Концепция микросостояния объекта. Ограничение воздействия на микроуровне как фундаментальный закон природы. Микросостояние одной микрочастицы. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц. Концепция микросостояний объекта.
Мы знаем еще со школы, да и на собственном опыте о проявлении атомизма вещества. Свойства атомов, электронов и атомных ядер довольно трудно сочетать с законами классической физики. В законах отсутствует отличающий большой материальный объект от малого, тогда как в природе наблюдается четкое различие по размерам и другим свойствам между микрообъектами и макроскопическими телами. Это различие универсально и связано с каким-то общим свойством, присущим микромиру в целом, а не со свойствами каких-то конкретных атомов или типов действующих в них сил.
Реакция материального объекта на внешнее воздействие, включая воздействие, с которым связано любое наблюдение за объектом позволяет различать микро- и макрообъекты. Предполагается, что воздействие при наблюдении всегда можно сделать пренебрежимо малым независимо от размеров и других свойств объекта. Т.к. атомы обладают близкими по величине размерами и энергиями связи, естественно допустить, что в самой природе существует ограничение на минимальное значение любого воздействия на материальный объект, включая самое аккуратное его наблюдение.
Критерий, позволяющий отличить большие объекты от малых - если объект таков, что минимальным квантовым воздействием на него можно пренебречь, то это макрообъект; если же объект таков, что минимальным квантовым воздействием на него пренебречь нельзя, то это микрообъект. Природа устроена так, что в ней существует min «порция» («атом») квантового воздействия. Новый фундаментальный закон природы – существование универсального ограничения на величину квантового воздействия.
Для нахождения соответствующей «порции» необходим тщательный анализ экспериментов. При воздействии меняются – все вместе или порознь – энергия, импульс и момент материального объекта. Если уж воздействие в природе характеризуется некой минимальной порцией, то это должно единообразно сказываться на всех физических величинах, которые передаются объекту при воздействии.
Заслуга распространения принципа атомизма принадлежит М. Планку. Поводом, приведшим его к открытию нового фундаментального закона природы, послужило исследование процессов испускания и поглощения электромагнитного излучения нагретыми твердыми телами при постоянной температуре (теплового излучение). Характерной особенностью рассмотренной им системы было, то, что в ней взаимодействовали два материальных объекта: атомы вещества и электромагнитное излучение. Результаты опытов не зависели от типа вещества и зависели лишь от такой общей характеристики электромагнитного излучения, как частота w, следовательно, это универсальное явление. Все попытки объяснить экспериментальные данные по тепловому излучению с точки зрения классической физики закончились неудачей. В конце 1900 года Планк первым осознал, что причина неудач связана с концепцией, присущей классическому взгляду на природу. Тщательный анализ экспериментальных законов теплового излучения привел его к выводу, что их можно объяснить, если предположить, что воздействие электромагнитного излучения на атомы вещества происходит отдельными дискретными «порциями», отличными от нуля.
Универсальной количественной характеристикой минимального квантового воздействия на объекты, находящиеся в микросостояния, служит постоянная Планка Дж×с, или элементарный квант действия. Любое воздействие, происходящее в природе, можно охарактеризовать целым числом квантов действия , так что постоянная Планка играет роль неделимой более «порции» или «атома» воздействия.
Сейчас идея Планка обоснована бесчисленными опытами с самыми различными объектами в микросостояниях, из которых следует одно и то же значение .
Универсальный характер постоянной Планка проявляется в том, что через нее могут быть выражены любые физические характеристики, которыми обмениваются два взаимодействующих объекта.
Дальнейшая разработка этой идеи и применение ее к объяснению все новых и новых экспериментов в микромире привели в конце 20-х годов XX в. к созданию квантовой физики.
Значение открытия Планка, его квантовой гипотезы не сводится только к построению еще одной фундаментальной физической теории, речь идет о принципиальном изменении взгляда на природу и методы познания ее человеком.
Квантовая физика позволила последовательно развить качественно новый, неклассический взгляд на природу.
Открытие Планка, создало основу для объяснения существования в природе атомизма, а с другой стороны, показало всю ограниченность самого принципа атомизма. Классическая физика знает только одну форму описания сложной системы – это составная система, т.е. система, состоящая из каких-то более элементарных объектов. Но
ситуация коренным образом изменилась с установлением фундаментальной роли в природе постоянной Планка .