Основные идеи и принципы квантовой физики. Дуализм природы света. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы

Вся классическая физика строится, исходя из представления о непрерывной природе пространства, времени, движения, непрерывного характера изменения всех физических величин. Эта континуалистская методология, берущая свое начало от понимания движения Аристотелем, сыграла свою важную роль в развитии математической физики.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк сформулировал гипотезу, которая открыла новую эру в физике –квантовую физику. Суть гипотезы: вещество не может излучать или поглощать энергию иначе, как конечными порциями (квантами), пропорциональными излучаемой (или поглощаемой) частоте. Энергия одной порции (кванта) Е = h v, где v – частота излучения, a h – некоторая универсальная константа, получившая название постоянной Планка.

Планк своими исследованиями продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями – квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны. Эксперименты М. Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами.

Такой вывод был несовместим с представлениями классической физики На протяжении двух столетий в оптике соперничали корпускулярная и волновая теории, объяснявшие природу световых явлений на разных основаниях. В XVII в. дискуссия развернулась между И. Ньютоном, который придерживался корпускулярной теории, и нидерландским ученым X. Гюйгенсом – сторонником волновой теории. В соответствии с теорией И. Ньютона, свет есть поток материальных частиц-корпускул, наделенных неизменными свойствами и взаимодействующих с другими частицами в соответствии с законами механики. Корпускулярная теория хорошо объясняла явления аберрации и дисперсии света, но испытывала трудности в объяснении явлений интерференции, дифракции и поляризации света. Согласно теории X. Гюйгенса свет представляет собой волну, распространение которой аналогично распространению волн на поверхности воды, и подчиняется тем же законам. Особой средой для распространения световых волн X. Гюйгенс считал эфир. Волновая теория, в отличие от корпускулярной, хорошо объясняла явления интерференции, дифракции и поляризации. Однако на протяжении XVIII в. большинство ученых придерживалось корпускулярной теории И. Ньютона, несмотря на эвристическую силу и убедительность волновой теории X. Гюйгенса. В 1818 г. с критикой корпускулярной теории выступил французский физик О. Френель. Его выводы убедительно говорили в пользу волновой теории.

Окончательное подтверждение волновая теория получила после измерения скорости света в разных средах – воде и воздухе. Согласно корпускулярной теории скорость света в воде должна быть больше, чем скорость света ввоздухе. Однако эксперимент показал, что скорость света в воде, т.е. в более плотной среде, оказалась меньше, чем скорость света в воздухе – менее плотной среде.

Недостатком волновой теории света было представление о среде – носителе световой волны. В XIX в. выдвигалась гипотеза, согласно которой таким носителем выступает светоносный эфир.

Недостатки волновой теории света привели к тому, что в конце XIX – начале XX в., благодаря концепции М.Планка, физики вновь вернулись к корпускулярной теории.

В 1905 году А. Эйнштейн обратил внимание на то, что дискретная природа света в соответствии с гипотезой Планка проявляется и в явлении фотоэффекта (выбивание электронов из вещества под действием электромагнитных волн), причем не только в актах испускания или поглощения, но и при свободном распространении излучения в пространстве с течением времени. Таким образом, Эйнштейн предложил фотонную теорию света, которая рассматривает свет как волну с прерывистой структурой, т.е. свет есть поток неделимых корпускул, квантов, которые Эйнштейн назвал фотонами. А. Эйнштейн объяснил явление фотоэффекта: электрон выбивается фотоном лишь в том случае, если энергия фотона достаточна для преодоления силы взаимодействия электронов с атомным ядром. В 1922 г. за создание квантовой теории света А. Эйнштейн получил Нобелевскую премию. В 1923 году было открыто еще одно явление, подтверждающее существование фотонов – эффект Комптона.

Итак, свет – поток фотонов. Фотон обладает энергией Е = hv. Согласно теории относительности, частица с энергией Е обладает массой m = Е/С². Фотон – частица, движущаяся со скоростью света С. При движении фотона его масса, как видно из приведенных формул, конечна. Однако подстановка в формулы специальной теории относительности значения скорости движущегося объекта V = C приведет к равенству нулю массы покоя фотона. То есть фотон существенно отличается от обычных известных к тому времени в физике частиц, так как не имеет массы покоя и может существовать только в движении. Из равенства вышеприведенных формул получим:

h v = m С².

Импульс фотона Р = mС и, следовательно, равен:

Р = h v/C = h/λ,

где λ – длина волны.

Открытие Максвеллом электромагнитной природы света только укрепило эту уверенность. Специальная теория относительности не подвергала критическому пересмотру эту точку зрения. Отметим, что классическая физика исходит из коренного различия между понятиями частицы и волны. Считается, что частица обладает конечным числом степеней свободы, строгой траекторией движения, отсутствием интерференции и дифракции. Волна же обладает бесконечным числом степеней свободы, бестраекторностью, ибо каждая точка пространства, куда приходит возбуждение, сама становится источником вторичных волн.

Открытие Планка не перечеркивало ряд эффектов, в которых свет проявляет свои волновые свойства. Но при этом были открыты явления, свидетельствующие о корпускулярной природе света. Таким образом, в одних ситуациях свет ведет себя как волна; а в других ситуациях, не совместимых с первыми в одном и том же эксперименте, свет ведет себя как поток фотонов. Эта идея получила название корпускулярно-волнового дуализма. Принцип корпускулярно-волнового дуализма устанавливает единство дискретности и непрерывности материи.

