Николай Яковлевич Кириленко – советский и российский учёный в области механики, экологии, педагогики, психологии, академик Российской академии естественных наук, профессор, заслуженный изобретатель Российской Федерации, заслуженный деятель науки Московской области, лауреат Национальной экологической премии «Экомир», лауреат Международной экологической премии «EcoWorld», Международной премии им. М. Нострадамуса, специальный диплом им. Н.И. Вавилова Международной экологической премии «EcoWorld», почётный учёный Европы, почётный изобретатель Европы, выдающийся натуропат Европы.
КАТЕГОРИИ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ
Введение.
Категория – понятие, отражающее наиболее общие свойства и связи явлений материального мира.
Квантовая механика – раздел теоретической физики, описывающий физические явления на самом элементарном уровне – уровне частиц.
Квантовая механика – теория, описывающая свойства материи на уровне микроявлений (микрообъектов). К микрообъектам относятся молекулы, атомы, атомные ядра, элементарные частицы. Их характерная особенность – очень маленькие размеры – 10 ;8 см и меньше.
Категории квантовой механики.
Дискретность (квантование).
Дискретность есть главная особенность явлений, происходящих на уровне микромира.
Сущность идеи квантования состоит в следующем: некоторые физические величины, описывающие микрообъект, в определенных условиях принимают только дискретные значения.
Квантуется энергия любого микрообъекта, помещённого в ограниченное пространство, например, электрона в атоме. Квантование означает, что электрон в атоме может иметь лишь некоторый дискретный набор её значений. Каждое значение энергии называют энергетическим уровнем или стационарным состоянием. Находясь в этих стационарных состояниях, электроны не излучают фотоны. Переходы между уровнями называют квантовыми переходами или квантовыми скачками. При каждом таком переходе испускается или поглощается один квант света (фотон) (правило частот Бора).
Корпускулярно-волновой дуализм.
Вещество и свет могут проявлять как волновые свойства, так и свойства частиц. Длина волны де Бройля обратно пропорциональна массе микрообъекта, поэтому, чем больше микрообъект, тем меньше эта длина волны.
Для атомов и молекул дебройлевская длина волны существенно меньше, чем для электрона, и поэтому их волновые свойства проявляются заметно слабее.
Идея квантово-волнового дуализма отражает потенциальную способность микрообъекта проявлять различные свойства в зависимости от тех или иных внешних условий. Но как выглядит микрообъект, никто не знает, потому что, к сожалению, построить его наглядную модель пока невозможно.
Идея квантования вводит дискретность, а для её описания требуется определённая мера, роль которой и играет постоянная Планка. Она определяет «границу» между микро- и макроявлениями и представляет шаг квантования. С другой стороны, постоянная Планка органически связана с идеей дуализма, так как она осуществляет «связь» между корпускулярными (энергия и импульс) и волновыми (частота и волновой вектор) характеристиками.
Соотношение неопределённости и принцип дополнительности.
Соотношение неопределённости является количественным воплощением общей идеи дополнительности. В. Гейзенберг, анализируя возможности одновременного измерения координаты и импульса электрона, пришёл к заключению, что условия, благоприятные для измерения его местоположения, т.е. координаты, затрудняют измерение импульса, и наоборот. Другими словами, чем точнее мы определяем местоположение микрообъекта, тем менее точными становятся сведения об импульсе (скорости). Сама природа как бы накладывает принципиальные ограничения на понятия координаты и импульса, которых нет в классической физике. В этом смысле, говорят, что понятия координаты и импульса дополнительны друг к другу.
Соотношение неопределённостей для координаты и импульса – частный случай и конкретное выражение общего принципа дополнительности, сформулированного Н. Бором в 1927 г. Для понимания соотношения между такими парными понятиями классической физики Н. Бор ввёл понятие «дополнительность». Он рассматривал картину частицы и картину волны в качестве дополняющих описаний одной и той же реальности, каждая из которых истинна лишь частично и имеет ограниченное применение. Для полного описания атомной действительности необходимы два образа, но их применение ограничено принципом неопределённости. Принцип дополнительности связан не с формой, а с содержанием квантовой теории, с тем, как устроен мир.
