История квантовой теории

История квантовой теории (стр. 1 из 3)

История квантовой теории

В. Гейзенберг

Возникновение квантовой теории связано с известным явлением, которое вовсе не принадлежит к центральным разделам атомной физики. Любой кусок вещества, будучи нагрет, начинает светиться и при повышении температуры становится красным, а затем — белым.

Цвет почти не зависит от вещества и для черного тела определяется исключительно температурой. Поэтому излучение, производимое таким черным телом при высокой температуре, является интересным объектом для физического исследования.

Поскольку речь идет о простом явлении, то для него должно быть дано и простое объяснение на основе известных законов излучения и теплоты. Попытка такого объяснения, предпринятая Рэлеем и Джинсом в конце XIX века, столкнулась с весьма серьезными затруднениями.

К сожалению, эти трудности нельзя объяснить с помощью простых понятий. Вполне достаточно сказать, что последовательное применение известных в то время законов природы не привело к удовлетворительным результатам.

Когда научные занятия привели Планка в 1895 году в эту область исследований, он попытался на первый план выдвинуть не проблему излучения, а проблему излучающего атома.

Хотя поворот в сторону излучающего атома и не устранил серьезных трудностей, однако благодаря этому стали проще их интепретация и объяснение эмпирических результатов. Как раз в это время, летом 1900 года, Курльбаум и Рубенс произвели новые чрезвычайно точные измерения спектра теплового излучения.

Когда Планк узнал об этих измерениях, он попытался выразить их с помощью несложных математических формул, которые на основании его исследований взаимосвязи теплоты и излучения представлялись ему правдоподобными.

Однажды Планк и Рубенс встретились за чаем в доме Планка и сравнили эти результаты Рубенса с формулой, которую предложил Планк для объяснения результатов измерений Рубенса. Сравнение показало полное соответствие. Таким образом был открыт закон теплового излучения Планка.

Для Планка это открытие было только началом интенсивных теоретических исследований.

Стоял вопрос: какова правильная физическая интерпретация новой формулы? Так как Планк на основании своих более ранних работ легко мог истолковать эту формулу как утверждение об излучающем атоме (так называемом осцилляторе), он вскоре понял, что его формула имеет такой вид, как если бы осциллятор изменял свою энергию не непрерывно, а лишь отдельными квантами и если бы он мог находиться только в определенных состояниях или, как говорят физики, в дискретных состояниях энергии. Этот результат так отличался от всего, что знали в классической физике, что вначале Планк, по-видимому, отказывался в него верить. Но в период наиболее интенсивной работы, осенью 1900 года, он наконец пришел к убеждению, что уйти от этого вывода невозможно. Как утверждает сын Планка, его отец рассказывал ему, тогда еще ребенку, о своих новых идеях во время долгих прогулок по Грюневальду. Он объяснял, что чувствует — либо он сделал открытие первого ранга, быть может, сравнимое только с открытиями Ньютона, либо он полностью ошибается. В это же время Планку стало ясно, что его формула затрагивает самые основы описания природы, что эти основы претерпят серьезное изменение и изменят свою традиционную форму на совершенно неизвестную. Планк, будучи консервативным по своим взглядам, вовсе не был обрадован этими выводами. Однако в декабре 1900 года он опубликовал свою квантовую гипотезу.

Мысль о том, что энергия может испускаться и поглощаться лишь дискретными квантами энергии, была столь новой, что она выходила за традиционные рамки физики. Оказалась напрасной в существенных чертах попытка Планка примирить новую гипотезу со старыми представлениями об излучении. Прошло около пяти лет, прежде чем в этом направлении был сделан следующий шаг.

На этот раз именно молодой Альберт Эйнштейн, революционный гений среди физиков, не побоялся отойти еще дальше от старых понятий. Эйнштейн нашел две новые проблемы, в которых он успешно применил представления Планка. Первой проблемой был проблема фотоэлектрического эффекта: выбивание из металла электронов под действием света.

Опыты, особенно точно произведенные Ленардом, показали, что энергия испускаемых электронов зависит не от интенсивности света, а только от цвета или, точнее говоря, от частоты, или длины волны света. На базе прежней теории излучения это объяснить было нельзя.

Однако Эйнштейн объяснил данные наблюдений, опираясь на гипотезу Планка, которую он интерпретировал с помощью предположения, что свет состоит из так называемых световых квантов, то есть из квантов энергии, которые движутся в пространстве подобно маленьким корпускулам.

Энергия отдельного светового кванта, в согласии с гипотезой Планка, должна равняться частоте света, помноженной на постоянную Планка.

Другой проблемой была проблема удельной теплоемкости твердых тел. Существовавшая теория удельной теплоемкости приводила к величинам, которые хорошо согласовывались с экспериментом в области высоких температур, но при низких температурах были много выше наблюдаемых величин.

Эйнштейн снова сумел показать, что подобное поведение твердых тел можно понять благодаря квантовой гипотезе Планка, применяя ее к упругим колебаниям атомов в твердом теле.

Эти два результата были большим шагом вперед на пути дальнейшего развития новой теории, в силу того что они обнаружили планковскую постоянную действия в различных областях, непосредственно не связанных с проблемой теплового излучения.

Эти результаты выявили и глубоко революционный характер новой гипотезы, ибо трактовка Эйнштейном квантовой теории привела к такому объяснению природы света, которое полностью отличалось от привычного со времени Гюйгенса объяснения на основе волнового представления.

Следовательно, свет может быть объяснен или как распространение электромагнитных волн — факт, который принимали на основе работ Максвелла и опытов Герца, — или как нечто, состоящее из отдельных «световых квантов», или «энергетических пакетов», которые с большой скоростью движутся в пространстве.

А может ли свет быть и тем и другим? Эйнштейн, конечно, знал, что известные опыты по дифракции и интерференции могут быть объяснены только на основе волновых представлений. Он также не мог оспаривать наличие полного противоречия между своей гипотезой световых квантов и волновыми представлениями. Эйнштейн даже не пытался устранить внутренние противоречия своей интерпретации. Он принял противоречия как нечто такое, что, вероятно, может быть понято много позднее благодаря совершенно новому методу мышления.

Тем временем эксперименты Беккереля, Кюри и Резерфорда привели к несколько большей ясности в отношении строения атома. В 1911 году Резерфорд на основании наблюдений прохождения б-лучей через вещество предложил свою знаменитую модель атома.

Атом состоит из атомного ядра, положительно заряженного и содержащего почти всю массу атома, и электронов, которые движутся вокруг ядра, подобно тому как планеты движутся вокруг Солнца. Химическая связь между атомами различных элементов объясняется взаимодействием между внешними электронами соседних атомов.

Химическая связь непосредственно не имеет отношения к ядру. Атомное ядро определяет химические свойства атома лишь косвенно через свой электрический заряд, так как последний определяет число электронов в нейтральном атоме.

Эта модель, правда, не могла объяснить одну из самых характерных черт атома, а именно его удивительную устойчивость. Никакая планетная система, которая подчиняется законам механики Ньютона, никогда после столкновения с другой подобной системой не возвратится в свое исходное состояние.

В то время как, например, атом углерода остается атомом углерода и после столкновения с другими атомами или после того, как он, вступив во взаимодействие с другими атомами, образовал химическое соединение.

Объяснение этой необычной устойчивости было дано в 1913 году Нильсом Бором путем применения квантовой гипотезы Планка к модели атома Резерфорда.

Если атом может изменять свою энергию только прерывно, то это должно означать, что атом существует лишь в дискретных стационарных состояниях, низшее из которых есть нормальное состояние атома.

Поэтому после любого взаимодействия атом в конечном счете всегда возвращается в это нормальное состояние.

Бор, применяя квантовую теорию к модели атома, сумел не только объяснить устойчивость атома, но в некоторых простых случаях сумел также дать теоретическое объяснение линейных спектров, образующихся при возбуждении атомов посредством электрического разряда или теплоты.

Его теория при описании движения электронов покоилась на соединении классической механики и квантовых условий, которые налагаются на классические законы движения для выделения дискретных стационарных состояний среди других состояний. Позднее Зоммерфельд дал точную математическую формулировку этих условий1.

Бору было ясно, что квантовые условия в известном смысле разрушают внутреннюю прочность ньютоновской механики. В простейшем случае атома водорода на основании теории Бора можно рассчитать частоту излучаемого света, и согласие теоретических расчетов с наблюдениями оказывалось полным.

В действительности эти частоты отличались от орбитальных частот электронов и высших гармоник этих частот, и это обстоятельство сразу показало, что теория еще полна противоречий. Несмотря на это, она, по всей вероятности, содержала большую долю истины. Она качественно объяснила химические свойства атомов и их линейные спектры.

Существование дискретных стационарных состояний было непосредственно подтверждено и опытами: в экспериментах Франка и Герца, Штерна и Герлаха.

Таким образом, теория Бора открыла новую область исследований. Большое количество экспериментального материала, полученного спектроскопией в течение нескольких десятилетий, теперь при изучении квантовых законов движения электронов стало источником информации. Для той же самой цели могли быть использованы многие эксперименты химиков.

Имея дело с этим экспериментальным материалом, физики постепенно научились ставить правильные вопросы. А ведь часть правильно поставленный вопрос означает больше чем наполовину решение проблемы. Каковы эти вопросы? Практически почти все они имели дело с явными и удивительными противоречиями в результатах различных опытов.

Как может быть, что одно и то же излучение, которое образует интерференционную картину и доказывает тем самым существование лежащего в основе волнового движения, производит одновременно и фотоэлектрический эффект и потому должно состоять из движущихся световых квантов? Как может быть, что частота орбитального движения электронов в атоме не является также и частотой испускаемого излучения? Разве не означает это, что нет никакого орбитального движения? Но если представление об орбитальном движении неверно, то что в таком случае происходит с электроном внутри атома? Можно видеть те электроны, которые движутся в камере Вильсона; некоторые из них до этого являлись составной частью атома и были выбиты из атома. Почему, следовательно, внутри атома они не двигаются таким же образом? Можно было бы, пожалуй, представить себе, что в нормальном состоянии атома электроны покоятся. Но ведь имеются состояния с более высоким энергиями, в которых электроны обладают вращательным моментом, и поэтому в этих состояниях абсолютно исключено состояние покоя электронов. Можно перечислить много подобных примеров. Все отчетливее стали понимать, что попытка описать атомные процессы в понятиях обычной физики приводит к противоречиям. К началу 20-х годов физики постепенно освоились с этими трудностями. У них выработалась своего рода интуиция, правда не очень ясная, в отношении того, где, по всей вероятности, будут иметь место затруднения, и они научились избегать эти затруднения. Наконец, они узнали, какое в данном опыте описание атомных процессов приведет к правильному результату. Этого знания было недостаточно для того, чтобы дать общую непротиворечивую картину квантовых процессов, но оно так изменило мышление физиков, что они в некоторой степени прониклись духом квантовой теории.

Источник: https://mirznanii.com/a/172695/istoriya-kvantovoy-teorii

История квантовой теории

История квантовой теории

История квантовой теории имеет свое радикальное начало, кардинальным образом изменившее взгляды ученых на подходы, объясняющие устройство мира. Так, если до этого ученые склонялись к мнению о «предсказуемости» окружающего мира, то появление квантовой теории навело их на идею о случайности происходящих в нем явлений.

