Pagal kvantinę mechaniką. Tikimybinis kvantinės mechanikos prognozių pobūdis

KVANTINĖ MECHANIKA
pagrindinė fizinė teorija apie visų elementariųjų materijos ir spinduliuotės formų dinaminį elgesį bei jų sąveiką. Kvantinė mechanika yra teorinis pagrindas, kuriuo remiasi šiuolaikinė atomų, atomų branduolių, molekulių ir fizinių kūnų, taip pat elementariųjų dalelių, iš kurių jie visi sudaryti, teorija. Kvantinę mechaniką sukūrė mokslininkai, norėdami suprasti, kaip veikia atomas. Atominius procesus daug metų tyrinėjo fizikai ir ypač chemikai; pristatydami šį klausimą, nesigilindami į teorijos detales, stebėsime istorinę dalyko raidos eigą. taip pat žr ATOMAS.
Teorijos kilmė. Kai 1911 metais E. Rutherfordas ir N. Bohras pasiūlė branduolinį atomo modelį, tai buvo tarsi stebuklas. Tiesą sakant, jis buvo pastatytas iš to, kas buvo žinoma daugiau nei 200 metų. Iš esmės tai buvo Koperniko Saulės sistemos modelis, atkurtas mikroskopiniu masteliu: centre yra sunki masė, netrukus vadinama branduoliu, aplink kurią sukasi elektronai, kurių skaičius lemia chemines atomo savybes. . Bet ne tik tai, už šio vizualinio modelio slypėjo teorija, kuri leido pradėti skaičiuoti kai kurias chemines ir fizines medžiagų savybes, bent jau tas, kurios buvo sukurtos iš mažiausių ir paprasčiausių atomų. Bohro-Rutherfordo teorijoje buvo nemažai nuostatų, kurias čia naudinga prisiminti, nes visos jos viena ar kita forma buvo išsaugotos šiuolaikinėje teorijoje. Pirma, svarbus atomą surišančių jėgų pobūdžio klausimas. Nuo XVIII a buvo žinoma, kad elektra įkrauti kūnai vienas kitą traukia arba atstumia jėga, atvirkščiai proporcinga atstumo tarp jų kvadratui. Naudodamas alfa daleles, susidarančias dėl radioaktyviųjų transformacijų kaip bandomuosius kūnus, Rutherfordas parodė, kad tas pats elektrinės sąveikos dėsnis (Kulono dėsnis) galioja milijoną milijonų kartų mažesnėse skalėse nei tos, kurioms jis buvo iš pradžių nustatytas eksperimentiniu būdu. Planckui ir A. Einšteinui apie šviesos prigimtį Bohras sugebėjo kiekybiškai paaiškinti visą vandenilio atomų spinduliuotės spektrą dujų išlydžio vamzdyje ir kokybiškai paaiškinti visus pagrindinius periodinės elementų sistemos dėsnius. Iki 1920 m. atėjo laikas spręsti sunkesnių atomų emisijos spektro problemą ir apskaičiuoti cheminių jėgų, jungiančių atomus junginiuose, intensyvumą. Tačiau čia sėkmės iliuzija išblėso. Eilę metų Bohras ir kiti tyrinėtojai nesėkmingai bandė apskaičiuoti helio – paprasčiausio atomo, turinčio du elektronus šalia vandenilio, spektrą. Iš pradžių niekas neveikė; Galiausiai keli mokslininkai šią problemą išsprendė įvairiais būdais, tačiau atsakymas pasirodė neteisingas – jis prieštaravo eksperimentui. Tada paaiškėjo, kad apskritai neįmanoma sukurti jokios priimtinos cheminės sąveikos teorijos. XX amžiaus 20-ųjų pradžioje Bohro teorija išnaudojo save. Atėjo laikas pripažinti pagrįstą pranašišką pastabą, kurią Bohras jam būdingu įmantriu stiliumi išsakė laiške draugui dar 1914 m.: „Esu linkęs manyti, kad problema susijusi su itin dideliais sunkumais, kuriuos įveikti gali tik daug toliau nuo įprastų svarstymų, nei buvo reikalaujama iki šiol, ir kad anksčiau pasiektą sėkmę lėmė tik nagrinėjamų sistemų paprastumas.
taip pat žr
BOR Niels Henrik David;
ŠVIESA ;
RUTERFORDAS Ernestas;
SPEKTROSKOPIJA.
Pirmieji žingsniai. Kadangi Bohro jau egzistuojančių idėjų iš elektros ir mechanikos sričių derinys su kvantavimo sąlygomis lėmė neteisingus rezultatus, visa tai turėjo būti visiškai arba iš dalies pakeista. Pagrindinės Bohro teorijos nuostatos buvo pateiktos aukščiau, o atitinkamiems skaičiavimams pakako ne itin sudėtingų skaičiavimų naudojant įprastą algebrą ir matematinę analizę. 1925 metais jaunas vokiečių fizikas W. Heisenbergas aplankė Borą Kopenhagoje, kur ilgai su juo kalbėjosi, aiškindamasis, kas iš Bohro teorijos būtinai turi būti įtraukta į ateities teoriją, o ko iš esmės galima atsisakyti. Bohras ir Heisenbergas iš karto sutarė, kad ateities teorija būtinai turi reprezentuoti viską, kas yra tiesiogiai stebima, ir viskas, kas nėra stebima, gali būti pakeista arba neįtraukta į svarstymą. Nuo pat pradžių Heisenbergas manė, kad atomai turi būti išsaugoti, tačiau elektrono orbita atome turėtų būti laikoma abstrakčia idėja, nes joks eksperimentas negalėjo nustatyti elektrono orbitos iš matavimų taip, kaip būtų galima atlikti planetos. Skaitytojas gali pastebėti, kad čia yra tam tikras nelogiškumas: griežtai kalbant, atomas yra nepastebimas tiesiogiai kaip elektronų orbitos, ir apskritai mūsų supančio pasaulio suvokime nėra nė vieno pojūčio, kuriam nereikėtų paaiškinimo. Šiais laikais fizikai vis dažniau cituoja garsųjį aforizmą, kurį Einšteinas pirmą kartą ištarė pokalbyje su Heisenbergu: „Ką tiksliai mes stebime, teorija mums pasako“. Taigi skirtumas tarp stebimų ir nepastebimų dydžių yra grynai praktinio pobūdžio, neturintis jokio pagrindimo nei griežtoje logikoje, nei psichologijoje, ir šis skirtumas, kad ir kaip jis būtų daromas, turi būti laikomas pačios teorijos dalimi. Todėl Heisenbergo idealas – teorija, išgryninta nuo visko, kas nepastebima, yra tam tikra mąstymo kryptis, bet jokiu būdu ne nuoseklus mokslinis požiūris. Nepaisant to, ji dominavo atominėje teorijoje beveik pusę amžiaus po to, kai buvo pirmą kartą suformuluota. Jau priminėme ankstyvojo Boro modelio sudedamąsias dalis, tokias kaip Kulono elektrinių jėgų dėsnis, Niutono dinamikos dėsniai ir įprastinės algebros taisyklės. Atlikdamas subtilią analizę, Heisenbergas parodė, kad buvo įmanoma išsaugoti žinomus elektros ir dinamikos dėsnius, radus tinkamą Niutono dinamikos išraišką ir tada pakeitus algebros taisykles. Visų pirma Heisenbergas pasiūlė, kad kadangi nei elektrono padėtis q, nei impulsas p nėra išmatuojami dydžiai ta prasme, kuria, pavyzdžiui, yra automobilio padėtis ir impulsas, galime, jei norime, juos išsaugoti. teorija tik laikant juos matematiniais simboliais, pavaizduotais raidėmis, bet ne skaičiais. Jis priėmė p ir q algebrines taisykles, pagal kurias sandauga pq nesutampa su sandauga qp. Heisenbergas parodė, kad paprasti atominių sistemų skaičiavimai duoda priimtinus rezultatus, jei darome prielaidą, kad padėtis q ir impulsas p tenkina ryšį

