Корпускулярно-волновой дуализм

Эти законы совершенно непривычны для нас, привыкших наблюдать за макроскопическими телами.Наше сознание выработало некоторые образы волны и частицы, вполне пригодные для описания объектов классической физики. Частица – это маленький, локализованный в пространстве сгусток вещества. Волна – это распределённый (не локализованный) в пространстве колебательный процесс. Каким образом эти понятия могут совмещаться в одном объекте (к примеру, в электроне)?Такое действительно трудно вообразить, но природа оказывается намного богаче нашего воображения. В своей повседневной жизни мы находимся очень далеко от микромира, и в привычном нам диапазоне макроскопических тел природа демонстрирует свои "крайние" проявления – в виде "только частиц" или "только волн". Вот почему волновые и корпускулярные свойства нам представляются несовместимыми друг с другом. Однако на самом деле это не так: в микромире оказывается, что один и тот же объект (к примеру, электрон) может легко обладать обоими свойствами одновременно.Так, будучи частицей, электрон локализован в пространстве; но, будучи волной, локализован не в точке, а "размазан" по некоторой области. Координаты и скорость электрона не могут быть измерены одновременно сколь угодно точно. Неопределённость координаты ∆x и неопределённость соответствующей проекции импульса ∆px оказываются связанными соотношением неопределённостей Гейзенберга:Соотношение неопределённостей имеет фундаментальный характер – оно применимо к любым объектам природы. Чем точнее мы знаем координаты объекта, тем больше получается разброс значений его импульса (то есть тем с большей скоростью объект "готов вылететь" из этой области). И наоборот, чем точнее мы знаем импульс объекта, тем меньше у нас информации о том, где этот объект находится.Однакопоскольку отсутствует возможность одновременно точно измерить координаты и скорость, то утрачивает смысл понятие траектории движения объекта. Ньютоновская механика перестаёт работать в микромире и уступает место квантовой механике.Существует несколько записей "соотношений неопределенности" Гейзенберга, к примеру:где – неопределенности (неточности) в измерении координат микрочастицы, анеточности в измерении составляющих импульса вдоль соответствующей координатной оси. Этими соотношениями показывается, что увеличение точности измерения одной из таких"сопряженных" величин сопровождает обязательное уменьшение точности при определении другой величины. Отметим, что к примеру,означает лишь ; точное же измерение других составляющих импульса ( и )при этом возможны.Иногда из соотношения неопределенности делается вывод, что вообще не существуют одновременные точные значения импульса и координат. Предполагается, что в заданный момент времени имеется определенное непрерывное множество значений таких величин, которые имеют различные вероятностиреализации и очень острый максимумом в одном значении. На рисунке 6 показаны графики т.н. "волновых пакетов" для координаты и импульсав какой-то момент времени; по оси ординат откладывается"плотность вероятности" для каждого из этих значений. По этим функциям могут быть рассчитаны средниеквадратичные отклонения и (на рисунке 6 эти отклонения обозначаются иотсреднихзначений и ) [6]. Тогда соотношение Гейзенберга записывается в виде связи между этими флуктуациями (средними квадратичными отклонениями), к примеру, вдоль оси ОХ:Корпускулярно-волновые свойства частиц также накладывают ограничения и на одновременное измерение 2-х других "сопряженных" физических величин: времени и энергии.Рисунок 6 – "Волновые пакеты" для координаты и импульсаСоответствующее соотношение неопределенностей принимает вид:Величина может интерпретироваться как время, в течение которого у частицы имеется некоторое (наиболее вероятное) значение энергиис разбросом, который равен. Более строгий вывод соотношения между неточностями при определении энергии (системы или частицы) и временем нахождения в таком состоянии приводит также к этому соотношению.Смысл соотношения: если частица существует конечное время, то у ее энергии нет точного значения, оноявляется как бы размытым. Естественная ширина спектральных линий является прямым следствиемсоотношений Гейзенберга. На стационарной орбите время жизни электронаявляется неограниченно долгим и энергияопределена точно. В этом заключается физический смысл термина"стационарное состояние". Если же неопределенность в энергии электрона больше разности энергий соседних состояний:то нельзя с точностью утверждать, на каком уровне электрон находится. Другими словами, на короткий промежуток времени порядка:электрон может перейти с первого уровняна второй, без излучения фотона, и после этого вернуться назад. Это – процесс виртуальный, который не наблюдается и, соответственно, не нарушает закон сохранения энергии [8].