أ. شيشلوفا. بناءً على مواد من مجلات "النجاحات العلوم الفيزيائية" و"ساينتفيك أمريكان".

يعتبر الوصف الميكانيكي الكمي للظواهر الفيزيائية للعالم الصغير هو الوصف الصحيح الوحيد والأكثر اتساقًا تمامًا مع الواقع. تخضع كائنات الكون الكبير لقوانين ميكانيكا كلاسيكية أخرى. الحدود بين العالم الكلي والعالم الجزئي غير واضحة، وهذا يسبب عددًا من المفارقات والتناقضات. تؤدي محاولات القضاء عليها إلى ظهور آراء أخرى حول ميكانيكا الكم وفيزياء العالم الصغير. ويبدو أن المنظر الأمريكي ديفيد جوزيف بوم (1917-1992) كان قادرًا على التعبير عنها بشكل أفضل.

1. تجربة فكرية لقياس مكونات الدوران (زخم الحركة) للإلكترون باستخدام جهاز معين - "الصندوق الأسود".

2. قياس متتالي لمكونات الدوران. يتم قياس الدوران "الأفقي" للإلكترون (على اليسار)، ثم الدوران "العمودي" (على اليمين)، ثم مرة أخرى الدوران "الأفقي" (أدناه).

3 أ. تتحرك الإلكترونات ذات الدوران "الأيمن" بعد المرور عبر صندوق "عمودي" في اتجاهين: لأعلى ولأسفل.

3 ب. وفي نفس التجربة، سنضع سطحًا ماصًا معينًا على مسار إحدى الحزمتين. علاوة على ذلك، يشارك نصف الإلكترونات فقط في القياسات، وعند الخرج، نصفها له دوران "يسار"، والنصف الآخر له دوران "يمين".

4. يتم وصف حالة أي كائن في العالم الصغير من خلال ما يسمى بالوظيفة الموجية.

5. التجربة الفكرية لإروين شرودنغر.

6. كان من المفترض أن تظهر التجربة التي اقترحها د.بوم ويا أهارونوف في عام 1959 أن المجال المغناطيسي الذي لا يمكن للجسيم الوصول إليه يؤثر على حالته.

لفهم الصعوبات التي يعاني منها العصر الحديث ميكانيكا الكمعلينا أن نتذكر كيف تختلف عن الميكانيكا النيوتونية الكلاسيكية. خلق نيوتن الصورة الكبيرةعالم تعمل فيه الميكانيكا كقانون عالمي لحركة النقاط أو الجسيمات المادية - كتل صغيرة من المادة. ويمكن بناء أي كائنات من هذه الجسيمات. يبدو أن الميكانيكا النيوتونية يمكنها نظريًا تفسير كل شيء ظاهرة طبيعية. ومع ذلك، في نهاية القرن الماضي أصبح من الواضح أن الميكانيكا الكلاسيكية غير قادرة على تفسير قوانين الإشعاع الحراري للأجسام الساخنة. أدى هذا السؤال الخاص على ما يبدو إلى الحاجة إلى مراجعة النظريات الفيزيائية وطالب بأفكار جديدة.

وفي عام 1900، ظهر عمل الفيزيائي الألماني ماكس بلانك، والذي ظهرت فيه هذه الأفكار الجديدة. اقترح بلانك أن الإشعاع يحدث في أجزاء، الكميات. تتناقض هذه الفكرة مع وجهات النظر الكلاسيكية، ولكنها أوضحت تماما نتائج التجارب (في عام 1918 حصل هذا العمل على جائزة نوبل في الفيزياء). بعد خمس سنوات، أظهر ألبرت أينشتاين أنه ليس فقط الإشعاع، ولكن أيضًا امتصاص الطاقة يجب أن يحدث بشكل منفصل، في أجزاء، وكان قادرًا على شرح ميزات التأثير الكهروضوئي ( جائزة نوبل 1921). وفقًا لأينشتاين ، فإن الفوتون الكمي الخفيف الذي له خصائص موجية يشبه في نفس الوقت الجسيم (الجسيم) من نواحٍ عديدة. على عكس الموجة، على سبيل المثال، فهي إما يتم امتصاصها بالكامل أو لا يتم امتصاصها على الإطلاق. هكذا نشأ مبدأ ازدواجية الموجة الجسيمية للإشعاع الكهرومغناطيسي.