Квантовый объект – это и не частица, и не волна, и даже ни то и ни другое одновременно вместе. Можно сказать, что это нечто третье, не равное простой сумме свойств волны и частицы. Оно не дано нам в ощущениях, но, тем не менее, реально существует. Это есть то, что называют квантовой реальностью. Фундаментальное значение соотношения неопределённости заключается в том, что оно описывает ограниченность наших классических представлений.
Волновая функция.
Э. Шрёдингер обобщил идею де Бройля на случай, когда электрон движется не в свободном пространстве, а находится в кулоновском поле ядра. Он получил уравнение для волновой функции, описывающей волновые свойства микрочастиц. Это уравнение называют уравнением Шрёдингера. В свободном пространстве оно описывает волновой процесс с постоянной длиной волны де Бройля. Во внешнем поле длина волны изменяется от точки к точке, то же происходит с импульсом.
В квантовой физике волновая функция является важнейшим понятием. По волновому закону изменяется волновая функция (её часто называют амплитудой вероятности), которая является комплексной функцией. Квадрат модуля волновой функции есть вероятность наблюдения события в данной точке. Говорят, что волновая функция в квантовой механике выступает как основной носитель информации о корпускулярных и волновых свойствах системы. Тем самым она играет первостепенную роль – с её помощью описывают состояние квантовой системы. Волновая функция даёт максимально полное описание состояния микроскопической системы, т.е. если мы знаем волновую функцию квантовой системы, то знаем о ней всё. Она заменяет классическое состояние, которое задается координатами и скоростями. А уравнение Шрёдингера, описывающее эволюцию волновой функции, – основное уравнение квантовой механики, заменяет уравнения Ньютона в классической физике. Оно позволяет определить волновую функцию для любого последующего момента времени, если она известна в некоторый момент. Знание волновой функции позволяет определить физические величины, которые являются объектами экспериментального исследования.
Предсказания в квантовой механике имеют вероятностный характер, а физика микрообъектов – принципиально статистическая теория.
Волновая функция описывает не волны материи, а волны вероятности. Вероятностная трактовка волновой функции отражает присущие микрообъектам элементы случайного в их поведении.
Квантовая лестница.
Квантовый характер механической системы имеет ограничения; он проявляется лишь до тех пор, пока возмущающие факторы слабее, чем энергия возбуждения высоколежащих квантовых состояний. Этот порог возбуждения зависит от характера системы. Например, очень малая энергия требуется, чтобы изменить квантовое состояние большой молекулы, значительно большая энергия нужна для изменения состояния атома, и в тысячу раз большая энергия требуется, чтобы произвести изменения внутри атомного ядра. Это и есть характерная последовательность условий, которую В. Вайскопф назвал квантовой лестницей.
Элементарные частицы как глубинный уровень организации материи.
Элементарные частицы в точном значении этого слова – первичные, неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя.
Термин «элементарные частицы» в современной физике употребляется для наименования большой группы частиц материи, которые не являются атомами или ядрами.
Поля, сопоставляемые с элементарными частицами, имеют квантовую природу, поэтому их называют квантовыми полями: они объединяют в себе и частицы, и взаимодействие, представляя единый объект.
Если объект обладает внутренней структурой, он будет характеризоваться и внутренней динамикой, и внутренними движениями. Согласно квантовой механике энергия таких движений квантуется, образуя дискретный спектр. На разных уровнях познания эти спектры отличаются в основном масштабом энергии.
Заключение.
Квантовая теория свидетельствует о принципиальном единстве Вселенной. Она показывает, что нельзя разложить мир на независящие друг от друга составляющие. Поэтому говорят, что здесь мир выступает как совокупность отношений.
Материи присуща склонность к образованию качественно выделенных специфических форм, стабильность и индивидуальность квантовых состояний, или, другими словами, материи присуще саморазвитие.
Список литературы
См. Кириленко Н.Я. Концепции современного естествознания. – Коломна: КИППК, 2005.
Кириленко Н.Я. Естественнонаучная картина мира. – Коломна: КФ ВАУ, 1999.
Кириленко Н.Я. Физическая картина мира. – Коломна: КФ ВАУ, 1997.
Кириленко Н.Я. Концепция квантовой механики http://proza.ru/2021/08/30/319.
Кириленко Н.Я. Квантование материи http://proza.ru/2021/10/09/1337.