Корпускулярно-волновой дуализм

Корпускулярно-волновой дуализм [2] заключается в том, что любые микрочастицы материи (фотоны, электроны, протоны, атомы и др.) обладают свойствами и частиц (корпускул), и волн.

Из определения следует, что все микрочастицы (корпускулы) наравне со свойствами, присущими частицам, обладают и волновыми свойствами. Предположим (и это уже предполагают), что корпускулярно-волновой дуализм - двойственность частиц распространяется не только на микрочастицы, но и на квазичастицы - частицы любой величины.

Частица-волна как частица

Частица [3], небольшая часть чего-нибудь, элементарная частица - мельчайшая часть физической материи.

Из определения следует, что частица, в общем случае, всего лишь часть чего-нибудь, а элементарная - мельчайшая часть. Поэтому в качестве частицы (или квазичастицы) могут выступать не только микрочастицы, но и такие объекты космического масштаба как галактики, которые являются частью Вселенной, а их «квазиэлементарными» (как бы элементарными) частицами можно считать звезды, планеты и другие космические объекты меньшей величины.

Примечание: Понятие частицы во многих случаях совпадает с понятием структурного элемента. Поэтому в дальнейшем будут использованы оба эти понятия

Известно, что основным свойством любой частицы как единого целого является ее относительная обособленность, а основными характеристиками, определяющими ее индивидуальные свойства, - внешняя пространственная форма и внутренняя структура, которые сохраняются относительно неизменными только в состоянии внутреннего покоя и внешней замкнутости. Обнаружить частицу как единое целое мы можем только в промежуткепространства большего размера, чем сама искомая частица. Однако, если это пространство будет много больше ее, то мы не сможем не только детально ее рассмотреть, но и найти ее среди множества других частиц нам будет чрезвычайно трудно. Необходимо также искать ее в промежутке времени, в течение которого она сохраняет свою относительную стабильность, свою внешнюю форму, свое «Я».

Нельзя судить о человеке в целом, например, по его пятке, и почти невозможно детально рассмотреть человека в многотысячной толпе. Трудно найти определенного человека и в том случае, если он за время его поиска сменил свой образ - «перевоплотился». Это косвенно подтверждается трудностью поиска людей, сделавших пластическую операцию, так как в этом случае необходимо провести «опознание» на уровне структурных элементов, оставшихся неизменными, например ДНК.

Таким образом, основными свойствами частицы-волны как частицы являются ее неизменность и замкнутость, а основными параметрами, определяющими ее индивидуальное «Я», - внешняя пространственная форма и внутренняя структура. Форма частицы может быть выявлена в промежутке пространства, соизмеримом с ее размерами - не меньше их, но и не многим больше, и в промежутке времени, когда она не претерпевает существенных изменений - не «перевоплощается» в другую форму.

Частица-волна как волна

Волна [3], колебательное движение в физической среде, а также распространение этого движения.

Из определения следует, что волна - это распространение движения, т. е. действия, что возможно лишь в результате взаимодействий - взаимных действий, а для этого необходим коллектив частиц (квазичастиц). Поэтому, как уже было сказано, волны - это действия коллектива, а их основными параметрами являются: длина волны (частота), период колебания, фаза и фазовая скорость. Из приведенных ранее определений следует, что длина волны — это расстояние - промежуток пространства между двумя ближайшими точками, находящимися в одинаковой фазе, а период колебаний — это промежуток времени, через который колеблющаяся система возвращается к исходному состоянию, проходя все фазы. Кроме того, длина волны (частота), период и скорость жестко связаны между собой. Следовательно, волна объединяет пространственные и временные характеристики, которые повторяются через определенные промежутки пространства-времени, что свидетельствует об их согласованности, упорядоченности. Обнаружить волну можно только в промежутке пространства большем (в пределе - не меньшем) ее длины и промежутке времени большем (в пределе - не меньшем) ее периода. Если рассматриваемый промежуток будет меньше длины волны и периода колебаний - жизненного цикла, то мы увидим соответственно лишь отдельные части (фазы) волны, «кусочки» ее «жизни». Поэтому составить о ней представление как о едином целом не сможем.

Нельзя судить о жизни человека в целом, если проследить только отдельные фазы его жизни, например, только в фазе эмбриона, раннего детства, или глубокой старости. Нельзя судить о движении человека в целом, если проследить только за движением его одного пальца.

