Развитие квантовой механики ее отличия от классической

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………………….3

Развитие квантовой  механики ее отличия от классической……………………...4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………..12

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………...13 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

     Квантовая  теория сыграла важнейшую роль  в формировании и утверждении во второй половине 20-го века «постклассической» науки, пришедшей на смену «классической» науке 19-го века. Квантовая механика создана усилиями целой плеяды физиков, включая таких крупнейших физиков и мыслителей 20-го века, как А. Эйнштейн и Н. Бор. Все создатели квантовой теории были отмечены Нобелевскими премиями.

     К  последней четверти 19-го века  у физиков сложилось представление о том, что все принципиальные закономерности физики уже установлены. Несоответствия экспериментальных данных теоретическим представлениям казались устранимыми в рамках имеющихся теорий. Однако развитие физики разрушило это представление. На этом пути первый шаг в преодолении традиционного мышления был сделан немецким физиком Максом Планком, явившимся первым нобелевским лауреатом в ряду создателей квантовой механики. В 1918 г. он был отмечен премией «в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии». Планк допустил смелое предположение: вопреки общефизическому представлению о непрерывности изменения всех физических (измеряемых) величин - энергия изменяется дискретно. Он ввел величину минимально возможного «кванта действия», от которого зависит минимально возможная энергия: энергия колебания с частотой n равна hn, где «квант действия» в новой, современной физике рассматривается как одна из фундаментальных констант Природы, имеет специальное обозначение (h) и название – «постоянная Планка».

   
 
 
 

Развитие квантовой механики ее отличия от классической 

     Квантовая  механика (волновая механика) - теория, которая устанавливает способ  описания и законы движения  микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте.

     Квантовая  механика описывает законы движения  микрочастиц. Однако поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, постольку квантовая механика применяется для объяснения многих макроскопических явлений. Например, квантовая механика позволила понять многие свойства твердых тел, последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звезды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звездах.  
     Квантовая механика делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной теории относительности.  
     Нерелятивистская квантовая механика (как и механика Ньютона для своей области применимости) - это законченная и логически непротиворечивая фундаментальная физическая теория.  
     Релятивистская квантовая механика не является в такой степени завершенной и свободной от противоречий теорией.  
     Если в нерелятивистской области можно считать, что взаимодействие передается мгновенно на расстоянии, то в релятивистской области оно распространяется с конечной скоростью, значит, должен существовать агент, передающий взаимодействие - физическое поле. Трудности релятивистской теории - это трудности теории поля, с которыми встречается как релятивистская классическая механика, так и релятивистская квантовая механика.  
     Общая теория относительности - не квантовая теория. В этом отношении она подобна классической электродинамике Максвелла. Однако наиболее общие рассуждения показывают, что гравитационное поле должно подчиняться квантовым законам точно так же, как и электромагнитное поле. Применение квантовой теории к гравитации показывает, что гравитационные волны можно рассматривать как поток квантов - гравитонов.

     Свою  гипотезу Планк выдвинул в  1900 г. Большую роль в ее утверждении сыграл Альберт Эйнштейн, сделавший следующий шаг в становлении новой теории. В 1905 году Эйнштейн ввел понятие «фотон» при теоретическом истолковании закономерностей фотоэффекта (электронная эмиссия, возникающая при поглощении света некоторыми металлами) и название «квант». По Эйнштейну, фотон – это единичная «порция» (квант) электромагнитного излучения, своеобразная частица излучения, движущаяся со скоростью света. Эйнштейн ввел представление о двойственной природе электромагнитного излучения: оно обладает и волновыми свойствами, и свойствами частиц. В 1907 г. Эйнштейн успешно использовал представление о квантах и частицах света – фотонах при анализе теплоемкости кристаллов. Нобелевскую премию Эйнштейн получил в 1921 г. за «вклад в теоретическую физику, в частности открытие закона фотоэлектрического эффекта».    В следующем, 1922 г. Нобелевская премия по физике вновь была присуждена за открытия, связанные со становлением квантовой теории. Ее получил датский физик Нильс Бор «за заслуги в исследовании строения атомов и испускаемого ими излучения». В своей докторской диссертации Бор вскрыл неспособность классической теории объяснить магнитные явления в металлах, что привело его к пониманию ограниченных возможностей электродинамики в применении к описанию поведения электронов. Бор заинтересовался работами Резерфорда, предложившего в 1911 г. ядерную модель атома. Несколько лет они проработали совместно. В 1913 г. Бор опубликовал свои результаты по рассмотрению «планетарной модели атома» («атом Бора»). Используя представление о прерывных изменениях энергии, Бор ввел понятие «избранных, допустимых» движений электрона в атоме относительно ядра. Это позволило ему дать «ключ» к расшифровке известных в физике линейчатых спектров атомов. Бор сыграл совершенно выдающуюся роль в дальнейшем развитии квантовой теории («принцип дополнительности» и «копенгагенская» интерпретация квантовой механики).

