Физика для поступающих в вузы - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
§ 4. Законы движения в квантовой физике.
Принцип соответствия
Итак, мы видели, что многие явления в микромире не описываются классической физикой и, пользуясь соотношениями неопределенностей Гейзенберга, можно установить границы применимости классического способа описания при рассмотрении тех или иных конкретных явлений. В тех случаях, когда классическое описание оказывается непригодным, необходим более совершенный способ Описания физических явлений, который должен учитывать возможность проявления изучаемыми объектами как корпускулярных, так и волновых свойств.
Современная квантовая теория ведет свое начало с 1926 года, когда Шрёдингером было предложено уравнение, носящее ныне его имя и лежащее в основе квантовой механики. Разумеется, изложение квантовой механики выходит за рамки этой книги, но мы можем обсудить разобранные выше ‘ экспериментальные факты и четко сформулировать, какой должна быть квантовая теория, способная последовательно объяснить все своеобразие явлений микромира.
Обсуждая причины неприменимости представлений классической физики в микромире, мы видели, что эта неприме-
546
ЗАКОНЫ МИКРОМИРА
нимость обусловлена рядом абстракций, допускавшихся в классической физике. В классической физике молчаливо предполагалась независимость физических процессов от способов наблюдения и возможность наблюдать одновременно все стороны данного процесса. В области квантовых явлений это не так. Вспомните, например, опыт с дифракцией фотонов на двух щелях: определяя, через какое отверстие проходит каждый фотон, мы этим измерением принципиально изменяли протекание физического рро-цесса, так что дифракционная картина на экране оказывалась полностью размытой.
Анализируя этот опыт, мы приходим к выводу, что основой нового способа описания явлений должен быть явный учет реальных возможностей измерений, проводимых над микрообъектами. Необходимым посредником при. изучении таких объектов являются приборы: атомный объект может проявить свои свойства, .только провзаимодействовав с прибором. Например, путь микрочастицы становится видимым в результате конденсации паров в камере Вильсона или в результате почернения зерен фотоэмульсии, и т. п. При этом приборы и условия опыта должны описываться классически, путем задания значений параметров, характеризующих приборы. Параметры этих приборов могут, разумеется, задаваться лишь с точностью, допускаемой соотношениями неопределенностей.
В основу нового способа описания поведения микрообъекта следует положить результаты взаимодействия этого объекта с классически описываемым прибором. Свойства атомного объекта выводятся из рассмотрения результатов таких взаимодействий. Это не исключает возможности введения таких величин, которые характеризуют сам микрообъект независимо от прибора (заряд, масса частицы и т. д.), но в то же время позволяет изучать поведение объекта с той его стороны (например, корпускулярной или волновой), проявление которой обусловлено устройством прибора. Таким образом, появляется возможность рассматривать и тот случай, когда разные стороны и разные свойства объекта не проявляются одновременно. По Бору, свойства, проявляющиеся при взаимно исключающих условиях (вспомните обсуждение корпускулярно-волнового дуализма), дополняют друг друга в том смысле, что только их совокупность характеризует объект полностью. Рас-
§4. ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ В КВАНТОВОЙ ФИЗИКЕ 647
сматривать одновременное проявление дополнительных евойств не имеет смысла. Таким образом, в новом подходе и не возникает внутреннего противоречия в понятии «корпускулярно-волновой дуализм».
Итак, в основе описания — результаты взаимодействия микрообъекта с прибором. Но опыт показывает, что при данных внешних условиях результат взаимодействия объекта с прибором не является однозначно определенным, а обладает лишь некоторой вероятностью. Вспомните тот же дифракционный опыт: каждый фотон попадал в определенное место экрана, но предсказать точно, в какое именно, было невозможно; существовала лишь определенная вероятность попадания фотона в то или иное место. Таким образом, в описание микрообъекта, его состояния и поведения вводится новый элемент — понятие вероятности, а тем самым и понятие потенциальной возможности.
Понятие вероятности рассматривалось и в классической физике при изучении свойств систем, состоящих из большого числа частиц. Вероятности вводились тогда, когда условия опыта не были полностью известны и по неизвестным параметрам приходилось проводить усреднение. Например, при рассмотрении броуновского движения нам неизвестны координаты и скорости всех молекул, сталкивающихся с броуновской частицей. Поэтому мы могли предсказать только вероятность попадания частицы в то или иное место. В классической физике вероятности отражали неполноту формулировки задачи, которая, быть может, практически и неизбежна, нов принципе устранима. В примере с броуновской частицей нам практически неоткуда взять значения координат и скоростей всех молекул, но классическая физика в принципе допускает возможность измерить все эти величины, не нарушая течения изучаемого процесса, и однозначно предсказать движение броуновской частицы.