Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Два пути развития квантовой механики

 В 1925 году де Бройль вы­дви­нул тео­рию о том, что все мик­ро­эле­мен­ты об­ла­да­ют кор­пус­ку­ляр­но-вол­но­вым ду­а­лиз­мом.  Урав­не­ние де Брой­ля свя­зы­ва­ет длину волны и им­пульс объ­ек­та мик­ро­ми­ра.

Гей­зен­берг за­ду­мал­ся, что если рас­смот­реть клас­си­че­ский слу­чай, то любая ча­сти­ца имеет опре­де­лен­ную массу, ко­ор­ди­на­ту, им­пульс. Но если ча­сти­ца имеет опре­де­лен­ный им­пульс, то она опи­сы­ва­ет­ся я в виде волны, а волна не имеет ло­ка­ли­за­ции. И воз­ни­ка­ет во­прос: какие за­ко­ны при­ме­нять в дан­ном слу­чае? Это был пер­вый путь раз­ви­тия кван­то­вой ме­ха­ни­ки. См. Рис. 1.

Рис. 1

С точки зре­ния кван­то­вой ме­ха­ни­ки не по­нят­но, что такое тра­ек­то­рия дви­же­ния. В ме­ха­ни­ке: тра­ек­то­рия – мно­же­ство точек, в ко­то­рых ока­за­лось тело в тот или иной мо­мент вре­ме­ни.

Пусть име­ет­ся фотон, ко­то­рый па­да­ет на по­верх­ность, ча­стич­но от­ра­жа­ет­ся и ча­стич­но про­хо­дит через по­верх­ность. Но фотон не может раз­де­лить­ся, тогда он либо от­ра­жа­ет­ся, либо про­хо­дит через по­верх­ность. А ска­зать точно, что слу­чит­ся с фо­то­ном, когда он до­стиг­нет этой от­ра­жа­ю­щей по­верх­но­сти, нель­зя. См. Рис. 2.

Рис. 2

Пусть име­ет­ся элек­трон, ко­то­рый дви­га­ет­ся с ка­ким-то им­пуль­сом. Для того чтобы найти по­ло­же­ние элек­тро­на в про­стран­стве и из­ме­рить его им­пульс, необ­хо­ди­мо по­слать один фотон, чтобы он про­вза­и­мо­дей­ство­вал с элек­тро­ном и, от­ра­жен­ный от него, нес с собой ин­фор­ма­цию об элек­троне. Вслед­ствие ди­фрак­ции света невоз­мож­но при­ме­нять за­ко­ны пря­мо­ли­ней­но­го рас­про­стра­не­ния в слу­чае, если пред­ме­ты имеют раз­ме­ры по­ряд­ка длины волны света. По­это­му неопре­де­лен­ность опре­де­ле­ния ко­ор­ди­на­ты за­ве­до­мо при­мер­но равна длине волны фо­то­на. После вза­и­мо­дей­ствия с фо­то­ном им­пульс элек­тро­на ме­ня­ет­ся.

В 1925 году Гей­зен­берг сфор­му­ли­ро­вал прин­цип неопре­де­лен­но­сти Гей­зен­бер­га: см. Рис. 3

прин­цип неопре­де­лен­но­сти Гей­зен­бер­га

Рис. 3

Это со­от­но­ше­ние от­но­сит­ся ко всем ка­но­ни­че­ски со­пря­жен­ным ве­ли­чи­нам.

К ка­но­ни­че­ским ве­ли­чи­нам от­но­сят­ся: см. Рис. 4

К ка­но­ни­че­ским ве­ли­чи­нам от­но­сят­ся

Рис. 4

Гей­зен­берг до­ка­зал, что неопре­де­лен­ность ко­ор­ди­на­ты, умно­жен­ная на неопре­де­лен­ность про­ек­ции им­пуль­са по со­от­вет­ству­ю­щей ко­ор­ди­на­те, не может быть мень­ше кван­то­вой по­сто­ян­ной План­ка. Такое же со­от­но­ше­ние неопре­де­лен­но­сти спра­вед­ли­во и для неопре­де­лен­но­сти энер­гии и неопре­де­лен­но­сти вре­ме­ни.

Прин­цип неопре­де­лен­но­сти Гей­зен­бер­га – это ос­нов­ное урав­не­ние кван­то­вой ме­ха­ни­ки.

От­ветв­ле­ние ме­ха­ни­ки, ко­то­рое ор­га­ни­зо­вал Гей­зен­берг, – мат­рич­ная ме­ха­ни­ка.

При­ме­ним со­от­но­ше­ние Гей­зен­бер­га к атому во­до­ро­да (Рис. 5).

Рис. 5

r – ра­ди­ус атома

p – им­пульс элек­тро­на

ро – им­пульс, при ко­то­ром энер­гия будет иметь ми­ни­маль­ное зна­че­ние

Е – энер­гия элек­тро­на в атоме

Этим было до­ка­за­но, что элек­трон ни­ко­гда не может упасть на ядро.

Из со­от­но­ше­ния неопре­де­лен­но­сти Гей­зен­бер­га для атома во­до­ро­да, что: см. Рис. 6

Рис. 6

Е– энер­гия элек­тро­на на пер­вом уровне в атоме во­до­ро­да

Гей­зен­берг со­ста­вил весь спектр атома во­до­ро­да и не толь­ко. Мат­рич­ная ме­ха­ни­ка Гей­зен­бер­га в со­че­та­нии с прин­ци­пом Паули объ­яс­ни­ла все труд­но­сти, с ко­то­ры­ми столк­ну­лась тео­рия Бора. Было объ­яс­не­но стро­е­ние всех ато­мов, была раз­ви­та кван­то­вая тео­рия твер­дых тел и т. д.

В 1926 году на­чал­ся вто­рой путь кван­то­вой ме­ха­ни­ки с вол­но­вой ме­ха­ни­ки, ко­то­рую начал раз­ви­вать Шре­дин­гер.

Каж­до­му объ­ек­ту мик­ро­ми­ра со­по­став­ля­ет­ся опре­де­лен­ная длина волны. Шре­дин­гер ска­зал, что если объ­ект имеет длину волны, то он дол­жен опи­сы­вать­ся вол­но­вой функ­ци­ей. См. Рис. 7.

Рис. 7

А – ам­пли­ту­да

V – ско­рость ко­ле­ба­ния

Е – энер­гия

Дан­ное урав­не­ние спра­вед­ли­во толь­ко для неза­ря­жен­ной ча­сти­цы.

Шре­дин­гер до­ка­зал, что для любой за­ря­жен­ной ча­сти­цы вол­но­вая функ­ция долж­на иметь ком­плекс­ный вид.

Дан­ная функ­ция поз­во­ля­ет опре­де­лить ве­ро­ят­ность на­хож­де­ния ча­сти­цы в той или иной об­ла­сти про­стран­ства.

Ос­нов­ное урав­не­ние вол­но­вой ме­ха­ни­ки (при фик­си­ро­ван­ном t): см. Рис. 8

Ос­нов­ное урав­не­ние вол­но­вой ме­ха­ни­ки (при фик­си­ро­ван­ном t)

Рис. 8

В вол­но­вой ме­ха­ни­ке вво­дят­ся опе­ра­то­ры фи­зи­че­ских ве­ли­чин, ко­то­рые, бу­дучи при­ме­нен­ны­ми к пси–функ­ции, поз­во­ля­ют вы­чис­лить все соб­ствен­ные зна­че­ния, ин­те­ре­су­ю­щие нас о ча­сти­цах мик­ро­ми­ра (ко­ор­ди­на­ту, им­пульс, энер­гию и т. д.).  

Таким об­ра­зом кван­то­вая ме­ха­ни­ка раз­ви­ва­лась двумя пу­тя­ми, а потом Гей­зен­берг до­ка­зал, что и мат­рич­ная кван­то­вая ме­ха­ни­ка, и вол­но­вая кван­то­вая ме­ха­ни­ка при­хо­дят к со­вер­шен­но оди­на­ко­вым ре­зуль­та­там по всем во­про­сам и от­ли­ча­ют­ся толь­ко ма­те­ма­ти­че­ским ап­па­ра­том. 

Последнее изменение: Понедельник, 25 Июнь 2018, 16:24