4.2. Квантовая механика. Концепция моделирования

объектов и состояний объектов

4.2.1. Концепции моделирования объектов и моделирования состояний (11). В классической стратегии познания под моделированием природы понимают описание конкретных ее объектов, для полной характеристики которых достаточно некоторого набора величин, отображающих свойства объектов. Причем эти величины могут быть определены (измерены) совершенно однозначно. В этом состоит суть концепции моделирования объектов.

Всестороннее и достаточно глубокое познание объективной реальности только на основе концепции моделирования объектов невозможно. В общем случае материальный объект в процессе своего взаимодействия с окружением изменяется сам, изменяет окружение, изменяется и взаимодействие объекта с окружением. Так возникают сложные процессы эволюции объекта, разобраться в которых помогает моделирование более высокого уровня — моделирование состояния объекта.

Состояние материального объекта — это то, что определяет в каждый данный момент особенности взаимодействия объекта с окружающими телами и его поведения в этом взаимодействии. Состояние объекта и его изменения лежат в основе описания физических процессов, в основе анализа причинно-следственных связей, определяющих эти процессы.

Моделирование состояния сложнее моделирования объекта. В четко выраженной форме моделирование состояния оформилось со всеми своими особенностями только в рамках неклассической стратегии познания.

4.2.2. Основное уравнение квантовой механики — уравнение Шрёдингера. Все вышеизложенные догадки, гипотезы, и экспериментальные факты, получившие объяснения с помощью зародившихся квантовых представлений, были положены в основу построения строгой теории. Так возникла одна из наиболее совершенных теорий современного естествознания — квантовая механика, изучающая законы поведения микрочастиц. А всю совокупность областей физики, посвященных теоретическому и экспериментальному изучению явлений микромира, принято называть квантовой физикой.

Идея корпускулярно-волнового дуализма, высказанная де Бройлем, привела к поиску волнового уравнения, которое описывало бы поведение микрочастиц. Такое уравнение было найдено в 1926 г. австрийским физиком Э. Шрёдингером. Уравнение Шрёдингера является основным уравнением квантовой механики. В этом уравнении фигурирует функция  (х, у, z, t), которая описывает поведение микрочастицы и называется волновой функций. Вспомним понятие состояний (см. выше). Если состояние макрообъекта задается совокупностью его характеристик (координат и импульсов), то основной величиной, характеризующей состояние микрообъекта или квантовой системы, является волновая функция .

Ф

Вероятность — числовая характеристика возможности появления какого-либо случайного события при тех или иных условиях (3).

изический смысл имеет квадрат модуля волновой функ­ции ||² — плотность вероятности обнаружения частицы в окрест­ности точки с координатами (х, у, z,) в момент времени t.

Определив с помощью уравнения Шрёдингера волновую функцию, можно вычислить вероятность обнаружения частицы в окрестности любой точки рассматриваемой области пространства. Решение уравнения Шрёдингера позволяет определить и другие важные характеристики частицы, например, ее полную энергию Е.

Таким образом, в отличие от классического подхода к описанию природы, в соответствии с которым моделируется сам объект, отображаемый совокупностью его «точно» установленных характеристик, в квантовой механике проявляется новый, неклассический подход. С помощью уравнения Шрёдингера моделируется не сам объект, а его состояние. Оно задается вероятностями тех или иных значений характеристик микрообъекта. Сами же вероятности однозначно задаются волновой функцией. Иными словами, в неклассической физике на смену концепции моделирования объекта приходит концепция моделирования состояний объекта.

Уравнение Шрёдингера, позволяя определить состояние объекта, играет в квантовой механике (т. е. в механике микрочастиц) ту же роль, что и законы Ньютона в механике. Но в отличие от последних, уравнение Шрёдингера определяет вероятностное, статистическое поведение объектов микромира. Предсказания квантовой теории носит вероятностный характер. Таким образом, физика микрообъектов является принципиально статистической.

Решая уравнение Шрёдингера, получают данные о поведении микросистемы в каких-то конкретных условиях. По этому исходному значению волновой функции может быть определено ее значение в любой последующий момент времени. Следовательно, уравнение Шрёдингера позволяет описывать эволюцию микросистем.

Справедливость уравнения Шрёдингера надежно подтверждена экспериментально. Оно обоснованно считается эффективным инстру­ментом описания микромира.

4.2.3. Физический вакуум. Согласно уравнению Шрёдингера для любой частицы полная энергия Е квантована, т. е. изменяется не непрерывно, а дискретно. Совокупность величин Е_n (где n — номер решения уравнения Шрёдингера, которых всегда множество) называют спектром энергии, который может иметь микрочастица в данных условиях. Но минимальная энергия, которая присуща микрочастице, никогда не равна 0, а составляет низшее значение Е_0. Это означает, что микрочастица (и микросистема) никогда не находится в полном покое.

В

Как и в случае с теорией относительности, представления квантовой механики не имеют опоры в наглядных образах. Квантовую механику нельзя понять, опираясь на простые механические модели. Это такая область знаний о природе, которую нужно осваивать на основе формальных математических методов моделирования, привыкая одновременно к совершенно необычным с точки зрения классического мышления новым представлениям физики микромира.

ыводы об особых свойствах квантовых систем универсальны по всеобщности проявления и имеют большое значение для построения современной научной картины мира. Энергетические спектры многих материальных структур дискретны. Уровень Е₀ (минимально возможная энергия) в любых квантовых системах является их фундаментальным свойством. Такой минимальный уровень присущ всем квантовым системам, вплоть до абсолютной пустоты, т. е. физического вакуума.

Представления о физическом вакууме играет важную роль в квантовой теории поля. Вакуум представляется не безликой пустотой, а нулевым состоянием квантовых полей, в котором низшее энергетическое состояние вакуума проявляется как непрерывный процесс рождения и исчезновения неограниченного числа непосредственно ненаблюдаемых частиц, имеющих чрезвычайно короткое время жизни. Такие частицы получили название виртуальных.

Число реальных частиц, например электронов в вакууме, равно нулю. Под действием достаточно сильных полей виртуальные частицы могут превращаться в реальные. Следовательно, вакуум может быть источником частиц вещества. Представления об уровне энергии Е₀, не равном нулю в физическим вакууме, оказалось важным для объяснения начальной стадии развития Вселенной. Предполагается, что из физического вакуума, находящегося в возбужденном состоянии, родилась Вселенная.