44 Концепция квантовой механики

Ква́нтовая меха́ника — раздел теоретической физики, описывающий физические явления, в которых действие сравнимо по величине с постоянной Планка. Предсказания квантовой механики могут существенно отличаться от предсказаний классической механики. Поскольку постоянная Планка является чрезвычайно малой величиной по сравнению с действием повседневных объектов, квантовые эффекты в основном проявляются только в микроскопических масштабах. Если физическое действие системы намного больше постоянной Планка, квантовая механика органически переходит в классическую механику. В свою очередь, квантовая механика является нерелятивистским приближением (то есть приближением малых энергий по сравнению с энергией покоямассивных частиц системы) квантовой теории поля.

Классическая механика, хорошо описывающая системы макроскопических масштабов, не способна описать все явления на уровне молекул, атомов,электронов и фотонов. Квантовая механика адекватно описывает основные свойства и поведение атомов, ионов, молекул, конденсированных сред, и других систем с электронно-ядерным строением. Квантовая механика также способна описывать поведение электронов, фотонов, а также других элементарных частиц, однако более точное релятивистски инвариантное описание превращений элементарных частиц строится в рамках квантовой теории поля. Эксперименты подтверждают результаты, полученные с помощью квантовой механики.

Понятие состояния в квантовой физике включает в себя характе­ристики макроокружения, которые приготавливают объект определен­ным образом для исследования.

Вследствие фундаментальной особенности явлений микромира, математическим выражением которой является соотношение неопре­деленностей Гейзенберга, фиксирующее наличие у частиц как корпус­кулярных, так и волновых свойств, в квантовой механике можно гово­рить лишь о вероятности того или иного значения динамической ; переменной и о среднем значении динамической переменной, а не об ее определенном числовом значении в данный момент времени. По­этому классическое описание движения частиц в квантовой механике теряет смысл. Весь анализ явлений микромира проводится на языке понятий классической физики, таких как волна и частица, постольку, поскольку мы не обладаем иными понятиями. Ирония здесь состоит в том, что эти классические понятия отражают свойства объектов мик-

ромира неполно и односторонне. В квантовой механике вектором состояния является волновая функция у. В аппарат квантовой теории прочно вошло в качестве ее основного уравнения уравнение Шредин-гера относительно волновой функции \|/. Волновая функция \|/ стала интерпретироваться как волна вероятности, а квадрат ее модуля — как мера вероятности обладания микрообъектом определенной ко­ординаты или в другой, дополнительной к первой, физической ситуа­ции — определенного импульса. Казалось бы, что о причинно-след­ственном описании движения объектов следует забыть. Однако это не так. Уравнение Шредингера описывает эволюции \|/-функции с течением времени, является детерминированным и обратимым. Од­нако, в квантовой теории предсказуемы только вероятности, а не отдельные события в отличии от классической механики. Волновая функция представляет собой полную харак-теристику состояния: зная волновую функцию у, можно вычислить вероятность обнаружения определенного значения физической величины и средние значения физических величин. Статистические закономерности в классичес­кой физике являются результатом взаимодействия большого числа частиц, поведение каждой из которых описывается законами класси­ческой механики. Если система состоит из малого числа частиц, то статистические закономерности перестают действовать и понятия те­ряют смысл. В квантовой же механике, согласно экспериментам, ста­тистические закономерности отражают свойства каждой отдельной микрочастицы.