Что представляет собой квантовая механика. Квантовая физика и квантовая механика
Квантовая механика, квантовая физика | ИКФИА СО РАН
Астахов А.В., Широков Ю.М. Курс физики. Том 3. Квантовая физика. М: Наука, 1983 (pdf)
Базь А.И., Зельдович Я.Б., Переломов А.М. Рассеяние, реакции и распады в нерелятивистской квантовой механике (2-е изд.) М.: Наука, 1971 (pdf)
Бейзер А. Основные представления современной физики. М.: Атомиздат, 1973 (djvu)
Бете Г. Квантовая механика. М.: Мир, 1965 (pdf)
Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики (3-е изд.) М.: Высш. школа, 1961 (pdf)
Блохинцев Д.И. Основы квантовой механики (5-е изд.) М.: Наука, 1976 (pdf)
Блохинцев Д.И. Принципиальные вопросы квантовой механики. М.: Наука, 1966 (pdf)
Боголюбов Н.Н., Медведев Б.В., Поливанов М.К. Вопросы теории дисперсионных соотношений. М.: ГИФМЛ, 1958 (pdf)
Боголюбов Н.Н., Логунов А.А., Тодоров И.Т. Основы аксиоматического подхода в квантовой теории поля. М.: Наука, 1969 (pdf)
Бом Д. Квантовая теория. (2-е издание). М.: Наука, 1965 (pdf)
Бонч-Бруевич В.Л., Тябликов С.В. Метод функций Грина в статистической механике. М.: Физматлит, 1961 (pdf)
Бор Н. Избранные научные труды. Том I. Статьи 1909-1925. М.: Наука, 1970 (pdf)
Бор Н. Избранные научные труды. Том II. Статьи 1925 -1961. М.: Наука, 1971 (pdf)
Борн М. Лекции по атомной механике. Харьков-Киев: НТИУ, 1934 (pdf)
Борн M. Атомная физика. М.: Мир, 1965 (pdf)
Бьёркен Дж.Д., Дрелл С.Д. Релятивистская квантовая теория. Т.1. Релятивистская квантовая механика. М.: Наука, 1978 (pdf)
Бьёркен Дж.Д., Дрелл С.Д. Релятивистская квантовая теория. Т.2. Релятивистские квантовые поля. М.: Наука, 1978 (pdf)
Варшалович Д.А., Москалев А.Н., Херсонский В.К. Квантовая теория углового момента. Л.: Наука, 1975 (pdf)
Вихман Э. Берклеевский курс физики. Том 4. Квантовая физика. М.: Наука, 1974 (pdf)
Гейзенберг В., Шредингер Э. Дирак П.А.М. Современная квантовая механика. Три нобелевских доклада. Л.-М.: Гостехиздат, 1934 (pdf)
Гельфер Я.М., Любошиц В.Л., Подгорецкий М.И. Парадокс Гиббса и тождественность частиц в квантовой механике. М.: Наука, 1975 (pdf)
Герцберг Г. Спектры и строение двухатомных молекул. М.: ИЛ, 1949 (pdf)
Гольдман И.И., Кривченков В.Д. Сборник задач по квантовой механике. М.: ГИТТЛ, 1957 (pdf)
Гомбаш П. Проблема многих частиц в квантовой механике. М.: ИЛ, 1952 (pdf)
Грашин А.Ф. Квантовая механика. М.: Просвещение, 1974 (pdf)
Гриб А.А. Проблема неинвариантности вакуума в квантовой теории поля. М.: Атомиздат, 1978 (pdf)
Гриб А.А., Мамаев С.Г., Мостепаненко В.М. Квантовые эффекты в интенсивных внешних полях. М.: Атомиздат, 1980 (pdf)
Давыдов А.С. Квантовая механика (2-е изд.). М.: Наука, 1973 (pdf)
Де Альфаро В., Редже Т. Потенциальное рассеяние. М.: Мир, 1966 (pdf)
Дирак П.А.М. Лекции по квантовой теории поля. М.: Мир, 1971 (pdf)
Дирак П.А.М. Принципы квантовой механики (2-е издание). М.: Наука, 1979 (pdf)
Елютин П.В., Кривченков В.Д. Квантовая механика с задачами. М.: Наука, 1976 (pdf)
Ефимов Г.В. Нелокальные взаимодействия квантованных полей. М.: Наука, 1977 (pdf)
Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. Том 1. М.: ГИТТЛ, 1956 (pdf)
Зоммерфельд А. Строение атома и спектры. Том 2. М.: ГИТТЛ, 1956 (pdf)
Иваненко Д.Д. (ред.) Новейшее развитие квантовой электродинамики. Сборник переводов. М.: Ин. лит., 1954 (pdf)
Иваненко Д. (ред.) Квантовая гравитация и топология. Сборник переводов. М.: Мир, 1973 (pdf)
Иос Г. Курс теоретической физики. Часть 2. Термодинамика. Статистическая физика. Квантовая теория. Ядерная физика. М.: Просвещение, 1964 (pdf)
Йост Р. Общая теория квантованных полей. М.: Мир, 1967 (pdf)
Каданов Л., Бейм Г. Квантовая статистическая механика. Методы функций Грина в теории равновесных и неравновесных процессов. М.: Мир, 1964 (pdf)
Каплан И.Г. Симметрия многоэлектронных систем. М.: Наука, 1969 (pdf)
Кемпфер Ф. Основные положения квантовой механики. М.: Мир, 1967 (pdf)
Клаудер Д., Сударшан Э. Основы квантовой оптики. М.: Мир, 1970 (pdf)
Коноплева Н.П., Попов В.Н. Калибровочные поля. М.: Атомиздат, 1972 (pdf)
Коноплева Н.П. Квантовая теория калибровочных полей. Сборник переводов. М.: Мир, 1977 (pdf)
Кушниренко А.Н. Введение в квантовую теорию поля. М.: Высш. школа, 1971 (pdf)
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Краткий курс теоретической физики, том 2: Квантовая механика. М.: Наука, 1972 (pdf)
Ландау Л., Лифшиц Е. Теоретическая физика. Том 5. Часть 1. Квантовая механика. Часть I. Нерелятивистская теория. М.-Л.: ГИТТЛ, 1948 (pdf)
Липкин Г. Квантовая механика. Новый подход к некоторым проблемам. М.: Мир, 1977 (pdf)
Лоудон Р. Квантовая теория света. М.: Мир, 1976 (pdf)
Люиселл У. Излучение и шумы в квантовой электронике. М.: Наука, 1972 (pdf)
Мандельштам Л.И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике. М.: Наука, 1972 (pdf)
Макки Дж. Лекции по математическим основам квантовой механики. М.: Мир, 1965 (pdf)
Манько В.И. (ред.) Когерентные состояния в квантовой теории. Сборник переводов. Серия Новости фундаментальной науки, вып. 1. М.: Мир, 1972 (pdf)
Марч Н., Янг У., Сампантхар С. Проблема многих тел в квантовой механике. М.: Мир, 1969 (pdf)
Матвеев А.Н. Квантовая механика и строение атома. М.: Высш. школа, 1965 (pdf)
Медведев Б.В. Начала теоретической физики. Механика. Теория поля. Элементы квантовой механики. М.: Наука, 1977 (pdf)
Мессиа А. Квантовая механика. Том 1. М.: Наука, 1978 (pdf)
Мессиа А. Квантовая механика. Том 2. М.: Наука, 1979 (pdf)
Мигдал А.Б., Крайнов В.П. Приближенные методы квантовой механики. М.: Наука, 1966 (pdf)
Мигдал А.Б. Качественные методы в квантовой теории. М.: Наука, 1975 (pdf)
Надь К. Пространства состояний с индефинитной метрикой в квантовой теории поля. М.: Мир, 1969 (pdf)
Нейман И. Математические основы квантовой механики. М.: Наука, 1964 (pdf)
Пантел Р., Путхоф Г. Основы квантовой электроники. М.: Мир, 1972 (pdf)
Паули В. Общие принципы волновой механики. М.-Л.: ГИТТЛ, 1947 (pdf)
Паули В. Труды по квантовой теории. Квантовая теория. Общие принципы волновой механики. Статьи 1920-1928. М.: Наука, 1975 (pdf)
Паули В. Труды по квантовой теории. Статьи 1928-1958. М.: Наука, 1977 (pdf)
Рыдник В.И. Что такое квантовая механика. М.: Сов. Россия, 1963 (pdf)
Сербо В.Г., Хриплович И.Б. Конспект лекций по квантовой механике. Нсб.: НГУ, 1999 (pdf)
Сигал И. Математические проблемы релятивистской физики. М.: Мир, 1968 (pdf)
Синаноглу О. Многоэлектронная теория атомов, молекул и их взаимодействий. М.: Мир, 1966 (pdf)
Скобельцын Д.В. (ред.) Квантовая теория поля и гидродинамика. Труды ФИАН. Том XXIX. М.: Наука, 1965 (pdf)
Славнов А.А., Фаддеев Л.Д. Введение в квантовую теорию калибровочных полей. М.: Наука, 1978 (pdf)
Соколов А., Иваненко Д. Квантовая теория поля (избранные вопросы). М.-Л.: ГИТТЛ, 1952 (pdf)
Соколов А.А. Введение в квантовую электродинамику. М.: ГИФМЛ, 1958 (pdf)
Соколов А.А., Лоскутов Ю.М., Тернов И.М. Квантовая механика (2-е изд.) М.: Просвещение, 1965 (pdf)
Соколов А.А., Тернов И.М. Квантовая механика и атомная физика. М.: Просвещение, 1970 (pdf)
