Современные проблемы квантовой механики

В 1880-е гг. эмпирические исследования закономерностей распределения  спектральных линий и изучение функции  φ(λ, T) стали более интенсивными и систематическими. Была усовершенствована экспериментальная аппаратура. Для энергии излучения абсолютно черного тела В. Вин в 1896 г., Дж. Рэлей и Дж. Джине в 1900 г. предложили две различные формулы. Как показали экспериментальные результаты, формула Вина асимптотически верна в области коротких волн и дает резкие расхождения с опытом в области длинных волн, а формула Рэлея – Джинса асимптотически верна для длинных волн, но не применима для коротких.

В 1900 г. на заседании Берлинского физического общества М. П л а н к предложил новую формулу для распределения энергии в спектре черного тела. Эта формула полностью соответствовала опыту, но ее физический смысл был не вполне понятен. Дополнительный анализ показал, что она имеет смысл только в том случае, если допустить, что излучение энергии происходит не непрерывно, а определенными порциями – квантами (ε). Более того, ε не является любой величиной, а именно, ε  = hv, где h – определенная константа (постоянная Планка), a v — частота света. Этo вело к признанию наравне с атомизмом вещества атомизма энергии или действия, дискретного, квантового характера излучения, что не укладывалось в рамки представлений классической физики.

Формулировка гипотезы квантов энергии была началом  новой эры в развитии теоретической физики. С большим успехом эту гипотезу начали применять для объяснения других явлений, которые не поддавались описанию на основе представлений классической физики.

Существенно новым шагом  в развитии квантовой гипотезы было введение понятия квантов света. Эта идея была разработана в 1905 г. Эйнштейном и использована им для объяснения фотоэффекта. В целом ряде исследований были получены подтверждения истинности этой идеи. В 1909 г. Эйнштейн, продолжая исследования законов излучения, показывает, что свет обладает одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Становилось все более очевидно, что корпускулярно-волновой дуализм светового излучения нельзя объяснить с позиций классической физики. Требовались новые понятия, новые представления и новый научный язык, для того чтобы физики могли осмыслить эти необычные явления. Все это появилось позже — вместе с созданием квантовой механики.

2.2 Теория атома Н. Бора. Принцип соответствия.

  В свете тех выдающихся открытий конца XIX в., которые революционизировали физику, одной из ключевых стала проблема строения атомов. В 1909—1910 гг. Э. Резерфордом были проведены экспериментальные исследования рассеяния α-частиц тонким слоем вещества. Как показали эти исследования, большинство α-частиц, пронизывающих тонкий слой вещества, рассеиваются силовыми центрами, которые действуют на них с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния. Некоторые сравнительно немногие частицы отклонялись на угол 90° и более; по-видимому, они встретились с очень сильными электрическими полями. Результаты этого исследования позволили Резерфорду в 1911 г. сформулировать планетарную модель атома. Но модель Резерфорда не объясняла многие выявленные к тому времени закономерности излучения атомов, вид атомных спектров и др.

Более совершенную квантовую  модель атома предложил в 1913 г. молодой  датский физик Н. Бор, работавший в лаборатории Резерфорда. Бор  понял, что для построения теории, которая объясняла бы и результаты опытов по рассеянию α-частиц, и устойчивость атома, и сериальные закономерности, и ряд других экспериментальных данных, нужно отказаться от ряда принципов классической физики. Бор взял за основу модель атома Резерфорда и дополнил ее новыми гипотезами, которые не следуют или даже противоречат классическим представлениям. Эти гипотезы известны как постулаты Бора. Они сводятся к следующему.

1. Каждый электрон в атоме  может совершать устойчивое орбитальное  движение по определенной орбите, с определенным значением энергии,  не испуская и не поглощая  электромагнитного излучения. В этих состояниях атомные системы обладают энергиями, образующими дискретный ряд: Е¹, Е², ..., Еⁿ. Состояния эти характеризуются своей устойчивостью. Всякое изменение энергии в результате поглощения или испускания электромагнитного излучения может происходить только скачком из одного состояния в другое.

2. Электрон способен переходить  с одной стационарной орбиты  на другую. Только в этом случае  он испускает или поглощает  определенную порцию энергии  монохроматического излучения определенной частоты. Эта частота зависит от уровня изменения энергии атома при таком переходе. Если при переходе электрона с орбиты на орбиту энергия атома изменяется от Е_m до Е_n, то испускаемая или поглощаемая частота определяется условием

hv_mn = E_m – E_n.

Эти постулаты Бор использовал для расчета простейшего атома (водорода), рассматривая первоначально наиболее простую его модель: неподвижное ядро, вокруг которого по круговой орбите вращается электрон.

