Материал:

Накопление противоречивых фактов о свойствах света (в одних случаях - типичный волновой процесс, в других - типичная частица-фотон), с одной стороны, и постулаты Бора, объясняют устойчивость атома, - с другой стороны, требовали однозначных объяснений.

их предложил Луи де Бройль в 1923 году. Де Бройль по-настоящему верил в единство природы и не мог даже предположить, что свет - нечто особенное, ни на что другое в природе не похоже. Он выдвинул гипотезу, что не только свет, но и все тела в природе должны обладать как корпускулярными, так и волновыми свойствами одновременно. Но понять, что такое "волна материи", обычному человеку трудно; волна и частица кажутся нам совсем несовместимыми понятиями. При слове "частица" мы можем представить себе песчинку, камень или даже земной шар; когда мы говорим о волне, то представляем бурное море струну, что звучит. И объединить эти представления в одном образе невозможно.

Фотон - частица света - имеет импульс, где - длина волны света, которому соответствует этот фотон. Де Бройль предположил, что это соотношение является универсальным, то есть движения частиц, имеющих импульс, соответствует длина волны Эти волны получили название "волны де Бройля", или "волны материи". Поскольку импульс частицы равен произведению ее массы на скорость движения (), то длина волны де Бройля.

Очень долго физики не могли понять смысл гипотезы де Бройля. Сам автор представлял волну - пилота, на своем горбу несет электрон; прошло много времени, пока привыкли к мысли, что волна де Бройля и есть сам электрон.

История гипотезы, которую выдвинул де Бройль, более поучительна. Будучи по специальности историком, он увлекся физикой под влиянием старшего брата, признанного ученого в области рентгеновских лучей. В 1963 Луи де Бройль вспоминал: "Мой брат считал> рентгеновские лучи определенной комбинацией волны и частицы, но, будучи теоретиком, он не имел особенно четких представлений об этом предмете .... Он настойчиво обращал мое внимание на важность и несомненную реальность дуальных аспектов волны и частицы. Эти долгие беседы помогли мне глубоко осмыслить необходимость обязательного связи волновой и корпускулярной точки зрения ".

Свои идеи де Бройль изложил в диссертации, которая называлась "Исследования по теории квантов". Руководителем работы был Ланжевен, физик классической школы. Он отнесся к идеям своего ученика доброжелательно, но очень сдержанно. Диссертация попала на рецензирование к А. Эйнштейна и произвела на него большое впечатление. Он написал М. Борну: "Прочитай ее! Хоть и кажется, что ее написал сумасшедший, написана она солидно". Создатель волновой механики Э. Шредингер впоследствии поблагодарил Эйнштейну за то, что тот "дал ему щелчок в нос, указав на важность идеи де Бройля".

Прямое доказательство существования волновых свойств электронов было получено через три года благодаря экспериментам американских физиков К. Дэвиссона и Л. Джермера. Изучая отражение электронов от поверхности кристаллов, они обнаружили, что электроны хорошо отражаются только в том случае, если бомбардируют кристалл под определенным углом к его поверхности. Подобный эффект наблюдается и при взаимодействии рентгеновских лучей с кристаллом - это было хорошо известно. Подставив в известные формулы, описывающие дифракцию волн на кристалле, длину волны де Бройля вместо длины волны рентгеновских лучей, получили полное совпадение теории и эксперимента.

Как и многие другие открытий, дифракцию электронов было обнаружено совершенно "случайно", хотя случай говорит только подготовленному уму. Вскоре сын знаменитого Дж. Дж. Томсона, открыл электрон, - Джозеф Томсон наблюдал дифракцию не в монокристалле, как Дэвиссон и Джермер, а на поликристаллической металлической фольге. Он получил прекрасные фотографии дифракции электронов, полностью напоминали дифракцию рентгеновских лучей. Это было естественно, поскольку электроны, ускоренные потенциалом всего лишь 100 вольт, имеют длину волны де Бройля примерно м - то есть ее можно сравнить с длиной волны рентгеновских лучей и размерами атома.

Позже явление дифракции частиц нашло широкое применение для изучения структуры твердого тела и его поверхности. Созданы и широко используются для этих целей электронные микроскопы и электронографы.

Соотношение неопределенностей

На начале 1927 году практически одновременно произошли два важных события. Гейзен-берг догадался, что понятия "волна" и "частица" относительно квантовых объектов можно применять строго только порознь и выразил эту догадку количественно в виде соотношения неопределенностей. Бор предложил общий принцип дополнительности, частным случаем которого было соотношение неопределенностей Гейзенберга.

Анализируя возможности измерения координаты и импульса квантового объекта (например, электрона), Гейзенберг утверждал: невозможно одновременно и к тому же точно измерить координату и импульс. Принимая во внимание формулу де Бройля

это означает: нельзя одновременно и в то же время точно определить положение х атомного объекта и длину его волны X. Следовательно, одновременное использование понятий "частица" и "волна" является ограниченным. Численно такое ограничение выражает неравенство - соотношение неопределенностей:

Одновременно определить и координату, и импульс частицы нельзя точнее, чем это допускает соотношение неопределенностей. Чем точнее задано координату, то есть чем меньше, тем менее точно можно задать импульс, так как величина обратно пропорциональна. И наоборот, чем точнее задан импульс частицы, тем хуже определены ее координату.

Ограничения, которые устанавливает соотношение неопределенностей, является неизменным законом природы и никак не связаны с несовершенством наших приборов. Ссылка на всемогущество науки здесь неуместны; сила науки состоит не в том, чтобы нарушать законы природы, а в том, чтобы открыть их, понять и использовать.

Вспомним одно обстоятельство, хорошо известную по истории физики. Изобретатели очень долго пытались построить или хотя 6 спроектировать вечный двигатель, то есть машину, которая выполняет работу без подвода энергии извне. Петр даже основал академию для проведения таких изысканий. Однако анализ любого конкретного проекта вечного двигателя уже является ошибочным. Совокупность всех этих неудачных проектов, или мысленных экспериментов, и привела к выводу, что вечного двигателя в природе не существует. Это утверждение является одним из формулировок закона сохранения энергии.

Подобным образом мнимые опыты по измерению координаты и импульса частицы привели Гейзенберга и Бора к другому, не менее фундаментального закона - принципа неопределенности: координата и импульс частицы как точные физические величины одновременно не существуют. Принципиально не существует такая процедура их измерения, 6 привела к их точного определения. Это - не субъективная неполноценность экспериментаторов, а объективный закон природы.

На тех, кто желает опровергнуть соотношение неопределенностей, ждет судьба изобретателей вечного двигателя. Такие опыты пытался придумать сам Эйнштейн, но и он не смог стать над природой. Этот пример поучителен для тех, кто и в наше время пытается обойти ограничения, которые накладывает принцип неопределенности.

Принцип неопределенности не отрицает факт существования координаты и импульса как точных физических величин: он только утверждает, что эти величины не существуют одновременно как точные. Каждая из них в отдельности можно точно задать или как угодно точно измерить.

Это утверждение означает отказ от традиционных физических представлений. Когда мы говорим о траектории частицы, то понимаем, что для каждого момента времени известно ее положение (координата) и скорость (импульс). Принцип неопределенности лишает смысла понятие траектории, когда речь идет, конечно, только о микрочастицы. Для макрочастинок постоянная Планка - слишком малая величина, а значит координата и скорость могут быть определены вместе с любой требуемой точностью, то есть траектория макрочастичками существует всегда.

Таким образом, квантовая механика создала особую концепцию механического движения - не по траектории. Движение по траектории был возможным благодаря точному предсказанию будущего, зная прошлое. В квантовой механике предсказания имеет вероятностный характер. Это не означает отказа от закономерностей движения - просто законы квантовой механики описывают не сами величины, а вероятности их появления. Можно, например, определить вероятность того, что электрон окажется в той или иной точке пространства, но нельзя предсказать заранее, в какую именно точку он попадет.

Итак, в отличие от классических законов движения, квантовые законы сами включают в себя понятие вероятности и это не связано с несовершенством наших приборов, а является сущностью природы вещей.

Для объяснения причин, которые приводят к ограничениям, отраженных в соотношении неопределенностей, Гейзенбергу и Бору пришлось пересмотреть еще одну идеализацию классической физики - понятие наблюдения. Современная физика отличается от античной прежде всего тем, что заменила умозаключение опытом. Современная физика не отрицает, что явления природы существуют независимо от того, можем ли мы их наблюдать (так же, как и от нашего сознания). Но она утверждает: объектом наблюдения эти явления становятся только тогда, когда мы укажем точный способ измерения их свойств. В физике понятие "наблюдение" и "измерение" неразделимы.

Наблюдая за светилами, люди когда-то верили в то, что они влияют на личные судьбы людей. В наше время мы иронизируем по поводу этого предрассудка (не будем в данный момент обсуждать недавно возрожденную моду на астрологические прогнозы, гадания, снятие порчи, сглаза и т.п.). Но, вероятно, и наши не очень далекие предки, которые обладали способностью научно мыслить, посмеялись бы над утверждением, что когда-нибудь появятся такие неживые объекты, на которые существенно влияют наблюдения или измерения. Всякому понятно, сказали бы ученые прошлого, Луна и планеты движутся по своим орбитам независимо от астрономов и астрологов. Таким образом, механика, которая возникла благодаря астрономическим измерениям, никогда в прошлом не ставила перед собой вопрос, какова обратная действие наблюдения на объект, и это, безусловно, не было нужно до тех пор, пока изучался движение больших и тяжелых тел: планет, спутников, снарядов, ракет, машин и механизмов. Этот вопрос очевидно понятным и никогда он не возникал как отдельное предположение - даже во время подробного изучения механики. А механика была основой всего точного естествознания.

Постараемся в наглядной форме объяснить сущность радикальных изменений в механике, возникшие в связи с открытием квантовых законов движения.

Для этого обсудим Некоторые пункты, не обсуждались ранее, в доквантовий физике. Дело здесь в необоснованном экстраполяции физических понятий на такие объекты, к которым эти понятия неприменимы. Рассмотрим процесс физического измерения. Не уяснив содержания того, что происходит при измерении величины, невозможно определить эту величину как физическую. Первые измерения в науке были связаны с нахождением места светил на небосклоне; отсюда, как отмечалось, берет свое начало механика.

Сколько бы мы не анализировали сущность процедуры измерения, прибегая к этому примеру, последнее, что может прийти в голову - это ее влияние на измеряемый объект. Фиксируя положение светила или фотографируя скоростным методом шар летит, мы никак не меняем их дальнейшее состояние. Так можно сделать вывод, что возникла почти бессознательного уверенность в том, что физический объект вообще не должен подвергаться никакого влияния со стороны измерительного прибора, поскольку в противном случае невозможно регистрировать объективные закономерности, которые не зависят от желания и сознания экспериментатора. Точнее, мы считаем, что экспериментатор не должен пользоваться такими измерительными приборами, которые способны определенным неконтролируемым образом действовать на объект измеряется. Сейчас, как будто в ретроспективу хорошо видно, что это требование явно противоречит концепции атомизма. Но пока атом оставался скорее умовивидним, чем физическим понятием, никто, похоже, даже не размышлял о том, что прибор для измерений отдельного атома сам не может быть меньше атом. А если бы и нашелся мудрец, своим умом дошел до этого, его идеи встретили бы, скорее всего, ироническую оценку. Даже тогда, когда квантовая теория уже была в его нынешнем виде, идеи Бора и Гейзенберга по особой роли измерений в мире атомов многие ученые встретили с большим недоверием. Причем Эйнштейн тоже был среди этих многих.

Источник: https://studbooks.net/7244/estestvoznanie/kontseptsii_sovremennogo_estestvoznaniya

Смотрите также:








ЦЕНОВАЯ ПОЛИТИКА ПРЕДПРИЯТИЯ НА ПРИМЕРЕ ООО «ДНС РИТЕЙЛ»
_archivetempпротивовоспалительные
_Роджерс Карл, Брак и его альтернативы