Концепции современного естествознания. Часть I - Учебное пособие (Макаров В.М.)

Создание квантовой механики.

Такие новые представления и принципы были созданы плеядой выдающихся физиков ХХ в. в 1925–1927 гг.: В. Гейзенберг установил основы так называемой матричной механики; Луи де Бройль, а за ним         Э. Шредингер разработали волновую механику. Вскоре выяснилось, что и матричная механика, и волновая механика – различные формы единой теории, получившей название квантовой механики.

К созданию матричной механики В. Гейзенберг пришел в результате исследований спектральных закономерностей, а также теории дисперсии, где атом представлялся некоторой математической моделью – как совокупность виртуальных гармонических осцилляторов. Представления об атоме как о системе, состоящей из ядра и вращающихся вокруг него электронов, которые обладают определенной массой, движутся с определенной скоростью по определенной орбите, нужно понимать лишь как аналогию для установления математической модели. Указанный метод исследования и развил Гейзенберг, распространив его вообще на теорию атомных явлений.

В 1926 г. Гейзенберг впервые высказал основные положения квантовой механики. Теория атомных явлений, по Гейзенбергу, должна ограничиваться установлением соотношения между величинами, которые непосредственно измеряются в экспериментальных исследованиях («наблюдаемыми» величинами, в терминологии Гейзенберга) – частотой излучения спектральных линий, их интенсивностью, поляризацией т.п. «Ненаблюдаемые» величины, такие как координаты электрона, его скорость, траекторию, по которой он движется, и т. д., не следует использовать в теории атома.

Однако в согласии с принципом соответствия новая теория должна определенным образом соответствовать классическим теориям, т.е. соотношения величин новой теории должны быть аналогичными соотношениям классических величин. При этом каждой классической величине нужно найти соответствующую ей квантовую величину и, пользуясь классическими соотношениями, составить соответствующие им соотношения между найденными квантовыми величинами. Такие соответствия могут быть получены только из операций измерения.

Анализируя закономерности измерения величин в квантовой механике, Гейзенберг приходит к важному принципиальному результату о невозможности одновременного точного измерения двух сопряженных величин и устанавливает так называемое соотношение неопределенностей qi pi ~h, где qi - точность измерения какой-либо из координат частицы; pi – точность одновременного измерения соответствующего импульса; h – постоянная Планка.

Этот принцип является основой физической интерпретации квантовой механики.

Второе направление в создании квантовой механики сначала развивалось в работах Луи де Бройля. Он высказал идею о волновой природе материальных частиц. На основании уже установленного факта одновременно и корпускулярной, и волновой природы света, а также оптико-механической аналогии де Бройль пришел к идее о существовании волновых свойств любых частиц материи.

На первые работы де Бройля, в которых высказывалась идея волн, связанных с материальными частицами, не обратили серьезного внимания. Де Бройль впоследствии писал, что высказанные им идеи были приняты с «удивлением, к которому, несомненно, примешивалась какая-то доля скептицизма». Но не все скептически отнеслись к идеям де Бройля. Особенно сильное влияние идеи де Бройля оказали на Эрвина Шредингера, который увидел в них основу для создания новой теории квантовых процессов. В 1926 г. Шредингер, развивая идеи де Бройля, построил так называемую волновую механику.

Шредингер приходит к мысли, что квантовые процессы следует понимать как некие волновые процессы, характеризуемые волновой функцией. Тогда образ материальной точки, занимающей определенное место в пространстве, строго говоря, является приближенным и может быть сохранен только при рассмотрении макропроцессов, подобно тому, как мы пользуемся представлением о световом луче, которое теряет смысл, если рассматривать явления дифракции и интерференции. Функция должна удовлетворять волновому уравнению («уравнение Шредингера»). Шредингер поставил вопрос о связи его теории с теорией Гейзенберга и показал, что при всем различии исходных физических положений они математически эквивалентны.

Иначе говоря, в квантовой механике разница между полем и системой частиц исчезает. Так, например, электрон, вращающийся вокруг ядра, можно представить как волну, длина которой зависит от ее скорости. Там, где укладывается целое число длин волн электрона, волны складываются и образуют боровские разрешенные орбиты. А там, где целое число длин волн не укладывается, гребни волн компенсируют впадины, там орбиты не будут разрешены.

Волновая механика получила прямое экспериментальное подтверждение в 1927 г., когда К. Дж. Дэвиссон и П. Джермер обнаружили явление дифракции электронов. Кроме того, выяснилось, что правильно и количественное соотношение для длин волн «волн де Бройля».

