Тема 20. Концепции квантовой механики

Квантовая механика – основной раздел современной физики, изучающий способы описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер), а также макроявлений. Законы КМ имеют статистический (вероятностный) характер. Предсказания КМ и классической механики совпадают для макроскопических объектов, для которых несущественны соотношения неопределённостей и корпускулярно-волновой дуализм.

Корпускулярно-волновой дуализм – лежащее в основе квантовой механики положение о том, что в поведении микрообъектов проявляются как корпускулярные, так и волновые черты. По представлениям классической (неквантовой) физики, движение частиц и распространение волн различаются принципиально. Однако опыты по вырыванию светом электронов с поверхности металлов (фотоэффект), изучение рассеяния света на электронах (эффект Комптона) и ряд др. экспериментов убедительно показали, что свет – объект, имеющий, согласно классической теории, волновую природу, – ведёт себя подобно потоку частиц (корпускул). КВД является всеобщим свойством материи.

Гипотеза Луи де Бройля – гипотеза, согласно которой электрон и любые другие частицы должны иметь волновые свойства наряду с корпускулярными. Согласно этой гипотезе длина волны, описывающая волновые свойства частицы, определяется энергией частицы по формуле Планка.

Дифракция волн – явления, наблюдаемые при прохождении волн мимо края препятствия, связанные с отклонением волн от прямолинейного распространения при взаимодействии с препятствием. Из-за Д. волны огибают препятствия на пути своего распространения, проникая в область геометрической тени.

Интерференция волн – сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны. И. проявляется в том, что распространяющиеся волны при некоторых условиях могут гасить друг друга. И. характерна для всяких волн независимо от их природы: для волн на поверхности жидкости, звуковых волн, электромагнитных волн (например, радиоволн или световых).

Поляризация волн – нарушение осевой симметрии распределения возмущений в поперечной волне относительно направления её распространения. П. проявляется в том, что некоторое направление колебаний в распространяющейся волне оказывается предпочтительнее других.

Фотоэффект – явление, связанное с освобождением (испусканием) электронов твердого тела или жидкости под действием электромагнитного излучения (фотонов). В частности, Ф. проявляется в изменении состояния тела под действием падающего на него света. Экспериментально было установлено три закона Ф.: 1) максимальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности; 2) для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта; 3) количество электронов, испускаемых веществом за 1 секунду пропорционально интенсивности излучения.

Виртуальные частицы – частицы, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются (для них не выполняется обычное соотношение между энергией, импульсом и массой). В квантовой теории поля взаимодействие частиц и их взаимные превращения рассматриваются как рождение или поглощение одной свободной частицей других (виртуальных) частиц. Любая частица непрерывно испускает и поглощает ВЧ различных типов. Концепция виртуальных частиц, возникающих и исчезающих в вакууме, не противоречит закону сохранения энергии, поскольку в каждый момент, когда рождается виртуальная частица, другая такая же частица исчезает, так что общая энергия не меняется.

Физический вакуум – физический, среда, в которой нет частиц вещества или поля; это одна из форм материи, обладающая особой структурой и свойствами (в пространстве ФВ нет реальных частиц, непрерывно происходит рождение и уничтожение виртуальных частиц, плотность энергии минимальна).

Эффект Казимира – эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме; его причина – энергетические колебания физического вакуума из-за постоянного рождения и исчезновения в нём виртуальных частиц.

Соотношение неопределенностей – фундаментальное положение (принцип) квантовой теории, утверждающее, что невозможно одновременно и точно измерить значения дополнительных физических величин – координаты частицы и ее импульс: очень точное определение координаты частицы приводит к менее точному измерению ее импульса. СН отражает невозможность невозмущающих измерений, т.е. невозможность наблюдать микромир, не нарушая его.

Принцип дополнительности – фундаментальный принцип квантовой механики (шире – универсальный принцип познания), связанный с соотношением неопределенности и сформулированный Н.Бором (1927), основными положениями которого являются: 1) При точном измерении физической величины микрообъекта (н-р, электрона, протона, атома) невозможно измерить точно дополнительную ей величину, т.е. дополнительные физические величины микрообъектов всегда связаны соотношением неопределенностей (координата и импульс; энергия и время). Таким образом, ПД отражает невозможность невозмущающих измерений в микромире и неотделимость наблюдаемого микрообъекта (свойств объекта исследования) от наблюдателя (действий исследователя); иными словами, исследование реальности микромира всегда сопровождается ее изменением, а результат исследования зависит от того, как, какими средствами оно выполнялось). 2) Полное понимание природы микрообъекта требует учета как его корпускулярных, так и волновых свойств, хотя они не могут проявляться в одном и том же эксперименте. В квантовой механике обнаружено, что результаты, получаемые в разных экспериментах над одним и тем же микрообъектом, не могут быть сведены в единую картину объекта, но все они необходимы для исчерпывающего описания квантового объекта. 3) В широком смысле: полное представление о свойствах объекта требует взгляда на него с несовместимых, но дополняющих друг друга точек зрения, характеристик (к примеру, самоорганизация материи как целостность хаоса и порядка; человек как целостность его биологического и социального начал; культура как целостность ее естественнонаучной и гуманитарно-художественной составляющих; научное исследование как целостность методов анализа и синтеза). Методологическое значение ПД в том, что он (а) подчеркивает равноценность разных, в том числе несовместимых, точек зрения; (б) обнаруживает, что однозначно, одним методом невозможно описать объект полностью, т.к. необходимо привлечь дополнительные представления и методы; (в) обнаруживает, что никакое отдельное знание о предмете не может быть самодостаточным, требуется его дополнение знаниями из других наук.