История развития квантовой механики кратко
Обновлено: 03.07.2024
Христов
1 Введение
1.1 Краткая история возникновения квантовой механики
В классической физике для описания некоторых явлении используется понятие частица, а в других случаях - понятие волна. В частности, свет рассматривается как волна .
В 1900 г. Планк показал, что спектр излучения абсолютно черного тела, который не удалось описать с использованием волн, может быть объяснен, если предположить, что свет испускается в виде дискретных порций энергии [20, 21]. Затем, в 1905 г. Эйнштейн[14] расширил гипотезу Планка при обсуждении фотоэффекта, допуская, что свет квантуется всегда в процессах испускания и поглощения.
С другой стороны, в 1923 г. де Бройль выдвинул противоположную гипотезу, что частицы могут проявлять волновые свойства. [5, 6, 4, 7]. Эта гипотеза также была блестяще подтверждена в эксперименте Девиссона и Джермера в 1927 г. 112>.
В 1925 г. Гейзенберг создал матричную механику [17]. Она была в состоянии предсказать энергетические уровни квантовых систем. Через год Шредингер предложил альтернативную формулировку, использующую волновую функцию и дифференциальное уравнение второго порядков частных производных [22].
Усилия Дирака [13], Иордана [18] и других физиков по объединению двух формулировок привели к более общему формализму
квантовой механики (19). В квантовой механике исследуется вектор состояния> который в своих конкретных представлениях может рассматривания как волновая функция, как вектор поляризации и т.д.
Таким образом, в физике произошел коренной поворот. Впервые физические результаты были получены не на основе конкретной модели явления, а используя такую абстрактную математическую конструкцию как волновая функция Шредингера. Возникла жизненно важная потребность в интерпретации абстрактных математических объектов.
В ретроспективе, работа Борна предвосхищает даже более радикальную революцию: переключение физики с онтологии (с дискуссии о сущности явления, с ответа на вопрос что является) на эпистемологию (дискуссию о том, что известно). Согласно Борну, эксперимент по измерению положения квантовой системы будет давать результат в соответствии с вероятностями, вычисленными на основе волновой функции. Т.е., обсуждается, какие результаты будут получены, вместо моделирования процесса их получения. Мир искусственно делится на систему и наблюдатель.
1.2 Что такое интерпретация?
Буквальный перевод слова интерпретация - истолкование, объяснение, разъяснение. В математической логике, философии и методологии науки интерпретация - приписывание значений (смыслов) элементам теории (выражениям, формулам, символам и т.д.); в герменевтике интерпретация - истолкование текстов, выявление или реконструирование их смыслового содержания /27/.
При рассмотрении различных интерпретаций возникают следующие вопросы:
- Принимая квантовую механику как эпистемологическую теорию, как разделить систему и наблюдатель? Какая часть описывается волновой функцией и какая - понятиями классической механики?
- Существует ли более общая онтологическая модель, из которой можно вывести возможность описания некоторых систем на языке квантовой механики?
Если такая модель предложена, то возможно ли в ее рамках свести индетерминизм квантовой механики к некоторому более глубоко лежащему детерминированному механизму?
Эйнштейн и его сторонники (в том числе Шредингер) были убеждены, что в основе вероятностных эпистемологических предсказаний квантовой механики должна лежать детерминистская онтологическая физика. Физические состояния в такой теории описываются при помощи так наз. скрытых переменных.
В 1935 г. Эйнштейн, Подольский и Розен (ЭПР) показали, что формализм квантовой механики приводит к нелокальности: взаимодействие в одной точке может приводить сразу к последствиям в удаленной точке [15]. На основе этого они сделали вывод о неполноте квантовой механики. Они считали, что должна существовать более фундаментальная локальная теория, описывающая физические процессы.
Точка зрения Бора по этому вопросу была близка к позитивизму. Он настаивал на описание явлении при помощи макроскопических наблюдаемых и отвергал идею, что волновая функция Шредингера описывает состояние частицы. В лучшем случае он рассматривал ее как удобный математический инструмент для предсказания результатов экспериментов над частицей. Для него вопрос о нелокальном поведении волновой функции был лишен физического смысла.
Фон Нейман и Дирак, с другой стороны, считали вполне правомерным рассматривать состояние частицы. Однако они отвергали аргументы ЭПР о более общей теории, считая, что мир действительно нелокален.