Kur h yra Plancko konstanta, jau žinoma iš kvantinės spinduliuotės teorijos ir pateikta Bohro teorijoje, a. Planko konstanta h yra įprastas skaičius, bet labai mažas, maždaug 6,6 × 10–34 J*s. Taigi, jei p ir q yra įprastos skalės dydžiai, tai skirtumas tarp sandaugų pq ir qp bus itin mažas, lyginant su pačiais šiais sandaugais, todėl p ir q galima laikyti paprastaisiais skaičiais. Sukurta mikroskopinio pasaulio reiškiniams apibūdinti, Heisenbergo teorija beveik visiškai atitinka Niutono mechaniką, kai ji taikoma makroskopiniams objektams. Jau ankstyviausiuose Heisenbergo darbuose buvo įrodyta, kad, nepaisant naujosios teorijos fizinio turinio neapibrėžtumo, ji numato diskrečiųjų energijos būsenų, būdingų kvantiniams reiškiniams, egzistavimą (pavyzdžiui, atomo spinduliuotę šviesą). Vėlesniame darbe, kartu su M. Bornu ir P. Jordanu Getingene, Heisenbergas sukūrė formalųjį matematinį teorijos aparatą. Tačiau praktiniai skaičiavimai išliko labai sunkūs. Po kelių savaičių sunkaus darbo W. Pauli išvedė vandenilio atomo energijos lygių formulę, kuri sutampa su Bohro formule. Tačiau nespėjus supaprastinti skaičiavimų, atsirado naujų ir visiškai netikėtų idėjų. taip pat žr
ALGEBROS SANTRAUKA;
BARAS NUOLAT.
Dalelės ir bangos. 1920 m. fizikai jau buvo gerai susipažinę su dviguba šviesos prigimtimi: kai kurių eksperimentų su šviesa rezultatus galima paaiškinti prielaida, kad šviesa yra bangos, o kituose ji elgėsi kaip dalelių srautas. Kadangi atrodė akivaizdu, kad niekas negali būti ir banga, ir dalelė vienu metu, situacija liko neaiški ir sukėlė karštas diskusijas tarp specialistų. 1923 m. prancūzų fizikas L. de Broglie savo paskelbtose pastabose teigė, kad toks paradoksalus elgesys gali būti ne tik šviesai, bet medžiaga taip pat kai kuriais atvejais gali elgtis kaip dalelės, o kitais - kaip bangos. Remdamasis reliatyvumo teorija, de Broglie parodė, kad jei dalelės impulsas lygus p, tai su šia dalele „susijusios“ bangos bangos ilgis turi būti l = h/p. Šis ryšys yra panašus į santykį E = hn, pirmą kartą gautą Plancko ir Einšteino tarp šviesos kvanto E energijos ir atitinkamos bangos dažnio n. De Broglie taip pat parodė, kad šią hipotezę galima lengvai patikrinti atliekant eksperimentus, panašius į tuos, kurie demonstruoja šviesos banginį pobūdį, ir jis atkakliai ragino tokius eksperimentus atlikti. De Broglie užrašai patraukė Einšteino dėmesį, o 1927 metais K. Davissonas ir L. Germeris JAV, taip pat J. Thomsonas Anglijoje patvirtino ne tik pagrindinę de Broglie idėją apie elektronus, bet ir jo bangos ilgio formulę. 1926 m. austrų fizikas E. Schrödingeris, tuo metu dirbęs Ciuriche, išgirdęs apie de Broglie darbą ir tai patvirtinančius preliminarius eksperimentų rezultatus, paskelbė keturis straipsnius, kuriuose pristatė naują teoriją, kuri buvo tvirtas matematinis pagrindas. šios idėjos. Ši situacija turi savo analogą optikos istorijoje. Vien tikėjimo, kad šviesa yra tam tikro ilgio banga, nepakanka, kad būtų galima išsamiai apibūdinti šviesos elgesį. Taip pat būtina parašyti ir išspręsti J. Maxwell išvestas diferencialines lygtis, kurios detaliai aprašo šviesos sąveikos su medžiaga procesus ir šviesos sklidimą erdvėje elektromagnetinio lauko pavidalu. Schrödingeris parašė diferencialinę lygtį de Broglie materijos bangoms, panašią į Maksvelo šviesos lygtis. Schrödingerio lygtis vienai dalelei turi formą