Объяснение фотоэффекта помимо квантовой гипотезы М. Планка опиралось на новые представления о строении атома. В 1911 г. английский физик Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома. Эта модель представляла атом как положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Возникающая при движении электронов по орбитам сила уравновешивается притяжением между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами. Общий заряд атома равен нулю, поскольку заряды ядра и электронов равны друг другу. Почти вся масса атома сосредоточена в его ядре, а масса электронов ничтожно мала. С помощью планетарной модели атома было объяснено явление отклонения альфа-частиц при прохождении через атом. Поскольку размеры атома велики по сравнению с размерами электронов и ядра, постольку альфа-частица без препятствий проходит через него. Отклонение наблюдается тогда, когда альфа-частица проходит близко от ядра, в этом случае электрическое отталкивание вызывает ее резкое отклонение от первоначального пути.

В 1913 г. датский физик Н. Бор предложил более совершенную модель атома – квантовую, дополнив идеи Э. Резерфорда новыми гипотезами. Постулаты Н. Бора звучали следующим образом:

1. Постулат стационарных состояний. Электрон совершает в атоме устойчивые орбитальные движения по стационарным орбитам, не испуская и не поглощая энергии.

2. Правило частот. Электрон способен переходить с одной стационарной орбиты на другую, при этом испуская или поглощая энергию. Поскольку энергии орбит дискретны и постоянны, то при переходе с одной из них на другую всегда испускается или поглощается определенная порция энергии.

Квантовые постулаты Н. Бора означали отказ от классических физических представлений, которые до этого времени считались абсолютно истинными.

Н. Бор предположил, что микрочастицы не являются ни волной, ни корпускулой. Выяснилось, что при одном типе измерительных приборов они ведут себя как непрерывное поле, при другом – как дискретные материальные частицы, т.е. состояния электрона могут меняться. Изменилось и представление о точных орбитах движения электронов. Вследствие своей волновой природы электроны скорее «размазаны» по атому, причем весьма неравномерно. В определенных точках плотность их заряда достигает максимума. Кривая, связывающая точки максимальной плотности заряда электрона, и представляет собой его «орбиту».

В 20-30-е гг. XX в. В. Гейзенберг и Л. де Бройль заложили основы новой теории – квантовой механики, основополагающей идеей которой является идея о том, что корпускулярно-волновая двойственность свойств, установленная для света, имеет универсальный характер. В 1924 году Луи де Бройль распространил идею о двойственной корпускулярно-волновой природе света на все материальные объекты, введя представление о волнах, названных волнами де Бройля. Все частицы, обладающие конечным импульсом Р, обладают волновыми свойствами, и их движение сопровождается некоторым волновым процессом. Де Бройль, исходя из общих принципов теории относительности, получил закон, устанавливающий зависимость длины волны, связанной с движущейся частицей, от импульса частицы:

λ = h/P, где h – постоянная Планка.

Вид зависимости полностью совпал с соотношением для фотона и связанной с ним световой волной.

На основе уже установленной дуальной (корпускулярной и волновой) природы света Луи де Бройль высказал идею о волновых свойствах любых материальных частиц. Так, например, в разных экспериментальных ситуациях электрон ведет себя по-разному: в одних – как частица, а в других – как волна. Электрон ведет себя как частица, когда движется в электромагнитном поле, и как волна, когда проходит сквозь кристалл. Этот совершенно неожиданный, с точки зрения классической физики, результат был выражен в принципе неопределенности Гейзенберга и принципе дополнительности Бора.

В 1926 г. Э. Шредингер на основе идей Л. де Бройля построил волновую механику. По его мнению, квантовые процессы – это волновые процессы, поэтому классический образ материальной точки, занимающей определенное место в пространстве, соответствует только макропроцессам и совершенно неверен для микромира. В микромире частица существует одновременно и как волна, и как корпускула. В квантовой механике электрон можно представить как волну, длина которой зависит от ее скорости. Уравнение Э. Шредингера описывает движение микрочастиц в силовых полях и учитывает их волновые свойства.

На основе этих представлений в 1927 г. был сформулирован принцип дополнительности, согласно которому волновые и корпускулярные описания процессов в микромире не исключают, а взаимно дополняют друг друга, и только в единстве дают полное описание. Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего. Утверждение корпускулярно-волнового дуализма стало основой квантовой физики.

В классической физике предполагается, что координаты движущегося объекта можно определить с абсолютной точностью. Квантовая механика существенно ограничивает эту возможность.

В 1927 г. немецкий физик В. Гейзенберг в своей работе «Физика атомного ядра» сформулировал вывод, который получил название принципа соотношения неопределенностей. Суть его в следующем: невозможно одновременно иметь точные значения разных физических характеристик микрочастицы – координаты и импульса. Если мы получаем точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной, существуют принципиальные ограничения на измерение физических величин, характеризующих поведение микрообъектов.В научном эксперименте влияние человека оказывается неустранимым. Это обстоятельство является следствием объективных, корпускулярно-волновых свойств микрообъектов.

Два фундаментальных принципа квантовой физики – принцип соотношения неопределенностей и принцип дополнительности – указывают на то, что наука отказывается от описания только динамических закономерностей. Законы квантовой физики – статистические. В дальнейшем квантовая теория стала базой для ядерной физики, а в 1928 г. П. Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.