В 1964 г. противоречие приобрело неожиданный оборот, так как Белл показал, что предсказания квантовой теории, а не только формализм нелокальны /1/. Даже гипотетическая более фундаментальная детерминистская теория должна быть нелокальной.
К тому моменту были сделаны две важные работы в области интерпретации квантовой механики. В 1952 г. Бом предложил свой вариант теории со скрытыми переменными [2]. (Основная идея теории Бома была впервые предложена де Бройлем [8) но затем признана им же ошибочной [9].) Хотя эта теория и имеет некоторые странные черты, в том числе нелокальность, но она является первым реальным кандидатом детерминистской теории, воспроизводящей все результаты квантовой механики.
В 1957 г. Эверетт предложил одну из наиболее радикальных интерпретации квантовой механики. Он считал, что волновая функция Шредингера описывает не один мир, а бесконечно возрастающее множество реальностей [16]. При измерении положения частицы может оказаться, что она обнаружена в том или ином месте, однако Эверетт предлагает считать, что она находится и там и здесь, но в параллельных мирах.
Интерпретация параллельных миров выглядит довольно странно и туманно. Что заставляет миры расщепляться в процессе измерения?
Квантовая механика сформулирована в терминах системы и наблюдателя. Она описывает состояние системы на основе уравнения Шредингера, или в более абстрактном подходе, с использованием математического аппарата Гильбертова пространства. Теория предсказывает возможные результату любого эксперимента, выполненного наблюдателем, и их вероятности. В этой связи возникают следующие проблемы.
Проблема измерения
Процесс измерения существен как в квантовой, так и в классической механике. Любое измерение включает в себя взаимодействие между прибором и наблюдаемой системой, тем самым меняя ее свойства. Однако в квантовой механике, в отличии от классической, изменения состояния системы регламентируются фундаментальными постулатами теории. В результате имеем два различных закона, управляющих изменениями состояния системы. Первый дается уравнением Шредингера, которое характеризует поведение системы до тех пор, пока она не возмущена каким-либо экспериментов по измерению физической величины.
Такое поведение полностью детерминировано, так как зная начальное состояние системы, получаем однозначное предсказание будущего ее состояния. Второй закон - проективный постулат, который управляет системой, когда она подвергается акту измерения. Он имеет принципиально вероятностную природу и описывает непредсказуемые изменения в системе, возникающие в ней в результате проведенного измерения.
Однако, что отличает физический процесс, являющийся экспериментом по измерению физической величины, который управляется проективным постулатом, от физического процесса, который управляется уравнением Шредингера?
Согласно Бору, как уравнение Шредингера, так и проективный постулат применимы только к микроскопическим квантовым системам. Макроскопический прибор описывается классической механикой. Проективный постулат следует использовать только, когда квантовая система взаимодействует с классическим прибором.
Такая точка зрения разделяет окружающий нас физический мир на два типа объектов - квантовые и классические, причем каждый подчиняется физическим законам, соответствующим его типу. Однако неясным остается вопрос, как решить, является ли конкретный объект квантовым или классическим. В этом и состоит суть проблемы измерения.
Эту проблему можно проиллюстрировать на основе знаменитого парадокса Шредингера с кошкой. Кошка находится в закрытом ящике вместе с бомбой. Бомба приводится в действие распадом нестабильной частицы.
Согласно квантовой механики, частица находится в суперпозиции не распавшегося и распавшегося состоянии. Временная эволюция состояния описывается уравнением Шредингера. Если бомба проверяет состояние частицы через одну минуту, то каждый раз частица переходит либо в распавшееся, либо в не распавшееся состояние с соответствующими вероятностями, а бомба взрывается или нет. Кошка либо жива, либо нет.
Такое описание предполагает, что частица - это квантовая система, а бомба (или кошка) - внешний наблюдатель. Теперь пусть весь ящик рассматривается как квантовая система, а Шредингер - наблюдатель. Квантовая механика предсказывает, что кошка находится в состоянии суперпозиции живой и мертвой кошек, пока Шредингер не проверит, что в ящике.
Эта проблема показывает, что нельзя делать произвольное разделение на систему и наблюдатель. Также нельзя рассматривать всю Вселенную или любую другую замкнутую систему (т.е. систему без наблюдателя) как квантовую систему, так как в этом случае кошка всегда будет суперпозицией живой и мертвой кошек, что выглядит довольно странно.
