Квантовая механика

На субатомном уровне частицы описываются волновыми функциями.

Слово «квант» происходит от латинского quantum («сколько, как много») и английского quantum («количество, порция, квант»). «Механикой» издавна принято называть науку о движении материи. Соответственно, термин «квантовая механика» означает науку о движении материи порциями (или, выражаясь современным научным языком науку о движении квантующейся материи). Термин «квант» ввел в обиход немецкий физик Макс Планк (см. Постоянная Планка) для описания взаимодействия света с атомами.

Квантовая механика часто противоречит нашим понятиям о здравом смысле. А всё потому, что здравый смысл подсказывает нам вещи, которые берутся из повседневного опыта, а в своем повседневном опыте нам приходится иметь дело только с крупными объектами и явлениями макромира, а на атомарном и субатомном уровне материальные частицы ведут себя совсем иначе. Принцип неопределенности Гейзенберга как раз и очерчивает смысл этих различий. В макромире мы можем достоверно и однозначно определить местонахождение (пространственные координаты) любого объекта (например, этой книги). Не важно, используем ли мы линейку, радар, сонар, фотометрию или любой другой метод измерения, результаты замеров будут объективными и не зависящими от положения книги (конечно, при условии вашей аккуратности в процессе замера). То есть некоторая неопределенность и неточность возможны — но лишь в силу ограниченных возможностей измерительных приборов и погрешностей наблюдения. Чтобы получить более точные и достоверные результаты, нам достаточно взять более точный измерительный прибор и постараться воспользоваться им без ошибок.

Теперь если вместо координат книги нам нужно измерить координаты микрочастицы, например электрона, то мы уже не можем пренебречь взаимодействиями между измерительным прибором и объектом измерения. Сила воздействия линейки или другого измерительного прибора на книгу пренебрежимо мала и не сказывается на результатах измерений, но чтобы измерить пространственные координаты электрона, нам нужно запустить в его направлении фотон, другой электрон или другую элементарную частицу сопоставимых с измеряемым электроном энергий и замерить ее отклонение. Но при этом сам электрон, являющийся объектом измерения, в результате взаимодействия с этой частицей изменит свое положение в пространстве. Таким образом, сам акт замера приводит к изменению положения измеряемого объекта, и неточность измерения обусловливается самим фактом проведения измерения, а не степенью точности используемого измерительного прибора. Вот с какой ситуацией мы вынуждены мириться в микромире. Измерение невозможно без взаимодействия, а взаимодействие — без воздействия на измеряемый объект и, как следствие, искажения результатов измерения.

О результатах этого взаимодействия можно утверждать лишь одно:

неопределенность пространственных координат × неопределенность скорости частицы > h/m,

или, говоря математическим языком:

Δx × Δv > h/m

где Δx и Δv — неопределенность пространственного положения и скорости частицы соответственно, h — постоянная Планка, а m — масса частицы.

Соответственно, неопределенность возникает при определении пространственных координат не только электрона, но и любой субатомной частицы, да и не только координат, но и других свойств частиц — таких как скорость. Аналогичным образом определяется и погрешность измерения любой такой пары взаимно увязанных характеристик частиц (пример другой пары — энергия, излучаемая электроном, и отрезок времени, за который она испускается). То есть если нам, например, удалось с высокой точностью измерили пространственное положение электрона, значит мы в этот же момент времени имеем лишь самое смутное представление о его скорости, и наоборот. Естественно, при реальных измерениях до этих двух крайностей не доходит, и ситуация всегда находится где-то посередине. То есть если нам удалось, например, измерить положение электрона с точностью до 10–6 м, значит мы одновременно можем измерить его скорость, в лучшем случае, с точностью до 650 м/с.

Из-за принципа неопределенности описание объектов квантового микромира носит иной характер, нежели привычное описание объектов ньютоновского макромира. Вместо пространственных координат и скорости, которыми мы привыкли описывать механическое движение, например шара по бильярдному столу, в квантовой механике объекты описываются так называемой волновой функцией. Гребень «волны» соответствует максимальной вероятности нахождения частицы в пространстве в момент измерения. Движение такой волны описывается уравнением Шрёдингера, которое и говорит нам о том, как изменяется со временем состояние квантовой системы.