Таким образом, основным свойством частицы-волны как волны являются колебательные повторяющиеся согласованные действия или изменения состояния, составляющего ее коллектива частиц, определяющего коллективное «МЫ» каждой волны. Эти согласованные колебания могут быть обнаружены только в промежутке пространства-времени много больше (в пределе — не меньше) ее колебательного пространства - длины волны и полного периода колебания - жизненного цикла.

Гипотеза 2.6: Все частицы и тела, включая элементарные (на сегодня) частицы и тела космического масштаба, являются частицами-волнами. Им всем присущ корпускулярно-волновой дуализм.

Минимально необходимое и жизненное пространство частиц-волн

Если волну рассматривать как согласованные колебания коллектива составляющих ее частиц, то каждая отдельная частица колеблется туда и сюда в переделах только своего собственного колебательного, «жизненного», пространства. Поэтому переноса основной массы частицы в другое пространство не происходит. Однако частицы «толкают» друг друга. Если они «толкают» друг друга согласованно - в такт, то происходит согласованная передача действия. Пространство, занимаемое частицей в состоянии покоя, когда она не «толкается», стремится к минимальному, «точечному», объему, который позволяет разместиться в нем частице без заметных остаточных деформаций. Однако это минимально необходимое пространство («минимально необходимый прожиточный минимум») не позволяет частице совершать никаких действий (колебаний) - «жить» нормальной полноценной жизнью. Этот «минимум» превращает ее в «покоящуюся» частицу. Такая частица способна сохранить свое «Я», но не способна действовать, проявлять себя в качестве волны - коллективного МЫ. Однако оставаясь замкнутой, она может получить, якобы, полную свободу и нестись в любом движущемся потоке, способном ее нести, но… вынуждена подчиняться его действиям, его программе. Если частица натолкнется на какое-либо препятствие, соизмеримое с ее размером, то «возбудится» («оживет»). И, превратившись в бегущую волну, начнет преодолевать возникший на ее пути «потенциальный барьер» - огибать преграду или «просачиваться» в «дырку». Особенно наглядно переход частицы в волну можно наблюдать, когда человек, попадая в действие стремительного потока, превращается в беспомощную несомую им «частицу», а зацепившись за попавшийся на его пути камень и превратившись в «волну», начинает карабкаться на него, совершая волновые действия. Следовательно, в процессе «жизни» частице необходимо «жизненное» пространство. Только в нем она может «бежать», проявляя свойства бегущей волны.

Учитывая все сказанное ранее о стоячих, свободных и бегущих волнах, можно сделать следующие выводы. Частица – это замкнутая сама на себя, т. е. стоячая волна, обладающая определенной «потенциальной» индивидуальной программой. Бегущая волна - частица, действующая согласованно с коллективом, вернее, взаимодействующая, способная привести в действие, заложенные в нее программы. Но реализация этих программ становится возможной только тогда, когда ее собственные структурные элементы (весь коллектив в целом) работают согласованно и когда ей предоставлено определенное «жизненное» пространство, соизмеримое с ее размерами, в котором ей есть с кем или с чем взаимодействовать. Свободная волна («истинно» свободная) - это та же замкнутая частица («стоячая» волна), которая отдала себя во власть потока или на «волю» волн более длинных по сравнению с ней самой. Следовательно, ни абсолютная свобода, ни абсолютная замкнутость не позволяют реализовать собственные способности-программы из-за отсутствия взаимодействия с внешним миром, несмотря на то, что в одном случае частица покоится, а в другом - движется под воздействием внешней силы. Известно, что сложная частица (квазичастица), представляющая собой совокупность множества частиц, способна, выступая в качестве волны, реализовать целый диапазон волн или даже несколько диапазонов, т. е. множество программ. Это относится и к человеку.

Простейший из атомов - атом водорода, переходя из одного состояния в другое, способен реализовать множество волн, а возможности человека, как возбудителя разнообразных колебаний и источника волн разных видов и диапазонов поистине безграничны даже в том случае, если рассматривать только известные нам.

Гипотеза 2.7 : Частице-волне как частице требуется минимально необходимое пространство («прожиточный минимум»), а частице-волне как волне - жизненное пространство, удовлетворяющее ее потребности («полная потребительская корзинка»). Только в этом случае она способна проявить свои коллективные свойства - свойства бегущей волны и «бежать» в пространстве-времени.

