2. Создание квантовой механики.

Как уже упоминалось в лекции 2, в рамках классической картины мира существовало представление о двух формах существования материи – вещество (дискретное) и поле (непрерывное), которые обладают совершенно различной физической природой. Однако уже в первые десятилетия XX в. появляются факты, опровергающие подобные представления.

Прежде всего, в 1896 г. немецкий физик М. Планк (1858-1947) открывает дискретный характер излучения и поглощения энергии. Кроме того, он вводит в науку понятие наименьшей дискретной единицы энергии – квант. Величина кванта вычисляется по следующей формуле: где h – это постоянная Планка ( Дж c.), ν – частота колебания излучения.

Во-вторых, это объяснение в 1905 г. А. Эйнштейном явления фотоэффекта (способность вещества испускать электроны под воздействием света или любого электромагнитного излучения) с точки зрения квантовой теории света М. Планка. Главной заслугой А. Эйнштейна состояла в следующем – он предположил, что свет не только излучается, но и существует в виде квантов. Результатом исследований М. Планка и А. Эйнштейна был пересмотр существовавшей ранее теории о том, что свет является разновидностью электромагнитных колебаний.

Напомним, что на протяжении XVII-XIX вв. высказывались различные гипотезы о природе света – сначала господствовала корпускулярная теория (свет – это поток корпускул или частиц), затем лидерство перешло к волновой теории (свет – это электромагнитная волна). Благодаря открытиям М. Планка и А. Эйнштейна в науке утвердилась новая квантовая теория света, в которой дискретные величины (квант света, импульс) рассматриваются в непосредственной взаимосвязи с волновыми (частота и длина волны). Подобное соотношение как раз и отразилось в формуле E=h ν (энергия светового кванта выражается через его волну).

В-третьих, французский физик Л. Де Бройль (1892-1987) в 1924 г. выдвинул гипотезу – корпускулярно-волновые свойства, открытые у фотонов, также присущи всем частицам (электронам, протонам, атомам и т. д.). По его мнению, каждой материальной частице необходимо поставить в соответствие волну, длина которой обратно пропорциональна импульсу частицы: λ = h / p, а частота прямо пропорциональна энергии:

ν = E / h.

В 1927 г. американские физики К. Дэвиссон и Л. Джермер экспериментально подтвердили гипотезу Л. де Бройля – все микрообъекты обладают квантовыми характеристиками (так называемое явление дуализма волны и частицы). Это принципиально новое явление совершенно не укладывалось в рамки классической физики. Действительно, раньше считали, что объекты ее изучения могли обладать либо корпускулярными, либо волновыми свойствами. В отличие от этого микрообъекты, имеющие квантовый характер, обладают одновременно как корпускулярными, так и волновыми свойствами.

Таким образом, исследования М. Планка, А. Эйнштейна, Л. де Бройля, к. Дэвиссона и Л. Джермера легли в основу новой квантовой механики.

Принципиальное отличие квантовой механики от классической механики:

В классической механике – если заданы начальные координаты и скорость объекта, то можно полностью описать его состояние в любой момент времени в будущем и прошлом (принцип детерминизма). При этом предсказания, сделанные в рамках механистической картины мира, носят однозначный и достоверный характер.

В квантовой механике – законы квантовой механики, имеющей объектом исследования микрочастицы, статистичны по своей природе, поэтому предсказания носят вероятностный характер (в силу того, что о свойствах мельчайших частиц исследователи могут судить только по косвенным показателям макроскопических приборов). В этой связи квантовая механики признает случайность, как один из главных факторов, влияющих на состояние объекта.

Принципы квантовой механики:

Принцип неопределенности – сформировал в 1927 г. немецкий физик В. Гейзенберг (1901-1976) в виде соотношения неопределенностей сопряженных величин. Суть принципа – при описании состояния любого микрообъекта мы не можем одновременно представить его в виде волны и частицы. Например, при определении значения одной из таких величин (например, импульса), мы не можем с такой же точностью определить значение другой (координаты) – чем точнее определяется одна из величин, тем менее точно другая. Принцип неопределенности, по крайней мере, в настоящее время считается фундаментальным положением квантовой механики и неявно фигурирует в ней во всех рассуждениях.

Принцип дополнительности – создал в 1927 г. М. Бор. Суть принципа – при описании любого квантомеханического объекта для получения полной картины необходимо корпускулярную картину дополнять волновой.

При этом необходимо отметить, что корпускулярно-волновые свойства микрочастиц, которые обнаруживаются у них во время проведения различных экспериментов, не являются результатом этих опытов. В действительности же такие свойства лишь проявляются во время экспериментов.