Зарождение квантовой теории

В зарождение и развитие квантовой теории были вовлечены такие ученые, как:

  • Макс Планк;
  • Альберт Эйнштейн;
  • Нильс Бор;
  • Эрнест Резерфорд;
  • Луи де Бройль;
  • Эрвин Шредингер.

Замечание 1

Годом зарождения квантовой теории считается 1901 г. Тогда ученый Макс Планк предложил теорию соотношения излучения тела и его температуры. Равно своим предшественникам, Планк допустил предположение об излучении, испускаемом атомными осцилляторами, считая при этом, что их энергия присутствует в форме незначительных по размеру дискретных порций, ранее названных Эйнштейном квантами.

Энергия, излучаемая каждым квантом, оказалась пропорциональной частоте излучения.

Несмотря на всеобщее одобрение в кругу ученых-физиков, выведенные Планком формулы, а также принятые им в то же время допущения, содержали определенные спорные моменты долгое время из-за своих противоречий классической физики. В атомную теорию, таким образом, были включены прерывистые физические величины, способные изменяться исключительно скачками.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Планку, в свою очередь, удалось ввести новые представления в физику, совершив, таким образом, революционный переворот в научных кругах. В 1905 г.

Альберт Эйнштейн воспользовался квантовой теорией при объяснении нескольких аспектов фотоэлектрического эффекта (речь идет об испускании поверхностью металла электронов при падении на нее ультрафиолетового излучения).

Наряду с тем Эйнштейном был отмечен парадоксальный нюанс, который заключался в проявлении дискретных свойств светом при излучении и поглощении.

Нильс Бор спустя 8 лет успешно перенес квантовую теорию на атом с объяснением частоты испускаемых атомами волн, возбуждаемых в электроразряде или в пламени. При этом происходит излучение порции энергии, однако исключительно в случае перехода между стационарными орбитами.

Эрнест Резерфорд, в свою очередь, продемонстрировал полную сосредоточенность массы атома в центральном ядре с положительно настроенным электрозарядом, и окруженном при этом отрицательными электронами на относительно больших расстояниях от него. Это придает атому электрическую нейтральность.

Согласно версии Бора, электроны способны располагаться только на некоторых дискретных орбитах, тех, которые соответствуют разным энергоуровням. При этом частота (по теории Планка) оказывается пропорциональной энергии фотона, излучение которого сопровождает перемещение электронов между орбитами.

Замечание 2

Следовательно, модель атома Бора способствовала установлению связи между разновидностями спектральных линий, характерных для обладающего свойствами излучения и атомной структурой вещества. Однако, несмотря на изначальный успех, такая модель в скором времени стала нуждаться в модификациях, с целью избавления от определенных расхождений в теоретических и практических моментах.

Более того, в то время квантовая теория ещё не могла представить обоснованный вариант систематического решения большинства квантовых задач, но уже тогда становилась очевидной неспособность классической физики дать объяснение поведению электрона, когда при ускорении он не падает на ядро и теряет энергию в случае излучения электромеханических волн.

Особенности проявления квантовой теории

В 1924 году были выявлены новые особенности в проявлении квантовой теории, что произошло благодаря выдвинутой Луи де Бройлем гипотезе про волновой характер материи:

  1. Согласно предположениям Бройля, электроны, при благоприятных обстоятельствах, могут вести себя подобно волнам (накануне Эйнштейн обратил внимание ученых на поведение электромагнитных волн, например, света) подобно частицам. В микромире, таким образом, стала стираться грань между классическими объяснениями поведения частиц и волн.
  2. Согласно формулировке де Бройля, соответствующая частице частота непосредственно связана с её энергией, как в случае с фотоном. В то же время, представленное ученым математическое выражение выглядело в форме эквивалентного соотношения длины волны, скорости (импульса) и массы частицы.

Факт существования электронных волн экспериментально подтвердил в 1927 г. Клинтон Дж. Дэвиссон совместно с Лестером Х. Джермером и Джорджем Паджетом Томсоном. Это, в свою очередь, способствовало появлению в 1933 г. электронного микроскопа.

Появление теории Шредингера

Попытка применить волновое описание электронов в отношении построения последовательной квантовой теории, не взаимосвязанной с неадекватной моделью атома Бора, была предпринята Эрвином Шредингером. Таким способом он стремился приблизить квантовую теорию к классической физике, которая накопила немалое количество примеров математического описания поведения волн.

Неудачной оказалась первая попытка, предпринятая физиком в 1925 году. Скорости электронов в его теории были приближенными к скорости света, что потребовало привлечения сюда теории относительности Эйнштейна касательно учета существенного роста массы электрона в случае очень больших скоростей.

В случае экспериментов Шредингера, среди причин постигших его неудач был не учет присутствия у электрона специфического свойства, которое предусматривало способность вращения электрона вокруг собственной оси подобно юле.

Последующая попытка была сделана ученым в 1926 г, но на этот раз скорости электронов, выбранные им, оказались настолько незначительными, что исключало необходимость привлекать к этому теорию относительности.

Определение 1

При следующей попытке появилось волновое уравнение, позволяющее дать математическое описание материи на базе терминов волновой функции. Собственную теорию Шрёдингер назвал волновой механикой.

Здесь уже наблюдалась согласованность решений волнового уравнения и экспериментальных наблюдений, что в совокупности оказало ощутимое воздействие на дальнейшее развитие квантовой теории. На сегодняшний день волновая функция считается основой квантово-механического описания микросистем, равнозначно уравнениям Гамильтона в классической механике.

Таким образом, Шрёдингеру удалось показать математическую эквивалентность матричной и волновой механики. Известные сейчас под комплексным названием «квантовая механика», эти две теории позволили дать долгожданную общую базу для описания квантовых явлений.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/kvantovaya_teoriya/istoriya_kvantovoy_teorii/

Что квантовая теория на самом деле говорит о реальности?

