К тому же в результате новых экспериментальных открытий в области строения вещества в конце XIX — начале XX в. все больше обнаруживалось непримиримых противоречий между электромагнитной картиной мира и опытными фактами. В 1897 г. было открыто явление радиоактивности и было установлено, что оно связано с превращением одних химических элементов в другие, которое сопровождается испусканием α-лучей (ионов гелия) и β-лучей (электронов). Изучение этих явлений создало основу для построения эмпирических моделей атома. Такого рода модели, построенные на основе опытных данных, противоречили электромагнитной картине мира.
В 1900 г. М. Планк в процессе многочисленных попыток построить теорию излучения был вынужден высказать предположение о прерывности (квантовом характере) процессов излучения. Сам Планк, в то время приверженец электромагнитной картины мира, отмечал, что он испытывает отвращение к такой странной гипотезе, разрушающей стройное здание электродинамики Максвелла. Однако гипотеза Планка о квантах излучения оказалась очень плодотворной.
Противоречия между электромагнитной картиной мира и новыми открытиями в области строения атома и законов излучения становились все более непримиримыми. Назревала новая революция в физике, связанная с заменой существующей картины мира квантово-полевой.
4. Становление квантово-полевой картины мира
В начале XX в. эмпирически полученные данные о строении атома и о законах излучения оказались в противоречии с теорией электродинамики Максвелла, и это вело к принципиально новым представлениям о материи и движении. С одной стороны, представления о материи как о непрерывном бесконечном электромагнитном поле подтверждались огромным количеством экспериментальных данных, с другой — факты прерывности излучения и факты, свидетельствующие о сложном строении атома, нельзя было игнорировать. Таким образом, возникли два несовместимых представления о материи: или она абсолютно непрерывна, или она состоит из дискретных частиц. В начале XX в. предпринимались многочисленные попытки совместить эти две точки зрения на материю (и на весь мир). При этом возникло множество предположений и гипотез, но все они, как правило, не могли объяснить, как могут существовать взаимоисключающие представления о материи. Многим казалось, что физика зашла в тупик, из которого нет выхода. Как выразился один из крупных физиков, П. Иордан, в этой науке воцарилось «беспокойство и смятение»[72].
Это смятение усугубилось, когда в 1913 г. Н. Бор предложил свою модель атома. Он предполагал, что электрон, вращающийся вокруг ядра, вопреки законам электродинамики не излучает энергии. Он излучает ее порциями лишь при перескакивании с одной орбиты на другую. Данное предположение первоначально казалось странным и непонятным даже таким физикам, как Э. Резерфорд, который является одним из авторов планетарной модели атома[73].
Однако именно модель атома Бора в значительной степени способствовала формированию новых физических представлений о материи и движении. В 1924 г. Луи де Бройль, используя аналогию между принципами наименьшего действия в механике и оптике, высказал гипотезу о соответствии каждой частице определенной волны. Иными словами, каждой частице материи присущи и свойство волны (непрерывность) и дискретность (квантовость). Тогда, отмечал де Бройль, становилась понятной теория Бора[74].
Эти физические представления нашли подтверждение в работах, выполненных в 1925–1927 гг. Э. Шредингером и В. Гейзенбергом. Первый на основе гипотезы де Бройля нашел волновое уравнение для частиц, а второй, развивая идеи Бора, дал основное уравнение квантовой механики в матричной форме. Вскоре М. Борном была показана тождественность волновой механики Шредингера и квантовой механики Гейзенберга.
В формировании квантово-полевой картины природы большую роль сыграла диалектическая идея о единстве прерывного и непрерывного. Тот, кто принимал эту идею, легко воспринял корпускулярно-волновой дуализм в представлениях о материи и движении. При построении первой квантовой теории поля — электродинамики Дирака — оно рассматривалось как совокупность частиц, а квантовые частицы — как возбуждение поля. Тем самым устанавливалась неразрывная взаимосвязь элементарных частиц и квантовых полей.