Корпускулярно-волновые свойства микрочастиц

В классической физике вплоть до второй половины XIX в. под материей обычно понималось вещество. Электродинамикой Максвелла положено основание физическому учению о поле как особой форме материи. Но вещество и поле рассматривались отделенными друг от друга. Квантовая механика впервые позволила установить связь вещества и поля.

Французский ученый Луи де Бройль, развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом сопоставляются, с одной стороны, корпускулярные характеристики – энергия E и импульс p , а с другой стороны – волновые характеристики – частота v и длина волны l .Формулы, связывающие волновые и свойства частиц, такие же, как и для фотонов:

E=ћw;  p=2pћ/ l ,

где ћ – постоянная Планка.

Смелость гипотезы де Бройля заключалась именно в том, что приведенные формулы постулировались не только для фотонов, но и для других микрочастиц, в частности, для таких, которые обладают массой покоя.

Таким образом, с любой частицей, обладающей импульсом p = mv (v– скорость частицы,  m– ее масса), сопоставляется волновой процесс с длиной волны, определяемой формулой де Бройля:

l = 2pћ / p.

Эта формула справедлива для любой частицы с импульсом p=mv (рис.3.2):

Рис.3.2 . Волновые свойства микрочастицы.

Вскоре гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально американскими физиками Л. Джермером (1896–1971) и К. Дэвиссоном (1881–1958), которые обнаружили дифракцию электронов. Впоследствии дифракционные явления были обнаружены также для нейтронов, атомных и молекулярных пучков. Это окончательно послужило доказательством наличия волновых свойств микрочастиц и позволило описывать их движение в виде волнового процесса, характеризующегося определенной длиной волны, рассчитываемой по формуле де Бройля.

Рис. 3.3. Дифракция электронов.

В квантовой механике корпускулярные и волновые понятия теряют свою “классическую” независимость. Движение микрообъектов лишь приближенно может трактоваться в одних случаях - как движение "классических" частиц, а в других случаях как распространение “классических” волн. Поэтому при описании явлений атомного масштаба нельзя отвлекаться от тех физических условий, в которых они наблюдаются. Квантовым величинам присущ характер относительности к средствам наблюдения, что и делает их отличными от классических величин, которые безотносительны к средствам наблюдения. Понятие и термин "относительность к средствам наблюдения" ввел впервые наш соотечественник академик В.А. Фок.

Таким образом, дуализм микрообъектов, заключающийся в объединении в одном микрообъекте одновременно волновых и корпускулярных свойств, представляет собой фундаментальную характеристику объектов микромира.

Принцип неопределенности

В классической механике всякая частица движется по определенной траектории, так, что в любой момент времени точно фиксирована ее координата и импульс. Микрочастицы из-за наличия у них волновых свойств существенно отличаются от классических частиц. Одно из основных различий заключается в том, что нельзя говорить о движении микрочастицы по определенной траектории, т.е. об одновременном задании ее координаты и импульса, значения которых определяют траекторию. Движение по определенной траектории несовместимо с волновыми свойствами, что становится совершенно очевидным, если проанализировать существо опытов по дифракции.

Степень точности, с которой к частице может быть применено представление об определенном положении ее в пространстве, дается соотношением неопределенностей, установленным немецким физиком В. Гейзенбергом. Согласно этому соотношению частица не может иметь одновременно вполне точные значения координаты x и соответствующего этой координате импульса p, причем неопределенности в значениях этих величин удовлетворяют условию:

Dx·Dp ³ h.

Микрочастица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату. И наоборот, если микрочастица находится в состоянии с точным значением координаты, то ее импульс является полностью неопределенным. Чем точнее определена одна из величин x или p , тем больше становится неопределенность другой.

Соотношение неопределенностей, отражая специфику микрочастиц, позволяет оценить, в какой времени можно применять понятия классической механики к микрочастицам, в частности, с какой степенью точности можно говорить о траекториях микрочастиц.

Невозможность одновременно точно определить координату, и соответствующую ей составляющую импульса, не связана с несовершенством методов измерения или измерительных приборов. Это следствие специфики микрообъектов, отражающей особенности их объективных свойств, их двойственной корпускулярно-волновой природы.

Соотношение неопределенностей неоднократно являлось предметом философских дискуссий, приводивших некоторых философов к его идеалистическому истолкованию. Невозможность одновременного определения координаты и импульса использовалась для установления границ познаваемости мира. На самом деле соотношение неопределенностей не ставит какого-либо предела познанию микромира, а только указывает, насколько применимы к нему понятия классической механики.

Так, В. Гейзенберг выдвинул принцип “неконтролируемого взаимодействия” частицы с прибором. Неопределенность в значении импульса и координаты, якобы, обусловлена тем, что взаимодействие частицы и прибора может быть

познано лишь до некоторого предела, за которым принципиально невозможно познать объективные процессы микромира. Борьбу против индетерминизма в квантовой физике, против отрицания объективных причинных, закономерных связей в микромире вели П. Ланжевен, М. Лауэ, Л. де Бройль, М. Планк, А. Эйнштейн, советские физики С.И. Вавилов, В.А. Фок, Д.И. Блохинцев и другие. Они показывают, что соотношение неопределенностей свидетельствует лишь об ограниченной возможности применения понятий классической механики при описании “расплывшихся”, одновременно дискретных и волновых объектов, какими являются электроны и другие микрочастицы. Как видим, следует различать собственные положения квантовой физики и естествознания вообще (в данном случае соотношение неопределенностей) и их философско-мировоззренческие трактовки, которые могут сильно отличаться друг от друга. И только в результате тщательного анализа можно установить, какая из этих трактовок в наибольшей мере соответствует самому естествознанию, самой объективной природе.

Принцип дополнительности

Для объяснения соотношения неопределенностей Н. Бор выдвинул принцип дополнительности, противопоставив его принципу причинности. При использовании прибора, позволяющего точно измерить координаты частиц, импульс может быть любым и, следовательно, причинная связь отсутствует. Применяя приборы другого класса, можно точно измерить импульс, а координаты становятся произвольными. В этом случае процесс, по Н. Бору, совершается якобы вне пространства и времени, т.е. следует говорить либо о причинности, либо о пространстве и времени, но не о том и другом вместе.

Принцип дополнительностиявляется методологическим принципом. В обобщенном виде требования принципа дополнительности, как метода научного исследования, можно сформулировать так: для воспроизведения целостности явления на определенном промежуточном этапе его познания необходимо применять взаимоисключающие и взаимоограничивающие друг друга “дополнительные” классы понятий, которые могут использоваться обособленно, в зависимости от особых условий, но только взятые вместе исчерпывают всю поддающуюся определению и передаче информацию.

Так, согласно принципу дополнительности, получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами можно считать координату частицы и ее скорость (импульс), кинетическую и потенциальную энергию, направление и величину импульса.

Принцип дополнительности позволил выявить необходимость учета корпускулярно-волновой природы микроявлений. Действительно, в одних экспериментах микрочастицы, например, электроны, ведут себя как типичные корпускулы, в других – как волновые структуры.

С физической точки зрения принцип дополнительности часто объясняют влиянием измерительного прибора на состояние микрообъекта. При точном измерении одной из дополнительных величин, другая величина в результате взаимодействия частицы с прибором претерпевает полностью неконтролируемое изменение. Хотя такое толкование принципа дополнительности и подтверждается анализом простейших экспериментов, с общей точки зрения оно наталкивается на возражения философского характера. С позиции современной квантовой теории роль прибора в измерениях заключается в “приготовлении” некоторого состояния системы. Состояния, в которых взаимно дополнительные величины имели бы одновременно точно определенные значения, принципиально невозможны, причем, если одна из таких величин точно определена, то значения другой полностью неопределены. Таким образом, фактически принцип дополнительности отражает объективные свойства квантовых систем, не связанных с наблюдателем.