Квантовая механика и классическая механика, их взаимосвязь

Три года назад была написана статья «Принципы квантовой механики и классической, из противоречия«. В то время помещать эту статью не имело смысла, так как её понять гораздо труднее, чем первую. Ранее были написаны еще две статьи «Механическое движение гармонического осциллятора квантовой механики» и «Гармонический осциллятор классической механики». Ознакомление с их содержанием помогает лучше понять не только первую статью, но, что очень важно, эту, вторую. На основании обобщения статей о гармоническом осцилляторе квантовой механики и о гармоническом осцилляторе классической механики становится понятным вывод о том, что квантовая и классическая механика являются сторонами одного и того же отношения и имеют теоретической основой одни и те же закономерности, общие для микромира и макромира. Возникли подходящие условия для рассмотрения примеров, которые, как утверждает квантовая теория, не имеют классических аналогов.

Когда первая часть статьи появилась на сайте, рассмотрение таких примеров было бы преждевременным.

Одним из примеров на эту тему может быть утверждение квантовой теории, согласно которому обменная энергия имеет существенно квантовое происхождение. Её появление не означает существования сил особой природы. Её появление обусловлено лишь спецификой квантовых законов движения систем одинаковых частиц. Она представляет собой дополнительный вклад в полную энергию при любых, а не только при электромагнитных взаимодействиях. Обменная энергия образуется, когда одинаковые частицы какую-то долю времени проводят в одной и той же области пространства и их волновые функции перекрываются. Чем больше степень перекрытия волновых функций, тем больше обменная энергия/Физика микромира./Маленькая энциклопедия. Гл. ред. Д. В. Ширков. – М., «Советская энциклопедия»,1980. — С. 43/.

Согласно квантовой теории, обменная энергия является переменной величиной, а полная энергия, оставаясь в полной сохранности, прирастает дополнительным вкладом, который образуется из ничего чудесным обменным взаимодействие тождественных частиц, вопреки закону сохранения энергии. Напрашивается вопрос: возможно ли такое мистическое чудо в природе и корректно ли описание обменной энергии квантовой теории?

Можно попытаться найти на него неопровержимый ответ, если предварительно выяснить причину возникновения вопроса. Ответ должен быть следствием вопроса, а вопрос должен быть следствием определённой причины, имеющей вполне естественное происхождение. Следовательно, в первую очередь необходимо найти причину, которая вынуждала учёных-физиков предполагать, что «появление обменной энергии не означает существования сил особой природы».

Ответ на вопрос следует искать не в области квантовой теории гармонического осциллятора квантовой механики, а в области классической теории гармонического осциллятора, или автоколебательной системы, классической механики. Это следует из того, что действие механизма цикла действия гармонического осциллятора квантовой механики визуально наблюдать невозможно, а действие механизма цикла действия автоколебательной системы классической механики можно наблюдать визуально.

К сожалению, на основе классической теории действие механической автоколебательной системы на примере действия часов типа ходиков, разными лицами описывается по-разному. О. Ф. Кабардин в учебном пособии для учащихся общеобразовательной школы, описывает автоколебательную систему следующим образом.

«Автоколебательную систему обычно можно разделить на три основных элемента: 1) колебательную систему; 2) источник энергии; 3) устройство с обратной связью, регулирующее поступление энергии из источника в колебательную систему. Энергия, поступающая из источника за период, равна энергии, потерянной в колебательной системе за это же время.

Гиря вызывает вращение храпового колеса. При каждом колебании маятника зубец храпового колеса толкает анкерную вилку в таком направлении, что разгоняет маятник. В результате запас энергии, израсходованной на трение, восполняется за счёт энергии гири, поднятой над землёй…»/О. Ф. Кабардин. ФИЗИКА. Справочные материалы. — М., «Просвещение, 1985. — С.192-193/.

Такое же действие часов с гирей описывает А. П. Харитончук. Он учитывает родословную часов ходиков, часового механизма и несвободного крючкового спуска с маятниковым регулятором.

В первоначальном простейшем часовом механизме скобы выступала в роли заменившей её в последующее время анкерной вилки, а анкерное колесо — в роли заменившего его храпового колеса. Рассмотрим описание крючкового спуска, описанного Харитончуком. Он и в настоящее время широко применяется в часах типа ходиков.

«Скоба и анкерное колесо взаимодействуют следующим образом. При движении скобы (под действием маятника) … вершина зуба 5 падает на плечо А скобы в точку а. После падения зуба 5 на плечо А скоба под действием маятника продолжает начатое движение. Угол, на который повернётся скоба, составляет дополнительную дугу. Цилиндрическая поверхность плеча А, скользя по зубу 5, отводит анкерное колесо назад./ А. П. Харитончук, «Справочная книга по ремонту часов». — М., 1983. — С. 25»/.

