Реферат: Как понимать квантовые явления?
[sms]Мир един и физика едина. И классическая физика и квантовая, - обе они описывают один и тот же мир, в котором мы живем. И к некоторому хотя бы пониманию квантовых явлений не может привести бесконечное их противопоставление. Попробуем, по возможности аккуратно, хотя бы начать создавать в наших головах эти новые представления.
Во многих книжках рассматривается модельная задача о дифракции электронов на двух щелях. Мне более симпатична задача о работе звездного интерферометра Майкельсона. Все-таки это реальный прибор, в работе которого участвуют несколько более понятные с точки зрения физики кванты - фотоны.
Свет от звезды очень слаб, но мы можем ослабить его еще больше. Тогда можно говорить о поглощении атомами фотоэмульсии пластинки, на которой получается изображение дифракционной картинки, первого кванта, второго и т.д. Во-первых, видимо, нам придется отказаться от буквального понимания гипотезы о распространении света в виде микрочастиц - фотонов. Если на зеркала попадают разные фотоны, то трудно представить себе, что колебаний электрического поля в них синфазны. Но, с другой стороны, расстояние между зеркалами измеряется метрами, и пришедшая в точку поглощения кванта порция энергии ћω νе может принадлежать одному фотону, испущенному далекой звездой в направлении нашего интерферометра - даже если мы представим себе фотон выросшим до таких размеров, в зеркалах не отразится, "провалится" средняя часть фотона. Не видно и способа определить, от какого из зеркал отразился этот поглощенный фотопластинкой квант света.
В то же время кажется уместным и более интересным вопрос, чем определяется "выбор" точки, в которой происходит поглощение кванта. При поглощении большого количества квантов кривая степени почернения фотопластинки будет соответствовать кривой дифракции Фраунгофера на двух щелях c максимумами в точках, полученная на основе волновых представлений. Но каким образом первый, второй и т.д. кванты "узнают", что им следует поглощаться чаще вблизи одного из максимумов кривой, а не вблизи минимума? Боюсь, что и на этот вопрос мы не сможем ответить вразумительно. Нам придется констатировать факт, что рассчитанная кривая зависимости интенсивности света I(x) представляет собой лишь кривую распределения вероятности P(x) поглощения фотона. Это утверждение мы можем проверить экспериментально, проведя фотографирование с помощью интерферометра некой далекой звезды. Но дисциплина мышления требует говорить лишь о том, что мы можем проверить опытом. По этому поводу, видимо, не следует сокрушаться - эта пара вопросов не составляет особого исключения, физика не может ответить и на множество других вопросов. Не так редко мы рассчитываем некий процесс "в общем", не зная ничего о его деталях. Важно выбрать правильное приближение, чтобы получить верный и полезный для практики результат. В данном случае это будет волновое приближение. На основе корпускулярных представлений решение задачи представляется, как минимум, затруднительным. Подчеркну еще раз. На основе волновых представлений мы можем рассчитать только вероятность поглощения кванта света в той или иной точке. Деталей этого процесса, как и деталей прохождения кванта через зеркала, мы объяснить не умеем. Во всяком случае мы не сможем наблюдать эти процессы экспериментально - тем самым мы разрушили бы "хрупкую индивидуальность квантового состояния". Это, однако, не делает электромагнитное поле хоть в чем-то нереальным!
Мы легко можем допустить, что какие-то "внутренние" процессы происходят при поглощении кванта света. Но, собственно, в этой невозможности определить детали процесса прохождения фотона через щели и/или поглощения кванта, в этом и заключается один из важных элементов квантовомеханического представления поведения микрочастиц, нового способа мышления:
"Главный пункт в подходе Бора заключается в опровержении того, что можно решить всю проблему, заглянув внутрь атомной структуры, что, применив тончайшие средства наблюдения, можно решить вопрос о том, является электрон волной или частицей. Природа устроена так, что никакое наблюдение крошечного объекта нельзя выполнить, не воздействуя на него. Квантовое состояние обладает характерной способностью ускользать от обычного наблюдения, так как сам акт такого наблюдения уничтожает условия существования квантового состояния."
В этом суть. Быть может только можно выразиться чуть аккуратнее: вместо слова "уничтожает" воспользоваться словом "изменяет", поскольку квантовый объект не может существовать в неквантовом состоянии. И попытки понять, почему "природа устроена так" скорее запутает нас, чем прояснит ситуацию.
Как видите, речь мы ведем о дуализме, о двойственности представления света в виде волны или потока фотонов, но при таком подходе понятие дуализма приобретает несколько иной оттенок. Речь не идет о двойственности природы частицы-фотона, речь идет о двух возможных приближениях при описании кванта электромагнитного поля.