Индетерминизм
Квантовая механика предсказывает вероятности результатов измерений. Ее утверждения имеют принципиально вероятностный характер в отличие от предшествующих ей физических теории. Другие случаи использования теории вероятностей в физике связаны с неполным знанием ситуации; при этом предполагается, что в дальнейшем можно получить более полные сведения, которые исключат вероятности. Однако, если принимать квантовую механику как окончательную теорию, то следует считаться с тем, что никакое дальнейшее знание невозможно.
Эту черту квантовой механики легко понять, но гораздо труднее принять. Психологически это связано с классическим представлением о том, что каждое событие имеет свою причину.
Индетерминизм не поднимает концептуальных проблем, специфичных для квантовой механики. Вопрос, является ли мир на самом деле недетерминированным, скорее всего, философский. В плане интерпретации необходимо рассмотреть до какой степени индетерминизм проясняет вероятностные утверждения квантовой механики.
Нелокальность и несепарабельность
Обычная интерпретация квантовой механики нелокальна. Действие в одной точке может приводит к последствиям в другой, удаленной точке без очевидного вмешательства. Более конкретно, действие в одной точке может заставить наблюдаемую в удаленной точке принять определенное значение. Особенно хорошо это свойство проявляется при рассмотрении системы, составленной из двух подсистем, и находящейся в состоянии …………………… Для такой системы нельзя утверждать, что какая-либо из подсистем находится в своем определенном состоянии, однако можно получить информацию об одной из подсистем, производя эксперименты над другой.
Таким образом, квантовая механика в принципе отрицает возможность описания мира путем деления его на части с полным описанием каждой отдельной части (несепарабельность). Вследствие указанной характерной особенности квантовую механику иногда называют холистической теорией.
3. Различные интерпретации квантовой механики 1
3.1 Минимальная интерпретация
Основные положения
Согласно этой интерпретации, которая была ярко выражена Бором, не надо даже пытаться интерпретировать вектор состояния, чтобы извлечь из него информацию о квантовом объекте; вообще не надо говорить о квантовых объектах. Вектор состояния - просто математический прием, используемый при вычислениях результатов экспериментов; единственная цель любой научной теории - успешно проводить такие вычисления. Эксперименты с микрообъектами должны описываться с помощью понятий классической физики, так как прибор является макроскопическим классическим объектом. Когда мы говорим о микроскопических объектах - это просто удобный сокращенный способ выражать результаты наших расчетов, относящихся к различным классическим состояниям приборов.
Следуя этой интерпретации квантовой механики, нужно различать процедуру приготовления системы и процедуру измерения, производимого над системой. Приготовление проводят в начале эксперимента и оно описывается начальным вектором состояния 1^о) системы; измерение проводят в конце эксперимента и его возможные исходы описываются бра-векторами ………………. Экспериментальное устройство описывается гамильтонианом Н и моментом времени 1, тогда вероятность того, что измерение даст 1-й исход, равна
……………………………….
Заметим, что все величины ………… и …….. определяются с помощью макроскопических экспериментальных устройств. Такая точка зрения разрешает все загадки в отношении квантовых объектов утверждая, что этих загадочных объектов вообще нет. Нет и проективного постулата, так как каждый расчет относится только к данному приготовлению и к данному измерению и его нельзя применять к чему бы то ни было еще, что может случиться после измерения. Если производится повторный эксперимент после измерения А, давшего результат а, на самом деле это - новый эксперимент, процедура приготовления которого состоит в проведении измерения А и отбора тех случаев, в которых результат равен а. Нет ничего удивительного в том, что это приготовление связано с приписыванием системе вектора состояния (^,1, отличного от е~^^[^о).
В излагаемой интерпретации нет принципиального различия между чистыми и смешанными состояниями, так как отличие - лишь в способе приготовления.
Критика
Кроме того, нельзя считать правильным, что единственная цель научной теории состоит в предсказании результатов экспериментов. Почему кто-либо хочет предсказывать результаты экспериментов? Большая часть их вообще не будет использована на практике; даже в тех случаях, когда результаты экспериментов будут использованы, их практическая полезность не имеет отношения к их научной значимости. Предсказание результатов экспериментов - не цель теории; эксперименты лишь позволяют проверить, верна ли теория. Цель теории - познать окружающий нас физический мир.