في عام 1924، طرح الفيزيائي الفرنسي لويس دي برولي فكرة "مجنونة" إلى حد ما، حيث اقترح أن جميع الجسيمات دون استثناء - الإلكترونات والبروتونات والذرات الكاملة - لها خصائص موجية. وبعد مرور عام، علق أينشتاين على هذا العمل: "على الرغم من أنه يبدو أنه كتبه رجل مجنون، إلا أنه كتب بقوة"، وفي عام 1929 حصل دي برولي على جائزة نوبل عنه...

للوهلة الأولى، ترفض التجربة اليومية فرضية دي برولي: يبدو أنه لا يوجد شيء "موجة" في الأشياء من حولنا. ومع ذلك، تظهر الحسابات أن طول موجة دي برولي للإلكترون المتسارع إلى طاقة 100 إلكترون فولت هو 10 -8 سم. من السهل اكتشاف هذه الموجة تجريبيًا عن طريق تمرير تيار من الإلكترونات عبر البلورة. سيحدث حيود موجاتها على الشبكة البلورية وسيظهر نمط مخطط مميز. وبالنسبة لجسيمات الغبار التي تزن 0.001 جرام وبنفس السرعة، فإن طول موجة دي برولي سيكون أصغر بـ 1024 مرة، ولا يمكن اكتشافها بأي وسيلة.

تختلف موجات دي برولي عن الموجات الميكانيكية، فهي تقلبات المادة التي تنتشر في الفضاء. وهي تميز احتمالية العثور على جسيم عند نقطة معينة في الفضاء. يظهر أي جسيم وكأنه "ملطخ" في الفضاء، وهناك احتمال غير صفر للعثور عليه في أي مكان. مثال كلاسيكيالوصف الاحتمالي لأشياء العالم الصغير هو تجربة حيود الإلكترون عن طريق شقين. يتم تسجيل الإلكترون الذي يمر عبر الشق على لوحة فوتوغرافية أو على شاشة على شكل بقعة. يمكن لكل إلكترون أن يمر عبر الفتحة اليمنى أو اليسرى بطريقة عشوائية تمامًا. عندما يكون هناك الكثير من البقع، يظهر نمط الحيود على الشاشة. يتناسب اسوداد الشاشة مع احتمال ظهور إلكترون في مكان معين.

تم تعميق أفكار دي برولي وتطويرها على يد الفيزيائي النمساوي إروين شرودنغر. في عام 1926، اشتق نظام المعادلات - الدوال الموجية التي تصف سلوك الأجسام الكمومية في الوقت المناسب اعتمادًا على طاقتها (جائزة نوبل عام 1933). ويترتب على المعادلات أن أي تأثير على الجسيم يغير حالته. وبما أن عملية قياس معلمات الجسيم ترتبط حتمًا بالتأثير، فإن السؤال الذي يطرح نفسه هو: ما الذي يسجله جهاز القياس الذي يُحدث اضطرابات غير متوقعة في حالة الجسم الذي يتم قياسه؟

وهكذا، فإن دراسة الجسيمات الأولية جعلت من الممكن إنشاء ثلاث حقائق مدهشة للغاية فيما يتعلق بالصورة المادية العامة للعالم.

أولا، اتضح أن العمليات التي تحدث في الطبيعة يتم التحكم فيها عن طريق الصدفة البحتة. ثانيًا، ليس من الممكن دائمًا من حيث المبدأ تحديد الموقع الدقيق لجسم مادي في الفضاء. وثالثًا، ربما يكون الأمر الأكثر غرابة هو أن سلوك الأشياء المادية مثل "جهاز القياس" أو "المراقب" لا يتم وصفه بقوانين أساسية صالحة للأنظمة الفيزيائية الأخرى.