Отвод анкерного колеса назад поворотом скобы на дополнительную дугу означает поворот анкерного колеса против часовой стрелки. Поворот анкерного колеса против часовой стрелки означает перемещение вверх цепи вместе с подвешенной к ней гирей. Перемещение гири вверх означает приращение её потенциальной энергии. Приращение потенциальной энергии гири означает, что поступившая в неё энергия была передана скобой под действием маятника. Следовательно, маятник, с одной стороны, принимает определённое количество энергии от гири, а с другой стороны, он отдаёт определённое количество энергии гире. Гиря является источником энергии для маятника, а маятник является источником энергии для гири.

Происхождение регулярно поступающей энергии из гири в маятник нам вполне известно: гирю поднимает в верх с помощью цепи рука человека. Происхождение регулярно поступающей энергии из маятника в гирю нам совершенно неизвестно. Её возникновение и существование означает существования сил особой природы, которые совершенно для нас неуловимы и чувственно не воспринимаемы.

Но поскольку передаваемая энергия маятником принимается гирей в уловимой и чувственно воспринимаемой форме, постольку существование сил особой природы, существующих вне гири и маятника, является неопровержимым фактом, не требующим доказательства. Маятник и гиря обмениваются энергиями, которые можно назвать обменной энергией, аналогичной обменной энергии взаимодействия тождественных частиц квантовой механики, вопреки утверждению её теории.

Энергия, передаваемая гире маятником, принадлежит силе особой природы, принадлежащей окружающей внешней среде, существование которой отрицается квантовой теорией.

На примере обменного взаимодействия маятника и гири воочию видим, что маятник и гиря являются качественно различными физическими телами. Только после того, как качественные различия гири и маятника опускаются, приравниваются нулю, их можно себе представить одинаковыми и тождественными. Именно эта операция положена в основу математического метода исследования взаимодействия элементарных частиц, качественные различия которых визуально не наблюдаются.

Поэтому квантовая теория, используя математический метод исследования явлений микромира, не может установить, какими конкретными качественными свойствами, признаками и отношениями обладают в обменном взаимодействии исследуемые элементарные частицы, их импульсы, энергии. А классическая теория может установить и количественные свойства, признаки и отношения элементарных частиц, открытые квантовой теорией, и качественные свойствами, признаками и отношениями физических тел и материальных точек.

На этом основании можно сделать вывод о том, что классическая теория нуждается в корректировке некоторых своих определений и отношений, а поэтому она не соответствует принципу необходимости и полноты. Она требует внесения ряда изменений и дополнений, представляющих собой её дальнейшее развитие и дальнейшее развитие её физических основ.

Для ознакомления с квантовой теорией, описывающей атомные явления, мною были использованы многие источники, к которым относится «Основы квантовой механики» Д. И. Блохинцева. Эта книга была издана во многих странах и имеет несколько изданий. В моём распоряжении и пользовании находится её третье издание.

Так как совершенствованию чего бы то ни было, нет предела, то для меня интерес представляют не только достоинства «Основ квантовой механики» Д. И. Блохинцева, но, не в меньшей мере, и её недостатки в описании атомных явлений. Хотя её автор придаёт большое значение методологии, но он отдаёт предпочтении математическому методу исследования и описания атомных явлений, а для меня основным является диалектический метод исследования и описания явлений природы и общества, который не отвергает математический метод, но ставит его в подчиненное к себе отношение.

Д. И. Блохинцев полагает, что «…уже самый поверхностный взгляд на замечательную область атомных явлений обнаруживает новые черты, существенно отличные от тех, которые свойственны макромиру». Он, будучи очарованным явлениями микромира, вольно или невольно, противопоставляет макромиру микромир. Он полагает, что по богатству явлений микромир превосходит макромир, что микромиру присущи такие черты, которые не присущи макромиру. По Блохинцеву, «Первое, с чем мы встречаемся в микромире, это атомизм. Подобной атомистичности не существует в макромире».

По-моему, данное представление об отношении микромира к макромиру Д. И. Блохинцев является ошибочным: микромир является неотъемлемой составной частью макромира, ненаблюдаемые атомные явления являются неотъемлемой составной частью явлений макромира. Поэтому квантовая математическая теория является неотъемлемой составной частью классической диалектической теории. Всё, что имеется в квантовой теории, должно иметься в полной классической теории. Всё, открытое новое в квантовой теории, категорически не может не иметь классического аналога.

Д. И. Блохинцев сравнивает минимальную энергию гармонического осциллятора квантовой механики с минимальной энергией осциллятора классической механики и утверждает, что по классической теории наименьшая энергия осциллятора равна нулю, а по квантовой теории наименьшая энергия осциллятора больше нуля и называется нулевой энергией. В действительности, такого результата быть не может.

Он полагает, что существование нулевой энергии является типичным для квантовых систем, а в действительности то, что является действительным для части целого, не может не быть типичным для целого.

По классической теории, включившей в себя коррективы, минимальная постоянная энергия осциллятора (маятника часов) равна Е1 = mv2. Если маятник автоколебательной системы отклонить от вертикали, на которой он может покоиться в состоянии устойчивого равновесия, на угол, равный 90°, то в маятнике появится переменная энергия такой же величины ) Е2 = mv2 .

