Актуальные проблемы квантовой механики
| Загрузить архив: | |
| Файл: ref-31631.zip (31kb [zip], Скачиваний: 37) скачать |
АСТРАХАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ
Филологический факультет
Кафедра теории и истории журналистики
АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
Реферат
студента 4 курса
группы ЖР-42
дневного отделения специальности «Журналистика»
Каргаполова Влада Викторовича
Астрахань
2011
Содержание
Введение……………………………………………………………………3
Часть 1. История зарождения и предмет квантовой механики.
Истоки КМ…………………………………………………………………5
Предмет КМ………………………………………………………………..9
Часть 2. Основные моменты и ключевые теории
Квантовые порции………………………………………………............10
Принцип Гейзенберга…………………………………………………...11
Роль наблюдателя в природе…………………………………………..14
Корпускулярно-волновой дуализм……………………………………16
Кот Шредингера………………………………………………................17
Интерпретация КМ……………………………………………………..18
Заключение………………………………………………………………21
Список литературы……………………………………………………..22
ВВЕДЕНИЕ
Появление квантовой механики – закономерное явление для научного прогресса начала XX века. В истории развития физики было немало революций, кардинально изменявших научную парадигму и взгляды ученых на методы познания и устройство мира. Однако то, что произошло с естествознанием в первой четверти XX века, не было очередной сменой основных законов. Если раньше все в окружающем нас мире было предсказуемо, то с появлением квантовой механики он стал случайным. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение ядер атомных, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механикилежат в основе понимания большинства макроскопических явлений.Квантовая механикапозволила, например, объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоёмкости газов и твёрдых тел, определить строение и понять многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников). Только на основе квантовой механики удалось последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звёзды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звёздах. Квантовая механика - фундаментальная физическая теория, что в описании микроскопических объектов расширяет, уточняет и объединяет результаты классической механики и классической электродинамики. Эта теория является базой для многих направлений физики и химии, включая физику твердого тела, квантовую химию и физику элементарных частиц. Термин «квантовая» (от лат. Quantum - «сколько») связан с дискретными порциями, которые теория присваивает определенным физическим величинам, например, энергии атома.
Уже на протяжении века существования квантовой механики ее предсказания никогда не были оспорены экспериментом. Квантовая механика объясняет крайней мере три типа явлений, которые классическая механика и классическая электродинамика не может описать:
1) квантования некоторых физических величин;
2) корпускулярно-волнового дуализма;
3) существование смешанных квантовых состояний.
В данной работе будут рассмотрены лишь самые общие аспекты и проблемы современной квантовой механики.
Часть 1. История зарождения и предмет квантовой механики.
Истоки КМ
Физика переживала свой рассвет в XIX веке. Были раскрыты тайны механики, свершились новые открытия в области астрономии и молекулярной физики. Это радостное состояние называлось классическая физика. Временами ученым даже казалось, что так будет вечно и открыто уже всё.Именно с этого момента начинается путь квантовой физики. Казалось, зная столько всего об энергии и молекулах будет легко объяснить, почему вещество, нагретое до 1000 градусов светится красным, а до 9000 — светло-голубым. Однако все оказалось не так просто. На этом вопросе застопорилось немало физиков XIX века. Таким образом, был обнаружен парадокс при расчете общей энергии электромагнитного излучения в замкнутой полости (абсолютно черное тело) и пошатнулись основы привычной классическая физика. Расчеты физиков того времени показали, что общая энергия излучения любого абсолютно черного тела должна быть бесконечно большой, что тут же им намекнуло, что не все так просто. Формулу пытались вывести, угадать или подобрать (Релей-Джинс, Вин) но результаты не радовали — формулы хоть немного, но врали.
Первым к верным выводам пришел Планк. В 1900 году он подогнал условия задачи под ответ и как бы предположил, что энергия электромагнитной волны может излучаться/поглощаться только целыми порциями, правда объяснить каким образом и почему это происходит он не смог.
