Квантово-механическая концепция описания микромира

Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства. Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Планком (1858-1947).

В процессе работы по исследованию теплового излучения «абсолютно черного» тела М. Планк пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях — квантах. Величина этих мельчайших порций энергии определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под символом h: Е = hy, ставшим впоследствии знаменитым (где hу– квант энергии, у– частота).

Полученную формулу Планк доложил 19 декабря 1900 на заседании Берлинского физического общества. В истории физики этот день считается днем рождения квантовой теории и всей атомной физики, этот день знаменует начало новой эры естествознания.

Великий немецкий физик-теоретик А. Эйнштейн (1879-1955) перенес в 1905 г. идею квантования энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете. Представление о свете как о дожде быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, в правильность которого вначале поверили немногие. С расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассматриваемым им законам теплового излучения черного тела.

А. Эйнштейн же предположил, что речь идет о естественной закономерности всеобщего характера, и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света. Квантовая теория света А. Эйнштейна, утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. И вместе с тем световая энергия имеет прерывную структуру. Свет может рассматриваться как поток световых квантов, или фотонов. Их энергия определяется элементарным квантом действия Планка и соответствующим числом колебаний. Свет различной окраски состоит из световых квантов различной энергии.

Стало возможным наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется частотой падающей волны. Если предположить, что каждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее: эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота, достаточно велика для преодоления сил связи электрона с веществом.

За эту работу Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике. Его теория получила подтверждение в экспериментах американского физика Р. Э. Милликена (1868-1953). Открытое в 1923 г. американским физиком А. X. Комптоном (1892-1962) явление (эффект Комптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило квантовую теорию света.

Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте — корпускулярные. Основная характеристика его дискретности (присущая ему порция энергии) вычислялась через чисто волновую характеристику – частоту у (Е = hy). Таким образом, обнаружилось, что для описания поля необходим не только континуальный, но и корпускулярный подход.

Не осталось неизменным и представление о подходах к исследованию вещества: в 1924 г. французский физик Луи де Бройль (1892-1987) выдвинул идею о волновых свойствах материи, о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в теории света, но также и в теории вещества. Он утверждал, чтоволновые свойства, наряду с корпускулярными, присуши всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Согласно де Бройлю, любому телу с массой т, движущемуся со скоростью v, соответствует волна

Фактически аналогичная формула была известна раньше, но только применительно к квантам света — фотонам.

В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер (1887-1961), нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера. Английский физик П. Дирак (1902-1984) обобщил его. Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве.

Наиболее убедительным свидетельством правоты де Бройля стало обнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером. В дальнейшем были выполнены опыты по обнаружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Еще более важным было открытие новых элементарных частиц, предсказанных на основе системы формул развитой волновой механики.

Таким образом, на смену двум различным подходам к исследованию двух различных форм материи: корпускулярному и волновому – пришел единый подход – корпускулярно-волновой дуализм. Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим: любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.

Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей, установленном немецким физиком В. Гейзенбергом (1901-76), и принципе дополнительностидатского физика Н. Бора(1885-1962).

Суть соотношения неопределенностей В. Гейзенберга заключается в том, что нельзя одинаково точно определить взаимодополнительные характеристики микрочастицы, например, координаты частицы и ее импульс (количество движения). Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И, наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы.

С точки зрения классической механики, соотношение неопределенностей представляется абсурдом. Однако мы, люди, живем в макромире и в принципе не можем построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру. Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, направленных на точное определение места, напротив, используется волновое объяснение, в частности, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при наблюдении отклонения лучей.

Фундаментальным принципом квантовой механики является также 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»[6].

Таким образом, корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными. Только при учете обоих аспектов можно получить общую картину микромира. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других – подобно частицам. М. Борн (1882-1970) заметил, что волны и частицы – это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию.