Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
обнаруживаются при наблюдениях. Один из выдающихся физиков заметил, что
будущие истины в физических науках надо искать в шестом знаке после
запятой."
Это описание каталога было почти полностью написано Альбертом
Майкельсоном, который в то время возглавлял физический факультет и
произнес очень похожие слова в обращении к Совету Университета в 1894 г.
Выдающийся физик, которого процитировал Майкельсон, хорошо известен под
именем лорда Кельвина. Это выступление 1894 г. оказалось очень тесно
связанным с возникшими противоречиями, и очень скоро после этого
выступления были открыты рентгеновские лучи, радиоактивность, электрон,
специальная теория относительности, начала квантовой механики - все это
вместилось в десятилетие, расположившееся в конце столетия. В частности,
это сделал и сам Майкельсон в совместной работе с Е.В.Морли в 1881 году,
в которой они выполнили важный эксперимент, позднее признанный
краеугольным камнем специальной теории относительности. Как Майкельсон,
так и Кельвин получили Нобелевскую премию в первые годы двадцатого
столетия.
Короче, не все основополагающие физические принципы были твердо
установлены в конце девятнадцатого столетия. Но данная предостерегающая
история ни в коем случае не является насмешкой. Эти выдающиеся ученые - а
были и другие, которые высказывались в том же духе, - смотрели назад, на
столетие небывалых достижений, на эпоху, которая вывела за последние годы
прошлого столетия естественные науки на очень высокий уровень развития.
Был продемонстрирован волновой характер света; были открыты и объединены
в общие рамки законы
10
Глава 1
электричества и магнетизма; было показано, что свет представляет из себя
колебание электрических и магнитных полей; с течением времени все больше
утверждалась атомная гипотеза; были успешно сформулированы и - для
атомистов - доказаны на основе молекулярного движения законы
термодинамики и т. д. Хотя казалось, что законы гравитации и
электромагнетизма хорошо изучены, но для надежности оставалось проверить
лишь то, какие еще типы сил могут вступать в игру на атомном уровне.
Собственно это и было сделано, и не только в шестом знаке после запятой.
Однако ньютоновская картина мира продолжала казаться неизменной. В этой
классической картине физического мира время и пространство являлись
абсолютными; при этом каждая материальная частица в каждый момент времени
находилась в некотором определенном месте, двигаясь с некоторой
определенной скоростью вдоль некоторого определенного пути, и все это
определялось существенными силами, законы которых восходили к Ньютону.
Этот классический взгляд продолжает очень хорошо описывать физический мир
при условиях, когда скорости малы по сравнению со скоростью света, а
существенные размеры значительно больше размеров атомов. Но наше глубокое
понимание природы пространства-времени было сильно трансформировано
относительностью, так же как понимание объективной реальности - квантовой
механикой. Оба этих направления противоречат нашему повседневному опыту,
нашему общему восприятию мира. Это исключительно справедливо для
квантовой механики, которая является центральной темой данной книги.
Обзор
Перед тем как мы отправимся в наше путешествие, было бы хорошо сделать
набросок тех разительных контрастов, которые будут возникать между
классическим и квантовым режимами. В основном мы будем рассматривать
систему точечных частиц, движущихся под влиянием меж-частичных и,
возможно, внешних силовых полей, характеризующихся функцией потенциальной
энергии.
Квантование
Классическая частица может находиться где угодно и может иметь при этом
любой импульс (импульс = масса х скорость). Соответственно, ее угловой
момент - величина, определенная через координату и импульс - может также
иметь любое значение. Точно также энергия частиц, кинетическая плюс
потенциальная, может иметь любое значение, не меньшее некоторого
минимума, определяемого потенциалом. Однако с точки зрения квантовой
механики, угловой момент может принимать
Обзор
11
только определенные дискретные значения. Он квантован. Также квантуется
иногда и энергия, в зависимости от вида силового поля. Эта необъяснимая,
с точки зрения классики, дискретизация и обеспечивает прилагательное
"квантовая" по отношению к квантовой механике.
Вероятность
Значительно более резкий и более глубокий контраст по сравнению с
классической механикой возникает из-за вероятностного характера квантовой
механики. Состояние классической системы частиц полностью определяется в
каждый момент значениями координат и импульсов всех частиц. Поэтому набор
данных по координатам и импульсам всех частиц в любой момент времени
образуют то, что мы можем назвать состоянием системы в данный момент. Они
дают все, что можно знать о динамике системы. Все другие переменные,
которые нас интересуют, такие, как энергия, угловой момент и подобные им,
определяются через координаты и импульсы. Классическая механика является