Соколов А.А., Тернов И.М., Жуковский В.Ч. Квантовая механика. М.: Наука, 1979 (pdf)
Соколов А.А., Тернов И.М. Релятивистский электрон. М.: Наука, 1974 (pdf)
Сунакава С. Квантовая теория рассеяния. М.: Мир, 1979 (pdf)
Сушко В.Н. (ред.) Конструктивная теория поля. Серия: Математика Новое в зарубежной науке № 6. М.: Мир, 1977 (pdf)
Тарасов Л.В. Основы квантовой механики. М.: Высш. школа, 1978 (pdf)
Тирринг В.Е. Принципы квантовой электродинамики. М.: Высш. шк., 1964 (pdf)
Толмачев В.В. Квазиклассическое приближение в квантовой механике. М.: МГУ, 1980 (pdf)
Умэдзава X. Квантовая теория поля. М.: Изд-во Ин. Лит., 1958 (pdf)
Фаддеев Л.Д., Якубовский О.А. Лекции по квантовой механике для студентов-математиков. Л.: ЛГУ, 1980 (pdf)
Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Том 8. Квантовая механика-1. М.: Мир, 1966 (pdf)
Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Том 9. Квантовая механика-2. М.: Мир, 1967 (pdf)
Фейнман Р., Хибс А. Квантовая механика и интегралы по траекториям. М.: Мир, 1968 (pdf)
Ферми Э. Квантовая механика (конспект лекции). М.: Мир, 1965 (pdf)
Флюгге З. Задачи по квантовой механике. Том 1. М.: Мир, 1974 (pdf)
Флюгге З. Задачи по квантовой механике. Том 2. М.: Мир, 1974 (pdf)
Фок В.А. Начала квантовой механики. М.: Наука, 1976 (pdf)
Фудзита С. Введение в неравновесную квантовую статистическую механику. М.: Мир, 1969 (pdf)
Фущич В.И., Никитин А.Г. Симметрия уравнений квантовой механики. М.: Наука, 1990 (pdf)
Хейне В. Теория групп в квантовой механике. М.: ИЛ, 1963 (pdf)
Хенли Э., Тирринг В. Элементарная квантовая теория поля. М.: ИЛ, 1963 (pdf)
Хинчин А.Я. Математические основания квантовой статистики. М.-Л.: ГИТТЛ, 1951 (pdf)
Шварц А.С. Элементы квантовой теории поля. Бозонные взаимодействия. М.: Атомиздат, 1975 (pdf)
Швебер С. Введение в релятивистскую квантовую теорию поля. М.: Ин.лит., 1963 (pdf)
Швингер Ю. Частицы, источники, поля. Том 1. М.: Мир, 1973 (pdf)
Швингер Ю. Частицы, источники, поля. Том 2. М.: Мир, 1976 (pdf)
Шифф Л. Квантовая механика. (2-е изд.) М.: ИЛ, 1959 (pdf)
Шмид Э., Цигельман Х. Проблема трех тел в квантовой механике. М.: Наука, 1979 (pdf)
Шпольский Э.В. Атомная физика. Том 2. Основы квантовой механики и строение электронной оболочки атома (4-е издание). М.: Наука, 1974 (pdf)
Шредингер Э. Избранные труды по квантовой механике. М.: Наука, 1976 (pdf)
Эмх Ж. Алгебраические методы в статистической механике и квантовой теории поля. М.: Мир, 1976 (pdf)
Эренфест П. Относительность. Кванты. Статистика. Сборник статей. М.: Наука, 1972 (pdf)
ikfia.ysn.ru
Что представляет собой квантовая механика
Под квантовой механикой понимают физическую теорию динамического поведения форм излучения и вещества. Это теоретическая основа, на которой построена современная теория атомных ядер, атомов, физических тел, молекул и элементарных частиц. Вообще, квантовая механика была создана учеными, которые стремились понять строение атома. В течении многих годов легендарные физики изучали особенности и направления химии и следовали историческому времени развития событий.
Такое понятие, как квантовая механика, зарождалось в течение долгих лет. В 1911 году ученые Н. Бор и Э. Резерфорд предложили ядерную модель атома, которая напоминала модель Коперника с его солнечной системой. Ведь солнечная система имела в своем центре ядро, вокруг которого вращались элементы. На основе этой теории начались расчеты физических и химических свойств некоторых веществ, которые были построены из простых атомов.
Одним из важных вопросов в такой теории, как квантовая механика – это природа сил, которая связывала атом. Благодаря закону Кулона, Э. Резерфорд показал, что данный закон справедлив в огромных масштабах. Затем необходимо было определить, каким образом электроны движутся по своей орбите. В этом пункте помог закон Ньютона.
На самом деле, квантовая механика нередко противоречит таким понятиям, как здравый смысл. Наряду с тем, что наш здравый смысл действует и показывает только такие вещи, которые можно взять из повседневного опыта. А, в свою очередь, повседневный опыт имеет дело только с явлениями макромира и крупными объектами, в то время как материальные частицы на субатомном и атомарном уровне ведут себя совсем по-другому. Например, в макромире мы с легкостью способны определить нахождение любого объекта при помощи измерительных приборов и методов. А если мы будем измерять координаты микрочастицы электрона, то пренебречь взаимодействием объекта измерения и измерительного прибора просто недопустимо.
Другими словами можно сказать, что квантовая механика представляет собой физическую теорию, которая устанавливает законы движения различных микрочастиц. От классической механики, которая описывает движение микрочастиц, квантовая механика отличается двумя показателями:
- вероятный характер некоторых физических величин, например, скорость и положение микрочастицы определить точно невозможно, можно рассчитать только вероятность их значений;
- дискретное изменение физических величин, например, энергия какой-либо микрочастицы имеет только определенные некоторые значения.
На сегодняшний момент достаточно много материалов, где предлагается изучение такого понятия, как квантовая механика основы и направления, а также деятельности квантовой криптографии. Чтобы обрести знания в этой непростой теории, необходимо досконально изучать и вникать в эту область. Ведь квантовая механика – это далеко не легкое понятие, которое изучалось и доказывалось величайшими учеными многими годами.
Классическая и квантовая механика
Определение 1
Квантовая механика - обширная область физики, изучающая законы природы, которые проявляются на малых расстояниях и при небольших энергиях атомов и субатомных частиц.
Рисунок 1. Принцип соответствия между классической и квантовой механикой. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Данное направление последовательно вытекает из идей Макса Планка, который в 1900 году продолжил изучать задачи излучения черного вещества и работы Альберта Эйнштейна. Таким образом ученый предложил использовать теорию квантов для объяснения фотоэлектрического эффекта. Ранняя квантовая гипотеза была полностью переосмыслена в середине 1920-х годов.
Определение 2
Классическая физика – это особый раздел науки, который возник еще до квантовой механики и выступает в качестве предельного перехода, справедливого только при глобальных масштабах.
Квантовая механика отличается от классической физики тем, что импульс, энергия и другие показатели, часто ограничиваются только дискретными значениями (квантование), предметы имеют свойства и волн, и частиц (корпускулярно-волновой дуализм), и существуют некие ограничения на установление точности, с которой эти величины определяются.
Переосмысленная теория квантов характеризуется предоставлением новых разработанных математических формализмов, где волновая функция дает информацию об амплитуде вероятности положения физических тел и других характеристик веществ.
