Предпосылки и условия зарождения квантовой теории.

Квантовая теория – это основной аппарат физики элементарных частиц, их взаимодействий и взаимопревращений. В состав квантовой теории входит концепция электромагнитного взаимодействия или квантовая электродинамика, а также концепция слабых взаимодействий. На современном этапе две этих концепции объединены в рамках теории электрослабого взаимодействия. В основу физики элементарных частиц также входит теория сильного (ядерного) взаимодействия, которая именуется «квантовая хромодинамика».

Квантовая теория появляется в ходе анализа состава светящихся тел (работы М. Планка, А. Эйнштейна, Н. Бора и др.).

Предпосылки зарождения квантовой теории, общая суть которых совпадает с рассогласованием экспериментальных данных с волновой теорией света (Х. Гюйгенс, Р. Гук (17 век)), а именно:

1. предположения в рамках ранней волновой теории продольного характера световых волн, механических по природе, в которых колебания частиц среды происходит перпендикулярно к направлению их распространения;

2. возможности механических волн только в твердых телах и на поверхности жидкостей, в связи с чем требовалось наличие некоторого вещества между Землей и Солнцем, поскольку свет свободно доходит до Земли; в качестве данного вещества традиционно допускался эфир;

3. экспериментального опровержения наличия эфира Альбертом Микельсоном (или Майкельсоном) и Эдвардом Морли в конце 19 века (суть исследований (см. рис. 1 и рис. 2 (http://ru.wikipedia.org/wiki/Эксперимент_Майкельсона-Морли)), проведенных А. Микельсоном в 1881 г., а также А. Микельсоном совместно с Э. Морли в 1887 г. заключалась в попытке зафиксировать изменение скорость света под влиянием движения Земли в пределах эфира; был получен отрицательный результат).

Движение Земли вокруг Солнца и через эфир (Рисунок 1).

Схема экспериментальной установки (Рисунок 2)

Условия зарождения квантовой теории:

1. разработка электромагнитной теории света Д. Максвеллом, в рамках которой становится возможным объяснение явлений, связанных с распространением света в различных средах, в том числе в вакууме; в то же время в рамках электромагнитной теории остаются не ясными как минимум два момента:

1.1. причина, по которой электромагнитные волны не сводятся только к волнам, видимым человеческим глазом;

1.2. некоторые особенности интерференции света, т.е. пространственного перераспределения энергии светового излучения при наложении двух или нескольких световых волн; это перераспределение характеризуется такими моментами:

1.2.1. образование постоянного во времени чередования областей повышенной и пониженной интенсивности света;

1.2.2. явление «световых биений» и «корреляций интенсивности»;

2. введение М. Планком (1858-1947) в 1900 году понятия «квант света» (от «квантум» – количество, масса (лат.)) для объяснения распространения света в вакууме;

3. формулировка математического вида связи волновых и корпускулярных свойств света: ε = ħ / ν, где ε – энергия кванта, ν – частота колебания электромагнитного излучения, ħ – постоянный коэффициент, одинаковый для всех волн и квантов;

4. выдвижение Э. Шредингером (1887-1961) общего математического положения о том, что отрицательное значение деления квадрата постоянной Планка на удвоенную массу частицы в произведении на оператор Лапласа и в сумме с произведением потенциальной функции частицы в силовом поле на искомую волновую функцию дает произведение мнимой единицы на постоянную Планка, а также на производную от искомой функции по времени:

– ħ²/2m∙∆Ψ+U(x,y,z,t)Ψ=i∙ħ∙∂Ψ/∂t

это положение еще более упрочило представление о необходимой связи волновых и корпускулярных свойств излучения и позволило заложить основу квантовой теории как относительно самостоятельного раздела физико-математического естествознания.

Границы применения квантовой теории в современной физике.

В современной физике квантовая теория имеет следующие границы применения:

1. описание явлений, происходящих в атомных масштабах (≈ 10^-10 м); при переходе к описанию ядерных масштабов (≈ 10^-15 м) ранняя версия квантовой теории расширяется за счет теории сильно взаимодействующих тел;

2. исследование элементарных частиц, которое предполагает использование квантовой теории поля, но с дополнением идеи о едином механизме взаимодействия (на современном этапе – это развивающаяся область знаний).

Общее значение квантовой теории в современной науке может быть сведено к следующим моментам:

1. представление о том, что многообразие элементарных составляющих материального мира оформляется в рамках понимания двойственности характеристик базовых начал материальной природы, с одной стороны, как волн (распространений колебаний в среде, т.е. последствий движения других физических тел), а с другой – в качестве отдельных частиц (т.е. самостоятельных тел);

2. объяснение на базе квантовой механики характеристик движения элементарных частиц (в частности, фотонов), причем в условиях затрудненности одновременной фиксации и местоположения, и импульса частицы (в классическом случае импульс прямо пропорционален произведению массы на скорость);

3. разрешение основных проблем в понимании природы движения элементарных частиц в ходе применения принципов дополнительности (Н. Бор) и неопределенности (В. Гейзенберг) (1927). (Смысл принципа дополнительности заключается в том, что для полного описания квантовомеханических явлений следует привлекать классические понятия («импульс», «местоположение» и т.д.), не затрагивая их фактической противоречивости. Согласно же принципу неопределенности поведение квантовой системы подчиняется особому распределению вероятности. На отдельных этапах изучения квантовой системы наблюдатель будет сталкиваться с тем, что поведение системы имеет стандартное отклонение Δx, а также отклонение координат и импульса Δp, однако, в общем случае все это можно упорядочить в рамках математического отношения: Δx∙Δp ≥ ħ ∕ 2, где ħ – это постоянная Планка, поделенная на 2π).

Таким образом, квантовая теория выступает одной из основ современного физико-математического естествознания, раскрывая в своих принципах базовые законы и закономерности функционирования природы. Не менее существенным следствием является трансформация мировоззренческих установок в целом вследствие необходимости учета роли наблюдателя (и его сознания) в процессе исследований, а также ориентации на представление о фундаментальном характере статистических закономерностей.

Контрольные вопросы

1. Каковы предпосылки и условия зарождения квантовой теории?

2. В каких пределах применяется квантовая теория в современной физике?

Дополнительная литература

1. Жданов, Л.С., Жданов, Г.Л. Физика для средних специальных учебных заведений [Текст] / Л.С. Жданов, Г.Л. Жданов. – М., 1987. – С. 330-332.

2. Кириллова, Е.Н. Физика ядра и элементарных частиц [Текст]: Курс лекций / Е.Н. Кириллова. – Томск, 2006. – С. 5, 37-43.

3. Трофимова, Т.И. Краткий курс физики [Текст]: Учеб. пособие для вузов. – М., 2006. – С. 194-321.

4. http://ru.wikipedia.org/wiki/Эксперимент_Майкельсона-Морли.