     Для  создания современной картины мира важным событием оказалось то, что в 1922 году американский физик Комптон открыл эффект, в котором впервые во всей полноте проявились корпускулярные свойства электромагнитного излучения (в частности, света). Экспериментально было показано, что рассеяние света свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двух частиц.  
     Эффект Комптона выявил корпускулярные свойства света. Было экспериментально доказано, что наряду с известными волновыми свойствами (проявляющимися, например, в дифракции) свет обладает и корпускулярными свойствами: он состоит как бы из частиц. В этом проявляется дуализм света, его корпускулярно-волновая природа.  
     Возникло формальное логическое противоречие: для объяснения одних явлений надо было считать, что свет имеет волновую природу, для объяснения других - корпускулярную. Разрешение этого противоречия и привело к созданию физических основ квантовой механики. В 1913 году Бор применил идею квантов к планетарной модели атома. Эта модель на основе классических представлений приводила к парадоксу - радиус орбиты электрона должен был постоянно уменьшаться из-за излучения и электрон должен был упасть на ядро. Для объяснения устойчивости атомов Бор предположил, что электрон испускает световые волны не постоянно, а лишь при переходе с одной орбиты, удовлетворяющей условиям квантования, на другую рождается квант света. Вероятностную интерпретацию описания движения в квантовой теории Борн сформулировал в 1926 г., в 1927 г. Гейзенберг опубликовал свой «принцип неопределенности». Планк, Эйнштейн, де-Бройль, Шрёдингер не смогли в полной мере принять выводы квантовой теории. В формулировании и отстаивании этих идей основную роль сыграл Нильс Бор. Идеи квантовой теории во второй половине 20-го века не только утвердились, но явились основой новых технологий и технологических изобретений. 
     В 1924 году французский физик Луи де Бройль, пытаясь найти объяснение постулированным в 1913 году Бором условиям квантования атомных орбит, выдвинул гипотезу о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе, каждой частице, независимо от ее природы, надо поставить в соответствие волну, длина которой связана с импульсом частицы.  
     Т.е. не только фотоны, но и все "обыкновенные частицы" (электроны, протоны и др.) обладают волновыми свойствами, которые, в частности, должны проявляться в дифракции частиц.  

     Немецкий  физик В.Гейзенберг в 1925 году  построил формальную схему, в  которой вместо координат и  скоростей электрона фигурировали  некоторые абстрактные величины - матрицы.  
Работа Гейзенберга была развита Борном и Иорданом. Так возникла матричная механика.  
     Вскоре после появления уравнения Шредингера эквивалентность этих двух форм была доказана.  
     В 1927 году в эксперименте наблюдалась дифракция электронов, а позднее- дифракция и других частиц, тем самым справедливость гипотезы де Бройля была подтверждена экспериментально.  
Применение Бором квантовых идей к теории строения атома привело к построению "полуклассической" теории, которая встретилась со многими трудностями.  
     Модель атома Бора была построена за счет нарушения логической цельности теории: с одной стороны, использовалась Ньютонова механика, с другой - привлекались чуждые ей искусственные правила квантования, к тому же противоречащие классической электродинамике. Теория Бора не могла объяснить, как движется электрон при переходе с одного уровня на другой.  
     Дальнейшая разработка вопросов теории атома привела в выводу, что движение электронов в атоме нельзя описывать в терминах классической механики (как движение по определенной траектории, орбите), что вопрос о движении электрона между уровнями несовместим с характером законов, определяющих поведение электрона в атоме. Стало ясно, что для построения модели атома необходима принципиально новая теория, которая для описания поведения электрона в атоме не оперирует понятиями ньютоновской механики. В новую теорию могли входить только величины, относящиеся к начальному и конечному стационарным состояниям атома.

