Файл: История возникновения квантовой физики. Уравнение Шрёденгера Шевцов Алексей Андреевич(кф37).pptx

Возникновение квантовой физики — процесс длительный и постепенный, который занял свыше 25 лет. От первого возникновения понятия кванта до разработки так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики прошло 27 лет, заполненных интенсивной работой учёных всей Европы. В развитии и понимании квантовой теории приняли участие очень многие люди, как старшего поколения — Макс Борн, Макс Планк, Пауль Эрнефест, Эрвие Шрёдингер, так и совсем молодые, ровесники квантовой гипотезы — Вернер Грейзенберг (1901), Вольфганг Паули (1900), Поль Дира (1902) и другие

Чем обычная физика хуже квантовой механики?

Квантовая механика отличается от классической физики тем, что Энергия, Импульс, Угловой момент и другие величины связанного состояния системы не могут принимать произвольные значения, но ограничены дискретными значениями (квантование), объекты обладают характеристиками как частиц, так и волн (корпускулярно-волновой дуализм), и существуют пределы нашей возможности точно предсказать значение физической величины до её измерения при заданном полном наборе начальных условий (принцип неопределённости). Квантовая механика постепенно возникла из теорий, объясняющих наблюдения, которые не могли быть согласованы с понятиями классической физики, таких как решение Макса Планка в 1900 году проблемы изучения абсолютного чёрного тела и соответствие между энергией и частотой кванта света в статье Альберта Эйнштейна в 1905 году, которая объяснила фотоэффект

На пороге открытия квантового мира

В конце XIX века физика считалась полностью самосогласованной и завершенной наукой. Казалось, что механика Ньютона, статистика Больцмана и электродинамика Максвелла способны объяснить любое явление природы, и в целом можно считать, что научная мысль достигла своего апогея. Оставались неразрешенными некоторые парадоксы, например ультрафиолетовая катастрофа. Согласно классической физике, плотность энергии, излучаемой абсолютно черным телом, должна возрастать неограниченно с уменьшением длины волны излучения, что нарушает законы сохранения энергии. Проблему решил Макс Планк

Зарождение теории квантовой физики, выдвинутой Максом Планком

Теория, выдвинутая в 1900 г. Максом Планком и гласящая, что энергия существует не в виде непрерывно изменяющейся величины, а разбита на отдельные, т. е. дискретные порции, или частицы. Планк назвал эти дискретные порции энергии квантами (от латинского quantus — «сколько»). Физики установили, что на молекулярном и еще более мелком уровне вещество состоит из дискретных частей, а именно из атомов. Собственно, Планк показал, что то же самое верно и по отношению к энергии. То, чем являются атомы для вещества, тем кванты являются для энергии. Оба этих представления кажутся противоречащими здравому смыслу. Мы воспринимаем стул, на котором сидим, или землю, на которой стоим, как твердое вещество; но в то же время нас учили и мы знаем, что и то и другое построено из групп атомов, связанных между собой. Точно так же мы воспринимаем энергию, — будь то теплота, свет, звук, электричество или любая другая ее форма, — как непрерывно меняющееся количество, которое можно плавно уменьшить или увеличить простым поворотом ручки реостата или другого регулятора.

Как Квантовая физика стала для некоторых учёных смыслом жизни

Как доказал Планк, энергия передается только в виде фундаментальных, неделимых порций, называемых квантами, и энергию можно уменьшать или увеличивать только последовательными шагами. Когда энергия атома или молекулы меняется в ту или другую сторону, процесс этот идет определенными скачками; получить какое-либо промежуточное значение невозможно. В 1905 г. Альберт Эйнштейн применил квантовую теорию для описания свойств света и показал, что свет распространяется не в виде простых волн (как считалось в то время), а в виде отдельных частиц, которые называются теперь фотонами. В 1913 г. Нильс Бор применил квантовую теорию к строению атома, создав модель, в которой электроны могут двигаться вокруг ядра только по ограниченному числу орбит, что объясняло относительную стабильность атома. Понимание квантовых эффектов позволило объяснить прежде неясные явления на атомном уровне. Согласно теории относительности, масса вещества и энергия взаимозаменяемы: квантовая физика объясняет все фундаментальные явления независимо от того, описываются ли они через кванты энергии или с помощью частиц вещества.

Войны теоретиков

Двадцатые годы прошлого века являются ярким примером периода в истории науки, когда теория не поспевала за экспериментами. Опыт Юнга с двумя щелями неоднократно проводился для света и поверхности жидкости, и получаемая интерференционная картина хорошо объяснялась классической оптикой и гидродинамикой. Большим шагом вперед стало получение подобных результатов для частиц. Эксперименты проводились с электронами, протонами, атомами, крупными молекулами; в ходе эксперимента их запускали потоком и по одному, но всегда выходило, что даже одиночная частица ведет себя как волна, проходящая одновременно через две щели. Это сподвигло Луи де Бройля в 1923 году выдвинуть гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового. Он предположил, что грань между светом и материей условна. И то и другое можно рассматривать как волны и как частицы.

