3. 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 Eи импульсp , а с другой стороны – волновые характеристики – частотаvи длина волны.Формулы, связывающие волновые и свойства частиц, такие же, как и для фотонов:

E=ћ;  p=2ћ/  ,

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:

 = 2ћ / 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.

4. 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 xи соответствующего этой координате импульсаp, причем неопределенности в значениях этих величин удовлетворяют условию:

x·p  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 xилиp , 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.