Основными областями использования квантовой гипотезы являются: сверхпроводящие магниты, молекулярная химия, светоизлучающие диоды, транзистор, лазер и полупроводниковые устройства и электронная микроскопия.
Связь квантовой механики с классической механикой
Предсказания квантовой механики были давно подтверждены экспериментально с высокой степенью точности. Согласно принципу общего соответствия между классической и квантовой механиками, все предметы подчиняются закономерностям действия квантов, а механика помогает только приблизить объекты к большим системам.
Таким образом, законы классической механики в основном вытекают из теорий квантовой механики как:
- статистическое среднее при определении большого предельного значения числа элементов системы;
- общих значений квантовых показателей;
- связь между числами квантов и описаниями этих систем.
Замечание 1
Квантовая когерентность считается самым весомым различием между классическим и квантовым учениями, хорошо иллюстрирующим парадокс Эйнштейна–Подольского–Розен.
Данная концепция стала первым выпадом против известной философской трактовки квантовой механики путем прямого обращения к локальному реализму.
Квантовая интерференция подразумевает сложение действующих амплитуд вероятности, в то время как классические "волны" предполагают только сложение интенсивностей. Принципы построения механики квантов обычно не проявляются в макроскопических масштабах, это возможно обнаружить в соответствии со следующими наблюдениями: многие макроскопические свойства классической гипотезы выступают в качестве прямых следствий квантового поведения всех частей, а "экзотическое" поведение материи, постулируемое методами квантовой механикой и гипотезой относительности, становится более понятным при работе с элементарными частицами или при перемещении со скоростями, которые возможно приравнять к скорости света.
Отличие квантовой механики от классической
Квантовая и классическая механика сильно отличаются тем, что применяют кардинально разные кинематические описания. По мнению исследователей, для исследования квантово-механических процессов требуется проведение экспериментов, с полным и детальным описанием всех устройств концепции.
Правильная подача информации представляются в макроскопических понятиях, выраженных на простом языке, дополненных определениями классической механики. Изначальные условия и итоговое состояние системы описывается общим положением в конфигурационной среде. Квантовая механика не может самостоятельно точно описать действие физических процессов, как со стороны импульса, точного детерминированного предсказания конечного условия, так и с точки зрения положения материальных веществ.
Замечание 2
В этом смысле, квантовое явление - это универсальный и постепенный процесс перехода от начального к итоговому состоянию, а не мгновенная «трансформация» в классическом смысле данного слова.
Ученые выделяют два вида процессов в квантовой механике: переходные и стационарные, для которых начальное и конечное положения элементов будет одинаковым. Для переходных - они являются различны.
Очевидно по самому термину, что явление невозможно определить, если известно только одно положение. Учитывая все обстоятельства и факторы, предсказание конечного состояния возможно, но только, если волновая функция полностью описывает систему в вероятностном смысле.
Во многих научных исследованиях можно принимать сразу два состояния системы за одну частицу. При проведении некоторых экспериментов удалось установить, что существует несколько пространственно-потенциальных траекторий, по которым материальное тело может менять свою изначальную позицию. Ключевой особенностью квантового описания является то, что оно не дает возможности однозначно определить, какой из этих путей использовать при переходе между заданными состояниями.
В каждом конкретном случае, для которого требуется кинематическая трактовка, всегда есть весомая причина такого ограничения квантовой точности, ведь для экспериментального нахождения мельчайшего элемента в определенном положении этот показатель должен быть неподвижным; для теоретического определения частицы с конкретным импульсом параметр стабильности находится в свободном движении; эти два требования абсолютно несовместимы. С самого начала своего возникновения классическая кинематика не требовала экспериментального подтверждения ее явлений.
Это позволяет ученым более точно описать мгновенное состояние концепции положением вещества в фазовом пространстве. Такое описание просто подразумевает положение элементов как физическую особенность, не переживая по поводу ее измеримости. Трактовка данного явления вместе с закономерностями движения Ньютона позволяет точно сделать причинно-следственное и детерминированное предсказание конечного состояния вместе с определенной позицией эволюции системы. Для этого часто применяется гамильтоновская динамика.
Классическая механика также помогает описать процесс, подобно описанию двух состояний, используемых в квантовой физике. Для явлений, в которых требуется учитывать величину действия порядка нескольких постоянных констант, механика квантов не подходит; здесь необходимо использовать принципы классической механики.
Общая теория относительности
Рисунок 2. Общая теория относительности. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Несмотря на то, что главные постулаты гипотез общей относительности и квантовой механики Эйнштейна в целом подкрепляются повторяющимися и строгими эмпирическими фактами, которые не противоречат друг другу теоретически, однако их крайне трудно интегрировать в одну единую модель.
Гравитацией возможно иногда пренебречь во многих сферах физики элементарных частиц, так что взаимодействие исследуемых теорий не является главным вопросом в научных приложениях. Однако, отсутствие правильной гипотезы квантовой гравитации считается важным вопросом в физической космологии и обнаружении учеными элегантной "Теории происхождения всего живого на Земле". Многие исследователи продолжаются трудиться в надежде открыть идею, лежащую в основе всего.
Такая теория сможет объединить различные модели атомной физики и вывести четыре фундаментальные силы природы:
- сильное взаимодействие;
- электромагнетизм;
- слабое взаимодействие;
- гравитацию.
Следовательно, решение существующих несоответствий между теорией квантовой механики и классической механикой является одной из основных целей для физики 21 века, хотя эти научные течения имеют общую теорию относительности.
spravochnick.ru
Философия и физика, связь сознания и квантовой механики
Статья посвящена связи сознания с квантовой механикой, созданию модели окружающего мира при помощи объединения двух сфер знания (естественные науки и субъективный опыт человека) на основе концептуальной структуры квантовой механики.
Ключевые слова: многомировая интерпретация Эверетта, двущелевой эксперимент, квантовая механика, сознание, кот Шредингера
Думаю, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает.
Ричард Фейнман (1964)
Основной задачей моей работы является попытка осмысления совместимости понятия «сознание» с динамично развивающейся областью теоретической физики — квантовой механикой. Так же я попытаюсь рассмотреть философию не как историю философии (что часто путают), и не как ни на чем не основанные размышления (или основанные на очень зыбком фундаменте), а как элемент построения квантовой концепции жизни. [9, с.13]
В недалеком прошлом для физики такой философской проблемы как «сознание» не существовало, поскольку физика не занимается ни проблемой сознания, ни проблемой свободы воли. Физика занимается лишь созданием модели окружающего мира (которая, естественно, не претендует на абсолютную истину), которая будет работать, и которая может быть спокойно отвергнута, если будет предложена более совершенная модель. Примером одной из таких альтернативных моделей будет представление католической церкви о том, что за звездами стоят ангелы, которые ими управляют. Такое представление вполне тянет на модель окружающего мира и даже неплохо его объясняет [1]. Как правило, физика моделирует, упрощает процессы (так сложный физический объект превращается в точку, которой можно оперировать). «Физика фактически начинается с введения понятий массы, силы и инерциальной системы. Все эти понятия суть свободные изобретения» [2, с.282] Квантовая механика занимается микромиром, и если попытаться перенести правила микромира на макромир, то появляются парадоксы, один из которых известен как «Кот Шредингера». Подобные парадоксы уже в античности решались философами «диалектическим методом, когда противоположные возможности совместимы. В квантовой физике это назвали выведением состояния суперпозиции». [3, c.103]
Стоит отметить, что в 2010 году был проведен эксперимент (Аарон О’Коннелл), в котором охлажденную до абсолютного нуля металлическую пластину, поместили в непрозрачную вакуумную камеру. К камере присоединили датчики и придали пластине импульс. Датчики зафиксировали невероятный результат: пластина вибрировала и не вибрировала одновременно, что доказало принцип суперпозиции на макрообъектах. [4] Чтобы решить эти парадоксы были предложены различные взгляды (интерпретации) на сущность квантовой теории, описывающей материальный мир. Но, как оказалось, также эти интерпретации могут решить философские проблемы, такие как: природа физической реальности, способ её познания, детерминизм, причинность и др.