Этой интерпретации квантовой механики неявно придерживаются авторы большинства современных учебников. В ней утверждается, что вектор состояния является объективным свойством системы в том же смысле, в каком значения координат и импульса являются объективными свойствами частицы в классической механике. Проективный постулат в излагаемой интерпретации является утверждением о реально происходящих изменениях вектор состояния после акта измерения.
В этой интерпретации индетерминизм и соотношение неопределенности просто признаются как характерные черты реально существующего мира. Несепарабельность означает, что данную интерпретацию нельзя прилагать к подсистемам полной системы; нельзя утверждать, что индивидуальные объекты обладают векторами состояний, надо рассматривать вектор состояния только всей Вселенной.
Критика
Пусть будет немало, лишь бы хорошее. Жанна Голоногова
ещё >>
Сегодня трудно представить себе жизнь без таких благ цивилизации как интернет, цифровые технологии, достижения современной медицины и фармацевтики, освоение космоса.
Однако многие не задумываются, что все это есть следствия случившегося в начале 20 века величайшего в истории человечества события – создания квантовой механики.
Удивительно, но некоторые не понимают, что квантовые технологии давно проникли в нашу повседневную жизнь. Дома светят светодиодные лампочки, экран телевизора и смартфона работает на квантовых точках. Все цифровые девайсы и их составляющие (микросхемы, процессоры, память) основаны на транзисторах. В оптоволоконных линиях связи используется лазерное излучение. Системы глобального позиционирования (GPS, ГЛОНАСС) используют атомные часы. Томографы в медицинской диагностике основаны на квантовых явлениях. Да даже расстояния на стройке сейчас измеряют не линейкой, а лазерным дальномером.
Но транзисторы, светодиоды, лазеры, GPS, томографы… они никогда бы не появились не будь квантовой механики. Невозможно случайно изобрести лазер или транзистор. Их создание совсем не похоже на случайное открытие виагры или ЛСД.
А посмотрите как изменило наш мир ядерное оружие и энергетика.
Однако, как это не странно, истории науки и в частности истории квантовой механики уделяется чрезвычайно мало внимания в современном обществе, сопоставив с тем какую роль ее создание оказало на развитие цивилизации.
Различным правителям, социально-экономических режимам, войнам уделяется в школах несопоставимо больше времени. Сравните последствия для человечества ну, например, первую мировую войну с изобретением транзистора. Вряд ли кто-то сможет достоверно ответить на вопрос что бы поменялось для человеческой цивилизации не будь первой мировой войны. Но вот без микроэлектроники современную жизнь представить уже невозможно.
И так было во все времена. Наука формировала облик цивилизации. С научными открытиями связаны целые эпохи. Вспомните изобретение водопровода в античности.
Открытия Ньютона в средних веках привели к бурному развитию механизмов помимо чистой математики, астрономии и многого прочего. Развитие термодинамики в 17 веке привело к появлению паровых машин. Создание электродинамики открыло человечеству путь к использованию электричества.
Но почему-то ученых и научное сообщество принято не замечать в современном мире, хотя они оказывает влияние на цивилизацию куда более и долговременнее каких-то отдельно взятых правителей. Возьмите хотя бы последствия создания атомной бомбы. Нет уже ни Рузвельта, ни Сталина, ни СССР, но созданное Оппенгеймером и Сахаровым ядерное оружие оказывает влияние на мироустройство до сих пор. И вероятнее всего продолжит это делать.
Итак, переместимся к истокам самой значительной научной революции со времен Ньютона, превосходящей по своей значимости все исторические события и мировые войны вместе взятые — создание квантовой механики.
Принято выделять несколько вех в становлении квантовой теории.
Идеи квантовой механики кардинально отличаются от классической Ньютоновской механики. Поэтому чрезвычайно удивительным кажется тот факт, что с появления статьи Гейзенберга в 25 году до окончательной формулировки всех принципов уходит всего два года.
Сольвейскую конференцию 1927 года принято считать окончанием всех разногласий и становлением квантовой механики в ее современном виде. Чрезвычайно удивительно, что формулировка квантовой механики заняла всего каких-то два года. И это несмотря на то, что она требует никогда ранее не используемую в физике математику, и вообще других подходов к постановке физических задач да и вообще изменению мировоззрения в целом.
