АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Филологический факультет
Кафедра теории и истории журналистики
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
Реферат
студента 4 курса
группы ЖР-42
дневного отделения специальности «Журналистика»
Каргаполова Влада Викторовича
Астрахань
2011
Содержание
Введение……………………………………………………………………3
Часть 1. История зарождения и предмет квантовой механики.
Истоки КМ…………………………………………………………………5
Предмет КМ………………………………………………………………..9
Часть 2. Основные моменты и ключевые теории
Квантовые порции………………………………………………............10
Принцип Гейзенберга…………………………………………………...11
Роль наблюдателя в природе…………………………………………..14
Корпускулярно-волновой дуализм……………………………………16
Кот Шредингера………………………………………………................17
Интерпретация КМ……………………………………………………..18
Заключение………………………………………………………………21
Список литературы……………………………………………………..22
ВВЕДЕНИЕ
Появление квантовой механики – закономерное явление для научного прогресса начала XXвека. В истории развития физики было немало революций, кардинально изменявших научную парадигму и взгляды ученых на методы познания и устройство мира. Однако то, что произошло с естествознанием в первой четверти XX века, не было очередной сменой основных законов. Если раньше все в окружающем нас мире было предсказуемо, то с появлением квантовой механики он стал случайным. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение ядер атомных, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Квантовая механика позволила, например, объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоёмкости газов и твёрдых тел, определить строение и понять многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников). Только на основе квантовой механики удалось последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звёзды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звёздах. Квантовая механика — фундаментальная физическая теория, что в описании микроскопических объектов расширяет, уточняет и объединяет результаты классической механики и классической электродинамики. Эта теория является базой для многих направлений физики и химии, включая физику твердого тела, квантовую химию и физику элементарных частиц. Термин «квантовая» (от лат. Quantum — «сколько») связан с дискретными порциями, которые теория присваивает определенным физическим величинам, например, энергии атома.
Уже на протяжении века существования квантовой механики ее предсказания никогда не были оспорены экспериментом. Квантовая механика объясняет крайней мере три типа явлений, которые классическая механика и классическая электродинамика не может описать:
1) квантования некоторых физических величин;
2) корпускулярно-волнового дуализма;
3) существование смешанных квантовых состояний.
В данной работе будут рассмотрены лишь самые общие аспекты и проблемы современной квантовой механики.
Часть 1. История зарождения и предмет квантовой механики.
Истоки КМ
Физика переживала свой рассвет в XIXвеке. Были раскрыты тайны механики, свершились новые открытия в области астрономии и молекулярной физики. Это радостное состояние называлось классическая физика. Временами ученым даже казалось, что так будет вечно и открыто уже всё. Именно с этого момента начинается путь квантовой физики. Казалось, зная столько всего об энергии и молекулах будет легко объяснить, почему вещество, нагретое до 1000 градусов светится красным, а до 9000 — светло-голубым. Однако все оказалось не так просто. На этом вопросе застопорилось немало физиков XIX века. Таким образом, был обнаружен парадокс при расчете общей энергии электромагнитного излучения в замкнутой полости (абсолютно черное тело) и пошатнулись основы привычной классическая физика. Расчеты физиков того времени показали, что общая энергия излучения любого абсолютно черного тела должна быть бесконечно большой, что тут же им намекнуло, что не все так просто. Формулу пытались вывести, угадать или подобрать (Релей-Джинс, Вин) но результаты не радовали — формулы хоть немного, но врали.
Первым к верным выводам пришел Планк. В 1900 году он подогнал условия задачи под ответ и как бы предположил, что энергия электромагнитной волны может излучаться/поглощаться только целыми порциями, правда объяснить каким образом и почему это происходит он не смог.
В самом деле, полость черного тела замкнута, поэтому в стационарном состоянии там могут существовать лишь стационарные стоячие электромагнитные волны. Чтобы так получилось, они своими узлами должны лежать на границах черного тела, а следовательно, состоять из целого числа полуволн. Смущал тот факт, что энергия основной полуволны не могла быть любой, а должна была быть кратной, по предположению Планка, некоей малой величине, а минимальная энергия, которую может нести волна, пропорциональна её частоте.
Формула Планка работала с потрясающей точностью, и за это открытие он получил Нобелевскую премию в 1918 г.
Квантовая гипотеза Планка состояла в том, что для элементарных частиц, любая энергия поглощается или испускается только дискретными порциями. Эти порции состоят из целого числа квантов с энергией />таких, что эта энергия пропорциональна частоте ν с коэффициентом пропорциональности, определённым по формуле:
/>
где h — постоянная Планка, и />.
В 1905 году, для объяснения явлений фотоэффекта, Альберт Эйнштейн, использовав квантовую гипотезу Планка, предположил, что свет состоит из квантов. Впоследствии, «кванты» получили название фотонов.
Для объяснения структуры атома, Нильс Бор предложил в 1913 году существование стационарных состояний электрона, в которых энергия может принимать лишь дискретные значения. Этот подход, развитый Арнольдом Зоммерфельдом и другими физиками, часто называют старой квантовой теорией (1900—1924 г.). Отличительной чертой старой квантовой теории является сочетание классической теории с противоречащими ей дополнительными предположениями.
Изучая фотоэффект, Эйнштейн решил распространить планковскую дискретную модель энергии волны на свет. Он предположил, что свет представляет собой поток микроскопических частиц (фотонов), причем энергия каждого фотона пропорциональна частоте света. В итоге Эйнштейн показал, что гипотеза Планка о дискретности энергии отражает фундаментальное свойство электромагнитных волн: они состоят из частиц — фотонов, которые представляют собой маленькие порции или кванты света. За это он удостоился Нобелевской премии в 1921 году.
В 1923 году Луи де Бройль выдвинул идею двойственной природы вещества, опиравшуюся на предположение о том, что поток материальных частиц обладает и волновыми свойствами, неразрывно связанными с массой и энергией. Движение частицы Л. де Бройль сопоставил с распространением волны, что в 1927 году получило экспериментальное подтверждение при исследовании дифракции электронов в кристаллах. В общих чертах его предположение можно описать так:
· пока свет летит в пространстве, он ведет себя как волна — подвергается интерференции, дифракции, имеет поляризацию и т.д.
· а вот когда свет (и любое ЭМ излучение) взаимодействует с веществом, излучается или поглощается — его приходится считать потоком частиц и квантовые эффекты показывают свой звериный оскал.
Высказанные в 1924 году идеи корпускулярно-волнового дуализма были в 1926 году подхвачены Э. Шрёдингером, развернувшим на их основе свою волновую механику.
В 1925—1926 годах были заложены основы последовательной квантовой теории в виде квантовой механики, содержащей новые фундаментальные законы кинематики и динамики. Первая формулировка квантовой механики содержится в статье Вернера Гейзенберга, датированной 29 июля 1925 года. Эту дату можно считать днем рождения нерелятивистской квантовой механики.
Развитие и формирование основ квантовой механики продолжается до сих пор. Оно связано, например, с исследованиями открытых и диссипативных квантовых систем, квантовой информатикой, квантовым хаосом и пр. Помимо квантовой механики, важнейшей частью квантовой теории является квантовая теория поля.
В 1927 году К. Дэвиссон и Л. Джермер в исследовательском центре Bell Labs демонстрируют дифракцию медленных электронов на никелевых кристаллах (независимо от Дж. Томсона). При оценке угловой зависимости интенсивности отраженного электронного луча, было показано её соответствие предсказанной на основании закона Вульфа — Брэггов для волн с длиной Де Бройля (см. Волны де Бройля). До принятия гипотезы де Бройля, дифракция расценивалась как исключительно волновое явление, а любой дифракционный эффект — как волновой. Когда длина волны де Бройля была сопоставлена с условиями Брэггов, была предсказана возможность наблюдения подобной дифракционной картины для частиц. Таким образом экспериментально была подтверждена гипотеза де Бройля для электрона.