Но если жизненное пространство будет для нее слишком большим, то она из бегущей волны вновь превратится в замкнутую частицу. И хотя ее при этом называют свободной, но кому такая свобода нужна! Все это мы наблюдаем и в нашей жизни. И все это отражено в поговорке: «Вместе - тесно, а врозь - скучно», из которой следует, что каждой частице-волне должно быть не слишком «тесно», но и не слишком «скучно», что реализуется лишь при наличии жизненного пространства в режиме бегущей волны, активно взаимодействующей с окружающей средой.

Аналогом «покоящейся» частицы-волны может служить человек, помещенный в замкнутое пространство, равное объему его тела, в котором он не может и пальцем шевельнуть. Аналогом «свободной» частицы-волны может служить человек на гладком льду или космонавт в невесомости, когда ему не за что ухватиться. И тот и другой, хотя и «свободны», но совершенно беспомощны в своих действиях, не могут никуда «бежать», так как не могут ни с чем взаимодействовать. И тот и другой «вынуждены» подчиняться сторонней силе - бездействовать или действовать по ее «воле».

Змея как частица и как волна

Много ли общего между частицей, волной и змеей? Почему змея издревле считалась символом мудрости? Возможно, потому, что она является ярким живым примером частицы-волны, которая прекрасно сочетает в себе свойства и частицы, и волны. Змея способна на наглядном примере показать основные принципы построения нашего мира, включая корпускулярно-волновой дуализм. Она может продемонстрировать единство частицы и волны, принципиальное отличие между ними, а также первичную, вторичную, третичную и четверичную структуру белка. Она, наряду с состоянием покоя, способна показать прямолинейное, колебательное и волновое движение, а также плоскость поляризации волны и минимально возможный (критический) размер, необходимый для ее (волны) прохождения. Змея может создавать собой выпуклости и вогнутости; энерговод в действии с распространяющейся по нему редкой одиночной волны типа солитона. Она даже преодолевает «потенциальный барьер».

Все это мог видеть каждый, кто смотрел 12. 11.00 по РТР программу «Диалоги о животных», в которой речь шла о змеях. Те, кто не видел этой или подобной ей передачи, могут сходить в зоопарк и понаблюдать там за поведением змей. Это не только интересно, но и очень познавательно. Такой поход можно рекомендовать ученикам в качестве учебного пособия при изучении физики и химии, так как единство частицы и волны, а также несколько структурных уровней белка, змея демонстрирует наиболее наглядно.

Змея-частица может быть вытянута в виде прямой линии, демонстрируя (по аналогии с молекулой белка) свою вторичную структуру — упорядоченное и последовательное расположение первичных элементов своего тела. Эти элементы, как правило, имеют даже определенные узоры, а иногда, и цвета. Змея-частица может быть свернута в обруч (окружность), изогнута в волну, свернута в плоскую спираль, или в клубок, демонстрируя свою третичную структуру. Медянка, свернувшаяся в виде обруча, почти неотличима от золотого браслета, особенно на солнце. Несколько змей-частиц могут составить шар или другую пространственную форму, демонстрируя четверичную (многоэлементную) структуру белка. В состоянии покоя (или сна) змея предпочитает принимать замкнутые формы - кольцо и шар, требующие минимального пространства, т. е. образует «стоячие волны» или набор таких волн.

Стремление превратиться в замкнутую частицу - свернуться в клубок во время сна, отдыха или при ощущении опасности присуще не только змее. Во время сна и при приближении опасности в колючий шар свертывается ежик. Многие люди и животные во время сна (или защищаясь от холода) также свертываются в «клубок». При сильной засухе свертываются листья растений, как бы стремясь уменьшить площадь поверхности, с которой происходит испарение влаги. Шарообразную форму имеет большинство космических объектов. Естественной формой воды (и не только воды) также является шар.