kur m yra dalelės masė, E yra jos bendra energija, V(x) yra potenciali energija, o y yra elektronų bangą apibūdinantis dydis. Daugelyje straipsnių Schrödingeris parodė, kaip jo lygtis gali būti naudojama vandenilio atomo energijos lygiams apskaičiuoti. Jis taip pat nustatė, kad yra paprastų ir veiksmingų būdų, kaip išspręsti apytiksliai problemas, kurių negalima tiksliai išspręsti, ir kad jo materijos bangų teorija matematiškai buvo visiškai lygiavertė Heisenbergo algebrinei stebimų dalykų teorijai ir visais atvejais davė tuos pačius rezultatus. P. Diracas iš Kembridžo universiteto parodė, kad Heisenbergo ir Schrödingerio teorijos atstovauja tik dvi iš daugelio galimų teorijos formų. Dirako transformacijų teorija, kurioje ryšys (1) vaidina lemiamą vaidmenį, pateikė aiškią bendrą kvantinės mechanikos formuluotę, apimančią visas kitas jos formuluotes kaip ypatingus atvejus. Diracas netrukus sulaukė netikėtai didelės sėkmės, pademonstruodamas, kaip kvantinė mechanika apibendrina labai didelių greičių sritį, t.y. įgauna formą, atitinkančią reliatyvumo teorijos reikalavimus. Palaipsniui paaiškėjo, kad egzistuoja kelios reliatyvistinės bangos lygtys, kurių kiekviena esant mažiems greičiams gali būti aproksimuota pagal Šriodingerio lygtį, ir kad šios lygtys apibūdina visiškai skirtingų tipų daleles. Pavyzdžiui, dalelės gali turėti skirtingus „sukimus“; tai numato Dirako teorija. Be to, pagal reliatyvistinę teoriją kiekviena dalelė turi atitikti antidalelę su priešingu elektros krūvio ženklu. Tuo metu, kai buvo paskelbtas Dirako darbas, buvo žinomos tik trys elementarios dalelės: fotonas, elektronas ir protonas. 1932 metais buvo atrasta elektrono antidalelė – pozitronas. Per ateinančius kelis dešimtmečius buvo atrasta daug kitų antidalelių, kurių dauguma atitiko Dirako lygtį arba jos apibendrinimus. Kvantinė mechanika, sukurta 1925–1928 m. iškilių fizikų pastangomis, nuo to laiko nepatyrė jokių reikšmingų savo pagrindų pokyčių.
taip pat žr ANTIMATERIJA.
Programos. Visos fizikos, biologijos, chemijos ir technologijų šakos, kuriose mažų mastelių medžiagos savybės yra reikšmingos, dabar sistemingai kreipiasi į kvantinę mechaniką. Pateikime kelis pavyzdžius. Nuo atomo branduolio toliausiai nutolusių elektronų orbitų struktūra buvo visapusiškai ištirta. Kvantinės mechanikos metodai buvo taikomi sprendžiant molekulinės struktūros problemas, o tai sukėlė revoliuciją chemijoje. Molekulių struktūrą lemia cheminiai atomų ryšiai, o šiandien sudėtingos problemos, kylančios dėl nuoseklaus kvantinės mechanikos taikymo šioje srityje, sprendžiamos kompiuterių pagalba. Kietųjų kūnų kristalinės struktūros teorija ir ypač kristalų elektrinių savybių teorija sulaukė didelio dėmesio. Praktiniai rezultatai įspūdingi: kaip pavyzdžiai yra lazerių ir tranzistorių išradimas, taip pat reikšminga pažanga aiškinant superlaidumo reiškinį.
taip pat žr
KIETŲJŲ AKMENŲ FIZIKA;
LAZERIS;
TRANSISTORIUS ;
SUPERLAIDYMAS. Daugelis problemų dar neišspręstos. Tai susiję su atomo branduolio struktūra ir dalelių fizika. Kartkartėmis diskutuojama, ar elementariųjų dalelių fizikos problemos nepatenka į kvantinės mechanikos ribas, kaip ir atomų sandara buvo už Niutono dinamikos ribų. Tačiau vis dar nėra jokių požymių, kad kvantinės mechanikos principai ar jos apibendrinimai lauko dinamikos srityje pasirodė niekur nepritaikomi. Daugiau nei pusę amžiaus kvantinė mechanika išliko moksline priemone, turinčia unikalią „aiškinamąją galią“ ir nereikalauja didelių matematinės struktūros pakeitimų. Todėl gali atrodyti stebėtina, kad vis dar vyksta intensyvios diskusijos (žr. toliau) apie fizinę kvantinės mechanikos reikšmę ir jos aiškinimą.
taip pat žr
ATOMO STRUKTŪRA;
ATOMO BRANDUOLIO STRUKTŪRA;
MOLEKULIŲ STRUKTŪRA;
ELEMENTARY DALELĖS.
Klausimas apie fizinę prasmę. Bangos ir dalelių dvilypumas, toks akivaizdus eksperimente, sukuria vieną iš sunkiausių kvantinės mechanikos matematinio formalizmo fizinio aiškinimo problemų. Apsvarstykite, pavyzdžiui, bangų funkciją, kuri apibūdina laisvai erdvėje judančią dalelę. Tradicinė dalelės idėja, be kita ko, daro prielaidą, kad ji juda tam tikra trajektorija su tam tikru impulsu p. Bangos funkcijai priskiriamas de Broglie bangos ilgis l = h/p, tačiau tai yra bangos, kuri erdvėje yra begalinė ir todėl neneša informacijos apie dalelės vietą, charakteristika. Bangų funkcija, lokalizuojanti dalelę tam tikroje erdvės srityje, kurios ilgis yra Dx, gali būti sudaryta kaip bangų superpozicija (paketas) su atitinkamu momentų rinkiniu, o jei norimas impulsų diapazonas yra lygus Dp , tada gana paprasta parodyti, kad Dx ir Dp reikšmėms santykis DxDp і turi būti tenkinamas h/4p. Šis ryšys, pirmą kartą gautas 1927 m. Heisenbergo, išreiškia gerai žinomą neapibrėžtumo principą: kuo tiksliau nurodytas vienas iš dviejų kintamųjų x ir p, tuo teorija mažiau tiksli leidžia nustatyti kitą.

Collier enciklopedija. – Atvira visuomenė. 2000 .

Pagrindiniai kvantinės mechanikos principai yra W. Heisenbergo neapibrėžtumo principas ir N. Bohro komplementarumo principas.

Pagal neapibrėžtumo principą neįmanoma vienu metu tiksliai nustatyti dalelės vietos ir jos impulso. Kuo tiksliau nustatoma dalelės vieta arba koordinatė, tuo neapibrėžtesnis tampa jos impulsas. Ir atvirkščiai, kuo tiksliau apibrėžiamas impulsas, tuo labiau neapibrėžta jo vieta.

Šį principą galima iliustruoti naudojant T. Jungo trukdžių eksperimentą. Šis eksperimentas rodo, kad kai šviesa praeina per dviejų glaudžiai išdėstytų mažų skylučių sistemą nepermatomame ekrane, ji elgiasi ne kaip tiesiai sklindančios dalelės, o kaip sąveikaujančios bangos, dėl kurių paviršiuje, esančiame už ekrano, atsiranda interferencinis raštas. kintančių šviesių ir tamsių juostelių pavidalu Jei vienu metu paliekama tik viena skylė, fotonų pasiskirstymo trukdžių modelis išnyksta.

Šio eksperimento rezultatus galite analizuoti naudodami toliau pateiktą minties eksperimentą. Norint nustatyti elektrono vietą, jis turi būti apšviestas, tai yra, į jį turi būti nukreiptas fotonas. Dviejų elementariųjų dalelių susidūrimo atveju galėsime tiksliai apskaičiuoti elektrono koordinates (nustatoma vieta, kurioje jis buvo susidūrimo momentu). Tačiau dėl susidūrimo elektronas neišvengiamai pakeis savo trajektoriją, nes dėl susidūrimo į jį bus perkeltas impulsas iš fotono. Todėl, jei tiksliai nustatysime elektrono koordinatę, tuo pačiu prarasime žinias apie jo tolesnio judėjimo trajektoriją. Mintinis eksperimentas apie elektrono ir fotono susidūrimą yra analogiškas vienos iš skylių uždarymui Youngo eksperimente: susidūrimas su fotonu yra analogiškas vienos iš skylių ekrane užsidarymui: tuo atveju užsidarius, trukdžių modelis sunaikinamas arba (tai yra tas pats) elektrono trajektorija tampa neapibrėžta.