История квантовой теории

Демонстрация, которая перевернула идеи великого Исаака Ньютона о природе света, была невероятно простой.

Ее «можно повторить с большой легкостью, где бы ни сияло солнце», говорил английский физик Томас Янг в ноябре 1803 года членам Королевского общества в Лондоне, описывая эксперимент, который сейчас называется экспериментом с двойной щелью. И Янг не был восторженным юнцом.

Он придумал элегантный и тщательно продуманный эксперимент, демонстрирующий волновую природу света, и тем самым опроверг теорию Ньютона о том, что свет состоит из корпускул, то есть частиц.

Квантовая теория гораздо сложнее этой визуализации.

Но рождение квантовой физики в начале 1900-х годов дало понять, что свет состоит из крошечных неделимых единиц — или квантов — энергии, которые мы называем фотонами.

Эксперимент Янга, проводимый с одиночными фотонами или даже с отдельными частицами материи, такими как электроны и нейроны, представляет собой загадку, которая заставляет задуматься о самой природе реальности.

Некоторые даже использовали его для утверждений, что на квантовый мир влияет человеческое сознание. Но действительно ли простой эксперимент может продемонстрировать подобное?

Может ли сознание определять реальность?

В современной квантовой форме эксперимент Янга включает стрельбу отдельными частицами света или материи через две щели или отверстия, вырезанных в непрозрачном барьере.

По одну сторону барьера находится экран, записывающий прибытие частиц (скажем, фотографическая пластинка в случае с фотонами).

Здравый смысл заставляет нас ожидать, что фотоны будут проходить или через одну, или через другую щель и накапливаться за соответствующим проходом.

Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.

Но нет.  Фотоны попадают в определенные части экрана и избегают других, создавая чередующиеся полосы света и темноты. Эти так называемые интерференционные полосы напоминают картину встречи двух волн.

Когда гребни одной волны выравниваются с гребнями другой, вы получаете конструктивную интерференцию (яркие полосы), а когда гребни выравниваются с впадинами, вы получаете деструктивную интерференцию (темнота).

Но ведь через устройство проходит только один фотон за раз. Похоже на то, что фотон проходит через обе щели сразу и интерферирует сам с собой. Это противоречит здравому (классическому) смыслу.

Математически говоря, через обе щели проходит не физическая частица или физическая волна, а так называемая волновая функция — абстрактная математическая функция, представляющая состояние фотона (в данном случае положение).

Волновая функция ведет себя как волна. Она попадает по двум щелям, и новые волны выходят по другую стороны щелей, распространяются и интерферируют между собой.

Совмещенная волновая функция позволяет рассчитать вероятность того, где может находиться фотон.

Фотон обладает высокой вероятность оказаться там, где две волновые функции конструктивно интерферируют, и низкой — там, где интерференция деструктивная. Измерения — в данном случае это взаимодействие волновой функции с фотографической пластинкой — приводит к «коллапсу» волновой функции, к ее схлопыванию. В итоге она указывает на одно из мест, в котором фотон материализуется после измерения.

Чтобы не пропустить ничего интересного из мира высоких технологий, подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram. Там вы узнаете много нового.

Этот очевидно вызванный измерением коллапс волновой функции стал источником множества концептуальных трудностей в квантовой механике.

До коллапса нет никакого способа наверняка сказать, где окажется фотон; он может быть в любом месте с ненулевой вероятностью. Нет никакого способа проследить траекторию фотона от источника к детектору.

Фотон нереален в том смысле, в котором реален самолет, летящий из Сан-Франциско в Нью-Йорк.

Квантовая теория в деталях

Вернер Гейзенберг, среди прочих, интерпретировал эту математику так, что реальность не существует, пока не наблюдается.

«Идея объективного реального мира, мельчайшие частицы которого существуют объективно в таком же смысле, в котором существуют камни или деревья, вне зависимости от того, наблюдаем мы за ними или нет, — невозможна», писал он.

Джон Уилер также использовал вариант эксперимента с двойной щелью, чтобы заявить, что «ни одно элементарное квантовое явление не будет явлением, пока не станет зарегистрированным («наблюдаемым», «доподлинно записанным») явлением».

Но квантовая теория совершенно не дает никаких подсказок к тому, что считать «измерением».

Она просто постулирует, что измерительное устройство должно быть классическим, не определяя, где лежит эта грань между классическим и квантовым, и оставляя открытой дверцу для тех, кто считает, что коллапс вызывает человеческое сознание.

В прошлом мае Генри Стапп и его коллеги заявили, что эксперимент с двойной щелью и его современные варианты свидетельствуют о том, что «сознательный наблюдатель может быть необходимым», чтобы наделять смыслом квантовую сферу, и что в основе материального мира лежит трансперсональный разум.

Но эти эксперименты не являются эмпирическим доказательством таких утверждений. В эксперименте с двойной щелью, выполненном с одиночными фотонами, можно лишь проверить вероятностные предсказания математики.

Если вероятности всплывают в процессе досылания десятков тысяч идентичных фотонов через двойную щель, теория утверждает, что волновая функция каждого фотона схлопнулась — благодаря нечетко определенному процессу под названием измерение. Вот и все.

Кроме того, существуют другие интерпретации эксперимента с двойной щелью. Взять, например, теорию де Бройля-Бома, в которой говорится, что реальность — это и волна, и частица.

Фотон направляется к двойной щели с определенным положением в любой момент и проходит через одну щель или другую; следовательно,  у каждого фотона есть траектория.

Она проходит через пилотную волну, которая проникает через обе щели, интерферирует и затем направляет фотон в место конструктивной интерференции.

Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.