«Подтверждение гипотезы де Бройля стало поворотным моментом в развитии квантовой механики. Подобно тому, как эффект Комптона показывает корпускулярную природу света, эксперимент Дэвиссона — Джермера подтвердил неразрывное «сосуществование» с частицей её волны, иными словами — присущность корпускулярной материи также и волновой природы. Это послужило оформлению идей корпускулярно-волнового дуализма. Подтверждение этой идеи для физики стало важным этапом, поскольку дало возможность не только характеризовать любую частицу, присваивая ей определённую индивидуальную длину волны, но также при описании явлений, полноправно использовать её в виде определённой величины в волновых уравнениях.»[1]
ПРЕДМЕТ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
Квантовая механика — теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов), а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в макроскопических опытах.
Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение ядер атомных, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Квантовая механика позволила, например, объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоёмкости газов и твёрдых тел, определить строение и понять многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников). Только на основе квантовой механики удалось последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звёзды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звёздах. Существуют также явления, в которых законы квантовой механики непосредственно проявляются в поведении макроскопических объектов.
Ряд крупнейших технических достижений 20 в. основан по существу на специфических законах квантовой механики. Так, квантово-механические законы лежат в основе работы ядерных реакторов, обусловливают возможность осуществления в земных условиях термоядерных реакций, проявляются в ряде явлений в металлах и полупроводниках, используемых в новейшей технике, и т.д. Фундамент такой бурно развивающейся области физики, как квантовая электроника, составляет квантово-механическая теория излучения. Законы квантовой механики используются при целенаправленном поиске и создании новых материалов (особенно магнитных, полупроводниковых и сверхпроводящих). Таким образом, квантовая механика становится в значительной мере «инженерной» наукой, знание которой необходимо не только физикам-исследователям, но и инженерам.
Часть 2. Основные моменты и ключевые теории
КВАНТОВЫЕ ПОРЦИИ
Одной из первых проблем, для решения которой понадобилось введение кванта энергии, было рассмотрение сосуществования частиц и полей и построение теории теплового излучения. Это излучение можно почувствовать не только под ярким летним солнцем, но и поднеся руку к обычной лампочке или горячему утюгу. Однако попытки объяснить такие обыденные явления в рамках классической теории оказались несостоятельными.
В 1900 году Джон Рэлей и Джеймс Джинс, используя классическую теорию, рассмотрели нагретое тело, в котором электромагнитное поле (волны) находилось в тепловом равновесии с частицами. Оказалось, что в этом случае поле забирает у частиц всю их энергию. Тем самым классическая теория приводила к бессмысленному результату: нагретое тело, непрерывно теряя энергию из-за излучения волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Этот физически абсурдный результат получил название «ультрафиолетовой катастрофы». В действительности ничего подобного, естественно, не происходит. Наблюдения показали, что на высоких частотах энергия излучения не возрастает бесконечно, а убывает до нуля. Максимальное излучение при фиксированной температуре приходится на определенную частоту или цвет. Примерами этого могут служить красный цвет раскаленной кочерги (температура около 1 000 К) или желто-белый цвет Солнца (около 6 000 К).
Частный, казалось бы, вопрос об излучении электромагнитных волн нагретыми телами приобрел принципиальное значение. Классическая теория приводила к результатам, резко противоречащим опыту. В 1900 году, чтобы добиться согласования теории с опытом, Максу Планку пришлось отступить от классического подхода лишь в одном пункте. Он использовал гипотезу, согласно которой излучение электромагнитного поля может происходить только отдельными порциями — квантами. Принятая Планком гипотеза противоречила классической физике, однако построенная им теория теплового излучения превосходно согласовывалась с экспериментом.