Картина квантовых событий в микромире, рисуемая уравнением Шрёдингера, такова, что частицы уподобляются отдельным приливным волнам, распространяющимся по поверхности океана-пространства. Со временем гребень волны (соответствующий пику вероятности нахождения частицы, например электрона, в пространстве) перемещается в пространстве в соответствии с волновой функцией, являющейся решением этого дифференциального уравнения. Соответственно, то, что нам традиционно представляется частицей, на квантовом уровне проявляет ряд характеристик, свойственных волнам.

Согласование волновых и корпускулярных свойств объектов микромира (см. Соотношение де Бройля) стало возможным после того, как физики условились считать объекты квантового мира не частицами и не волнами, а чем-то промежуточным и обладающим как волновыми, так и корпускулярными свойствами; в ньютоновской механике аналогов таким объектам нет. Хотя и при таком решении парадоксов в квантовой механике всё равно хватает (см. Теорема Белла), лучшей модели для описания процессов, происходящих в микромире, никто до сих пор не предложил.

См. также:
Фотоэлектрический эффект
Постоянная Планка
Атом Бора
Опыт Штерна—Герлаха
Квантовый туннельный эффект
Принцип запрета Паули
Принцип неопределенности Гейзенберга
Античастицы
Эффект Джозефсона

20
Показать комментарии (20)
Свернуть комментарии (20)

  • canecatfisher  | 29.12.2005 | 16:02 Ответить
    "...Сила воздействия линейки или другого измерительного прибора на книгу пренебрежимо мала и не сказывается на результатах измерений, но чтобы измерить пространственные координаты электрона, нам нужно запустить в его направлении фотон, другой электрон или другую элементарную частицу..."

    Хотя такое объяснение я встречаю не впервые, и для первичного понимания "на пальцах" оно проходит, но все же оно совершенно не раскрывает сущности неопределености координат частицы в микромире. Ведь понятие координат в пространстве первично, и не зависит от того, измеряет их кто-либо в данный момент или нет. А то выходит, что пока не пришел исследователь с его неуклюжими измерительными фотонами, так и принцип неопределенности не соблюдается. Лучше бы сразу начинали с того, что положение микрочастицы описывается вероятностной функцией.
    Ответить
    • Kijivljanin > canecatfisher | 30.03.2006 | 07:30 Ответить
      Все дело в бешеных скоростях, кванты перемещаются с такой скоростью, что если ты ее в номинале берешь, то пространственные положения в координатах сразу размазываются неопределенно, если ты уточняешь пространственное положение, то привязываешь к точке координат, то есть уменьшаешь искусственно скорость до несоответствующих параметров, отсюда и выбор или скорость берешь точно но пространственная координата абсолютно неточна или наоборот, Гейзенберг нашел математически усредненный вариант этой дилеммы, называется соотношение неопределенности.
      Ответить
    • zalg > canecatfisher | 04.10.2009 | 23:24 Ответить
      Пусть в результате взаимодействия с фотоном электрон меняет свой импульс и координату. Но ведь задавшись теми же начальными условиями, мы можем запустить такой же электрон, движение которого уже сможем описать ТОЧНО. Т.е. все-таки дело не в факте измерения, а в фундаментальных свойствах нашего мира? Электрон в принципе может находиться в какой-либо конкретной точке пространства и обладать какой-либо конкретной скоростью только с вероятностью, определяемой волновой функцией? Т.е. такие понятия как координата и импульс для микромира в своем роде теряют смысл? Я правильно понял? Можете ли вы посоветовать литературу для общего знакомства с квантовой механикой?
      Ответить
  • hfilipenk  | 26.11.2006 | 12:02 Ответить
    О правильности квантовой механики.

