Создание нерелятивистской квантовой механики

3.3. Создание нерелятивистской квантовой механики

Таким образом, в первой четверти ХХ века перед физикой по прежнему стояла задача нахождения новых путей развития теории атомных явлений. Эти пути потребовали отказа от целого ряда давно установленных понятий и выработки совершенно новых теоретических представлений и принципов. Такие представления и принципы были созданы целой плеядой выдающихся физиков ХХ века. Молодой немецкий ученый Гейзенберг установил основы так называемой матричной механики; французский физик де Бройль, а за ним австрийский физик Шредингер разработали волновую механику. Как вскоре оказалось, и матричная механика, и волновая механика - различные формы общей теории, получившей название квантовой механики.

К созданию матричной механики В. Гейзенберг (1901-1975) пришел в результате исследований спектральных закономерностей, а также теории дисперсии, в которой атом представлялся некоторой символической математической моделью - как совокупность виртуальных гармонических осцилляторов. Представления же об атоме как о системе, состоящей из ядра и вращающихся вокруг него электронов, которые обладают определенной массой, движутся с определенной скоростью по определенной траектории, нужно понимать лишь как аналогию для установления соответствующей математической модели. Указанный метод исследования и развил Гейзенберг, распространив его вообще на теорию атомных явлений. При этом особую роль играл принцип соответствия как принцип аналогии между классическим и квантовым рассмотрениями. Именно таким путем Гейзенберг рассчитывал преодолеть трудности, возникшие перед полуклассической теорией Бора.

В 192б г. Гейзенберг впервые высказывает основные положения квантовой механики в матричной форме. Теория атомных явлений, по Гейзенбергу, должна ограничиваться установлением соотношений между величинами, которые непосредственно измеряются в экспериментальных исследованиях ("наблюдаемыми" величинами, по терминологии Гейзенберга) - частотой излучения спектральных линий, их интенсивностью, поляризацией и т. п. "Ненаблюдаемые" же величины, такие, как координаты электрона, его скорость, траектория, по которой он движется, и т. д., не должны использоваться в теории атома. Однако в согласии с принципом соответствия новая теория должна определенным образом соответствовать классическим теориям. Конкретно это должно выражаться в том, что соотношения новой теории должны находиться в отношении аналогии с соотношениями классических величин. При этом каждой классической величине нужно найти соответствующую ей квантовую величину и, пользуясь классическими соотношениями, составить соответствующие им соотношения между найденными квантовыми величинами.

Второе направление в создании квантовой механики начало развиваться в работах французского физика Луи де Бройля. В них была высказана идея о волновой природе материальных частиц. На основании уже установленного факта наличия у света одновременно и корпускулярных и волновых свойств, а также оптико-механической аналогии у де Бройля возникла идея о существовании волновых свойств частиц.

Первые работы де Бройля, в которых высказывалась идея волн, связанных с материальными частицами, не обратили на себя серьезного внимания. Де Бройль впоследствии писал, что идеи, которые он высказал, были приняты с "удивлением, к которому несомненно примешивалась какая-то доля скептицизма". Но не все скептически отнеслись к идеям де Бройля. Особенно сильное влияние идеи де Бройля оказали на австрийского физика Эрвина Шредингера (1887 - 1961), который увидел в них источник для создания новой атомной механики. В 1926 г. последовали работы Шредингера, в которых он, развивая идеи де Бройля, построил так называемую волновую механику.

Шредингер впервые установил связь между квантовой и волновой механикой, которую уточнил в последующих работах. Он показал, что при всем различии исходных физических положений они математически эквивалентны.

В 1927 г. волновая механика получила новое прямое экспериментальное подтверждение. В этом году Дэвиссоном и Джермером было обнаружено явление дифракции электронов. Таким образом, гипотеза де Бройля получила прямое экспериментальное подтверждение, оказалось правильным и найденное им количественное соотношение для длин "волн де Бройля". Кроме оправдания квантовой механики непосредственным подтверждением волновой природы электрона, с помощью этой теории удалось построить более совершенную теорию твердого тела, теорию электропроводности, термоэлектрических явлений, теорию магнетизма и т. д. Квантовая теория дала возможность приступить к построению теории радиоактивного распада, а в дальнейшем стала основой для новой области физики - ядерной физики и т. д.

