И статистическими закономерностями

Квантовой механики

Понятие состояния в квантовой физике включает в себя характеристики макроокружения, которые приготавливают объект определенным образом для исследования.

Вследствие фундаментальной особенности явлений мик­ромира, математическим выражением которой является со­отношение неопределенностей Гейзенберга, фиксирующее на­личие у частиц как корпускулярных, так и волновых свойств, в квантовой механике можно говорить лишь о вероятности того или иного значения динамической переменной и о сред­нем значении динамической переменной, а не об ее опреде­ленном числовом значении в данный момент времени. По­этому классическое описание движения частиц в квантовой механике теряет смысл. Весь анализ явлений микромира про­водится на языке понятий классической физики, таких как волна и частица, постольку, поскольку мы не обладаем ины­ми понятиями. Ирония здесь состоит в том, что эти клас­сические понятия отражают свойства объектов микромира неполно и односторонне. В квантовой механике вектором состояния является волновая функция \|/. Великий австрий­ский физик Э. Шредингер, проникшись идеей Л. де Бройля о волнах материи, создал теорию, в которой дискретные ста­ционарные состояния энергии уподоблялись стоячим волнам какой-либо системы. В аппарат квантовой теории прочно вошло в качестве ее основного уравнения уравнение Шредингера относительно волновой функции \|/. Сам Шредингер интерпретировал \|/ - функцию как реальный волновой процесс в пространстве и во времени, который, в конечном счете, I должен приводить к отрицанию дискретных состояний и квантовых скачков. Однако дальнейшее развитие теории показало неадекватность подобных представлений, и волновая функция стала интерпретироваться как волна вероятности, а квадрат её модуля — как мера вероятности обладания микрообъектом определенной координаты или в другой, дополнительной к цервой' физической ситуации — определенного импульса. И так, волновая функция получила статус волны вероятности, чем еще раз подчеркивается статистический, вероятностный характер поведения микрообъектов. Казалось бы, что о при­чинно-следственном описании движения объектов следует за­быть. Однако это не так. Уравнение Шредингера описывает эволюции \|/-функции с течением времени, является детер­минированным и обратимым. Детерминированность и обра­тимость уравнения Шредингера определяют ситуацию в кван­товой механике, аналогичную ситуации в классической меха­нике, однако квантовая механика обладает важным отличием, состоящим в том, что в квантовой теории предсказуемы только вероятности, а не отдельные события. Волновая функция представляет собой полную характеристику состояния: зная волновую функцию \|/,можно вычислить вероятность обнару­жения определенного значения физической величины и сред­ние значения физических величин. Существует важное раз­личие между описанием состояния в статистической физике и в квантовой механике. Статистические закономерности в классической физике являются результатом взаимодействия большого числа частиц, поведение каждой из которых опи­сывается законами классической механики. Если система состоит из малого числа частиц, то статистические законо­мерности перестают действовать, соответствующие ста­тистические понятия теряют смысл. В квантовой же механи­ке, согласно экспериментам, статистические закономернос­ти отражают свойства каждой отдельной микрочастицы.

41. Релятивистская квантовая физика. Античастицы и виртуальныечастицы

В 1927 г. английский физик П.Дирак, рассматривая урав­нение Шрёдингера, обратил внимание на его нереляти­вистский характер. При этом квантовая механика описывает объекты микромира, и хотя к 1927 г. их было известно толь­ко три: электрон, протон и фотон (даже нейтрон был экспе­риментально обнаружен только в 1932 г.), было ясно, что движутся они со скоростями, весьма близкими к скорости света или равными ей, и более адекватное описание их пове­дения требует применения специальной теории относительности. Дирак составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов и квантовой механи­ки, и теории относительности Эйнштейна, и полупил фор­мулу для энергии электрона, которой удовлетворяли два ре­шения: одно решение давало известный электрон с положи­тельной энергией, другое — неизвестный электрон-двойник, но с отрицательной энергией. Так возникло представление о частицах и соответствующих им античастицах, о мирах и антимирах. К этому же времени была разработана квантовая электродинамика. Суть ее состоит в том, что поле более не рассматривается как континуалистская непрерывная среда. Дирак применил к теории электромагнитного поля правила квантования, в результате чего получил дискретные значе­ния поля. Обнаружение античастиц углубило представление о поле. Считалось, что электромагнитного поля нет, если нет квантов этого поля — фотонов. Следовательно, в этой области пространства должна быть пустота. Ведь специальная теория относительности «изгнала» из теории эфир, можно сказать, что победила точка зрения о вакууме, о пустоте. Но пуст ли вакуум, — вот вопрос, который вновь возник в связи с открытием Дирака. Сейчас хорошо известны эффекты, доказывающие, что вакуум пуст только в среднем. В нем постоянно рождается и исчезает огромное количество виртуальных частиц и античастиц. Даже если мы меряем заряд электрона, то, как оказалось, голый заряд электрона равнялся бы бесконечности. Мы же измеряем заряд электрона в «шубе» окружающих его виртуальных частиц.

Собственно представление о вакууме как непрерывной ак­тивности содержащихся в нем виртуальных частиц содержится в принципе неопределенности Гейзенберга. Принцип неопределенности Гейзенберга имеет, кроме приведенного выше, еще и такое выражение:

∆Е . ∆t > h.

Согласно этому, квантовые эффекты могут на время нару­шать закон сохранения энергии. В течение короткого времени ∆t энергия, взятая как бы «взаймы», может расходоваться на рождение короткоживущих частиц, исчезающих при возвраще­нии «займа» энергии. Это и есть виртуальные частицы. Воз­никая из «ничего», они снова возвращаются в «ничто». Так что вакуум в физике оказывается не пустым, а представляет собой море рождающихся и тут же гасящихся всплесков.