    См.статью на -

    http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/5023.html
    Ответить
    • олег но > hfilipenk | 19.12.2011 | 19:53 Ответить
      совершенно согласен с тем что чехарду еврей устроил получил бонус на всю свою жизнь как и другой .на самом деле интересует как там без измерений происходит то ,а то вот вам предел думайте да не завирайтесь
      Ответить
  • mkoshelev50  | 12.03.2008 | 18:55 Ответить
    При социально-психологическом исследовании сам факт исследования является фактором, изменяющим свойства объекта исследования.
    Социально-психологическое исследование невозможно без взаимодействия, а взаимодействие - без воздействия на исследуемый объект и, как следствие, искажения результатов исследования.
    О результатах этого взаимодействия можно утверждать лишь одно:
    Неопределённость начальных свойств исследуемого объекта + неопределённость фактора воздействия исследователя не позволяет определить свойства объекта, имевшиеся до начала исследования.
    То есть результаты социально психологического исследования позволяют определить свойства объекта возникшие в процессе исследования.
    Ответить
  • mkoshelev50  | 12.03.2008 | 18:57 Ответить
    Социальные объекты излучают и поглощают социальную энергию порциями (социальными квантами) и лишь в на отдельных участках социального взаимодействия.
    Это объясняется дискретностью человеческого мышления.

    Энерго-потенциал (диапазон и объём) поглощаемого или излучаемого социального кванта обусловлен энерго-потенциалом социального объекта.
    Так интеллектуальный, духовный, материальный квант (диапазон и объём) который способен принять и 'излучать' социальный элемент детерминирован его интеллектуальным, духовным, материальным потенциалом.
    Любой социальный элемент способен воспринимать и 'излучать' производить социальные кванты диапазона определяемые его индивидуальным потенциалом.
    У каждого социального объекта существует верхняя и нижняя граница воспринимаемого и воспроизводимого социального кванта.
    Социальный квант состоит из интегральной суммы духовных, интеллектуальных, психических, материальных квантов:
    Духовный квант - потенциал определяется уровнем нравственного развития социального объекта.
    Интеллектуальный квант - знания + мыслительные способности.
    Материальный квант - материальные ресурсы поглощаемые и производимые социальным объектом.
    Ответить
  • asmoko  | 20.07.2008 | 01:53 Ответить
    "...Сила воздействия линейки или другого измерительного прибора на книгу пренебрежимо мала и не сказывается на результатах измерений, но чтобы измерить пространственные координаты электрона, нам нужно запустить в его направлении фотон, другой электрон или другую элементарную частицу..."

    Если электрон в нескольких одинаковых экспериментах-измерениях одинаково реагирует на один и тот же фотон (скажем, в опыте Комптона), не означает ли это, что мы в состоянии произвести ТОЧНОЕ измерение? В конце-концов можно не "запускать" фотоном в электрон, а дождаться, когда все произойдет ЕСТЕСТВЕННЫМ путем и на этом основании сделать ТОЧНЫЙ вывод о реакции электрона на фотон... А как без точного знания координат и скоростей рассчитать место столкновения и пр. частиц в ускорителе?..

    Принцип неопределенности представляется методом для условий, когда не изобретены еще другие методы - так сказать, методы неразрушающего контроля.
    Ответить
    • vlad9486 > asmoko | 26.01.2010 | 22:09 Ответить
      Электрон НЕ имеет координаты и импульса поэтому их невозможно измерить. Электрон в нескольких одинаковых экспериментах-измерениях НЕ одинаково реагирует на один и тот же фотон.
      Ответить
  • dgon  | 05.08.2009 | 15:00 Ответить
    лучшей модели для описания процессов, происходящих в микромире, никто до сих пор не предложил.
    Предложил!
    Левашов Н.В. в своей книге "Неоднородная вселенная" (см.ссылку)
    http://www.levashov.info/news.html
    Ответить
  • DVORNIK A.  | 27.09.2013 | 20:23 Ответить
    Сколько же разговоров ведется о кванте, а что он делает в природе и нежен ли он природе, где и в каком качестве - никто ни слова. С фотоном несколько проще. Мы его ассоциируем со светом. Он существует, как будь то для того, чтобы мы видели. А дальше он представляется, как объект для изучения. Квант же это мельчайшая частица энергии, которая может излучаться и поглощаться. А что получается в результате этих излучений и поглощений, понимается как-то туманно в виде того, что изменяются энергетические уровни. Понятия квант и фотон часто путаются. Никто толком не может объяснить, чем различаются квант и фотон и что в них одинаково. А уж о том, как работают эти элементы в природе, никто ничего не может рассказать. А между тем, куда ни глянь, везде кванты. Никто не сомневается в том, что все, что мы видим, это набор из атомов. И этих атомов то, примерно, сотня. Мало того и атомы состоят всего из трех частиц: протон, нейтрон и электрон. Здесь человечество в познании сделало остановку. А диалектика требует постановки вопроса: а из чего состоят частицы? Чтобы ответить на этот вопрос следует перейти с атомарного уровня познания на квантовый уровень познания. С квантового уровня мир видится очень связно и без противоречий. Физика, химия, биология и даже социология это не то что стык наук, а это одна и та же наука. Положения этой науки изложены в небольших книгах “Квантовая биология” (ISBN: 978-3-659-33209-8), “Квантовая физика” (ISBN-13: 978-3-659-40470-2) и "Сознание и фотоны" (ISBN: 978-3-659-33209-8). Их можно заказать в онлайн-магазине по адресу http://ljubljuknigi.ru/.
    Ответить
  • Яффа  | 03.11.2013 | 12:39 Ответить
    Еще раз о коте Шредингера

