Квантовая механика

Развитие теории квантов началось в 1901 г., когда Макс Планк сделал теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым этим телом излучением. Планк предположил, что энергия атомных осцилляторов (и, следовательно, испускаемого ими излучения) существует в виде небольших дискретных порций (название «квант» ввел в употребление Альберт Эйнштейн), причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте излучения. В 1905 г. Эйнштейн воспользовался квантовой теорией для объяснения некоторых аспектов фотоэлектрического эффекта. Парадокс состоял в том, что согласно экспериментальным данным свет, распространяется как непрерывные волны, но при поглощении и излучении ведет себя как частица.

В 1912 г., размышляя о неустранимых противоречиях модели атома Эрнеста Резерфорда, Нильс Бор предположил, что электроны, вращающиеся вокруг атомного ядра, могут находиться только на определенных орбитах, соответствующих различным энергетическим уровням, и что переход электрона с одной орбиты на другую сопровождается излучением или поглощением фотона, энергия которого равна разности энергий двух орбит. Поскольку частота, по теории Планка, пропорциональна энергии фотона, Бор смог установить связь между различными линиями спектров, характерными для испускающего излучение вещества, и атомной структурой.

Следующим этапом развития квантовой теории стало выдвижение в 1924 г Луи де Бройлем гипотезы о волновом характере материи: если электромагнитные волны, например свет, иногда ведут себя как частицы (что показал Эйнштейн), то частицы, например электрон при определенных обстоятельствах, могут вести себя как волны. Таким образом, по мнению де Бройля, на уровне микромира между частицами и волнами не существует принципиального различия. В формулировке де Бройля частота, соответствующая частице, связана с её энергией, причем математическое выражение этой связи оказалось эквивалентным соотношению между длиной волны, массой частицы и её скоростью (импульсом). Существование электронных волн было экспериментально доказано в 1927 г. Клинтоном Дж. Дэвиссоном и Лестером Х. Джермером в Соединенных Штатах и Джорджем Паджетом Томсоном в Англии.¹

В 1925 г., основываясь на гипотезе де Бройля, Шрёдингер предпринял попытку использовать волновое описание электронов для построения последовательной квантовой теории, которая допускала бы согласование с классической физикой волновых процессов. Однако без учета так называемого «спина», специфической свойства элементарных частиц (допуская некоторое упрощение, его можно уподобить вращению частицы вокруг собственной оси), Шрёдингеру не удалось сразу достичь поставленной цели. В новом варианте теории им было выведено волновое уравнение, математически описывающее материю в терминах волновой функции. Шрёдингер назвал свою теорию волновой механикой. Решения волнового уравнения находились в согласии с экспериментальными наблюдениями и оказали существенное влияние на последующее развитие квантовой теории.

Иная интерпретация квантовой теории, разработанная в начале 1920-х гг. Гейзенбергом, Максом Борном и Иорданом, получила название «матричной механики», поскольку квантовые явления описывались в ней с помощью упорядоченных математических множеств различных параметров (матриц). В отличие от волновой механики, матричная механика не предполагала пространственно-временной определенности описываемых процессов, поскольку, как полагал Гейзенберг, микромир имеет принципиально иное устройство, чем макромир в виду особой роли постоянной Планка, несущественной в мире больших величин. На уровне квантово-механических процессов, привычные наглядные модели и представления оказываются неадекватными.

Общими постулатами квантовой теории являются следующие положения:

— «принцип соответствия» (предложен Нильсом Бором в 1923 г.) согласно которому поведение квантово-механической системы может быть описано классическими теориями в пределе больших квантовых чисел;

— «принцип неопределённости» (введен Вернером Гейзенбергом в 1927 г.) предполагает, что между любыми переменными параметрами квантово-механической системы возникает некое «соотношение неопределенностей», вследствие которого, при точной фиксации одной их характеристик системы, другие характеристики не могут быть установлены;

— «принцип дополнительности» (сформулирован в 1927 г. Нильсом Бором), согласно которому, для полного описания квантово-механической системы необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых дает исчерпывающую информацию о наблюдаемых явлениях.

Принцип дополнительности оказался весьма эффективной методологической установкой не только в теории квантов, но и в других областях естественнонаучного и гуманитарного знания. Нильс Бор писал:

«целостность живых организмов и характеристика людей, обладающих сознанием, а также человеческих культур представляют черты целостности, отображение которых требует типично дополнительного способа описания. ... Принцип дополнительности — это, собственно, признание того, что четко построенные логические системы действуют как метафоры: они задают модели, которые ведут себя и как внешний мир, и не так. Одной логической конструкции оказывается недостаточно для описания всей сложности микромира. Требование нарушить общепринятую логику при описании картины мира со всей очевидностью впервые появилось в квантовой механике — и в этом ее особое философское значение».¹

Следует также отметить, что процедура «квантования» не является модификацией классических уравнений движения, а совершенно новый взгляд на систему. Предпринимавшиеся попытки вывести квантовую механику из какой-то более глубокой теории, остаются лишь дополняющими друг друга гипотезами, образуя множество возможных интерпретаций квантовой механики, что позволяет считать парадоксальные следствия этой теории,¹ неразрешимыми в рамках естествознания науки, но относящимися к ведению философии науки, онтологии и теории познания.