2.4 Кванты. Молекулы, атомы, ядра, поля-частицы

2.4.1 Квантово-волновой дуализм. Соотношение неопределенностей

Классическая механика установила две формы существования материи – вещество и поле, которые отличаются друг от друга и представляют собой противоположности. Однако в конце XIX в. выяснилось, что эти две формы материи не исключают друг друга, так как одни и те же объекты могут характеризоваться и свойствами вещества и свойствами поля одновременно, то есть иметь как корпускулярные (корпускула — частица), так и волновые качества. М. Планк, исследуя процессы тепло­вого излучения, пришел к выводу о том, что при излучении энергия отдается или поглощается не непрерывно, но небольшими и неделимыми порциями — квантами.

А. Эйнштейн применил идею о квантах при описании света и создал фотонную теорию, согласно которой свет, представляющий собой электромагнитную волну, распространяется энергетическими порциями — фотонами.

Двойственная природа света подтверждается экспериментально. Фотоэффект выражает корпускулярные свойства света. Сущность фотоэффекта заключается в выбивании электронов из вещества под действием света. В опытах по дифракции и интерференции проявляются волновые свойства света. Дифракция — огибание волнами различных препятствий. Например, дифракционные кольца наблюдаются при прохождения света через круглое отверстие. Радуга объясняется преломлением, отражением и дифракцией света.

Интерференция волн — сложение в пространстве двух или нескольких волн, в результате чего происходит усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. Интерференция белого света наблюдается, например, на поверхности в виде чередования окрашенных участков (окрашивание пятен бензина на поверхности воды).

Идея о квантах была перенесена на представления об атоме, в результате чего появилась квантовая механика. Квантовая механика — наука, описывающая процессы, происходящие в микромире.

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу о том, что микрообъект можно рассматривать, с одной стороны, как частицу, обладающую количеством движения (импульсом) р, с другой стороны, его можно рассматривать и как плоскую волну, длина которой равна λ.

λ = h/p — уравнение Луи де Бройля,

где h = 6,626 × 10⁻³⁴ Дж·с — постоянная Планка.

Мысль о том, что микрообъекты (например, электроны) обладают и корпускулярными и волновыми свойствами, является одним из основных утверждений квантовой механики. Такая двойственная корпускулярно-волновая природа микрочастиц называется дуализмом.

Наиболее важными для описания и объяснения микромира являются два фундаментальных положения квантовой механики — принцип дополнительности Н. Бора, сформулированный в 1927 г., и принцип соотношения неопределенности В. Гейзенберга — 1927 г.

Принцип дополнительности. Корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми и не могут проявляться одновременно, однако они в равной мере характеризуют объект, т. е. дополняют друг друга. Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу. Таким образом, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих, но в то же время дополняющих друг друга (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях.

Принцип соотношения неопределенности. Характеризующие физическую систему дополнительные физические величины не могут одновременно принимать точные значения, т. е. невозможно одинаково точно определить координату микрочастицы и ее скорость (импульс). Определенность одного из этих параметров обусловливает неопределенность другого.

Принцип соотношения неопределенности и принцип дополнитель­ности указывают на то, что наука отказывается от описания мира только с помощью динамических закономерностей. Законы квантовой физики — статистические, вероятностные, и они являются базой для релятивистской квантовой механики.