Некоторые представления о квантовой механике. Некоторые представления квантовой механики
 Скачать 17.87 Kb.
|
|
Некоторые представления квантовой механики Ситуация в квантовой механике выглядит примерно следующим образом. Наблюдаемые факты (о частицах, свете, различных видах излучения и их взаимодействии) кажутся несовместимыми с классическим идеалом - непрерывным описанием в пространстве-времени. Процессы, субъекты и объекты квантовой механики квантованы и имеют дискретный характер, а их описание носит не детерминированный, жестко и однозначно определенный характер, а подчиняется законам статистической физики, носит вероятностный (стохастический) характер. Особенности вероятностных представлений в квантовой теории связаны с изменениями в постановке основной задачи исследований: если в статистической физике исследовались системы, образованные из огромнейшего числа частиц, то в квантовой теории вероятностные методы используются прежде всего для познания свойств и закономерностей индивидуальных, отдельных частиц - микрообъектов. Переход от непосредственного анализа массовых явлений к исследованиям отдельных, индивидуальных частиц говорит об исключительной гибкости и плодотворности вероятностных методов. Этот переход стал возможен на основе существенных изменений в способах задания (выражения, характеристики) вероятностных представлений. В классической физике свойства и закономерности физических систем выражались непосредственно на языке вероятностных распределений. В квантовой физике состояния микрочастиц выражаются посредством особого рода характеристик, прежде всего волновых функций. Волновые функции носят довольно абстрактный характер, и иногда считают, что они вообще не имеют непосредственного физического смысла. Исторически волновые функции были введены в квантовую теорию чисто формальным образом и утвердились в физике лишь когда удалось их связать с вероятностными распределениями: квадрат модуля волновой функции в некотором представлении (т. е. заданной на языке конкретной физической величины) определяет собой вероятность значения соответствующей физической величины. Связь волновых функций с вероятностью вообще является оправданием употребления их в квантовой теории. Установление этой связи и позволило наполнить глубоким реальным смыслом весь математический аппарат квантовой механики, что было сделано уже после разработки его основ. Однако надо признать, что наше понимание мира не совершенно. С точки зрения современных знаний несовершенство классической и квантовой механики состоит в том, что они инвариантны по отношению ко времени. Это означает, что их уравнения обратимы во времени, что связано с тем, что они рассматривают закрытые системы, находящиеся в состоянии равновесия или стремящиеся к нему и не обменивающиеся с окружающей средой ни веществом, ни энергией, ни информацией. В природе таких систем практически НЕТ. Теоретически тоже. Это - вынужденная идеализация. Мир, нас окружающий, и в котором мы живем, представляет собой конгломерат открытых диссипативных систем, непрерывно обменивающихся энергией, веществом и информацией и иногда исключительно далеко находящихся от равновесного состояния. Процессы в таких системах являются по большей части необратимыми, эти системы эволюционируют по определенным законам и в них присутствует так называемая стрела времени. Это означает, что они не инвариантны относительно времени. Основная идея квантовой (или волновой) механики следующая. Явление, которому классическая механика, казалось, дала адекватное описание тем, что изображала движение материальной точки, (т.е. рассматривала ее координаты х, у, z как функцию от времени) - это явление по новым представлениям должно быть изображено некоторым волновым движением, составляющимся из волн определенной частоты и скорости (и, следовательно, определенной длины волны). Математически, волновое движение изображается не ограниченным числом функций от одной переменной t, а, так сказать, непрерывным многообразием таких функций, т.е. одной функцией (или, возможно, нескольким функциями) от х, у, z и t. Эти функции удовлетворяют дифференциальному уравнению с частными производными типа волнового уравнения. Обыкновенная классическая механика - только приближение, не действительное для очень малых систем. Цель, которая нами преследуется заменой обычного механического описания волновым или квантово-механическим, - установить теорию, охватывающую как обыкновенные механические явления, где квантовые условия не играют заметной роли, так и типичные квантовые явления. Описание, к примеру, волнового движения световой волны посредством лучей есть лишь приближение (именуемое в случае световых волн "геометрической оптикой"), уместное только в том случае, когда структура рассматриваемого волнового явления является грубой по сравнению с длиной волны и до тех пор, пока мы интересуемся только грубой структурой. Тонкая структура волнового явления никогда не может быть изображена с помощью лучей (геометрической оптикой), и всегда существуют волновые явления, которые так малы на всем своем протяжении, что описание их посредством лучей безрезультатно и не дает о них никакого представления. Следовательно, заменив обычную механику волновой, мы можем надеяться, с одной стороны, снова получить обыкновенную механику как приближение, описывающее грубые макромеханические явления и, с другой, - получить объяснение для тех тонких "микромеханических явлений" (движение электронов в атоме), для которых старая механика не могла вообще дать никакого объяснения; по крайней мере, не могла его дать без очень искусственных дополнительных предложений, составлявших в действительности более существенную часть теории, чем собственно механическое рассмотрение. Типичные квантовые явления вполне аналогичны типичным волновым явлениям, как дифракция и интерференция. Для установления этой аналогии важно то, что обычная механика неприменима как раз для очень малых систем. Критерием перехода от классической механики к квантовой (или волновой) является величина, называемая постоянной Планка, равная 6,62617610-24 джсек или 10-27 эргсек и обычно обозначаемая, как h. Могучее здание квантовой механики зиждется на четырех краеугольных камнях: Волновой дуализм де Бройля. Принцип неопределенности Гейзенберга. Принцип запрета Паули. Принцип дополнительности Бора |