Введение
квантовый механика физический
В истории развития физики было немало революций, кардинально изменявших научную парадигму и взгляды ученых на методы познания и устройство мира. Однако то, что произошло с естествознанием в первой четверти XX века, не было очередной сменой основных законов. Если раньше все в окружающем нас мире было предсказуемо, то с появлением квантовой механики он стал случайным.
Квантовая механика - это самый загадочный раздел современной физики.
Мир элементарных частиц, которым занимается эта наука, живет по своим законам, абсолютно не похожим на законы видимого мира. И даже ученые, изучающие этот мир до сих мор не могут понять эти законы. Они просто их знают и применяют.
Квантовая механика считается «наиболее проверенной и наиболее успешной теорией в истории науки», но консенсуса в понимании «её глубинного смысла» всё ещё нет. В связи с этим появилось множество интерпретаций.
Квантовая механика вдохновляет не только ученых,
но и писателей, кинематографистов и художников. Такие фильмы как Радиоволна,
Дежа Вю, Исходный код и множество других были навеяны выводами из этого раздела
физики.
1. Предмет квантовой механики
Характерной особенностью современной науки является глубокое проникновение в существо изучаемых явлений и процессов. Поскольку все физические тела состоят из мельчайших частиц («атомов» по представлению Демокрита), свойства макроскопических тел в определяющей степени зависят от поведения составляющих материю электронов, протонов, нейтронов, атомов и молекул. Эти частицы обладают определенной энергией и находятся в непрерывном движении. Описание движения микрочастиц является весьма нетривиальной задачей, что привело, в дополнение к классической механике Ньютона, к разработке принципиально новой научной дисциплины - квантовой механики.
Квантовая механика - теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов), а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте.
Но не следует понимать задачу квантовой механики как простое описание движения квантовых объектов. Из известного определения «движение есть форма существования материи» видно, что, поняв особенности движения электронов и ядер, мы можем охарактеризовать поведение, т.е. свойства этих частиц, а значит и свойства макроскопических тел.
Действительно, законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Квантовая механика позволила, например, объяснить температурную зависимость теплоемкостей газов и твердых тел и вычислить их величину, определить строение и понять многие свойства твердых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников).
Ряд крупнейших технических достижений современности основан по существу на специфических законах квантовой механики. Так, квантово-механические законы лежат в основе работы ядерных реакторов, обусловливают возможность осуществления в земных условиях термоядерных реакций, проявляются в ряде явлений в металлах и полупроводниках.
Микромир - это мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная разно мерность которых исчисляется от 10~8 до 10~16 см, а время жизни - от бесконечности до 10~24 секунд.
Объектами микромира являются фундаментальные и элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.
Для описания явлений микромира обычно привлекают квантовую механику, законы которой составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц.
Приставка «микро» означает отношение к очень малым размерам. Таким образом, можно сказать, что микромир - это что-то небольшое. В философии в качестве микромира изучается человек, а в физике, концепции современного естествознания в качестве микромира изучаются молекулы.
Микромир имеет свои особенности, которые можно выразить так:
· единицы измерения расстояния (м, км и т. д.), используемые человеком, применять просто бессмысленно;
· единицы измерения веса человека (г, кг, фунты и т. д.) применять также бессмысленно.
Изучение микромира вместе с изучением мега мира способствовало крушению теории Ньютона. Таким образом, была разрушена механистическая картина мира.
В 1927 г. Нильс Бор вносит еще один свой вклад в развитие науки: он сформулировал принцип дополнительности. Причиной, послужившей для формулировки данного принципа, стала двойственная природа света (так называемый корпускулярно-волновой дуализм света). Сам же Бор утверждал, что появление данного принципа было связано с изучением микромира из макромира. В качестве обоснования этого он приводил следующее:
· предпринимались попытки объяснить явления микромира посредством понятий, которые были выработаны при изучении макромира;
· в сознании человека возникали сложности, связанные с разделением бытия на субъект и объект;
· при наблюдении и описании явлений микромира мы не можем абстрагироваться от явлений, относящихся к макромиру наблюдателя, и средств наблюдения.
Нильс Бор утверждал, что «принцип дополнительности» подходит как для исследования микромира, так и для исследования в других науках (в частности, в психологии).
В заключение можно сказать, что микромир является основой нашего макромира.
Есть объекты, которые по своим размерам гораздо больше объектов микромира (т. е. атомов и молекул). Эти объекты и составляют макромир. Макромир «населяют» только те объекты, которые по своим размерам соизмеримы с размерами человека. К объектам макромира можно отнести и самого человека. И, что естественно, человек является самой главной составляющей макромира.