В 1979 году Крис Дьюдни и его коллеги из Колледжа Брикбек в Лондоне смоделировали предсказание этой теории о траекториях частиц, которые пройдут через двойную щель.

За последние десять лет экспериментаторы подтвердили, что такие траектории существуют, хоть и использовали спорную методику так называемых слабых измерений.

Несмотря на спорность, эксперименты показали, что теория де Бройля-Бома все еще в состоянии объяснить поведение квантового мира.

Что более важно, этой теории не нужны наблюдатели, или измерения, или нематериальное сознание.

Теория коллапса

Как не нужны и так называемым теориям коллапса, из которых следует, что волновые функции схлопываются случайным образом: чем больше число частиц в квантовой системе, тем вероятнее коллапс. Наблюдатели просто фиксируют результат.

Команда Маркуса Арндта из Венского университета в Австрии проверяли эти теории, посылая все большие и большие молекулы через двойную щель.

Теории коллапса предсказывают, что когда частицы материи становятся массивнее определенного порога, они больше не могут оставаться в квантовой суперпозиции и проходить через обе щели одновременно, и это уничтожает картину интерференции. Команда Арндта отправила молекулу из 800 атомов через двойную щель и все равно увидела интерференцию. Поиск порога продолжается.

У Роджера Пенроуза была собственная версия теории коллапса, в которой чем выше масса объекта в суперпозиции, тем быстрее он коллапсирует до одного состояния или другого из-за гравитационных нестабильностей.

И снова, эта теория не требует наблюдателя и какого-либо сознания. Дирк Боумеестер из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре проверяет идею Пенроуза с помощью одной из версий эксперимента с двойной щелью.

Концептуально идея заключается в том, чтобы не просто поместить фотон в суперпозицию прохождения через две щели одновременно, но и поставить одну из щелей в суперпозицию и заставить находиться в двух местах одновременно.

По мнению Пенроуза, замещенная щель будет либо оставаться в суперпозиции, либо коллапсирует с фотоном на лету, что приведет к разным картинам интерференции. Этот коллапс будет зависеть от массы щелей.

Боумеестер работает над этим экспериментом десять лет и, возможно, вскоре подтвердит или опровергнет заявления Пенроуза.

В любом случае, эти эксперименты показывают, что мы пока не можем делать никаких утверждений о природе реальности, даже если эти заявления хорошо подкреплены математически или философски.

И учитывая то, что нейробиологи и философы разума не могут договориться о природе сознания, утверждение, что оно приводит к коллапсу волновых функций, будет преждевременным в лучшем случае и ошибочным — в худшем.

А какого мнения придерживаетесь вы? Расскажите в нашем чате в Телеграме.

Источник: https://Hi-News.ru/science/chto-kvantovaya-teoriya-na-samom-dele-govorit-o-realnosti.html

2.8. История квантовой теории

История квантовой теории

Еслинельзя избавиться от этих проклятыхквантовых скачков, то я жалею, что вообщесвязался с квантовой теорией.

Э.Шрёдингер

Картинамира Галилея, И. Ньютона и Дж. Максвеллаопределяется посредством понятиянепрерывности, непрекращающегосятечения, в соответствии с древнимпринципом: природане знает скачков.Вклассической физике все свойстванепрерывны, но что это означает?

Воткак объяснял смысл понятия непрерывностьВ. Вайскопф. Не существует двух классическихсистем, которые были бы действительноодинаковы. Например, планетарные системызвёзд, мы знаем, их – миллиарды, но ненайдётся и двух из них, совершенноодинаковых.

В одной из них Солнце будетнемного больше, в другой немного большебудут планеты, будут различными ихорбиты. Почему? В классической физикеимеется неограниченное число вариантов.

Поведение объектов зависит от начальныхусловий, которые могут приниматьнепрерывный ряд значений (Вайскопф1977: 46).

Спомощью концепции непрерывности,неограниченности свойств не моглиобъяснить явление излучения нагретыхтел, которое вовсе не принадлежит кцентральным разделам атомной физики.

Любой кусок вещества, будучи нагрет,начинает светиться и при повышении Тстановится красным (излучение волнами),затем белым (излучение более короткойволны). Цвет почти не зависит от веществаи для чёрного тела определяетсяисключительно Т.

Поэтому излучение,производимое таким чёрным телом привысокой Т, является интересным объектомдля исследования.

Еслиизлучение непрерывно и энергия излучаетсяв виде волн всех частот (длин волн), аразных частот бесконечно много, тоэнергия должна излучаться бесконечно.Но в опыте так не бывает, ни одна звезда,ни одно нагретое тело не излучаютбесконечно. Это противоречие называетсяультрафиолетовой катастрофой илипроблемойизлучения абсолютно чёрного тела(Гейзенберг 1989: 9).

В1895 г. этой проблемой стал заниматься М.Планк. В 1900 г. он вывел формулу, в которойзависимость объёмной плотности излученияабсолютно чёрного тела от частотыизлучения носила спектральный характер,что означало квантовый характеризлучения, “уход в микромир”.

  • Тепловая энергия излучается не непрерывно, а в виде отдельных вспышек, дискретными порциями или квантами. Излучение ограничено, так как излучается не волна (непрерывность), а порция, квант.
  • Энергия одного кванта не может быть меньше h=6,62·10-27 (энергия кванта равна длине волны, умноженной на постоянную Планка – h).

Планкна первый план выдвинул не проблемуизлучения макроскопического тела, апроблему излучающего атома. Его формулазатрагивает самые основы описанияприроды. Мысль о том, что энергия можетиспускаться и поглощаться лишь дискретнымиквантами энергии, была столь новой, чтовыходила за традиционные рамки физики(Гейзенберг 1989: 9-10).