Философия и физико-математические науки:
Когда-то давно не было достаточных знаний для объяснения окружающего мира, а желание понять все присутствовало. В Средневековье богословие было едва ли не единственным способом познания мира. Так, Оккам, на бритву которого ссылаются до сих пор, был монахом, богословом. И обоснования построенной картины мира у богословов были вполне логичные. С развитием науки, философия начинает опираться на физику и математику. Но мир меняется, и, как мне кажется, большинство философских обобщений научных фактов — спекуляции, построенные на недопонимании. Современная философия развивается исключительно на западе и занимается утилитарными вещами, вроде философии науки и т. д. Однако, для понимания нашего мира или понимания его непонимания философия все же необходима, в доказательство этого я хочу привести размышления Стивена Хокинга: «Представьте себя рыбкой, живущей в аквариуме с выпуклыми стенками. Что вы знали бы о нашем мире, если бы всю жизнь смотрели на него в искажении от стекла и не имели возможности выбраться? Невозможно познать истинную природу реальности: мы считаем, что чётко представляем себе окружающий мир, но, говоря метафорически, мы обречены всю жизнь провести в аквариуме, так как возможности нашего тела не дают нам выбраться из него». [5] Находясь под впечатлением этих слов, правительство итальянского города Монц запретило держать рыбок в круглых аквариумах, чтобы рыбки могли воспринимать мир таким, какой он есть, без искажения света. Таким образом физика сталкивается с необходимостью принимать во внимание проблему сознания.
Квантовая механика
Квантовая механика — это один из разделов теоретической физики, который описывает различные физические явления, величина действия которых сравнима с постоянной Планка. При увеличении величины действия системы квантовая механика переходит в классическую.
Квантовая механика формировалась на протяжении 27 лет: с выступления Макса Планка в Немецком физическом обществе (14 декабря 1900 года) до появления копенгагенской интерпретации в начале 1927 года. В развитии квантовой теории приняли участие такие ученые, как: Борн, Пауль, Планк, Шрёдингер, Гейзенберг, Паули и др. [6]
Наибольший интерес для моей работы представляет собой двухщелевой эксперимент: суть его в том, что квантовые частицы (фотоны, электроны, кварки и др.) проявляют корпускулярно-волновой дуализм, т. е. ведут себя как частицы и как волны одновременно(при одной щели-ведут себя как частицы, при двух щелях-как волны, т. е. одна частица, как бы, раздваивается, проходит через две щели и интерферирует между собой и ударяется в экран как частица, а с точки зрения математики, частицы вовсе проходят через обе щели и не проходят ни через одну из них). Вдобавок, при попытке вмешаться в эксперимент (т. е. зафиксировать факт пролета частицы через одну из щелей) наблюдатель разрушает волновую функцию просто фактом своего наблюдения. [7] В качестве хорошего примера, демонстрирующего всю странность явлений в квантовом мире, можно привести мысленный эксперимент под названием «квантовая вагонетка»: Представьте, что квантовая частица — это вагонетка, которая едет вниз по рельсам. Если переключить стрелку на путь А, то она убьёт человека на пути А, а если на путь Б — убьёт человека на пути Б. Однако, если ничего не делать и не смотреть на вагонетку, то она пройдёт по обоим путям, деструктивно проинтерферирует с собой и проедет мимо обоих людей.
Этот эксперимент поставил ряд вопросов: Что такое материя: частицы или волны? И волны чего? И причем тут наблюдатель? Чтобы объяснить этот эксперимент были предложены различные философские воззрения на счет квантовой механики (интерпретации).
Интерпретации квантовой механики.
В настоящее время известно около 10 различных интерпретаций. Наибольший интерес (и наибольшую распространенность) имеет две:
Копенгагенская интерпретация (Нильс Бор и Вернер Гейзенберг) и Многомировая (Хью Эверетт). Стоит также заметить, что многие физики, вообще не склоняются ни к каким интерпретациям, а работают по принципу Дэвида Мермина: «Shut up and calculate» («Заткнись и считай!»). Так как я не являюсь профессиональным физиком, а моя работа не является научным трактатом, то я могу позволить себе без угрызений совести рассмотреть эти интерпретации, не особо вдаваясь в математический аппарат, в чисто философском плане (т. е. на чисто научной основе сформировать собственное убеждение).
Суть копенгагенской интерпретации состоит в том, что «классический» мир (макромир с наблюдателями) отделен от квантового. До момента измерения микрообъект находится в суперпозиции (т. е. во всех состояниях сразу), но когда происходит измерение, то это состояние нарушается: квантовая функция коллапсирует, сводясь случайным образом к одному из состояний. Однако эта интерпретация встретила резкую критику, в том числе и от величайших ученых. А. Энштейн восклицал: «Вы и вправду думаете, что Луна существует лишь когда вы на неё смотрите?». А Э. Шредингер придумал свой знаменитый мысленный эксперимент с котом: кот помещается в коробку, в которой находится счетчик Гейгера и небольшое количество радиоактивного вещества, настолько малое, что распасться/не распасться может только один атом этого вещества. При распадении вещества, счетчик фиксирует это и при помощи механизма разбивает колбу с ядом, что приводит к смерти кота. Сущность этого мысленного эксперимента в том, что суперпозиция из микромира переходит на макрообъект, т. е. кот жив и мертв одновременно и только прямое наблюдение за котом разрушает суперпозицию. Юджин Вигнер пошел дальше: он ввел категорию друзей. Согласно его теории кот умрет/выживет только тогда, когда каждый человек во вселенной узнает о его смерти/жизни. Несмотря на подобную критику, физики из Массачусетского технологического университета (MIT) впервые доказали на нейтрино нарушения неравенств Леггетта-Гарга (условия, которые должны выполняться в полностью детерминированном мире), от которых зависит реализуемость эксперимента Шредингера с котом. Исследование принято к публикации Physical Review Letters, коротко о нем сообщает Science и пресс-релиз MIT. Им удалось доказать, что до измерения нейтрино не отличимы друг от друга (использовалась сложная система, которая не нарушала суперпозицию), а после они превратились в разные сорта нейтрино: электронные и тау-нейтрино. Кстати, благодаря этому эксперименту удалось доказать реальность нашего мира. Правда, немного ранее ученые из Института квантовой оптики Общества Макса Планка показали, что использовать данные неравенства для тестов макрореализма не достаточно и предложили заменить эти неравенства на уравнения причинности. [8] Так же стоит отметить, что недавно Е. Морева из Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica в Турине, Италия, и несколько её коллег сумели впервые экспериментально проверить идеи Пейджа и Вутерса. Согласно их открытию, время — это всего лишь побочный эффект квантового спутывания, и со стороны внешнего наблюдателя, наша вселенная статична. Такие результаты выходят за рамки физики, они по сути метафизичны.
Наибольший интерес для меня представляет многомировая интерпретация Эверетта и следующая из нее Расширенная Концепция Эверетта (Квантовая Концепция Жизни, включающая в себя Квантовую Концепцию Сознания), предложенная в 2000 году профессором, доктором физико-математических наук М. Б. Менским. Суть интерпретации Эверетта состоит в том, что «классический» мир (т. е. макромир с наблюдателями) так же представляет собой квантовую систему, и результат измерения так же является суперпозицией. Но в реальном мире мы этого не замечаем, т. к. наши копии могут знать только то, что происходит в данной ветви, но ни в какой другой.
М. Б. Менский на основе многолетней работы и изучении материалов, пришел к выводу, что стоит рассматривать подход к объединению двух сфер знания (естественные науки и субъективный опыт человека) на основе концептуальной структуры квантовой механики. Необходимо включить сознание наблюдателя в теорию квантовых измерений. Благодаря этому, мы не только решим внутренние проблемы квантовой механики, но и поймем, что такое сознание. Итак, Расширенная Концепция Эверетта (Квантовая Концепция Сознания) основана на отождествлении сознания с разделением классических альтернатив (разделение классических миров). Из этого можно сделать вывод о сущности сознания: если сознание отождествляется с разделением миров, то с отключением сознания, стираются границы этих миров, и мы получаем огромную базу данных. Информация оттуда дает нам возможность сверхинтуиции, т. е. прямого усмотрения истины. Второе положение говорит о том, сознание может влиять на то, какая из возможных альтернатив будет восприниматься нами субъективно, т. е. управлять реальностью. [9, с. 111]
Стоит также отметить, что существуют мнения о том, что все парадоксы квантовой механики возникли исключительно из-за неудачной терминологии и «кривых» интерпретаций: зависимость законов природы от наличия или отсутствия наблюдателя, «коллапсы» — это результат непонимания сложной теории квантовой механики, действующей в Гильбертовом пространстве. Частица — это, прежде всего, координата, степень свободы, один из аргументов волновой функции вселенной. Только вся вселенная является функцией, иногда мы принимаем допущения: например в изолированной системе можно выделить свою функцию, которая будет входить множителем, но частиц много, а волна одна. Поэтому «выбор» между частицей или волной априори отсутствует.