Neapibrėžtumo principo reikšmė. Neapibrėžtumo santykis reiškia, kad klasikinės Niutono dinamikos principai ir dėsniai negali būti naudojami procesams, kuriuose dalyvauja mikroobjektai, aprašyti.

Iš esmės šis principas reiškia determinizmo atmetimą ir esminio atsitiktinumo vaidmens pripažinimą procesuose, kuriuose dalyvauja mikroobjektai. Klasikiniame aprašyme atsitiktinumo sąvoka vartojama statistinių ansamblių elementų elgesiui apibūdinti ir yra tik sąmoningas aprašymo išsamumo aukojimas vardan problemos sprendimo supaprastinimo. Mikropasaulyje tikslios objektų elgsenos prognozės, pateikiant klasikiniam aprašymui įprastas jo parametrų reikšmes, paprastai neįmanoma. Šiuo klausimu vis dar vyksta gyvos diskusijos: klasikinio determinizmo šalininkai, neneigiant galimybės panaudoti kvantinės mechanikos lygtis praktiniams skaičiavimams, atsitiktinumui jie atsižvelgia į mūsų nepilno supratimo apie dėsnius, reguliuojančius mikro elgseną. -objektai, kurie mums vis dar nenuspėjami. A. Einšteinas buvo šio požiūrio šalininkas. Būdamas šiuolaikinio gamtos mokslo pradininku, išdrįsusiu peržiūrėti, regis, nepajudinamas klasikinio požiūrio pozicijas, jis nemanė, kad galima būtų atsisakyti determinizmo principo gamtos moksle. A. Einšteino ir jo šalininkų poziciją šiuo klausimu galima suformuluoti gerai žinomu ir labai vaizdingu teiginiu, kad labai sunku patikėti Dievo egzistavimu, kuris kiekvieną kartą meta kauliukus priimdamas sprendimus dėl mikro elgesio. -objektai. Tačiau iki šiol nebuvo atrasta jokių eksperimentinių faktų, rodančių vidinių mechanizmų, kontroliuojančių „atsitiktinį“ mikroobjektų elgesį, egzistavimą.

Pabrėžtina, kad neapibrėžtumo principas nėra susijęs su jokiais matavimo priemonių konstrukcijos trūkumais. Iš esmės neįmanoma sukurti prietaiso, kuris vienodai tiksliai išmatuotų mikrodalelės padėtį ir impulsą. Neapibrėžtumo principas pasireiškia gamtos bangų-dalelių dualizmu.

Iš neapibrėžtumo principo taip pat išplaukia, kad kvantinė mechanika atmeta pagrindinę klasikinio gamtos mokslo postuluojamą galimybę atlikti objektų ir su jais vykstančių procesų matavimus ir stebėjimus, kurie neturi įtakos tiriamos sistemos evoliucijai.

Neapibrėžtumo principas yra ypatingas bendresnio papildomumo principo atvejis. Iš komplementarumo principo išplaukia, kad jei bet kuriame eksperimente galime stebėti vieną fizikinio reiškinio pusę, tai tuo pačiu metu iš mūsų atimama galimybė stebėti papildomą pusę prie pirmosios reiškinio pusės. Papildomos savybės, kurios atsiranda tik atliekant skirtingus eksperimentus, atliekamus vienas kitą paneigiančiomis sąlygomis, gali būti dalelės padėtis ir impulsas, medžiagos ar spinduliuotės banga ir korpuskulinė prigimtis.

Kvantinėje mechanikoje svarbus superpozicijos principas. Superpozicijos principas (primetimo principas) yra prielaida, kad gautas efektas parodo kiekvieno įtakojančio reiškinio sukeliamų padarinių sumą atskirai. Vienas iš paprasčiausių pavyzdžių – lygiagretainio taisyklė, pagal kurią pridedamos dvi kūną veikiančios jėgos. Mikropasaulyje superpozicijos principas yra pagrindinis principas, kuris kartu su neapibrėžtumo principu sudaro kvantinės mechanikos matematinio aparato pagrindą. Reliatyvistinėje kvantinėje mechanikoje, kuri prisiima elementariųjų dalelių tarpusavio transformaciją, superpozicijos principas turi būti papildytas superatrankos principu. Pavyzdžiui, anihiliuojant elektroną ir pozitroną, superpozicijos principas papildomas elektros krūvio tvermės principu – prieš ir po transformacijos dalelių krūvių suma turi būti pastovi. Kadangi elektrono ir pozitrono krūviai yra lygūs ir vienas kitam priešingi, turi atsirasti neįkrauta dalelė, kuri yra fotonas, gimęs šiame anihiliacijos procese.

Jei staiga supratote, kad pamiršote kvantinės mechanikos pagrindus ir postulatus arba net nežinote, kokia tai mechanika, laikas atnaujinti savo atmintį apie šią informaciją. Juk niekas nežino, kada kvantinė mechanika gali būti naudinga gyvenime.

Veltui šypteli ir šaiposi, manydamas, kad tau niekada gyvenime nereikės spręsti šios temos. Juk kvantinė mechanika gali būti naudinga beveik kiekvienam žmogui, net ir be galo toli nuo jos. Pavyzdžiui, jūs sergate nemiga. Kvantinei mechanikai tai nėra problema! Prieš miegą perskaitykite vadovėlį – ir trečiame puslapyje giliai užmigsite. Arba galite taip pavadinti savo šaunią roko grupę. Kodėl gi ne?

Anekdotai, pradėkime rimtą kvantinį pokalbį.

Kur pradėti? Žinoma, pradedant nuo to, kas yra kvantas.

Kvantinė

Kvantas (iš lot. quantum - „kiek“) yra nedaloma tam tikro fizinio dydžio dalis. Pavyzdžiui, jie sako – šviesos kvantas, energijos kvantas arba lauko kvantas.

Ką tai reiškia? Tai reiškia, kad jis tiesiog negali būti mažesnis. Kai jie sako, kad koks nors kiekis yra išmatuotas, jie supranta, kad šis kiekis įgauna keletą konkrečių, atskirų reikšmių. Taigi elektrono energija atome yra kvantuojama, šviesa pasiskirsto „dalimis“, tai yra kvantais.

Pats terminas „kvantas“ turi daug naudos. Šviesos kvantas (elektromagnetinis laukas) yra fotonas. Pagal analogiją kvantai yra dalelės arba kvazidalelės, atitinkančios kitus sąveikos laukus. Čia galime prisiminti garsųjį Higso bozoną, kuris yra Higso lauko kvantas. Tačiau į šias džiungles mes dar nesileidžiame.

Kaip mechanika gali būti kvantinė?

Kaip jau pastebėjote, savo pokalbyje daug kartų minėjome daleles. Galbūt esate pripratę prie to, kad šviesa yra banga, kuri tiesiog sklinda greičiu Su . Bet jei į viską pažvelgsi kvantinio pasaulio, tai yra dalelių pasaulio, požiūriu, viskas pasikeičia neatpažįstamai.