Квантовая механика – теоретическая основа современной химии. Ядро атома с порядковым номером N и массовым числом M содержит N протонов и (M-N) нейтронов (всего M нуклонов). Число электронных оболочек равно числу протонов в ядре, поэтому в нормальном состоянии атом нейтрален. Электроны распределяются на оболочках в строгом порядке: на первой к ядру не более 2 элементов; на втором – не более 8; на третьей – не более 18 и т.д. Когда два атома сталкиваются, они или вновь объединяются вместе, обобществляя свои оболочки, или вновь расходятся после перераспределения электронов. Число электронов на внешней оболочке и определяет химическую активность элемента.

С помощью квантовой теории удалось построить также более совершенные теории твердого тела, электрической проводимости, термоэлектрических явлений и т.д. Она дала основания для построения теории радиоактивного распада, а в дальнейшем стала базой для ядерной физики.

Вслед за основополагающими работами Шредингера по волновой механике были предприняты первые попытки релятивистского обобщения квантово-механических закономерностей, и уже в 1928 г. П. Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.

 

Проблемы интерпретации квантовой механики. Принцип дополнительности.

Созданный группой физиков в 1925–1927 гг. формальный математический аппарат квантовой механики убедительно продемонстрировал свои широкие возможности по количественной оценке значительного эмпирического материала; показал, что квантовая механика пригодна для описания определенного круга явлений. Вместе с тем её абстрактность и значительные отличия от классической механики создавали ощущение незавершенности, неполноты новой теории. В результате возникло мнение о необходимости ее завершения.

А. Эйнштейн и ряд физиков считали, что квантово - механическое описание физической реальности существенно неполно, т.е., созданная теория не является фундаментальной, а лишь промежуточной ступенью по отношению к ней, поэтому ее необходимо дополнить принципиально новыми постулатами и понятиями, т.е. дорабатывать ту часть оснований новой теории, которая связана с ее принципами.

Другие физики (Н. Бор, В. Гейзенберг) считали, что новая теория является фундаментальной и дает полное описание физической реальности, а прояснить положение вещей можно было здесь только путем более глубокого исследования проблемы наблюдений в атомной физике. Иначе говоря, Бор и его единомышленники полагали, что «доработку» квантовой механики следует вести по линии уточнения той части ее оснований, которые связаны не с принципами теории, а с ее методологическими установками, по линии интерпретации созданного математического формализма. Разработка методологических установок квантовой механики, являвшаяся важнейшим звеном в интерпретации этой теории, продолжалось вплоть до конца 40-х гг. завершение выработки этой интерпретации означало и завершение научной революции в физике, начавшейся в конце IX века.

Основной отличительной особенностью экспериментальных исследований в области квантовой механики является фундаментальная роль взаимодействия между физическим объектом и измерительным устройством. Это связано с корпускулярно-волновым дуализмом. И свет, и частицы проявляют в различных условиях противоречивые свойства, в связи с чем о них возникают противоречивые представления. В одном типе измерительных приборов (дифракционная решетка) они представляются в виде непрерывного поля, распределенного в пространстве, будь то световое поле или поле которое описывается волновой функцией. В другом типе приборов (пузырьковая камера) эти микроявления выступают как частицы. Причина корпускулярно-волнового дуализма по Бору, в том, что сам микрообъект не является ни волной, ни частицей в обычном понимании.

Невозможность провести резкую границу между объектом и прибором в квантовой физике выдвигает две задачи:

каким образом можно отличить знания об объекте от знаний о приборе;

каким образом, различив их, связать в единую картину, теорию объекта.

Вследствие того, что сведение о микрообъекте, о его характеристиках получают в результате его взаимодействия с классическим прибором (макрообъектом), микрообъект можно интерпретировать только в классических понятиях, т.е. использовать классические представления о волне и частице. Мы как бы вынуждены говорить на классическом языке, хотя с его помощью нельзя выразить все особенности микрообъекта, который не является классическим. Поэтому первая задача разрешается введением требования описывать поведение прибора на языке классической физики, а принципиальное поведение микрочастиц – на языке квантово-механических формализмов. Вторая задача разрешается с помощью принципа дополнительности: волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают и не заменяют друг друга, а взаимно дополняют друг друга.

При одном представлении микрообъекта используется причинное описание соответствующих процессов, а в другом случае – пространственно-временное. Единая картина объекта синтезирует эти два описания.

Контрольные вопросы

Кем и когда были установлены основы матричной механики?

Какой принцип является основой физической интерпретации квантовой механики?

Кто первым пришёл к идее о существовании волновых свойств любых частиц материи?

Кто является автором волновой механики?

Обнаружение, какого явления дало экспериментальное подтверждение волновой механики?

Какие теории позволила объяснить и построить теоретическая квантовая механика?

Сформулируйте принцип дополнительности.