Сейчас у многих просто изучение квантовой механики по всем доступным благодаря интернету источникам занимает больше чем 2 года времени. А некоторые вообще не способны ее понять сколько бы не изучали. Да, квантовая механика создавалась действительно гениями.
Конечно после 1927 года тоже было многое сделано. Придуманы новые удобные обозначения, осознаны лежащие в основе квантовой механики математические структуры. Развиты подходы к исследованию конкретных задач. Кульминацией всего этого можно считать создание Стандартной модели элементарных частиц и их взаимодействий.
Но фундаментальные принципы, заложенные в 1925-27 годах остались неизменными.
Вернемся к истокам квантовой механики. В 1900 год
Ленин возвращается из трехлетней сибирской ссылки и эмигрирует из России на 5 лет.
Открывается первая ветка парижского метро.
В Германии Цеппелин осуществляет свой первый полёт.
14 декабря Макс Планк читает перед Немецким физическим обществом в Берлине свою знаменитую лекцию об открытом им законе излучения. Планк говорит, что излучение может испускаться только определёнными порциями — квантами.
Энергия квантов пропорциональна частоте. Коэффициент пропорциональности сейчас называется постоянной Планка.
Планк пришел к этой противоречащей известной физике гипотезе пытаясь объяснить экспериментально наблюдаемый спектр теплового излучения.
Сделаем небольшое отступление в физику данного явления.
Известно, что все тела излучают свет, который согласно представлениям классической электродинамики, является просто электромагнитными волнами.
Наше Солнце излучает свет преимущественно в видимом человеческому глазу диапазоне частот. Но оно также излучает в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, но в меньшей степени. Можно построить график зависимости интенсивности излучения от частоты.
Если пренебречь всеми свойствами излучающего тела кроме его температуры, то график зависимости интенсивности от частоты выглядит довольно просто.
Такое излучение называется тепловым излучением абсолютно черного тела. На первый взгляд может показаться абсурдом как черное тело может излучать, оно ведь черное.
Но в этом и вся суть, черное тело не отражает падающий на него свет потому что черное. Оно может только излучать и излучает из-за наличия у него ненулевой температуры. Поэтому такое излучение и называется тепловым. Конечно это в некоторой степени идеализация, но физика в основном и работает с такими упрощениями и идеализациями.
Современники Планка пытались вывести формулу для такой зависимости интенсивности от частоты исходя из первых принципов – классической теории электродинамики Максвелла. Но все предсказания классической электродинамики оказывались противоречащими экспериментальным данным. Получаемая функция уходила в бесконечность при росте частоты, в ультрафиолетовую сторону. Ситуация даже получила свое историческое название – ультрафиолетовая катастрофа.
Максу Планку удалось получить формулу, дающую правильную зависимость, но ценой введения кванта энергии, позже названного фотоном.
планк до и после
Конечно идея частиц света не была нова. Еще сам Ньютон был сторонником корпускулярной теории света. Но опыты с интерференцией и дифракцией света четко говорили в пользу волновой теории света. Со времен Гюйгенса считалось, что корпускулярная теория света мертва. Волновые свойства света можно видеть в сотнях экспериментов, объяснить которые с точки зрения частиц света казалось невозможным.
Макса Планка с его теорией частиц света не воспринимали всерьез вплоть до 1905 года.
Продолжается русско-японская война.
Достроена и официально открыта транссибирская магистраль.
В США основан город Лас-Вегас.
Чарльз Д. Перрайн открыл спутник Юпитера.
Уолтер Гриффитс изобретает пылесос.
Никому не известный 26-летний служащий патентного бюро, Альберт Эйнштейн, в один год публикует работы по специальной теории относительности, броуновскому движению и фотоэлектрическому эффекту.
Фотоэффект наблюдался экспериментаторами еще в конце 19 века. Был, например, известен такой факт, что искровой разряд усиливается если посветить на электрод ультрафиолетом. И это усиление зависело не от интенсивности падающего излучения (его яркости), а только от его частоты.
