Квантова механіка

Другим, на думку лорда Кельвіна (У. Томсона), відсутнім елементом для завершення будівлі фізики на рубежі XIX-XX ст. було серйозне розбіжність між теорією і експериментом при дослідженні законів теплового випромінювання абсолютно чорного тіла. Згідно панівної теорії воно має бути безперервним, континуальним. Однак це призводило до парадоксальних висновків на зразок того, що загальна енергія, що випромінюється чорним тілом при даній температурі, дорівнює нескінченності (формула Релея-Джина). Для вирішення проблеми німецький фізик Макс Планк висунув в 1900 р гіпотезу, що речовина не може випромінювати або поглинати енергію, інакше як кінцевими порціями (квантами), пропорційними випромінюваної (або поглинається) частоті. Енергія одній порції (кванта)
E = h × п,
де п – частота випромінювання;
h – універсальна константа.
Гіпотеза М. Планка була використана А. Ейнштейном для пояснення фотоефекту. А. Ейнштейн ввів поняття кванта світла, або фотона. Він же запропонував, що світло відповідно до формули М. Планка має одночасно хвильовими та квантовими властивостями. У спільноті фізиків заговорили про корпускулярно-хвильовий дуалізм, тим більше що в 1923 р було відкрито ще одне явище, яке підтверджує існування фотонів, – ефект А. Х. Комптона.
У 1924 р Луї де Бройль розповсюдив ідею про двоїсту корпускулярно-хвильову природу світла на всі частинки матерії, ввівши уявлення про хвилі матерії. Звідси можна говорити і про хвильових властивості електрона, наприклад про дифракції електрона, які й були експериментально встановлені. Однак експерименти Р. Фейнмана з «обстрілом» електронами щита з двома отворами показали, що неможливо, з одного боку, сказати, через який отвір пролітає електрон, т. Е. Точно визначити його координату, а з іншого боку – не спотворити картини розподілу реєстрованих електронів, не порушивши характеру інтерференції. Це означає, що ми можемо знати чи координату електрона, або імпульс, але не те й інше разом.
Цей експеримент поставив під питання саме поняття частинки в класичному сенсі точної локалізації в просторі та часі.
Пояснення «некласичного» поведінки мікрочастинок було вперше дано німецьким фізиком Вернером Гейзенбергом. Останній сформулював закон руху мікрочастинки, згідно з яким знання точної координати частинки призводить до повної невизначеності її імпульсу, і навпаки, точне знання імпульсу частинки – до повної невизначеності її координати. В. Гейзенберг встановив співвідношення невизначеностей значень координати і імпульсу мікрочастинки:
Δх × ΔРx ≥ h,
де Δх – невизначеність у значенні координати;
ΔРx – невизначеність у значенні імпульсу;
h – постійна Планка.
Цей закон і співвідношення невизначеностей отримав назву принципу невизначеності В. Гейзенберга.
Аналізуючи принцип невизначеностей, датський фізик Нільс Бор показав, що залежно від постановки експерименту мікрочастинка виявляє або свою корпускулярну природу, або хвильову, але не обидві відразу. Отже, ці дві природи мікрочастинок взаємно виключають один одного і в той же час повинні бути розглянуті як доповнюють один одного, а їх опис на основі двох класів експериментальних ситуацій (корпускулярної і хвильової) є цілісним описом мікрочастинки. Існує не частинка «сама по собі», а система «частинка – прилад». Ці висновки Н. Бора отримали назву принципу додатковості.
Невизначеність і додатковість опиняються в рамках такого підходу не мірою нашого незнання, а об’єктивними властивостями мікрочастинок, мікросвіту в цілому. З цього випливає, що статистичні, ймовірнісні закони лежать в глибині фізичної реальності, а динамічні закони однозначної причинно-наслідкового залежності – лише деякий приватний і ідеалізований випадок вираження статистичних закономірностей.

Посилання на основну публікацію