Парадокс Больцмана
Создается впечатление, что квантовая физика описывает процессы "приблизительно", не давая точных и однозначных ответов на некоторые вопросы. В. Вайскопф относит себя к старым противникам такого утверждения. Он считает, что как раз квантовая физика привнесла в науку о природе большую точностью
Главное, что квантовая физика сняла много вопросов, остававшихся без ответа в рамках классических представлений. Одна из решенных квантовой физикой задач - это разрешение парадокса Больцмана, о котором вспоминают не слишком часто:
"... согласно классической механике, мы предполагаем, что в системе атомов, находящейся в тепловом равновесии при данной температуре, тепловая энергия должна быть равномерно распределена среди всех возможных видов движения. В куске нагретого вещества электроны должны вращаться быстрее, протоны внутри ядер должны колебаться более энергично, составные части протонов должны колебаться более энергично в пределах своих границ и т.д. Таким образом, удельная теплоемкость любого простого куска вещества должна быть чрезвычайно велика. В действительности же удельная теплоемкость имеет именно такое значение, которое можно получить, рассматривая только внешнее движение атомов. Было непонятно, почему тепловая энергия не проникает внутрь атома и не возбуждает его внутренние степени свободы. Парадокс Больцмана был сформулирован в 1892 г., задолго до создания квантовой механики. Но объяснения ему не было."
Особенно остро сформулированная в парадоксе Больцмана проблема проявилась при анализе равновесного теплового излучения, когда создалась ситуация, получившая название "ультрафиолетовой катастрофы". Квантование энергии стоячих волн снимает проблему и приводит к результатам, великолепно совпадающим с результатами эксперимента.
В этом главное: появившиеся в поле зрения физиков новые объекты - кванты, при всем их разнообразии, обладают одним общим свойством, не характерным для классических макрообъектов: они не могут быть разделены на части, за поведением которых нам хотелось бы проследить. И это фундаментальное их свойство:
"Одной из главных особенностей классической физики является возможность делить каждый процесс на составные части. Любой физический процесс можно считать состоящим из последовательности составляющих его процессов. По крайней мере теоретически каждый процесс можно проследить шаг за шагом во времени и в пространстве. Орбиту электрона вокруг ядра можно представить в виде последовательности малых перемещений. Электрон можно считать состоящим из частей с меньшими зарядами. Но эту точку зрения следует отбросить, если мы хотим понять, что видим в природе..."
И к этому утверждению "примыкает" такое:
"Здесь мы сталкиваемся с весьма важным фактом, заключающимся в том, что указанная невозможность выполнения некоторых измерений означает больше, чем простое техническое ограничение, которое в один прекрасный день может быть преодолено с помощью хитроумного оборудования."
Коротко это звучит так. Квантовые объекты - это по своей природе неделимые объекты. Его состояние можно изменить, но выделить какую-то его часть нельзя.
Химические элементы
Другая проблема, которую не могла решить классическая физика, это существование атомов химических элементов с определенными свойствами. Принятая после опытов Резерфорда планетарная модель атома в рамках классических представлений оказалась неприемлемой.
Прежде всего, электрон при ускоренном движении по орбите (центростремительное ускорение!) должен терять энергию, излучая электромагнитную волну. Кроме того, в рамках классических представлений невозможно объяснить, почему атом меди, например, всегда остается атомом меди независимо от того, каким способом, где и когда была получена медь.
Звездные системы со своими планетами, которые дали название принятой в физике модели атома, обязательно различны. И не удивительно - движение планет описывается классической физикой. Так почему атомы, образованные квантовыми объектами, идентичны? Ответ, мне кажется, достаточно ясен:
"Во многих отношениях электронные орбиты демонстрируют поразительное сходство с волновыми колебаниями, локализованными в пределах атома. Например, волна, ограниченная определенным объемом, т.е. стоячая волна, может иметь только определенное число конфигураций... Эти конфигурации вполне определенны и имеют простые симметричные структуры - факт, известный из наблюдения других стоячих волн, например, колебаний скрипичной струны или волн в воздушном столбе органной трубы. Они обладают свойством "восстановления"; если возмущающий эффект изменил их форму, первичная конфигурация волн восстанавливается, когда действие возмущения прекращается."
Итак, стабильность атома обеспечивается волновыми свойствами электронов. Но для понимания квантовых объектов важно еще понимание того, что определенной конфигурации стоячей электронной волны отвечает определенная энергия. Мы это видели на примере бесконечно глубокой одномерной потенциальной ямы.
В то же время следует знать и помнить, что уравнением Шрёдингера описываются отнюдь не все свойства электрона. Например, в нем отсутствует спин. И уж никак из этого уравнения не следует принцип Паули, согласно которому в атоме может быть лишь два электрона с некоторой определенной конфигурацией стоячей волны.