Квантовые постулаты  Бора были лишь первым шагом в создании квантовой теории атома. Важным достижением Бора и других исследователей было развитие представления о строении многоэлектронных атомов. Предпринятые шаги в развитии теории строения более сложных (чем водород) атомов и объяснении структуры их спектров принесли некоторые успехи. Однако они не означали, что эту теорию можно считать завершенной. Физики ясно понимали неудовлетворительность боровской теории атома.

Таким образом, в первой четверти XX в. перед физикой все еще стояла задача углубления теории атомных явлений. Ее решение потребовало выработки еще более радикальных теоретических принципов. К таковым, прежде всего, следует отнести гипотезу французского физика Луи де Бройля (1924) о том, что корпускулярно-волновой дуализм носит всеобщий характер, волновые свойства присущи любым частицам материи, т.е. не только фотону, но и электрону, протону и др. Уже в 1927 г. справедливость гипотезы де Бройля была подтверждена экспериментами К.Дж. Дэвиссона и Л. Джермера по дифракции электронов, в результате которых выяснилось, что правильно и количественное соотношение для длин «волн де Бройля».

Кроме того, дальнейшая разработка боровской теории атома приводила к выводу о необходимости еще более радикального отказа от понятий и представлений классической механики (невозможно описание движения электронов в атоме в классических образах траектории, орбиты и др.) и создания такой теории, которая оперировала бы величинами, относящимися к начальному и конечному состояниям атома. Такая теория была создана в 1925— 1927 гг. целой плеядой, интернациональным коллективом физиков-теоретиков XX в. Среди них такие выдающиеся физики, яркие «звезды первой величины», как Н. Бор, В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер, Л. де Бройль, М. Борн, П. Иордан, В. Паули, П. Дирак и др.

2.3 Корпускулярно-волновой  дуализм.

Корпускулярно-волновой дуализм - это теория о том, что  любое вещество (электромагнитное излучение, физическое тело, атом и т.п.) представляется на микроуровне одновременно и как мельчайшие частицы (корпускулы), и как волны. В частности, свет - это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны.

Французский ученый Луи  де Бройль (1892-1987) осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также волновыми свойствами. Согласно де Бролю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики - энергия E и импульс p, а с другой стороны - волновые характеристики - частота и длина волны.

Так как дифракционная картина исследовалась для потока электронов, то необходимо было доказать, что волновые свойства присущи каждому электрону в отдельности. Это удалось экспериментально подтвердить в 1948 г. советскому физику В. А. Фабриканту. Он показал, что даже в случае столь слабого электронного пучка, когда каждый электрон проходит через прибор независимо от других, возникающая при длительной экспозиции дифракционная картина не отличается от дифракционных картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов в десятки миллионов раз более интенсивных.

3. Вероятностный характер квантово-механических законов

Принципиальное отличие  квантовой механики от классической состоит также в том, что ее предсказания всегда имеют вероятностный характер.

Это означает, что мы не можем точно предсказать, в какое именно место попадает, например, электрон, какие бы совершенные средства наблюдения и измерения ни использовали. Можно оценить лишь его шансы попасть в определенное место, а, следовательно, применить для этого понятия и методы теории вероятностей, которая служит для анализа неопределенных ситуаций. Подчеркивая это "очень важное различие между классической и квантовой механикой", Р. Фейнман указывает, что "мы не умеем предсказывать, что должно было бы случиться в данных обстоятельствах". Мало того, добавляет он, мы уверены, что это немыслимо:

единственное, что поддается  предвычислению, — это вероятность  различных событий. Приходится признать, что мы изменили нашим прежним  идеалам понимания природы. Может  быть, это шаг назад, но никто не научил нас, как избежать его!

Идеалом классической механики было стремление к точному и достоверному предсказанию изучаемых явлений  и событий. Действительно, если полностью  заданы положение и скорость движения механической системы в данный момент времени, то уравнения механики позволяют с достоверностью вычислить координаты и скорость ее движения в любой заданный момент времени в будущем или прошлом. В самом деле, небесная механика, опираясь на этот принцип, дает на много лет вперед точные и достоверные прогнозы о солнечных и лунных затмениях, так же как и о прошлых затмениях. Отсюда следует, что при таких прогнозах никак не учитывается изменение событий во времени, но самое главное состоит в том, что классическая механика абстрагируется (или отвлекается) от многих усложняющих факторов. Она, например, рассматривает планеты, движущиеся вокруг Солнца, как материальные точки, поскольку расстояния между ними гораздо больше, чем размеры самих планет. Поэтому для предсказания движения планет вполне допустимо рассматривать их как такие точки, т.е. геометрические точки, в которых сконцентрирована вся масса планет.