Заключение:
На основе научных фактов я могу принять наиболее приемлемую для меня модель окружающего мира: наиболее правдоподобной мне кажется модель, созданная М. Б. Менским.
Литература:- Чирцов А. С. Геоцентрические системы мира. Лекция 1.2 // Лекториум. URL: https://www.lektorium.tv/mooc2/26291 (дата обращения: 28.01.2017).
- Эйнштейн Альберт, Инфельд Леопольд. Эволюция физики. — СПб.: Амформа, 2015. — 283 с.
- Артемьев Т. М. Интуиция и рефлексия в понимании. Диссертация кандидата философских наук: 09.00.01. Санкт-Петербургский государственный университет. Санкт-Петербург, 2014. — 174 с.
- Квантовая Физика: 10 Невероятных Фактов // Новости науки. URL: http://www.nauka-novosti.ru/blog/43234011934/Kvantovaya-fizika:-10-neveroyatnyih-faktov (дата обращения: 26.01.2017).
- Хокинг Стивен: Прошлое — это вероятность // Politikus.ru. URL: http://politikus.ru/articles/52525-stiven-hoking-proshloe-eto-veroyatnost.html (дата обращения: 28.01.2017).
- Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое: Пер. с нем. М.: Наука, 1989. — 400 с.
- Загадка квантовой физики — эксперимент с двумя щелями // YouTube. URL: https://www.youtube.com/watch?v=QGq2YNyVbGs (дата обращения: 28.01.2017).
- Королев В. Реальность нашего мира проверили при помощи нейтрино на рекордных расстояниях // N+1: научные статьи. URL: https://nplus1.ru/news/2016/07/19/neutrino-violation. (дата обращения: 28.01.2017).
- Менский М. Б. Сознание и квантовая механика: Жизнь в параллельных мирах. — Фрязино: Век 2, 2011. — 320 с.
Основные термины (генерируются автоматически): квантовая механика, окружающий мир, MIT, интерпретация, том, моя работа, мир, кот, копенгагенская интерпретация, физик.
moluch.ru
Квантовая механика. Квантовый ум [Грань между физикой и психологией]
Квантовая механика
Примерно до 1900 г. и до появления квантовой механики материя считалась совокупностью воображаемых частиц. В механике Ньютона каждая частица в большей степени представляет собой математическое понятие, нежели реальность. Такая частица обладает массой и определенным положением в пространстве и времени, однако не имеет никакой протяженности в пространстве, никакого объема.
Исследования атомов породили новое отношение к частицам. Было обнаружено, что свойства частиц, например их положение в пространстве и времени, необходимо понимать в терминах вероятных положений. Теперь субатомные частицы были уже не простыми точками в четко определенных положениях, а скорее сущностями, которые имели определенную вероятность нахождения в данном положении в данное время.
Более того, их энергии не могли иметь любую величину, а были квантованными, то есть атомы поглощали и испускали энергию небольшими порциями, или квантами, как их называл Эйнштейн, которые могли иметь только определенную величину. Например, было обнаружено, что если атом нагревать, то испускаемое им излучение, в котором проявляется его энергия, имеет только определенные цвета или частоты. Примерно с 1905 г. энергия материи считается квантованной.
Физики все еще верили в законы движения Ньютона; они просто считали их верными только для макроскопической материи. Уравнение f = m х а достаточно хорошо описывает крупные объекты; в этом уравнении силаf масса m и ускорение а понимаются в терминах повседневной жизни. Но среди физиков больше не было согласия в отношении смысла математических уравнений, описывающих атомные явления. Эти уравнения, которые мы вскоре будем рассматривать, оказались полными мнимых чисел.
Для объяснения неожиданного поведения частиц в субатомном мире разрабатывались новые формулы, названные волновыми уравнениями. Новые волновые уравнения уже использовались ранее для описания всевозможных волн, например волн на воде океанов или озер. Однако, отчасти из-за мнимых чисел, никто точно не знает, что представляют собой волны в волновом уравнении для атомных событий.
До сих пор не существует согласия по поводу того, как из волновых уравнений возникает макроскопический мир наблюдения. Мюррей Гиллман так выражал недовольство физиков современным статусом квантовой механики.
Квантовая механика – это та загадочная, сбивающая с толку дисциплина, которую по-настоящему не понимает никто из нас, но которую мы умеем использовать. Насколько мы знаем, она превосходно описывает физическую реальность, но это, как сказал бы социолог, – «контринтуитивная дисциплина». Квантовая механика – это не теория, а скорее концептуальная схема, которой, как мы полагаем, должна соответствовать любая правильная теория. (1981)
Лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман (Feynman, 1965. С. 127-128) добавляет: «Можно с уверенностью сказать, что квантовую механику не понимает никто». Я помню замечательные уроки Ричарда Фейнмана, начинавшего свои лекции по физике словами: «Мы не сумеем понять, что происходит с материей». Он имел в виду, что математическую формулу, описывающую основную структуру материи (волновые уравнения), невозможно непосредственно измерить, равно как нельзя точно измерить частицы, которые описывают эти волны.
Продолжающийся спор о теории квантовой физики напоминает мне историю, которую я слышал, будучи студентом в МИТ в начале 1960-х гг. В ней изображено современное состояние дел в квантовых исследованиях. Широко известный в 1930-х гг. математик Герман Вейль пригласил на вечеринку Альберта Эйнштейна и Нильса Бора. Эти два физика расходились во мнениях относительно интерпретации квантовой механики. Вейль устроил вечеринку в надежде объединить эти две школы физики. Но Эйнштейн и его ученики оставались на одной стороне комнаты, а Бор и его ученики – на другой. У них были две отдельных вечеринки в одной комнате.
Сегодня дела обстоят не намного лучше. Некоторые физики соглашаются с Эйнштейном в том, что квантовая механика неверна, что она слишком неопределенна или даже неправильна, так как ее законы не согласуются с наблюдаемым миром. Другие физики говорят, что неопределенность и противоречивость лежат в основе природы.
Этот конфликт хорошо известен и в психологии. Одни психологи утверждают, что в людях нет ничего загадочного, в то время как другие говорят, что люди непостижимы и никогда не смогут быть поняты.
Эти споры полезны, так как напоминают нам о том, что наши теории и интерпретации математики неполны. Можно с уверенностью сказать, что теории – это не истины. Теории – это умственные построения в отношении процессов, которые невозможно полностью постичь с помощью формулировок ОР. По мере того как в исследованиях открываются новые факты, теории преобразуются.
Поделитесь на страничкеСледующая глава >
fil.wikireading.ru
V. Атомная физика и квантовая механика — Мегаобучалка
Программа
Государственного экзамена по физике
Специальность 010701.65 – «Физика» (квалификация - физик)
I. Механика и теоретическая механика
1. Кинематика материальной точки и твердого тела.
2. Законы классической динамики.
3. Движение в неинерциальных системах отсчета. Сила Кориолиса
4. Основные положения специальной теории относительности. Релятивистское уравнение движения.
5. Импульс, момент импульса, момент силы. Уравнение моментов. Законы сохранения импульса и момента импульса.
6. Механическая работа и энергия. Закон сохранения механической энергии.
7. Динамика вращательного движения твердого тела. Плоское движение твердого тела.
8. Гармонические колебания. Затухающие и вынужденные колебания.
9. Волновое движение. Продольные и поперечные волны. Волновое уравнение. Вектор Умова-Пойтинга.
II. Молекулярная физика, статистическая физика, термодинамика
10. Необходимость статистического описания макросистем. Идеальный газ. Распределение Максвелла, его характерные скорости.
11. Распределение Больцмана и Максвелла-Больцмана. Барометрическая формула.
12. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов.
13. Средняя длина свободного пробега молекул, сечение столкновений. Явления переноса.
14. Внутренняя энергия системы как функция состояния. Теплота, работа, первое начало термодинамики. Изопроцессы.
15. Закон о равнораспределении энергии по степеням свободы молекул. Внутренняя энергия идеального газа. Физический смысл температуры. Классическая теория теплоемкости газов. Понятие о квантовой теории теплоемкости.
16. Цикл Карно, его КПД. Теоремы Карно. Абсолютная шкала температур.
17. Энтропия термодинамической системы. Второе начало термодинамики, его статистический смысл. Неравенство Клаузиуса.