Втечение 5 лет физики, занятые открытиямирентгеновских лучей, радия, радиоактивностии электрона, не замечали открытия Планка,а сам Планк напрасно пытался примиритьновую гипотезу со старыми представлениямиоб излучении. В 1905 г. А. Эйнштейн с помощьюгипотезы Планка решил две проблемы:проблемуудельной теплоёмкости твёрдых тел ипроблему фотоэффекта(выбивание из металла электронов поддействием света).

Опытыпоказали: энергия испускаемых электроновзависит не от интенсивности света (какговорила волновая теория), а только отцвета, от частоты, или длины волны света.Эйнштейн предположил: свет состоит изсветовых квантов, корпускул, тогда какна основе работ Максвелла и опытов Герцасвет объясняется как распространениеэлектромагнитных волн.

Возникаетпроблема корпускулярно-волновогодуализма: что же такое свет – волна иликорпускулы? Может ли свет быть и тем идругим? Но результаты Эйнштейна былибольшим шагом вперёд на пути развитияновой теории, так как они обнаружилипостоянную действия Планка в разныхобластях, не связанных с проблемойтеплового излучения (Гейзенберг 1989:11).

Ноесли излучает атом, то, что такое атом?Тогда существовала модельатома-пудинга Дж.Дж.Томсона:в положительно заряженном “Пр” атомаесть отрицательные вкрапления –изюминки-электроны.

В1911 г. Э. Резерфорд исследовал природувылетающих из радиоактивных веществα(альфа)-частиц (тогда ещё не знали, чтоэто были ядра Не) и изучал их спектр. Этичастицы использовались в качествевысокоскоростных снарядов субатомногоразмера для исследования внутреннегостроения атома.

Резерфорд подвергалатомы золотой фольги обстрелу α-частицами,определяя по их траекториям послестолкновения, как устроен атом.

На основемодели атома Томсона невозможно былообъяснить, почему некоторые частицыотскакивали от фольги и не фиксировалисьна экране (это было похоже на отскакиваниеснаряда от папиросной бумаги).

Наосновании наблюдений прохожденияα-частиц через вещество Резерфордпредложил планетарнуюмодель атома.

Согласно этой модели, атом состоит изядра26,положительно заряженного и содержащегопочти всю массу атома, и электронов,которые движутся вокруг ядра на большомрасстоянии, подобно тому, как планетыдвижутся вокруг Солнца.

После появленияпланетарной модели было обнаружено: отколичества электронов зависят химическиесвойства атомов. Химическая связьобъясняется взаимодействием междувнешними электронами соседних атомов.Но модель не объясняла:

  • что придаёт веществу твёрдость? как атомы, состоящие из почти пустого Пр, образуют “твёрдую материю”?
  • почему электроны не падают на ядро, и не наступает коллапса материи? законы механики и электричества предсказывали, что электроны должны терять энергию, двигаться по спирали к центру атома и падать на ядро;
  • одну из самых характерных черт атома – его удивительную устойчивость, механическую стабильность; планетная система после столкновения с другой подобной системой никогда не возвратится в своё исходное состояние, атом же С остаётся атомом С и после того, как он, вступив во взаимодействие с другими атомами, образовал химическое соединение; в воздухе атомы миллионы раз в секунду сталкиваются, но после столкновения приобретают прежнюю форму (Данин 1967; Липсон 1972: 183-184; Гейзенберг 1989: 11; Хокинг 1990: 57; Капра 1994: 57-61).

Объяснениеэтой необычной устойчивости было данов 1913 г. Н. Бором путём применения квантовойгипотезы Планка к модели атома Резерфорда.

Если атом может изменять свою энергиютолько прерывисто, то и существует атомлишь в дискретных стационарных состояниях,низшее из которых есть нормальноесостояние атома.

После любого взаимодействия(нагрели, ударили фотоном) атом скачкомвыходит из стационарности и излучает.Прекратили воздействие, атом возвращаетсяв нормальное состояние.

Поквантовойтеории атома Н. Бора(постулатыБора):

  • электрон не может спуститься ниже первой орбиты;
  • переходит с орбиты на орбиту скачками;
  • при этом атом излучает (при переходе с высокой орбиты на низкую) или поглощает энергию, изменения энергии дискретны.

ТеорияБора качественно объяснила химическиесвойства атомов, их линейные спектры.Существование дискретных стационарныхсостояний было подтверждено и опытами.Теория Бора открыла новую областьисследований. Большое количествоэкспериментального материала, полученногоспектроскопией, стало источникоминформации при изучении квантовыхзаконов.

Нооставались вопросы: свет – частицы иливолна? атом Н объяснили, но как объяснитьболее сложные атомы? как ведёт себяэлектрон в атоме? Частота орбитальногодвижения электронов в атоме не являетсятакже и частотой испускаемого излучения,разве это не означает: нет орбитальногодвижения? Можно видеть движение электроновв камереВильсона,некоторые из них были выбиты из атома,почему внутри атома они не двигаютсятаким же образом? Всё отчётливее сталипонимать: попытка описать атомныепроцессы в понятиях обычной физикиприводит к противоречиям.

В1924 г. Л. де Бройль выдвинул гипотезуо волнах материии попытался распространитькорпускулярно-волновой дуализм на“элементарные” частицы, в частностина электроны. Он показал, что движениюэлектрона может соответствовать волнаматерии, как движению кванта светасоответствует волна. Через 3 г.

подтвердилосьэкспериментально: дифракцияэлектрона на кристалле никеля, прохождениеэлектрона сразу через две щели – волноваякартина, но в камере Вильсона и вфотоэффекте электрон проявляет себякак частица. По Бройлю ядро атома окружаютстационарные волны, вне атома электронпроявляется как частица.