Kvantinė mechanika – teorinės fizikos šaka, kvantinės teorijos komponentas, aprašantis fizikinius reiškinius elementariausiu – dalelių lygmeniu.

Tokių reiškinių poveikis savo dydžiu palyginamas su Planko konstanta, o Niutono klasikinė mechanika ir elektrodinamika pasirodė visiškai netinkami jiems apibūdinti. Pavyzdžiui, pagal klasikinę teoriją elektronas, dideliu greičiu besisukantis aplink branduolį, turėtų spinduliuoti energiją ir galiausiai nukristi ant branduolio. Tai, kaip žinome, neįvyksta. Štai kodėl buvo išrasta kvantinė mechanika - atrastus reiškinius reikėjo kažkaip paaiškinti, ir paaiškėjo, kad tai buvo būtent ta teorija, kurioje paaiškinimas buvo priimtiniausias, o visi eksperimentiniai duomenys „susiliejo“.

Beje! Mūsų skaitytojams dabar taikoma 10% nuolaida

Šiek tiek istorijos

Kvantinė teorija gimė 1900 m., kai Maxas Planckas kalbėjo Vokietijos fizikos draugijos susirinkime. Ką tuomet pasakė Plankas? Ir tai, kad atomų spinduliuotė yra diskreti, o mažiausia šios spinduliuotės energijos dalis yra lygi

Kur h yra Planko konstanta, nu yra dažnis.

Tada Albertas Einšteinas, pristatydamas „šviesos kvanto“ sąvoką, panaudojo Plancko hipotezę fotoelektriniam efektui paaiškinti. Nielsas Bohras postulavo stacionarių energijos lygių egzistavimą atome, o Louisas de Broglie sukūrė bangų ir dalelių dvilypumo idėją, tai yra, kad dalelė (kūnelis) taip pat turi bangų savybių. Schrödingeris ir Heisenbergas prisijungė prie šios priežasties, o 1925 m. buvo paskelbta pirmoji kvantinės mechanikos formuluotė. Tiesą sakant, kvantinė mechanika toli gražu nėra pilna teorija, ji šiuo metu aktyviai vystoma. Taip pat reikėtų pripažinti, kad kvantinė mechanika su savo prielaidomis negali paaiškinti visų jai kylančių klausimų. Visai gali būti, kad ją pakeis pažangesnė teorija.

Pereinant iš kvantinio pasaulio į mums pažįstamų dalykų pasaulį, kvantinės mechanikos dėsniai natūraliai virsta klasikinės mechanikos dėsniais. Galima sakyti, kad klasikinė mechanika yra ypatingas kvantinės mechanikos atvejis, kai veiksmas vyksta mums pažįstamame ir pažįstamame makropasaulyje. Čia kūnai ramiai juda neinercinėse atskaitos sistemose greičiu, daug mažesniu už šviesos greitį, ir apskritai viskas aplink ramu ir aišku. Jei norite sužinoti kūno padėtį koordinačių sistemoje, nėra problemų, jei norite išmatuoti impulsą.

Kvantinė mechanika turi visiškai kitokį požiūrį į šią problemą. Jame fizikinių dydžių matavimų rezultatai yra tikimybinio pobūdžio. Tai reiškia, kad pasikeitus tam tikrai reikšmei, galimi keli rezultatai, kurių kiekvienas turi tam tikrą tikimybę. Pateiksime pavyzdį: ant stalo sukasi moneta. Kol jis sukasi, jis nėra jokios konkrečios būsenos (galvos-uodegos), tik turi tikimybę, kad atsidurs vienoje iš šių būsenų.

Čia mes pamažu artėjame Šriodingerio lygtis Ir Heisenbergo neapibrėžtumo principas.

Pasak legendos, Erwinas Schrödingeris 1926 m., kalbėdamas moksliniame seminare bangų ir dalelių dvilypumo tema, buvo sukritikuotas tam tikro vyresniojo mokslininko. Atsisakęs klausytis savo vyresniųjų, po šio incidento Schrödingeris aktyviai pradėjo kurti bangų lygtį dalelėms aprašyti kvantinės mechanikos rėmuose. Ir jis tai padarė puikiai! Schrödingerio lygtis (pagrindinė kvantinės mechanikos lygtis) yra tokia:

Šio tipo lygtis, vienmatė stacionari Šriodingerio lygtis, yra pati paprasčiausia.

Čia x yra dalelės atstumas arba koordinatė, m yra dalelės masė, E ir U yra atitinkamai jos bendra ir potenciali energija. Šios lygties sprendimas yra bangų funkcija (psi)

Bangos funkcija yra dar viena pagrindinė kvantinės mechanikos sąvoka. Taigi, bet kuri kvantinė sistema, esanti tam tikroje būsenoje, turi bangų funkciją, apibūdinančią šią būseną.

Pavyzdžiui, sprendžiant vienmatę stacionarią Šriodingerio lygtį banginė funkcija apibūdina dalelės padėtį erdvėje. Tiksliau, tikimybė rasti dalelę tam tikrame erdvės taške. Kitaip tariant, Schrödingeris parodė, kad tikimybę galima apibūdinti bangine lygtimi! Sutikite, mes turėjome apie tai galvoti anksčiau!

Bet kodėl? Kodėl turime susidurti su šiomis nesuprantamomis tikimybėmis ir banginėmis funkcijomis, kai, atrodytų, nieko nėra paprasčiau, kaip tik paimti ir išmatuoti atstumą iki dalelės ar jos greitį.

Viskas labai paprasta! Išties makrokosme taip ir yra – tam tikru tikslumu atstumus matuojame su matavimo juosta, o matavimo paklaidą lemia įrenginio charakteristikos. Kita vertus, mes galime beveik tiksliai akimis nustatyti atstumą iki objekto, pavyzdžiui, iki stalo. Bet kokiu atveju mes tiksliai atskiriame jo padėtį patalpoje mūsų ir kitų objektų atžvilgiu. Dalelių pasaulyje situacija yra iš esmės kitokia – tiesiog fiziškai neturime matavimo priemonių, kurios leistų tiksliai išmatuoti reikiamus kiekius. Mat matavimo priemonė juk tiesiogiai liečiasi su matuojamu objektu, o mūsų atveju ir objektas, ir instrumentas yra dalelės. Būtent šis netobulumas, esminis negalėjimas atsižvelgti į visus dalelę veikiančius veiksnius, taip pat pats sistemos būklės pokyčių, veikiant matavimui, faktas yra Heisenbergo neapibrėžtumo principo pagrindas.

Pateiksime paprasčiausią jo formulę. Įsivaizduokime, kad yra tam tikra dalelė, ir norime žinoti jos greitį bei koordinates.

