3.3. Концепции микромира

Микромир объединяет объекты, размеры которых и менее. Это молекулы и атомы, элементарные частицы и античастицы, кванты электромагнитного поля (фотоны) и др. Всех их объединяет уникальное свойство – быть одновременно волной и частицей. Это свойство называют корпускулярно-волновой дуализм (КВД). Оно проявляется в том, что квантовые объекты в одних явлениях ведут себя как частицы, в других как волны. Например, световые кванты (фотоны) в таких явлениях как интерференция, дифракция, поляризация и дисперсия ведут себя как волны и описываются в рамках теории электромагнитного поля Максвелла. А в таких явлениях как фотоэффект и тепловое излучение, свет (фотоны) следует рассматривать как частицы с энергией . Кванты электромагнитного поля рентгеновского диапазона в эффекте Комптона ведут себя вообще как частицы, обладающие энергией , импульсом , массой и взаимодействуют со свободными электронами вещества как «упругие бильярдные шарики», подчиняясь закону сохранения импульса и закону сохранения энергии.

Частицы микромира (электроны, протоны, нейтроны, атомы и т.д.) также обладают не только свойствами частиц, но и волновыми свойствами. Эти волны называют волнами де Бройля. Длина волны де Бройля для движущейся частицы зависит от скорости ее движения v, от массы т и вычисляется по формуле: , где постоянная Планка. Для электрона в атоме при скорости движения длина волны де Бройля имеет порядок , что соизмеримо с длиной волны рентгеновского излучения, а для пылинки массой при той же скорости , длина волны , что значительно меньше точности современных экспериментальных методов. Поэтому волновые свойства частиц учитываются только для квантовых объектов, хотя корпускулярно-волновой дуализм – это универсальное свойство материи.

Проявление волновых свойств квантовых частиц (электронов, протонов, нейтронов и т.д.) было экспериментально подтверждено при их дифракции на кристаллической решетке металлической пластины. На основе волновых свойств электронов создан электронный микроскоп, который также, как и обычный микроскоп, позволяет «рассмотреть» мелкие объекты. Причем, если обычный микроскоп использует свет, длина волны которого и поэтому позволяет увидеть объекты не менее одного микрона , то электронный микроскоп позволяет рассмотреть молекулы, размеры которых .

Волны де Бройля – это волны вероятности, квадрат амплитуды которых определяет вероятность нахождения частицы в заданном объеме пространства: . Они не связаны ни с каким полем, а являются проявлением внутренних вероятностных свойств частиц. Поэтому для квантовых частиц утрачивается такое понятие, как траектория, так как частица имеет не нулевую вероятность пройти в любой точке пространственного интервала . Величина этого интервала связана со скоростью частицы, точнее с ее импульсом Р и устанавливается из соотношений неопределенностей Гейзенберга: .

Из первых трех соотношений следует, что если измерительным прибором сужать отверстие , сквозь которое должна пройти частица, то импульс частицы можно определить только с точностью и наоборот. Следовательно, одновременно измерить точно координату и импульс квантовых объектов принципиально невозможно. Из соотношения следует, что невозможно одновременно зафиксировать прохождение частицы через измерительный прибор и измерить ее энергию.

Таким образом из соотношений неопределенностей следует, что экспериментальное получение точной информации об одних физических величинах неизбежно связано с потерей информации о других «дополнительных» величинах. И это вовсе не связано с наблюдателем и несовершенством измерительной техники, а является отображением объективных корпускулярно-волновых (вероятностных) свойств квантовых объектов.

Волновые и корпускулярные свойства никогда не проявляются одновременно, поэтому наблюдение волновых свойств квантового объекта делает невозможным одновременное наблюдение его корпускулярных свойств; в свою очередь, наблюдение корпускулярных свойств, делает невозможным одновременное исследование волновых свойств объекта. В связи с этим в 1927 г. Нильсом Бором был сформулирован принцип дополнительности в квантовой механике, согласно которому «для получения полной информации о квантовых объектах необходимо результаты исследования волновых свойств дополнять данными о корпускулярных свойствах объекта, полученными при других исследованиях».

Для описания движения квантовых частиц и их взаимодействий используется уравнение Шредингера (1923 г.), которое связывает волновые и корпускулярные свойства частиц. Также как и законы Ньютона, оно постулируется и является основой квантовой механики. По форме оно является дифференциальным уравнением, решение которого дает возможность найти в явном виде функцию волны де Бройля, а затем действуя на функцию квантовыми операторами можно определить усредненные параметры частицы: ее энергию, импульс, момент импульса и т.д. Принципиальным отличием состояния квантовых частиц, находящихся в потенциальном поле, от классических является:

• энергия, импульс, момент импульса квантовой частицы могут принимать только дискретные значения величин, т.е. квантованы;

• вероятность нахождения частицы в разных точках пространства потенциального поля не одинакова, есть точки, в которых квантовой частице находиться запрещено;

• энергия квантовой частицы не может быть равной нулю, так как движение как форма существования материи прекратиться не может.

Для квантовой частицы, вследствие ее корпускулярно-волновых свойств, можно определить лишь вероятность иметь заданное значение какой-либо физической величины. В тоже время методы квантовой физики, основанные на вероятностных свойствах квантовых частиц, позволяют рассчитать средние значения этих величин, что широко используется на практике для описания квантовых систем. На основе квантовых свойств частиц определяют строение атомов в таблице Менделеева, а также рассчитывают физико-химические и механические свойства жидких и твердых тел. В рамках квантовой механики описываются: сверхпроводимость, ферромагнетизм, электрооптические явления в твердых телах, жидких кристаллах. На базе квантовой механики основана атомная и ядерная физики; квантовая химия и квантовая электроника; ведется разработка и создание чипов; формируются методы нанотехнологий.