18. Реальные газы. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Критическое состояние. Внутренняя энергия реального газа. Эффект Джоуля-Томсона.
19. Фазовые переходы 1-го и 2-го рода. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса.
III. Электричество и магнетизм
20. Закон Кулона и его полевая трактовка. Принцип суперпозиции. Теорема Гаусса, ее применение для расчета электрических полей. Потенциальность электростатического поля. Связь между напряженностью поля и его потенциалом.
21. Электростатическое поле при наличии проводников. Напряженность поля, заряд и потенциал в объеме проводника и на его поверхности. Электрическая емкость.
22. Электрическое поле при наличии диэлектриков. Молекулярная картина поляризации диэлектриков. Диэлектрическая восприимчивость и проницаемость.
23. Постоянный электрический ток. Уравнение непрерывности. Законы Ома и Джоуля-Ленца в интегральной и дифференциальной формах. Правила Кирхгофа.
24. Закон Био-Савара-Лапласа. Вектор магнитной индукции. Теорема о циркуляции вектора напряженности магнитного поля.
25. Магнитное поле кругового тока. Магнитный момент. Магнитные свойства веществ.
26. Явление электромагнитной индукции. Самоиндукция. Индуктивность.
27. Энергия магнитного поля. Плотность энергии. Энергия магнетика в магнитном поле.
28. Уравнения Максвелла в интегральной и дифференциальной формах и их физический смысл. Электромагнитные волны.
IV. Оптика
29. Электромагнитная природа света. Основные свойства и описание монохроматических электромагнитных волн. Поляризация электромагнитных волн.
30. Излучение колеблющегося электрического диполя. Физические основы спектрального анализа.
31. Дисперсия и поглощение света в изотропных диэлектриках. Классическая электронная теория дисперсии.
32. Отражение и преломление света на границе раздела двух изотропных диэлектриков. Поляризация отраженной и преломленной волн.
33. Явление полного внутреннего отражения (ПВО) и его применение. Поляризация света при ПВО.
34. Двойное лучепреломление в анизотропных средах. Поляризация света при двойном лучепреломлении. Поляризационные устройства.
35. Интерференция света. Когерентность и способы ее реализации. Применение интерференции. Интерферометрия.
36. Дифракция света. Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Векторный метод сложения колебаний в теории дифракции.
37. Дифракция Фраунгофера на одной щели и многих щелях. Дифракционная решетка как спектральный прибор.
38. Квантовые свойства света.
V. Атомная физика и квантовая механика
39. Ядерная модель атома. Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Несовместимость ядерной модели с классической электродинамикой.
40. Постулаты Бора и их экспериментальное подтверждение. Опыты Франка и Герца.
41. Квантование орбит по Бору. Спектральные серии атома водорода.
42. Гипотеза де Бройля. Основные свойства волн де Бройля.
43. Квантово-механическое описание состояний. Волновая функция. Принципы суперпозиции и неопределенностей. Уравнение Шредингера.
44. Одномерные квантовые задачи (потенциальная яма, барьер, гармонический осциллятор).
45. Спин электрона. Механический и магнитный моменты атома.
46. Атом водорода в квантовой теории. Дискретный спектр атома водорода.
47. Квантовая система тождественных частиц. Принцип Паули и структура периодической системы элементов Д.И.Менделеева.
48. Атом в магнитном поле. Нормальный эффект Зеемана. Электронный парамагнитный резонанс.
VI. Ядерная физика
49. Основные характеристики атомных ядер. Массовое число, заряд, масса и энергия ядра.
50. Энергия связи ядер. Удельная энергия связи. Основные свойства ядерных сил.
51. Спин и магнитный момент ядер. Радиоспектроскопия.
52. Радиоактивные превращения ядер. Вековое уравнение.
53. Закономерности альфа-распада ядер.
54. Бета-распад, его основные закономерности и особенности.
55. Гамма-излучение ядер. Взаимодействие гамма-излучения с веществом.
56. Ядерные реакции. Сечение, пороговая энергия реакции. Принцип работы ядерного реактора.
Программа рассмотрена и утверждена
на заседании ученого совета
Института физики и химии
____________ 201_ г. (протокол № _ )
Литература
1. Александров А.Ф., Рухадзе А.А. Основы электродинамики плазмы. Изд.2. М.: Высшая школа, 1988.
2. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М., Изд-во МГУ, 1998.
3. Белов М.М., Румянцев В.В., Топтыгин И.Н. Классическая электродинамика. М., Наука, 1985.
4. Давыдов А.С. Квантовая механика. М., Физматгиз, 1973.
5. Денисов В.И. Введение в электродинамику материальных сред. М., Изд-во МГУ, 1989.
6. Елютин П.В., Кривченков В.Д. Квантовая механика. М., Наука, 1976.
7. Капитонов И.М. Введение в физику ядра и частиц. М., Изд-во МГУ, 2000.
8. Квасников И.А. Термодинамика и статистическая физика. Теория равновесных систем. М., Изд-во МГУ, 1991.
9. Квасников И.А. Термодинамика и статистическая физика. Теория неравновесных систем. М., Изд-во МГУ, 1987.
10. Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М., Наука, 1976.
11. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М., Наука, 1982.
12. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика, ч.1. М., Наука, 1976.
13. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. М., Наука, 1973.
14. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. М., Физматгиз, 1974.
15. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Механика. М., Наука, 1988.
16. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М., Наука, 1988.
17. Ландсберг Г.С. Оптика. М., 1976.
18. Матвеев А.Н. Механика и теория относительности. М., Высшая школа, 1986.
19. Матвеев А.Н. Молекулярная физика. М., Высшая школа, 1987.
20. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика, т.1, 2. М., Энергоатомиздат, 1993.
21. Ольховский И.И. Курс теоретической механики для физиков. М., Изд-во МГУ, 1978.
22. Петкевич В.В. Теоретическая механика. М., Наука, 1981.
23. Ракобольская И.В. Ядерная физика. М., Изд-во МГУ, 1981.
24. Сивухин Д.В. Общий курс физики. т.2. М., Наука, 1990.
25. Сивухин Д.В. Курс общей физики, т.5, часть 1. М., Наука, 1988.
26. Соколов А.А., Тернов И.М., Жуковский В.Ч. Квантовая механика. М., Наука, 1979.
27. Соколов А.А., Тернов И.М. Квантовая механика и атомная физика. М., Просвещение, 1970.
28. Субатомная физика. Вопросы, задачи, факты (учебное пособие под ред. Ишханова Б.С.). М., Изд-во МГУ, 1994.
29. Тамм И.Е. Основы теории электричества. М., Наука, 1976.
30. Угаров В.А. Специальная теория относительности. М., Наука, 1969.
31. Фрауэнфельдер Г., Хенли Э. Субатомная физика. М., Мир, 1979.
32. Шпольский Э.В. Атомная физика, т.1,2. М., Наука, 1974.
Программа рассмотрена и утверждена на заседании
ученого совета Института физики и химии
_______________ ( протокол № )
| Председатель ученого совета, доцент | К.Н.Нищев |
| Ученый секретарь совета, доцент | Е.Н.Ускова |
megaobuchalka.ru
КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА | Энциклопедия Кругосвет
КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА, фундаментальная физическая теория динамического поведения всех элементарных форм вещества и излучения, а также их взаимодействий. Квантовая механика представляет собой теоретическую основу, на которой строится современная теория атомов, атомных ядер, молекул и физических тел, а также элементарных частиц, из которых все это состоит.
Квантовая механика была создана учеными, стремившимися понять, как устроен атом. Атомные процессы в течение многих лет изучали физики и особенно химики; при изложении данного вопроса мы будем, не вдаваясь в подробности теории, следовать историческому ходу развития предмета.
Зарождение теории.
Когда Э.Резерфорд и Н.Бор предложили в 1911 ядерную модель атома, это было подобно чуду. В самом деле, она была построена из того, что было известно уже более 200 лет. Это была, в сущности, коперниковская модель Солнечной системы, воспроизведенная в микроскопическом масштабе: в центре находится тяжелая масса, вскоре получившая название ядра, вокруг которой вращаются электроны, числом которых определяются химические свойства атома. Но мало того, за этой наглядной моделью стояла теория, которая позволила начать расчеты некоторых химических и физических свойств веществ, по крайней мере построенных из наименьших и наиболее простых атомов. Теория Бора – Резерфорда содержала ряд положений, которые здесь полезно напомнить, поскольку все они в том или ином виде сохранились и в современной теории.
