Квантовая механика- Наука ХХ века

    Квантовая механика описывает поведение реальных, а не мифических частиц, но посредством особых концептуальных средств, иных, чем те, которые использовала классическая физика и от которых пришлось отказаться под давлением экспериментальных фактов. 

    

І.2.3 Соотношение неопределенностей 

    Как было впервые подмечено В. Гейзенбергом, измеряемые значения координат квантовых объектов и их импульсов подчиняются соотношениям:

    Х Рх> ђ, У Ру > ђ, Z Рz > ђ,

где значок обозначается ђ - неопределенность. Соотношения Гейзенберга свидетельствуют о том, что чем определеннее значение одного из параметров, входящих в указанные соотношения, тем неопределеннее значение другого параметра, и, наоборот, чем больше неопределенность координаты, тем меньше неопределенность импульса: имеется в виду, что оба параметра измеряются одновременно.

    Соотношение неопределенностей Гейзенберга  вытекает непосредственно из квантово-механического  формализма. Анализ показал, что соотношение  неопределенностей выполняется  для тех величин, операторы которых  не коммутируют друг с другом. Соотношения  неопределенностей Гейзенберга как показывают простейшие подсчеты, являются следствием наличия некоммутирующих операторов.

    Иначе говоря, природа квантовых объектов такова, что взаимосопряженные (т.е. соотносящиеся с некоммутирующими операторами) величины связаны друг с другом уравнением неопределенностей, в случае взаимосопряженных параметров. Одновременно точно можно измерить лишь те величины, которым соответствуют коммутирующие друг с другом операторы. 
 
 

    І.2.4 Принцип дополнительности Н. Бора 

    Квантовые объекты относительны к средствам  наблюдения. О параметрах квантовых  явлений можно судить лишь после  ТОО как они провзаимодействовали со средствами наблюдения, т.е. приборами.

    Поведение атомных объектов невозможно резко  отграничить от их взаимодействия с  измерительными приборами, фиксирующими условия, при которых происходят явления. При этом приходится учитывать, что приборы, которые используются для измерения параметров, связанных между собой соотношением неопределенностей, разнотипны. Исследователи вынуждены прибегать к использованию различных установок.

    Данные, полученные при различных условиях опыта, не могут быть охвачены одной-единственной картиной; эти данные должны рассматриваться как дополнительные в том смысле. Что только совокупность разных явлений может дать более полное представление о свойствах объекта. В этом как раз и состоит содержание принципа дополнительности.

    Согласно  квантовой механике, каждое отдельно проведенное измерение разрушает  микрообъект: после измерения его  волновая функция перестает существовать. Чтобы провести измерение приходится заново готовить микрообъект. Это обстоятельство существенно усложняет процесс синтеза данных измерений по сравнению с теми. Что имеет место в классической физике и специальной теории относительности. В этой связи Бор как раз и утверждал взаимодополнительность квантовых измерений. Данные классических измерений не взаимодополнительны, они просто-напросто сосуществуют, имеют самостоятельный смысл независимо друг от друга. Взаимодополнение имеет место там, где исследуемые сущие неотделимы друг от друга и взаимосвязаны между собой.

    Бор соотносил принцип дополнительности не только с физическими науками. По мысли Бора, возможности живых существ столь многообразны и так тесно взаимосвязаны, что при их изучении вновь приходится обращаться к процедуре взаимодополнения данных наблюдений. К сожалению, эта мысль Бора не получила должного развития по настоящий день. 

І.2.5 Туннельный эффект 

    Любой потенциальный барьер может быть преодолен в том случае, если кинетическая энергия тела (Е) больше его потенциальной энергии (U) так сказать, на вершине барьера

    Е = Uо

    С позиции квантовой механики, частица, попав в область потенциального барьера, не обладает точным значением импульса, а значит, и кинетической энергии. В соответствии с соотношением неопределенностей, неопределенность импульса частицы – это гарантия того, что вероятность достижения частицей необходимого для преодоления барьера импульса не равна нулю. Любая квантовая частица имеет шанс преодолеть потенциальный барьер. Именно в этом состоит содержание так называемого туннельного эффекта.

    Квантово - механическое объяснение туннельного эффекта с позиций классической физики кажется странным, но именно оно подтверждается данными многочисленных экспериментов.

    В термоядерных реакциях происходит необходимое  для их слияния сближение положительно заряженных и, следовательно, отталкивающихся друг от друга ядер-реагентов. Значительную роль в этом сближении опять играет туннельный эффект.

    Частица в потенциальной яме - квантовая частица, находящаяся в потенциальной яме, в силу неопределенности величины ее импульса не может покоиться. Следовательно, ее энергия на может быть равна нулю. В полном соответствии с аппаратом квантовой механики энергия частицы принимает дискретные (а не любые!) значения.

    Потенциальная яма- абстракция. В реальной действительности U =Ео. Используется эта абстракция для того, чтобы понять повеление частиц в силовых полях. 

    І.2.6 Принцип суперпозиции 

    Принцип суперпозиции состоит в том, что  если квантовый объект может находиться в состояниях, описываемых волновыми  функциями, то возможно состояние, изображаемое волновой функцией.

