Основные идеи квантовой теории и ее эволюция (стр. 1 из 4)
Содержание:
Основные идеи квантовой теории и ее эволюция.
1.Формирование квантовых представлений…………………………………3
2. Проблема полноты квантовой механики. Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена и его интерпретации…………………………………...5
3. Неравенство Белла и открытие А.Аспекта………...……………………11
4. Физический вакуум и его свойства……………………………………….12
Список использованной литературы………………………………………..16
1. Формирование квантовых представлений.
Почти одновременно с появлением теории относительности в физике произошло событие, которому суждено было стать началом еще одной революции в естествознании. 14 декабря 1900 года, когда в выступлении Макса Планка на заседании Немецкого физического общества впервые прозвучало слово "квант", считается датой рождения учения о квантах. Многие из творцов этого учения - сам Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Луи де Бройль, Эдвин Шредингер и другие физики - не смогли примириться с тем, во что превратилось их детище. Например, Эйнштейн в 1925 году в письме Мишелю Бессо назвал квантовую механику "настоящим колдовским исчислением". А Шредингер, беседуя с Нильсом Бором в 1926 году, воскликнул: "Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, то я вообще сожалею, что имел дело с квантовой теорией!" Так рассуждали величайшие ученые, а что творилось в умах рядовых физиков, тем более трудно представить. Даже теперь, в 21 веке, ученые не прекращают попыток понять глубинные основы квантовой теории и объяснить смысл ее фундаментальных принципов. Что же заставило физиков работать над созданием квантовой теории? Прежде всего, желание понять природу необъяснимых с позиций классической науки явлений. После того, как стало понятно, что поле - особая форма материи, несводимая к веществу, модифицированная Лоренцем электродинамика Максвелла замечательно справлялась с описанием процессов излучения электромагнитных волн. Неразрешимые проблемы возникли при решении задач о взаимодействии излучения с веществом. В первую очередь это относилось к излучению черного тела, фотоэффекту и оптическим спектрам атомов.
Начало развитию квантовой механики положили работы М.Планка по теории излучения черного тела. Нужно было найти явный вид функции, определяющей спектральную плотность энергии излучения. Определить ее на основе только термодинамики не удалось. Использование электродинамических законов позволило Рэлею получить спектральное распределение:
,(формула Рэлея – Джинса). Здесь ω – частота излучения;
– спектральная плотность энергии излучения; T – температура; c – скорость света; V – данный объем. Этораспределение противоречило экспериментальным данным, так как предсказанный формулой Рэлея – Джинса неограниченный рост спектральной плотности с увеличением частоты в эксперименте не наблюдался, в области высоких частот спектральная плотность снижалась.Все попытки получить согласующийся с экспериментом результат оказались неудачными. Потребовался принципиально новый взгляд на вещи, который и был сформулирован в работах Планка. Планк представил вещество как набор колеблющихся осцилляторов и поставил задачу исследования равновесия, установившегося в результате обмена энергией между осцилляторами и излучением. Решая эту задачу методом классической физики, он получил распределение Рэлея. Было сделано предположение, что неправильность закона Рэлея связана со слишком большой ролью, которую в классической картине играют высокочастотные осцилляторы. Чтобы подавить значение высокочастотных осцилляторов, было сделано ключевое предположение, что вещество может испускать излучение только конечными порциями, пропорциональными частоте излучения. Энергия каждого осциллятора En = n ћ ω, где ћ – постоянная Планка, n – целое. В результате было получено распределение Планка (1900 г.), которое хорошо согласовывалось с экспериментом:
.Сначала это казалось просто остроумной гипотезой, решением частной задачи, но постепенно стало ясно, что эта дискретность порций энергии требует пересмотра принципов классической физики. Квантование энергии имеет смысл только для гармонических осцилляторов, в других задачах квант энергии определяется неоднозначно. Оказалось, что правильно считать, что ћ – квант действия. Но уже из существования кванта действия следовала взаимосвязь между динамическими переменными и переменными, характеризующими положение в пространстве, а это не укладывалось в классическую картину мира. Сразу стало очевидным, что аппарат аналитической механики пригоден для введения квантования.
Дальнейшим подтверждением квантовой теории были работы А.Эйнштейна о фотоэффекте (1905 г.) и модель атома Н.Бора (1913 г.). Фотоэффект – испускание веществом быстрых электронов под воздействием излучения. Оказалось, что энергия испущенных электронов не зависит от интенсивности излучения, а зависит от частоты. Это противоречило классическим представлениям. Эйнштейн предположил, что монохроматическое излучение состоит из квантов, причем энергия каждого кванта E = ħω. На основании этого предположения были получены результаты, которые прекрасно согласовывались с экспериментом.