Если микромир - это мир тех объектов, которые не подходят под единицы измерения человека, макромир - это мир объектов, которые сопоставимы с единицами измерения человека, то мега мир - это мир объектов, которые несоизмеримо больше человека.
Проще говоря, вся наша Вселенная - это мега мир. Ее размеры огромны, она безгранична и постоянно расширяется. Вселенную заполняют объекты, которые значительно больше нашей планеты Земля и нашего Солнца. Нередко бывает, что разница между какой-либо звездой за пределами Солнечной системы в десятки раз превосходит Землю.
Исследование мега мира тесно связано с космологией и космогонией.
Наука космология является очень молодой. Она родилась сравнительно недавно - в начале XX в. Можно выделить две главные причины рождения космологии. И, что интересно, обе причины связаны с развитием физики:
· Альберт Эйнштейн создает свою релятивистскую физику;
· М. Планк создает квантовую физику.
Квантовая физика изменила взгляды человечества на структуру пространства-времени и структуру физических взаимодействий.
Квант (от лат. quantum - «сколько») - неделимая порция какой-либо величины в физике. В основе понятия лежит представление квантовой механики о том, что некоторые физические величины могут принимать только определённые значения (говорят, что физическая величина квантуется). В некоторых важных частных случаях эта величина или шаг её изменения могут быть только целыми кратными некоторого фундаментального значения - и последнее называют квантом. Например, энергия монохроматического электромагнитного излучения угловой частоты может принимать значения, где - редуцированная постоянная Планка, а - целое число. В этом случае имеет смысл энергии кванта излучения (иными словами, фотона), а - смысл числа́ этих квантов (фотонов). В смысле, близком к этому, термин квант был впервые введен Максом Планком в его классической работе 1900 года - первой работе по квантовой теории, заложившей её основу. Вокруг идеи квантования с начала 1900-х годов развилась полностью новая физическая концепция, обычно называемая квантовой физикой.
Ныне прилагательное «квантовый» используется в названии ряда областей физики (квантовая механика, квантовая теория поля, квантовая оптика и т. д.) Широко применяется термин квантование, означающий построение квантовой теории некоторой системы или переход от её классического описания к квантовому. Тот же термин употребляется для обозначения ситуации, в которой физическая величина может принимать только дискретные значения - например, говорят, что энергия электрона в атоме «квантуется».
Сам же термин «квант» в настоящее время имеет в физике довольно ограниченное применение. Иногда его употребляют для обозначения частиц или квазичастиц, соответствующих бозонным полям взаимодействия (фотон - квант электромагнитного поля, фонон - квант поля звуковых волн в кристалле, гравитон - гипотетический квант гравитационного поля и т. д.), также о таких частицах говорят, как о «квантах возбуждения» или просто «возбуждениях» соответствующих полей.
Кроме того, по традиции «квантом действия» иногда называют постоянную Планка. В современном понимании это название может иметь тот смысл, что постоянная Планка является естественной единицей измерения действия и других физических величин такой же размерности (например, момента импульса).
Корпускулярно-волновой дуализм света означает, что свет одновременно обладает свойствами непрерывных электромагнитных волн и свойствами дискретных фотонов. Этот фундаментальный вывод был сделан физиками в XX века и вытекал из предшествующих представлений о свете.
Ньютон считал, что свет - поток корпускул, т. е. поток прямолинейно летящих частиц вещества. Такая теория хорошо объясняла прямолинейное распространение света. Но возникали затруднения при объяснении законов отражения и преломления, а явления дифракции и интерференции совершенно не могли быть объяснены корпускулярной теорией. Поэтому возникла волновая теория света. Эта теория объясняла дифракцию и интерференцию, но возникали трудности с объяснением прямолинейного света.
Только в XIX веке Ж. Френель, используя открытия других физиков, сумел объединить уже выведенные принципы в одну теорию, согласно которой свет поперечная механическая волна. В дальнейшем Максвелл открыл, что свет один из видов электромагнитного излучения. Но в начале XX века, благодаря открытиям Эйнштейна представления о свете опять изменились. Свет стал пониматься как поток фотонов. Но определенные свойства света прекрасно объяснялись и волновой теорией.
Свет обладает как корпускулярными, так и
волновыми свойствами. При этом существуют следующие закономерности: чем короче
длина волны, тем ярче проявляются корпускулярные свойства, чем больше длина
волны, тем ярче проявляются волновые свойства. Позднее французский физик Л. де
Бройль высказал идею, что корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальную
природу, т.е. присущ всем частицам вещества. Позже эта гипотеза подтвердилась
экспериментально.