Опыт юнга с источником света и щелями

Шрёдингер: начало

Под влиянием идеи де Бройля Эрвин Шрёдингер записал свое знаменитое волновое уравнение. Уравнение Шрёденгера детерминированно описывает эволюцию волновой функции, квадрат модуля которой задает вероятность найти квантовый объект в определенном состоянии. Параллельно Гейзенберг разработал свою матричную трактовку квантовой механики. Во многом она сложнее представления Шрёдингера, но в конкретных задачах дает преимущества, например в квантовой оптике и кристаллографии. Интересной особенностью подхода Гейзенберга, описывающего физические величины матрицами-операторами, является некоммутативность некоторых из этих операторов, что выливается в принцип неопределённости. Согласно этому принципу, некоторые величины, например скорость и координата частицы, принципиально не могут быть измерены одновременно. К примеру, чем точнее экспериментатор определяет координату частицы, тем меньше он будет знать о скорости, и наоборот. Шрёдингер, будучи материалистом, пытался описывать волновую функцию как статистический объект. Он разделял позицию Эйнштейна и таких приверженцев материалистической философии, как Карл Маркс, Фридрих Энгельс и Владимир Ленин. Он полагал, что материя — это объективная реальность, данная нам в ощущениях. Она развивается по неким еще не открытым детерминированным законам, а его уравнение работает лишь с вероятностями.

Копенгагенская интерпретация

На Сольвеевском конгрессе 1927 года была сформулирована так называемая копенгагенская интерпретация квантовой механики. Каждый физик воспринимал новую теорию по-своему, но в целом ортодоксальный подход отличается несколькими ключевыми пунктами.

человек определяет реальность на фундаментальном уровне?

Во-первых, с подачи Бора и Гейзенберга принцип неопределенности следует трактовать буквально, с позиций субъективного идеализма, согласно которому у материи нет никаких свойств ровно до тех пор, пока ее этими свойствами не наделит наблюдатель. Можно также сказать, что материя имеет все свойства одновременно, то есть находится в состоянии суперпозиции. То есть, пока не произошло измерения, частица будет одновременно во многих местах (область ее локализации ограничивает лишь волновая функция). А измерение производит конкретный человек, и именно он своим осознанным вмешательством заставляет материю принимать конкретное состояние. Мысль, что человек определяет реальность на фундаментальном уровне, получила довольно обширное распространение в том числе благодаря склонности некоторых знаменитых теоретиков к солипсизму. В частности, подобных взглядов придерживались Вольфганг Паули, Юджин Вигнер и Джон Уилер. В дальнейшем, по мере совершенствования технологий экспериментов и накопления знаний в антропологии и теории сознания, роль наблюдателя свелась именно к воздействию на квантовую систему классической измерительной установкой.

Квантовая система находится в суперпозиции?

Во-вторых, согласно копенгагенской интерпретации, волновая функция дает исчерпывающее описание квантовой системы. Это значит, что квантовая механика — наиболее общая и самосогласованная теория, конечная точка развития физики, а все последующие теории непременно будут построены с ее участием. Но волновая функция подчиняется уравнению Шрёдингера, которое ничего не говорит об измерении. Для решения этой проблемы был постулирован феномен коллапса волновой функции. То есть квантовая система имеет все возможные состояния (находится в суперпозиции) и подчиняется уравнению Шрёдингера. Затем, когда происходит измерение, волновая функция схлопывается, принимая некоторое конкретное, но абсолютно случайное значение из разрушившейся суперпозиции.

Знаменитый кот Шрёденгера

Нужно представить, что в некой хорошо изолированной от внешних воздействий коробке находится кот, а также ампула с быстродействующим ядовитым газом, которая разбивается механизмом, активирующимся при распаде радиактивного элемента. Экспериментатору известно, что в некий промежуток времени вероятность распада 50/50. Это событие квантовой природы, а значит, вся система должна находиться в суперпозиции: атом и распался, и не распался, ампула не разбита и разбита, кот и жив, и мертв, что для повседневного восприятия представляется абсурдным.

Эрвина Шрёдингера, однако, не устраивали утверждение о реальности суперпозиции и введение понятия коллапса, что он попытался отразить в своем знаменитом мысленном эксперименте, описанном в статье 1953 года.

Мнение Эйнштейна насчёт существования объективной реальности

Эйнштейн же выступал против существования объективной случайности, что и отразилось в крылатой фразе «Бог не играет в кости». Он настаивал на том, что волновую функцию следует отождествлять со статистическими ансамблями и что вероятностным поведением управляют некоторые скрытые переменные. Он полагал, что еще предстоит открыть детерминистическую теорию, которая будет включать в себя квантовую механику в качестве удобной приближенной модели.

Подытожим всё вышесказанное

История показала, что, хотя ключевые моменты копенгагенской интерпретации контринтуитивны, а то и кажутся абсурдными, научное сообщество в целом приняло их. Позднее появилась «никакая интерпретация», которую Дэвид Мермин выразил фразой shut up and calculate. Такая позиция вполне оправдана, если считать, что главная ценность квантовой механики в ее математическом аппарате и для ее дальнейшего развития нужно совершенствовать эксперименты и методики вычислений, а также решать уравнение Шрёдингера или его модификации. Открытие квантовой механики стало научной революцией XX века. Ее законам подчиняется не только мир атомов и субатомных частиц, но и миры термодинамики, физики твердого тела и химии жизни. Квантовая механика развивается быстрыми темпами, а безупречная внутренняя математическая логика ее теории продолжает подтверждаться экспериментально. Высказывание нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана о том, что никто по-настоящему не понимает квантовую механику, сохраняет свою актуальность, но новое поколение ученых успешно использует открытия мэтров прошлого столетия, чтобы воплощать в жизнь квантовую телепортацию и другие технологии будущего.