Особенности изучения микромира. Динамические и статистические закономерности

Последующее изучение явлений микромира привело к ре­зультатам, которые резко расходились с общепринятыми в класси­ческой физике и даже теории относительности представлениями. Классическая физика видела свою цель в описании объектов, существующих в пространстве и в формулировке законов, управляющих их изменениями во времени. В кван­товой механике нет места для законов, управляющих изменениями индивидуального объекта во времени.

Для классической механики характерно описание частиц пу­тем задания их положения и скоростей и зависимости этих величин от времени. В квантовой механике одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному. Эксперимент с двумя отвер­стиями, через которые проходит электрон, позволяет и требует при­менения вероятностных представлений. Нельзя сказать, через какое отверстие пройдет данный электрон, но если их много, то можно пред­положить, что часть их проходит через одно отверстие, часть — через другое.

Это связано с тождественностью элементарных частиц. Тож­дественные частицы обладают одинаковыми физическими свойствами, мас­сой, электрическим зарядом, спином и другими внутренними характеристи­ками (квантовыми числами). Например, все электроны Вселенной считаются тождественными. Понятие о тождественных частицах как о принципиально неразличимых частицах — чисто квантово-механическое. Тождественные частицы подчиняются принципу тождественности.

Принцип тождественности — фундаментальный принцип квантовой ме­ханики, согласно которому состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой тождественных частиц местами, нельзя различить ни в каком эксперименте. Такие состояния должны рассматриваться как одно фи­зическое состояние.

Этот принцип — одно из основных различий между классической и кван­товой механикой. В классической механике всегда можно проследить за дви­жением отдельных частиц по траекториям и таким образом отличить части­цы одну от другой. В квантовой механике тождественные частицы полнос­тью лишены индивидуальности. Состояние частицы в квантовой механике описывается волновой функцией, позволяющей определить лишь вероят­ность нахождения частицы в данной точке пространства. Имеет смысл говорить лишь о вероятности нахождения в ней частицы.

Необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц — важная отличительная особенность квантовой теории. Можно ли волны де Бройля истолковывать как волны вероятности, т.е. считать, что вероятность обнаружить микрочастицы в различных точках пространства меняется по волновому закону? Такое толкование волн де Бройля неверно уже хотя бы потому, что тогда вероятность обнаружить частицу в некоторых точках пространства может быть отрицательной, что не имеет смысла.

Чтобы устранить эти трудности, немецкий физик М. Борн в 1926 году предположил, что по волновому закону меняется не сама вероят­ность, а амплитуда вероятности, названная волновой функцией. Описание со­стояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический, вероятностный характер: квадрат модуля волновой функции (квадрат модуля амплитуды волн де Бройля) определяет вероятность нахождения частицы в данный момент времени в определенном ограниченном объеме.

Итак, в квантовой механике состояние микрочастиц описывается принци­пиально по-новому — с помощью волновой функции, которая является ос­новным носителем информации об их корпускулярных и волновых свойствах.

Статистическое толкование волн де Бройля и соотношение неопределен­ностей Гейзенберга привели к выводу, что уравнением движения в кванто­вой механике, описывающим движения микрочастиц в различных силовых полях, должно быть уравнение, из которого вытекали бы наблюдаемые на опыте волновые свойства частиц. Основным должно быть уравнение относи­тельно волновой функции, ибо именно она, или, точнее, ее квадрат опреде­ляет вероятность нахождения частицы в заданный момент времени в задан­ном определенном объеме. Основное уравнение квантовой механики сформулировано в 1926 г. Э. Шредингером. Уравнение Шредингера, как и многие уравнения физики, не выводится, а постулируется. Правильность данного уравнения подтвержда­ется согласием с опытом получаемых с его помощью результатов, что, в свою очередь, придает ему характер закона природы.

Таким образом, в квантовой физике применяются законы не динамического, а статистического характера. Динамический закон - это физический закон, отображающий объективную закономерность в форме однозначной связи неких физических величин, выраженных количественно. Исторически первой и простой явилась динамическая механика Ньютона. Лапласу принадлежит абсолютизация динамических закономерностей. Согласно его принципу все явления в мире детерминированы, т.е. предопределены необходимостью. Случайным явлениям и событиям, как объективной категории, не отводится никакого места.

Предсказания статистических законов являются не определенными, а вероятностными. Но детерминизм не уходит из науки, а вышеназванный подход называется вероятностным детерминизмом - вероятностное прогнозирование объективных закономерностей на основе вероятностных законов. Это значит, что предсказать событие можно не однозначно, а с определенной степенью вероятности. Здесь оперируют срединными величинами и усредненными значениями. Вероятность имеет объективный характер, это означает, что на фоне множества событий обнаруживается определенная закономерность, выражаемая определённым числом.