6. Основные закономерности микромира. Квантовая механика.

А) История и особенности открытия явлений микромира. Явления микромира открываются человеку только тогда, когда становится понятным, что существуют физические объекты с необычным поведением – не определенно-стабильным, а квантовым, дискретным. Открытие таких объектов было связано с исследованием излучения, прежде всего теплового. В 1900 году М. Планк пришел к убеждению, что тепловое излучение осуществляется квантами (порциями). А затем Эйнштейн показал, что дискретность – свойство света.

Он объяснил экспериментальные данные, касающиеся фотоэффекта – испускания веществом электронов под воздействием электромагнитного излучения. Электроны, поглощая фотоны, увеличивают свою энергию и в результате способны покинуть вещество. Электромагнитное поле – поток квантов (фотонов). Фотон же – элементарная частица с нулевой массой и спином. Только такая необычная частица могла, по мнению Эйнштейна, объяснить природу света.

В 1911 году Э. Резерфорд предложил модель атома с вращающимися вокруг ядра по стационарным орбитам электронами. Непонятно только было, почему электроны не падают на атом после излучения. Н. Бор в 1913 году объяснил это тем, что электроны излучают энергию, только когда перескакивают с одной орбиты на другую, т.е. реализуют необычную модель поведения.

Анализируя эту модель, Луи де Бройль в 1924 году выдвинул гипотезу корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что все частицы материи, а не только фотоны обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами.

В классической механике волновые свойства не могли быть приписаны частице. Они понимались как весьма характерное чередование пространственных областей усиления или ослабления интенсивности результирующей волны в процессе дифракции и интерференции, характерных для звука, света, возмущений поверхностей жидкостей. Но точно также не возможно было приписать и понятие корпускулы так понимаемой волне.

Э. Шредингер впервые попытался описать волновую природу частицы с помощью математики и использовать для описания квантовых явлений понятие волновой функции. Было выяснено, что операции с волновой функцией позволяют вычислить вероятности квантово-механических событий.

Но при этом волновая функция описывает не сам объект как такой и даже не его потенциальные возможности. Она вступает как выражение вероятностной природы физических объектов микромира, как обозначение особого способа соотнесения в микромире импульса частицы, ее координаты, энергии и времени жизни. Это именно математическая функция, которой придается статус физической.

Языком квантовой механики становится математика, а приемы обычной механики, примененной к явлениям микромира, просто не подтверждаются. Уравнения квантовой механики непротиворечиво описывают весь спектр квантово-механических явлений. Причем в квантовой механике различают параметры микрообъектов и операторы, их обозначающие. Уравнения квантовой механики касаются не напрямую координаты, импульса, момента импульса и энергии частиц, а операторов, их обозначающих. Параметры же называются собственным значением операторов.

Б) Важнейшие идеи квантовой механики. К наиболее характерным чертам и идеям квантовой механики можно отнести следующие:

- Принцип наблюдаемости (а точнее ненаблюдаемости). В. Гейзенберг сформулировал принцип наблюдаемости: «Разумно включать в теорию только величины, поддающиеся наблюдению». Но в квантовой механике он не выполняется. Основной формулой квантовой механики является следующая: оператор параметра (А) равен параметру (а), умноженному на волновую функцию (). Но из этих трех экспериментально регистрируем только второй. Начинает работать принцип: что существует, то измеряется; что измеряется, то и существует.

- Квантовые явления ненаглядны. Адекватное их природе изображение является аналитико-символическим. Они «измеряются» математическим формулами, а не приборами и численными параметрами. Недопустимо приписывать квантовым явлениям «скрытые» параметры. Несостоятельно всякая попытка представления квантового объекта самого по себе. Природа квантово-механических явлений такова, что она может быть представлена в аналитико-графическом виде, но не в форме изображения объектов в пространстве.

- Соотношение неопределенностей. Формулы, описывающие это соотношение, введены В. Гейзенбергом. Суть этого соотношения заключается в том, что чем определеннее значение одного параметра, тем неопределеннее значение другого: координаты и импульса.

- Принцип дополнительности Н. Бора. Квантовые объекты относительны к средствам наблюдения. Об их параметрах можно судить только после того, как они провзаимодействовали со средствами наблюдения. Причем ситуаций наблюдения должно быть достаточно много, чтобы суждения об объектах были обоснованными. Нужна взаимодополнительность измерений. Только система наблюдений может дать результат, поскольку в квантовой механике измерение и наблюдение не только возмущает, но и уничтожает объект, так, что его нужно заново готовить перед новым измерением.

- Туннельный эффект. Согласно классической теории любой потенциальный барьер может быть преодолен лишь в том случае, если кинетическая энергия тела больше его потенциальной энергии. Преодоление на уровне высоты барьера, через его превышение. Квантовые частицы способны преодолеть потенциальные барьеры даже в тех случаях, когда по классическим канонам их полная энергия недостаточна для этого.

- Потенциальная яма. Квантовая частица может иметь потенциальную энергию равную нулю, только если ее энергия принимает дискретные (а не любые) значения, т.е. она не может покоиться. «Потенциальная яма» – это абстракция, которая вводится для того, чтобы понять поведение частицы в силовых полях.

- Дефект массы. Разность между массой частицы (атомного ядра) и массой составляющих ее частиц, определяющая энергию связей частиц.

- Принцип суперпозиции. Волновые функции в микромире не накладываются друг на друга, а находятся в отношениях суперпозиции, т.е. не независимы друг по отношению к другу, но образуют особую систему возмущений, называемых волнами, в которых любую негармоническую волну можно представить в виде суммы гармонических.

- Статистические закономерности. Для квантовой механики характерны не динамические (однозначно предсказывающие) закономерности, а статистические, выявляющие средние значения параметров частиц, для подсчета которых используется понятие вероятности, показывающие не один результат, а поле возможных результатов.