КВАНТОВО-ПОЛЕВАЯ КАРТИНА МИРА

В конце XIX - начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого концептуальные построения классической физики оказались непригодными. В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи.

    История исследования строения атома началась в 1897 г. благодаря открытию Дж. Томсоном электрона – отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии, помимо электрона, и положительно заряженной частицы. Опыты английского физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу, что в атомах существуют ядра – положительно заряженные микрочастицы, размер которых (10^-12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10^-8 см), но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов.

Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться в атомы других в результате радиоактивности, впервые открытой французским физиком А. Беккерелем. Явление радиоактивности, окончательно опровергнувшее представление о неделимости и непревращаемости атома, заключается в самопроизвольном превращении неустойчивых ядер атомов радиоактивных элементов в результате ядерных излучений.

Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими физиками Пьером и Марией Кюри. Ими были открыты новые элементы – полоний и радий, а также установлено, что в результате радиоактивного излучения атом радиоактивного элемента превращается в атом другого элемента.

В конце прошлого века в связи с пристальным вниманием ученых к законам теплового излучения тел возникла проблема получения теоретического выражения для спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела.

    Решение этой проблемы было получено М.Планком в 1900 г. на основе предположения о том, что энергия атомного осциллятора излучается не непрерывно, а определенными порциями – квантами. Данное высказывание противоречило положениям классической физики. Создавшееся противоречие разрешилось созданием новой теории, отличной от классической, – квантовой механики. Эта теория позволила объяснить и некоторые другие явления (фотоэффект, эффект Комптона, давление света), суть которых невозможно было прояснить с классической точки зрения. Появление квантовой теории продемонстрировало диалектичность науки физики, определило новые направления ее развития.

    Ряд физических явлений демонстрирует корпускулярную сторону света (свет как частица), с другой стороны, интерференция, дифракция, поляризация подтверждают волновую природу света. А давление и преломление света объясняются и квантовой и волновой теориями. Отсюда следует, что электромагнитное излучение обнаруживает единство взаимоисключающих свойств – непрерывных (волновых) и дискретных (фотоны – кванты света).

    Французским физиком Луи де Бройлем идея о двойственной природе света была распространена на всю материю. Согласно де Бройлю, с каждой микрочастицей связываются волновые (длина волны l , частота n) и корпускулярные (энергия E, импульс p) характеристики. Аналитически связи этих характеристик имеют вид ( h – постоянная Планка)

E=h· n, p=h/ l.

    Любой частице материи ставится в соответствие волновой процесс с длиной волны, которая определяется по формуле де Бройля

l =h/p.

    Э.Шредингер развил гипотезу о волнах материи до логического конца. Ученым было получено уравнение, описывающее движение электрона в атоме. Квадрат модуля волновой функции, входящей в уравнение Шредингера, имеет смысл вероятности обнаружения частицы в некоторой точке пространства:W ~ ½ Y (x,y,z,t) ½². Таким образом, описание состояния микрочастицы с помощью Y -функции носит вероятностный характер.

    Соотношения неопределенностей имеют вид

D х · D p_x ³ h/2

D y · D p_y ³ h/2

D z · D p_z ³ h/2,

где D х, D y, D z – неопределенности соответствующих координат; D p_{x ,} D p_y , D p_z – соответствующие им неопределенности импульсов.   

    Данные соотношения демонстрируют принципиальную невозможность одновременного точного определения координаты и импульса частицы. В квантовой теории рассматривается также соотношение неопределенностей для энергии Е и времени t: 

D E · D t ³ h/2.

С точки зрения классической механики соотношение неоп-ределенностей представляется абсурдом. Чтобы лучше оценить создавшееся положение, нужно иметь в виду, что мы, люди, живем в макромире и в принципене можем построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру. Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, направленных на точное определение места, напротив, используется волновое объяснение, в частности, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при наблюдении отклонения лучей.

Существование элементарного кванта действия служит препятствием для установления одновременно и с одинаковой точностью величин «канонически связанных», т.е. положения и величины движения частицы.

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеются два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других – подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообъектом. М. Борн образно заметил, что волны и частицы – это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию.

Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является принципдополнительности, которому Н. Бор дал следующую формулировку: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

    Каждая фундаментальная теория имеет определенные границы применимости. И эти границы устанавливаются весьма строго и точно, особенно если открыта более глубокая теория, описывающая те же самые процессы. Например, классическая механика Ньютона правильно описывает движение больших тел только в тех случаях, когда скорость движения их много меньше скорости света, что выяснилось только после создания специальной теории относительности и релятивистской механики, справедливой для описания движения тел с любыми скоростями. Но появление новой теории, например, релятивистской механики, совсем не означает, что старая классическая механика утрачивает свою ценность. Движение макроскопических тел со скоростями намного меньше скорости света всегда будет описываться механикой Ньютона, потому что в этой области скоростей релятивистская механика дает ничтожные поправки, учет которых не имеет смысла. Согласно идее Бора законы классической механики подтверждаются с большой точностью в широкой области явлений, поэтому следует считать, что и новая, более точная теория в применении к этим явлениям должна давать те же результаты, что и механика Ньютона. Никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в своей области. В общей форме этот принцип формулируется так: теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, но сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новых теорий.

    В классической механике причинность имеет механический, а в квантовой – статистический смысл. Понятия «случайность» и «закономерность» дополнительны друг по отношению друг к другу. Они оба одновременно и равно необходимы, чтобы определить новое понятие «квантово-механическая причинность».

    Свойства квантовых объектов противоречивы, и слить их воедино без насилия над здравым смыслом можно только в уравнениях квантовой механики. Квантовая механика – это математическая схема, позволяющая вычислять физически измеримые характеристики атомных явлений.

Контрольные вопросы

    1. Недостаточность классического описания природы.

    2.Единство корпускулярных и волновых свойств света. Корпускулярно-волновой дуализм материи. Волны де Бройля.

    3.Объясните противоречия в теории излучения абсолютно черного тела, которые сложились к началу ХХ в. Объясните суть «ультрафиолетовой катастрофы», приведшей к появлению квантовой гипотезы Планка. Почему сложившаяся ситуация в теории равновесного излучения получила такое название?

    4.Волновая механика Шредингера. Смысл Y-функции, ее вероятностный характер.

    5.Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Принцип дополнительности. Роль измерительного прибора в физике.

    6.Причинность и случайность, вероятность и закономерность.

    7.Сформулируйте основные положения квантово-полевой картины мира.

    8.Каковы особенности физической реальности в квантовой механике?