     Окончательное  формирование квантовой механики  как последовательной теории  связано с работой Гейзенберга 1927 года, в которой был сформулирован принцип, утверждающий, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты ее центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определенные, точные значения. Этот принцип получил название "соотношение неопределенностей".  
     Соотношение неопределенностей устанавливает, что понятия координаты и импульса в классическом смысле не могут быть применены к микроскопическим объектам. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению входящих в соотношение неопределенностей динамических переменных. При этом неопределенность в измерениях связана не с несовершенством измерительной техники, а с объективными свойствами микромира.

В 1929 г. Нобелевская  премия была присуждена французскому физику Луи де-Бройлю  «за открытие волновой природы электрона». После того, как Эйнштейн допустил, что волны света могут вести себя как частицы, де-Бройль ввел представление о том, что частицы могут вести себя как волны. Он постулировал определенное соотношение между импульсом частицы и длиной волны, сопоставляемой с её движением. Согласно де-Бройлю, на разрешенных орбитах электрона в «атоме Бора» укладывается целое число этих волн.  Электронные волны, введенные в физику де-Бройлем, получили экспериментальное подтверждение в опытах Дж. Дэвиссона и Дж. Томсона, установивших дифракцию электронов на кристаллах – Нобелевская премия по физике за 1937 г.

     Вслед  за гениальными догадками и  теоретическими построениями Планка, Эйнштейна, Бора, де-Бройля, немецкий физик Вернер Гейзенберг и австрийский физик Эрвин Шрёдингер сформулировали математический аппарат квантовой теории, первый – в «матричной форме», а второй в виде «волновой механики», причем Шрёдингер доказал эквивалентность двух математических форм теории. В 1932 г. Гейзенберг получил Нобелевскую премию «за создание квантовой механики». В следующем, 1933 г. Нобелевскую премию по физике получили Шрёдингер и английский физик Поль Дирак «за открытие новых продуктивных форм атомной теории». Дирак усовершенствовал математический аппарат квантовой теории, включив («уравнение Дирака»). Уравнение Дирака «узаконило» спин электрона и предсказало его магнитные свойства. Дирак предсказал «античастицу» электрона – позитрон.

     В  1945 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Вольфгангу Паули «за открытие принципа запрета, который называют принципом запрета Паули».

     Важный  шаг в формировании квантовой  теории, физическом понимании её  математического аппарата был  сделан немецким физиком Максом Борном , получившим Нобелевскую премию по физике в 1954 г. «за фундаментальные исследования по квантовой механике, особенно за статистическую интерпретацию волновой функции». (Именно Борн в 1925 г. впервые ввел термин «квантовая механика»).

     Завершение построения аппарата квантовой механики породило острые дискуссии в отношении интерпретации этой теории, поскольку она существенно отличается от классических теорий.

     Важное  отличие состоит в том, что  в классических теориях описываются  свойства объектов вне их отношения к тем приборам, с помощью которых обнаруживаются эти свойства, в то время как в квантовой механике учет условий наблюдения неотъемлем от самой теоретической постановки проблемы ( при этом в различных макроскопических ситуациях микроявления обнаруживают различные, порой прямо противоположные свойства, например, частицы или волны ).

     Другим  существенным отличием квантовой  механики от классической, вызвавшим острые дискуссии, является ее принципиально вероятностный характер.

     Умонастроение, характерное для классической науки, отражено в высказывании Лапласа о том, что если бы существовал ум, осведомленный в данный момент о всех силах природы в точках приложения этих сил, то "не осталось бы ничего, что было бы для него недостоверно, и будущее, так же как и прошедшее, предстало бы перед его взором".

     Это  умонастроение классической науки,  четко выраженное Лапласом в  его работе "Опыт философии  теории вероятностей" (1814 год), часто  и связывается с его именем, называется лапласовским детерминизмом. Безусловно, что это умонастроение не исчерпывается приведенным высказыванием Лапласа о всеведущем разуме. Оно представляет собой тонкую и глубокую систему и представлений о реальности и способах ее познания.

     С  позиций лапласовского детерминизма ньютоновская механика с ее однозначными законами является каноном, идеалом научного знания вообще, всякой научной теории. Любая теория с этой точки зрения должна исчерпывающим образом описывать свойства реальности на базе строго однозначных законов, как это делает механика.

     Активное  применение теории вероятностей  в физике, которое началось с  середины 19 века, привело к появлению нового типа законов и теорий - статистических.