Квантова механіка, її інтерпретація

Квантова механіка (хвильова механіка) - теорія, яка встановлює спосіб опису і закони руху мікрочастинок (елементарних часток, атомів, молекул, атомних ядер) та їх систем, а також зв'язок величин, які характеризують частки і системи, з фізичними величинами, безпосередньо вимірюваними на досвіді.

Квантова механіка описує закони руху мікрочастинок. Однак оскільки властивості макроскопічних тел визначаються рухом і взаємодією частинок, з яких вони перебувають, остільки квантова механіка застосовується для пояснення багатьох макроскопічних явищ. Наприклад, квантова механіка дозволила зрозуміти багато властивостей твердих тіл, послідовно пояснити такі явища, як феромагнетизм, надтекучість, надпровідність, зрозуміти природу таких астрофізичних об'єктів, як білі карлики, нейтронні зірки, з'ясувати механізм протікання термоядерних реакцій у Сонце і зірках.

Для класичної механіки характерно опис частинок шляхом завдання їх положення в просторі (координат) і швидкостей і залежності цих величин від часу. Досвід показав, що такий опис часток не завжди справедливо, зокрема, воно не стосується для опису мікрочастинок.

Квантова механіка поділяється на нерелятівістскую, справедливу у випадку малих швидкостей, і релятивістську, що задовольняє вимогам спеціальної теорії відносності.

Нерелятівісткая квантова механіка (як і механіка Ньютона для своєї області застосування) -- це закінчена і логічно несуперечлива фундаментальна фізична теорія.

Релятивістська квантова механіка не є такою мірою завершеною і вільною від протиріч теорією.

Якщо в нерелятівістской області можна вважати, що взаємодія передається миттєво на відстані, то в релятивістської області воно поширюється з кінцевою швидкістю, значить, повинен існувати агент, що передає взаємодія - фізичне поле. Труднощі релятивістської теорії - це труднощі теорії поля, з якими зустрічається як релятивістська класична механіка, так і релятивістська квантова механіка.

Співвідношення між класичної та квантової механікою визначається існуванням універсальної світової постійної - постійної Планка, яка називається також квантом дії і має розмірність дії. Якщо в умовах даної задачі фізичні величини розмірності дії значно більше постійної Планка, то застосовна класична механіка. Формально цю умову і є критерієм застосовності класичної механіки.

Загальна теорія відносності - неквантовая теорія. У цьому відношенні вона подібна класичної електродинаміки Максвелла. Однак найбільш загальні міркування показують, що гравітаційне поле має підкорятися законам квантовим точно так само, як і електромагнітне поле. Застосування квантової теорії до гравітації показує, що гравітаційні хвилі можна розглядати як потік квантів -- Гравітон.

Вперше квантові уявлення були введені в 1900 році німецьким фізиком Планком в роботі, присвяченій теорії теплового випромінювання. Існуюча в той час теорія теплового випромінювання, побудована на основі класичної електродинаміки та статистичної фізики, приводила в суперечності. Щоб її вирішити, Планк припустив, що світло випускається не безупинно (як це випливало з класичної теорії випромінювання), а певними дискретними порціями енергії -- квантами.

Ейнштейн в 1905 році побудував теорію фотоефекту, розвиваючи квантові представлення Планка. Ейнштейн припустив, що світ не тільки випускається і поглинається, але і поширюється квантами, т.е.что дискретність властива не тільки процесам випускання і поглинання світла, а й самому світу, що світло складається з окремих порцій - світлових квантів.

Квант світла, а більш широко - електромагнітного випромінювання, називається фотоном. Цей термін увів американський фізико-хімік Льюїс у 1929 році.

Для створення сучасної картини світу важливою подією виявилося те, що в 1922 році американський фізик Комптон відкрив ефект, в якому вперше у всій повноті проявилися корпускулярні властивості електромагнітного випромінювання (зокрема, світла). Експериментально було показано, що розсіяння світла вільними електронами відбувається за законами пружного зіткнення двох часток.

Ефект Комптона виявив корпускулярні властивості світла. Було експериментально доведено, що поряд з відомими хвильовими властивостями (що проявляються, наприклад, у дифракції) світло має і корпускулярних властивостями: він складається як би з частинок. У цьому виявляється дуалізм світла, його корпускулярно-хвильова природа.

Виникло формальне логічне протиріччя: для пояснення одних явищ треба було вважати, що світ має хвильову природу, для пояснення інших -- корпускулярну. Вирішення цієї суперечності і призвело до створення фізичних основ квантової механіки.

В 1913 Бор застосував ідею квантів до планетарної моделі атома. Ця модель на основі класичних уявлень призводила до парадоксу - радіус орбіти електрона повинен був постійно зменшуватися через випромінювання і електрон повинен був впасти на ядро. Для пояснення стійкості атомів Бор припустив, що електрон випромінює світлові хвилі не постійно, а лише при переході з одного орбіти, що задовольняє умовам квантування, на іншу народжується квант світла.

В 1924 французький фізик Луї де Бройль, намагаючись знайти пояснення постульовано в 1913 році Бором умовам квантування атомних орбіт, висунув гіпотезу про загальності корпускулярно-хвильового дуалізму. Згідно з цією гіпотези, кожній частці, незалежно від її природи, треба поставити в відповідність хвилю, довжина якої пов'язана з імпульсом частинки.

Тобто не тільки фотони, але і все "звичайні частинки" (електрони, протони та ін) мають хвильовими властивостями, які, зокрема, повинні виявлятися в дифракції частинок.

В 1927 року в експерименті спостерігалася дифракція електронів, а пізніше-дифракція та інших частинок, тим самим справедливість гіпотези де Бройля була підтверджена експериментально.

В 1926 австійскій фізик Шредінгер запропонував рівняння, що описують поведінку хвиль, що відповідають кожній частці (хвиль де Бройля), у зовнішніх силових полях. Це хвильове рівняння, яке отримало назву рівняння Шредінгера, є основним рівнянням нерелятівістской квантової механіки, хвильової механіки.

В 1928 Діраком було сформульовано релятивістське рівняння, що описує рух електрона в зовнішньому силовому полі. Рівняння Дірака стало одним з основних рівнянь релятивістської квантової механіки.

Застосування Бором квантових ідей до теорії будови атома призвело до побудови "полуклассіческой" теорії, яка зустрілася з багатьма труднощами.

Модель атома Бора була побудована за рахунок порушення логічної цілісності теорії: з одного боку, використовувалася Ньютонова механіка, з іншого - залучалися чужі їй штучні правила квантування, до того ж суперечать класичної електродинаміки. Теорія Бора не могла пояснити, як рухається електрон при переході з одного рівня на іншій.

Подальша розробка воросом теорії атома призвела до висновку, що рух електронів в атомі не можна описувати в термінах класичної механіки (як рух по певної траєкторії, орбіті), що питання про рух електрона між рівнями несумісний з характером законів, що визначають поведінку електрона в атомі. Стало ясно, що для побудови моделі атома необхідна принципово нова теорія, що для опису поведінки електрона в атомі не оперує поняттями ньютонівської механіки. У нову теорію могли входити тільки величини, що відносяться до початкового і кінцевого стаціонарним станам атома.

Німецька фізик В. Гейзенберг у 1925 році побудував формальну схему, в якій замість координат і швидкостей електрона фігурували деякі абстрактні абстрактні величини - матриці.

Робота Гейзенберга була розвинена Борном і Йорданом. Так виникла матрична механіка.

Незабаром після появи рівняння Шредінгера еквівалентність цих двох форм була доведена.

Остаточне формування квантової механіки як послідовної теорії пов'язано з роботою Гейзенберга 1927 року, в якій був сформульований принцип, який стверджує, що будь-яка фізична система не може перебувати в станах, у яких координати її центру інерції і імпульс одночасно приймають цілком певні, точні значення. Цей принцип отримав назву "співвідношення невизначеностей ".

Співвідношення невизначеностей встановлює, що поняття координати та імпульсу в класичному розумінні не можуть бути застосовані до мікроскопічним об'єктам. Ніякої експеримент не може призвести до одночасно точному вимірюванню що входять у співвідношення невизначеностей динамічних змінних. При цьому невизначеність у вимірах пов'язана не з недосконалістю вимірювальної техніки, а з об'єктивними властивостями мікросвіту.

Завершення побудови апарату квантової механіки породило гострі дискусії щодо інтерпретації цієї теорії, оскільки вона істотно відрізняється від класичних теорій.

Важливе відмінність полягає в тому, що в класичних теоріях описуються властивості об'єктів поза їх відношення до тих приладів, за допомогою яких виявляються ці властивості, в той час як у квантовій механіці облік умов спостереження невід'ємний від самої теоретичної постановки проблеми (при цьому в різних макроскопічних ситуаціях мікроявленія виявляють різні, часом прямо протилежні властивості, наприклад, частки або хвилі).

Іншим істотною відмінністю квантової механіки від класичної, що викликав гострі дискусії, є її принципово імовірнісний характер.

умонастрій, характерне для класичної науки, відображена у висловленні Лапласа про те, що якби існував розум, обізнаний в даний момент про всіх силах природи в точках прикладання цих сил, то "не залишилося б нічого, що було б для нього недостовірно, і майбутнє, так само як і минуле, постало б перед його поглядом ".

Це умонастрій класичної науки, чітко виражене Лапласа в його роботі "Досвід філософії теорії імовірностей" (1814 рік), часто і зв'язується з його іменем, називається лапласовскім детермінізмом. Безумовно, що це умонастрій не вичерпується наведеним висловлюванням Лапласа про всеведущего розумі. Воно являє собою тонку і глибоку систему і уявлень про реальності та способи її пізнання.

З позицій лапласовского детермінізму ньютонівська механіка з її однозначними законами є каноном, ідеалом наукового знання взагалі, будь-яких наукових теорії. Будь-яка теорія з цієї точки зору має вичерпно описувати властивості реальності на базі суворо однозначних законів, як це робить механіка.

Активне застосування теорії ймовірностей у фізиці, яке почалося з середини 19 століття, призвело до появи нового типу законів і теорій - статистичних.

Важливо підкреслити, що використання ймовірносно-статистичних методів в науці не суперечить концепції лапласовского детермінізму. На емпіричному рівні об'єкти дані в єдності істотних і несуттєвих, випадкових властивостей, тому використання імовірнісних уявлень цілком обгрунтовано. На теоретичному рівні використання ймовірностей передбачало однозначну детермінованість тих індивідуальних явищ, які в сукупності дають статистичний закон.

З позицій лапласовского детермінізму, використання імовірнісних уявлень в науці цілком виправдано, але пізнавальний статус динамічних і статистичних теорій істотно різний. Статистичні теорії з цих позицій - це недійсності теорії; вони можуть бути практично дуже корисні, але в пізнавальному плані вони неповноцінні, вони дають лише перше наближення до правду, і за кожною статистичною теорією повинна стояти теорія, однозначно що описує реальність.

Одна з інтерпретацій квантової механіки була побудована з позицій лапласовского детермінізму.

Фактично таку інтерпретацію розвивали Ейнштейн, Планк, Шредінгер та їх прихильники, коли стверджували, що принципово імовірнісний характер квантової механіки говорить про її неповноту як фізичної теорії. Вони орієнтували фізиків на пошук такої теорії мікроявленій, яка за своєю струкруре і характеру законів була б подібна до класичної механіки або класичної електродинаміки. У цьому руслі будувалася програма елімінації імовірнісних уявлень з теорії мікросвіту шляхом виявлення "прихованих параметрів", тобто таких властивостей елементарних частинок, знання яких дозволило б досягти їх суворо однозначного опису.

Проти такої інтерпретації квантової механіки виступили Борн, Брілюена та інші, хто бачив у квантовій механіці повноцінну і повноправну фізичну теорію.

Хоча дискусії щодо статусу імовірнісних уявлень у сучасній фізиці не закінчені до цих пір, проте розвиток квантової механіки послаблює позиції прихильників лапласовского детермінізму.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://nrc.edu.ru/