Во-первых, важен вопрос о природе сил, связывающих атом. С 18 в. было известно, что электрически заряженные тела притягивают или отталкивают друг друга с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Используя в качестве пробных тел альфа-частицы, возникающие в результате радиоактивных превращений, Резерфорд показал, что тот же самый закон электрического взаимодействия (закон Кулона) справедлив в масштабах, в миллион миллионов раз меньших тех, для которых он был первоначально экспериментально установлен.
Во-вторых, нужно было ответить на вопрос о том, как электроны движутся по орбитам под действием этих сил. Здесь вновь опыты Резерфорда, казалось бы, показывали (и Бор принял это в своей теории), что законы движения Ньютона, сформулированные в его Началах (Principia Mathematica, 1687), можно использовать для описания движения частиц в этих новых масштабах микромира.
В-третьих, вставал вопрос о стабильности. В ньютоновско-кулоновском атоме, как и в Солнечной системе, размеры орбит произвольны и зависят лишь от того, каким образом система была первоначально приведена в движение. Однако все атомы одного вещества одинаковы и к тому же стабильны, что совсем необъяснимо с точки зрения старых представлений. Бор высказал предположение, что атомные электроны следует рассматривать как движущиеся вокруг ядра лишь по определенным орбитам, которым отвечают определенные энергетические уровни, причем они должны испускать квант энергии в виде света, переходя с орбиты с более высокой энергией на орбиту с меньшей энергией. Такие «условия квантования» не вытекали ни из каких экспериментальных данных или теорий; они были приняты как постулаты.
На основе этих концептуальных элементов, дополненных только что развитыми в то время представлениями М.Планка и А.Эйнштейна о природе света, Бору удалось количественно объяснить весь спектр излучения атомов водорода в газоразрядной трубке и дать качественное объяснение всех основных закономерностей периодической системы элементов. К 1920 пришло время взяться за проблему спектра излучения более тяжелых атомов и вычислить интенсивность химических сил, связывающих атомы в соединениях.
Но здесь иллюзия успеха померкла. На протяжении ряда лет Бор и другие исследователи безуспешно пытались рассчитать спектр гелия – следующего за водородом простейшего атома с двумя электронами. Сначала вообще ничего не получалось; в конце концов несколько исследователей различными способами решили эту задачу, но ответ оказался неверным – он противоречил эксперименту. Затем выяснилось, что вообще невозможно построить сколько-нибудь приемлемую теорию химического взаимодействия. К началу 1920-х годов теория Бора исчерпала себя. Пришло время признать справедливость пророческого замечания, которое Бор еще в 1914 сделал в письме другу в присущем ему замысловатом стиле: «Я склонен полагать, что проблема связана с исключительно большими трудностями, которые можно будет преодолеть, лишь гораздо дальше отойдя от обычных соображений, чем требовалось до сих пор, и что достигнутый ранее успех был обусловлен исключительно простотой рассматривавшихся систем».
Первые шаги.
Поскольку использованная Бором комбинация существовавших ранее представлений из области электричества и механики с условиями квантования привела к неверным результатам, все это нужно было полностью или частично изменить. Основные положения теории Бора были приведены выше, а для соответствующих расчетов было достаточно не очень сложных выкладок с использованием обычной алгебры и математического анализа. В 1925 молодой немецкий физик В.Гейзенберг посетил Бора в Копенгагене, где провел с ним долгие часы в беседах, выясняя, что из теории Бора обязательно должно войти в будущую теорию, а от чего в принципе можно и отказаться.
Бор и Гейзенберг сразу же согласились, что в будущей теории обязательно должно быть представлено все непосредственно наблюдаемое, а все не поддающееся наблюдению может быть изменено или исключено из рассмотрения. С самого начала Гейзенберг считал, что следует сохранить атомы, но орбиту электрона в атоме считать абстрактной идеей, поскольку ни один эксперимент не позволяет определить электронную орбиту по результатам измерений наподобие того, как это можно сделать для орбит планет. Читатель может заметить, что тут есть определенная нелогичность: строго говоря, атом столь же ненаблюдаем непосредственно, как и электронные орбиты, и вообще в нашем восприятии окружающего мира нет ни одного ощущения, которое не требовало бы разъяснения. В наши дни физики все чаще цитируют известный афоризм, который был впервые произнесен Эйнштейном в беседе с Гейзенбергом: «Что именно мы наблюдаем, нам говорит теория». Таким образом, различие между наблюдаемыми и ненаблюдаемыми величинами носит чисто практический характер, не имея никакого обоснования ни в строгой логике, ни в психологии, причем это различие, как бы оно ни проводилось, должно рассматриваться как часть самой теории.
Поэтому гейзенберговский идеал теории, очищенной от всего ненаблюдаемого, есть некое направление мысли, но отнюдь не последовательный научный подход. Тем не менее он доминировал в атомной теории почти полвека после того, как был впервые сформулирован. Мы уже напоминали о составных элементах ранней модели Бора, таких, как закон Кулона для электрических сил, законы динамики Ньютона и обычные правила алгебры. Путем тонкого анализа Гейзенберг показал, что можно сохранить известные законы электричества и динамики, если найти надлежащее выражение для динамики Ньютона, а затем изменить правила алгебры. В частности, Гейзенберг высказал мысль, что, поскольку ни положение q, ни импульс p электрона не являются измеримыми величинами в том смысле, в каком ими являются, например, положение и импульс автомобиля, мы можем при желании сохранить их в теории, лишь рассматривая как математические символы, обозначаемые буквами, но не как числа. Он принял для p и q алгебраические правила, согласно которым произведение pq не совпадает с произведением qp. Гейзенберг показал, что простые расчеты атомных систем дают приемлемые результаты, если принять, что для положения q и импульса p выполняется соотношение
где h – постоянная Планка, уже известная из квантовой теории излучения и фигурировавшая в теории Бора, а 
. Постоянная Планка h представляет собой обычное число, но очень малое, приблизительно 6,6Ч10–34 ДжЧс. Таким образом, если p и q – величины обычного масштаба, то разность произведений pq и qp будет крайне мала по сравнению с самими этими произведениями, так что p и q можно считать обычными числами. Построенная для описания явлений микромира, теория Гейзенберга почти полностью согласуется с механикой Ньютона, когда ее применяют к макроскопическим объектам. Уже в самых ранних работах Гейзенберга было показано, что при всей неясности физического содержания новой теории она предсказывает существование дискретных энергетических состояний, характерных для квантовых явлений (например, для испускания света атомом). В более поздней работе, выполненной совместно с М.Борном и П.Йорданом в Гёттингене, Гейзенберг развил формальный математический аппарат теории. Практические вычисления остались, однако, крайне сложными. После нескольких недель напряженной работы В.Паули вывел формулу для энергетических уровней атома водорода, совпадающую с формулой Бора. Но прежде чем удалось упростить вычисления, появились новые и совершенно неожиданные идеи. См. также АЛГЕБРА АБСТРАКТНАЯ; ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ.
Частицы и волны.
К 1920 физики были уже довольно хорошо знакомы с двойственной природой света: результаты одних экспериментов со светом можно было объяснить, предполагая, что свет представляет собой волны, а в других он вел себя подобно потоку частиц. Поскольку казалось очевидным, что ничто не может быть в одно и тоже время и волной, и частицей, ситуация оставалась непонятной, вызывая горячие споры в среде специалистов. В 1923 французский физик Л.де Бройль в опубликованных им заметках высказал предположение, что столь парадоксальное поведение, может быть, не является спецификой света, но и вещество тоже может в одних случаях вести себя подобно частицам, а в других подобно волнам. Исходя из теории относительности, де Бройль показал, что если импульс частицы равен p, то «ассоциированная» с этой частицей волна должна иметь длину волны l = h/p. Это соотношение аналогично впервые полученному Планком и Эйнштейном соотношению E = hn между энергией светового кванта Е и частотой n соответствующей волны. Де Бройль показал также, что эту гипотезу можно легко проверить в экспериментах, аналогичных опыту, демонстрирующему волновую природу света, и настойчиво призывал к проведению таких опытов. Заметки де Бройля привлекли внимание Эйнштейна, и к 1927 К.Дэвиссон и Л.Джермер в Соединенных Штатах, а также Дж.Томсон в Англии подтвердили для электронов не только основную идею де Бройля, но и его формулу для длины волны. В 1926 работавший тогда в Цюрихе австрийский физик Э.Шрёдингер, прослышав о работе де Бройля и предварительных результатах экспериментов, подтверждавших ее, опубликовал четыре статьи, в которых представил новую теорию, явившуюся прочным математическим обоснованием этих идей.
