Опыт Дэвисона и Джермера по дифракции электронов.

Пучок электронов, испускаемых источником S (электронной пушкой) проходит через стенку с двумя отверстиями, а затем попадает на экран. Если бы электроны были классическими частицами наподобие дробинок, то количество попаданий на экран электронов, проходящих через 1-ую щель, изображалось бы кривой Р_1, а через 2-ую щель – кривой Р₂. Если одновременно открыть обе щели, на экране появится система максимумов и минимумов – кривая Р₁₂, подобная той, которая имеет место для световых волн.

При этом возникает парадокс: оказывается, мы не имеем права спрашивать через какую щель прошел каждый отдельный электрон. Если бы каждый электрон проходил через какую-либо одну щель, то все электроны, попавшие на экран, можно было разбить на два класса: прошедшие через щель 1 и прошедшие через щель 2, тогда суммарно число попаданий выражалось бы кривой, объединяющий кривые Р₁ и Р₂, чего на самом деле нет.

При наличии в опыте интерференционной картины вопрос о том, через какую щель проходит электрон, смысла не имеет. В связи с неделимостью кванта действия взаимодействие прибора с объектом нельзя проконтролировать во всех деталях.

Принцип Луи де Бройля. «Волны материи».

В 1925 году Луи де Бройль (1875-1960) выдвинул принцип, согласно которому каждой материальной частице независимо от ее природы следует поставить в соответствие волну, длина которой обратно пропорциональна импульсу частицы:

где λ – длина волны, h – постоянная Планка, равная 6,63 х 10^-34 Дж х сек, р – импульс частицы, равный произведению массы частицы на ее скорость (р = mν). Таким образом, было установлено, что не только фотоны (частицы света), но и другие материальные частицы, такие как электрон, протон, нейтрон и др. обладают двойственными свойствами. Это явление получило название дуализма волны и частицы. Так, в одних экспериментах элементарная частица может себя вести как корпускула, а в других - как волна. Очевидно, что чем меньше масса частицы, тем больше она проявляет свои волновые свойства, тем длина ее волны больше. Самой легкой частицей является фотон. У него масса покоя равно нулю, а поэтому преобладают волновые свойства. У тяжелой частицы – протона тоже имеются волновые свойства, но длина его волны крайне мала.

Отсюда следует, что любое наблюдение микрообъектов невозможно без учета влияния приборов и измерительных средств. В нашем макромире мы не замечаем влияния прибора наблюдения и измерения на макротела, которые изучаем, так как это влияние чрезвычайно мало и им можно пренебречь. В микро же мире макроприбор не может не влиять на объект, не вносить в него изменения.

Принцип дополнительности Н.Бора.

Как следствие противоречивости корпускулярных и волновых свойств частиц датский физик Н.Бор (1885-1962) выдвинул в 1925 году принцип дополнительности. Этот принцип имеет две формулировки: содержательную квантово-механическую и облегченную.

Квантово-механическая формулировка.

Прежде чем собственно начинать говорить о принципе дополнительности, нужно вспомнить ряд важных положений квантовой механики.

1. Движение микрообъектов качественно и радикально отличаются от движения макрообъектов: если любой макрообъект всегда движется по некоторой траектории (например, Земля движется вокруг Солнца по эллипсу), то движение в микромире не имеет траектории (например, движение электрона в атоме водорода не может быть описано с помощью представлений об орбите, а может быть описано с помощью некоторого «облака вероятности», окружающего атомное ядро).

2. В силу бестраекторности микродвижения оно описывается «волной» или «облаком» вероятности, выражаемой особой волновой функцией ψ(x,t), зависящей от положения микрообъекта в пространстве (x) во времени (t). Эта функция показывает, чем отличается вероятность пребывания микрообъекта в одной точке пространства в один момент времени от вероятности его пребывания в другой точке пространства в другой момент времени.

Основным законом квантовой механики, описывающим движение микрообъекта, является уравнение Э.Шредингера(1887-1961).

iћ =

Где i – любое произвольное действительное число, ћ – величина обратная h (постоянной Планка), t – время.

Волновая функция или функция вероятности Э.Шредингера, функция ψ (𝐭,x).

Принцип дополнительности.

Точная локализация микрообъекта в пространстве и времени и точное применение к нему динамических законов сохранения (закона сохранения энергии, закона сохранения импульса, закона сохранения момента импульса и др.) взаимоисключают друг друга. Подчинение объекта динамическим законам сохранения означает применимость к объекту понятия причинности.

Взаимоисключаемость пространственно-временного и причинного описания будет означать следующее. Если точно известно где и когда сила действует на микрообъект, то совершенно не определен динамический эффект ее действия, то есть вызываемое ею изменение энергии и импульса; если же точно известен эффект действия силы, то совершенно не определено, где и когда она действует.

Пространственно-временное описание микрообъектов и точное причинное их описание взаимоисключают друг друга, но хоть они и исключают друг друга, их следует рассматривать как взаимодополнительные.

Говоря о пространстве, времени и причинности Бор подразумевает наши макро-пространство, макро-время и макро-причинность, которые он использует для описания микрообъектов.

Облегченная формулировка принципа дополнительности.

Суть ее состояла в следующем: чрезвычайно характерную черту атомной физики представляет новое отношение между явлениями, наблюдаемыми в разных экспериментальных условиях. Получаемые при таких условиях опытные данные надо рассматривать как дополнительные, так как они представляют одинаково существенные сведения об атомных объектах и взятые вместе, исчерпывают их. Взаимодействие между измерительными приборами и исследуемыми физическими объектами составляет неотъемлемую часть квантовых явлений.

Бор предлагал использовать свой принцип дополнительности не только в квантовой механике, где он был открыт, но и в других областях знания, например, в психологии, культурологи, социологии и др. К примеру, если мы изучаем мировую культуру, то нам следует рассматривать различные культуры, даже противоречащие друг другу, как взаимодополнительные и взятые вместе, исчерпывающие мировой культурный процесс.

Мы приходим к выводу, что принцип дополнительности дает нам фундаментальную характеристику рассмотрения объектов микромира.