Если считать свет электромагнитной волной, то такое поведение невозможно объяснить. В волновой теории, несущая волной энергия зависит от амплитуды волны. Чем больше амплитуда волны, тем больше энергия. В рамках классической электродинамики считается, что падающая на металл электромагнитная волна раскачивает электроны и отрывает их с поверхности металла. Эти вырванные электроны и формируют дугу разряда. Чем больше амплитуда падающей электромагнитной волны тем больше должно быть вырванных с поверхности электронов и тем больше электрический разряд.
Но на практике получалось, что разряд вообще не зависел от интенсивности падающего света. Разряд менялся только при изменении частоты падающего света. При освещении электрода ультрафиолетом разряд возникает, а при освещении скажем видимым светом уже нет. И увеличение яркости ни к чему не приводит. Ни при какой интенсивности видимого света.
Эйнштейн элегантно объяснил результаты этих экспериментов используя гипотезу Планка. Аргумент чрезвычайно простой и понятный. Согласно Планку энергия излучения переносится только дискретными порциями – квантами, фотонами. Энергия фотона пропорциональна частоте. Если энергии фотона достаточно чтобы вырвать электрон с поверхности металла, то этот электрон будет вносить вклад в электрический разряд. Если же нет, то он останется в материале электрода и никак не влияет на разряд. Следовательно только энергия фотонов влияет на электрический разряд, а не их количество.
То есть Эйнштейн развил далее идею Планка и постулировал, что поглощение света также происходит квантами. Фотоэффект по Эйнштейну не зависит от количества падающих на металл фотонов – интенсивности света. Скорость вылетающих с поверхности металла электронов зависит только от частоты падающего излучения – частоты фотонов.
Красивое и чрезвычайно простое доказательство, за которое Эйнштейну формально и дали Нобелевскую премию в 111 году, хотя конечно основной его вклад в науку – это теория относительности. Но нобелевский комитет чрезвычайно консервативен и формально отказался давать премию за относительность даже в 1921 году, когда уже всем была очевидна справедливость теории относительности.
После публикации Эйнштейна по фотоэффекту к теории Макса Планка о квантах света физики уже начали относиться всерьез.
История квантовой механики берёт своё начало 14 декабря 1900 г., когда Макс Планк предложил теоретический вывод о соотношении между температурой тела и испускаемым этим телом излучением, вывод, который долгое время ускользал от других ученых. Как и его предшественники, Планк предположил, что излучение испускают атомные осцилляторы, но при этом считал, что энергия осцилляторов (и, следовательно, испускаемого ими излучения) существует в виде небольших дискретных порций, которые Эйнштейн назвал квантами. Энергия каждого кванта пропорциональна частоте излучения. Хотя выведенная Планком формула вызвала всеобщее восхищение, принятые им допущения оставались непонятными некоторое время, так как противоречили классической физике. В 1905 г. Альберт Эйнштейн воспользовался квантовой теорией для объяснения некоторых аспектов фотоэлектрического эффекта — испускания электронов поверхностью металла, на которую падает ультрафиолетовое излучение. Попутно Эйнштейн отметил кажущийся парадокс: свет, о котором на протяжении долгого времени было известно, что он распространяется как непрерывные волны, при поглощении и излучении проявляет дискретные свойства.
Примерно через восемь лет Нильс Бор распространил квантовую теорию на атом и объяснил частоты волн, испускаемых атомами, возбужденными в пламени или в электрическом разряде. Эрнест Резерфорд показал, что масса атома почти целиком сосредоточена в центральном ядре, несущем положительный электрический заряд и окруженном на сравнительно больших расстояниях электронами, несущими отрицательный заряд, вследствие чего атом в целом электрически нейтрален.
Новая существенная особенность квантовой теории проявилась в 1924 г., когда Луи де Бройль выдвинул радикальную гипотезу о волновом характере материи: если электромагнитные волны, например свет, иногда ведут себя как частицы (что показал Эйнштейн), то частицы, например электрон при определенных обстоятельствах, могут вести себя как волны. Таким образом в микромире стёрлась граница между классическими частицами и классическими волнами. В формулировке де Бройля частота, соответствующая частице, связана с её энергией, как в случае фотона (частицы света), но предложенное де Бройлем математическое выражение было эквивалентным соотношением между длиной волны, массой частицы и её скоростью (импульсом). Существование электронных волн было экспериментально доказано в 1927 г. Клинтоном Дж. Дэвиссоном и Лестером Х. Джермером в Соединенных Штатах и Джорджем Паджетом Томсоном в Англии.
В свою очередь это открытие привело к созданию в 1933 г. Эрнстом Руской электронного микроскопа.
Под впечатлением от комментариев Эйнштейна по поводу идей де Бройля Эрвин Шрёдингер предпринял попытку применить волновое описание электронов к построению последовательной квантовой теории, не связанной с неадекватной моделью атома Бора. В известном смысле он намеревался сблизить квантовую теорию с классической физикой, которая накопила немало примеров математического описания волн. Первая попытка, предпринятая им в 1925 г., закончилась неудачей. Скорости электронов в теории Шрёдингера были близки к скорости света, что требовало включения в неё специальной теории относительности Эйнштейна и учета предсказываемого ею значительного увеличения массы электрона при очень больших скоростях.
Одной из причин постигшей Шрёдингера неудачи было то, что он не учел наличия специфического свойства электрона, известного ныне под названием спина (вращение электрона вокруг собственной оси наподобие волчка, однако такое сравнение не совсем корректно), о котором в то время было мало известно. Следующую попытку Шрёдингер предпринял в 1926 г. Скорости электронов на этот раз были выбраны им настолько малыми, что необходимость в привлечении теории относительности отпадала сама собой. Вторая попытка увенчалась выводом волнового уравнения Шрёдингера, дающего математическое описание материи в терминах волновой функции. Шрёдингер назвал свою теорию волновой механикой. Решения волнового уравнения находились в согласии с экспериментальными наблюдениями и оказали глубокое влияние на последующее развитие квантовой теории. В настоящее время волновая функция лежит в основе квантовомеханического описания микросистем, подобно уравнениям Гамильтона в классической механике.
Незадолго до того Вернер Гейзенберг, Макс Борн и Паскуаль Иордан опубликовали другой вариант квантовой теории, получивший название матричной механики, которая описывала квантовые явления с помощью таблиц наблюдаемых величин. Эти таблицы представляют собой определенным образом упорядоченные математические множества, называемые матрицами, над которыми по известным правилам можно производить различные математические операции. Матричная механика также позволяла достичь согласия с наблюдаемыми экспериментальными данными, но в отличие от волновой механики не содержала никаких конкретных ссылок на пространственные координаты или время. Гейзенберг особенно настаивал на отказе от каких-либо простых наглядных представлений или моделей в пользу только таких свойств, которые могли быть определены из эксперимента, так как по его соображениям микромир имеет принципиально иное устройство, чем макромир в виду особой роли постоянной Планка, несущественной в мире больших величин.
Вскоре после того, как Гейзенберг и Шрёдингер разработали квантовую механику, Поль Дирак предложил более общую теорию, в которой элементы специальной теории относительности Эйнштейна сочетались с волновым уравнением. Уравнение Дирака применимо к частицам, движущимся с произвольными скоростями. Спин и магнитные свойства электрона следовали из теории Дирака без каких бы то ни было дополнительных предположений. Кроме того, теория Дирака предсказывала существование античастиц, таких, как позитрон и антипротон, — двойников частиц с противоположными по знаку электрическими зарядами.
Открытие квантовой механики стало научной революцией XX века. Тем не менее, высказывание нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана о том, что никто по-настоящему не понимает квантовую механику, все также актуально. Проверьте свои знания о квантовом мире, найдя неверное утверждение
Планк, Бор и Эйнштейн стояли у истоков зарождения квантовой физики, но своим появлением на свет она обязана их ученикам.
Энергия кванта света пропорциональна длине волны, а вероятность излучения на данной длине волны зависит от соответствующей энергии кванта
Нужно представить, что в некой хорошо изолированной от внешних воздействий коробке находится кот, а также ампула с быстродействующим ядовитым газом, которая разбивается механизмом, активирующимся при распаде радиактивного элемента. Экспериментатору известно, что в некий промежуток времени вероятность распада 50/50. Это событие квантовой природы, а значит, вся система должна находиться в суперпозиции: атом и распался, и не распался, ампула не разбита и разбита, кот и жив, и мертв, что для повседневного восприятия представляется абсурдным.
Во время декогеренции части волновой функции становятся изолированными друг от друга, как бы находясь в разных мирах.
Читайте также: