Квантовая механика

Материал из Циклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Квантовый парадокс
Ричард Фейнман: Характер физического закона. Лекция #6. Природа квантовой механики [55:03]
Гордон — Диалоги (№ 113). Диалектика кванта
Гордон — Диалоги (№ 149). Странности квантового мира

Квантовая механика, квантовая теория поля — наиболее универсальная теория физики, описывающая все известные взаимодействия помимо гравитации (по состоянию на 2015 год или поныне) с точностью, избыточной на практике.

Содержание

[править] Общая информация

Даже начальное освоение квантовой физики требует отвержения классических (интуитивных, школьных) представлений о действительности или, по крайней мере, о науке, как текущем фронте человеческих познаний. Например, в квантовой теории «нельзя» — логически бессмысленно — теоретизировать о пространственно-временном положении некоего «объекта» (планеты, атома, электрона, луча света, «точки»…) в терминах вещественночисленных координат. «Нельзя» искать теорию, которая бы предсказала момент времени и конфигурацию радиоактивного распада нестабильной частицы. «Нужно», «приходится» вычислять лишь распределение вероятностей по спектру возможного «будущего», для всех материально-энергетических систем.

Притом же, благодаря точности квантовой теории, возможно рассматривать многие «достаточно большие» системы (начиная, более-менее, с атомов), как агрегат вероятностно независимых элементов, и, используя аксиоматически строгие математические методы, такие, как математический анализ и теория вероятностей, «разгладить» вероятностную картину предсказаний до требуемого уровня приближенности.

[править] История

Квантовая теория была зачата Максом Планком в публикации от 1900 года при первой успешной попытке теоретического объяснения экспериментальных данных о тепловом излучении, которые не соответствовали предсказаниям статистической механики в сочетании c «классической» теорией электромагнитного поля. Вместо теплового взаимодействия, как обмена «потоками» лучевой энергии произвольной величины, требовалось предположить, что энергия распространяется «порциями», «величинами» — квантами, — дискретизующими взаимодействия. Позже Альберт Эйнштейн (1905) обосновал универсальную применимость такой гипотезы, — в частности, на примере фотоэффекта.

Квантовая механика в виде свода законов, выражаемых уравнениями, была создана В. Гейзенбергом (1925) и в волновой форме Э. Шрёдингером (1926).

[править] Основные уравнения

По представлениям Планка, энергия кванта пропорциональна частоте ν с коэффициентом пропорциональности, определённым по формуле:

[math] \mathcal{E} = h \nu = \hbar \omega\, [/math]

где h — постоянная Планка, и [math]\hbar=\frac{h}{2\pi}[/math].

Частота колебаний ν и длина волны А связаны соотношением: Аν = с, где с — скорость света.

Таким образом, чем меньше длина волны, тем больше энергия кванта, и наоборот. Например, у рентгеновских лучей энергия выше, чем у радиоволн.

Массивные элементарные частицы обладают более выраженными чертами собственно частиц, но, как оказываются всё теми же квантами, волнами-частицами, с высокой энергией (вернее массо-энергией), а стало быть, малой длиной волны.

Математически это выражается соотношением де Бройля, согласно которому частице массой m, движущейся со скоростью v, соответствует волна длиной А: А =h /(mv), где h — постоянная Планка.

[править] Принцип неопределённости Гейзенберга

Гейзенбергом установлен (1927) принцип неопределённости: кванты (всё, что «существует») могут быть наблюдаемы, как умещённые в каком-то определённом месте, лишь с той точностью, с которой соответствующее этому месту измерение их импульса (в классическом виде [math]p = mv[/math]) неточно́. Это фундаментальный теоретический принцип, а не эффект измерений (характеризация принципа неопределённости, как эффекта наблюдателя — ошибка в популярных дискуссиях.)

Пусть Δx — среднеквадратическое отклонение координаты частицы M, движущейся вдоль оси x, и Δp — среднеквадратическое отклонение ее импульса. Величины Δx и Δp связаны следующим неравенством, которое называется соотношением неопределённостей:

[math] \Delta x \Delta p \geqslant \frac{\hbar}{2} [/math]

где h — постоянная Планка, а [math]\hbar=\frac h {2\pi}.[/math]

Согласно соотношению неопределённостей, невозможно абсолютно точно определить одновременно координаты и скорость частицы. То есть, чем точнее мы знаем координаты частицы, тем хуже мы знаем ее скорость, и наоборот.

Для макрочастиц величина отношения h/m очень мала, поэтому для них справедливы законы классической механики, в рамках которых скорость и положение частицы могут быть точно определены одновременно. Однако для описания поведения микрочастиц классическая механика непригодна.

[править] См. также

Персональные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
Навигация
Инструменты