Особенности становления квантовой механики и ее предмета

Содержание

І. 1. Особенности  становления квантовой механики и ее предмета.

2. Основные принципы  квантово-механического описания.

ІІ. Чем отличаются статистические закономерности в природе  от динамических. Приведите примеры.

ІІІ. 1. За какое  выдающееся открытие два советских  физика и один американский были удостоены  в 1963 г. Нобелевской премии. Как оно  связано с квантовой механикой. 

І. 1. Особенности становления  квантовой механики и ее предмета

Квантовая механика – это физическая теория, устанавливающая  способ описания и законы движения на микроуровне. Ее появление совпало  с началом века. В основе  квантово – полевой картины мира (КПКМ) лежит новая физическая теория – квантовая механика, описывающая состояние и движение микрообъектов. Это была четвертая после механики, электродинамики и теории относительности фундаментальная физическая теория. Она является базой для развития современного естествознания. Ее разработка явилась величайшей революцией в познании мира. В основе квантовой механики лежат фундаментальные идеи о квантовании физических и величин и корпускулярно – волновом дуализме. Идея квантования сформировалась на основе ряда открытий в конце XІX – начале XX веков.

В 1897 г. был открыт электрон, его заряд оказался элементарным т.е. самым наименьшим, существующим в природе в свободном состоянии. Заряд любого тела равен целому числу  элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд дискретен, равенство q = ± ne представляет формулу  квантования электрического заряда.

Во второй половине  XX в. в результате исследования теплового излучения было открыто ряд законов: Кирхгофа, Стефана – Больцмана, Вина

М. Планк в 1900 г. предположил следующую теорию (Квантовая гипотеза Планка), что  свет испускается неделимыми порциями энергии – квантами и математически  представил это в виде формулы

Е = h v

где V – частота  света, а h – универсальная постоянная, характеризующая меру дискретной порции энергии, которой обмениваются вещество и излучение. В атомную теорию вошли, таким образом, прерывистые  физические величины, которые могут изменятся только скачками.

Планк ввел в  физику новые представления. Сам  того же не желая Планк совершил переворот в физике. Его гипотеза стала началом новой квантовой  физики (старая получила название классической). Квантовая гипотеза с момента  ее появления упорно пробивала себе дорогу в физических представлениях и мировоззрении физиков. В конце XІX в. в результате экспериментов  были установлены три закона фотоэффекта  – это явление вырывания электронов из вещества под действием света.

Два из них –  независимость энергии выбиваемых электронов от интенсивности света, а зависимость ее только от частоты  и наличия для каждого вещества красной границы фотоэффекта (минимальной  частоты, при которой фотоэффект еще возможен) – не объяснялись  на основе представлений ЭМКМИ.

В 1905 году для  решения этих трудностей молодой  А. Эйнштейн не только принял квантовую  гипотезу Планка, но и расширил ее, предположил, что свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается  квантами

Он первым понял, дискретность – свойство света. Электромагнитное поле – поток квантов (фотонов) Эйнштейну  удалось объяснить все экспериментальные  данные, относящиеся к явлению  фотоэффекта, испусканию веществом  электронов под воздействием электромагнитного  излучения.

Электроны, поглощая фотоны, увеличивают свою энергию  и в результате способны покинуть вещество.

В  1911 английский физик Э. Резерфорд предположил модель атома: электроны движутся по законам Максвелла  вокруг  значительно более массивного атомного ядра. Резерфорд изучал прохождение  a - частиц через тонкую металлическую фольгу. Его модель атома позволяла объяснить результаты экспериментов, но она противоречива.

В 1913 г. Н. Бор  предположил, что электроны находятся  на стационарных орбитах и не излучают энергию. Порция энергии излучается лишь при переходе с одной стационарной орбиты на другую:

hv= Ен – Ек

где Ен и Ек –  энергия электрона на его начальной  и конечной орбитах.

