Почему Квантовая механика не является «Полной теорией»? Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

Актуальные проблемы авиации и космонавтики. Социально-экономические и гуманитарные науки

УДК 008.2

А. С. Филиппов Научный руководитель - В. П. Жереб Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Красноярск

ПОЧЕМУ КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА НЕ ЯВЛЯЕТСЯ «ПОЛНОЙ ТЕОРИЕЙ»?

Показано, что появление квантовой механики было связано с невозможно исчерпывающе описать состояние всех объектов микромасштаба реальности с использованием привычных для классической физики пространственных и временных представлений.

Близкие по природе проблемы возникли в классической физике при интерпретации экспериментальных результатов, полученных при изучении строения атома, т. е. при переходе к микромасштабу реальности. К началу ХХ века в классической физике существовала только одна модель атома - «пудинг с изюмом», предложенная и названная так английским физиком Дж. Дж. Томсоном после открытия им отрицательно заряженной элементарной частицы - электрона. В соответствии с этой моделью, атом любого вещества состоял из положительно заряженной матрицы - «пудинга», равномерно распределенного по сфере диаметром приблизительно 0,1 нм, в котором для соблюдения электронейтральности «плавает» «изюм» - отрицательно заряженные электроны. Их колебания возбуждают в пространстве электромагнитные волны.

Открытие и изучение радиоактивного излучения, обнаруженного у некоторых природных минералов, подсказало английскому физику Э. Резерфорду идею использовать одну из его составляющих -а-излучение - для исследования строения атома. Поскольку а-частицы представляют собой положительно заряженные ионизированные ядра гелия, их поток не должен проходить даже через очень тонкую пластинку (фольгу) твердого вещества: в соответствии с моделью Томпсона, они будут отталкиваться от положительно заряженной основной массы атома при приближении к поверхности твердого вещества.

Результаты выполненного экспериментального исследования полностью не соответствовали этим предположениям. Эксперименты показали, что во-первых, фольга всех исследованных веществ оказалась почти полностью прозрачной для а-частиц - основной их поток проходил через фольгу практически без отклонения от своего основного направления; во-вторых, наблюдается незначительное количество рассеянных а-частиц, число которых падает с увеличением угла рассеивания.

Оценив соотношения количества рассеянных а-частиц и прошедших через вещество, Э. Резерфорд в 1911 году предложил «планетарную» модель атома, в соответствие с которой внутри атома имеется положительно заряженное ядро с зарядом +Ъе, вокруг которого вращаются Ъ электронов с отрицательным зарядом -Ъе; почти вся масса атома сосредоточена в ядре, размеры которого меньше, чем 10-14 м, чем и объясняется прозрачность вещества для а-частиц. Только такая модель полностью соответствовала всем имеющимся экспериментально установленным фактам.

Однако хорошо экспериментально обоснованная планетарная модель строения атома в соответствии с классической электродинамикой должна быть неустойчивой! Из уравнений Максвелла следовало, что точечный заряд, двигающийся с ускорением, т. е. находящийся под действием силы, должен рассеивать свою энергию в виде электромагнитного излучения. Это значит, что электроны, вращаясь вокруг ядра по криволинейным траекториям, должны, излучая электромагнитные волны, терять свою кинетическую энергию и в итоге упасть на ядро. Ничего подобного с реальными атомами вещества не происходит. Так возникло противоречие между классической физикой и экспериментом при интерпретации явлений микромасштаба реальности, которое завершило эпоху господства классической физики и положило начало новому этапу ее развития [1].

Квантовая теория строения атома водорода была предложена в 1913 году выдающимся датским физиком - теоретиком Н. Бором. В основу своей теории Н. Бор положил три постулата.

Постулаты Бора, находясь в полном противоречии с классической механикой и электродинамикой, были экспериментально подтверждены спектроскопическими исследованиями атома водорода. Можно сказать, что поведение элементарных частиц в микромире уже нельзя было в полной мере описывать с помощью абстрактного объекта классической физики -материальной точки.

Наиболее ярко эти ограничения выражаются принципом неопределенности В. Гейзенберга, который с помощью мысленного эксперимента показал, что при описании состояния микрочастицы возникают принципиальные ограничения: невозможно одновременно с высокой точностью определить координату и импульс микрочастицы. Погрешность совместного определения этих характеристик состояния не может быть меньше соотношения неопределенности

Ах ■ Ар > Ь, (1)

где Ах и Ар - погрешности в определении координаты и импульса соответственно; Ь - постоянная Планка.

Таким образом, было показано, что состояние всех объектов микромасштаба реальности невозможно исчерпывающе описать с использованием привычных для классической физики пространственных и временных представлений.

Для интерпретации спектров многоэлектронных атомов и поведения микрочастиц в 1924 году французский физик Луи де Бройль предложил использо-

Секция «Концепции современного естествознания»

вать выражение для плоской волны. Так в естествознание вошел парадоксальный симбиоз - своего рода кентавр теоретической физики, абстрактный объект частица-волна, который выражает попытку устранить указанную ограниченность абстрактных объектов классической физики неким симбиозом материальной точки и поля. Это представление получило название корпускулярно-волнового дуализма.

В настоящее время для описания состояния электронов в атоме используют введенную австрийским физиком В. Шредингером Т-функцию (пси-функцию), которая не имеет аналогов в привычном нам макромире. Было показано, что ее квадрат Т2 пропорционален вероятности нахождения микрочастицы в данной точке пространства. Поэтому Т-функцию рассматривают как амплитуду этой вероятности в волновом уравнении Шредингера, аналогичном уравнению плоской волны [1].

Непримиримым и категорическим противником такого подхода был А. Эйнштейн [2]. Он считал неприемлемым вероятностное описание состояния любого объекта физической реальности, в том числе

электрона. Одним из принципиальных аргументов А. Эйнштейна было заявление «Бог не играет в кости!» Однако до настоящего времени большая часть физиков настаивает на том, что в этом образе выражается природный дуализм реальности. Этому способствуют эксперименты, которые показывают проявление одновременно и волновых (дифракции и интерференции), и корпускулярных свойств как отдельных микрочастиц, так и их поведения в потоке.

Библиографические ссылки

1. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Квантовая механика (нерелятивистская теория). М. : Физматлит, 2004.

2. Эйнштейн А. Подольский Б., Розен Н. Можно ли считать, что квантово-механическое описание физической реальности является полным? // Успехи физ. наук. (1936). Т. 16. № 4. С. 440-446.

© Филиппов А. С., 2012