Статистическое описание с позиции квантовой механики.

При построении любой теории сначала вырабатываются основные понятия и лишь потом устанавливаются соответствующие уравнения. При создании квантовой механики, наоборот, сначала были установлены уравнения для символов. Физическое же толкование основного уравнения квантовой механики – уравнения Шредингера и его решения, -функции, остаются неоднозначными.
Спор заключается в статистическом, вероятностном характере квантовой механики.
Волновая функция является основной величиной, характеризующей состояние системы. В общем случае – это может быть сложная комплексная функция, зависящая от координат и времени. Она вводится как вспомогательный символ и не относится к числу непосредственно наблюдаемых величин. Однако ее знание позволяет предсказать статистические значения величин, которые получаются экспериментально и имеют физический смысл. Квадрат модуля волновой функции имеет смысл плотности вероятности, которую можно ожидать при попытке обнаружения частицы в пространстве. При этом -функция определяется с точностью до произвольного постоянного комплексного множителя, модуль которого равен единице.
При таком определении выполняется условие нормировки: .
Оно означает, что во всем пространстве частица будет обнаружена с достоверностью.
Понятие волновой функции есть одно из основных понятий квантовой механики, и выявление физического смысла ее является очень важным для понимания всей квантовой механики.
Вероятностная интерпретация, данная М. Борном, общепризнанна, однако, это сугубо информационное толкование волновой функции. Остается открытым вопрос о том, описывает ли -функция поведение самой частицы.
Д. Блохинцев объясняет состояние микрочастицы как ее принадлежность к ансамблю и волновую функцию определяет как статистическое описание состояния частицы в ее принадлежности к ансамблю. Главное в волновой функции в этом случае заключается в том, что она выражает не индивидуальные свойства состояния частицы, а общие свойства ее состояний через принадлежность состояний частицы к квантово-механическому ансамблю.
В. Фок для определения волновой функции принимает понятие объективно существующих потенциальных возможностей взаимодействия микрочастицы с условиями ее существования (средой). Волновая функция здесь не статистическое понятие, а вероятностное понятие, отражающее потенциальные возможности взаимодействия микрообъектов.
Как показывают современные исследования, вероятностный характер теории обязан не неполному знанию условий, в которых находится микрообъект, как это представлял Эйнштейн, а присущ самому объекту. Это подтвердила теорема Белла, которая доказывает невозможность введения, так называемых «скрытых» параметров, неучтенных теорией квантовой механики.
Однако наиболее адекватную интерпретацию волновой функции и всей квантовой механики, как сейчас представляется, можно осуществить только благодаря привлечения идеи физического вакуума. В рамках квантовой электродинамики было осознано, что в природе не существует абсолютно пустого пространства. Частицы и поля являются проявлением более сложных объектов – квантовых полей.
В настоящее время принято считать, что фундаментальной основой мира является континуальный вакуум. Возникновение дискретного вещества из континуального вакуума осуществляется посредством унитронного поля, которое представляет собой энергетически насыщенное состояние континуального вакуума [1]. На уровне унитрона берут начало все фундаментальные взаимодействия и все физические и космологические константы. Таким образом, если фундаментальной, онтологической основой мира является континуальный вакуум, то, унитрон, вследствие его законоформирующей и константоформирующей функцией следует назвать физическим вакуумом.
В физическом вакууме постоянно возникают и исчезают виртуальные пары частица-античастица. Это явление определяют как флуктуации вакуума. В связи с тем, что пара частица-античастица создает дипольный момент , флуктуации вакуума можно считать проявлением всплесков полей. Хотя среднее значение напряженности этих полей во времени равно нулю, однако среднее значение квадрата напряженности в нуль не обращается. С квадратами этих полей сопоставляется возникновение различных видов конденсатов.
