Взгляды ученых на природу микромира

Взгляды ученых на природу микромира. Развитие взглядов на природу света. Формула Планка.

В 19 – 20 веках существовало серьезное расхождение между теорией и экспериментом при исследовании законов теплового излучения абсолютно черного тела. Абсолютно черное тело – это индивидуализированное тело, полностью поглощающее упавшие на него излучения всех частот.

Тепловое излучение – свечение тел, обусловленное тепловым хаотическим движением молекул, связанное с переходом энергии теплового движения в электромагнитную волну. Иными словами, это свечение тел, обусловленное нагреванием.

В отличие от теплового излучения, люминесценция представляет собой вид излучения, избыточный над тепловым, обусловленный другими процессами.

Только тепловое излучение является равновесным. К равновесным процессам применимы законы термодинамики и, кроме этого, результаты, полученные в электродинамике, позволяли делать попытки в этом направлении. В конце концов Рэлеем был получен точный закон распределения плотности энергии излучения абсолютно черного тела по частотам, который тем не менее не соответствовал экспериментальным данным. Проблема была решена в 1900 году Максом Планком, благодаря идее, перевернувшей представления ученых о характере физических законов и открыла новую эру в физике.[2, c.197 – 199] Гениальная гипотеза, высказанная Планком, постулирует, что вещество не может излучать или поглощать энергию иначе, как конечными порциями (квантами), пропорциональными излучаемой (или поглощаемой) частоте.

Энергия одной порции (кванта) E=hv, где v – частота излучения, а h – некоторая универсальная константа, получившая название постоянной Планка. Исходя из этой гипотезы Планк получил новый закон распределения спектральной плоскости энергии излучения абсолютно черного тела, дающий полное согласие с экспериментом. [2, c.199] В 1905 году А.Эйнштейн обратил внимание на то, что явление фотоэффекта указывает на дискретную природу света в соответствии с гипотезой Планка.

При этом дискретная природа света проявляется не только в актах испускания или поглощения, но и при свободном распространении излучения в пространстве с течением времени. Иными словами, свет – это поток корпускул, квантов.

Эйнштейн назвал кванты света фотонами. В 1923 году было открыто еще одно явление, подтверждающее существование фотонов – эффект Комптона. Открытие Планка не перечеркивало ряд эффектов, в которых свет проявляет свои волновые свойства. Но при этом были открыты явления, свидетельствующие о корпускулярно – волновом дуализме света: в одних ситуациях свет ведет себя как волна, а в других ситуациях, не совместимых с первыми в одном и том же эксперименте, свет ведет себя как поток фотонов. [2, c.200] Гипотеза Луи да Бройля.

Волновые свойства вещества. К концу 1924г. точка зрения, согласно которой электромагнитное излучение ведет себя отчасти подобно волнам, а отчасти подобно частицам, стала общепринятой. И именно в это время француза Луи де Бройля, который в то время был аспирантом, осенила гениальная мысль: почему то же самое не может быть для вещества? Луи де Бройль проделал по отношению к частицам работу, обратную той, которую Эйнштейн провел для волн света. Эйнштейн связал электромагнитные волны с частицами света; де Бройль связал движение частиц с распространением волн, которые он назвал волнами материи.

В 1924 году в докторской диссертации он предположил, что для всех частиц справедливо соотношение p = h / λ, полученное ранее А.Эйнштейном для фотонов. Здесь p - импульс частицы, h - постоянная Планка, λ - длина волны, которая сопоставляется с движение частицы. В случае частиц с массой покоя, не равной нулю, p = mv, причем для малых скоростей m есть постоянная, а для скоростей, сравнимых со скоростью света, m - релятивистская масса, зависящая от скорости.

Т.е. по де Бройлю для частиц с не равной нулю массой покоя λ = h / mv. Для электрона малых энергий m = 9.1·10-31кг и λ = 1.22/, где энергия электрона Te в эВ. Причина, по которой волновые свойства вещества не замечались ранее, состоит в чрезвычайно малости длин волн, связанных с макроскопическими количествами материи. "В оптике говорил де Бройль в течение столетия слишком пренебрегали корпускулярным способом рассмотрения по сравнению с волновым; не делалась ли в теории материи обратная ошибка? Не думали ли мы слишком много о картине "частиц" и не пренебрегали ли чрезмерно картиной волн?" [8] Принцип неопределенности Гейзенберга Принцип Гейзенберга играет в квантовой механике ключевую роль хотя бы потому, что достаточно наглядно объясняет, как и почему микромир отличается от знакомого нам материального мира. Вернер Гейзенберг, начав со сложных математических формул, он постепенно пришел к удивительной по простоте формуле, дающий общее описание эффекта воздействия инструментов измерения на измеряемые объекты микромира.

