Современные проблемы квантовой механики

За относительно короткое время (нерелятивистская) квантовая  механика нашла применение при решении  большого круга теоретических и практических задач. Прежде всего, это касается объяснения строения атомов и молекул, периодической системы элементов, химической связи. С помощью квантовой теории удалось построить также более совершенные теории твердого тела, электрической проводимости, термоэлектрических явлений, ферромагнетизма и т.д. Она позволила построить теорию радиоактивного распада, а в дальнейшем стала базой для ядерной физики и ядерной энергетики.

Вслед за основополагающими  работами Шрёдингера по волновой механике были предприняты первые попытки релятивистского обобщения квантово-механических закономерностей, и уже в 1928 г. П. Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.

Параллельно со становлением квантовой механики открывались  новые элементарные частицы. К открытию в конце XIX в. первой элементарной частицы — электрона — добавились открытия фотона (теоретически предсказан А. Эйнштейном, 1905, экспериментально обнаружен Р. Милликеном, 1915), протона (Э. Резерфорд, 1919), нейтрона (Дж. Чедвик, 1932), позитрона (К. Андерсон, 1932), мюонов (К. Андерсон и др., 1936); в 1930 г. В. Паули было предсказано существование нейтрино, — частицы, которая была экспериментально обнаружена лишь в 1953 г. Вместе с тем до Второй мировой войны открытие новых элементарных частиц (в основном в космических лучах) рассматривалось как закономерное уточнение квантовой картины материи, которое не несет в себе принципиальных неожиданностей. Ситуация резко изменилась в конце 1940-х — начале 1950-х гг., когда с созданием ускорителей заряженных частиц исследования в этой области получили дополнительный импульс и развернулись широким фронтом.

5. Проблема интерпретации квантовой механики. Принцип дополнительности.

Квантовая механика существенно отличается и от классической механики, и от релятивистской физики по многим параметрам. Среди них: исключительная абстрактность квантово-механических формализмов, вероятностно-статистический характер описания, замена динамических закономерностей статистическими, замена кинематических и динамических переменных абстрактными символами некоммутативной алгебры, отсутствие понятий траектории, электронной орбиты, активная роль прибора, выделяющего микрообъект как волну или как частицу, необходимость интерпретации формализмов и др. Все это рождало ощущение незавершенности, неполноты новой теории. Возникла дискуссия о том, каким образом завершать разработку квантовой механики.

А. Эйнштейн и ряд физиков  считали, что квантово-механическое описание физической реальности существенно  неполно. Иначе говоря, созданная теория не является фундаментальной теорией, а лишь промежуточной ступенью по отношению к ней, поэтому квантовую механику необходимо дополнить принципиально новыми постулатами и понятиями, т.е. дорабатывать ту часть оснований новой теории, которая связана с ее принципами.

Другие физики (Н. Бор, В. Гейзенберг, М. Борн и др.) считали, что новая теория является фундаментальной  и дает полное описание физической реальности, а «прояснить положение  вещей можно было здесь только путем более глубокого исследования проблемы наблюдений в атомной физике». Иначе говоря, Бор и его единомышленники полагали, что «доработку» квантовой механики следует вести по линии уточнения той части ее оснований, которые связаны не с принципами теории, а с ее методологическими установками, по линии интерпретации созданного математического формализма. Разработка методологических установок квантовой механики, являвшаяся важнейшим звеном в интерпретации этой теории, продолжалась вплоть до конца 1940-х гг. Завершение выработки этой интерпретации означало и завершение научной революции в физике, начавшейся в конце XIX в.

Основной отличительной  особенностью экспериментальных исследований в области квантовой механики является фундаментальная роль взаимодействия между физическим объектом и измерительным устройством. Это связано с корпускулярно-волновым дуализмом. И свет, и частицы проявляют в различных условиях противоречивые свойства, в связи с чем о них возникают противоречивые представления. В измерительных приборах одного типа (дифракционная решетка) они представляются в виде непрерывного поля, распределенного в пространстве. В приборах другого типа (пузырьковая камера) эти же микроявления выступают как частицы, как материальные точки. Причина корпускулярно-волнового дуализма, по Бору, в том, что сам микрообъект не является ни волной, ни частицей в обычном понимании.

Невозможность провести резкую границу между объектом и  прибором в квантовой физике выдвигает  две задачи: 1) каким образом можно  отличить знания об объекте от знаний о приборе; 2) каким образом, различив их, связать в единую картину теорию объекта.