Основные характеристики реальных частиц, такие как масса, заряд, спин проявляются именно во взаимодействии этих частиц с определенным вакуумным конденсатом. Так, например, масса протона выражается через кварк-антикварковый конденсат. Глюонный конденсат отвечает за невылетание кварков из адронов.
Взаимодействие между объектами вещественного вида осуществляются через посредство и с участием физического вакуума. Если в физическом вакууме находится наэлектризованное тело, то виртуальные пары частица-античастица ориентируются соответствующим образом вокруг заряженного тела. Вакуум поляризуется. Такой поляризованный вакуум воспринимается как электростатическое поле. Если источником возникновения вакуума является тело, обладающее массой, то виртуальные частицы и античастицы вакуума испытывают общее смещение. В связи с чем, в вакууме возникает возмущение, воспринимаемое как поле тяготения.
Реальную микрочастицу всегда необходимо рассматривать на фоне непрерывной активности физического вакуума. Под действием постоянно возникающих и исчезающих виртуальных частиц микрочастица ведет себя как броуновская частица в газе. В связи с чем возникают неопределенности в одновременном определении координаты и импульса микрочастицы, т.е. объясняется соотношение неопределенности Гейзенберга. Этим же объясняется и волновые свойства микрочастиц. Причем это волны вероятности. Учет взаимодействия микрочастицы с виртуальными частицами может быть только вероятностным.
Вследствие постоянного воздействия виртуальных частиц, движущаяся микрочастица не может иметь четко выраженную траекторию. Поэтому, например нельзя сказать, что электрон в атоме движется по определенной орбите. Распределение вероятности координат электрона для какого-либо состояния в атоме водорода довольно велико. Имеются вероятности пребывания электрона достаточно далеко от ядра и достаточно близко. Наиболее вероятным расстоянием в основном состоянии является расстояние до первой боровской орбиты в теории Бора. В настоящее время проведено достаточно много измерений распределения плотности электронного облака в атомах, и эти измерения находятся в хорошем согласии с предсказаниями квантовой механики.
Нелокальность поведения микрообъектов, проявляющаяся в различных экспериментах, как раз и указывает на наличие непрерывной связи их с физическим вакуумом. Движение частицы происходит вместе с распространением возмущения вакуума.
Очень важно для понимания сущности квантовой механики является необходимость рассмотрения роли постоянной Планка , которая присутствует во всех математических выражениях теории. Это указывает на ее важнейшую роль в понимании физического смысла квантовой механики.
По размерности постоянная Планка является квантом действия. Она присутствует в константах всех четырех фундаментальных взаимодействий:
– гравитационное,
– слабое,
– электромагнитное,
– сильное.
Все процессы взаимодействия происходят с непосредственным участием вакуума.
Постоянная Планка участвует в формировании планковской шкалы: ; ; , которая используется в микромире.
Постоянная Планка присутствует в выражениях основных характеристик микрочастиц.
Так, модуль орбитального момента импульса электрона: , и его проекция .
Собственный момент – спин: и его проекция .
Магнитный орбитальный момент ( – магнетон Бора) и его проекция .
Собственный магнитный момент и его проекция: и .
Соотношение неопределенности Гейзенберга: .
И самое основное уравнение квантовой механики – уравнение Шредингера:
.
Учитывая тот факт, что микрочастицу вещества никаким образом нельзя экранировать от вакуума, ее поведения и свойства всегда будут определяться ее взаимодействием с вакуумом. Так как постоянная Планка является минимальным квантом действия, можно полагать, что она и определяет во всех математических выражениях эту непрерывную связь микрочастиц вещества с вакуумом, с его флуктуациями. Можно считать, что постоянная Планка определяет всю динамику микромира и квантовые свойства вещественного мира.
Таким образом, принципиальная неразрывная связь микрочастиц вещества и вакуума, влияние флуктуаций которого определяется только статистическим образом, определяет и статистичность квантовой механики, описывающей это взаимодействие реальных микрочастиц с виртуальными.