как частицы; однако если собрать достаточную статистику таких одиночных экспериментов, то выяснится, что по совокупности эти же электроны или фотоны распределятся на задней стенке камеры так, что на ней будет наблюдаться знакомая картина чередующихся пиков и спадов интенсивности, свидетельствующая об их волновой природе. Иными словами, в микромире объекты, которые ведут себя как частицы, при этом как бы «помнят» о своей волновой природе, и наоборот. Это странное свойство объектов микромира получило название квантово-волнового дуализма. Проводилось множество экспериментов с целью «разоблачить истинную природу» квантовых частиц: использовались различные экспериментальные методики и установки, включая такие, которые позволили бы на полпути к приемнику выявить волновые свойства отдельной частицы или, напротив, определить волновые свойства светового пучка через характеристики отдельных квантов. Всё тщетно. Судя по всему, квантово-волновой дуализм объективно присущ квантовым частицам.

Принцип дополнительности — простая констатация этого факта. Согласно этому принципу, если мы измеряем свойства квантового объекта как частицы, мы видим, что он ведет себя как частица. Если же мы измеряем его волновые свойства, для нас он ведет себя как волна. Оба представления отнюдь не противоречат друг другу — они именно дополняют одно другое, что и отражено в названии принципа.

Как я уже объяснял во Введении, я считаю, что философия науки выиграла от такого корпускулярно-волнового дуализма несопоставимо больше, чем было бы возможно при его отсутствии и строгом разграничения явлений на корпускулярные и волновые. Сегодня совершенно очевидно, что объекты микромира ведут себя принципиально иным образом, нежели объекты привычного нам макромира. Но почему? На каких скрижалях это записано? И, подобно тому как средневековые натурфилософы мучительно пытались понять, является ли полет стрелы «свободным» или «вынужденным», так и современные философы бьются над разрешением квантово-волнового дуализма. На самом же деле и электроны, и фотоны представляют собой не волны и не частицы, а нечто совершенно особенное по своей внутренней природе — и потому не поддающееся описанию в терминах нашего повседневного опыта. Если же и дальше пытаться втиснуть их поведение в рамки знакомых нам парадигм, неизбежны всё новые парадоксы. Так что главный вывод здесь состоит в том, что наблюдаемый нами дуализм порожден не присущими квантовым объектам свойствами, а несовершенством категорий, которыми мы мыслим.

См. также:
Принцип соответствия
Принцип неопределенности Гейзенберга

6
Показать комментарии (6)
Свернуть комментарии (6)

  • света  | 07.06.2005 | 08:34 Ответить
    Мне нужна информация по теории Бора о принципе дополнительности в частности применение этого принципа в экономике и с точки зрения философии
    Ответить
    • aklimets > света | 18.02.2016 | 15:28 Ответить
      В экономике - это дополнительность рациональной плановой экономики и стихийной (иррациональной) рыночной экономики.
      Ответить
  • mkoshelev50  | 12.03.2008 | 18:52 Ответить
    Принцип дополнительности
    Объекты микромира описываются и как частицы, и как волны, и одно описание дополняет другое.

    Принцип дополнительности в социальной среде.
    Социальные объекты описываются как элементы нескольких взаимозависимых социальных систем.
    Ответить
  • super.hmelnikov  | 25.07.2014 | 23:44 Ответить
    Электроны не движуться в атоме по орбитам-они обмениваются с ядром фотонами.
    При излучении фотона злектрона на орбите не остаётся, ибо вся его энергия перешла в энергию фотона.
    Почему квантовость?
    Потому, что зарегистрировать возможно лишь электрическую составляющую в фотонной системе электрон-ядро.
    Фотон же состоит из магнитной энергии и из энергии электрической.
    Перетекающих друг в друга.
    Вот энергию электрическую приборы и регистрируют.
    Естественно, квантовость обеспечена.
    Ответить
  • aklimets  | 18.02.2016 | 13:39 Ответить
    На самом деле принципу дополнительности Бора можно придать более общую форму и сформулировать следующим образом: рациональная сторона действительности и сопряженная ей иррациональная сторона действительности дополнительны друг другу. Например, в дополнительной паре "частица - волна" рациональной стороной пары является частица, иррациональной стороной является волна де Бройля, которая не несет энергии и распространяется в многомерном конфигурационном пространстве. Эйнштейн называл эту волну волной-призраком. Нильс Бор установил также следующие дополнительные пары: "физико-химическая причинность и биологическая целенаправленность"; "мысли и чувства"; "детерминированность и свобода воли"; "логика и интуиция" и т.п. А немецкий физик, лауреат Нобелевской премии, Макс Борн считал, что дополнительность касается и таких пар понятий, как материя и жизнь, тело и душа, необходимость и свобода и т.д. Легко видеть, что все указанные пары удовлетворяют обобщенному принципу дополнительности и дополнительность пары "частица-волна де Бройля" является лишь одним из проявлений этого принципа. В микромире мы напрямую сталкиваемся с иррациональной стороной природы.
    Ответить
  • nookosmizm  | 13.02.2017 | 09:06 Ответить
    1. Образование фотонов
    Согласно закона Кулона при движении постоянного тока в одном направлении по двум параллельным проводам эти провода притягиваются. Но т.к. движение энергии по проводам аналогичны движению ЭМВ последние также стягиваются, формируя фотоны. То есть материальные частицы – фотоны образуются и состоят из ЭМВ. Поэтому в действительности фотоны не являются ЭЧ, т.к. не имеют массы гравитации.
    2. Дуальность ЭЧ и абсурдность бозонов
    Если обратиться к различным ускорителям частиц, в которых с помощью излучаемых ускорителем пучков энергии бомбардируются мишени, из атомов которых якобы вылетают элементарные частицы, которые затем регистрируются на конечных экранах, «с одной стороны ведут себя как волны, а с дугой – как частицы» [5]
    По аналогии с образованием фотонов эти следы образуются из этих же бомбардирующих пучков ЭМВ, которые объединяются в кварки, бозоны прочие ЭЧ. И чем мощнее энергия бомбардирования этих ускорителей, тем мощнее получаются следы от таких же кварков, бозонов и т.д.. А те ЭМВ, которые не смогли сформироваться в электроны-бозоны - оставляют следы ЭМВ.
    Ответить
Написать комментарий
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»