Становление квантовой механики. Принципы неопределенности и дополнительности

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. Он утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присуще всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера. Английский физик П. Дирак его обобщил.

Смелая мысль Луи де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Волны материи, которые первоначально представлялись как наглядно-реальные волновые процессы по типу волн акустики, приняли абстрактно-математический облик и получили благодаря немецкому физику М.Борну символические значения как «волны вероятности».

Экспериментально гипотеза Луи де Бройля была подтверждена в 1927г. Корпускулярно-волновой дуализм в физике стал всеобщим. Любой материальный объект теперь характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.

Физика Х1Х века рассматривала вещество и поле как две формы материи. Вещество — дискретно, оно состоит из корпускул-атомов, молекул, имеющих определенную форму, массу покоя и траекторию движения. Поле (электромагнитное, гравитационное, мезонное и др.) — имеет непрерывный волновой характер, не делится на корпускулы, не имеет массы покоя, траектории движения, движется со скоростью света.

Физика ХХ века обнаружила глубокое единство вещества и поля. Оно выражается, во-первых, во взаимопревращении вещества и поля когдачастицы и античастицы аннигилируют, превращаются в кванты поля и, наоборот, поле рождает из себя частицы вещества, во-вторых, вещество и поле обладают родственными свойствами.

Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределённостей, установленным немецким физиком В. Гейзенбергом, и принципе дополнительности Н. Бора. Суть соотношения неопределённости В.Гейзенберга состоит в том, что невозможно с одинаковой точностью установить место и величину движения микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно. В своей книге «Физика атомного ядра» Гейзенберг следующим образом раскрывает содержание соотношения неопределенности: никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату и скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где находится частица и как быстро и в каком направлении она движется. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы. Отсюда следует, что чем точнее определяется одна из сопряженных величин, тем менее точной оказывается другая величина. Границы измерений, которые устанавливаются этим принципом, не могут быть преодолены путем совершенствования средств измерения. Принцип неопределенности считается фундаментальным в современной квантовой механике и неявно фигурирует в ней во всех рассуждениях.

Анализируя соотношение неопределенности, Н. Бор выдвигает другой фундаментальный принцип квантовой механики – принцип дополнительности. Бор показал, что из-за соотношения неопределенности корпускулярная и волновая модели описания поведения квантовых объектов не входят в противоречие друг с другом, потому, что никогда не предстают одновременно. Если в одной экспериментальной ситуации проявляются корпускулярные свойства микрообъекта, то волновые свойства оказываются незаметными. В другой экспериментальной ситуации, наоборот, проявляются волновые свойства и не проявляются корпускулярные. То есть в зависимости от постановки эксперимента микрообъект показывает либо корпускулярную природу, либо волновую, но не обе сразу. Эти две природы микрообъекта взаимно исключают друг друга, и в то же время должны быть рассмотрены как дополняющие друг друга. Н. Бор дает следующую формулировку принципа дополнительности: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

Таким образом, дуализм микрообъектов, заключающийся в объединении в одном микрообъекте одновременно волновых и корпускулярных свойств, представляют собой фундаментальную характеристику объектов микромира. Опираясь именно на эту характеристику, мы можем понять и объяснить другие особенности микромира. Принципиальное отличие квантовой механики от классической состоит также в том, что её предсказания всегда имеют вероятностный характер. Это означает, что мы 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 определенное место, а, следовательно, применить для этого понятия и методы теории вероятности, которая служит для анализа неопределенных ситуаций.