Вследствие того что  сведения о микрообъекте, о его  характеристиках получают в результате его взаимодействия с классическим прибором (макрообъектом), микрообъект  можно интерпретировать только в классических понятиях, т. е. использовать классические представления о волне и частице. Мы как бы вынуждены говорить на классическом языке, хотя с его помощью нельзя выразить все особенности микрообъекта, который не является классическим. Поэтому первая задача разрешается введением требования описывать поведение прибора на языке классической физики, а принципиально статистическое поведение микрочастиц – на языке квантово-механических формализмов. Вторая задача разрешается с помощью принципа дополнительности: волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают и не заменяют, а взаимно дополняют друг друга. При одном представлении микрообъекта используется причинное описание соответствующих процессов, в другом случае – пространственно-временное. Единая картина объекта синтезирует эти два описания.

6. Философские выводы из законов квантовой механики.

Новые открытия и теоретические  результаты, полученные при исследовании мира мельчайших частиц материи, коренным образом отличаются от всего того, что считалось общепризнанным в классической физике и естествознании в целом. Поэтому в первое время немало ученых считали, что они не только подрывают материалистический взгляд на природу, но и отрицают объективное содержание физической науки.

Основная философская проблема квантовой механики заключается в интерпретации принципа неопределенности Гейзенберга и тесно связанного с ним статистического характера ее законов.

Если классическая физика исходила из предположения, что точность измерений может быть неограниченно увеличена, а физические законы будут формулироваться все точнее и точнее, то принцип неопределенности указывает теоретический предел этой точности. Хотя значения таких сопряженных квантово-механических величин, как координата и импульс частицы, при практических измерениях оказываются значительно больше теоретического предела, тем не менее этот предел нельзя не учитывать в принципе. Именно поэтому предсказания в квантовой механике всегда будут иметь вероятностный характер.

Чтобы яснее представить различие между классической и квантовой механикой, сравним, как используется в них статистический метод. Если в классической механике систему, состоящую из большого числа независимых частиц, изучают статистически по соображениям практического удобства, то квантовые системы в принципе нельзя изучать иначе.

Проблема неопределенности в квантовой механике теснейшим  образом связана со специфическим  характером объектов, которые она  изучает, и методами их исследования. Поэтому для их изучения пришлось обратиться, с одной стороны, к экспериментам, выявляющим их корпускулярный, а с другой — волновой характер. В этом, как известно, и состоит идея принципа дополнительности Н. Бора.

Другой специфической  особенностью квантовых систем является та первостепенная роль, которую играет в них квант действия. Если в классической физике его воздействие настолько мало, что его можно не учитывать, то в квантовой механике он может изменить состояние системы. Это обстоятельство имеет важное значения для теоретического анализа воздействия прибора на изучаемый объект.

Что нового дает квантовая  механика для решения этой проблемы?

Прежде всего, она ясно показывает, что физик, исследующий  микромир своими макроприборами и измерительными устройствами, не может не воздействовать на мир мельчайших частиц материи, поскольку даже квант действия может изменить его состояние. Поэтому, стремясь точнее измерить один параметр состояния частицы, например координату, неизбежно вносят неточность в измерение другого параметра.

Из вышеизложенного  вовсе не следует, что предсказания в области микромира совершенно невозможны. Речь идет только о том, что совершенно иная природа квантовых объектов, их дуалистический корпускулярно-волновой характер делают точные предсказания невозможными. Но даже в классической физике абсолютно достоверные предсказания осуществить нельзя. Тем более это относится к недоступному нашим чувствам сложнейшему миру мельчайших частиц материи. Поэтому не приходится удивляться тому, что после возникновения квантовой механики некоторые ученые заговорили о полной непредсказуемости будущего, господстве в мире неопределенности и случайности и даже о «свободе воли» электрона.

С философской точки  зрения подобные ошибочные заявления  объясняются неспособностью их авторов  отказаться от прежних, утвердившихся представлений классической физики, относящихся к привычному миру нашего опыта, которые оказываются неприменимыми к совершенно новому миру микрочастиц материи.

Список использованной литературы

1. Найдыш В.М. Н20 Концепции современного естествознания: Учебник. — Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004. — 622 с. (в пер.)
2. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. — М.: Гардарики, 2006. — 303 с.
3. Большая советская энциклопедия: В 30 т. - М.: "Советская энциклопедия", 1969-1978.
4. Дирак П. А. М., Принципы квантовой механики, пер. с англ., 2 изд., М., 1979
5. Квантовая механика (терминология), под ред. Н.П. Клепикова, М., 1985 (КНТТ АН СССР)