4. Понятие о корпускулярно-волновом дуализме. Принцип дополнительности

К 17 в. Сложились две основные теории света: 1)теория корпускулярная. Основоположник Ньютон. Свет рассматривается как поток частиц. 2)волновая концепция. Основоположник К.Гюйгенс.

Итак, в первой четверти XX в., сложилась концепция корпускулярно-волнового дуализма. Свет рассматривается как реальный физический объект, который не сводится ни к волне, ни к частице в классическом смысле, обладая одновременно волновыми свойствами непрерывных электромагнитных волн, приводящих к интерференции и дифракции, и квантовыми свойствами дискретных фотонов, объясняющими фотоэффект и эффект Комптона. При этом обнаруживается важная закономерность этих проявлений свойств света: чем больше частота излучения, чем больше энергия и импульс фотона, тем ярче выражены квантовые свойства света и тем труднее наблюдать его волновые свойства. Наибольшей частотой и энергией, как уже говорилось, обладает гамма-излучение, для которого чаще используется термин гамма-частицы (). Данный символ () используется и для обозначения фотона как микрочастицы. Столь же парадоксальной, но верной, оказалась Гипотеза Луи де Бройля, французского физика, предположившего в 1924 г., что корпускулярно-волновой дуализм свойствен всем материальным объектам, а, следовательно, и частицам вещества. Частице с импульсом соответствует волновой процесс, причем характеризующая его длина волны λ. Корпускулярно-волновой дуализм стал всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных (масса, импульс), так и волновых (длина волны, частота) характеристик. Константой связи этих двух аспектов является постоянная Планка. Правильность гипотезы де Бройля подтверждена в 1927 г. наблюдением дифракции электронов. Это позволило определить границы применимости классической механики. Для макрообъектов длина волны оказывается настолько маленькой, что их волновые свойства невозможно обнаружить, а следовательно, корпускулярно-волновой дуализм для них не проявляется. Микрочастицы проявляют свои волновые свойства, если размеры областей их движения сравнимы с длиной волны, рассчитанной по формуле) (например, электрон в атоме или в твердом теле). Всякий микрообъект отличается от макротела тем, что сочетает в себе свойства частицы и волны, но при этом «не ведет себя ни как волна, ни как частица». Отличие микрочастицы от волны заключается в том, что она всегда обнаруживается как неделимое целое (волну можно разделить, например, направив на полупрозрачное зеркало). Отличие микрочастицы от макротела состоит в том, что она не обладает одновременно определенными значениями координаты и импульса, к ней неприменимо понятие траектории. Для микрочастицы ограничено применение классических параметров механического состояния – координаты и импульса.

Принцип дополнительности.

Итак, из сказанного выше следует, что корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления,

однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Эта идея

была высказана Н. Бором и положена им в основу важнейшего методологического

принципа современной науки, охватывающего в настоящее время не только

физические науки, но и все естествознание –принципа дополнительности (1927). Суть

принципа дополнительности по Н. Бору сводится к следующему: как бы далеко не

выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные

должны описываться при помощи классических понятий. Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных. Важно отметить, что идея дополнительности рассматривалась Бором как выходящая за рамки чисто физического познания. Он считал (и эта точка зрения разделяется в настоящее

время), что интерпретация квантовой механики «имеет далеко идущую аналогию с общими трудностями образования человеческих понятий, возникающих из разделения «субъекта и объекта». Принцип дополнительности, как общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинное явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизнь, психика и др. Бор, в частности, видел необходимость применения принципа дополнительности в биологии, что обусловлено чрезвычайно сложным строением и функциями живых организмов, которые обеспечивают им практически неисчерпаемые скрытые возможности.