Šiame kontekste Heisenbergo neapibrėžtumo principas teigia, kad neįmanoma tiksliai išmatuoti dalelės padėties ir greičio vienu metu. . Matematiškai parašyta taip:

Čia delta x yra koordinatės nustatymo klaida, delta v yra greičio nustatymo klaida. Pabrėžkime, kad šis principas sako, kad kuo tiksliau nustatysime koordinatę, tuo mažiau tiksliai žinosime greitį. O jei nustatysime greitį, neturėsime nė menkiausio supratimo, kur yra dalelė.

Neapibrėžtumo principo tema yra daug juokelių ir anekdotų. Štai vienas iš jų:

Policininkas sustabdo kvantinį fiziką.
- Pone, ar žinote, kaip greitai judėjote?
- Ne, bet aš tiksliai žinau, kur esu.

Ir, žinoma, primename! Jei dėl kokių nors priežasčių išsprendę Schrödingerio lygtį potencialiame šulinyje esančios dalelės nemiegate, kreipkitės į profesionalus, kurie buvo užauginti su kvantine mechanika!

Atvaizdavimas atomo branduolio fizikoje

Kvantinės mechanikos atsiradimas.

Kvantinė mechanika yra fizinė teorija, tirianti judėjimą mikro lygiu.

Net XIX amžiaus pabaigoje dauguma mokslininkų buvo linkę prie požiūrio, kad fizinis pasaulio vaizdas iš esmės buvo sukurtas ir išliks nepajudinamas ateityje. Belieka patikslinti tik detales. Tačiau pirmą kartą XX amžiaus dešimtmečiais fizinės pažiūros radikaliai pasikeitė. Tai buvo „kaskados“ mokslinių atradimų, padarytų per itin trumpą istorinį laikotarpį, apimantį paskutiniuosius XIX amžiaus metus ir pirmuosius XX amžiaus dešimtmečius, pasekmė.

1896 m. prancūzų fizikas Antoine'as Henri Becquerel (1852-1908) atrado spontaniškos urano druskos emisijos reiškinį.

Jo tyrinėjimuose dalyvavo prancūzų fizikai, sutuoktiniai Pierre'as Curie (1859-1906) ir Marie Skłodowska-Curie (1867-1934). 1898 m. buvo atrasti nauji elementai, kurie taip pat turėjo savybę skleisti „Bekkerelio spindulius“ - polonis ir radis. Curie šią savybę pavadino radioaktyvumu.

O metais anksčiau, 1897 m., Cavendish laboratorijoje Kembridže, tyrinėdamas elektros iškrovą dujose (katodinius spindulius), anglų fizikas Džozefas Džonas Tomsonas (1856-1940) atrado pirmąją elementariąją dalelę – elektroną.

1911 m. garsus anglų fizikas Ernestas Rutherfordas (1871–1937) pasiūlė savo atomo modelį, kuris buvo vadinamas planetiniu.

N. Bohr, žinodamas apie Rutherfordo modelį ir priimdamas jį kaip pradinį, 1913 metais sukūrė kvantinę atominės sandaros teoriją.

Kvantinės mechanikos principai

Heisenbergo neapibrėžtumo principas: „Neįmanoma vienu metu tiksliai nustatyti kvantinės dalelės koordinačių ir greičio“

Dvidešimtojo amžiaus pirmajame ketvirtyje kaip tik tokia buvo fizikų reakcija, pradėjus tyrinėti materijos elgseną atominiame ir subatominiame lygmenyse.

Heisenbergo principas vaidina pagrindinį vaidmenį kvantinėje mechanikoje, jau vien todėl, kad jis gana aiškiai paaiškina, kuo ir kodėl mikropasaulis skiriasi nuo mums pažįstamo materialaus pasaulio.

Norėdami rasti, pavyzdžiui, knygą, įeidami į kambarį dairotės aplink ją, kol ji sustoja. Fizikos kalba tai reiškia, kad atlikote vizualinį matavimą (žiūrėdami radote knygą) ir gavote rezultatą – užfiksavote jos erdvines koordinates (nustatėte knygos vietą patalpoje).

Dešimtojo dešimtmečio pradžioje, per kūrybinės minties sprogimą, dėl kurio buvo sukurta kvantinė mechanika, jaunas vokiečių teorinis fizikas Verneris Heisenbergas buvo pirmasis, kuris pripažino šią problemą. Jis suformulavo neapibrėžtumo principas, dabar pavadintas jo vardu:

Sąvoka „erdvinių koordinačių neapibrėžtis“ tiksliai reiškia, kad mes nežinome tikslios dalelės vietos. Pavyzdžiui, jei knygos vietai nustatyti naudosite pasaulinę GPS sistemą, sistema jas apskaičiuos 2-3 metrų tikslumu. Ir čia pasiekiame esminį skirtumą tarp mikropasaulio ir mūsų kasdienio fizinio pasaulio. Įprastame pasaulyje matuojant kūno padėtį ir greitį erdvėje, mes praktiškai neturime tam įtakos. Taigi idealiu atveju galime tuo pačiu metu absoliučiai tiksliai išmatuokite objekto greitį ir koordinates (kitaip tariant, su nuline neapibrėžtimi). Tarkime, kad reikia nustatyti elektrono erdvinę vietą. Mums vis tiek reikia matavimo įrankio sąveikaus su elektronu ir grąžins signalą detektoriams su informacija apie jo vietą.

Jei vieną iš išmatuotų dydžių pavyks nustatyti su nuline paklaida (absoliučiai tiksliai), kito dydžio neapibrėžtis bus lygi begalybei, ir mes apie tai išvis nieko nesužinosime. Kitaip tariant, jei sugebėtume visiškai tiksliai nustatyti kvantinės dalelės koordinates, neturėtume nė menkiausio supratimo apie jos greitį; Jei galėtume tiksliai užfiksuoti dalelės greitį, nežinotume, kur ji yra.

Neapibrėžtumo principas netrukdo mums išmatuoti kiekvieno iš šių dydžių bet kokiu norimu tikslumu. Jis tik tvirtina, kad mes negali patikimai žino abu vienu metu.

Raktas į Heisenbergo santykį yra sąveika tarp matuojamos dalelės ir matavimo prietaiso, turinčio įtakos jo rezultatams.

N. Bohro papildomumo principas: „ Mikropasaulio objektai apibūdinami ir kaip dalelės, ir kaip bangos, o vienas aprašymas papildo kitą.

Kasdieniame gyvenime yra du būdai perduoti energiją erdvėje – per daleles arba bangas. Norėdami, tarkime, numušti domino kauliuką nuo stalo, kuris balansavo ant jo krašto, reikiamos energijos galite suteikti dviem būdais. Pirma, galite mesti į jį kitą domino (tai yra perduoti taškinį impulsą naudodami dalelę). Antra, galite pastatyti domino kauliukų eilę grandinėje, vedančioje prie stalo krašto, o pirmąjį užmesti ant antrojo: tokiu atveju impulsas bus perduotas grandine – antrasis domino kauliukas nuvirs. trečias, trečias nuvers ketvirtą ir t.t. Tai yra banginis energijos perdavimo principas. Kasdieniame gyvenime nėra matomų prieštaravimų tarp dviejų energijos perdavimo mechanizmų. Taigi, krepšinio kamuolys yra dalelė, o garsas – banga, ir viskas aišku.

