Физические основания квантовой теории
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ. Наряду с теорией относительности квантовая теория является одним из двух столпов современной физики. Ее теоретический аппарат сформировался в 20-х тт. XX в. в работах Н. Бора, Л. де Бройля, В. Гейзенберга, П. Дирака, Э. Шредингера и др.
В основе данной теории лежат две группы явлений, исследованных экспериментально: явлений, связанных с существованием дискретных уровней энергии атомов, и явлений, связанных с дуализмом корпускулярных и волновых свойств электромагнитного излучения и элементарных частиц. Началом квантовой физики послужила работа М. Планка, выполненная в 1900 г. и посвященная решению фундаментальной проблемы, которая возникла к концу XIX в. перед теоретической физикой. На основе законов классической статистической механики не удалось правильно описать экспериментально наблюдаемое распределение энергии по спектру излучения абсолютно черного тела, т.е. тела, которое поглощает всю падающую на него энергию света. Эту ситуацию один из видных теоретиков того времени П.С. Эренфест назвал «ультрафио
летовой катастрофой». А Г. Лоренц свою лекцию в Коллеж де Франс закончил, указывая на стоящую в углу печь, следующими словами: «Уравнения классической физики оказались неспособными объяснить, почему эта угасшая печь не испускает желтых лучей наряду с испусканием больших длин волн». Планк решил эту проблему, выведя формулу, которая удовлетворительно описывала результаты опытов. При этом он использовал фундаментальную гипотезу о том, что и испускание, и поглощение света происходит не непрерывно, а отдельными порциями, которые он назвал квантами. При этом он ввел новую фундаментальную константу с размерностью действия, т.е. произведения энергии на время. Позже эта константа получила название постоянной Планка.
В 1905 г. А. Эйнштейн воспользовался гипотезой Планка о квантах для того, чтобы объяснить наблюдаемые на опыте особенности фотоэлектрического эффекта — испускания электронов металлами при их облучении светом. Чтобы решить эту задачу, ему потребовалось усилить высказанную Планком гипотезу, предположив, что свет также состоит из квантов — фотонов, энергия которых про-порциональна произведению частоты света на постоянную Планка. Именно за эту работу позднее Эйнштейн получил Нобелевскую премию.
Следующий шаг предпринял в 1924 г. Л. де Бройль, предположив, что если свет обладает корпускулярными свойствами, то справедливо и обратное: элементарные частицы в некоторых случаях должны проявлять волновые свойства. Обосновывая свою гипотезу, он писал: «В оптике 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?» Идея де Бройля состояла в том, чтобы сопоставить волновой оптике волновую механику, более общую, чем механика классическая, и применимую к атомным явлениям. С этой целью он записал формулу, которая устанавливала связь длины волны, характеризующей электрон, с его импульсом и постоянной Планка. Поначалу гипотеза де Бройля казалась странной. Однако эксперименты по прохождению пучка электронов через тонкую монокристаллическую мембрану показали, что при этом наблюдается интерференционная картина — явление, присущее именно волновым процессам. Гипотеза де Бройля получила, таким образом, экспериментальное подтверж-дение. Этот квантовомеханический парадокс получил название корпускулярно-волнового дуализма, или дуализма волна—частица.
Для теоретического описания экспериментально установленных квантовых эффектов потребовалось разработать теорию, идейный фундамент которой радикально отличался от теоретического базиса классической механики. В классической теории движение материальной точки описывается зависимостью координат от времени, которая однозначно следует из законов Ньютона. Зная координаты в функции времени, можно рассчитать также значения энергии и импульс. Эта величины — координаты, энергия и импульс — рассматриваются в классической механике как динамические переменные.
В отличие от этого в квантовой механике состояние физической системы в данный момент описывается волновой функцией, которая является комплексной величиной и сама по себе физического смысла не имеет. Физический смысл имеет квадрат этой функции: он интерпретируется как статистическая плотность вероятности найти частицу в данном месте.
Подобрать квантовомеханический аналог классическим динамическим переменным удалось, используя алгебру операторов. Оператор — это вычислительный прием, с помощью которого некий математический объект преобразуется в другой объект той же природы. Введенная таким образом система линейных операторов соответствует в квантовой механике координатам, импульсам и энергии. Возможные значения физических величин, характеризующих квантовые объекты (элементарные частицы, атомы, молекулы и др.), определяются с помощью набора квантовых чисел, которые могут иметь целые или дробные значения. Первоначально квантовые числа были введены для описания линейчатых атомных спектров, но позднее было установлено их однозначное соответствие системе операторов.
Словарь философских терминов. Научная редакция профессора В.Г. Кузнецова. М., ИНФРА-М, 2007, с. 624-626.