لأول مرة، توصل مؤسسو نظرية الكم أنفسهم - نيلز بور، فيرنر هايزنبرغ، فولفغانغ باولي - إلى مثل هذه الاستنتاجات. في وقت لاحق، تم استدعاء وجهة النظر هذه تفسير كوبنهاجنتم قبول ميكانيكا الكم في الفيزياء النظرية باعتبارها رسمية، وهو ما ينعكس في جميع الكتب المدرسية القياسية.

ومع ذلك، فمن الممكن أن يتم التوصل إلى مثل هذه الاستنتاجات على عجل. في عام 1952، ابتكر عالم الفيزياء النظرية الأمريكي ديفيد د. بوم نظرية كم متطورة للغاية، تختلف عن النظرية المقبولة عمومًا، والتي تشرح أيضًا جميع السمات المعروفة حاليًا لسلوك الجسيمات دون الذرية. فهو يمثل مجموعة موحدة من القوانين الفيزيائية التي تسمح لنا بتجنب أي عشوائية في وصف سلوك الأشياء المادية، فضلا عن عدم اليقين بشأن موقعها في الفضاء. وعلى الرغم من ذلك، فقد تم تجاهل نظرية بوم بشكل كامل تقريبًا حتى وقت قريب جدًا.

لتخيل مدى تعقيد وصف الظواهر الكمومية بشكل أفضل، دعونا نجري عدة تجارب فكرية لقياس الدوران (الزخم الزاوي الداخلي) للإلكترون. عقلي لأنه لم ينجح أحد حتى الآن في إنشاء جهاز قياس يسمح بقياس كلا مكوني الدوران بدقة. وبالمثل، لم تكن المحاولات الفاشلة للتنبؤ بالإلكترونات التي ستغير دورانها أثناء التجربة الموصوفة وأيها لن تغيره.

تتضمن هذه التجارب قياس اثنين من مكونات السبين، والتي سنسميها تقليديًا السبينات "الرأسية" و"الأفقية". يمكن لكل مكون، بدوره، أن يأخذ إحدى القيم، والتي سنسميها أيضًا بشكل تقليدي الدورات "العلوية" و"السفلى"، و"اليمين" و"اليسار"، على التوالي. يعتمد القياس على الفصل المكاني للجزيئات ذات الدورات المختلفة. يمكن تخيل الأجهزة التي تقوم بالفصل على أنها نوع من "الصناديق السوداء" من نوعين - "أفقي" و "عمودي" (الشكل 1). من المعروف أن المكونات المختلفة لدوران الجسيم الحر مستقلة تمامًا (يقول الفيزيائيون إنها لا ترتبط ببعضها البعض). ومع ذلك، أثناء قياس أحد المكونات، قد تتغير قيمة مكون آخر، وبطريقة لا يمكن التحكم فيها تمامًا (2).

محاولة تفسير النتائج التي تم الحصول عليها، التقليدية نظرية الكمتوصلت إلى استنتاج مفاده أنه من الضروري التخلي تماما عن الحتمية، أي تحديد الدولة بالكامل

كائن، وصف لظواهر العالم الصغير. يخضع سلوك الإلكترونات لمبدأ عدم اليقين، والذي بموجبه لا يمكن قياس مكونات الدوران بدقة في وقت واحد.

دعونا نواصل تجاربنا الفكرية. الآن لن نقوم فقط بتقسيم حزم الإلكترونات، بل سنجعلها تنعكس عن أسطح معينة وتتقاطع وتتصل من جديد في شعاع واحد في "صندوق أسود" خاص (3).