Эти конфигурации характеризуются набором квантовых чисел. Поэтому применительно к атому принцип Паули формулируется так: в атоме может существовать лишь два электрона с одинаковым набором квантовых чисел,
различающиеся знаком спина. Если спиновое квантовое число
ввести в общий набор квантовых чисел, формулировка принципа Паули становится более лаконичной: каждый электрон в атоме должен иметь свой набор квантовых чисел.
Здесь, видимо, вновь следует обратиться к вопросу о "понятности" свойств квантового объекта, в частности, электрона. Мы не можем дать какого-то объяснения принципу Паули, равно как волновой природе квантового объекта, как, впрочем, и "понятному" закону сохранения энергии, например. Все это лишь констатация свойств природы, выясненных в результате наблюдений и экспериментов. Мы не придумываем природу, мы ее изучаем.
Нормирование волновой функции
Уравнением Шрёдингера волновая функция определяется с точностью до постоянного множителя. Этот множитель определяется с помощью условия нормировки.
Размерность амплитуды Ψ-функции оказывается, таким образом, обратно пропорциональной объему и квадрат ее модуля называют плотностью вероятности обнаружения, например, электрона в некоторой области пространства. Оставим условие нормировки и терминологию такими, но обдумаем их смысл. Заранее оговорюсь, что понимать все это буквально не следует.
Во-первых, само слово "обнаружить" электрон в некоторой области пространства приемлемо лишь в том случае, если мы считаем, что он в момент обнаружения там находится. Нельзя обнаружить то, чего нет. В действительности дело обстоит, мягко говоря, не так.
Пусть электрон локализован в некотором более или менее строго очерченном объеме ΔV. Далее предположим, что в результате некоторых наших действий он оказался локализован ("обнаружен") в объеме δV < ΔV. Это автоматически означает увеличение его энергии, изменение квантового состояния. Это уже не тот электрон (не в том состоянии), который мы имели до "обнаружения". Измерение, уточнение значений его координат "уничтожает условия существования квантового состояния" (ссылка 1).
Обратимся вновь к модельной задаче о состоянии электрона в бесконечно глубокой одномерной потенциальной яме." В этом случае (задача одномерная) условие нормировки принимает вид:
При этом минимальная энергия электрона
Δx l При "обнаружении" электрона в интервале Δx минимальная его энергия возрастет.
Вот как обстоят дела при "обнаружении" электрона в некоторой области пространства:
при этом увеличивается его энергия. Обнаружение же электрона "в точке" просто бессмысленно, поскольку это означало бы бесконечное увеличение его энергии. Вот мнение В. Вайскопфа по этому поводу:
"Волновая природа атомного электрона связана с неделимостью, целостностью атомного состояния. Если выделить часть процесса и затем пытаться установить более точно, действительно ли электрон находится внутри этой волны, его можно обнаружить там как реальную частицу, но при этом нарушится деликатная индивидуальность квантового состояния. Однако именно волновая природа обусловливает характерные особенности квантового состояния - его простую геометрию, восстановление первоначальной формы после окончания действия возмущения, короче говоря, специфические свойства атома. Великим открытием квантовой физики явилось обнаружение существования этих индивидуальных квантовых состояний, каждое из которых представляет собой единое целое, пока не подвергается воздействию средств наблюдения. Любая попытка наблюдать выделенную часть состояния связана с использованием столь высокой энергии, что при этом разрушается хрупкая структура квантового состояния.
Та же ситуация наблюдается и в обсуждавшемся выше случае электронного пучка, проходящего сквозь пару щелей в экране и создающего за ним интерференционные явления. Этот процесс также индивидуален и неделим. Когда пытаются выполнить опыт, чтобы обнаружить, через какую именно щель прошел электрон, явление интерференции пропадает: опыт оказывается слишком сильнодействующим, он нарушает целостность квантового состояния."
Вспомним еще раз, что это воображаемый опыт. Заключения по поводу того или иного эффекта основаны на уже существующих представлениях о свойствах квантового состояния электрона. И он в момент прохождения пары щелей находится в некотором определенном состоянии, которое, естественно, разрушается при его "обнаружении" вблизи одной из щелей, при его локализации в пределах размеров одной щели. Что же тут загадочного, если после этого не наблюдается картина дифракции на двух щелях? Другое дело, если длина волны света, используемого для "зондирования", больше расстояния между щелями: возмущение слабое, интерференция наблюдается.
Я хочу теперь еще раз сформулировать свое мнение. Само словосочетание "частица обладает волновыми свойствами" бессмысленно. То, что мы называем электроном-частицей, представляет собой некий сложный объект, исчерпывающего описания для которого у нас нет. Но даже и в том случае, если бы такое описание нам было известно, оно наверняка было бы достаточно сложным, и едва ли мы стали бы им пользоваться. Чтобы понять некоторые эффекты, чтобы провести расчеты для предсказания поведения реального электрона, мы воспользовались бы либо волновым, либо корпускулярным приближением. Но никак не обоими одновременно. [/sms]