Существенно новый  импульс квантово – механические представления получили благодаря, выдвинутой в 1924г. французским физиком  Л.де Бройлем гипотезы, так называемого  корпускулярно – волнового дуаделизма. Он утверждал, что частицы материи (а не только фотоны) обладают как  корпускулярными, так и волновыми  свойствами. Теория Бора позволила  понять и объяснить атомные спектры  и другой экспериментальный материал, накопленный в физике в конце XІX первой четверти XX вв. Это был  несомненный успех. Последовательной теорией атомных и ядерных  процессов стала квантовая механика, созданная в 1924-1927 гг.

В квантовой  механике одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по –  разному. Законы квантовой механики  - законы статистического характера. Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает статистические законы.

На базе квантовой  механики невозможно описать положение  и скорость элементарной частицы  или предсказать ее будущий путь. Волны вероятности говорят о  вероятности встретить электрон в том или ином месте.

Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы. Человек перешел  на тот уровень исследования, где  влияние оказывается неустранимым в ходе эксперимента и фиксируемым  результатом является взаимодействие изучаемого объекта и измерительного прибора.

На основании  квантовой механики объясняются  многие микропроцессы, происходящие в  пределах атома, ядра и элементарных частиц – появились новые отрасли  современной физики: квантовая оптика и квантовая теория твердого тела, квантовая электродинамика и  многие другие. 

I. 2. Основные принципы  квантово – механического  описания  

2.1 Принцип наблюдаемости

Согласно принципу наблюдаемости, сформулированному  одним из основателей квантовой  механики В. Гейзенбергом, «разумно включать в теорию только величины, поддающиеся  наблюдению…» [12, с. 191].

В любой науке  данные наблюдений становятся понятными  лишь тогда, когда есть теория. Все  физические теории, которые были известны ученым до создания квантовой механики, содержали исключительно понятия, прямо и непосредственно сопряженные  с данными наблюдений.

ÂY = аn Y

Измерение имеет  дело непосредственно с аn, собственными значениями оператора Â. Из трех физических конституентов.

Â, Y и аn измеряется лишь последний. Все физические теории, которые были известны учеными до создания квантовой механики, содержали  исключительно понятия прямо  и непосредственно сопряженные  с данными наблюдений.

В квантовой  механике появляются ранее неведомые  физикам конструкты, волновая функция (Y)оператор ( Â), причем оба в принципе не могут быть зарегистрированы в  эксперименте:

 и Y не наблюдаемы, лишь аn фиксируется в эксперименте.

Квантово-механическая реальность открывается в эксперименте лишь одной своей гранью. Вопреки  расхожему мнению реальность дана не только в эксперименте, но и в  теории. Разумеется, остается в силе старое правило: подтверждением теории является ее согласие с данными наблюдений. В науке, в том числе физике, данные наблюдений никогда не фигурируют отдельно от теории, т.е. концептуальной интерпретации. Главная цель ученых состоит в том, чтобы добиться гармонии, резонанса теории и эксперимента.

2.2 О наглядности  квантово-механических  явлений

Все, что происходит с квантовыми объектами до фиксации собственных значений

аn того или иного  оператора Â, в эксперименте не фиксируется  в непосредственном виде, а потому не дано в наглядной форме. Несостоятельна всякая попытка представления себе квантового объекта самого по себе, до его взаимодействия с макроусловиями его существования. Квантово-механические явления как таковые невозможно сфотографировать и представить их изображения, они не поддаются зарисовке. Это и не сгустки вещества, и не волны распределенные в реальном пространстве, и не материальные точки, движущиеся по траекториям.

Все попытки  представить себе квантовые объекты  и происходящие с ними процессы в  наглядной, т.е. подвластной чувствам форме игнорируют специфику квантовой  механики. Желающий уяснить себе природу  квантово- механических явлений должен записать волновую функцию Y и те уравнения, в которых она фигурирует, а  затем подвергнуть полученные записи всестороннему анализу, при этом часто оказывается возможным  изображение аналитических выражений  в форме графических построений. Природа квантово-механических явлений  такова, что она может быть представлена в аналитико-графическом виде, но не в форме изображения объектов в пространстве.