نتائج هذه التجارب تتعارض مع المنطق التقليدي. في الواقع، دعونا نفكر في سلوك أي إلكترون في حالة عدم وجود جدار ماص (3 أ). أين سيذهب؟ لنفترض أنه انخفض. وبعد ذلك، إذا كان للإلكترون دوران "أيمن" في البداية، فإنه سيظل أيمنًا حتى نهاية التجربة. ومع ذلك، بتطبيق نتائج تجربة أخرى (3 ب) على هذا الإلكترون، سنرى أن دورانه "الأفقي" عند الخرج يجب أن يكون "يمينًا" في نصف الحالات، و"يسارًا" في نصف الحالات. تناقض واضح. هل يمكن للإلكترون أن يرتفع؟ لا، لنفس السبب. ربما لم يكن يتحرك إلى الأسفل، ولا إلى الأعلى، بل بطريقة أخرى؟ لكن من خلال سد الطرق العلوية والسفلية بجدران ماصة، لن نحصل على أي شيء على الإطلاق عند الخروج. يبقى أن نفترض أن الإلكترون يمكن أن يتحرك في اتجاهين في وقت واحد. بعد ذلك، لدينا الفرصة لإصلاح موقفها في أوقات مختلفة، في نصف الحالات، سنجدها في الطريق إلى الأعلى، وفي النصف - في الطريق إلى الأسفل. الوضع متناقض تمامًا: لا يمكن للجسيم المادي أن يتشعب أو "يقفز" من مسار إلى آخر.

ماذا يقول في في هذه الحالةنظرية الكم التقليدية؟ إنه يعلن ببساطة عن جميع المواقف التي تعتبر مستحيلة، وصياغة السؤال حول اتجاه معين لحركة الإلكترون (وبالتالي اتجاه دورانه) غير صحيحة. إن مظهر الطبيعة الكمومية للإلكترون يكمن في حقيقة أن الإجابة على هذا السؤال هذا السؤالفي الأساس غير موجود. حالة الإلكترون هي حالة تراكب، أي مجموع حالتين، لكل منهما قيمة معينة من الدوران "الرأسي". يعد مفهوم التراكب أحد المبادئ الأساسية لميكانيكا الكم، والتي بمساعدتها أصبح من الممكن على مدى أكثر من سبعين عامًا تفسير سلوك جميع أنظمة الكم المعروفة والتنبؤ بها بنجاح.

بالنسبة للوصف الرياضي لحالات الأجسام الكمومية، يتم استخدام الدالة الموجية، والتي في حالة وجود جسيم واحد تحدد ببساطة إحداثياته. مربع الدالة الموجية يساوي احتمال العثور على جسيم عند نقطة معينة في الفضاء. وبالتالي، إذا كان الجسيم موجودًا في منطقة ما (أ)، فإن دالته الموجية تساوي الصفر في كل مكان باستثناء هذه المنطقة. وبالمثل، فإن الجسيم المتمركز في المنطقة B له دالة موجية غير صفرية فقط في المنطقة B. إذا تبين أن حالة الجسيم عبارة عن تراكب لوجوده في المنطقة A وB، فإن الدالة الموجية التي تصف مثل هذه الحالة تكون غير صفرية في المنطقة B. كلا المنطقتين من الفضاء ويساوي الصفر في كل مكان خارجهما. ومع ذلك، إذا قمنا بإعداد تجربة لتحديد موضع مثل هذا الجسيم، فإن كل قياس سيعطينا قيمة واحدة فقط: في نصف الحالات سنجد الجسيم في المنطقة أ، وفي النصف - في ب (4). وهذا يعني أنه عندما يتفاعل الجسيم مع بيئته، عندما تكون حالة واحدة فقط من حالات الجسيم ثابتة، تبدو الدالة الموجية الخاصة به وكأنها تنهار، "تنهار" إلى نقطة ما.

أحد الادعاءات الأساسية لميكانيكا الكم هو أن الأجسام المادية موصوفة بالكامل من خلال وظائفها الموجية. وبالتالي، فإن المغزى الأساسي من قوانين الفيزياء يتلخص في التنبؤ بالتغيرات في الدوال الموجية بمرور الوقت. تنقسم هذه القوانين إلى فئتين اعتمادًا على ما إذا كان النظام قد ترك لنفسه أو ما إذا كان يتم ملاحظته وقياسه بشكل مباشر.

