Корпускулярно-волновой дуализм в неклассическом естествознании

Введение
1. Зарождение квантовых представлений в физике
2. Особенности неклассического подхода к описанию динамики микрочастиц
3. Квантовая природа микроскопических объектов
Заключение
Список литературы

Корпускулярно-волновой дуализм в неклассическом естествознании

Набор возможных дискретных частот v = (En - Em) / h квантовых переходов и определяет линейчатый спектр атома.Квантовые постулаты Бора были лишь первым шагом в создании квантовой теории атома. Поэтому пришлось воспользоваться следующим приемом: сначала задача решалась при помощи классической механики (заведомо неприменимой полностью к внутриатомным движениям), а затем из всего непрерывного множества состояний движения, к которым приводит классическая механика, на основе квантовых постулатов отбирались квантовые состояния. Несмотря на все несовершенство этого метода, он привел к большим успехам — позволил объяснить сложные закономерности в атомных и молекулярных спектрах, осмыслить природу химических взаимодействий и др. Такой подход, по сути, является частным случаем общего принципа, играющего важную роль в современной теоретической физике — принципа соответствия, который гласит, что всякая неклассическая теория в соответствующем предельном случае переходит в классическую.Важным достижением Бора и других исследователей было развитие представления о строении многоэлектронных атомов. Предпринятые шаги в развитии теории строения более сложных (чем водород) атомов и объяснении структуры их спектров принесли некоторые успехи. Однако они не означали, что эту теорию можно считать завершенной. Во-первых, постулаты Бора и многие принципы его теории имели характер непонятных, ни откуда не следуемых утверждений, которые еще должны получить свое обоснование. Во-вторых, в некоторых даже довольно простых случаях применение данной теории встречало непреодолимые трудности; например, попытки теоретически рассчитать даже такой, казалось бы, простой атом, как атом гелия, не привели к успеху. Физики ясно понимали неудовлетворительность боровской теории атома..Еще одна гипотеза была выдвинута в 1924 г. Л. де Бройлем. В соответствии с гипотезой де Бройля движение частицы, имеющей импульс p = mv и энергию Е, связано с некоторым волновым процессом, длина которого l = h / p, а частота n= Е / h, где h - постоянная Планка. В 1928 году эксперименты Дэвиссона и Джермера подтвердили идею де Бройля в опытах по "дифракции" и "интерференции" электронов.Эксперименты Дэвиссона и Джермера наглядно показали, что корпускулярно-волновой дуализм характерен не только для электромагнитного поля, но и для вещества.Используя эту концепцию, Э. Шредингер, В. Гейзенберг, М. Борн и П. Иордан в 1925 - 1926 г.г. разработали новый подход к описанию движения микрочастиц в атоме - квантовую механику, в основе которой лежат совершенно иные, чем в классической физике, способы описания состояний и динамики их изменений.2. Особенности неклассического подхода к описанию динамики микрочастицПервоначально возникли две отличающиеся по форме квантовые теории. В одной из них – волновой механике Шредингера – состояние микрочастицы описывается не положением и скоростью в какой-то момент времени (как в механике Ньютона), а непрерывной комплексной функцией координат и времени Y (r, t), которую называют «пси-функцией». Физический смысл этой функции состоит в том, что квадрат ее модуля в каждый момент времени определяет вероятность нахождения микрочастицы вблизи точки пространства с радиус-вектором. Таким образом, в волновой механике с самого начала отказались от наглядного описания движения частиц с помощью траекторий. Более того, волновая механика является не динамической теорией, позволяющей однозначно предсказать положение и скорость микрочастицы в любой момент времени, а статистической теорией, определяющей вероятности, с которыми наблюдаемые величины имеют те или иные значения.Динамика микрообъектов описывается в волновой механике с помощью так называемого уравнения Шредингера, которое представляет собой дифференциальное уравнение 2-го порядка в частных производных для Y- функции и имеет такое же значение, какое в классической механике имело уравнение F = ma. В другой квантовой теории – квантовой механике Гейзенберга, Борна и Иордана – состояние микрообъекта описывается упорядоченным набором комплексных чисел (комплексным вектором), а той или иной динамической характеристике (координата, импульс, момент импульса и др.) соответствуют операторы, воздействующие на этот вектор. Математически такие операторы описываются матрицами, поэтому другое название этой теории – матричная механика. Эта механика полностью эквивалентна волновой механике Шредингера, хотя обе теории используют разный математический формализм.Отличие квантовых, а также релятивистских подходов от классических представлений было настолько велико, что XX в. стал прочно ассоциироваться с новым этапом в естествознании, который сейчас называют неклассическим. Отметим некоторые наиболее важные особенности этого этапа.1. Если в классическом естествознании статистические закономерности относились к поведению больших ансамблей идентичных объектов, в то время как динамика отдельных объектов оставалась строго детерминированной, то в неклассическом естествознании вероятностный подход доходит до уровеня индивидуальных объектов. О том, насколько сложным был переход к неклассическим идеям в этом вопросе, свидетельствуют высказывания создателей квантовой теории. Эйнштейн незадолго до своей смерти писал: «Если статистическая квантовая теория не претендует на полное описание индивидуальной системы (и ее поведение во времени), то попытки найти это полное описание где-то еще, провидимому, неизбежны… С учетом этого приходится признать, что указанная схема в принципе не может служить базисом теоретической физики». Луи де Бройль также считал, что «возможно, в один прекрасный день окажется, что квантовая теория дает нам лишь статистическое определение аспектов лежащей за ним физической реальности, которую она не в состоянии описать полностью». Однако впоследствии выяснилось, что индивидуально-статистический подход к поведению микрообъектов является единственно возможным и отражает непосредственную «ненаблюдаемость» их движения.2. Если для классического объекта в принципе можно измерить все его динамические параметры, то для микрообъектов этого в общем случае сделать нельзя. В методологическом отношении данное обстоятельство привело к формулировке принципа дополнительности Бора, который в настоящее время имеет общекультурное значение. Согласно этому принципу, получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами являются, например, координата микрочастицы и ее скорость. С физической точки зрения принцип дополнительности часто объясняют (следуя Бору) влиянием «измерительного прибора» (который всегда является макроскопическим объектом) на состояние микрообъекта. При точном измерении одной из дополнительных величин с помощью соответствующего прибора другая величина в результате взаимодействия микрообъекта с прибором претерпевает неконтролируемые изменения. Можно, однако, показать, что даже в отсутствие измерительного прибора дополнительные величины не могут одновременно иметь абсолютно точные значения. Частным случаем принципа дополнительности является принцип неопределенности Гейзенберга, одна из эквивалентных формулировок которого заключается в следующем: произведение неопределенности координаты микрочастицы Dх и неопределенности соответствующей проекции ее импульса D не превышает значения постоянной Планка h.3. Отказ от классических традиций произошел также в том, что в науку стали вводиться величины (например, Y - функция), сами по себе не являющиеся непосредственно измеряемыми. В дальнейшем эта тенденция стала преобладающей.