    Вопрос. Не является ли мысленный эксперимент с Котом Шредингера фикцией?
    Ведь кот, сидящей в ящике и ждущий ситуации да-нет, не пребывает в системе, абсолютно изолированной от внешнего наблюдателя. Кот находится в ящике, проницаемой для гравитации, радиоволн и т.д. И теоретически, можно допустить мысль, что если кот накроется, то тонкие приборы, снаружи ящика уловить это смогут. О какой же суперпозиции состояний идет речь? Речь, скорее идет об ограничениях, накладываемых на наше бодрствующее сознание, а не о квантовой неопределенности.
    Ответить
  • Prototoy  | 13.03.2014 | 06:25 Ответить
    Посмотрел интересную передачу о природе света и мне стали интересны некоторые вопросы. Я знаком с физикой по школьной программе, с квантовой физикой только из документальных фильмов. Мне интересно, звук, являясь волной, распространяется в пространстве через столкновения молекул, как распространяются волны света? Чем плотнее вещество, тем быстрее скорость звука. Выходит что субстанция, по которой распространяется свет очень плотная, раз свет имеет такую скорость? А если свет смеет максимально возможную скорость, то эта субстанция должна быть максимально плотной.
    Мне понравилась одна теория о том, что вселенная это большой компьютер. Конечно, не в том смысле, что имеет процессор и видеокарту, а кто то нажимает на клавиши (хотя всё может быть). В том смысле, что состоит из пикселей. Ведь вакуум в космосе не является пустотой, даже если бы он был абсолютно чистым. Каждый пиксель даже пустого пространства должен иметь свою точку координат, иначе чем бы отличалась пустота здесь от пустоты там, а это уже информация, которая не является пустотой. Только в пустоте эти пиксели имеют значение 0, а если заняты то значение 1.
    Так по чему распространяются волны света? Неужели и правда по «пикселям»? Ведь не могут волны распространяться в пустоте.
    Ответить
    • Nerd1955 > Prototoy | 12.01.2016 | 11:56 Ответить
      Изучать квантовую физику по документальным фильмам, скудоумие! Читайте книги и статьи великих физиков прошлого и настоящего, размышляйте. И главное: не считайте, что вы сможете опровергнуть теоремы квантовой механики, сформулированными и доказанными великими физиками прошлого и настоящего. Ищите ответы на не понятые вами места в квантовой механике в книгах и статьях великих физиков прошлого и настоящего! Ваша аналогия между распространением звука и света в веществе в корне не верна! Вот до чего доводит изучение квантовой механики по документальным фильмам! Звук это исключительно механические упругие волны, порождённые колебаниями молекул среды! А свет имеет и свойство волны и свойства микрочастиц (корпускулов), таких как фотоны, электроны, протоны, атомы и т.д. и т.п.
      Ответить
  • yakubovski08  | 22.07.2015 | 17:48 Ответить
    Уважаемые пользователи. Я сделал великую вещь, построил квантовую механику в комплексном пространстве. Дело в том. что собственный импульс для основного состояния атома водорода мнимый, а не действительный, как ему положено быть для собственного числа эрмитова оператора. Идея комплексного момента импульса носится в воздухе, есть статья Попова А.В. "Применение несамосопряженных операторов для описания возбуждения на примере атома водорода" в которой используется комплексный момент импульса. Есть и другие статьи с комплексным пространством. Моя же заслуга, что я показал на примерах комплексный характер собственных значений и построил квантовую механику в комплексном пространстве.
    Ответить
  • psp  | 14.09.2015 | 00:06 Ответить
    Вопрос КМ - это по сути вопрос динамики и кинематики электронов,протонов,фотонов и т.д.