Такая ситуация имеет свой аналог в истории оптики. Одной уверенности в том, что свет есть волна определенной длины, недостаточно для детального описания поведения света. Необходимо еще написать и решить выведенные Дж.Максвеллом дифференциальные уравнения, подробно описывающие процессы взаимодействия света с веществом и распространение света в пространстве в виде электромагнитного поля. Шрёдингер написал дифференциальное уравнение для материальных волн де Бройля, аналогичное уравнениям Максвелла для света. Уравнение Шрёдингера для одной частицы имеет вид
где m – масса частицы, Е – ее полная энергия, V(x) – потенциальная энергия, а y – величина, описывающая электронную волну. В ряде работ Шрёдингер показал, как можно использовать его уравнение для вычисления энергетических уровней атома водорода. Он установил также, что существуют простые и эффективные способы приближенного решения задач, не поддающихся точному решению, и что его теория волн материи в математическом отношении полностью эквивалентна алгебраической теории наблюдаемых величин Гейзенберга и во всех случаях приводит к тем же результатам. П.Дирак из Кембриджского университета показал, что теории Гейзенберга и Шрёдингера представляют собой лишь две из множества возможных форм теории. Теория преобразований Дирака, в которой важнейшую роль играет соотношение (1), обеспечила ясную общую формулировку квантовой механики, охватывающую все остальные ее формулировки в качестве частных случаев.
Вскоре Дирак добился неожиданно крупного успеха, продемонстрировав, каким образом квантовая механика обобщается на область очень больших скоростей, т.е. приобретает вид, удовлетворяющий требованиям теории относительности. Постепенно стало ясно, что существует несколько релятивистских волновых уравнений, каждое из которых в случае малых скоростей можно аппрокcимировать уравнением Шрёдингера, и что эти уравнения описывают частицы совершенно разных типов. Например, частицы могут иметь разный «спин»; это предусматривается теорией Дирака. Кроме того, согласно релятивистской теории, каждой из частиц должна соответствовать античастица с противоположным знаком электрического заряда. В то время, когда вышла работа Дирака, были известны только три элементарные частицы: фотон, электрон и протон. В 1932 была открыта античастица электрона – позитрон. На протяжении нескольких последующих десятилетий было обнаружено много других античастиц, большинство из которых, как оказалось, удовлетворяли уравнению Дирака или его обобщениям. Созданная в 1925–1928 усилиями выдающихся физиков квантовая механика не претерпела с тех пор в своих основах каких-либо существенных изменений. См. также АНТИВЕЩЕСТВО.
Приложения.
Во всех разделах физики, биологии, химии и техники, в которых существенны свойства вещества в малых масштабах, теперь систематически обращаются к квантовой механике. Приведем несколько примеров. Всесторонне исследована структура электронных орбит, наиболее удаленных от ядра атомов. Методы квантовой механики были применены к проблемам строения молекул, что привело к революции в химии. Структура молекул обусловлена химическими связями атомов, и сегодня сложные задачи, возникающие при последовательном применении квантовой механики в этой области, решаются с помощью компьютеров. Большое внимание привлекли к себе теория кристаллической структуры твердых тел и особенно теория электрических свойств кристаллов. Практические результаты впечатляют: примерами их могут служить изобретение лазеров и транзисторов, а также значительные успехи в объяснении явления сверхпроводимости. См. также ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА; ЛАЗЕР; ТРАНЗИСТОР; СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ.
Многие проблемы еще не решены. Это касается структуры атомного ядра и физики элементарных частиц. Время от времени обсуждается вопрос о том, не лежат ли проблемы физики элементарных частиц за пределами квантовой механики, подобно тому как структура атомов оказалась вне области применимости динамики Ньютона. Однако до сих пор нет никаких указаний на то, что принципы квантовой механики или ее обобщения в области динамики полей где-то оказались неприменимыми. Более полувека квантовая механика остается научным инструментом с уникальной «объясняющей способностью» и не требует существенных изменений своей математической структуры. Поэтому может показаться удивительным, что до сих пор ведутся острые дебаты (см. ниже) по поводу физического смысла квантовой механики и ее истолкования. См. также АТОМА СТРОЕНИЕ; АТОМНОГО ЯДРА СТРОЕНИЕ; МОЛЕКУЛ СТРОЕНИЕ; ЧАСТИЦЫ ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ.
Вопрос о физическом смысле.
Корпускулярно-волновой дуализм, столь очевидный в эксперименте, создает одну из самых трудных проблем физической интерпретации математического формализма квантовой механики. Рассмотрим, например, волновую функцию, которая описывает частицу, свободно движущуюся в пространстве. Традиционное представление о частице, помимо прочего, предполагает, что она движется по определенной траектории с определенным импульсом p. Волновой функции приписывается длина волны де Бройля l = h/p, но это характеристика такой волны, которая бесконечна в пространстве, а потому не несет информации о местонахождении частицы. Волновую функцию, локализующую частицу в определенной области пространства протяженностью Dx, можно построить в виде суперпозиции (пакета) волн с соответствующим набором импульсов, и если искомый диапазон импульсов равен Dp, то довольно просто показать, что для величин Dx и Dp должно выполняться соотношение
DxDp і h/4p.
Этим соотношением, впервые полученным в 1927 Гейзенбергом, выражается известный принцип неопределенности: чем точнее задана одна из двух переменных x и p, тем меньше точность, с которой теория позволяет определить другую.
Соотношение Гейзенберга могло бы рассматриваться просто как недостаток теории, но, как показали Гейзенберг и Бор, оно соответствует глубокому и ранее не замечавшемуся закону природы: даже в принципе ни один эксперимент не позволит определить величины x и p реальной частицы точнее, чем это допускает соотношение Гейзенберга. Гейзенберг и Бор разошлись в интерпретации этого вывода. Гейзенберг рассматривал его как напоминание о том, что все наши знания по своему происхождению – экспериментальные и что эксперимент неизбежно вносит в исследуемую систему возмущение, а Бор рассматривал его как ограничение точности, с которой само представление о волне и частице применимо к миру атома.
Гораздо более широким оказывается спектр мнений о природе самой статиcтичеcкой неопределенности. В этих неопределенностях нет ничего нового; они присущи почти каждому измерению, но обычно считают, что они обусловлены недостатками используемых приборов или методов: точное значение существует, однако найти его практически очень трудно, и потому мы рассматриваем полученные результаты как вероятные значения с присущей им статистической неопределенностью. Одна из школ физико-философской мысли, возглавлявшаяся в свое время Эйнштейном, считает, что то же самое имеет место и для микромира, и что квантовая механика с ее статистическими результатами дает лишь средние значения, которые были бы получены при многократном повторении рассматриваемого эксперимента с небольшими различиями из-за несовершенства нашего контроля. При таком воззрении точная теория каждого отдельного случая в принципе существует, просто она еще не найдена.
Другая школа, исторически связанная с именем Бора, стоит на том, что индетерминизм присущ самой природе вещей и что квантовая механика – теория, наилучшим образом описывающая каждый отдельный случай, а в неопределенности физической величины находит отражение та точность, с которой эта величина может определяться и использоваться. Мнение большинства физиков склонялось в пользу Бора. В 1964 Дж.Белл, работавший тогда в ЦЕРНе (Женева), показал, что в принципе эту проблему можно решить экспериментально. Результат Белла явился, пожалуй, важнейшим с 1920-х годов сдвигом в поисках физического смысла квантовой механики.
Теорема Белла, как сейчас называют этот результат, утверждает, что некоторые предсказания, сделанные на основе квантовой механики, невозможно воспроизвести путем вычислений на основе какой-либо точной, детерминированной теории с последующим усреднением результатов. Поскольку два таких метода вычислений должны давать разные результаты, появляется возможность экспериментальной проверки. Измерения, выполненные в 1970-х годах, убедительно подтвердили адекватность квантовой механики.
И все же было бы преждевременно утверждать, что эксперимент подвел окончательную черту под дебатами Бора и Эйнштейна, поскольку такого рода проблемы нередко возникают как бы заново, в другом языковом обличье каждый раз, когда, казалось бы, все ответы уже найдены. Как бы то ни было, остаются и другие головоломки, напоминающие нам, что физические теории – это не только уравнения, но и словесные объяснения, связывающие кристальную сферу математики с туманными областями языка и чувственного опыта, и что это зачастую и есть самое трудное.
www.krugosvet.ru