В результате им был сформулирован принцип неопределенности, названный теперь его именем: неопределенность значения координаты x неопределенность скорости > h/m, математическое выражение которого называется соотношением неопределенностей Гейзенберга: Δx х Δv > h/m где Δx — неопределенность (погрешность измерения) пространственной координаты микрочастицы, Δv — неопределенность скорости частицы, m — масса частицы, а h — постоянная Планка, названная так в честь немецкого физика Макса Планка.

Термин «неопределенность пространственной координаты» как раз и означает, что мы не знаем точного местоположения частицы.

Самое принципиальное отличию микромира от нашего повседневного физического мира в том, что 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). В мире квантовых явлений, однако, любое измерение воздействует на систему. Сам факт проведения нами измерения, например, местоположения частицы, приводит к изменению ее скорости, причем непредсказуемому (и наоборот). Вот почему в правой части соотношения Гейзенберга стоит не нулевая, а положительная величина.

Чем меньше неопределенность в отношении одной переменной (например, Δx), тем более неопределенной становится другая переменная (Δv), поскольку произведение двух погрешностей в левой части соотношения не может быть меньше константы в правой его части. На самом деле, если нам удастся с нулевой погрешностью (абсолютно точно) определить одну из измеряемых величин, неопределенность другой величины будет равняться бесконечности, и о ней мы не будем знать вообще ничего.

Иными словами, если бы нам удалось абсолютно точно установить координаты квантовой частицы, о ее скорости мы не имели бы ни малейшего представления; если бы нам удалось точно зафиксировать скорость частицы, мы бы понятия не имели, где она находится. [9] Принцип дополнительности Бора. В 1927 году Нильс Бор дал формулировку одного из важнейших принципов квантовой механики — принципа дополнительности. Согласно этому принципу, для полного описания квантово - механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Например, дополнительными в квантовой механике являются пространственно временная и энергетически-импульсная картины. [7] Уравнение Шрёдингера Шрёдингер применил к понятию волн вероятности классическое дифференциальное уравнение волновой функции и получил знаменитое уравнение, носящее его имя. где x — расстояние, h — постоянная Планка, а m, E и U — соответственно масса, полная энергия и потенциальная энергия частицы.

Картина квантовых событий, которую дает нам уравнение Шрёдингера, заключается в том, что электроны и другие элементарные частицы ведут себя подобно волнам на поверхности океана.

С течением времени пик волны (соответствующий месту, в котором скорее всего будет находиться электрон) смещается в пространстве в соответствии с описывающим эту волну уравнением. То есть то, что мы традиционно считали частицей, в квантовом мире ведёт себя во многом подобно волне. [9] Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР-парадокс) — попытка указания на неполноту квантовой механики с помощью мысленного эксперимента, заключающегося в измерении параметров микрообъекта косвенным образом, не оказывая на этот объект непосредственного воздействия.

Целью такого косвенного измерения является попытка извлечь больше информации о состоянии микрообъекта, чем даёт квантово - механическое описание его состояния.

Изначально споры вокруг парадокса носили скорее философский характер, связанный с тем, что следует считать элементами физической реальности — считать ли физической реальностью лишь результаты опытов и может ли Вселенная быть разложена на отдельно существующие «элементы реальности», так что каждый из этих элементов имеет своё математическое описание. Согласно соотношению неопределённостей Гейзенберга, нет возможности измерить одновременно координату частицы и её импульс.

Предполагая, что причиной неопределённости является то, что производя измерение одной величины, вносится принципиально неустранимые возмущения в состояние и искажение значения другой величины, можно предложить гипотетический способ, которым соотношение неопределённостей можно обойти. Допустим, две одинаковые частицы A и B образовались в результате распада третьей частицы C. В этом случае, по закону сохранения импульса, их суммарный импульс должен быть равен исходному импульсу третьей частицы, то есть, импульсы двух частиц должны быть связаны. Это даёт возможность измерить импульс одной частицы (A) и по закону сохранения импульса рассчитать импульс второй (B), не внося в её движение никаких возмущений.

Теперь, измерив координату второй частицы, можно получить для этой частицы значения двух неизмеримых одновременно величин, что по законам квантовой механики невозможно. Исходя из этого можно заключить, что соотношение неопределённостей не является абсолютным, а законы квантовой механики являются неполными и должны быть в будущем уточнены. [7]