15:03 

Квантовомеханические размышления

istanaro
Lutar e vencer!
Итак, квантовая механика. Она стала одним из двух оснований современной теоретической физики, вместе с теорией относительности, но ее следствия с точки зрения житейского здравого смысла еще более безумны, чем следствия теории относительности. Действительно, если самые безумные следствия теории относительности (то же удлинение времени) разум еще может принять (о чем говорит общеизвестный анекдот про час с девушкой и час на сковородке), да в общем-то и отнюдь не обыденное поведение обьектов, движущихся с околосветовой скоростью (ведь обьекты повседневной жизни с околосветовой скоростью не движутся), то со следствиями квантовой механики все явно сложнее. Действительно, как принять вероятностные свойства всего на свете? Как принять непредсказуемость результатов экспериментов? Ведь даже если мы поставим опыт с изначально одинаковыми обьектами, находящимися в одинаковых условиях, разброс его результатов будет неустраним!



Все это не случайно и основывается на опытах. Сначала оказалось, что энергия излучения передается дискретными частицами – квантами, а потом – что электроны в микромире ведут себя подобно волнам. Точнее (а этот момент очень плохо обьясняют в большинстве книг), если мы возьмем пучок одинаковых электронов и направим его, к примеру, на щель, то картина рассеяния этого пучка будет похожа не на картину рассеяния потока классических частиц, а на типичную картину дифракции волны.

Более того, как мы описываем движение обычной классической частицы? Мы знаем ее координаты и импульсы (да, импульс – это не всегда просто масса, умноженная на скорость, но в классической теории это не создает трудностей), и ничто нам не мешает записать уравнения движения частицы и решить их, получив точную траекторию частицы. А на квантовом уровне? Сделать этого мы не можем! Причем вообще ни в каком случае!
Почему? Потому что измерение влияет на свойства системы. Для того, чтобы измерить координату частицы, мы должны максимально сильно ограничить ее движение (в микромире это существенно! Ведь мы измеряем не мгновенно, а взаимодействуя с системой в течение какого-то времени, а чем больше скорость частицы, тем сильне она сместится в течение этого времени), но если мы ограничим ее движение, мы автоматически изменим ее скорость, а значит, и импульс. И наоборот, чтобы измерить импульс частицы, мы должны позволить ей пройти какое-то расстояние, а значит, координата будет измерена неточно. Именно этот факт фиксирует соотношение неопределенностей.

В общем-то в факте, что измерение каких-то характеристик системы изменяет ее свойства, нет ничего особенного. Представим себе простую систему, проще некуда – бочку с водой. И вот мы захотели измерить температуру воды в бочке. Опускаем в нее термометр, держим какое-то время, потом достаем термометр. Какую температуру он покажет? Ту температуру, которую приобрела вода в бочке в результате теплообмена с термометром! То есть – если температура термометра до измерения не совпадает с температурой воды в бочке, то процесс измерения эту самую температуру изменит! Просто на классическом уровне мы обычно этим изменением можем пренебречь: термометр можно сделать сколь угодно малым, и его вклад в изменение энергии – соответственно, тоже.

Но не так на квантовом уровне! Как минимум потому, что энергия, передаваемая от «термометра» «бочке», а точнее, от прибора системе, или наоборот, не может быть сделана сколь угодно малой – энергия квантуется, и есть наименьшая возможная порция (квант) энергии. А еще – потому что мы никогда не сможем точно сказать, какая именно энергия была передана системе. Ведь чтобы определить ее, мы должны ввести в систему еще один прибор, который бы мерил взаимодействие первого прибора с системой: без измерения мы ничего сказать не можем. А второй прибор тоже будет взаимодействовать с системой, и это взаимодействие снова надо мерить, и понадобится уже третий прибор... – в общем, как «Дом, который построил Джек».
И как выкручиваться из положения? Главная проблема квантовой механики встает именно здесь: если с «технической» точки зрения методология квантовой механики весьма хорошо развита, и фактически она стала вполне технической наукой, дающей проверяемые и многократно подтвержденные предсказания относительно и спектров, и атомов, и лазеров, и кристаллов, то с «философской» точки зрения вопрос продолжает оставаться открытым. С «технической» точки зрения у нас есть волновая функция, операторы, отвечающие энергии, импульсу и всему, что потребуется (и правила соответствия между этими операторами и физическими величинами), уравнение Шрёдингера, и, конечно, методы его решения А с «философской» точки зрения самый главный вопрос формулируется просто – а в чем смысл волновой функции?

И вот именно в этом месте начинается разброс смыслов. Но про это в другой раз.


URL
   

Звёзды нас ждут

главная