Квантово-релятивистская картина мира.

В истории физики последовательно сменяли друг друга три картины мира – механистическая, электродинамическая и квантово-релятивистская. Смена картин мира определялась количеством накопленных знаний, которые уже были необъяснимы в рамках предыдущей картины.

В рамках квантово-релятивистского подхода проводится изучение микромира. Микромир – это уровень природной реальности, формируемый особенностями элементарных частиц. Универсальной закономерностью этого мира является его постоянная динамика – рождение, уничтожение и взаимопревращение элементарных частиц.

Для становления квантово- релятивистской картины мира решающую роль сыграли следующие открытия:

• в 1897 г. был открыт электрон, что дало возможность изучать строение атома;

• в 1911 г. в опытах Э. Резерфорда была открыта структура атома, стало ясно, что атом состоит из ядра и электронов; сложилась планетарная модель атома;

• было открыто два принципиально необъяснимых средствами классической физики эффекта – фотоэффект и эффект Комптона, связанных со взаимодействием поля и вещества;

• самой крупной проблемой стала проблема неустойчивости ядра. Из классических принципов следовало, что в соответствии с законами электродинамики электрон должен упасть на ядро после того, как излучит всю энергию, но в реальности этого не происходит, и атомы устойчивы;

• необъяснимыми с точки зрения классики стали и закономерности излучения от атомов, которые открыли В. Ритц, И.Я. Бальмер, Ф. Пашен, Т. Лайман. Было обнаружено, что спектр излучения атомов не непрерывен, а дискретен, и установлена связь между поглощением и излучением света.

Как решались эти проблемы?

В 1900 г. М. Планк положил начало квантовым представлениям – он ввел понятие фотона, или кванта излучения. Если раньше считали, что свет – это длящаяся волна, то теперь свет представлялся в виде порций (квантов).

Затем Н. Бор, П. Эренфест, П. Дебай развили представления М. Планка и построили цельную теорию, объяснявшую все вышеуказанные проблемы. В 1920 г. Н. Бор выделил из своей теории два основных положения (он назвал их постулатами), в которых указал на закономерности поведения атома. Эти закономерности носят дискретный, квантуемый характер. Однако теория Н. Бора не была универсальным ответом на все вопросы, она была лишь удачным математическим приближением и смогла объяснить только один, самый простой, атом – атом водорода. Для более сложных атомов, а тем более молекул, эта теория не приводила к результатам, согласующимся с экспериментом.

К 1928 г. квантовая теория была оснащена фундаментальным, полностью разработанным, математически непротиворечивым аппаратом. Оформление квантовой теории связано с работами таких физиков, как В. Гейзенберг, Э. Шредингер, П. Дирак. В настоящее время квантовая механика стала новой универсальной методологией физики и позволила решать задачи в самых различных областях.

Когда говорят о квантовой теории, чаще всего характеризуют ее с точки зрения вероятностной интерпретации различных явлений. Вероятностная интерпретация означает:

во-первых, в микроскопических явлениях присутствует принципиально непреодолимая вероятность. Это значит, что, измеряя на опыте физические величины, мы будем получать не строго фиксированные значения и не непрерывный диапазон, а лишь набор значений с определенной вероятностью. При этом можно говорить о среднем значении скорости и отклонении измеряемых значений от него. В общем случае это отклонение будет отличным от нуля;

во-вторых, на некоторые вопросы, возникающие в эксперименте, принципиально нет ответа. Некоторые вопросы классической физики для квантовой физики бессмысленны. Например, какова скорость электрона? Мы можем вести речь лишь о вероятности получения определенных ее значений в эксперименте. Следовательно, результат эксперимента зависит от того, насколько корректно сформулирован вопрос.

В дальнейшем развитие квантовой физики шло в двух направлениях. Первое связано с уже сложившейся традицией, выработанным подходом, второе – с разработкой теории скрытых переменных. Однако, различные формулы, выведенные математиками из этих двух теорий, показали, что на практике вторая теория не подтверждается.

Квантовая теория находит широкое применение в различных областях физики, например, в оптике, атомной и молекулярной физике, физике твердого тела.

18