Квантова механика

Квантова механика (от лат.
quantium – колкото, през
нем. Quantum – количество
и механика).

Квантовата механика е важно постижение на съвременната теоретична физика. Тя е наука, описваща движението на микрообектите (елементарните частици) в атоми и молекули.

Дуализъм (от лат.
dualis – двойнствен).

Поведението на микрообектите с малка енергия се описва от законите на нерелативистичната квантова механика, а с голяма енергия — на релативистичната квантова механика (квантовата теория на полето). Материята съществува в полева или веществена форма и е естествено тези форми да имат идентични свойства. Дуализмът в описанието на микрочастиците може да се проследи в борбата между корпускулната и вълновата теория на светлината. В първата теория светлината е поток от много малки пространствено локализирани частици, които се разпространяват с огромна скорост с, а във втората — някакво вълнообразно движение (или действие), излъчвано от светещите тела. Като обобщава теорията на оптичните явления върху динамиката на материалната точка, математическата оптика обяснява разпространяването на светлината независимо от нейната природа. Приема се, че светлината се излъчва, разпространява и поглъща според законите на вълните във вид на кванти — неголеми порции енергия. Алберт Айнщайн (1879—1955) разглежда дискретността на лъчението като вътрешно свойство. Според него корпускули се наричат порции енергия на квантуваното електромагнитно поле. Те са концентрирани в локализирани (частицеподобни) области, чиито параметри на движение са статистически разпределени. Обкръжени са от разпространяващи се в пространството и времето вълни „призраци“, определени от максуеловите уравнения, обаче лишени от енергия и импулс. Ервин Шрьодингер (1887— 1961) написва уравнение за вълновата функция на електрони с малка енергия. Експериментално установената прекъснатост на енергийните нива на такива електрони в атомите и на проекциите на механичния и магнитния момент върху дадено направление изисква квантуването на физичните величини, които определят поведението на микрочастиците. Така диалектически се обединяват корпускулните свойства на веществото с вълновите свойства на полето. Светлината като поле е вълна с корпускулни свойства, а веществените корпускули имат вълнови свойства.

Луи дьо Бройл (1892—1987) пренася вълново-корпускулния дуализъм на светлината върху веществото. Въведената от него вълна „пилот“, определяща движението на микрочастиците, напомня вълната „призрак“ на Айнщайн. Опитите по разсейване и преминаване на микрочастици през тънки пластинки показват характерните за вълнообразното движение интерференционни и дифракционни картини, а разсейването на светлината от електроните показва, че движението на фотоните се определя от корпускулни параметри. Условията за възможното използване на законите на класическата механика за описание на поведението на микрочастиците вместо законите на квантовата механика съвпадат с условията за приложение на геометричната оптика вместо вълновата. Нилс Бор (1885—1962) постулира квантуването на орбитите на електрона с цел устойчивост на атома. Неговият принцип на съответствието (свързване на параметрите на движение от гледна точка на класическата и квантовата механика) помага за създаването на матричното смятане — нов метод за изследване на атомните явления с използване само на наблюдавани експериментално величини. Уилям Хамилтон (1805—1865) създава формална математическа теория на оптичните явления, еднакво приемлива както за корпускулната, така и за вълновата теория на светлината. С тази теория цялата класическа механика се „превежда“ на вълнов език. Едва през 1923 г. Луи дьо Бройл обяснява неразбираемите до тогава условия за квантуването на физичните величини с помощта на теорията на Хамилтон. Шрьодингер доказва еквивалентността на матричния и вълновия подход в квантовата механика. За правилното подреждане на електроните по експериментално наблюдаваните енергийни нива Волфганг Паули (1900—1958) въвежда нов параметър — спин, както и принципа на забрана на два електрона да бъдат в едно и също състояние. За да обясни дифракцията и интерференцията на микрочастиците при регистрирането им, Макс Борн (1882— 1970) налага вероятностния смисъл на квадрата на модула на вълновата функция. Вернер Хайзенберг (1901—1975) създава матричната квантова механика и принципа на неопределеността — произведението от дисперсиите на две взаимно спрегнати величини не може да бъде по-малко от константата на Планк. По-късно Бор въвежда принципа на допълнителността — получаването на информация от експеримента за физични величини, които описват поведението на микрообекти, неизбежно води до загуба на информация за спрегнатите им величини. Въвеждат се оператори (математически операции) за всички физични величини. П. Еренфест (1886—1933) получава връзка от гледна точка на квантовата механика между средните значения на величините. Линейността на уравнението на Шрьодингер относно вълновата функция на електрона осигурява действието на принципа на суперпозицията (сумиранато) върху тази функция. Хайзенберг открива обменното взаимодействие между електроните. Дирак написва линейно уравнение на електрони с голяма енергия, в което вълновата функция на електроните име четири компонента; Ψ1, Ψ2, Ψ3, Ψ4. Връзката между квантовата механика и специалната теория на относителността чрез релативистичната квантова механика и квантовата теория на полето предсказва съществуването на двойката частица—античастица и тяхното раждане и унищожаване. След въвеждане на вторичното квантуване — броят на частиците, които участват в явлението, става динамична променлива, се въвежда и вторично квантуване на голям брой новооткрити елементарни частици.

Плодотворната логика на квантовата механика и мощният й математически апарат имат големи успехи при описването на явления в мноао области на науката. Ето защо никой не се съмнява в достоверността на математическите й резултати, но понякога се появяват съмнения в правдоподобността на интерпретацията им. Математическото описание на поведението на светлината и микрообектите не изяснява физичната им същност и интерпретация. Вълновото уравнение на електрони с малка енергия може да се изведе от хидродинамиката или от класическото брауново движение. Според вероятностната интерпретация на електрони с голяма енергия точковите им товари извършват едновременно 4 движения; а — добре известното ни от класическата механика движение на електрона като макрочастица по траектория, породено от взаимодействието на неговия товар, магнитен момент или маса с външни полета; б — класическо стохастично осцилиране на електрона, породено от взаимодействието на товара му с вакуумните флуктуации (случайни отклонения на наблюдаемото значение на физичната величина от нейното средно значение) на външното квантувано електромагнитно поле чрез стохастичен обмен на виртуални фотони (краткоживеещи частици, за които не се изпълняват класическите съотношения между параметрите на движение); в — релативистично фермионно осцилиранв на електрони с голяма честота и с малка амплитуда; участието на електрона в това движение минимизира самодействието на точковия му товар и тока му с потенциала и вектор потенциала на собственото резултантно поле; това поле е породено от фотони, излъчени от точковия товар на електрона в различни моменти и от различни точки и поглъщани в точката на моментното му местоположение във вид на електромагнитно самодействие; г — релативистично стохастично осцилиране на точковия товар вследствие реакцията от излъчване и поглъщане на виртуалните фотони, създаващи собственото квантувано електромагнитно поле. Наличието на второто движение в движението на електрона по епицикли върху деферент, което е класическата траектория на електрона, се проявява в „размазването“ на тази траектория, появата на допълнителен ъглов механичен момент и кинетична енергия, осигуряващи устойчивостта на електрона в основното му състояние в атома, тунелирането (преминаването) му през потенциална бариера и осцилационното му преминаване от една орбита в друга при поглъщане или излъчване на фотон. Наличността на третото движение на електрона се проявява в съществуването на собствен механичен и магнитен момент и енергия на покой mc2. Наличността на четвъртото движение на електрона следва от проявяването на товара на електрона във вид на „размазано петно“ с размер, равен на класическия радиус на електрона при разсейването на фотони.

Описанието на класическото и нерелативистичното движение на електрона става с помощта на вълнова функция, а описанието на релативистичното фермионно осцилиране става със съвместната помощ на матриците на Дирак и на четирите компонента Ψ1, Ψ2, Ψ3, Ψ4 на вълновата функция. Поради това отсъствието на матриците на Дирак в уравнението на Шрьодингер отнема възможността за естествено получаване на спина и на собствения магнитен момент на електрона, поради което последният се въвежда изкуствено в уравнението на Паули. Премахването пък на класическото стохастично осцилиране на електроните и кинетичната им енергия води до преминаването на уравнението на Шрьодингер в уравнението на Хамилтон—Якоби, което описва класическото поведение на електрона.

Вж. Електродинамика, Класическа механика, Оптика и Физика на високите енергии и елементарните частици.

Няма коментари - Остави коментар

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

*

Можете да използвате тези HTML тагове и атрибути: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>