Навігація
Головна
 
Головна arrow Філософія arrow Філософія науки
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >

ФІЛОСОФСЬКІ ПРОБЛЕМИ квантової механіки

Якщо ви хочете дещо з'ясувати у фізиків-теоретиків про методи, які вони застосовують, я раджу вам твердо дотримуватися одного принципу: не слухайте, що вони говорять, а краще вивчайте їх дії ...

Л. Ейнштейн

"Стара" квантова теорія першій чверті XX століття

У ході створення і осмислення сучасної квантової механіки в 1925-1927 рр. виникло кілька конкуруючих парадигм (і відповідних їм спільнот) [1], які фізики, а за ними і філософи назвали "інтерпретаціями". Суперечка між ними і сформульовані в ході цієї суперечки "парадокси", обговорюються до цього дня, і складають ядро "філософських проблем квантової механіки".

Цьому спору передувала так звана стара квантова теорія періоду 1900-1925 рр., Яка представляла собою сукупність теорій різних явищ, отриманих шляхом введення у відповідні формули постійної Планка. Це було особливим мистецтвом [2]. Самі ці явища були обрані з накопичених фізикою в кінці XIX ст. "аномалій". Найбільше значення мали три проблеми [3]: спектра теплового випромінювання чорного тіла, фотоефекту, спектра і будови атома. Рішення першої з них, що призвела до появи в 1900 р постійної Планка h, ознаменувало народження "старої" квантової теорії. Створення Ейнштейном в 1905 р теорії фотоефекту ввело в фізику модель хвилі-частинки (фотона), підхоплену пізніше Де Бройлем і стала потім базовою для нової квантової механіки. Проблема спектру і будови атома водню стала основним полігоном, на якому відпрацьовувались елементи як старої (у вигляді теорії атома Бора (1913)), так і нової квантової механіки.

Парадокс теплового випромінювання абсолютно чорного тіла був чітко сформульований Лоренцем на IV Міжнародному математичному конгресі в Римі у квітні 1908 в доповіді "Розподіл енергії між вагомою матерією і ефіром". "У доповіді підкреслювалося, що при використанні статистичної механіки, вірної для будь-яких систем, що підкоряються рівнянням руху Гамільтона, виходить формула Релея - Джинса ... Отримана для довгих хвиль (або низьких частот. - А. Л.) [ця] формула всезагальна. .. А оскільки ця формула суперечить фактам [4], існує деяке протиріччя "[37, с. [4]60]. Тим самим Лоренц констатував, що ця проблема в принципі не може бути вирішена в рамках існували в той час розділів фізики (тобто йдеться про "аномалії", що викликає "криза" в сенсі Т. Куна). Рішення, запропоноване в 1900 р німецьким фізиком М. Планком, Лоренц розглядав лише як один з можливих шляхів подолання цього парадоксу. Проте саме від формули Планка і що з'явилася в ній постійної Планка h квантова механіка відраховує свою історію [5]. До неї стали відносити всі теорії, що використали h.[5]

Ще один парадокс - парадокс стійкості атома - полягав у тому, що результати дослідів Резерфорда про зіткнення часток з атомами вказували на те, що атоми містять маленьке позитивне ядро, в полі якого рухаються електрони. Звідси витікала планетарна модель атома Резерфорда (1911). Але згідно із законами електродинаміки подібний рух електрона було прискореним, а отже, електрон повинен був випромінювати електромагнітні хвилі, втрачати енергію і дуже швидко (за 10-10 с) впасти на ядро. Тому цю гіпотезу ніхто не прийняв всерйоз. Винятком виявився Нільс Бор, який, додавши до неї гіпотезу квантів, створений свою знамениту квантову модель атома водню (1913), в якій до планетарної моделі Резерфорда були додані ідея дискретності стаціонарних орбіт і правила переходу між ними: різниця між енергіями j -й і r -й орбіт (E jr) прирівнювалася величиною hv jr, де U jr - частота відповідає цьому переходу излученной або поглиненої електромагнітної хвилі. Ця модель дозволяла пояснити також ряд виявлених до того часу емпіричних виразів, що описують дискретні спектри випромінювання різних атомів, - проблему, яка теж перебувала в центрі уваги фізиків того часу, хоча, можливо, і не сприймалася як серйозна "аномалія".

Важливим нововведенням стала корпускулярно-хвильова модель світла, запропонована Ейнштейном в його квантової теорії фотоефекту в 1905 р Основні емпіричні закономірності фотоефекту були встановлені до початку XX ст .: "У тих випадках, коли слабкі ультрафіолетові промені надають дію, червоні промені величезної інтенсивності ніякої дії не роблять ... Зі збільшенням енергії променів даної довжини хвилі збільшується число електронів, що вилітають в одиницю часу з одиниці поверхні освітленого тіла, але не змінюється їх швидкість ... З точки зору хвильової теорії головним чинником фотоефекту повинна була б бути енергія світла, тоді як частота була другорядним фактором "[37, с. 47-48]. Це звучало як парадокс і було усвідомлено фізичним співтовариством як "аномалія", хоча і не така важлива, як перша. Втім, Ейнштейн констатував, що ця проблема не може бути вирішена в рамках існуючих розділів фізики. Будуючи теорію фотоефекту, він у статті "Про одну евристичну точку зору, стосується виникнення та перетворення світла" (1905), ввів уявлення про світло, що складається з квантів з енергією Е = hv. Відповідно до цієї моделі один квант світла вибиває один електрон, для чого потрібна енергія кванта Е = hv, велика енергії зв'язку електрона в атомі. Обговорення гіпотези квантів як способу вирішення цих парадоксів, і особливо, дискусія Ейнштейна і Лоренца з приводу гіпотези квантів світла - фотонів привели до формулювання парадоксу "хвиля-частка" для світла: квант світла поширювався згідно хвильової теорії (це проявлялося в явищах інтерференції і дифракції) , а поглинався як частинка [6].[6]