Tačiau kvantinėje mechanikoje viskas nėra taip paprasta. Net iš paprasčiausių eksperimentų su kvantiniais objektais labai greitai paaiškėja, kad mikropasaulyje mums žinomi makropasaulio principai ir dėsniai negalioja. Šviesa, kurią esame įpratę manyti kaip bangą, kartais elgiasi taip, tarsi ją sudarytų dalelių srautas ( fotonai), o elementariosios dalelės, tokios kaip elektronas ar net masyvus protonas, dažnai pasižymi bangos savybėmis. Jei „šaudysite“ elektronus po vieną, kiekvienas iš jų paliks aiškų pėdsaką ekrane - tai yra, elgsis kaip dalelė. Įdomiausia, kad tas pats nutiks, jei vietoj elektronų pluošto imsite fotonų pluoštą: pluošte jie elgsis kaip bangos, o atskirai - kaip dalelės.

Kitaip tariant, mikropasaulyje objektai, kurie elgiasi kaip dalelės, tuo pat metu tarsi „atsimena“ savo banginę prigimtį ir atvirkščiai. Ši keista mikropasaulio objektų savybė vadinama kvantinės bangos dvilypumas.

Komplementarumo principas yra paprastas šio fakto pareiškimas. Pagal šį principą, jei išmatuosime kvantinio objekto, kaip dalelės, savybes, pamatysime, kad jis elgiasi kaip dalelė. Jei išmatuosime jos bangų savybes, mums ji elgiasi kaip banga. Abi idėjos visiškai neprieštarauja viena kitai – jos yra būtent papildyti vienas kitą, o tai atsispindi principo pavadinime.

Atomo sandara.

Planetinis atomo struktūros modelis buvo pasiūlytas Rutherfordui atradus atomo branduolį:
1. Atomo centre yra teigiamai įkrautas branduolys, užimantis nežymią erdvės atomo viduje dalį.
2. Visas teigiamas krūvis ir beveik visa atomo masė sutelkta jo branduolyje (elektrono masė 1/1823 amu).
3. Elektronai sukasi aplink branduolį uždaromis orbitomis. Jų skaičius lygus branduolio krūviui.
Atomo branduolys

Atomo branduolį sudaro protonai ir neutronai (paprastai vadinami nukleonais). Jam būdingi trys parametrai: A – masės skaičius, Z – branduolio krūvis, lygus protonų skaičiui, o N – neutronų skaičius branduolyje. Šie parametrai yra susiję vienas su kitu ryšiu:
A = Z + N.
Protonų skaičius branduolyje yra lygus elemento atominiam skaičiui.
Branduolinis krūvis dažniausiai rašomas elemento simbolio apačioje kairėje, o masės skaičius – viršuje kairėje (branduolinis krūvis dažnai praleidžiamas).
40 pavyzdys 18 Ar: šio atomo branduolyje yra 18 protonų ir 22 neutronai.
Atomai, kurių branduoliuose yra tiek pat protonų ir skirtingą neutronų skaičių, vadinami izotopais, pavyzdžiui: 12/6C ir 13/6C. Vandenilio izotopai turi specialius simbolius ir pavadinimus: 1 H – protiumas, 2 D – deuteris, 3 T – tritis. Izotopų cheminės savybės yra identiškos, tačiau kai kurios fizinės savybės skiriasi labai nežymiai.

Radioaktyvumas

Radioaktyvumas- tai spontaniška, spontaniška nestabilumo transformacija atomų branduoliaiį kitų elementų branduolius, lydimas dalelių emisijos. Atitinkami elementai buvo vadinami radioaktyviais arba radionukleidais.

1899 metais E. Rutherfordas, atlikęs eksperimentus, atrado, kad radioaktyvioji spinduliuotė yra nehomogeniška ir, veikiama stipraus magnetinio lauko, skyla į du komponentus – a ir b spindulius. Trečiąjį komponentą – g-spindulius – 1900 m. atrado prancūzų fizikas P. Villardas.

Gama spinduliai sukelia medžiagos atomų jonizaciją. Pagrindiniai procesai, vykstantys, kai gama spinduliuotė praeina per medžiagą:

Fotoelektrinis efektas – gama spindulio energiją sugeria elektronas atomo apvalkale, o elektronas, atlikdamas darbo funkciją, palieka atomą (kuris jonizuojasi, t.y. virsta jonu).

Elektronų išmušimas iš laidžių medžiagų paviršiaus šviesa yra reiškinys, plačiai naudojamas šiandieniniame gyvenime. Pavyzdžiui, kai kurios signalizacijos sistemos veikia perduodamos matomos arba infraraudonosios šviesos spindulius į fotovoltinis elementas, iš kurio išmušami elektronai, užtikrinant grandinės, kurioje jis yra, elektrinį laidumą. Jei šviesos pluošto kelyje atsiranda kliūtis, šviesa nustoja eiti į jutiklį, sustoja elektronų srautas, nutrūksta grandinė - ir suveikia elektroninis signalas.

Švitinimas γ spinduliais, priklausomai nuo dozės ir trukmės, gali sukelti lėtinę ir ūmią spindulinę ligą. Radiacijos poveikis apima įvairius vėžio tipus. Tuo pačiu metu gama spinduliuotė slopina vėžio ir kitų greitai besidalijančių ląstelių augimą. Gama spinduliuotė yra mutageninis veiksnys.

Gama spinduliuotės pritaikymas:

Gama defektų aptikimas, gaminių tikrinimas peršviečiant γ spinduliais.

Maisto konservavimas.

Medicininių medžiagų ir įrangos sterilizavimas.

Terapija radiacija.

Lygio matuokliai

Gama aukščiamačiai, matuojantys atstumą iki paviršiaus nusileidžiant erdvėlaiviui.

Prieskonių, grūdų, žuvies, mėsos ir kitų produktų gama sterilizacija, siekiant padidinti galiojimo laiką.

Radioaktyvumo rūšys

Atomo branduolio dalijimasis gali būti spontaniškas (spontaniškas) ir priverstinis (dėl sąveikos su kitomis dalelėmis, pirmiausia su neutronais). Sunkiųjų branduolių dalijimasis yra egzoterminis procesas, dėl kurio išsiskiria didelis kiekis energijos reakcijos produktų kinetinės energijos, taip pat spinduliuotės pavidalu. Branduolio dalijimasis naudojamas kaip energijos šaltinis branduoliniuose reaktoriuose ir branduoliniuose ginkluose. Nustatyta, kad visi CC cheminiai elementai, kurių eilės numeris didesnis nei 82, yra radioaktyvūs (tai yra pradedant nuo bismuto), o kai kurie lengvesni elementai (prometis ir technecis neturi stabilių izotopų, o kai kurie elementai, pvz., indis, kalio arba kalcio, turi tik natūralius izotopus, stabilius, kiti yra radioaktyvūs).