ПРИНЦИП ГЕЙЗЕНБЕРГА
Принцип Гейзенберга вообще играет в квантовой механике ключевую роль хотя бы потому, что достаточно наглядно объясняет, как и почему микромир отличается от знакомого нам материального мира. Чтобы понять этот принцип, задумайтесь для начала о том, что значит «измерить» какую бы то ни было величину. Чтобы отыскать, например, эту книгу, вы, войдя в комнату, окидываете ее взглядом, пока он не остановится на ней. На языке физики это означает, что вы провели визуальное измерение (нашли взглядом книгу) и получили результат — зафиксировали ее пространственные координаты (определили местоположение книги в комнате). На самом деле процесс измерения происходит гораздо сложнее: источник света (Солнце или лампа, например) испускает лучи, которые, пройдя некий путь в пространстве, взаимодействуют с книгой, отражаются от ее поверхности, после чего часть из них доходит до ваших глаз, проходя через хрусталик, фокусируется, попадает на сетчатку — и вы видите образ книги и определяете ее положение в пространстве. Ключ к измерению здесь — взаимодействие между светом и книгой. Так и при любом измерении, представьте себе, инструмент измерения (в данном случае, это свет) вступает во взаимодействие с объектом измерения (в данном случае, это книга).
В классической физике, построенной на ньютоновских принципах и применимой к объектам нашего обычного мира, мы привыкли игнорировать тот факт, что инструмент измерения, вступая во взаимодействие с объектом измерения, воздействует на него и изменяет его свойства, включая, собственно, измеряемые величины. Включая свет в комнате, чтобы найти книгу, вы даже не задумываетесь о том, что под воздействием возникшего давления световых лучей книга может сдвинуться со своего места, и вы узнаете ее искаженные под влиянием включенного вами света пространственные координаты. Интуиция подсказывает нам (и, в данном случае, совершенно правильно), что акт измерения не влияет на измеряемые свойства объекта измерения. А теперь задумайтесь о процессах, происходящих на субатомном уровне. Допустим, мне нужно зафиксировать пространственное местонахождение электрона. Мне по-прежнему нужен измерительный инструмент, который вступит во взаимодействие с электроном и возвратит моим детекторам сигнал с информацией о его местопребывании. И тут же возникает сложность: иных инструментов взаимодействия с электроном для определения его положения в пространстве, кроме других элементарных частиц, у меня нет. И, если предположение о том, что свет, вступая во взаимодействие с книгой, на ее пространственных координатах не сказывается, относительно взаимодействия измеряемого электрона с другим электроном или фотонами такого сказать нельзя.
В начале 1920-х годов, когда произошел бурный всплеск творческой мысли, приведший к созданию квантовой механики, эту проблему первым осознал молодой немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг. Начав со сложных математических формул, описывающих мир на субатомном уровне, он постепенно пришел к удивительной по простоте формуле, дающий общее описание эффекта воздействия инструментов измерения на измеряемые объекты микромира, о котором мы только что говорили. В результате им был сформулирован принцип неопределенности, названный теперь его именем:
«Термин «неопределенность пространственной координаты» как раз и означает, что мы не знаем точного местоположения частицы. Например, если вы используете глобальную систему рекогносцировки GPS, чтобы определить местоположение этой книги, система вычислит их с точностью до 2-3 метров. (GPS, Global Positioning System — навигационная система, в которой задействованы 24 искусственных спутника Земли. Если у вас, например, на автомобиле установлен приемник GPS, то, принимая сигналы от этих спутников и сопоставляя время их задержки, система определяет ваши географические координаты на Земле с точностью до угловой секунды.) Однако, с точки зрения измерения, проведенного инструментом GPS, книга может с некоторой вероятностью находиться где угодно в пределах указанных системой нескольких квадратных метров. В таком случае мы и говорим о неопределенности пространственных координат объекта (в данном примере, книги). Ситуацию можно улучшить, если взять вместо GPS рулетку — в этом случае мы сможем утверждать, что книга находится, например, в 4 м 11 см от одной стены и в 1м 44 см от другой. Но и здесь мы ограничены в точности измерения минимальным делением шкалы рулетки (пусть это будет даже миллиметр) и погрешностями измерения и самого прибора, — и в самом лучшем случае нам удастся определить пространственное положение объекта с точностью до минимального деления шкалы. Чем более точный прибор мы будем использовать, тем точнее будут полученные нами результаты, тем ниже будет погрешность измерения и тем меньше будет неопределенность».[2]
И тут мы подходим к самому принципиальному отличию микромира от нашего повседневного физического мира. В обычном мире, измеряя положение и скорость тела в пространстве, мы на него практически не воздействуем. Таким образом, в идеале мы можем одновременно измерить и скорость, и координаты объекта абсолютно точно (иными словами, с нулевой неопределенностью).
