Особенности неклассического подхода к описанию микрочастиц

Первоначально возникли две отличающиеся по форме квантовые теории. В одной из них — волновой механике Шредингера — состояние микрочастицы описывается не положением и скоростью в какой-то момент времени (как в механике Ньютона), а непрерывной комплексной функци­ей координат и времени Ψ (г, t ), которую называют «пси-функцией». Физический смысл этой функции состоит в том, что квадрат ее модуля |Ψ (г, t)|²
в каждый момент времени определяет вероятность нахождения микрочастицы вблизи точки пространства с радиус-вектором г.

Таким образом, в волновой механике с самого начала отказались от наглядного описания движения частиц с по­мощью траекторий. Более того, волновая механика явля­ется не динамической теорией, позволяющей однозначно предсказать положение и скорость микрочастицы в любой момент времени, а статистической теорией, определяющей вероятности, с которыми наблюдаемые величины имеют те или иные значения.

Динамика микрообъектов описывается в волновой ме­ханике с помощью так называемого уравнения Шредингера, которое представляет собой дифференциальное уравне­ние второго порядка в частных производных для Ψ - функции и имеет такое же значение, какое в классической механике имело уравнение F = m а.

В другой квантовой теории — квантовой механике Гейзенберга, Борна и Йордана состояние микрообъекта описывается упорядоченным набором комплексных чисел (комплексным вектором), а той или иной динамической характеристике (координата, импульс, момент импульса и др.) соответствуют операторы, воздействующие на этот вектор. Математически такие операторы описываются матрицами, поэтому другое название этой теории — мат­ричная механика. Эта механика полностью эквивалентна волновой механике Шредингера, хотя обе теории исполь­зуют разный математический формализм.

Отличие квантовых, а также релятивистских подходов от классических представлений было настолько велико, что XX в. стал прочно ассоциироваться с новым этапом в есте­ствознании, который сейчас называют неклассическим. Отметим некоторые наиболее важные особенности этого этапа.

1. Если в классическом естествознании статистические закономерности относились к поведению больших ансамб­лей идентичных объектов, в то время как динамика от­дельных объектов оставалась строго детерминированной, то в неклассическом естествознании вероятностный подход «спускается» на уровень индивидуальных объектов. О том, насколько сложным и «болезненным» был переход к не­классическим идеям в этом вопросе, свидетельствуют вы­сказывания самих отцов квантовой теории. Эйнштейн не­задолго до своей смерти писал: «Если статистическая квантовая теория не претендует на полное описание ин­дивидуальной системы (и ее поведение во времени), то по­пытки найти это полное описание где-то еще, по-видимо­му, неизбежны... С учетом этого приходится признать, что указанная схема в принципе не может служить базисом теоретической физики». Луи де Бройль также считал, что «...возможно, в один прекрасный день окажется, что кван­товая теория дает нам лишь статистическое определение аспектов лежащей за ним физической реальности, кото­рую она не в состоянии описать полностью». Однако впо­следствии выяснилось, что индивидуально-статистический подход к поведению микрообъектов является единственно возможным и отражает непосредственную «ненаблюдае­мость» их движения.

2. Если для классического объекта в принципе можно измерить все его динамические параметры, то для микро­объектов этого в общем случае сделать нельзя. В методо­логическом отношении данное обстоятельство привело к формулировке принципа дополнительности Бора, кото­рый в настоящее время имеет общекультурное значение. Согласно этому принципу получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описываю­щих микрообъект, неизбежно связано с потерей инфор­мации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимнодополнительными величинами являются, например, координата микрочастицы и ее ско­рость. С физической точки зрения принцип дополнитель­ности часто объясняют (следуя Бору) влиянием «измери­тельного прибора» (который всегда является макроскопи­ческим объектом) на состояние микрообъекта. При точном измерении одной из дополнительных величин с помощью соответствующего прибора другая величина в результате взаимодействия микрообъекта с прибором претерпевает неконтролируемые изменения. Можно, однако, показать, что даже в отсутствие измерительного прибора дополни­тельные величины не могут одновременно иметь абсолют­но точные значения.

Частным случаем принципа дополнительности явля­ется принцип неопределенности Гейзенберга, одна из эк­вивалентных формулировок которого заключается в сле­дующем: произведение неопределенности координаты микрочастицы Δ х и неопределенности соответствующей проекции импульса микрочастицы Δ р_х не превышает зна­чения постоянной Планка ћ:

Δ х Δ р_х > ћ, где ћ= h/2π. (1.4)

3. Отказ от классических традиций произошел также в том, что в науку стали вводиться величины (например, Ψ -функция), сами по себе не являющиеся непосредствен­но измеряемыми. В дальнейшем эта тенденция стала пре­обладающей.