В самом деле, полость черного тела замкнута, поэтому в стационарном состоянии там могут существовать лишь стационарные стоячие электромагнитные волны. Чтобы так получилось, они своими узлами должны лежать на границах черного тела, а следовательно, состоять из целого числа полуволн. Смущал тот факт, что энергия основной полуволны не могла быть любой, а должна была быть кратной, по предположению Планка, некоей малой величине, а минимальная энергия, которую может нести волна, пропорциональна её частоте.
Формула Планка работала с потрясающей точностью, и за это открытие он получил Нобелевскую премию в 1918г.
Квантовая гипотеза Планка состояла в том, что для элементарных частиц, любая энергия поглощается или испускается только дискретными порциями. Эти порции состоят из целого числа квантов с энергией 
таких, что эта энергия пропорциональна частоте ν с коэффициентом пропорциональности, определённым по формуле:
где h— постоянная Планка, и 
.
В 1905 году, для объяснения явлений фотоэффекта, Альберт Эйнштейн, использовав квантовую гипотезу Планка, предположил, что свет состоит из квантов. Впоследствии, «кванты» получили название фотонов.
Для объяснения структуры атома, Нильс Бор предложил в 1913 году существование стационарных состояний электрона, в которых энергия может принимать лишь дискретные значения. Этот подход, развитый Арнольдом Зоммерфельдом и другими физиками, часто называют старой квантовой теорией (1900—1924г.). Отличительной чертой старой квантовой теории является сочетание классической теории с противоречащими ей дополнительными предположениями.
Изучая фотоэффект, Эйнштейн решил распространить планковскую дискретную модель энергии волны на свет. Он предположил, что свет представляет собой поток микроскопических частиц (фотонов), причем энергия каждого фотона пропорциональна частоте света. В итоге Эйнштейн показал, что гипотеза Планка о дискретности энергии отражает фундаментальное свойство электромагнитных волн: они состоят из частиц— фотонов, которые представляют собой маленькие порции или кванты света. За это он удостоился Нобелевской премии в 1921 году.
В 1923 году Луи де Бройль выдвинул идею двойственной природы вещества, опиравшуюся на предположение о том, что поток материальных частиц обладает и волновыми свойствами, неразрывно связанными с массой и энергией. Движение частицы Л. де Бройль сопоставил с распространением волны, что в 1927 году получило экспериментальное подтверждение при исследовании дифракции электронов в кристаллах. В общих чертах его предположение можно описать так:
·пока свет летит в пространстве, он ведет себя как волна — подвергается интерференции, дифракции, имеет поляризацию и т.д.
·а вот когда свет (и любое ЭМ излучение) взаимодействует с веществом, излучается или поглощается — его приходится считать потоком частиц и квантовые эффекты показывают свой звериный оскал.
Высказанные в 1924 году идеи корпускулярно-волнового дуализма были в 1926 году подхвачены Э. Шрёдингером, развернувшим на их основе свою волновую механику.
В 1925—1926 годах были заложены основы последовательной квантовой теории в виде квантовой механики, содержащей новые фундаментальные законы кинематики и динамики. Первая формулировка квантовой механики содержится в статье Вернера Гейзенберга, датированной 29 июля 1925 года. Эту дату можно считать днем рождения нерелятивистской квантовой механики.
Развитие и формирование основ квантовой механики продолжается до сих пор. Оно связано, например, с исследованиями открытых и диссипативных квантовых систем, квантовой информатикой, квантовым хаосом и пр. Помимо квантовой механики, важнейшей частью квантовой теории является квантовая теория поля.
