Квантово-механическая концепция описания микромира

Ученые, изучая микрочастицы, столкнулись с парадоксом: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства. Это разрушало традиционные представления о микрочастицах, так как частица подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, а волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для полного описания рассматриваемых явлений. Следовательно, физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем.

Чтобы понять квантово-механическое описание микромира необходимо обратиться к работам немецкого физика Вернера Карла Гейзенберга и датского физика Нильса Хенрика Давида Бора, а именно к описанию микромира с точки зрения соотношения неопределенностей (Гейзенберг) и принципа дополнительности (Бор).

а) Суть соотношения неопределенностей В. Гейзенберга состоит в следующем. Допустим, ставится задача определить состояние движущейся частицы. Если бы можно было воспользоваться законами классической механики, то ситуация была бы простой: следовало лишь определить координаты частицы и ее импульс (количество движения). Но законы классической механики для микрочастиц применяться не могут: невозможно не только практически, но и вообще с одинаковой точностью установить место и величину движения микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно. В своей книге «Физика атомного ядра» В. Гейзенберг раскрывает содержание соотношения неопределенностей. Он пишет, что никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра — координату и скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направлении она движется. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы.

С точки зрения классической механики, соотношение неопределенностей представляется абсурдом. Чтобы лучше оценить создавшееся положение, нужно иметь в виду, что мы, люди, живем в макромире и в принципе не можем построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру. Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, направленных на точное определение места, напротив, используется волновое объяснение, в частности, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при наблюдении отклонения лучей.

Таким образом, существование элементарного кванта действия служит препятствием для установления одновременно и с одинаковой точностью положения и величины движения частицы.

б) Принцип дополнительности Н. Бора, наряду с соотношением неопределенностей, является фундаментальным принципом квантовой механики. Н. Бор дал ему следующую формулировку: «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других — подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообъектом.

В микромире корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как в мире больших тел. Но обе «картины» законны, и противоречие между ними нельзя снять.

Следовательно, корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т. е. быть комплементарными. Таким образом, общую картину микромира можно получить только при учете этих двух аспектов.