Курс лекций по "Конценции современного естествознания"

16. Корпускулярно  волновой дуализм материи. Принцип  дополнительности и неопределенности.

Французский учёный  Луи де Бройль (1892-1987), выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами.

Смелость гипотезы де Бройля заключается  именно в том ,что приведенные  им 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, сопоставляется волновой процесс с длинной волны. Вскоре гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально американскими физиками К.Девисоном(1881-1958) и Л.Джермером(1896-1971),которые обнаружили пучок электронов, рассеивающейся от естественной дифракционной решетки-кристалла никеля, дает отчетливую дифракционную картину.

Подтвержденная экспериментально гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств вещ-ва коренным образом изменила представления о свойствах микрообъектов. Всем микрообъектам присущи и корпускулярные, и волновые св-ва: для них сущ-ют потенциальные возможности проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны, либо в виде частицы.

Принцип неопределенности:

Этот принцип впервые сформулировал  выдающийся немецкий физик Вернер Гейзенберг (1901—1976) в виде Соотношения неточностей  при определении сопряженных  величин в квантовой механике, который теперь обычно называют принципом неопределенности. Суть его заключается в следующем: если мы стремимся определить значение одной из сопряженных величин в кван-тово-механическом описании, например, координаты х, то значение другой величины, а именно скорости или скорее импульса, нельзя определить с такой же точностью. Иначе говоря, чем точнее определяется одна из сопряженных величин, тем менее точной оказывается другая величина.

Таким образом, принцип неопределенности постулирует:Невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастицы. Произведение их неточностей не должно превышать постоянную Планка.На практике, конечно, неточности измерения бывают значительно больше, чем тот минимум, который предписывает принцип неопределенности, но речь идет о принципиальной стороне дела. Границы, которые устанавливаются этим принципом, не могут быть преодолены путем совершенствования средств измерения. Поэтому принцип неопределенности, по крайней мере в настоящее время, считается фундаментальным положением квантовой механики и неявно фигурирует в ней во всех рассуждениях. Теоретически не исключается возможность отклонения этого принципа и соответственно изменения связанных с ним законов квантовой механики, но в настоящее время он считается общепризнанным. Из принципа неопределенности непосредственно следует, что вполне возможно осуществить эксперимент, с помощью которого можно с большой точностью определить положение микрочастицы, но в таком случае ее импульс будет определен неточно. Наоборот, если импульс будет определен с возможной степенью точности, тогда ее положение станет известным недостаточно точно. В квантовой механике любое состояние системы описывается с помощью так называемой "волновой функции", но в отличие от классической механики эта функция определяет параметры ее будущего состояния не достоверно, а лишь с той или иной степенью вероятности. Это означает, что для того или иного параметра системы волновая функция дает лишь вероятностные предсказа-рния. Например, будущее положение какой-либо частицы системы будет определено лишь в некотором интервале значений, точнее говоря, для нее будет известно лишь вероятностное распределение значений.Таким образом, квантовая теория фундаментально отличается от классической тем, что ее предсказания имеют лишь вероятностный характер и потому она не обеспечивает точных предсказаний, к каким мы привыкли в классической механике. Именно эта неопределенность и неточность ее предсказаний больше всего вызывает споры среди ученых, некоторые из которых стали в связи с этим говорить об индетерминизме квантовой механики. Немецкий физик Гейзенберг, учитывая волновые св-ва микрочастиц и связанные с волновыми св-ми ограничения в их поведении, сделал следующий вывод:

объект микромира невозможно одновременно с любой, наперед заданной, точностью характеризовать и координатой и импульсом.

Принцип дополнительности.

Для описания микрообъектов Бор сформулировал в 1927 г. положение квантовой механики -   согласно которому получение экспериментальной информации об одних физ. величинах, описывающих микрообъект (элемен-ю частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других вел-ах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными вел-ми можно считать, например, координату частицы и ее скорость (или импульс). В общем случае доп-ми друг к другу явл-ся физ. вел-ны, например, направление и величина момента импульса, кинетическая и потенциальная энергия.