В классической теории свет рассматривается как электромагнитная волна. Теория волновой природы света в XIX веке была общепринятой. Но Альберт Эйнштейн, неожиданно для всех, выдвинул идею, что свет в действительности состоит из частиц. Большинство физиков не согласились с тезисом Эйнштейна. Лауреат Нобелевской премии Макс Планк вообще пришёл в замешательство. Учёный не на шутку испугался и заявил, что существующая теория света будет отброшена в далёкое прошлое. В итоге в учёных кругах выход был найден: в рамках оптики и классической электродинамики свет – электромагнитная волна. В рамках квантовой механики свет одновременно и частица (фотон), и волна.
Эйнштейн теоретически предсказал возможность превращения энергии волны в энергию частицы и наоборот, и выдвинул идею об эквивалентности массы и энергии. Экспериментально наблюдаемые рождение и аннигиляция электронных пар (превращение электрона и позитрона в безмассовые фотоны) подтвердили теорию учёного. Процесс аннигиляции показал, что масса покоя может переходить в другие формы энергии.
Следует отметить, что не сама по себе масса или поле обладают энергией, но энергия наделена такими физическими свойствами, как масса или поле. Такая особенность энергии позволяет превращаться элементарным частицам друг в друга, рождаться или уничтожаться при взаимодействиях, а безмассовым фотонам световых волн оказывать физическое давление на твёрдые тела при взаимодействии с ними.
Распространение полей, или, согласно квантовой теории, движение безмассовых частиц происходит с максимально возможной скоростью. Поле, соответственно, и безмассовую частицу, характеризующую данное поле, невозможно ускорить или замедлить. Безмассовая частица не имеет ни размеров, ни строения, и как реальный объект не существует.
Не более понятным предстаёт перед нами и электрон, имеющий физическую массу и магнитный момент, несущий на себе заряд, но в то же время не имеющий размеров и строения. Попытка наделить электрон размерами мгновенно вызывает неразрешимое противоречие в классической физике. Протяжённый электрон должен рассматриваться как абсолютно твёрдое тело неспособное деформироваться, поскольку деформация предполагает независимое перемещение отдельных частей тела. Но в релятивистской механике существование абсолютно твёрдых тел в принципе невозможно.
Не имеет корректного решения и взаимодействие электрона с собственным электромагнитным полем, наделяющим электрон бесконечно большой электромагнитной массой. Для компенсации этой массы физики-теоретики в уравнениях формально приписывают частице бесконечную отрицательную массу неэлектромагнитного происхождения[9].
Бесконечности, которые появляются в квантовой механике при вычислении некоторых физических величин, не имеют физического смысла и вызывают расходимости. Расходимости появляются вследствие того, что в современной теории элементарные частицы рассматриваются как «точки», то есть как материальные объекты без протяжённости.
В квантовой теории поля не только сохраняются старые, но и появляются новые расходимости, опять-таки связанные с точечностью объектов – взаимодействие между полями определяется описывающими поля величинами, взятыми в одной и той же точке пространства и в один и тот же момент времени. Наделение частиц протяжённостью устраняет расходимости, однако противоречит теории относительности, постулирующей конечность скорости света.
Всё это говорит о том, что квантовая физика не описывает реальный мир. Но это нисколько не мешает квантовой механике, с её парадоксами и противоречиями, занимать прочную позицию устоявшейся, детально разработанной теории. Она имеет прекрасную математическую базу, многократно подтверждена экспериментами и имеет многочисленные применения на практике.
Согласно квантовой теории, все физические тела состоят из элементарных частиц, масса покоя которых не равна нулю. Овеществлённая материя занимает незначительную долю объёма тела(см. "Генетический Код Вселенной"). Всё остальное безмассовое пространство – это огромное количество взаимодействующих полей.
Поскольку свойства макроскопических тел определяют составляющие его частицы, следует предположить, что перемещение физических объектов в пространстве происходит аналогично элементарным частицам. Можно также допустить, что квантовые поля при движении физического тела переходят в коллективное состояние и с помощью вакуума переносят энергию вещества.
Одним из примеров коллективного состояния служит сверхтекучесть. При сверхтекучести частицы складываются в микроскопическое квантовое состояние и действуя коллективно образуют совершенно новый вид движения, при котором полностью отсутствует трение.
На макроуровне коллективное поведение молекул можно наблюдать, бросив в воду камень. На поверхности воды появляются убегающие от камня волны, образованные упорядоченным движением молекул воды.
Особым коллективным состоянием частиц можно считать квантовую запутанность, когда частицы утрачивают свою самостоятельность и становятся зависимыми друг от друга.
Более тридцати лет назад 23-летний выпускник Кембриджского университета Сет Ллойд, изучая поведение запутанных частиц, получил удивительный результат. По мере того как частицы всё больше смешиваются друг с другом, информация, которая первоначально описывала их по отдельности (например, 1 для вращения по часовой стрелке, и 0 – против часовой), переходит на описание системы запутанных частиц в целом. Свои взгляды в 1988 году Ллойд изложил в докторской диссертации. При попытке опубликовать статью редакция отказала в публикации, сославшись на то, что в «этой статье нет физики»[10].
С развитием теории квантовой информации учёные вплотную занялись исследованием поведения запутанных частиц. В 2017 году физики из Университета Женевы в Швейцарии смогли продемонстрировать квантовую систему, в которой с помощью одного фотона было одновременно запутано 16 миллионов атомов[11].
Масса, образующая вещество, из которого состоят все физические тела, – одно из самых загадочных понятий в науке. Массе посвящено огромное количество работ, но до настоящего времени остаётся неясным смысл этого понятия.
Радикальный взгляд для своего времени (1884 г.) на образование вещества изложил в кинетическом учении о природе барон Н. Деллингсгаузен. Его гипотезу приводит в своём классическом труде «История физики» доктор философии Фердинанд Розенбергер: «Световые и тепловые явления показывают, что всякая материя находится в колебательном движении, которое распространяется в ней волнообразно. Отсюда можно заключить, что внутренние движения материи, в силу её непрерывности, являются круговыми движениями, составленными из отдельных элементарных колебаний. <…> Так как мы можем представить себе, что из каждой точки пространства исходят колебания, в каждой точке пространства должно встречаться бесчисленное множество волн. Эти встречающиеся волны могут в некоторых местах образовать стоячие волны. Такие части пространства, где образуются подобные стоячие колебания, получают тогда известную устойчивость – они образуют тела»[12].
Армянский учёный Георгий Киракосян предлагает рассматривать частицу как локализовано-стоячую волну. Основываясь на таком представлении частиц, учёный смог объяснить суть одной из главных фундаментальных постоянных микромира – постоянной тонкой структуры α, смысл которой всегда был загадкой для учёных. Указанная безразмерная константа определяет все физические и химические свойства вещества. Согласно гипотезе Киракосяна, постоянная тонкой структуры является классической волновой константой[13].
Физики не разделяют подход Киракосяна в представлении частицы в виде локализовано-стоячей волны – механическая масса и полевая масса понятия нетождественные. При распространении волны, как правило, переносят не массу, а энергию.
