Сущность квантовой механики и границы ее применяемости

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО  ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

 

«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ  ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

(МИИТ)

Кафедра «Психология, социология, государственное и муниципальное управление»

Реферат

по дисциплине «Концепция современного естествознания»

Тема: «Сущность квантовой механики и границы ее применяемости»

 

      Выполнила:                          студентка

Мезвришвили Татия

группы ГПС-111, 1 курса

Преподаватель:

Кочетков  Егор Евгеньевич

                                               

 

 

                                                         МОСКВА-2012

Содержание:

Введение…………………………………………………………………………………………3

Квантовая механика, ее интерпретация…………………………….6

Исторические предпосылки………………………………………….15

Концепция микромира  и квантовая механика- 
Сущность квантовой механики и границы ее применимости……………………………………………………….16 
Современные представления об элементарных частицах    и атомах………………………………………………………………..19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной с точки зрения классической науки  ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства. 
Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Планком. В процессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планк назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях - квантах. Энергия квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под символом h : E= h у.  
Если введение кванта еще не создало настоящей квантовой теории, как неоднократно подчеркивал М. Планк, то все же 14 декабря 1900 г., в день опубликования формулы, был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики этот день считается днем рождения квантовой физики. 
Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории произошло благодаря работам немецкого физика В. Гейзенберга, установившего принцип неопределенности и датского физика Н. Бора, сформулировавшего принцип дополнительности, на основании которых описывается поведение микрообъектов. 
Фундаментальным принципом квантовой механики наряду с соотношением неопределенностей является принцип дополнительности, которому Н. Бор дал следующую формулировку: "Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего". 
Существенной чертой квантовой механики является вероятностный характер предсказаний поведения микрообъектов, которое описывается при помощи волновой функции Э. Шредингера. Волновая функция определяет параметры будущего состояния микрообъекта с той или иной степенью вероятности. Это означает, что при проведении одинаковых опытов с одинаковыми объектами каждый раз будут получаться разные результаты. Однако некоторые значения будут более вероятными, чем другие, т.е. будет известно лишь вероятностное распределение значений. 
С учетом факторов неопределенности, дополнительности и вероятности Н. Бор дал так называемую "копенгагенскую" интерпретацию сути квантовой теории: "Раньше было принято считать, что физика описывает Вселенную. Теперь мы знаем, что физика описывает лишь то, что мы можем сказать о Вселенной". 
Позицию Н. Бора разделяли В. Гейзенберг, М. Борн, В. Паули и ряд других менее известных физиков. Сторонники копенгагенской интерпретации квантовой механики не признавали причинность или детерминизм в микромире и считали, что в основе физической реальности лежит фундаментальная неопределенность - индетерминизм. 
Представителям копенгагенской школы резко возражали Г.А. Лоренц, М. Планк, М. Лауэ, А. Эйнштейн, П. Ланжевен и др. А. Эйнштейн писал по этому поводу М. Борну: "В наших научных взглядах мы развились в антиподы. Ты веришь в играющего в кости Бога, а я - в полную закономерность объективно сущего... В чем я твердо убежден, так это в том, что в конце концов остановятся на теории, в которой закономерно связанными будут не вероятности, но факты". Он выступал против принципа неопределенности, за детерминизм, против той роли, которую в квантовой механике отводят акту наблюдения. Дальнейшее развитие физики показало правоту Эйнштейна, который считал, что квантовая теория в существующем виде просто является незаконченной: то, что физики пока не могут избавиться от неопределенности, свидетельствует не об ограниченности научного метода, как утверждал Н. Бор, а лишь о незавершенности квантовой механики. Эйнштейн приводил все новые и новые аргументы в подтверждение своей точки зрения. 
Наиболее известен так называемый парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена, или ЭПР-парадокс, при помощи которого они хотели доказать незавершенность квантовой механики. Парадокс представляет собой мысленный эксперимент: что случится, если состоящая из двух протонов частица распадется так, что протоны разлетятся в противоположные стороны? Из-за общности происхождения их свойства связаны или, как говорят физики, коррелируют друг с другом. По закону сохранения импульса, если один протон полетит вверх, то второй - обязательно вниз. Измерив импульс одного протона, мы обязательно узнаем и импульс другого, даже если он улетел на другой конец Вселенной. Между частицами существует нелокальная связь, которую Эйнштейн назвал "действием призраков на расстоянии", при котором каждая частица в каждый любой момент времени знает, где находится другая и что с ней происходит. 
ЭПР-парадокс несовместим с неопределенностью, постулируемой в квантовой механике. Эйнштейн считал, что есть какие-то скрытые параметры, которые не учтены. Вопросы: существует ли детерминизм и причинность в области микромира; полна ли квантовая механика; существуют ли скрытые параметры, которые она не учитывает, были предметом дискуссий физиков более полувека и нашли свое разрешение на теоретическом уровне только в конце XX в. 
В 1964 г. Дж. С. Бела обосновал положение, согласно которому квантовая механика предсказывает более сильную корреляцию между взаимно связанными частицами, чем та, о которой говорил Эйнштейн. 
Теорема Белла утверждает: если некоторая объективная Вселенная существует и если уравнения квантовой механики структурно подобны этой Вселенной, то между двумя частицами, когда-либо входившими в контакт, существует некоторый вид нелокальной связи1. Суть теоремы Белла заключается в том, что не существует изолированных систем: каждая частица Вселенной находится в "мгновенной" связи со всеми остальными частицами. Вся система, даже если ее части разделены огромными расстояниями и между ними отсутствуют сигналы, поля, механические силы, энергия и т.д., функционирует как единая система. 
В середине 80-х годов А. Аспект (Парижский университет) проверил эту связь экспериментально, изучая поляризацию пар фотонов, испускаемых одним источником в направлении изолированных детекторов. При сравнении результатов двух серий измерений между ними обнаружилась согласованность. С точки зрения известного физика Д. Бома, эксперименты А. Аспекта подтвердили теорему Белла и поддержали позиции нелокальных скрытых переменных, существование которых предположил А. Эйнштейн. В трактовке квантовой механики Д. Бомом нет неопределенности координат частицы и ее импульса. 
Учеными было высказано предположение, что связь осуществляется через передачу информации, носителями которой выступают особые поля. 
Рассмотрим подробнее современные проблемы квантовой механики.

