§ 44 Основные понятия квантовой физики

Я смело могу сказать, что квантовой физики никто не понимает…И если вы просто согласитесь, что, возможно, природа ведёт себя именно таким образом, то вы увидите, что это очаровательная и восхитительная особа. Если сможете, не мучайте себя вопросом «Но как же так может быть?», ибо в противном случае вы зайдёте в тупик, из которого ещё никто не выбирался. Никто не знает, как же так может быть.

Р. Фейнман, лауреат Нобелевской премии, один из крупнейших специалистов в области квантовой физики

Противоречивость квантового и волнового поведения света вызывала полное недоумение у физиков в начале XX в. В середине 20-х гг. противоречия удалось разрешить, создав новую науку – квантовую физику (квантовую механику). Новая наука позволила согласовать волновые и корпускулярные представления о природе света, а также объяснить строение атома, свойства элементарных частиц и другие при родные явления. Правда, для этого ей пришлось пожертвовать привычными и кажущимися очевидными представлениями об окружающем нас мире. Положения новой науки оказались настолько непривычными, что не только дилетанты, но и многие серьёзные учёные долгое время отказывались в них верить.

При знакомстве с основами квантовой физики лучше всего не задавать вопроса: «А как же это происходит на самом деле?» Ответ на этот вопрос всегда будет один: на самом деле именно так всё и происходит. Причина недоумения заключается в том, что многие явления и законы микромира резко отличаются от тех явлений, которые происходят в обычном для нас макромире.

Рис. 113. Луи де Бройль

Обычно всякое объяснение строится на аналогии: «это похоже на то, как…» или «это явление напоминает нам…». Для описания же того, что происходит в микромире, у нас нет никаких аналогий, потому что в макромире ничего подобного не происходит. Однако приходится поверить в эти законы просто потому, что они доказаны экспериментально и теоретически.

В 1924 г. молодой французский физик Луи де Бройль (1892–1987) (рис. 113), занимавшийся исследованием рентгеновского излучения, выдвинул необычайно смелую гипотезу. Он предположил, что если волны света обладают свойствами частиц, то и такие частицы, как атомы, протоны и электроны, должны обладать свойствами волны, т. е. свойство быть одновременно и волной, и частицей, называемое корпускулярно-волновым дуализмом (слово «дуализм» означает двойственность, двойную природу), присуще всем объектам микромира.

Не следует думать, что между микро– и макромиром существует резкая граница, где перестают действовать квантовые законы и начинаются привычные для нас законы физики. Как это ни удивительно, любой предмет можно рассматривать как волну. Допустим, что частица массой в 1 г движется со скоростью 1 м/с. Тогда её можно представить как волну, длина которой составляет 10^-19 мкм. Эта величина настолько мала, что лежит за пределами любого измерения, поэтому говорить о волновых свойствах таких больших частиц не имеет никакого смысла. Для малых же объектов, таких как атомы и элементарные частицы, волновые свойства имеют очень большое значение.

Гипотеза де Бройля впервые была экспериментально подтверждена в 1927 г., когда для электронов было обнаружено явление дифракции, которая, как вы знаете, является непременным свойством волны. В дальнейшем были доказаны волновые свойства протонов и других элементарных частиц, а также атомов и молекул. В настоящее время эти волновые свойства широко используются в технических установках.

Рис. 114. Вернер Гейзенберг

Почти в одно время с де Бройлем молодой немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901–1976) (рис. 114) предположил: к квантовым процессам вообще неприменимы многие положения классической механики хотя бы по той причине, что при исследовании микромира невозможно само понятие «измерение» в том смысле, в каком оно понимается в макромире. Одним из основных понятий физики является скорость, т. е. расстояние, на которое тело переместилось за единицу времени. Но как мы можем узнать, что оно переместилось и тем более насколько оно переместилось? Очень просто: мы видим или каким-то образом определяем его месторасположение в один момент времени, а затем – через определённый промежуток времени. Но для того чтобы что-то увидеть, надо, чтобы от этого «чего-то» отразился фотон или электрон, который попадёт в наш глаз или в любой другой регистрирующий прибор. Но если отражение таких частиц практически не повлияет на обычный, пусть и очень маленький предмет, такой как бактерия или даже молекула, то на движении электрона он скажется весьма значительно, и тот изменит свою скорость. Получается, что мы не можем определить местонахождение электрона, не изменив при этом его скорости. В результате Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости, согласно которому, невозможно одновременно точно измерить положение частицы и её скорость. Чем точнее мы измеряем координату частицы, тем большую ошибку допускаем в определении её скорости, и наоборот.

В отличие от классической физики, где требуется максимально абстрагироваться от самого факта измерения или наблюдения и предполагается, что само проведение эксперимента никак не сказывается на свойствах изучаемого объекта, в квантовой механике дело обстоит совершенно иначе. Сам факт измерения изменяет свойства объекта, и избавиться от этого невозможно. В квантовых исследованиях мы всегда наблюдаем не сам объект, а результат его взаимодействия с измеряющим прибором. Соответственно, разные приборы дают разные результаты. Это происходит не потому, что эти приборы неисправны или недостаточно точны, а потому, что они измеряют различные свойства объекта. Если мы хотим исследовать свойства электрона как частицы, то он ведёт себя как частица. Если же мы хотим изучать его волновые свойства, то он будет вести себя как волна. В этом и заключается предложенный Бором принцип дополнительности:

объекты микромира ведут себя и как волны, и как частицы, причём одно описание не исключает, а дополняет другое.

На самом деле электроны и фотоны не являются ни волнами, ни частицами, а представляют собой нечто иное, не имеющее аналогов в макромире. Это «иное» иногда похоже на знакомые нам морские волны, а иногда – на обычные физические тела.

Теперь вы убедились в том, что квантовая физика действительно в какой-то степени странная наука. Многие серьёзные учёные в течение долгого времени отказывались верить в квантово-волновой дуализм. Множество экспериментов, проводимых с целью «установить истинную природу» квантовых частиц и доказать, что они являются «на самом деле» частицами или, наоборот, волной, потерпели полную неудачу. Как ни удивительны законы микромира, они являются объективными законами Природы, и их приходится признавать.

Проверьте свои знания

1. Что такое корпускулярно-волновой дуализм?

2. Почему в макромире не учитывают квантовых законов?

3. В чём заключается принцип неопределённости Гейзенберга?

Задания

Чему равна энергия кванта электромагнитного излучения с длиной волны, составляющей 300 нм, если учесть, что излучение распространяется со скоростью света, а постоянную Планка принять равной 10^-34 Дж с?