في الحالة الأولى، نحن نتعامل مع "معادلات الحركة" التفاضلية الخطية، وهي معادلات حتمية تصف حالة الجسيمات الدقيقة بشكل كامل. لذلك، بمعرفة الدالة الموجية لجسيم ما في وقت ما، يمكن للمرء التنبؤ بدقة بسلوك الجسيم في أي لحظة لاحقة. ومع ذلك، عند محاولة التنبؤ بنتائج قياسات أي خصائص للجسيم نفسه، سيتعين علينا التعامل مع قوانين مختلفة تمامًا - قوانين احتمالية بحتة.

يطرح سؤال طبيعي: كيفية التمييز بين شروط تطبيق مجموعة أو أخرى من القوانين؟ يشير مبدعو ميكانيكا الكم إلى الحاجة إلى تقسيم واضح لجميع العمليات الفيزيائية إلى "قياسات" و"عمليات فيزيائية فعلية"، أي إلى "راصدين" و"مرصودين"، أو، في المصطلحات الفلسفية، إلى موضوع وموضوع. . ومع ذلك، فإن الفرق بين هذه الفئات ليس أساسيا، بل نسبي بحت. وهكذا، وفقًا للعديد من الفيزيائيين والفلاسفة، فإن نظرية الكم في مثل هذا التفسير تصبح غامضة وتفقد موضوعيتها وجوهرتها. أصبحت "مشكلة القياس" حجر عثرة كبير في ميكانيكا الكم. يذكرنا الموقف إلى حد ما بـ "الكومة" الشهيرة لزينو. من الواضح أن حبة واحدة ليست كومة، ولكن ألف (أو، إذا أردت، مليون) هي كومة. حبتان أيضًا ليستا كومة، لكن 999 (أو 999999) هي كومة. تؤدي سلسلة التفكير هذه إلى عدد معين من الحبوب التي تصبح فيها مفاهيم "الكومة - وليس الكومة" غامضة. وسوف تعتمد على التقييم الذاتي للراصد، أي على طريقة القياس، حتى بالعين.

يُفترض أن جميع الأجسام العيانية المحيطة بنا هي أجسام نقطية (أو ممتدة) ذات إحداثيات ثابتة، وتخضع لقوانين الميكانيكا الكلاسيكية. لكن هذا يعني أن الوصف الكلاسيكي يمكن أن يستمر حتى أصغر الجسيمات. من ناحية أخرى، انطلاقًا من العالم المصغر، ينبغي للمرء أن يُدرج في وصف الموجة كائنات ذات أحجام أكبر بشكل متزايد حتى الكون ككل. لم يتم تحديد الحدود بين العالم الكلي والعالم الصغير، ومحاولات تعريفها تؤدي إلى مفارقة. ويشير ما يسمى بـ "مشكلة قطة شرودنغر" إلى ذلك بشكل واضح - تجربة فكرية، اقترحه إروين شرودنغر عام 1935 (5).

قطة تجلس في صندوق مغلق. وتوجد أيضًا زجاجة سم ومصدر إشعاع وعداد جسيمات مشحونة متصل بجهاز يقوم بكسر الزجاجة لحظة اكتشاف الجسيم. إذا انسكب السم، سوف تموت القطة. سواء سجل العداد جسيمًا أم لا، لا يمكننا أن نعرف من حيث المبدأ: قوانين ميكانيكا الكم تخضع لقوانين الاحتمالية. ومن وجهة النظر هذه، حتى يقوم العداد بإجراء القياسات، فهو في حالة تراكب من حالتين - "التسجيل - عدم التسجيل". ولكن في هذه اللحظة تجد القطة نفسها في حالة تراكب من حالات الحياة والموت.

