История и методология естествознания. Кудрявцев С.П. - 27 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ТГТУ | Тамбов

Составители: 

Рубрика: 

10.2. Квантовая механика
Идеи де Бройля получили развитие в трудах австрийского ученого Эрвина Шредингера (1887 – 1961) и
немецкого ученого Вернера Гейзенберга (1901 – 1976), разработавшими независимо новую теорию, получив-
шую название квантовой механики. Квантовая механика, развиваясь, стала фундаментальной теорией, успешно
объяснявшей явления микромира, но и в макромире квантовая теория приводит к тем же результатам, к кото-
рым приводит классическая механика. Она полностью удовлетворяет принципу соответствия. Но это не означа-
ет, что квантовая механика заменила механику Ньютона. Ньютоновская механика находит свое применение для
макротел. Законы классической механики проще и дают достаточно точные результаты при описании движения
обычных тел. Так космические корабли летают по законам механики Ньютона. Но в микромире, в мире атомов
и молекул, на смену законам классической механики приходят законы квантовой механики.
Шредингер получил основное уравнение квантовой механики в 1926 г. В его уравнение входила волновая
функция ψ (пси), интерпретация которой представляла тогда трудную задачу. Шредингер пытался представить
ее как группу волн ("волновой пакет"), которая и представляет движущуюся микрочастицу, но для двух частиц
такая наглядная интерпретация становилась невозможной. В том же году немецкий физик Макс Борн (1882 –
1970) дал иную интерпретацию волновой функции. Смысл имеет не сама функция, а квадрат модуля ψ. Квадрат
модуля этой функции определяет плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства.
10.3. Принцип неопределенности Гейзенберга
В 1927 г. Вернер Гейзенберг выдвинул принцип неопределенности, носящий сейчас его имя. Этот принцип
утверждал, что нельзя одновременно абсолютно точно измерить положение (координату) и импульс (mv) час-
тицы. Если мы попытаемся точно измерить импульс объекта, то тем самым мы внесем неопределенность в из-
мерение положения объекта. Это не означает, что мы не сможем точно определить или положение или импульс
частицы. Чем точнее мы определяем положение частицы, ее координату, тем самым мы вносим большую неоп-
ределенность в измерении ее импульса. Следовательно, хотя положение частицы в какой-то момент времени
определено точно, мы не можем предсказать ее положение в другой промежуток времени, так как неизвестен ее
импульс. Математически принцип Гейзенберга выглядел так:
π
≥∆∆
2
h
px
.
Этот принцип утверждает, что в мире атомных явлений неприемлемы представления классической меха-
ники. Электрон обладает волновыми свойствами. Поэтому его нельзя считать материальной точкой, точно ло-
кализованной во времени и пространстве. Так как постоянная Планка мала, то неопределенности Гейзенберга в
макромасштабах оказываются пренебрежимо малыми, но в мире микрочастиц эти неопределенности становятся
существенными. Принцип неопределенности отчетливо выражает вероятностную природу квантовой механики.
Причем вероятность в квантовой механике отличается от вероятности, которую используют в молекулярно-
кинетической теории и термодинамике. В этих дисциплинах введение вероятности обусловлено описанием по-
ведения больших ансамблей частиц (молекул, атомов), что не дает возможности проследить за поведением от-
дельной частицы. В квантовой механике вероятность присуща самой природе.
10.4. Принцип дополнительности
Вероятностный подход в интерпретации квантовой механики получил название копенгагенского по имени
города, в котором работал Бор и его ученики. Бор высоко оценил принцип Гейзенберга и выдвинул принцип
дополнительности. Согласно этому принципу понимание природы материи требует учета как волновых, так и
квантовых свойств частиц материи, т.е. электрон можно описать как с помощью корпускулярных, так и с по-
мощью волновых представлений. "Удивительно, – писал Луи де Бройль, – каким образом два столь различных
описания, можно сказать, столь противоречащих друг другу, можно использовать одновременно. Он (С.К. Бор)
показал, что это можно сделать потому, что соотношение неопределенности как следствие существования
кванта действия не позволяет вступить этим двум образам в прямое противоречие. Чем более стремятся уточ-
нить в процессе наблюдения одну картину, тем более смутной становится другая. Когда длина волны электрона
такова, что существенную роль может играть явление интерференции, его нельзя больше считать локализован-
ным и использовать корпускулярные представления. Наоборот, когда электрон строго локализован, его нельзя
больше описывать с волновой точки зрения. Волновые и корпускулярные свойства никогда не вступают в кон-
фликт, ибо они никогда не существуют одновременно... Понятие электрон, так же как и другие элементарные
физические понятия, имеет, таким образом, два противоречивых аспекта, к которым, однако, нужно обращаться
по очереди, чтобы объяснить все его свойства..." Эти два аспекта Бор и назвал дополнительными, понимая под
этим, что они с одной стороны, противоречат друг другу, с другой – друг друга дополняют.
Не все большие ученые приняли принцип неопределенности так, как Бор. Эйнштейн, как писал Бор, "вы-
разил глубокую тревогу по поводу того, что в квантовой механике так далеко отошли от причинного описания
в пространстве и времени". Шредингер считает, что единственной реальностью в мире является волна, и крити-
кует корпускулярные представления Гейзенберга. Несмотря на разногласие среди ученых, принцип неопреде-
ленности и законы квантовой механики являются фундаментальными законами природы.
Итак, квантовая механика – это новый взгляд на природу. Классическая механика, механика Ньютона,
оперирует наглядными и доступными представлениями. Мир в этой механике строго детерминирован. Если

Страницы