Основні поняття квантової фізики

Я сміливо можу сказати, що квантової фізики ніхто не розуміє … І якщо ви просто погодитеся, що, можливо, природа поводиться саме таким чином, то ви побачите, що це чарівна і чудова особа. Якщо зможете, не мучте себе питанням «Але як же так може бути?», Бо в іншому випадку ви зайдете в глухий кут, з якого ще ніхто не вибирався. Ніхто не знає, як же так може бути.
Р. Фейнман, лауреат Нобелівської премії, один з найбільших фахівців в галузі квантової фізики

Суперечливість квантового та хвильового поведінки світла викликала повне здивування у фізиків на початку XX ст. У середині 20-х рр. протиріччя вдалося вирішити, створивши нову науку – квантову фізику (квантову механіку). Нова наука дозволила погодити хвильові і корпускулярні уявлення про природу світла, а також пояснити будову атома, властивості елементарних частинок і інші при рідні явища. Правда, для цього їй довелося пожертвувати звичними і удаваними очевидними уявленнями про навколишній світ. Положення нової науки виявилися настільки незвичними, що не тільки дилетанти, а й багато серйозні вчені довгий час відмовлялися в них вірити.
При знайомстві з основами квантової фізики найкраще не ставити питання: «А як же це відбувається насправді?» Відповідь на це питання завжди буде один: насправді саме так все і відбувається. Причина здивування полягає в тому, що багато явищ і закони мікросвіту різко відрізняються від тих явищ, які відбуваються в звичайному для нас макросвіті.

Зазвичай всяке пояснення будується на аналогії: «це схоже на те, як …» або «це явище нагадує нам …». Для опису ж того, що відбувається в мікросвіті, у нас немає ніяких аналогій, бо в макросвіті нічого подібного не відбувається. Однак доводиться повірити в ці закони просто тому, що вони доведені експериментально і теоретично.
У 1924 р молодий французький фізик Луї де Бройль (1892-1987) (рис. 113), який займався дослідженням рентгенівського випромінювання, висунув надзвичайно сміливу гіпотезу. Він припустив, що якщо хвилі світла мають властивості частинок, то і такі частинки, як атоми, протони й електрони, повинні мати властивості хвилі, т. Е. Властивість бути одночасно і вільний, і часткою, зване корпускулярно-хвильовим дуалізмом (слово «дуалізм »означає подвійність, подвійну природу), притаманне всім об’єктам мікросвіту.
Не слід думати, що між мікро- і макросвітом існує різка межа, де перестають діяти квантові закони і починаються звичні для нас закони фізики. Як це не дивно, будь-який предмет можна розглядати як хвилю. Припустимо, що частка масою в 1 г рухається зі швидкістю 1 м / с. Тоді її можна представити як хвилю, довжина якої становить 10-19 мкм. Ця величина настільки мала, що лежить за межами будь-якого вимірювання, тому говорити про хвильових властивості таких великих часток не має ніякого сенсу. Для малих же об’єктів, таких як атоми і елементарні частинки, хвильові властивості мають дуже велике значення.
Гіпотеза де Бройля вперше була експериментально підтверджена в 1927 р, коли для електронів було виявлено явище дифракції, яка, як ви знаєте, є неодмінною властивістю хвилі. Надалі були доведені хвильові властивості протонів та інших елементарних частинок, а також атомів і молекул. В даний час ці хвильові властивості широко використовуються в технічних установках.

Майже в один час з де Бройлем молодий німецький фізик Вернер Гейзенберг (1901-1976) (рис. 114) припустив: до квантових процесів взагалі незастосовні багато положень класичної механіки хоча б з тієї причини, що при дослідженні мікросвіту неможливо саме поняття «вимір» в тому сенсі, в якому воно розуміється в макросвіті. Одним з основних понять фізики є швидкість, т. Е. Відстань, на яку тіло перемістилося за одиницю часу. Але як ми можемо дізнатися, що воно перемістилося і тим більше наскільки воно перемістилося? Дуже просто: ми бачимо або якимось чином визначаємо його місцерозташування в один момент часу, а потім – через певний проміжок часу. Але для того щоб щось побачити, треба, щоб від цього «чогось» відбився фотон або електрон, який потрапить в наше око або в будь-який інший реєструючий прилад. Але якщо відображення таких частинок практично не вплине на звичайний, нехай і дуже маленький предмет, такий як бактерія або навіть молекула, то на русі електрона він позначиться досить значно, і той змінить свою швидкість. Виходить, що ми не можемо визначити місцезнаходження електрона, не змінивши при цьому його швидкості. В результаті Гейзенберг сформулював принцип невизначеності, згідно з яким, неможливо одночасно точно виміряти положення частинки і її швидкість. Чим точніше ми вимірюємо координату частинки, тим велику помилку допускаємо у визначенні її швидкості, і навпаки.
На відміну від класичної фізики, де потрібно максимально абстрагуватися від самого факту вимірювання або спостереження і передбачається, що саме проведення експерименту ніяк не позначається на властивостях досліджуваного об’єкта, у квантовій механіці справа йде зовсім інакше. Сам факт вимірювання змінює властивості об’єкта, і позбутися цього неможливо. У квантових дослідженнях ми завжди спостерігаємо не сам об’єкт, а результат його взаємодії з вимірює приладом. Відповідно, різні інструменти дають різні результати. Це відбувається не тому, що ці прилади несправні або недостатньо точні, а тому, що вони вимірюють різні властивості об’єкта. Якщо ми хочемо дослідити властивості електрона як частки, то він поводиться як частинка. Якщо ж ми хочемо вивчати його хвильові властивості, то він буде вести себе як хвиля. У цьому і полягає запропонований Бором принцип додатковості:
об’єкти мікросвіту поводяться і як хвилі, і як частки, причому один опис не виключає, а доповнює інше.
Насправді електрони і фотони не є ні хвилями, ні частками, а являють собою щось інше, що не має аналогів в макросвіті. Це «інше» іноді схоже на знайомі нам морські хвилі, а іноді – на звичайні фізичні тіла.
Тепер ви переконалися в тому, що квантова фізика дійсно в якійсь мірі дивна наука. Багато серйозні вчені протягом довгого часу відмовлялися вірити в квантово-хвильовий дуалізм. Безліч експериментів, що проводяться з метою «встановити справжню природу» квантових частинок і довести, що вони є «насправді» частинками або, навпаки, вільний, зазнали повну невдачу. Як не дивні закони мікросвіту, вони є об’єктивними законами Природи, і їх доводиться визнавати.
Перевірте свої знання
1. Що таке корпускулярно-хвильовий дуалізм?
2. Чому в макросвіті не враховують квантових законів?
3. У чому полягає принцип невизначеності Гейзенберга?

Посилання на основну публікацію