في الواقع، بالطبع، لا يمكن أن يكون هناك مفارقة حقيقية هنا. تسجيل الجسيم هو عملية لا رجعة فيها. ويصاحبه انهيار الدالة الموجية، يليه آلية تكسر الزجاجة. ومع ذلك، فإن ميكانيكا الكم التقليدية لا تأخذ في الاعتبار الظواهر التي لا رجعة فيها. إن المفارقة التي تنشأ في اتفاق كامل مع قوانينها تظهر بوضوح أنه بين العالم الصغير الكمومي والعالم الكبير الكلاسيكي هناك منطقة وسيطة معينة لا تعمل فيها ميكانيكا الكم.

لذلك، على الرغم من النجاحات التي لا شك فيها لميكانيكا الكم في تفسير الحقائق التجريبية، حالياًمن الصعب أن ندعي أنه وصف كامل وعالمي للظواهر الفيزيائية. واحدة من البدائل الأكثر جرأة لميكانيكا الكم كانت النظرية التي اقترحها ديفيد بوم.

بعد أن شرع بوم في بناء نظرية خالية من مبدأ عدم اليقين، اقترح اعتبار الجسيمات الدقيقة بمثابة نقطة مادية قادرة على احتلال موقع محدد في الفضاء. ولا تتلقى دالتها الموجية حالة خاصية الاحتمالية، بل حالة جسم مادي حقيقي للغاية، وهو نوع من المجال الميكانيكي الكمي الذي يمارس تأثير قوة لحظية. في ضوء هذا التفسير، على سبيل المثال، لم تعد «مفارقة أينشتاين-بودولسكي-روزين» (انظر «العلم والحياة» العدد ٥، ١٩٩٨) مفارقة. جميع القوانين التي تحكم العمليات الفيزيائية تصبح حتمية بشكل صارم وتأخذ شكل معادلات تفاضلية خطية. تصف إحدى مجموعات المعادلات التغير في الدوال الموجية بمرور الوقت، بينما تصف المجموعة الأخرى تأثيرها على الجسيمات المقابلة. تنطبق القوانين على جميع الأشياء المادية دون استثناء - "المراقبون" و"المراقبون".

وبالتالي، إذا كان موضع جميع الجسيمات في الكون والوظيفة الموجية الكاملة لكل منها معروفًا في وقت ما، فمن الممكن من حيث المبدأ حساب موضع الجسيمات ووظائفها الموجية بدقة في أي لحظة لاحقة من الزمن. وبالتالي، لا يمكن الحديث عن أي عشوائية في العمليات الفيزيائية. شيء آخر هو أننا لن نتمكن أبدًا من الحصول على جميع المعلومات اللازمة لإجراء حسابات دقيقة، والحسابات نفسها معقدة بشكل لا يمكن التغلب عليه. يؤدي الجهل الأساسي بالعديد من معلمات النظام إلى حقيقة أننا نعمل دائمًا بقيم متوسطة معينة. إن هذا "الجهل"، بحسب بوم، هو الذي يجبرنا على اللجوء إلى القوانين الاحتمالية عند وصف الظواهر في العالم الصغير (ينشأ وضع مماثل في الميكانيكا الإحصائية الكلاسيكية، على سبيل المثال، في الديناميكا الحرارية، التي تتعامل مع عدد كبير من الجزيئات). . توفر نظرية بوم قواعد معينة لحساب متوسط ​​المعلمات غير المعروفة وحساب الاحتمالات.