Змея-волна - это частица в действии, вернее, во взаимодействии с окружающей ее средой. И это впечатляет. Она, выслеживая добычу, вытягивается почти во всю свою длину, демонстрируя как бы вытянутую волну. Змея может двигаться прямолинейно. При таком движении по ее телу распространяются своего рода продольные волны – поочередные сжатия (сужения) и расширения (увеличения) ее поперечного размера, причем длина этих волн соизмерима или меньше продольного размера самой змеи. Она может двигаться и зигзагообразно, вернее, волнообразно, демонстрируя поперечные волны, плоскость поляризации (расположения) которых либо совпадает с плоскостью земли, либо, перпендикулярна к ней. Змея, как и волна, способна преодолевать препятствия, проявляя «дифракционные» свойства. Она, почти встав на хвост, может преодолеть препятствие («потенциальный барьер») много больше той высоты, которая ей присуща в состоянии покоя. Змея, двигаясь как продольная волна, может проникнуть в ячейку, размеры которой соизмеримы с ее поперечным (меньшим) размером. При определенном усилии, что называется «на выдохе», она может проникнуть в еще меньшую ячейку - в «игольное ушко», демонстрируя свои проникающие способности. Размер ячейки, в которую может проникнуть змея при движении поперечными галсами без отрыва от земли, должен быть (в плоскости земли) не меньше половины длины образованной змеей волны, а в плоскости, перпендикулярной к земле, очень малым, но не меньше поперечного сечения змеи, иначе змея поранит себе кожу. Длина самой змеи при всех указанных выше движениях не имеет никакого значения. В пределе она может быть и бесконечной. Тело змеи покрыто чешуйками. Чешуйки немного выпуклы с внешней стороны и вогнуты с внутренней. О назначении этих чешуек можно только догадываться. Возможно, что они так же, как и кожа дельфинов, способны колебаться определенным образом, способствуя ее движению. Неподвижные «чешуйки», ориентированные по направлению движения, уже взяты на «вооружение» лыжниками. Лыжи, снабженные ими скользят значительно лучше.

Таким образом, при движении змея представляет собой типичную «волну». Изгибаясь, вытягиваясь и уплощаясь, она пролезает в такие отверстия и щели, в которые ни в какой другой форме, кроме движущейся «волны», пролезть невозможно. В форме «волны» она огибает и преодолевает такие препятствия, которые, оставаясь «частицей», обогнуть и преодолеть нельзя. Кульминацией является тот момент, когда змея, изготовившись к прыжку, «встает на хвост». Из этого исходного положения она может преодолеть препятствие - «потенциальный барьер» значительно более высокое, чем вертикальный размер любой из ее форм, которые она образует, выступая в качестве частицы. При заглатывании змеей, например, мыши по ее телу распространяется уединенная «волна» типа солитона, а самой частицеподобной «волной - солитоном» является заглатываемая мышь.

Солитон [2] - структурно устойчивая, уединенная волна, распространяющаяся в нелинейной среде. Солитоны ведут себя подобно частицам (частицеподобная волна).

Жизненное пространство змеи, необходимое ей при движении, должно быть много больше пространства, занимаемого ею в состоянии покоя. Имеется и критический (минимально допустимый) размер жизненного пространства, меньше которого оно быть не может. Если его размеры будут равны или меньше «критических», то змея не сможет проявлять свойства волны.

Требования к жизненному пространству змеи практически совпадают с требованиями, предъявляемыми к размерам прямоугольного волновода, по которому распространяются электромагнитные волны одной поляризации. В таком волноводе, как известно, волны могут распространяться, начиная с определенной (критической) длины волны, являющейся из всех возможных волн (для данного сечения волновода) наиболее длинной.

Аналоги змеи - это дождевой червь, гофрированный шланг, коллективы людей, действующие определенным образом, и многое другое.

Дождевой червь является малой моделью змеи (частицы-волны). Его отдельные части, являющиеся элементами, создаваемой им «волны», способны, как известно, самостоятельно двигаться даже после того, как его разрубили. По своим действиям, в принципе, он ничем не отличается от змеи

Садовый гофрированный шланг в момент наполнения его водой может служить примером соединения пассивного «тела» с «живой» активно действующей «душой». Он обычно извивается и изгибается как живой, подобно змее. Роль отдельных структурных элементов играют его гибкие сочленения.

Коллективы(любые), действующие согласованно и упорядоченно, могут образовывать волны того или иного вида. Это можно наблюдать и во время художественного коллективного плавания и гимнастики (например, во время олимпиад), и при показательных коллективных выступлениях летчиков во время парадов. Во всех этих случаях как бы не видно отдельных «частиц», а видны лишь волнообразные результаты их упорядоченных коллективных действий. Конечный результат работы коллектива в целом зависит от того, насколько точно каждая из «частиц» выполняет свою собственную индивидуальную программу, являющуюся неотъемлемой частью обшей, коллективной.

Гипотеза 2.8: Общие для всех волн свойства (интерференция, дифракциядисперсия) и явления, происходящие на границе двух сред (отражение, поглощение, преломление и свободное прохождение) присущи любому ЕДИНСТВУ как волне, а явления - и как отдельному индивидууму.