      Квантово-механический принцип суперпозиции является уточнением соответствующих представлений классической физики. Согласно последней, в среде, не меняющей свои свойства под действием возмущений, волны распространяются независимо друг от друга. Следовательно, результирующее возмущение в какой-либо точке среды при распространении в ней нескольких волн равно сумме возмущений, соответствующих каждой из этих волн. 
 
 
 

    ІІ. Чем отличаются статистические закономерности в  природе от динамических. Приведите примеры 

    Динамические  и статические законы, на которых сегодня и держится современная картина мира. Такое деление законов еще раз подтверждает что непознаное, не точно исчисляемое и объясняемое постепенно становится явью с помощью новых концепций. Появление статистических методов в познании, а также развитие теории вероятностей вот новое оружие современного ученого.

      Все теории можно разделить на два класса: динамические и статистические. В классической физике считалось, что предсказание будущего механической системы осуществляется однозначным образом

      Главное отличие статистических закономерностей от динамических в том, что в статистических законах необходимость выступает в диалектической связи со случайностью, а в динамических – как абсолютная противоположность случайного, а отсюда вытекает вывод:

    Динамические  законы представляют собой первый низкий этап в процессе познания окружающего  нас мира.

    Физические  явления в механике, электромагнетизме  и теории

относительности. Динамические законы отражают однозначные

причинно-следственные связи, подчиняющиеся детерминизму Лапласа.

    Динамические  законы – это законы Ньютона, уравнения  Максвелла, уравнения теории относительности.

    Статистические  законы обеспечивают более современное  отображение объективных связей в природе: они выражают следующий, более высокий этап познания. При попытке использовать однозначные причинно-следственные связи и закономерности к некоторым физическим процессам обнаружилась их недееспособность. Появились многозначные причинно-следственные связи, подчиняющиеся вероятностному детерминизму.

    Статистические  закономерности и законы используют теорию

вероятностей. Это наука о случайных процессах. В этих рамках следует пояснить следующие понятия: достоверные события, невозможные события и промежуточные между достоверными и невозможными случайные события.

    Термин  «динамический» призван отобразить причины изменений физических явлений, каковыми признаются силы. Строго говоря, динамические закономерности необязательно  связывать именно с феноменом  силы (в общей теории относительности не используется понятие силы, а понятие динамической закономерности остается в силе). Под динамическими закономерностями имеются в виду однозначные предсказания.

    Оказавшись  перед необходимостью изучения свойств  систем состоящих из очень большого числа частиц (атомов, молекул и т.д.), физики обратились к статистике. В сложной системе невозможно проследить за историей каждой отдельной частицы, обладающей, как считали физики старой школы, четко определенными параметрами. Для характеристики сложных (макроскопических) систем стали применять средние значения параметров частиц, для подсчета которых использовалось понятие вероятности. В статистических закономерностях осуществляется вероятностная предсказуемость средних значений величин микрообъектов. Считалось, что статистические закономерности имеют своей основой невероятностное поведение тех частиц, из которых состоят сложные системы.

    Физические  закономерности всегда имеют не динамический, а статистический (вероятностный) характер. Понятие динамической закономерности, фактически. Относится не к самим явлениям, а к способу их рассмотрения. В случае, если пренебрегают учетом квантованности явлений (часто это равносильно тому, что постоянную Планка h приравнивают к нулю), вместо вероятностной предсказуемости появляется однозначная

    В динамической теории состояние системы  определяется значениями характеризующих  ее физических величин. Динамическая теория позволяет предсказывать значения физических величин, характеризующих  систему.

    Исторически первая научная теория - классическая механика – теория динамическая. Она стала образцом, по которому кроились другие разделы классического естествознания: термодинамика, электродинамика, теория относительности, теория химического строения, систематика живых существ. Сформировалось убеждение, что динамические теории несут наиболее фундаментальное знание.

    Теория, в которой состояние системы  определяется заданием вероятностей тех  или иных значений физических величин  относится к статистическим теориям.

    Статистическая теория позволяет предсказывать лишь вероятности тех или иных значений физических величин, характеризующих систему.

    Первые  статистические теории стали возникать  в XІX в.: молекулярно-кинетическая теория и, более широко, статистическая механика в физике, дарвиновская теория эволюции (основанная на представлениях о неопределенной, т.е. случайной изменчивости), менделеевская генетика. Большинство же ныне действующих статистических теорий появились уже в XІX в. Со статистическими теориями в естествознание вошло фундаментальное понятие флуктации – это случайное отклонение характеристик системы от наиболее вероятного или среднего значения.

    Динамические  теории не учитывают и не допускают  возможности - флуктаций.

    Статистические  – допускают, учитывают и даже выводят на передний план. 

    В заключении нужно сказать, что из выше сказанного и описанного все законы и принципы применяются сейчас в современной физике, космологии, а также в развивающемся сейчас естествознании и в ряде других наук, изучающих природу в целом.

    Также нельзя утверждать что статистические законы более точные и более применимые в описании явлений вокруг нас по сравнению с динамическими закономерностями и принципами. Ни в коем случае, ведь каждая из предложенных к рассмотрению совокупность законов рассматривает абсолютно не идентичные процессы, да и протекают они (процессы)совершенно по разному. Поэтому и произошло такое разделение на две составные части. 
 
 

    ІІІ. За какое выдающееся открытие два советских физика и один американский были удостоены в 1963г. Нобелевской премии. Как оно связано с квантовой механикой