. Принцип дополнительности Бора
Фундаментальным принципом квантовой механики наряду с соотношением неопределенностей является принцип дополнительности, которому Н. Бор дал следующую формулировку:
«Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».
Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других - подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообъектом. М. Борн образно заметил, что волны и частицы - это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию.
Во-первых, идея корпускулярно-волнового дуализма означает, что любой материальный объект, обладающий корпускулярно-волновым дуализмом, имеет энергетическую оболочку. Подобная энергетическая оболочка существует и у Земли, а также у человека, которую чаще всего называют энергетическим коконом. Эта энергетическая оболочка может играть роль сенсорной оболочкой, экранирующей материальный объект от внешней среды и составляющей его внешнюю "гравитационную сферу". Эта сфера может играть роль мембраны в клетках живых организмов. Она пропускает внутрь только "отфильтрованные" сигналы, с уровнем возмущений, превышающий некоторое предельное значение. Аналогичные сигналы, превысившие некоторый определенный порог чувствительности оболочки, она может пропускать и в обратную сторону.
Во-вторых, наличие у материальных объектов энергетической оболочки, выводит на новый уровень осмысления гипотезу французского физика Л. де Бройля о действительно универсальной природе корпускулярно-волнового дуализма.
В-третьих, в силу эволюции строения материи, природа корпускулярно-волнового дуализма электрона может являться отражением корпускулярно-волнового дуализма фотонов. Это означает, что фотон, являясь нейтральной частицей, имеет мезонное строение и представляет собой самый элементарный микро атом, из которого, по образу и подобию строятся все материальные объекты Вселенной. Более того, это строительство осуществляется по одним и тем же правилам.
В-четвертых, корпускулярно-волновой дуализм позволяет естественным образом объяснить феномен генной памяти (Генная память) частиц, атомов, молекул, живых организмов, давая возможность осознания механизмов такой памяти, когда бесструктурная частица помнит обо всех своих порождениях в Прошлом и обладает "интеллектом" к избранным процессам синтеза, с целью формирования новых "частиц", с избранными свойствами.
Принцип неопределенности - физический закон, который утверждает, что нельзя одновременно точно измерить координаты и импульс микроскопического объекта, т.к. процесс измерения нарушает равновесие системы. Произведение этих двух неопределенностей всегда больше Постоянной Планка. Этот принцип был впервые сформулирован Вернером Гейзенбергом.
Из принципа неопределённости следует, что чем точнее определена одна из входящих в неравенство величин, тем менее определенно значение другой. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению таких динамичных переменных; при этом неопределённость в измерениях связано не с несовершенством экспериментальной техники, а с объективными свойствами материи.
Принцип неопределённости, открытый в 1927 г. немецким физиком В. Гейзенбергом, явился важным этапом в выяснении закономерностей внутриатомных явлений и построении квантовой механики. Существенной чертой микроскопических объектов является их корпускулярно-волновая природа. Состояние частицы полностью определяется волновой функцией (величина, полностью описывающая состояние микрообъекта (электрона, протона, атома, молекулы) и вообще любой квантовой системы). Частица может быть обнаружена в любой точке пространства, в которой волновая функция отлична от нуля. Поэтому результаты экспериментов по определению, например, координаты имеют вероятностный характер.
Пример: движение электрона представляет собой распространение его собственной волны. Если стрелять пучком электронов через узкое отверстие в стенке: узкий пучок пройдёт через него. Но если сделать это отверстие ещё меньше, такое, чтобы его диаметр по величине сравнялся с длиной волны электрона, то пучок электронов разойдётся во все стороны. И это не отклонение, вызванное ближайшими атомами стенки, от которого можно избавиться: это происходит вследствие волновой природы электрона. Попробуйте предсказать, что произойдёт дальше с электроном, прошедшим за стенку, и вы окажетесь бессильными. Вам точно известно, в каком месте он пересекает стенку, но сказать, какой импульс в поперечном направлении он приобретёт, вы не можете. Наоборот, чтобы точно определить, что электрон появится с таким-то определённым импульсом в первоначальном направлении, нужно увеличить отверстие настолько, чтобы электронная волна проходила прямо, лишь слабо расходясь во все стороны из-за дифракции. Но тогда невозможно точно сказать, в каком же точно месте электрон-частица прошёл через стенку: отверстие-то широкое. Насколько выигрываешь в точности определения импульса, настолько проигрываешь в точности, с какой известно его положение.