Вслед за основополагающими работами Шредингера по волновой механике были сделаны первые попытки релятивистского обобщения квантово-механических закономерностей, и уже в 1928 г. Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.

3.4. Проблема интерпретации квантовой механики

Принцип дополнительности

Созданный группой физиков в 1925-1927 г.г. формальный математический аппарат квантовой механики убедительно продемонстрировал свои широкие возможности по количественному охвату значительного эмпирического материала; не оставалось никаких сомнений, что квантовая механика целиком пригодна для описания определенного круга явлений. Вместе с тем, исключительная абстрактность квантово-механических формализмов, наличие значительных отличий в сравнении с классической механикой (кинематические и динамические переменные заменены абстрактными символами некоммутативной алгебры, отсутствие понятия электронной орбиты, необходимость интерпретации формализмов и др.) рождали ощущение незавершенности, неполноты новой теории. В результате возникло мнение о необходимости ее завершения.

Никто и не возражал против того, что новую теорию нужно "дорабатывать". Дискуссия возникла по вопросу о том, каким путем это нужно делать. А. Эйнштейн и ряд других физиков считали, что квантово-механическое описание физической реальности является существенно неполным. Иначе говоря, созданная теория не является фундаментальной теорией, а лишь промежуточной ступенью по отношению к ней, поэтому необходимо дополнить существующую теорию принципиально новыми постулатами и понятиями, т. е. дорабатывать ту часть оснований новой теории, которая связана с ее принципами.

Другие физики, во главе с Н. Бором, считали, что созданная новая теория является фундаментальной и дает полное описание физической реальности, а "прояснить положение вещей можно было здесь только путем более глубокого исследования проблемы наблюдений в атомной физике". Иначе говоря, Н. Бор и его единомышленники считали, что "доработка" квантовой механики должна идти по линии уточнения той части ее оснований, которые связаны не с принципами теории, а с ее методологическими установками, по линии соответствующей интерпретации созданного математического формализма. Разработка методологических установок квантовой механики, являвшаяся важнейшим звеном в интерпретации этой теории, длилась вплоть до конца 40-х годов ХХ века. Завершение выработки этой интерпретации одновременно означало и завершение научной революции в физике, начавшейся в конце ХIХ века.

Основной отличительной особенностью экспериментальных исследований в области квантовой механики является фундаментальная роль взаимодействия между физическим объектом и измерительным устройством. Это связано с корпускулярно-волновым дуализмом. И свет и частицы проявляют в различных условиях противоречивые свойства, и, в связи с этим, о них возникает противоречивое представление. В одном типе измерительных приборов (дифракционная решетка) они представляются нам в виде непрерывного поля, распределенного в пространстве, будь то световое поле или поле, которое описывается волновой функцией. В другом типе приборов (пузырьковая камера) эти же микроявления выступают как частицы, как материальные точки. Причиной корпускулярно-волнового дуализма, по Бору, является то обстоятельство, что сам микрообъект не является ни волной, ни частицей в обычном понимании.

Невозможность провести резкую границу между объектом и прибором в квантовой физике выдвигает две проблемы:

·  ·     каким образом можно отличить знания об объекте от знаний о приборе?

·  ·     каким образом, различив их, связать в единую картину, теорию объекта?

Первая задача разрешается введением требования описывать поведение прибора на языке классической физики, а принципиально статистическое поведение микрочастиц - на языке квантово-механических формализмов. Вследствие того, что сведения о микрообъекте получают в результате его взаимодействия с классическим прибором, т.е. макроскопическим объектом, микрообъект можно интерпретировать только в классических понятиях, т.е. использовать классические представления о волне и частице. Мы как бы вынуждены говорить на классическом языке, хотя с его помощью нельзя выразить все особенности микрообъекта, который не является классическим.

Вторая задача разрешается с помощью принципа дополнительности: волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают и не заменяют друг друга, а взаимно дополняют друг друга, при одном представлении микрообъекта используется причинное описание соответствующих процессов, в другом же случае пространственно - временное. Единая картина объекта является синтезом этих двух описаний.