В1926 г. Э. Шрёдингер, развивая идеи Бройляо волнах материи, сформулировал в видеволновогоуравнениязакон, согласно которому волны материираспространяются под действиемэлектромагнитного силового поля.

Всоответствии с этим представлениемстационарные состояния атомной оболочкиможно было уподобить стоячим волнамкакой-либо системы, например, колеблющейсяструны, причём величины, ранеерассматривавшиеся как энергии стационарныхсостояний, здесь оказывались частотамистоячих волн. Методика Шрёдингерапозволяла осуществить ряд вычислений,которые в квантовой механике были бычрезвычайно сложными.

В том же году М.Борн на основе волновой механики вывелформулу расчёта электронных оболочекатомов и метод решения квантовомеханическихзадач (Гейзенберг 1989: 11-13; Фолта, Новы1987: 254-255).

Математическийформализм Шрёдингера дал верные значенияэнергии для атомов Н, Не, тяжёлых атомов,и он попытался совсем отказаться отпредставлений о квантах, скачках, заменяяэлектроны в атоме 3-хмерными волнамиматерии. Гейзенберг, Бор были противтого, что дискретность не являетсяподлинной чертой реальности, и Борпослал приглашение Шрёдингеру приехатьв Копенгаген.

Осенью1926 г. начинаются знаменитые дискуссиимежду Н. Бором (Б) и Э. Шрёдингером (Ш).Бор пытался убедить Шрёдингера вдостоинствах дискретной интерпретациив долгих спорах, часто продолжавшихсяцелыми днями. В. Гейзенберг восстановилпо памяти эту дискуссию в работе Частьи целое(Гейзенберг 1989: 198-203).

Ш.Идея квантовых скачков ведёт к бессмыслице.Почему в стационарном состоянии электронне должен ничего излучать? Что это запереход электрона с орбиты на орбиту,постепенный или внезапный? Как движетсяэлектрон во Вр скачка? Почему при этомне испускается непрерывный спектр, кактого требовала бы теория электромагнитныхявлений? И какими законами определяетсядвижение электрона при скачке?

Б.Вы совершенно правы, но это ещё недоказывает, что квантовых скачков несуществует. Это доказывает только, чтомы не можем их себе представить. Квантовыепроцессы не могут быть предметомнепосредственного опыта, мы не можемсообразовывать наши понятия.

Ш.Оставим философам спор относительнообразования понятий, мне хотелось бызнать: что происходит в атоме? Если ватоме есть электроны, т. е. частицы, тоони должны и как-то двигаться.

Как ониведут себя в стационарном состоянииили при переходе из одного состояния вдругое? Стоит изменить образ: нет частиц,есть электронные волны материи, и всёначинает выглядеть иначе.

Излучениесвета становится таким же понятным, какиспускание радиоволн антенной,противоречия исчезают.

Б.Противоречия не исчезают, они отодвигаютсяв другую область. Решающим для выводазакона излучения Планка является то,что энергия атома принимает дискретныезначения и иногда энергия атома изменяетсяпрерывисто.

Ш.Почему нельзя надеяться, что теорияволн материи приведёт к другому объяснениюформулы Планка?

Б.На это надеяться нельзя. Уже 25 летизвестно, что означает формула Планка.Мы непосредственно наблюдаем дискретность,скачкообразность атомных явлений наэкране (сцинтиляции), в камере Вильсона.Вспышка света на экране появляетсявнезапно, и электрон пролетает черезкамеру Вильсона внезапно.

Физическоеистолкование квантовой механикисоставляло и главную тему бесед Н. Бораи В. Гейзенберга. Окончательное решениепришло с двух сторон: Гейзенбергом иБором были сформулированы принципынеопределённости и дополнительности.

Источник: https://studfile.net/preview/6319969/page:16/

Топологическая квантовая теория. I. История рождения и болезней квантовой теории. | Лаборатория космических исследований

История квантовой теории

zhvictorm в чт, 30/06/2011 — 19:13

I. Строение вещества

Теория, о которой пойдет речь, является попыткой разрешить проблемы, которые встали перед физикой в XX веке, когда ученым удалось разобраться в том, что происходит на очень малых расстояних, которые сейчас принято называть атомными и субатомными.

  В XX веке физикам удалось создать приборы и провести эксперименты, в которых  было показано, что вещество состоит из атомов и молекул, а сами атомы и молекулы состоят из еще более «элементарных частиц».  Такие частицы иногда называют субатомными.

  В XX веке пришлось изобретать новый термин для частиц, из которых состоят атомы — «элементарные», поскольку само слово «атом» в переводе с древнегреческого языка означает «неделимый». Атом оказался делимым, а в последствие делимыми оказались и субатомные частицы.  

Хотя о том, что вещество состоит из атомов и молекул, догадывались еще в Древней Греции (Левкипп и Демокрит), тем не менее даже в XIX веке еще не было абсолютно и строго доказанных фактов об атомно-молекулярном строении вещества.

В XIIIV веке одним из основоположников атомно-молекулярного учения был наш великий соотечественник Михаил Васильевич Ломоносов, 300-летие которого мы будем отмечать в ноябре этого года.

Работы ученых XIIIV и XIX веков дали много оснований для того, чтобы построить атомно-молекулярную теорию вещества, но только почти сто лет назад в 1913 году на Втором Сольвеевском конгрессе  было объявлено об окончательно установленных фактах, подтверждающих строго атомно-молекулярное строение веществ. Основными фактами стали — теория растворов (много авторов), объяснение броуновского движения Эйнштейном и  планетарная модель атома Резерфорда.

Однако успешное завершение  более чем двух тысячелетней истории атомов в 1913 году послужило рождению новой истории о строении самих атомов, а затем и элементарных (субатомных) частиц.

Первыми в этой истории появились электроны ($\beta$-лучи), затем $\alpha$-частицы, и X-лучи, а затем и $\gamma$-лучи.