دعونا نعود إلى تجارب الإلكترونات الموضحة في الشكل. 3 A وB. تعطيهم نظرية بوم التفسير التالي. يتم تحديد اتجاه حركة الإلكترون عند الخروج من "الصندوق العمودي" بالكامل من خلال الظروف الأولية - الموضع الأولي للإلكترون ووظيفته الموجية. بينما يتحرك الإلكترون إما لأعلى أو لأسفل، فإن دالته الموجية، كما يلي من المعادلات التفاضلية للحركة، سوف تنقسم وتبدأ في الانتشار في اتجاهين في وقت واحد. وبالتالي، فإن جزءًا واحدًا من الدالة الموجية سيكون "فارغًا"، أي أنه سينتشر بشكل منفصل عن الإلكترون. بعد أن انعكست من الجدران، سيتم توحيد كلا جزأين الدالة الموجية في "الصندوق الأسود"، وفي الوقت نفسه سيتلقى الإلكترون معلومات حول ذلك الجزء من المسار الذي لم يكن فيه. يمكن أن يكون لمحتوى هذه المعلومات، على سبيل المثال، عائق في مسار الدالة الموجية "الفارغة"، تأثير كبير على خصائص الإلكترون. وهذا يزيل التناقض المنطقي بين نتائج التجارب الموضحة في الشكل. من الضروري ملاحظة خاصية غريبة للدوال الموجية "الفارغة": كونها حقيقية، فإنها مع ذلك لا تؤثر على الأجسام الغريبة بأي شكل من الأشكال ولا يمكن تسجيلها بأجهزة القياس. وتمارس الدالة الموجية «الفارغة» قوة على إلكترونها بغض النظر عن المسافة، وينتقل هذا التأثير على الفور.

لقد قام العديد من الباحثين بمحاولات "لتصحيح" ميكانيكا الكم أو شرح التناقضات التي تنشأ فيها. على سبيل المثال، حاول دي برولي بناء نظرية حتمية للعالم الصغير، الذي اتفق مع أينشتاين على أن "الله لا يلعب النرد". ويعتقد المنظر الروسي البارز دي آي بلوخينتسيف أن سمات ميكانيكا الكم تنبع من استحالة عزل جسيم ما عن العالم المحيط به. عند أي درجة حرارة أعلى من الصفر المطلق، تبعث الأجسام وتمتص الموجات الكهرومغناطيسية. ومن وجهة نظر ميكانيكا الكم، فهذا يعني أن موضعها يتم "قياسه" بشكل مستمر، مما يتسبب في انهيار الدوال الموجية. كتب بلوخينتسيف: "من وجهة النظر هذه، لا توجد جسيمات معزولة متروكة لأنفسها "حرة". "من الممكن في هذا الارتباط بين الجسيمات والبيئة طبيعة استحالة عزل الجسيم، وهو ما يتجلى في جهاز ميكانيكا الكم، مخفي."

ومع ذلك، لماذا لم يحظ تفسير ميكانيكا الكم الذي اقترحه بوم بالاعتراف الواجب في العالم العلمي؟ وكيف نفسر الهيمنة شبه العالمية للنظرية التقليدية، على الرغم من كل مفارقاتها و"أماكنها المظلمة"؟

لفترة طويلة، لم يرغبوا في أخذ النظرية الجديدة على محمل الجد على أساس أنها تتطابق تمامًا عند التنبؤ بنتائج تجارب معينة. ميكانيكا الكم، دون أن يؤدي إلى نتائج جديدة بشكل ملحوظ. على سبيل المثال، يعتقد فيرنر هايزنبرغ أن "نتائج أي تجربة أجراها (بوم) تتطابق مع تفسير كوبنهاجن. ومن هنا جاءت النتيجة الأولى: لا يمكن دحض تفسير بوم عن طريق التجربة..." ويعتبر البعض النظرية خاطئة، لأن فهو يعطي دورًا مهيمنًا لموضع الجسيم في الفضاء. وفي رأيهم، فإن هذا يتعارض مع الواقع المادي، لأن الظواهر في عالم الكم لا يمكن من حيث المبدأ وصفها بقوانين حتمية. هناك العديد من الحجج الأخرى التي لا تقل إثارة للجدل ضد نظرية بوم، والتي تتطلب في حد ذاتها أدلة جدية. على أية حال، لم يتمكن أحد من دحض ذلك بشكل كامل حتى الآن. علاوة على ذلك، يواصل العديد من الباحثين، بما في ذلك الباحثين المحليين، العمل على تحسينه.