Переменная энергия принадлежит маятнику, взаимодействует и слагается с его постоянной энергией. Переменная энергия, постоянно присутствуя в маятнике, приводит маятник в состояние невесомости в верхнем крайнем положении и удваивает его вес в нижнем крайнем положении. Постоянная и переменная энергии маятника можно считать близнецами-сёстрами, количественно неразличимыми и качественно противоположными.

Гиря принимает энергию извне от внешней окружающей среды и регулярно передаёт её маятнику порциями Е3 = mv2 . Маятник принимает энергию извне от внешней окружающей среды и регулярно передаёт её гире порциями Е4 = 0,5 mv2 . Обе порции энергии внешних сил, поступающие извне в колебательную систему, различимые количественно и неразличимые качественно. в течение определённого времени присутствуют в маятнике, но ему не принадлежат, а поэтому не участвуют в изменении веса маятника, совершающего колебания.

Сложение четырёх энергий, присутствующих в маятнике, в одну общую сумму, с физической точки зрения, ошибочно и недопустимо. Но математическая аналитическая форма их выражения укрывает собой их различное происхождение и все их качественные различия, а поэтому их сложение в одну сумму кажется вполне законным математическим действием.

  E = mv2 + (mv2 + mv2) + 0,5 mv2  (1)

Четыре энергии четырёх взаимодействующих сил, будучи выраженными в аналитической форме, кажутся, с точки зрения математики, подобными членами, которые приводятся к одному общему члену:

  mv2 + mv2 + mv2 + 0,5 mv2 = 3,5 mv2  (2)

Следует иметь в виду то обстоятельство, что в прошедшем времени количества движения четырёх сил находились в маятнике в форме импульсов, которая изменялась, развивалась, преобразовалась в форму энергии, являющуюся предельно совершенной формой выражения количества движении, дальнейшее развитие которой невозможно. Дальнейшее изменение формы энергии смерти подобно. Процесс вывода равенства (1), впервые осуществлённого мною, рассмотрен и описан в статье «Гармонический осциллятор классической механики (Самоорганизующаяся автоколебательная система)». Само собой разумеется, что он не был известен Шрёдингеру, автору уравнения, названного его именем.

Из решений стационарного уравнения Шрёдингера, описывающего поведение гармонического осциллятора квантовой механики, выводится формула, которая, с точки зрения квантовой теории, выражает уровни потенциальной энергии линейного гармонического осциллятора через собственную частоту колебаний: которая не зависит от энергии:

  En = hv0 (n + 0,5), где n = 0,1,2,3,… — целые числа  (3)

Потенциальная энергия третьего уровня выражается равенством E3 = 3,5hv0 , правая сторона которого аналогична правой стороне уравнения (2). В квантовой теории появлению третьего уровня энергии осциллятора предшествует второй, первый и нулевой уровни.

  0,5 hv0 + hv0 + hv0 + hv0 = 3,5 hv0  (4)

Выражение третьего уровня потенциальной энергии осциллятора в аналитической форме, можно рассматривать, с точки зрения математики, как результат приведения подобных членов к одному общему члену. Подобные члены выражают собой подобные энергии частиц. Подобные частицы, без учёта качественных их различий, принимаются квантовой теорией за одинаковые тождественные частицы, обладающие необычными свойствами. С открытием «квантовомеханической системы одинаковых (тождественных) частиц обнаруживается новая особенность квантовой теории, не имеющая аналога в классической теории многих частиц. Эта особенность состоит в принципе тождественности, или неразличимости, частиц. Принцип тождественности частиц – это новый фундаментальный принцип квантовой механики, который не вытекает из квантовомеханического закона движения одной частицы» /Физика микромира. Маленькая энциклопедия. Гл. ред. Д. В. Ширков. – М., «Советская энциклопедия»,1980. — С. 39/.

Если принять данную точку зрения квантовой теории, то следует принять, что гиря и маятник являются одинаковыми (тождественными) частицами, осуществляющими обменное взаимодействие, в ходе которого они обмениваются обменной энергией, принадлежащей не силам окружающей внешней среды, а их волновым функциям. Из этого может быть только один вывод: квантовая теория не в состоянии объяснить происхождение обменной энергии, которую способна объяснить классическая теория. Действительное равенство (1) классической теории квантовой теорией переворачивается, ставится на голову, и, будучи лишённым смысла, объявляется новым научным открытием свойств тождественных частиц, не имеющих классического аналога.

Из этого следует вывод о том, все новые открытия в области квантовой механики, не имеющие классического аналога, являются ошибочными и недопустимыми, либо не обнаруженными в области классической механики. До их обнаружения классической теорией и их объяснения квантовая теория найти им удовлетворительное объяснение не в состоянии. Поэтому она вынуждена обогащать себя новые названия, гипотезы, принципы, законы, закономерности и ожидать, когда классическая теория распутает её «запутанности». Распутывать старые и новые «запутанности» квантовой теории придется не учёным физикам, математикам и философам, а сегодняшним школьникам и студентам, которым присущи целеустремлённость, настойчивость, смелость дерзаний, и для которых могут пригодиться статьи моего сайта.