 

Квантовая механика, ее интерпретация

 

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.  

Для классической механики характерно описание частиц путем задания  их положения в пространстве (координат) и скоростей и зависимости  этих величин от времени. Опыт показал, что такое описание частиц не всегда справедливо, в частности, оно не применимо для описания микрочастиц.  

Квантовая механика делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной  теории относительности.  

Нерелятивисткая 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.  

Соотношение между  классической и квантовой механикой  определяется существованием универсальной  мировой постоянной - постоянной Планка, которая называется также квантом  действия и имеет размерность  действия. Если в условиях данной задачи физические величины размерности действия значительно больше постоянной Планка, то применима классическая механика. Формально это условие и является критерием применимости классической механики.  

Общая теория относительности - неквантовая 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.  

Впервые квантовые  представления были введены в 1900 году немецким физиком Планком в  работе, посвященной теории теплового  излучения. Существовавшая в то время  теория теплового излучения, построенная  на основе классической электродинамики  и статистической физики, приводила  в противоречию. Чтобы его разрешить, Планк предположил, что свет испускается  не непрерывно (как это следовало  из классической теории излучения), а  определенными дискретными порциями энергии - квантами.

Эйнштейн в 1905 году построил теорию фотоэффекта, развивая квантовые представления Планка. Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и  распространяется квантами, т.е.что  дискретность присуща не только процессам  испускания и поглощения света, но и  самому свету, что свет состоит из отдельных порций - световых квантов.

Квант света, а более  широко - электромагнитного излучения, называется фотоном. Этот термин ввел американский физико-химик Льюис  в 1929 году.  

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.  

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.  

В 1927 году в эксперименте наблюдалась дифракция электронов, а позднее- дифракция и других частиц, тем самым справедливость гипотезы де Бройля была подтверждена экспериментально.  

В 1926 году австийский физик Шредингер предложил уравнение, описывающих поведение волн, соответствующих  каждой частице (волн де Бройля), во внешних  силовых полях. Это волновое уравнение, которое получило название уравнение  Шредингера, является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики, волновой механики.  

В 1928 году Дираком  было сформулировано релятивистское уравнение,описывающее  движение электрона во внешнем силовом  поле. Уравнение Дирака стало одним  из основных уравнений релятивистской квантовой механики.  

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 воросов 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.  

Немецкий физик  В.Гейзенберг в 1925 году построил формальную схему, в которой вместо координат  и скоростей электрона фигурировали некоторые абстрактные 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.  

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.  

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.