. Понятие «материи» в XX веке

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями – квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны.

Эксперименты М. Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами.

Теория М. Планка положила начало новой квантовой физике, которая описывает процессы, протекающие в микромире. Классическая физика в противоположность современной физике ныне означает «физика до Планка».

Планк отнюдь не был революционером, и ни он сам, ни другие физики не сознавали глубокого значения понятия «квант». Для Планка квант был всего лишь средством, позволившим вывести формулу, дающую удовлетворительное согласие с кривой излучения абсолютно черного тела. Он неоднократно пытался достичь согласия в рамках классической традиции, но безуспешно. Вместе с тем он с удовольствием отметил первые успехи квантовой теории, последовавшие почти незамедлительно.

Новая теория включала в себя, помимо «постоянной Планка», и другие фундаментальные величины, такие, как скорость света и число, известное под названием «постоянной Больцмана». В 1901 г., опираясь на экспериментальные данные по излучению черного тела, Планк вычислил значение «постоянной Больцмана» и, используя другую известную информацию, получил число Авогадро (число атомов в одном моле элемента). Исходя из числа Авогадро, он сумел с замечательной точностью найти электрический заряд электрона.

Позиции квантовой теории укрепились в 1905 г., когда Альберт Эйнштейн воспользовался понятием фотона – кванта электромагнитного излучения, для объяснения фотоэлектрического эффекта (испускание электронов поверхностью металла, освещаемой ультрафиолетовым излучением). Эйнштейн предположил, что свет обладает двойственной природой: он может вести себя и как волна (в чем нас убеждает вся предыдущая физика), и как частица (о чем свидетельствует фотоэлектрический эффект).

В 1907 г. Эйнштейн еще более упрочил положение квантовой теории, воспользовавшись понятием кванта для объяснения загадочных расхождений между предсказаниями теории и экспериментальными измерениями удельной теплоемкости тел – количества тепла, необходимого для того, чтобы поднять на один градус температуру одной единицы массы твердого тела.

Корпускулярно-волновой дуализм: материя как физическая реальность едина, и нет пропасти между веществом и полем. Поле подобно веществу обладает корпускулярными свойствами, а частицы вещества подобно полю – волновыми, т.е. каждый элемент материи обладает свойствами волны и частицы.

Эрвин Шредингер создал новую механику, описывающую поведение микрочастиц – волновую механику. Шредингер работал над проблемой объединения гравитации и электромагнетизма в единую теорию поля, занимался различными вопросами термодинамики, нелинейной электродинамики и алгебры мезонов.

Будучи прекрасным математиком, Шредингер умело использовал теорию соотношения волновой и лучевой оптики, и вывел свое знаменитое дифференциальное уравнение в частных производных волнового поля атома водорода. При решении этого уравнения дискретные энергетические уровни Бора естественно получались как собственные значения некоторого оператора.

Наряду с дальнейшим развитием волновой механики Э. Шредингер много работал над проблемой объединения гравитации и электромагнетизма в единую теорию поля, над различными вопросами термодинамики, нелинейной электродинамики и алгебры мезонов. Во время, так называемых «летних школ», ежегодно устраиваемых Шредингером в Дублине, многие выдающиеся исследователи из разных стран мира обсуждали актуальнейшие проблемы современной физики.

Еще одно подтверждение потенциальной мощи введенной Планком новации поступило в 1913 г. от Нильса Бора, применившего квантовую теорию к строению атома. В модели Бора электроны в атоме могли находиться только на определенных энергетических уровнях, определяемых квантовыми ограничениями. Переход электронов с одного уровня на другой сопровождается выделением разности энергий в виде фотона излучения с частотой, равной энергии фотона, деленной на «постоянную Планка». Тем самым получали квантовое объяснение характеристические спектры излучения, испускаемого возбужденными атомами.

Нильс Бор создал первую квантовую теорию атома, а затем участвовал в разработке основ квантовой механики. Внёс значительный вклад в развитие теории атомного ядра и ядерных реакций, процессов взаимодействия элементарных частиц со средой.

Бор разработал и в 1913 году опубликовал теорию атома, в которой показал, что планетарная структура атома и свойства его спектра излучения могут быть объяснены, если считать, что движение электрона подчинено некоторым дополнительным ограничениям – так называемым постулатам Бора.

1. Постулат стационарных состояний. Электрон совершает в атоме устойчивые орбитальные движения по стационарным орбитам, не испуская и не поглощая энергии.

2. Правило частот. Электрон способен переходить с одной стационарной орбиты на другую, при этом испуская или поглощая энергию. Поскольку энергии орбит дискретны и постоянны, то при переходе с одной из них на другую всегда испускается или поглощается определенная порция энергии.

Квантовые постулаты Н. Бора означали отказ от классических физических представлений, которые до этого времени считались абсолютно истинными.

В 1927 г. Н. Бор сформулировал принцип дополнительности, согласно которому волновые и корпускулярные описания процессов в микромире не исключают, а взаимно дополняют друг друга, и только в единстве дают полное описание.

Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего.

Утверждение корпускулярно-волнового дуализма стало основой квантовой физики.

Немецкий физик-теоретик Гейзенберг Вернер Карл, один из создателей квантовой механики, в 1927 г. пришел к выводу о невозможности одновременного точного измерения координаты частицы и ее импульса, зависящего от скорости, эти величины можно определить только с определенной степенью вероятности.

В классической физике предполагается, что координаты движущегося объекта можно определить с абсолютной точностью. Квантовая механика существенно ограничивает эту возможность.

Вывод В. Гейзенберга получил название принципа соотношения неопределенностей, который лежит в основе физической интерпретации квантовой механики. Суть его в следующем: невозможно одновременно иметь точные значения разных физических характеристик микрочастицы – координаты и импульса.

Если мы получаем точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной.

Существуют принципиальные ограничения на измерение физических величин, характеризующих поведение микрообъектов.

Два фундаментальных принципа квантовой физики:

1) принцип соотношения неопределенностей,

2) принцип дополнительности – указывают на то, что наука отказывается от описания только динамических закономерностей.

Таким образом, в квантовой физике (М. Планк, Э. Шредингер, Н. Бор, В. Гейзенберг) была создана концепция корпускулярно-волнового дуализма материи: материя, как физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем. Поле, подобно веществу, обладает корпускулярными свойствами, а частицы вещества, подобно полю – волновыми свойствами, т.е. каждый элемент материи обладает свойствами волны и частицы.

Законы квантовой физики – статистические. Статистические закономерности проявляются в массе явлений, имеют форму тенденции. Эти законы иначе называют вероятностными, поскольку они описывают состояние индивидуального объекта лишь с определенной долей вероятности.

Статистическая закономерность возникает как результат взаимодействия большого числа элементов, поэтому характеризует их поведение в целом. Необходимость в статистических закономерностях проявляется через действие множества случайных факторов.

Этот тип законов иначе называют законами средних величин. При этом статистические закономерности, так же как и динамические, являются выражением детерминизма.

Примеры статистических закономерностей – законы квантовой механики и законы, действующие в обществе и истории. Понятие вероятности, фигурирующее при описании статистических закономерностей, выражает степень возможности явления или события в конкретной совокупности условий.