Похожие соотношения существуют и для других пар т.н. канонически сопряженных динамических переменных. Например, при вращении частицы вокруг некоторой оси по орбите радиусом, следствием неопределенности ее угловой координаты является неопределенность ее положения на орбите. Откуда следует, что неопределенность импульса микрочастицы соответствует неравенству:Учитывая связь момента импульса электронас его импульсом, получаем, откуда следует еще одно соотношение неопределенностей:Следствия из соотношений неопределенности:Отсутствие траекторий частиц. Для частицы нерелятивистской и.В случае массивного объекта правая часть пренебрежимо мала, что дает возможностьизмерить одновременно положение объекта и скорость (область справедливости классической механики). В атоме же Бора импульс электронаи неопределенность положения оказывается порядка радиуса орбиты.Невозможность состояния покоя в точке минимума потенциальной энергии.ЗаключениеКорпускулярно – волновой дуализм, а также опыты по дифракции электронов и протонов показали, что микрочастицы владеют волновыми свойствами и не являются материальными частицами в классическом понятии этого слова. Это привело к дальнейшему развитию квантовой механики, которая для микрочастиц ввела понятия делокализации и волновой функции. Принцип неопределенности Гейзенберга показал невозможность одновременного нахождения двух параметров для микрочастиц. Электрон, как и фотон не может иметь одновременно определенную координату и импульс.Корпускулярно – волновой дуализм выступил той основой, на которой была построена почти вся современная физика, астрономия, физика микрочастиц,квантовая механика. На основании этого принципа работают современные бытовые и научные приборы, инструменты, в качестве примера можно привести разнообразные фотоэлементы, которые можно встретить как в научной аппаратуре, так и в быту. Исследование вещества не было бы возможно без электронного микроскопа и электронографических методов.Однако, конечно, не в этих многочисленных прикладных применениях корпускулярно – волнового дуализма его основная ценность. Исключительная роль данной теории определяется тем, что она является фундаментом всего естествознания. Уровень этой науки определяет на сегодня уровень понимания всего окружающего нас мира, определяет уровень интеллектуальной зрелости человечества.Переченьиспользованнойлитературы1. Experimental Evidence for a Photon Anticorrelation Effect on a Beam Splitter: A New Light on Single-Photon Interferences P. Grangier, G. Roger and A. Aspect1, EPL (Europhysics Letters), Volume 1, Number 42. Окунь Л. Б. Введение в физику элементарных частиц. Библиотечка «Квант».№45. – М.: Наука, 1990, 112 с.3. Юхимец А.К Корпускулярно – волновой дуализм природных явлений [Электронный ресурс] Режим доступа: URL: http://new-idea.kulichki.net/pubfiles/151125210701.pdf (Дата обращения 161.05.2018)4. Markus Arndt, Olaf Nairz, Julian Vos-Andreae, Claudia Keller, Gerbrand van der Zouw & Anton Zeilinger (14 October 1999). «Wave–particle duality of C60». Nature 401(6754): 680–682.5. G. Greenstein, A. Zajonc, The Quantum Challenge (Jone and Bartlett Publ., 2006) (Русскийперевод: Дж. Гринштейн, А. Зайонц. Квантовый вызов. М., Интеллект, 2008, гл. 2).6. Ю.И. Воронцов Соотношение неопределенности и соотношение ошибка измерения – возмущение. Успехи физических наук. Т. 175, №10, октябрь 2005 г.7. Мандельшам Л.И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике М.: Наука, 1972. – 325 с.8. Геворкян Р. Г. Курс физики: Учеб.пособие. — М.: Высш. школа, 1979. – 656 с.9. Крылов H. C., Фок B. A., O двух основных толкованиях соотношения неопределенности для времени и энергии, "Журнал экспериментальной и теоретической физики", 1974 г., т. 17, вып. 2.10. Иродов Е.И. Квантовая физика. Основные законы. – Учебное пособие – 262 с.11. Соколов А.А., Тернов И.М. Квантовая механика и атомная физика. Учеб.пособие для физ.-мат. фак-тов пединститутов. М.: Просвещение, 1970 г.. – 432 с.12. Дунаевский С.М. Лекции по квантовой механике и статистической физике. Учебное пособие. Санкт-Петербургский государственный университет "ЛЭТИ" им. Ленина.