1.1.1. Квантово-механическая концепция

описания микромира

При переходе к исследованию микромира обнаружилось, что физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем.

Изучая микрочастицы, ученые обнаружили: одни и те же объекты имеют как волновые, так и корпускулярные свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Планком в конце XIX в.: в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях — квантах. Энергия квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под символом h:Е= hν. День опубликования формулы14 декабря 1900 г., считается днем рождения квантовой физики,. всей атомной физики и начало новой эры естествознания.

А. Эйнштейн в 1905 г. он перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете,как о потоке быстро движущихся квантов и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света. Свет различной окраски состоит из световых квантов различной энергии.

Эйнштейн понял и 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 не интенсивностью падающей волны, а ее частотой. 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 вещество(за эту работу Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике)

Таким образом, 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. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого рода. Основная характеристика его дискретности — присущая ему порция энергии — вычислялась через чисто волновую характеристику-частоту ν (Е = Нν)..

Развивая представления М. Планка и А. Эйнштейна, французский физик Луи де Бройль в 1924 г.выдвинул идею о волновых свойствах материи. Он утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи 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 нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера. Английский физик П. Дирак 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.

Убедительным доказательством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джер-мером. В дальнейшем были выполнены опыты по обнаружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Во всех случаях результаты полностью подтверждали гипотезу де Бройля. Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств..

Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории произошло благодаря работам немецкого физика В. Гейзенберга, установившего принцип неопределенно­сти и датского физика Н. Бора, сформулировавшего принцип дополнительности, на основании которых описывается поведе­ние микрообъектов.

Суть соотношения неопределенностей В. Гейзенберга заключает­ся в следующем. Для микро­частиц невозможно не только практически, но и вообще с одинаковой точностью установить место и величину движения..

Фундаментальным принципом квантовой механики наряду является и 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.

Существенной чертой квантовой механики является вероятно­стный характер предсказаний поведения микрообъектов, которое описывается при помощи волновой функции Э. Шредингера. Вол­новая функция определяет параметры будущего состояния микро­объекта с той или иной степенью вероятности. Это означает, что при проведении одинаковых опытов с одинаковыми объектами ка­ждый раз будут получаться разные результаты. Однако некоторые значения будут более вероятными, чем другие, т.е. будет известно лишь вероятностное распределение значений.

В 1964 г. Дж. С. Белл обосновал положение, согласно которо­му квантовая механика предсказывает более сильную корреляцию между взаимно связанными частицами, чем та, о которой говорил Эйнштейн.

Теорема Белла утверждает: если некоторая объективная Все­ленная существует и если уравнения квантовой механики струк­турно подобны этой Вселенной, то между двумя частицами, когда-либо входившими в контакт, существует некоторый вид нелокаль­ной связи. Суть теоремы Белла заключается в том, что не суще­ствует изолированных систем: каждая частица Вселенной нахо­дится в «мгновенной» связи со всеми остальными частицами. Вся система, даже если ее части разделены огромными расстояниями и между ними отсутствуют сигналы, поля, механические силы, энер­гия и т.д., функционирует как единая система.

В середине 80-х годов А. Аспект (Парижский университет) проверил эту связь экспериментально, изучая поляризацию пар фо­тонов, испускаемых одним источником в направлении изолиро­ванных детекторов. При сравнении результатов двух серий измере­ний между ними обнаружилась согласованность

Учеными было высказано предположение, что связь осущест­вляется через передачу информации, носителями которой высту­пают особые поля.