"Подальше доказ корпускулярного характеру світла було отримано в 1922 р американським фізиком А. Комптоном, що показав експериментально, що розсіювання світла вільними електронами відбувається за законами пружного зіткнення двох часток - фотона і електрона (ефект Комптона) ... Таким чином, було доведено експериментально , що поряд з відомими хвильовими властивостями (що проявляються, наприклад, в дифракції світла) світло володіє і корпускулярними властивостями: він складається як би з часток - фотонів ... Виникло формальне логічне протиріччя: для пояснення одних явищ необхідно було вважати, що світло має хвильову природу, а для пояснення інших - корпускулярну. По суті, вирішення цього протиріччя і привело до створення фізичних основ квантової механіки ("нової". - А. Л.) ", - пише В. Б. Берестецкий [4, с. 253]. На початку 1920-х рр. французький фізик Луї де Бройль припустив, що і частинки матерії теж поширюються як хвилі [7], і в 1927 р Девіссон і Джеммер отримали від розсіювання пучка електронів на кристалі картину, аналогічну рентгенограмі Лауе, яка свідчить про те, що електрони, як і рентгенівські промені, відчувають характерну для хвиль дифракцію.

Цю подвійність поведінки квантових частинок, часто звану "корпускулярно-хвильовим дуалізмом", добре ілюструє уявний експеримент по проходженню квантової частинки (електрона, фотона й ін.) Крізь екран з двома щілинами ("двохщілистих експеримент"), зображений на схемі 15.1.1, де Р 1, Р 2, Р п зображують інтенсивності поглинаються потоків, що проходять через першу, другу і обидві щілини відповідно.

Двоїстість полягає в наступному. Якщо за екраном поставити фотопластинку, то при одноразовому спостереженні ми побачимо локальну точку, як у випадку частинки, але при багаторазовому повторенні експерименту з однією часткою ми побачимо на фотопластинці дифракційно-інтерференційну картину, характерну для хвилі, що проходить через обидві щілини одночасно. При цьому якщо ми якимось способом захочемо підглянути, через яку щілину проходить кожен раз частка, то інтерференційна картина пропаде (докладніше див. Роботу: [35, т. 8, гл. 1]).

Двохщілистих експеримент у квантовій механіці

Схема 15.1.1. Двохщілистих експеримент у квантовій механіці

  • [1] У цій главі, а також у двох наступних розділах того ж автора широко використовується понятійний апарат, викладений у параграфі 6.4. і гол. 9.
  • [2] "до 1925 р квантова теорія ... при всій пишності назви і численних прикладах успішного вирішення завдань атомної фізики, з методологічної точки зору являла собою швидше вселяє жалість скупчення гіпотез, принципів, теорем і обчислювальних рецептів, ніж логічно послідовну теорію" . "Стара квантова теорія по суті була всього лише модифікацією класичної фізики" [13, с. 196, 217].
  • [3] В якості четвертої "аномалії" часто призводять проблему теплоємності твердих тіл при низьких температурах, яку Ейнштейн дозволив в рамках старої квантової теорії. Це послужило ще одним вагомим доказом на користь необхідності розвитку квантової механіки, але її роль була куди скромніше, ніж роль розглянутих нижче трьох проблем.
  • [4] Згідно з цим законом із зростанням частоти про енергія випромінювання повинна необмежено зростати (цей ефект отримав назву "ультрафіолетової катастрофи"), що не підтверджується досвідом, який на високих частотах описується формулою Вина.
  • [5] У грудня 1900 Планк знайшов просту формулу для спектральної щільності теплового випромінювання:, де ω - частота випромінювання, а Т - температура. Вона приводила в граничних випадках високих і низьких частот до відомими формулами Вина і Релея - Джинса для спектру випромінювання чорного тіла. У листі до амери Канському фізику Р. Вуду в 1931 р він писав: "Це було чисто формальне припущення, і я не роздумував особливо про нього; єдино, що мене хвилювало, - це будь-яким способом отримати позитивний результат, чого б це не коштувало "[37, с. 52]. Потім він, при няв гіпотезу про квантуванні енергії електронного осцилятора (типу заряду на пружинці), вивів цю формулу на підставі електродинаміки і статистичної механіки, побудувавши деяку приватну фізичну модель, що відповідає цій формулі.
  • [6] Ця гіпотеза довго не приймалася співтовариством фізиків, включаючи Бора. "Навіть після визнання справедливості закону Ейнштейна для фотоефекту практично ніхто, крім нього самого, не хотів приймати всерйоз світлові кванти. Все так і залишалося до початку 20-х років" [31, с. 366-370, 371].
  • [7] З частотою υ = m 0 c 2 / h 0 - маса спокою частинки) [37, с. 143; 13, с. 239].
 
Якщо Ви помітили помилку в тексті позначте слово та натисніть Shift + Enter
< Попередня   ЗМІСТ   Наступна >
 
Дисципліни
Агропромисловість
Аудит та Бухоблік
Банківська справа
БЖД
Географія
Документознавство
Екологія
Економіка
Етика та Естетика
Журналістика
Інвестування
Інформатика
Історія
Культурологія
Література
Логіка
Логістика
Маркетинг
Медицина
Нерухомість
Менеджмент
Педагогіка
Політологія
Політекономія
Право
Природознавство
Психологія
Релігієзнавство
Риторика
Соціологія
Статистика
Техніка
Страхова справа
Товарознавство
Туризм
Філософія
Фінанси
Пошук