Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей

Еще один физический принцип - принцип дополнительно­сти - возник из попыток осознать причину появления проти­воречивых наглядных образов, которые приходится связывать с объектами микромира. В ряде экспериментов электрон и другие элементарные час­тицы обнаруживают корпускулярные свойства, то есть свойст­ва частиц. Любое устройство для детектирования микрообъек­тов всегда регистрирует их как нечто целое, локализованное в очень малой области пространства. Ньютон рассматривал свет как поток частиц (корпускул) – фотонов (явление фотоэффекта – вырывание фотонами электронов с поверхности вещества), но потом были открыты явления интерференции (наложения) и дифракция (огибания препятствия) светом, а это свойственно волнам. В 1990 г. Макс Планк для объяснения процессов поглощения и излучения энергии применил понятие квант – наименьшая порция энергии. Е=hυ. Эйнштейн доказал, что свет может поглощаться, излучаться и распространяться только квантами (энергия одного фотона).

С другой стороны, при движении все микрочастицы обна­руживают типичные волновые свойства. Наблюдается интер­ференция (наложение волн друг на друга) и дифракция (огибание волнами препятствий) частиц на кристаллических решетках или искусственно созданных препятствиях. Электрон и другие частицы ведут себя подобно волнам, огибающим препятствия, и как бы одновременно проходят через несколько щелей дифракционной решетки. Корпускулярно-волновой дуализм распространяется на мельчайшие частицы вещества: электроны, протоны, нейтроны, другие микрочастицы. Гипотезу о наличии у микрочастиц волновых свойств высказал Луи де Бройль (1924г). Экспериментально доказали в 1927г. американские физики К. Девиссон и Л. Джеймер, они обнаружили явление дифракции электронов на кристалле никеля.

Т.о. Каждой элементарной частице сопоставлена волна, длина которой пропорциональна импульсу частицы.

Таким образом, всем микрообъектам присущ корпускулярно-волновой дуализм. Общий ответ на вопрос о том, каким же образом совмещаются эти противоречивые свойства у одного объекта, был дан Н. Бором. Прежде всего, подчеркивает Бор, нужно ясно осознать, что все приборы, регистрирующие индивидуальные акты в микро­мире, являются макроскопическими и иными быть не могут. Наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Сам человек - существо макроскопическое. Отсюда следует, что понятия, которыми мы пользуемся для описания явлений, - это макроскопические понятия, в терминах которых описыва­ется работа приборов. Но эти понятия не могут быть полно­стью применены к микрообъектам, так как их поведение не подчиняется законам классической механики. Макроприбор не может не менять поведение микрочастицы.

Согласно принципу дополнительности Бора, для полного описания квантовомеханических явлений необходимо приме­нять два взаимоисключающих (дополнительных) набора клас­сических понятий (частиц и волн). Только совокупность таких понятий дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных.

Поиски привели к возникновению нового раздела физики – квантовой механики. В построение которой значительный вклад внесли Э.Шредингер, В. Гейзенберг, М.Борн.

Принцип дополнительности является результатом фило­софского осмысления новой необычной физической теории - квантовой механики. Он выражает на макроскопическом уровне один из основных законов диалектики - закон единства противоположностей. Частным выражением принципа дополнительности являет­ся соотношение неопределенностей Гейзенберга.

Говоря о частице, мы представляем себе комочек вещества, находящийся в данный момент в определенном месте, обла­дающий определенной энергией и движущийся со строго опре­деленной скоростью. При этом мы допускаем, что можно аб­солютно точно знать координаты, импульс и энергию частицы в любой момент времени.

Однако, связывая частицу с волной, мы переходим к обра­зу неограниченной синусоиды, простирающейся во всем про­странстве. И понятия «длина волны в данной точке», «им­пульс в данной точке» просто не могут иметь смысла. Также не имеет смысла понятие энергии частицы в данный момент времени. Дело в том, что согласно формуле Планка, энергия связана с частотой волны, которая характеризует происхо­дящий во времени гармонический колебательный процесс. Утверждение, что электрон лишь приближенно может рас­сматриваться как материальная точка, означает, что его ко­ординаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь при­близительно. Количественно это выражается соотношением неопределенностей Гейзенберга.

Согласно этому соотношению, чем точнее фиксирован им­пульс, тем большая неопределенность будет в значении коор­динаты. Также соотносятся энергия и время. Точность измере­ния энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого во взаимодействии прибора с объ­ектом измерения.

Принцип неопределенности показывает, почему невозможно «падение» электрона на ядро атома. Ядро атома имеет очень малые размеры, и при «падении» электрона местоположение последнего оказывается весьма точно определенным. Следова­тельно, резко увеличивается неопределенность в скорости электрона, разброс в значении скоростей станет весьма боль­шим. В этот разброс будут включаться столь большие скоро­сти, что электрон скорее покинет атом, чем упадет на ядро. Неопределенность неустранима.

Неопределенность в народном эпосе: «Пойти туда – не знаю куда, принеси то – не знаю что», «В некотором царстве, в некотором государстве», «Знал бы, где упасть - соломки бы подстелил». В квантовой механике поддается вычислению только вероятность событий. А вероятность это статистическая величина, которая имеет смысл только для огромного числа объектов.

Принцип неопределенности в квантовой механике впервые сформулировал немецкий физик В. Гейзенберг в виде соотношения неточностей при определении сопряженных (связанных) величин: если мы стремимся определить значение одной из сопряженных величин в квантовой механике, например, координаты, то значение другой величины, скорости, а значит импульса, нельзя будет определить с такой же точностью ∆ х ∆ р = h.

Т.о. принцип неопределенности: Невозможно с одинаковой точность определить и положение и импульс микрочастицы. Произведение из неточностей не должно превышать постоянную Планка. И устранить эти неточности не могут никакие приборы и их совершенствование.

В квантовой механике любое состояние системы описывается «волновой функцией»ψ «пси», которая определяет параметры не достоверно, а с определенной степенью вероятности. Например, только вероятное распределение значений скоростей частиц.

Т.о. Существует принципиальная неопределенность результатов измерений, т.е. невозможно точно предсказать будущее.

Неопределенные процессы в искусстве: