60. Соотношение неопределенностей гейзенберга как проявление корпускулярно-волнового дуализма свойств вещества. Применение соотношений неопределенностей к решению квантово- механичсеких задач

Основным понятием квантовой механики является понятие квантового состояния какого-то микрообъекта, или микросистемы (это может быть отдельная частица, атом, молекула, совокупность атомов и т.п.). Состояние может быть охарактеризовано заданием квантовых чисел: значений энергии, импульса, момента импульса, проекции этого момента импульса на какую-то ось, заряда и т.п. Как следует из модели Бора для атома водорода, энергия и другие характеристики могут в некоторых случаях принимать лишь дискретный ряд значений, нумеруемых числом n = 1, 2, ... (в этом пункте квантовая механика полностью противоречит классической физике).  Таким образом, квантовая механика в общем случае оперирует не с определенными результатами измерений тех или иных физических величин, а лишь с вероятностями того, что при измерении будет получено то или иное значение величины. Этим квантовая механика принципиально отличается от классической физики. Другое фундаментальное отличие заключается в том, что не всегда можно измерить какую-то величину со сколь угодно большой точностью. Сам акт измерения в микромире оказывает необратимое влияние на измеряемый объект.  Этот факт выражается в соотношении неопределенностей Гейзенберга:  (6.2) Здесь   = h/(2p) - постоянная Планка "аш с чертой", которая столь часто фигурирует в большинстве формул квантовой механики, что физики предпочитают употреблять ее вместо h.  Численно  Смысл соотношения неопределенностей заключается в том, что невозможно одновременное измерение дополнительных (по терминологии Н. Бора) величин, например, координаты и импульса микрообъекта. Всякая попытка увеличить точность измерения координаты приводит к потере информации об импульсе, и наоборот. Следует ясно понимать, что речь не идет о несовершенстве приборов для измерения. Ограничения, накладываемые соотношением неопределенностей, носят принципиальный характер, не зависящий от устройства приборов. Эти ограничения являются законом, действующим в микромире.

61. Принципиальное отличие задания состояния частицы в квантовой и классической механике. Волновая функция и ее статистический смысл.

Принципиальное отличие квантовой механики отклассической состоит также в том, что её предсказания всегда имеют вероятностный характер. Это означает, что мы не можем точно предсказать, в какое именно место попадает, например, электрон в рассмотренном выше эксперименте, какие бы совершенные средства наблюдения и измерения ни использовали. Можно оценить лишь его шансы попасть в определённое место, а следовательно, применить для этого понятия и методы теории вероятностей, которая служит для анализа неопределённых ситуаций.

В квантовой механике любое состояние системы описывается с помощью так называемой матрицы плотности, но, в отличие от классической механики, эта матрица определяет параметры её будущего состояния не достоверно, а лишь с той или иной степенью вероятности. Важнейший философский вывод из квантовой механики заключается в принципиальной неопределённости результатов измерения и, следовательно, невозможности точного предвидения будущего. 

Экспериментальное подтверждение идеи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, ограниченность применения классической механики к микрообъектам, диктуемая соотношением неопределенностей, а также противоречие целогоряда экспериментов с применяемыми в начале XX в. теориями привели к новому этапу развития квантовой теории — созданию квантовой механики, описывающей законы движения и взаимодействия микрочастиц с учетом их волновых свойств. Ее создание и развитие охватывает период с 1900 г. (формулировка Планком квантовой гипотезы; см. § 200) до 20-х годов XX в.; оно связано прежде всего с работами австрийского физика Э. Шредингера (1887—1961), немецкого физика В. Гейзенберга и английского физика П. Дирака (1902—1984).

На данном этапе развития возникли новые принципиальные проблемы, в частности проблема физической природы волн де Бройля. Для выяснения этой проблемы сравним дифракцию световых волн и микрочастиц. Дифракционная картина, наблюдаемая для световых волн, характеризуется тем, что в результате наложения дифрагирующих волн друг на друга в различных точках пространства происходит усиление или ослабление амплитуды колебаний. Согласно волновым представлениям о природе света, интенсив­ность дифракционной картины пропорциональна квадрату амплитуды световой волны. По представлениям фотонной теории, интенсивность определяется числом фотонов, попадающих в данную точку дифракционной картины. Следовательно, число фотонов в данной точке дифракционной картины задается квадратом амплитуды световой волны, в то время как для одного фотона квадрат амплитуды определяет вероятность попадания фотона в ту или иную точку.