Иногда вам могут встретиться утверждения, будто принцип неопределенности подразумевает, что у квантовых частиц отсутствуют определенные пространственные координаты и скорости, или что эти величины абсолютно непознаваемы. Не верьте: как мы только что видели, принцип неопределенности не мешает нам с любой желаемой точностью измерить каждую из этих величин. Он утверждает лишь, что мы не в состоянии достоверно узнать и то, и другое одновременно. И, как и во многом другом, мы вынуждены идти на компромисс. Опять же, писатели-антропософы из числа сторонников концепции «Новой эры» иногда утверждают, что, якобы, поскольку измерения подразумевают присутствие разумного наблюдателя, то, значит, на некоем фундаментальном уровне человеческое сознание связано с Вселенским разумом, и именно эта связь обусловливает принцип неопределенности. Повторим по этому поводу еще раз: ключевым в соотношении Гейзенберга является взаимодействие между частицей-объектом измерения и инструментом измерения, влияющим на его результаты. А тот факт, что при этом присутствует разумный наблюдатель в лице ученого, отношения к делу не имеет; инструмент измерения в любом случае влияет на его результаты, присутствует при этом разумное существо или нет.
ВЕРОЯТНОСТНЫЙ ХАРАКТЕР ПРЕДСКАЗАНИЙ И РОЛЬ НАБЛЮДАТЕЛЯ В ПРИРОДЕ
«По-вашему, мышь может переделать мир, просто посмотрев на него?»
(Эйнштейн о роли наблюдателя во Вселенной — «Мышь Эйнштейна»).
«Главная проблема квантовой механики – это вопрос о том, что происходит в момент “реализации” волновой функции. Почему плоская волна электрона “реализуется” в одной точке фотопластины? Является ли наша неспособность “вычислить”, какая именно из имеющихся возможностей “реализуется”, фундаментальным законом природы, либо же следствием несовершенства используемых нами методов и приборов. Сам процесс “реализации” так же не уловим, как линия горизонта или основание радуги. В какой момент он происходит? В момент взаимодействия волновой функции с фотопластиной, являющейся “классическим” объектом, либо же в момент “наблюдения” экспериментатора за фотопластиной? И чем же так выделен “наблюдатель”, что ему дано право выбирать по какому из возможных путей пойдет мир дальше?
Принципиальное отличие квантовой механики от классической состоит также в том, что её предсказания всегда имеют вероятностный характер. Это означает, что мы нихуя не знаем не можем точно предсказать, в какое именно место попадает, например, электрон в рассмотренном выше эксперименте, какие бы совершенные средства наблюдения и измерения ни использовали. Можно оценить лишь его шансы попасть в определённое место, а следовательно, применить для этого понятия и методы теории вероятностей, которая служит для анализа неопределённых ситуаций.
В квантовой механике любое состояние системы описывается с помощью так называемой волновой функцией матрицы плотности, но в отличие от классической механики эта матрица определяет параметры её будущего состояния не достоверно, а лишь с той или иной степенью вероятности. Важнейший философский вывод из квантовой механики заключается в принципиальной неопределённости результатов измерения и, следовательно, невозможности точного предвидения будущего.
Это в комбинации с принципом неопределённости Гейзенберга, а так же другими теоретическими и экспериментальными данными заставило некоторых учёных усомниться в классической механике и предположить, что у микрочастиц вообще нет никаких внутренних свойств и они появляются только в момент измерения. Некоторые исследователи предположили, что роль сознания экспериментатора для существования всей Вселенной является чуть более чем решающей, поскольку согласно квантовой теории, именно наблюдение создает или частично создает наблюдаемое». [3]
КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ
Корпускулярно-волновой дуализм — это теория о том, что любое вещество (электромагнитное излучение, физическое тело, атом и т.п.) представляется на микроуровне одновременно и как мельчайшие частицы (корпускулы), и как волны. В частности, свет — это и корпускулы (фотоны), и электромагнитные волны.