Квантово-механические явления таковы, каковыми их описывают  уравнения квантовой механики, исходя из которых можно предсказать, причем вероятностным образом, результаты измерений. Эти уравнения не позволяют  предсказать наличие у квантовых  объектов, каких- то   «скрытых» параметров, доступных наблюдениям, если не настоящим, то будущим. При правильном понимании квантовой механики вопрос о скрытых параметрах вообще не возникает, он инициируется теми, кто абсолютизирует концептуальную базу классической физики, в результате чего переносит ее в квантовую механику.

Квантовая механика описывает поведение реальных, а  не мифических частиц, но посредством  особых концептуальных средств, иных, чем те, которые использовала классическая физика и от которых пришлось отказаться под давлением экспериментальных  фактов.

2.3 Соотношение неопределенностей

Как было впервые  подмечено В. Гейзенбергом, измеряемые значения координат квантовых объектов и их импульсов подчиняются соотношениям:

Х    Рх>    ђ,       У     Ру > ђ,        Z       Рz > ђ,

где значок   обозначается - неопределенность. Соотношения Гейзенберга свидетельствуют о том, что чем определеннее значение одного из параметров, входящих в указанные соотношения, тем неопределеннее значение другого параметра, и, наоборот, чем больше неопределенность координаты, тем меньше неопределенность импульса: имеется в виду, что оба параметра измеряются одновременно.

Соотношение неопределенностей  Гейзенберга вытекает непосредственно  из квантово-механического формализма. Анализ показал, что соотношение  неопределенностей выполняется  для тех величин, операторы которых  не коммутируют друг с другом. Соотношения  неопределенностей Гейзенберга  как показывают простейшие подсчеты, являются следствием наличия некоммутирующих  операторов. Иначе говоря, природа  квантовых объектов такова, что взаимосопряженные (т.е. соотносящиеся с некоммутирующими операторами) величины связаны друг с другом уравнением неопределенностей, в случае взаимосопряженных параметров. Одновременно точно можно измерить лишь те величины, которым соответствуют  коммутирующие друг с другом операторы.

2.4 Принцип дополнительности  Н. Бора

Квантовые объекты  относительны к средствам наблюдения. О параметрах квантовых явлений  можно судить лишь после ТОО как  они провзаимодействовали со средствами наблюдения, т.е. приборами.

«Поведение атомных  объектов невозможно резко отграничить  от их взаимодействия с измерительными приборами, фиксирующими условия, при  которых происходят явления» [9, с.406].

При этом приходится учитывать, что приборы, которые  используются для измерения параметров, связанных между собой соотношением неопределенностей, разнотипны. Исследователи  вынуждены прибегать к использованию  различных установок.

«…Данные, полученные при различных условиях опыта, не могут быть охвачены одной-единственной картиной; эти данные должны рассматриваться  как дополнительные в том смысле. Что только совокупность разных явлений  может дать более полное представление  о свойствах объекта» [9, с.407]. В  этом как раз и состоит содержание принципа дополнительности.

Согласно квантовой  механике, каждое отдельно проведенное  измерение разрушает микрообъект: после измерения его волновая функция перестает существовать. Чтобы провести измерение приходится заново готовить микрообъект. Это обстоятельство существенно усложняет процесс  синтеза данных измерений по сравнению  с теми. Что имеет место в  классической физике и специальной  теории относительности. В этой связи  Бор как раз и утверждал  взаимодополнительность квантовых  измерений. Данные классических измерений  не взаимодополнительны, они просто-напросто сосуществуют, имеют самостоятельный  смысл независимо друг от друга. Взаимодополнение имеет место там, где исследуемые  сущие неотделимы друг от друга и  взаимосвязаны между собой.