Физика для поступающих в вузы - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
530
ЗАКОНЫ МИКРОМИРА
протяженная волна, а в других — при попадании на зерно фотослоя — как строго локализованная частица. На основании представлений классической физики такого различия в поведении электрона в разных условиях объяснить не удалось.
Появились и другие, гораздо менее экзотические на первый взгляд эксперименты, которые тем не менее не допускали объяснения в рамках классической физики. Например, опыты по столкновению атомов водорода с другими частицами показали, что в основном состоянии (а также в некоторых других) атом водорода обладает сферической симметрией—его свойства не зависят от направления. Атом водорода состоит, как известно, из тяжелэго ядра — протона и одного электрона. Попробуйте представить себе какую-нибудь конфигурацию из одного положительного и одного отрицательного зарядов, обладающую сферической симметрией!
Все эти явления были правильно объяснены только квантовой механикой. История создания квантовой механики делится на два периода. Первый период — с начала XX столетия и до конца его первой четверти — это период создания так называемой «старой квантовой теории», в основе которой лежат гипотеза Планка о дискретном характере излучения нагретых тел, уравнение Эйнштейна для фотоэффекта и теория атома Бора. Старая квантовая теория не представляла собой стройной, логически замкнутой науки. Удачно описав некоторые экспериментальные факты, она проявила полную неспособность правильно объяснить и количественно описать все многообразие удивительных явлений микромира.
К концу первой четверти XX века стало ясно, что необходима теория, которая с самого начала выяснила бы, почему непригодна классическая физика при анализе явлений атомного масштаба. Какие же черты классического способа описания физических явлений делают его неприменимым к микрообъектам и где проходит граница применимости представлений классической физики?
Классическое описание физического процесса или явления характеризуется рядом абстракций. Прежде всего, это абсолютизация понятия физического процесса, заключающаяся в предположении о независимости явлений от условий их наблюдения. Единственное обстоятельство,
§2. СООТНОШЕНИЯ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ 631
связанное с условиями наблюдения, которое учитывалось в классической физике, есть выбор системы отсчета: по отношению к двум произвольно движущимся друг относительно‘друга системам отсчета одно и то же явление будет иметь различный вид. Физический процесс в инерциальной системе отсчета рассматривался как нечто, происходящее независимо от наблюдения за этим процессом, а не как явление, конкретно познаваемое при помощи определенных средств исследования. Позднейшее развитие физики показало, что абсолютизация физических процессов не является логически необходимой, а представляет собой допущение, которое прекрасно оправдывалось при изучении макроскопических явлений, но которое оказалось совершенно непригодным в микромире.
Действительно, классическая физика имела дело с телами крупного масштаба, по отношению к которым воздействие, связанное с измерением, играло совершенно ничтожную роль. В тех случаях, когда оно было заметным, его можно было учесть и внести соответствующие поправки. Принципиальная возможность этого никогда не вызывала сомнений.
Вторая абстракция, допускавшаяся в классической физике, была тесно связана с первой и заключалась в том, что при изучении физических явлений считалась возможной сколь угодно подробная детализация описания этих явлений. Другими словами, считалось, что можно неограниченно уточнять наблюдение и наблюдать разные стороны одного и того же физического процесса, не нарушая самого явления.
С этими двумя абстракциями, используемыми в классической физике, с предположением об абсолютном характере физических процессов (в смысле их независимости от условий наблюдения) и о возможности сколь угодно детального их описания (в пределе — исчерпывающе точного и всестороннего), связано понятие о лапласовском механическом детерминизме, согласно которому можно определить состояние исследуемой системы в любой момент времени, коль скоро известно ее начальное состояние.
Вопрос о применимости классического способа описания — это вопрос о возможности использования перечисленных абстракций при анализе конкретного явления. Если в каком-то конкретном случае установлено, что эти
532
ЗАКОНЫ МИКРОМИРА
абстракции неприменимы, то классическое описание невозможно, и, следовательно, бессмысленны классические представления о свойствах изучаемого объекта, например о его движении по определенной траектории.
Пределы применимости представлений классической физики, т. е. классического способа описания явлений микромира, устанавливаются так называемыми соотношениями неопределенностей Гейзенберга. Рассматривая различные способы измерения положения и импульса частицы, Гейзенберг пришел к выводу, что условия, благоприятные для точного измерения положения частицы, неблагоприятны для точного измерения ее импульса и, наоборот, условия, благоприятные для измерения импульса, неблагоприятны для измерения положения частицы. Одно из соотношений Гейзенберга связывает между собой неопределенности в значениях координаты частицы х и соответствующей компоненты импульса рх в один и тот же момент времени:
