Формирование квантовой физики. Специфика ее понятий и принципов

Классическая механика оказывается лишь некоторым приближением, пригодным для рассмотрения движения тел большой массы, движущихся в достаточно плавно изменяющихся условиях (макроскопических помехах). При этих условиях постоянную Планка можно считать пренебрежимо малой. Становится несущественным и явление дифракции. В области малых масштабов, в области микромира на смену классической механике приходит механика квантовая. Предметом рассмотрения квантовой механики является движение микрочастиц.

Квантовая механика – статистическая теория. С помощью квантовой механики можно предсказать, как в среднем распределяются на фотопластинке отраженные от кристалла электроны, но относительно места попадания каждого отдельного электрона может быть сделано лишь вероятное суждение: "С такой-то вероятностью будет обнаружен там-то".

Квантовая механика изучает два основных свойства вещества: квантованность внутриатомных процессов и волновую природу частиц.

До конца ХIХ века мельчайшей структурной единицей материи считались атомы химических элементов. Открытие Д.И. Менделеевым в 1869 году периодического закона подтолкнуло ученых к выводу о существовании более мелких частиц, свойства которых обусловливают свойства атомов, в том числе и периодический закон их взаимосвязи.

В 1897 году английский физик Дж. Томсон открыл электрон как составную часть атома – первую элементарную частицу и измерил величину его электрического заряда и массу.

С конца XIX века обнаруживалось все больше непримиримых противоречий между электромагнитной теорией и новыми фактами, связанными с проникновением физики в микромир. В 1897 году было открыто явление радиоактивности и установлено, что оно связано с превращением одних химических элементов в другие и сопровождается испусканием альфа- и бета-лучей (А. Беккерель, супруги Кюри). На этой основе появились различные модели атома, противоречащие электромагнитной картине мира (Э. Резерфорд, Н. Бор). А в 1900 году М. Планк в процессе многочисленных попыток построить теорию излучения был вынужден высказать предположение о прерывности процессов излучения. Планк показал, что тела излучают свет не непрерывно, а мельчайшими энергетическими порциями, т.е. квантами, позже были открыты фотоны, которые и являются квантами электромагнитных волн в световом диапазоне.

Таким образом, в начале XX века возникли два несовместимых представления о материи:

• или она абсолютно непрерывна – полевой континуум;

• или состоит из дискретных частиц (квантов).

Физики предпринимали многочисленные попытки совместить две эти точки зрения, но долгое время они оставались безрезультатными. Многим казалось, что физика зашла в тупик, из которого нет выхода. Это смятение усугубилось, когда в 1913 году Н. Бор предложил свою модель атома. Он предположил, что электрон, вращающийся вокруг ядра, вопреки законам электродинамики не излучает энергии. Он излучает ее порциями лишь при перескакивании с одной орбиты на другую. И хотя такое предположение казалось странным и непонятным, именно модель атома Бора в значительной степени способствовала формированию новых физических представлений о материи и движении.

Принципиально новые особенности в познание природы привнесла квантовая концепция и сформировавшаяся на ее основе квантовая механика – раздел теоретической физики, фундаментальная теория, дающая способ описания и законы движения микрочастиц (электоронов в атоме, нуклонов в ядрах и т.д.). Основной вклад в ее создание внесли датский физик Нильс Бор (1885–1962); немецкие – Вернер Гейзенберг (1901–1960), Эрвин Шредингер (1887–1970) и Макс Борн (1882–1970); французский ученый Луи де Бройль (1875–1960). Поначалу она была названа волновой в противовес обычной механике, которая рассматривает движение и взаимодействия корпускул или частиц. Вскоре окончательно выяснилось, что в материальных объектах сочетаются волновые и корпускулярные свойства. Прежде всего, это было показано на примере фотонов-«частичек» света (в исследовании так называемого фотоэффекта). Использовав введенное М.Планком понятие кванта (выражающего наименьшее количество-порцию), А. Эйнштейн показал, что свет не только излучается и поглощается, но и переносится квантами (кванты света были названы фотонами). После этого удавалось одни оптические явления (тот же фотоэффект) объяснять в рамках корпускулярной концепции, другие (интерференция, дифракция) – в рамках волновой.

Когда же впервые в 1924 году Луи де Бройль предположил наличие волновых свойств у заведомо корпускулярных объектов – электронов, протонов, нейтронов, эта идея была названа чуть ли не бредовой, причем здесь сошлись даже вечные оппоненты А. Эйнштейн и Н. Бор (хотя именно последний утверждал, что новые идеи должны быть «достаточно сумасшедшими»). Но даже такая авторитетная обструкция не помешала через три года экспериментальному подтверждению дифракции электронов.

Фактически Луи де Бройль высказал гипотезу о соответствии каждой частице определенной волны. Иными словами, каждой частице материи присущи и свойство волны (непрерывность), и дискретность (квантованность). Эти представления нашли подтверждение в работах Э. Шредингера и В. Гейзенберга 1925–1927гг., создателей нового направления физики – квантовой механики. Так сложились новые, квантово-полевые представления о материи, которые определяются как корпускулярно-волновой дуализм – наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы. Концепция корпускулярно-волнового дуализма является физической основой квантовой механики. Это означает, что теория движения микрочастиц учитывает наличие у них свойств как частицы, так и волны, что с необходимостью приводит к отказу от таких классических представлений, как траектория частицы. Состояние микрочастицы в квантовой механике описывается волновой функцией, а физические величины, характеризующие квантовую систему, принимают дискретные (квантовые) значения.

Дуализм (двойственность) волны – частицы – лишь одно из потрясений, которые пришлось пережить как противникам, так и сторонникам квантовой механики. В ходе экспериментов (реальных и мысленных) все более отчетливо подтверждалось, что даже пассивное наблюдение за микрообъектами изменяет характер их движения (в связи с взаимодействием прибора и частиц). Более того, изменяя своим невольным вмешательством характер движения, мы не можем элиминировать (устранить) или хотя бы учесть это воздействие, и вынуждены прибегать к понятию вероятности в описании квантовомеханических явлений. Например, бомбардируя пучком электронов мишень (пластинку) с отверстиями, мы не можем сказать определенно, какой электрон где окажется, но с весьма высокой степенью вероятности рассчитаем, сколько электронов преодолеют мишень: «мы можем предсказать, сколько приблизительно атомов подвергнутся радиоактивному распаду в следующие полчаса, но мы не можем сказать, почему именно эти атомы обречены на гибель» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. – М., 1964. – С. 232).

Развитие квантово-релятивистских представлений о процессах и явлениях природы, все более неотвратимо вводило статистические, вероятностные представления и оценки. Законы квантовой механики – законы статистического характера, которые можно применить только к большим совокупностям и невозможно описать поведение отдельной элементарной частицы или предсказать ее будущий путь.