В 1927 году К. Дэвиссон и Л. Джермер в исследовательском центре Bell Labs демонстрируют дифракцию медленных электронов на никелевых кристаллах (независимо от Дж. Томсона). При оценке угловой зависимости интенсивности отраженного электронного луча, было показано её соответствие предсказанной на основании закона Вульфа— Брэггов для волн с длиной Де Бройля (см. ). До принятия гипотезы де Бройля, дифракция расценивалась как исключительно волновое явление, а любой дифракционный эффект— как волновой. Когда длина волны де Бройля была сопоставлена с условиями Брэггов, была предсказана возможность наблюдения подобной дифракционной картины для частиц. Таким образом экспериментально была подтверждена гипотеза де Бройля для электрона.
«Подтверждение гипотезы де Бройля стало поворотным моментом в развитии квантовой механики. Подобно тому, как эффект Комптона показывает корпускулярную природу света, эксперимент Дэвиссона— Джермера подтвердил неразрывное «сосуществование» с частицей её волны, иными словами— присущность корпускулярной материи также и волновой природы. Это послужило оформлению идей корпускулярно-волнового дуализма. Подтверждение этой идеи для физики стало важным этапом, поскольку дало возможность не только характеризовать любую частицу, присваивая ей определённую индивидуальную длину волны, но также при описании явлений, полноправно использовать её в виде определённой величины в волновых уравнениях.»Мышь Эйнштейна»).
«Главная проблема квантовой механики – это вопрос о том, что происходит в момент “реализации” волновой функции. Почему плоская волна электрона “реализуется” в одной точке фотопластины? Является ли наша неспособность “вычислить”, какая именно из имеющихся возможностей “реализуется”, фундаментальным законом природы, либо же следствием несовершенства используемых нами методов и приборов. Сам процесс “реализации” так же не уловим, как линия горизонта или основание радуги. В какой момент он происходит? В момент взаимодействия волновой функции с фотопластиной, являющейся “классическим” объектом, либо же в момент “наблюдения” экспериментатора за фотопластиной? И чем же так выделен “наблюдатель”, что ему дано право выбирать по какому из возможных путей пойдет мир дальше?
Принципиальное отличие квантовой механики от классической состоит также в том, что её предсказания всегда имеют вероятностный характер. Это означает, что мы нихуя не знаем не можем точно предсказать, в какое именно место попадает, например, электрон в рассмотренном выше эксперименте, какие бы совершенные средства наблюдения и измерения ни использовали. Можно оценить лишь его шансы попасть в определённое место, а следовательно, применить для этого понятия и методы теории вероятностей, которая служит для анализа неопределённых ситуаций.
В квантовой механике любое состояние системы описывается с помощью так называемой волновой функцией матрицы плотности, но в отличие от классической механики эта матрица определяет параметры её будущего состояния не достоверно, а лишь с той или иной степенью вероятности. Важнейший философский вывод из квантовой механики заключается в принципиальной неопределённости результатов измерения и, следовательно, невозможности точного предвидения будущего.
Это в комбинации с принципом неопределённости Гейзенберга, а так же другими теоретическими и экспериментальными данными заставило некоторых учёных усомниться в классической механике и предположить, что у микрочастиц вообще нет никаких внутренних свойств и они появляются только в момент измерения. Некоторые исследователи предположили, что роль сознания экспериментатора для существования всей Вселенной является чуть более чем решающей, поскольку согласно квантовой теории, именно наблюдение создает или частично создает наблюдаемое».вопрос о чём, в сущности, говорит квантовая механика? Квантовая механика считается «наиболее проверенной и наиболее успешной теорией в истории науки», но основной вопрос— каков её глубинный смысл— всё ещё открыт.
·Копенгагенская интерпретация— наиболее популярная интерпретация в современном квантмехе. Утверждает, что в квантовой механике результат измерения принципиально недетерминирован, а вероятностный характер предсказаний квантовой механики принципиально неустраним. Копенгагенская интерпретация отбрасывает вопросы типа «где была частица до того, как я зарегистрировал её местоположение» посредством фундаментального огораживания. Последователи интерпретации поголовно состоят из «мышей Эйнштейна», поскольку уверены, что именно процесс измерения случайно выбирает в точности одну из возможностей, допустимых волновой функцией данного состояния, а волновая функция мгновенно изменяется, чтобы отразить этот выбор.
·Многомировая интерпретация— это интерпретация квантовой механики, которая предполагает существование «параллельных вселенных», в каждой из которых действуют одни и те же законы природы и которым свойственны одни и те же мировые постоянные, но которые находятся в различных состояниях. При проведении любого квантового эксперимента вселенная расщепляется на столько вселенных, сколько есть возможных исходов эксперимента и каждый из результатов стопроцентно реализуется в одной из них, а наблюдатель, оказавшись опять же в одной из них, видит свой один конкретный результат. В случае с «двухщелевым опытом» (Опыт Юнга) происходит следующее: при подлете к щели вселенная раздваивается, и фотон вылетит из той щели, во вселенной которой окажется наблюдатель. Соответственно наблюдатель констатирует что опыт удался. И наоборот: если наблюдатель окажется в той вселенной, где фотон не вылетит (то есть на самом деле он вылетит, только в той вселенной где наблюдателя нет), то наблюдатель констатирует, что опыт не удался. Согласно мнению противников КФ, данная гипотеза считается самой научно-фантастической. Тем не менее, множество авторитетных учёных признают данную гипотезу имеющей право на существование.
·Теория скрытых параметров пытается объяснить результаты квантовых экспериментов неполнотой наших знаний о микромире. Вполне логичные в своей основе эйнштейновские идеи этой теории, тем не менее, не подтверждаются экспериментально, а проведенные проверки неравенства Белла напрямую опровергают существование скрытых параметров.
·Транзактная интерпретация квантов утверждает, что частица посылает запрос в будущее (волна предложение) и получает ответ из будущего (волна подтверждение). Степень совпадения фаз определяет амплитуду. Квадрат амплитуды определяет вероятность события. Такой подход решает проблему наблюдателя (парадокс кота Шредингера, и мыши Эйнштейна).Заткнись и считай!»
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Несмотря на совершенно новый взгляд на многие природные явления, квантовую механику никак нельзя расценивать как полное опровержение классической физики. Последняя может рассматриваться как предельный случай квантовой механики или как первое и очень грубое приближение к ней. Как подчеркивал Поль Дирак, соответствие между квантовой и классической теориями состоит не только в их предельном согласии. Соответствие заключается прежде всего в том, что математические операции двух теорий во многих случаях подчиняются одним и тем же законам и описываются одной математической структурой. Отличия заключаются лишь в представлении (реализации) этих структур конкретными математическими объектами.
На данный момент квантовая механика является наиболее проверенной (и в то же время наиболее парадоксальной) теорией в истории науки. Каким же образом она работает, так никто до сих пор и не осознал, несмотря на многолетний мозговой штурм
Основной проблемой современной физики является попытка вывести «Теорию Всего», которая объединила бы квантовую физику с теорией относительности. Пока что эти попытки не привели к положительным результатам.
Среди возможных кандидатов на звание «Теории Всего» сейчас значатся несколько довольно сложных математических теорий, например Теория петлевой квантовой гравитации и, Теория струн. Впрочем, до окончательного решения проблемы еще довольно далеко. В итоге главный вопрос современности остается нерешённым.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Барвинский А.О., Каменщик А.Ю., Пономарёв В.Н. Фундаментальные проблемы интерпретации квантовой механики. Современный подход – М.: Изд-во МГПИ, 1988
2. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.1, Механика – М.: Наука, 1988
3. Иванов П.Д. Мир Эйнштейна – М.: Логос, 2002
4. Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант – М.: Прогресс, 1994
5. Торопин А. Общая теория квантовой механики – М.: Наука, 1992
[1] Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика с.52
[2] . Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант, с.101
[3] Иванов П.Д. Мир Эйнштейна – М.: Логос, 2002, с.117
[4] Барвинский А.О., Каменщик А.Ю., Пономарёв В.Н. Фундаментальные проблемы интерпретации квантовой механики. Современный подход, с. 312