1913 m. pavasarį Soddy suformulavo taisyklę:

α-dalelių emisija sumažina atominę masę 4 ir perkelia ją 2 vietomis į kairę išilgai PS.

β-dalelių emisija elementą paslenka 1 vieta į dešinę, beveik nekeičiant jo masės

Žodis „kvantinis“ kilęs iš lotynų kalbos kvantinis(„kiek, kiek“) ir anglų kalba kvantinis(„kiekis, dalis, kvantas“). „Mechanika“ ilgą laiką buvo vadinamas materijos judėjimo mokslu. Atitinkamai, terminas „kvantinė mechanika“ reiškia mokslą apie materijos judėjimą dalimis (arba, šiuolaikine moksline kalba, judėjimo mokslą). kvantuota reikalas). Terminą „kvantas“ sugalvojo vokiečių fizikas Maxas Planckas. cm. Planko konstanta) apibūdinti šviesos sąveiką su atomais.

Kvantinė mechanika dažnai prieštarauja mūsų sveiko proto sampratoms. Ir viskas dėl to, kad sveikas protas mums sako dalykus, kurie paimti iš kasdienės patirties, o mūsų kasdienėje patirtyje turime susidurti tik su dideliais makropasaulio objektais ir reiškiniais, o atominiame ir subatominiame lygmenyje medžiagos dalelės elgiasi visiškai kitaip. Heisenbergo neapibrėžtumo principas tiksliai nusako šių skirtumų prasmę. Makropasaulyje galime patikimai ir nedviprasmiškai nustatyti bet kurio objekto (pavyzdžiui, šios knygos) vietą (erdvines koordinates). Nesvarbu, ar naudosime liniuotę, radarą, sonarą, fotometriją ar bet kokį kitą matavimo metodą, matavimo rezultatai bus objektyvūs ir nepriklausomi nuo knygelės padėties (žinoma, jei matavimo procese būsite atidūs). Tai yra, galimi tam tikri neapibrėžtumai ir netikslumai – bet tik dėl ribotų matavimo priemonių galimybių ir stebėjimo klaidų. Norint gauti tikslesnius ir patikimesnius rezultatus, tereikia paimti tikslesnį matavimo prietaisą ir pabandyti jį naudoti be klaidų.

Dabar, jei vietoj knygos koordinačių mums reikia išmatuoti mikrodalelės, pavyzdžiui, elektrono, koordinates, nebegalime nepaisyti matavimo prietaiso ir matavimo objekto sąveikos. Liniuotės ar kito matavimo prietaiso poveikio knygai jėga yra nereikšminga ir neturi įtakos matavimo rezultatams, tačiau norint išmatuoti elektrono erdvines koordinates, reikia paleisti fotoną, kitą elektroną ar kitą elementariąją dalelę. energijas, panašias į išmatuotą elektroną jo kryptimi, ir išmatuoti jo nuokrypį. Tačiau tuo pačiu metu pats elektronas, kuris yra matavimo objektas, dėl sąveikos su šia dalele pakeis savo padėtį erdvėje. Taigi, pats matavimo veiksmas lemia matuojamo objekto padėties pasikeitimą, o matavimo netikslumą lemia pats matavimo faktas, o ne naudojamo matavimo prietaiso tikslumo laipsnis. Tai yra situacija, su kuria esame priversti taikstytis mikrokosmose. Matavimas neįmanomas be sąveikos, o sąveika neįmanoma be įtakos matuojamam objektui ir dėl to neiškraipant matavimo rezultatų.

Apie šios sąveikos rezultatus galima pasakyti tik vieną dalyką:

erdvinių koordinačių neapibrėžtis × dalelių greičio neapibrėžtis > h/m,

arba matematiškai:

Δ x × Δ v > h/m

kur Δ x ir Δ v- atitinkamai dalelės erdvinės padėties ir greičio neapibrėžtis, h - Planko konstanta ir m- dalelių masė.

Atitinkamai neapibrėžtumas atsiranda nustatant ne tik elektrono, bet ir bet kurios subatominės dalelės erdvines koordinates ir ne tik koordinates, bet ir kitas dalelių savybes, pavyzdžiui, greitį. Bet kurios tokios tarpusavyje susijusių dalelių charakteristikų poros matavimo paklaida nustatoma panašiai (kitos poros pavyzdys – elektrono skleidžiama energija ir laiko tarpas, per kurį ji išsiskiria). Tai yra, jei mums, pavyzdžiui, pavyko išmatuoti elektrono erdvinę padėtį dideliu tikslumu, tada tuo pačiu laiko momentu turime tik miglotą supratimą apie jo greitį ir atvirkščiai. Natūralu, kad realiais matavimais jis nepasiekia šių dviejų kraštutinumų, o situacija visada yra kažkur per vidurį. Tai yra, jei galėtume, pavyzdžiui, išmatuoti elektrono padėtį 10 -6 m tikslumu, tai vienu metu galime išmatuoti jo greitį geriausiu atveju 650 m/s tikslumu.

Dėl neapibrėžtumo principo kvantinio mikropasaulio objektų aprašymas yra kitokio pobūdžio nei įprastas Niutono makropasaulio objektų aprašymas. Vietoj erdvinių koordinačių ir greičio, kuriuos esame įpratę apibūdinti mechaninį judėjimą, pavyzdžiui, kamuoliuką ant biliardo stalo, kvantinėje mechanikoje objektai apibūdinami vadinamaisiais. bangos funkcija.„Bangos“ ketera atitinka didžiausią tikimybę rasti dalelę erdvėje matavimo momentu. Tokios bangos judėjimas apibūdinamas Šriodingerio lygtimi, kuri parodo, kaip kvantinės sistemos būsena kinta laikui bėgant.

Kvantinių įvykių mikropasaulyje vaizdas, nubrėžtas pagal Schrödingerio lygtį, yra toks, kad dalelės yra panašios į atskiras potvynio bangas, sklindančias palei vandenyno-erdvės paviršių. Laikui bėgant bangos viršūnė (atitinka didžiausią tikimybę rasti dalelę, pavyzdžiui, elektroną, erdvėje) juda erdvėje pagal bangos funkciją, kuri yra šios diferencialinės lygties sprendimas. Atitinkamai, tai, ką mes tradiciškai laikome dalele, kvantiniu lygmeniu pasižymi daugybe bangoms būdingų savybių.

Mikropasaulio objektų banginių ir korpuskulinių savybių koordinavimas ( cm. De Broglie santykis) tapo įmanomas po to, kai fizikai sutiko kvantinio pasaulio objektus laikyti ne dalelėmis ar bangomis, o kažkuo tarpiniu ir turinčiu tiek banginių, tiek korpuskulinių savybių; Niutono mechanikoje nėra analogų tokiems objektams. Nors net ir naudojant tokį sprendimą, kvantinėje mechanikoje vis dar yra daug paradoksų ( cm. Bello teorema), dar niekas nepasiūlė geresnio modelio mikropasaulyje vykstantiems procesams apibūdinti.