Дифракционная картина, наблюдаемая для микрочастиц, также характеризуется неодинаковым распределением потоков микрочастиц, рассеянных или отраженных по различным направлениям, — в одних направлениях наблюдается большее число ча­стиц, чем в других. Наличие максимумов в дифракционной картине с точки зрения волновой теории означает, что эти направления соответствуют наибольшей интенсив­ности волн де Бройля. С другой стороны, интенсивность волн де Бройля оказывается больше там, где имеется большее число частиц, т. е. интенсивность волн де Бройля в данной точке пространства определяет число частил, попавших в эту точку. Таким образом, дифракционная картина для микрочастиц является проявлением статистичес­кой (вероятностной) закономерности, согласно которой частицы попадают в те места, где интенсивность волн де Бройля наибольшая.

Необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц является важ­нейшей отличительной особенностью квантовой теории. Можно ли волны де Бройля истолковывать как волны вероятности, т. е. считать, что вероятность обнаружить микрочастицу в различных точках пространства меняется по волновому закону? Такое толкование волн де Бройля уже неверно хотя бы потому, что тогда вероятность обнаружить частицу в некоторых точках пространства может быть отрицательна, что не имеет смысла.

Чтобы устранить эти трудности, немецкий физик М. Борн (1882—1970) в 1926 г. предположил, что по волновому закону меняется не сама вероятность, а величина, названная амплитудой вероятности и обозначаемая (х, у,z, t). Эту величину называют также волновой функцией (или -функцией). Амплитуда вероятности может быть комплексной, и вероятностьW пропорциональна квадрату ее модуля:

(216.1)

(||²=*, * — функция, комплексно сопряженная с). Таким образом, описание состояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический, вероят­ностный характер: квадрат модуля волновой функции (квадрат модуля амплитуды волн де Бройля) определяет вероятность нахождения частицы в момент време­ни tв области с координатами х иx+dx,у иy+dy,z иz+dz.

Итак, в квантовой механике состояние микрочастиц описывается принципиально по-новому — с помощью волновой функции, которая является основным носителем информации об их корпускулярных и волновых свойствах. Вероятность нахождения частицы в элементе объемомdVравна

(216.2)

Величина

(квадрат модуля -функции) имеет смысл плотности вероятности, т. е. определяет вероятность нахождения частицы в единичном объеме в окрестности точки с коор­динатами х, у, z. Таким образом, физический смысл имеет не сама -функция, а квадрат ее модуля ||², которым задается интенсивность волн де Бройля.

Вероятность найти частицу в момент времени t в конечном объеме V, согласно теореме сложения вероятностей, равна

Так как ||²dV определяется как вероятность, то необходимо волновую функцию  нормировать так, чтобы вероятность достоверного события обращалась в единицу, если за объемV принять бесконечный объем всего пространства. Это означает, что при данном условии частица должна находиться где-то в пространстве. Следовательно, условие нормировки вероятностей

(216.3)

где данный интеграл (216.3) вычисляется по всему бесконечному пространству, т. е. по координатам х, у,z от – до . Таким образом, условие (216.3) говорит об объективном существовании частицы в пространстве.

Чтобы волновая функция являлась объективной характеристикой состояния микро­частиц, она должна удовлетворять ряду ограничительных условий. Функция , харак­теризующая вероятность обнаружения действия микрочастицы в элементе объема, должна быть конечной (вероятность не может быть больше единицы), однозначной (вероятность не может быть неоднозначной величиной) и непрерывной (вероятность не может изменяться скачком).

Волновая функция удовлетворяет принципу суперпозиции: если система может нахо­диться в различных состояниях, описываемых волновыми функциями ₁, ₂,..., _n,... то она также может находиться в состоянии , описываемом линейной комбинацией этих функций:

где С_n (n=1, 2, ...)—произвольные, вообще говоря, комплексные числа. Сложение волновых функций (амплитуд вероятностей), а не вероятностей (определяемых квад­ратами модулей волновых функций) принципиально отличает квантовую теорию от классической статистической теории, в которой для независимых событий справедлива теорема сложения вероятностей.

Волновая функция , являясь основной характеристикой состояния микрообъектов, позволяет в квантовой механике вычислять средние значения физических величин, характеризующих данный микрообъект. Например, среднее расстояние r электрона от ядра вычисляют по формуле

где интегрирование производится, как и в случае (216.3).