Основные физические представления

Основные представления квантовой механики

Макромир и микромир

Рассматривая законы физики на микроскопическом уровне обнаруживаем, что эти законы существенно и принципиально отличаются от законов привычного макроскопического уровня, где все доступно нашим органам чувств. В макроскопическом мире полагается, что все многообразие субъектов природы может быть представлено в виде набора классических материальных точек – малых, локализованных в ограниченной области пространства субъектов материи, движущихся по законам ньютоновской механики. Движение материальных точек в пространстве и во времени является непрерывным.

В микромире наблюдаемые факты не соответствуют и не совместимы с классическим непрерывным описанием в пространстве и времени. На смену классической ньютоновской механике на микроскопическом уровне пришла квантовая механика – физическая теория, описывающая явления атомного масштаба. Процессы в микромире, описываемые квантовой механикой, полностью лежат за пределами непосредственного чувственного восприятия человека, и абсолютно лишены наглядности, присущей обычной классической физике.

Процессы, субъекты и объекты в микромире квантованы, т.е. имеют дискретный характер, а их описание не детерминировано (жестко и однозначно определено), а подчиняется законам статистической физики, носит вероятностный характер. Особенности вероятностных представлений в квантовой теории связаны с тем, что, если в статистической физике исследуются системы, образованные из огромного числа частиц, то в квантовой теории вероятностные методы используются для познания свойств и закономерностей индивидуальных, отдельных частиц – микрообъектов.

Основные понятия квантовой механики

Основная идея квантовой (или волновой) механики следу­ющая. Явление, которому классическая механика, казалось, дала адекватное описание тем, что изображала движение матери­альной точки (т. е. рассматривала ее координаты x, y, zкак функ­цию от времени), - это явление по новым представлениям дол­жно быть изображено некоторым волновым движением, состо­ящим из волн определенной частоты и скорости (и, следова­тельно, определенной длины волны). Математически волновое движение изображается не ограниченным числом функций от одной переменной t, а непрерывным многообразием таких фун­кций, т. е. одной функцией (или, возможно, несколькими фун­кциями) от x, y, zи t. Эти функции удовлетворяют диффе­ренциальному уравнению с частными производными типа вол­нового уравнения.

Обыкновенная классическая механика - только приближение, не действительное для очень малых систем. Цель, которая нами преследуется заменой обычного механического описания волно­вым или квантово-механическим, - установить теорию, охваты­вающую как обыкновенные механические явления, где кванто­вые условия не играют заметной роли, так и типичные квантовые явления. Описание, например, волнового движения световой волны посредством лучей есть лишь приближение (называемое в случае световых волн геометрической оптикой), уместное только в том случае, когда структура рассматриваемого волнового явления яв­ляется грубой по сравнению с длиной волны, и до тех пор, пока мы интересуемся только грубой структурой. Тонкая структура вол­нового явления никогда не может быть изображена с помощью лучей (геометрической оптикой); и всегда существуют волновые явления, которые так малы на всем своем протяжении, что опи­сание их посредством лучей безрезультатно и не дает о них ника­кого представления.

Следовательно, заменив обычную механику волновой, мы мо­жем надеяться, с одной стороны, снова получить обыкновенную механику как приближение, описывающее грубые макромехани­ческие явления, а, с другой - получить объяснение для тех тонких микромеханических явлений (движение электронов в атоме), для которых старая механика не могла вообще дать никакого объясне­ния (по крайней мере, не могла его дать без очень искусственных дополнительных предположений, составлявших в действительно­сти более существенную часть теории, чем собственно механиче­ское рассмотрение).

Путь, ведущий от обычной механики к волновой, аналогичен методу, установленному Х. Гюйгенсом, который предложил свою теорию света вместо теории света Ньютона.

Типичные квантовые явления аналогичны типичным волновым явлениям, таким как дифракция и интерференция. Для установле­ния этой аналогии важно то, что обычная механика неприменима как раз для очень малых систем. Критерием перехода от классиче­ской механики к квантовой (или волновой) является величина, называемая постоянной Планка h, равная 6,626176·10^-34 Дж·с.

Поиск по сайту: