Физика для углубленного изучения 3. Строение и свойства вещества - Бутиков Е.И.
Скачать (прямая ссылка):
К концу первой четверти XX века стало ясно, что необходима теория, которая с самого начала выяснила бы, почему классическая физика непригодна 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?
Абстракции, лежащие в основе 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, связанное с условиями наблюдения, которое учитывалось в классической физике, — это выбор системы отсчета: по отношению к двум произвольно движущимся относительно друг 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. Например, освещение футбольного поля даже самым ярким светом прожекторов и телевизионная съемка матча никак не сказываются на полете футбольного мяча. В тех случаях, когда влияние измерения было заметным (ведь давление света прожекторов в принципе несколько изменяет траекторию мяча), 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 считалось 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. Например, увеличивая частоту кадров телевизионной съемки, можно неограниченно увеличивать точность определения положения и скорости футбольного мяча.
56
II. ЗАКОНЫ МИКРОМИРА. ЧАСТИЦЫ И ВОЛНЫ
О классическом детерминизме. 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 лапласовом 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 абстракции неприменимы, то классическое описание невозможно, и, следовательно, теряют смысл классические представления о свойствах изучаемого объекта, например о его движении по определенной траектории.
Соотношения неопределенностей Гейзенберга. Пределы применимости представлений классической физики, т. е. классического способа описания явлений микромира, устанавливаются так называемыми соотношениями неопределенностей Гейзенберга. Рассматривая различные способы измерения положения 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:
Величины Ах и Арх неправильно было бы понимать только как неточности одновременного измерения величин х и рх, поскольку самый термин «неточность» как бы предполагает, что существуют и «точные» значения х и рх, но только они почему-то не могут быть измерены. На самом деле по современным представлениям невозможность точного измерения есть следствие того, что частица по своей природе не имеет одновременно точного значения координаты и соответствующей проекции импульса. Эта невозможность есть проявление двойственной корпускулярно-волновой природы материальных микрообъектов. Аналогичные соотношения справедливы и для других координат и компонент импульса:
(1)
(2)
AzApz > h.
(3)
§ 7. ГРАНИЦЫ ПРИМЕНИМОСТИ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ
57
Кроме соотношений (1)—(3) справедливо соотношение, связывающее неопределенность в изменении энергии частицы и неопределенность в моменте времени, когда это изменение произошло:
