Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей

Еще один физический принцип - принцип дополнительности - возник из попыток осознать причину появления противоречивых наглядных образов, которые приходится связывать с объектами микромира.

В ряде экспериментов электрон и другие элементарные частицы обнаруживают корпускулярные свойства, то есть свойства частиц. Любое устройство для детектирования микрообъектов всегда регистрирует их как нечто целое, локализованное в очень малой области пространства.

С другой стороны, при движении все микрочастицы обнаруживают типичные волновые свойства. Наблюдается интерференция (наложение волн друг на друга) и дифракция (огибание волнами препятствий) частиц на кристаллических решетках или искусственно созданных препятствиях. Электрон и другие частицы ведут себя подобно волнам, огибающим препятствия, и как бы одновременно проходят через несколько щелей дифракционной решетки.

Таким образом, всем микрообъектам присущ корпускулярно-волновой дуализм. Общий ответ на вопрос о том, каким же образом совмещаются эти противоречивые свойства у одного объекта, был дан Н. Бором.

Прежде всего, подчеркивает Бор, нужно ясно осознать, что все приборы, регистрирующие индивидуальные акты в микромире, являются макроскопическими и иными быть не могут. Наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Сам человек - существо макроскопическое. Отсюда следует, что понятия, которыми мы пользуемся для описания явлений, -это макроскопические понятия, в терминах которых описывается работа приборов. Но эти понятия не могут быть полностью применены к микрообъектам, так как их поведение не подчиняется законам классической механики.

Согласно принципу дополнительности Бора, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий (частиц и волн). Только совокупность таких понятий дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных.

Принцип дополнительности является результатом философского осмысления новой необычной физической теории -квантовой механики. Он выражает на макроскопическом уровне один из основных законов диалектики - закон единства противоположностей.

Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей Гейзенберга.

Говоря о частице, мы представляем себе комочек вещества, находящийся в данный момент в определенном месте, обладающий определенной энергией и движущийся со строго определенной скоростью. При этом мы допускаем, что можно абсолютно точно знать координаты, импульс и энергию частицы в любой момент времени.

Однако, связывая частицу с волной, мы переходим к образу неограниченной синусоиды, простирающейся во всем пространстве. И понятия «длина волны в данной точке», «импульс в данной точке» просто не могут иметь смысла. Также не имеет смысла понятие энергии частицы в данный момент времени. Дело в том, что согласно формуле Планка, энергия связана с частотой волны, которая характеризует происходящий во времени гармонический колебательный процесс. Утверждение, что электрон лишь приближенно может рассматриваться как материальная точка, означает, что его координаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь приблизительно. Количественно это выражается соотношением неопределенностей Гейзенберга.

Согласно этому соотношению, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет в значении координаты. Также соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого во взаимодействии прибора с объектом измерения.

Принцип неопределенности показывает, почему невозможно «падение» электрона на ядро атома. Ядро атома имеет очень малые размеры и при «падении» электрона местоположение последнего оказывается весьма точно определенным. Следовательно, резко увеличивается неопределенность в скорости электрона, разброс в значении скоростей станет весьма большим. В этот разброс будут включаться столь большие скорости, что электрон скорее покинет атом, чем упадет на ядро.