    Ньютоновская (да и СТО Эйнштейна) утверждает аксиому - свободно движущаяся частица движется равномерно и прямолинейно.Сие есть кинематика свободной частицы.Для макротел это проверяется непосредственно,наблюдением.Но как это проверить в случае электрона,к примеру ?
    Используем тот факт,что через 2-е точки проходит одна и только одна прямая.Итак,если частица проходит через 2-е точки и она движется по прямой - то мы можем спрогнозировать все остальные точки,где её можно зафиксировать.Это значит,если частица проходит с какой-то точностью через 2 пятна, то в плоскости,через которую она проходит,будет нормальное распределение точек фиксации для частиц.Это будет в случае,если свободная частица движется равномерно и прямолинейно.
    Если такой эксперимент проводится с электронами,фотонами,протонами и даже атомами ,то картина получается разительно другой.Мы получаем картину,аналогичную дифракции для волн,но составленную из дискретных пятен от регистрации отдельных частиц.
    Отсюда вывод простой :
    Свободные электроны,протоны,фотоны и т.п. не движутся прямолинейно и равномерно.
    Тогда сразу вопрос - а как же тогда они движутся ?
    Но физики не смогли на этот вопрос ответить и решили вообще отказаться от понятия траектории и в результате получили монстра - КМ и все остальные связанные с нею прелести.
    Физики не отважились пойти по пути радикальной модернизации Ньютоновской (да и Эйнштейновской теории),а предпочли их оставить в покое и окунуться в вероятностный мир,говоря поэтическим языком.
    С моей точки зрения - это то же самое, что описывать Солнечную систему теорией Аристотеля-Птоломея,ограничиваясь приближением орбит всякими круговыми циклами и их комбинациями.И не трудясь искать эллипсы,параболы и гиперболы,по траекториям которых на самом деле движутся космическик тела...
    Ответить
    • yakubovski08 > psp | 20.09.2015 | 21:36 Ответить
      Дело в том, что траектории микрочастиц комплексные и они изрезаны в действительном пространстве. Мнимая часть комплексного числа означает среднеквадратичное отклонение, которое носит хаотический характер. При этом траекторию можно детерминированным образом описать в комплексном пространстве, а в действительном пространстве она хаотическая. Поэтому и перешли к вероятностному описанию квантовой механики.
      Как это доказать. Дело в том, что уравнение Шредингера сводится к уравнению Навье - Стокса, которое в турбулентном режиме имеет комплексное решение http://russika.ru/userfiles/390_1441276239.pdf
      Ответить
      • psp > yakubovski08 | 21.09.2015 | 02:30 Ответить
        Это мне известно.Главное заключается в том,что описание частиц в комплексном пространстве - это плата за сохранение некоторых аксиом "плоской" физики (и ньютоновской и релятивисткой) и аксиом геометрии.Если эти аксомы расширить,то можно придти к действительному описанию.
        Ответить
        • yakubovski08 > psp | 21.09.2015 | 16:49 Ответить
          Цитирую "Если эти аксиомы расширить,то можно придти к действительному описанию.". Поясните как расширение аксиом "плоской" физики и геометрии позволит описать изрезанные траектории в действительном пространстве. К сожалению хаотически изрезанные действительные траектории можно описать детерминированным образом только в комплексном пространстве.
          Кроме того, поясните откуда у Вас информация о переходе в комплексное пространство.
          Ответить
  • hfilipenk  | 18.09.2015 | 08:53 Ответить
    смотрите таблицу элементов в которой квантовая механика не все элементы описывает...http://physicaltable.blogspot.com
    Физическая таблица элементов
    Ответить
Написать комментарий
Элементы

© 2005-2017 «Элементы»