Ничего подобного не имеется в мире мельчайших частиц материи, о свойствах которых  мы можем судить лишь косвенно по показаниям наших макроскопических приборов. Поведение микрообъектов совершенно не похоже на поведение окружающих нас макротел, из   наблюдения  и  изучения  которых  накапливается  наш опыт. К сожалению, этот опыт нельзя использовать при изучении микрообъектов, потому что и сами их размеры не сравнимы с размерами макротел, и силы взаимодействия, существующие в микромире, имеют совершенно другой, более сложный характер. Вот почему явления, происходящие в микромире, трудно поддаются пониманию и людьми, впервые знакомящимися с ними, и самими учеными, многие годы потратившими на их изучение.

4. Идея и понятия квантовой механики. Принцип неопределенности.

В 1925 г. В. Гейзенберг построил так называемую матричную механику; а в 1926 г. Э. Шрёдингер разработал волновую механику. Вскоре выяснилось, что и матричная механика, и волновая механика — различные формы единой теории, получившей название квантовой (нерелятивистской) механики.

К созданию матричной  механики В. Гейзенберг пришел в результате исследований спектральных закономерностей, теории дисперсии, где атом представлялся некоторой символической математической моделью — как совокупность гармонических осцилляторов. Эти исследования подтолкнули его к мысли о том, что представления об атоме как о системе, состоящей из ядра и вращающихся вокруг него электронов, которые обладают определенной массой и движутся с определенной скоростью по определенной орбите, нужно понимать лишь как аналогию для установления математической модели; подлинные же характеристики атома нами не наблюдаемы. Согласно принципу соответствия, соотношения величин новой теории должны быть аналогичными соотношениям классических величин. При этом каждой классической величине нужно найти соответствующую ей квантовую величину и составить соответствующие соотношения между найденными квантовыми величинами. Анализируя закономерности измерения величин в квантовой механике, Гейзенберг приходит к важному принципиальному результату о невозможности одновременного точного измерения двух канонически сопряженных величин и устанавливает так называемое соотношение неопределенностей:

где ∆q_i – точность измерения какой-либо из координат частицы; ∆р_i, – точность одновременного измерения соответствующего импульса; h – постоянная Планка. Этот принцип является основой физической интерпретации квантовой механики, ее математического аппарата, играет большую эвристическую роль.

Второе направление  в создании квантовой механики опиралась  на идею Л. де Бройля о волновой природе  материальных частиц. На первые работы де Бройля, в которых высказывалась идея волн, связанных с материальными частицами, не обратили серьезного внимания. Но не все скептически отнеслись к идеям де Бройля. Особенно сильное влияние эти идеи оказали на Э. Шрёдингера, который увидел в них основу для создания волнового варианта теории квантовых процессов. В 1926 г. Шрёдингер, развивая идеи де Бройля, построил так называемую волновую механику, в основе которой представление о том, что квантовые процессы следует понимать как некие волновые процессы, характеризуемые волновой функцией ψ. Функция ψ определяется дифференциальным уравнением («уравнение Шрёдингера»). Уравнение Шрёдингера описывает изменение во времени состояния квантовых объектов, характеризуемых волновой функцией. Если известна волновая функция в некоторый начальный момент, то с помощью уравнения Шрёдингера можно найти волновую функцию в любой последующий момент времени t.

Кроме того, Шрёдингер  поставил вопрос о связи его теории с теорией Гейзенберга и показал, что при всем различии исходных физических положений они математически эквивалентны. Иначе говоря, в квантовой механике разница между полем и системой частиц исчезает. Например, электрон, вращающийся вокруг ядра, можно представить как волну, длина которой зависит от ее скорости. Там, где укладывается целое число длин волн электрона, волны складываются и образуют боровские разрешенные орбиты. А там, где целое число длин волн не укладывается, гребни волн компенсируют впадины и орбиты не будут разрешены. Это также означает, что образ материальной точки, занимающей определенное место в пространстве, строго говоря, является приближенным и может быть сохранен только при рассмотрении макропроцессов, подобно тому как мы пользуемся представлением о световом луче, которое теряет смысл, если рассматривать явления дифракции и интерференции.

Математический аппарат  квантовой механики оказался логически  непротиворечивым, строгим и изящным, а отношения между математическими  и физическими величинами устанавливаются  строго и четко. Основные понятия  квантовой механики – «квантовое состояние», «вектор состояния», «оператор» и др. Возможности аппарата квантовой механики возросли, когда анализ спектров атомов привел к становлению о том, что электрону (и всем элементарным частицам) кроме заряда и массы присуща еще одна внутренняя характеристика — спин (собственный момент количества движения, имеющий квантовую природу). Представление о спине позволило В. Паули (1925) сформулировать принцип запрета (согласно которому в произвольной физической системе не может быть двух электронов, находящихся в одном и том же квантовом состоянии), который имел фундаментальное значение для построения теории атома, квантовой химии, теории твердого тела и др.