Планетарная модель атома Резерфорда подразумевала, что атом устроен совсем не элементарно и состоит из положительно заряженного ядра и электронов, которые его окружают наподобие планет, которые вращаются вокруг Солнца.

Однако первые же шаги такого представления об атомах вошли в противоречие с классическими законами, которые управляют движением вещества на привычных нам масштабах, которые принято называть — макромасштабами. Эти противоречия заставили физиков строить новую теорию движения субатомных частиц, которая в настоящее время называется квантовой теорией.

II. Квантовая теория

Годом создания квантовой теории считается 1926 год, когда Вернер Гейзенберг опубликовал статью, в которой объяснил то, как можно рассчитать спектры излучения атомов, основываясь на новой системе квантовых постулатов.

Эта статья завершила этап возникновения квантовой теории, началом которого можно считать работу Планка о спектре излучения абсолютно черного тела, появившуюся в 1900 году. Теория бурно развивалась  после 1926 года вплоть до начала Второй Мировой Войны. Эта эпоха так и называется в физике — «Эпоха бури и натиска».

В это время были записаны фундаментальные постулаты квантовой теории, которых пришлось вводить намного больше, чем в классической механике, Найдены уравнения, описывающие движение субатомных частиц — электронов и некоторых других частиц. Это уравнения Шредингера и Дирака.

Было обнаружено, что ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, а все частицы должны иметь своих антиподов — античастицы.   В это же время были обнаружены процессы радиоактивного распада, явления ядерного синтеза, с помощью которого удалось объяснить «горение» звезд. Но и результатом этих открытий стало создание атомной и ядерной бомб.

Было открыто и объяснено множество других явлений. Однако зародившаяся новая квантовая теория была создана на основе нескольких не совсем ясных до сих пор принципов и содержит несколько фундаментальных проблем, которые не разрешены в ней до сих пор.

Неясными принципами были и остаются в квантовой теории способы интерпретации того, что же происходит с субатомной частицей, когда над ней производят измерение.

До квантовой механики физик, пытась измерить то или иное свойство физической системы, полагал, что результат эксперимента можно заранее предсказать, если строго контролировать все внешние условия проведения эксперимента. Это иногда сделать очень сложно, например, из-за того, что установка сотрясается из-за проезжающих недалеко автомобилей.

В других случаях не удается исключить воздействие молекул окружающей среды, которые находятся   в постоянном тепловом движении и т.д. Но во всех этих случаях физик знал, что такого рода неконтролируемые воздействия порождены не чем-то абсолютно фундаментальным, не поддающемся пониманию, а вполне ясными взаимодействиями одних тел с другими.

Поэтому считалось, что, во-первых, такое воздействие можно уменьшать с помощью разных ухищрений, а , во-вторых, его можно легко учесть с помощью проведения множества одинаковых измерений.

Квантовая механика смешала все карты.  Выяснилось, что результат эксперимента, даже самого тщательно подготовленного, часто нельзя предсказать однозначно. Они оказываются случайными или вероятностными.

Это можно интерпретировать так,  как-будто «кто-то» заставляет субатомные частицы двигаться разными способами не из-за того, что они взаимодействуют по-разному с другими телами, а из-за того, что этот «кто-то» по своему усмотрению заставляет их летать по определенным траекторим.

При этом физику позволено вычислять все возможные траектории, по которым могут летать частицы, но этот кто-то  утаивает от экспериментатора — по какой из них  он направит частицу в следующий момент.

III. Кто же этот «кто-то»?

                                                                                                               «Если где-то нет кого-то,

                                                                                                 Значит кто-то где-то есть!

                                                                                                 Только где же этот кто-то?

                                                                                                  И куда он мог залезть»

                                                                                                  Песенка из мультфильма

У физиков разгорелся не шуточный спор — кто же  этот «»кто-то». Он продолжается до сих пор. Многие сразу подумали — а не Бог ли это?  Однако идея о том, что Бог стоит за каждым экспериментом в мире и постоянно дурачит физиков, выглядит не очень привлекательной. Ее выразил Эйнштейн словами «Бог не играет в кости!» . 

Другие пытались на первых порах все свести к старой идее классической механики, что мы просто чего-то не в  состоянии контролировать в эксперименте, поэтому и получаются случайные результаты. Однако знаменитый математик Нейман доказал, что такое объяснение не верно почти при всех условиях  экперимента.

Победила в 30-х годах XX века идея Нильса Бора о том, что не стоит задумываться о том, кто же этот «кто-то». Он сказал всем, что мир так уж устроен. В нашем мире маленькие частицы движутся по своим законам. Поэтому их надо просто изучить, научиться вычислять разные вещи, а этот «кто-то» пусть остается инкогнито.

Правда Эрвин Шредингер, Луи Де-Бойль и Альберт Эйнштейн так и остались при своем мнении. Э.Шредингер придумал даже мысленный эксперимент с черной кошкой. Согласно этому эксперименту,  кошка может погибнуть или остаться жить из-за того, что в эксперименте квантовая частица полетит либо одним, либо другим спосбом.

Это означает, что  законы субатомных частиц могут влиять непредсказуемым способом на жизнь кошки. Точно также они могут влиять на жизнь человека, а это уже далеко не электроны и протоны. Тут уж точно надо узнать кто же этот «кто-то».  Вот эта проблема является фундаментальной и требует решения.

Хотя не она послужила в качестве толчка к созданию обсуждаемой здесь теории, но эта проблема служила постоянным фоном к восприятию других проблем современной теории частиц.

Источник: http://www.spacephys.ru/topologicheskaya-kvantovaya-teoriya-i-istoriya-rozhdeniya-i-boleznei-kvantovoi-teorii

Booksm
Добавить комментарий