Важным шагом вперед стала атомная теория Н.Бора. Классическая физика не смогла объяснить полученные эмпирическим путем спектральные законы – серии в спектрах излучения атомов. Планетарная модель атома, правильность которой подтверждалась в опытах Резерфорда, противоречила классической электродинамике: электроны должны были терять энергию при вращении вокруг ядра атома и падать на него. Бор сохранил планетарную модель атома, но ввел в нее квантовые принципы. Было сделано предположение, что электрон может находиться в состоянии с определенной энергией и в этом стационарном состоянии нет излучения. Излучение возникает только при переходе между состояниями. Принципиальный недостаток теории Бора заключался в искусственном наложении квантовых понятий на классические представления. Кроме того, теория Бора позволяла найти энергию стационарных состояний только для кругового движения. Развитием этой теории стали методы квантования Бора – Зоммерфельда, применимые для многомерного движения. Для определения различных квантовомеханических параметров, которые невозможно было вычислить с имевшимся аппаратом, Бор сформулировал замечательный принцип соответствия, который заключался в том, что для больших квантовых чисел классическая и квантовая физика должны давать одинаковые ответы, – например, по классически вычисленной интенсивности излучения можно вычислить вероятность перехода. В результате было создано то, что называется старой квантовой теорией.
2. Проблема полноты квантовой механики. Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена и его интерпретации.
Самые интересные моменты в истории и методологии современной физики связаны с решением проблемы интерпретации квантовой теории. Эта проблема и сейчас остается в центре внимания научного сообщества, так как ни сторонники копенгагенской интерпретации, ни ее противники не собираются оставлять своих позиций. Однако ни те, ни другие, не отрицая правомерности принципа неопределенностей в квантовой теории, тем не менее не проводят последовательно методологические принципы инвариантности, относительности и симметрии, которые, как мы указывали, непосредственно связаны с проблемой полноты квантовой механики. Как станет ясно из дальнейшего, если мы в своих исследованиях опираемся на эти принципы, то должны с необходимостью признавать, что вероятность есть объективная характеристика, неустранимый факт квантовой теории. А если это так, то нет оснований считать, что в квантовой механике присутствуют субьективно-позитивистские элементы и что она является якобы неполной теорией.
Подобные обвинения были выдвинуты с позиций реализма классической физики, которая отказывала вероятности в праве быть фактом с онтологическим содержанием. Но в действительности дело обстоит как раз наоборот. Если принять, что вероятность — объективная характеристика природы, т.е. имеет онтологическую нагрузку, то можно приблизиться к идеалу А.Эйнштейна, ориентированному на реалистическое толкование квантовой теории, хотя сам ученый в этом идеале не хотел видеть вероятности — “только факты”. Таким образом, если из тезы взять рациональное зерно — признание необходимости реалистического описания микромира, не стесненного, однако, классическими требованиями, из антитезы — признание вероятности как реальности, а не как недостаточности информации об объекте (с чисто гносеологической стороны), то можно прийти к синтезу — вероятностному реализму как диалектическому опровержению классической тезы. И тогда становится ясным, что квантовая механика является полной теорией и поэтому нет необходимости продолжать поиски “скрытых параметров”, имеющих целью вернуть физику к классическому идеалу классической картины мира.
Принимая в качестве критерия полноты теории удовлетворение требования, чтобы каждому элементу физической реальности соответствовал элемент физической теории, А.Эйнштейн, Б.Подольский и Н.Розен сумели показать, что описание квантового состояния волновой функцией не является полным — так называемый парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена. Как отмечает X.Бьом, уместнее в этом случае говорить об аргументе, а не о парадоксе, поскольку ничего парадоксального здесь нет. Парадокс означает нечто необыкновенное, странное, неожиданное, невероятное, а Эйнштейн, Подольский и Розен получили в своей работе именно такой результат, какой и хотели получить. Но иначе и не могло быть, поскольку они выбрали критерий реальности, противоположный самой сущности квантовой теории. Согласно этому критерию, существует элемент физической реальности, соответствующий данной физической величине, если ее значения можно определить только с вероятностью, равной единице. При таком критерии было бы парадоксальным, если бы авторы сумели показать, что квантовая теория не является неполной. Как известно, при корректном использовании формального аппарата невозможно опровергнуть то, что заложено в основе. Так что с помощью этого парадокса Эйнштейн не смог доказать несостоятельность квантовой теории, а более логично обосновал свою позицию,