كلمة "الكم" تأتي من اللاتينية الكم("كم، كم") والإنجليزية الكم("الكمية، الجزء، الكم"). لقد كان "الميكانيكا" منذ فترة طويلة هو الاسم الذي يطلق على علم حركة المادة. وعليه فإن مصطلح "ميكانيكا الكم" يعني علم حركة المادة في الأجزاء (أو في اللغة العلمية الحديثة علم الحركة محددةموضوع). مصطلح "الكم" صاغه الفيزيائي الألماني ماكس بلانك ( سم.ثابت بلانك) لوصف تفاعل الضوء مع الذرات.

غالبًا ما تتعارض ميكانيكا الكم مع مفاهيم الفطرة السليمة لدينا. وكل ذلك بسبب الفطرة السليمةيخبرنا بأشياء مأخوذة من التجربة اليومية، وفي تجربتنا اليومية علينا أن نتعامل فقط مع الأشياء الكبيرة وظواهر العالم الكبير، وعلى المستوى الذري ودون الذري، تتصرف جزيئات المواد بشكل مختلف تمامًا. ويحدد مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج بدقة معنى هذه الاختلافات. في العالم الكبير، يمكننا تحديد الموقع (الإحداثيات المكانية) بشكل موثوق لا لبس فيه لأي كائن (على سبيل المثال، هذا الكتاب). لا يهم سواء استخدمنا المسطرة أو الرادار أو السونار أو قياس الضوء أو أي طريقة قياس أخرى، فإن نتائج القياس ستكون موضوعية ومستقلة عن موضع الكتاب (طبعًا بشرط توخي الحذر في عملية القياس). وهذا يعني أن بعض عدم اليقين وعدم الدقة ممكنان - ولكن فقط بسبب القدرات المحدودة لأجهزة القياس وأخطاء المراقبة. للحصول على نتائج أكثر دقة وموثوقية، نحتاج فقط إلى أخذ جهاز قياس أكثر دقة ومحاولة استخدامه دون أخطاء.

الآن، إذا كنا بحاجة بدلاً من إحداثيات الكتاب إلى قياس إحداثيات الجسيمات الدقيقة، على سبيل المثال الإلكترون، فلن نتمكن بعد الآن من إهمال التفاعلات بين جهاز القياس وموضوع القياس. قوة الحاكم أو غيره أداة قياسالموجود في الكتاب صغير جدًا ولا يؤثر على نتائج القياس، ولكن من أجل قياس الإحداثيات المكانية للإلكترون، نحتاج إلى إطلاق فوتون أو إلكترون آخر أو جسيم أولي آخر من الطاقات المماثلة للإلكترون المقاس في اتجاهه و قياس انحرافه. ولكن في الوقت نفسه، فإن الإلكترون نفسه، وهو موضوع القياس، سيغير موقعه في الفضاء نتيجة للتفاعل مع هذا الجسيم. وبالتالي، فإن فعل القياس نفسه يؤدي إلى تغيير في موضع الكائن المقاس، ويتم تحديد عدم دقة القياس من خلال حقيقة القياس، وليس من خلال درجة دقة جهاز القياس المستخدم. هذا هو الوضع الذي نحن مجبرون على تحمله في عالم مصغر. القياس مستحيل بدون تفاعل، والتفاعل مستحيل دون التأثير على الكائن المقاس، ونتيجة لذلك، تشويه نتائج القياس.

ولا يمكن ذكر سوى شيء واحد عن نتائج هذا التفاعل:

عدم اليقين في الإحداثيات المكانية × عدم اليقين في سرعة الجسيمات> ح/م,

أو من الناحية الرياضية:

Δ س × Δ الخامس > ح/م

حيث Δ سو Δ الخامس-عدم اليقين في الموقع المكاني وسرعة الجسيم، على التوالي، ح -ثابت بلانك و م —كتلة الجسيمات.

وبناءً على ذلك، ينشأ عدم اليقين عند تحديد الإحداثيات المكانية ليس فقط للإلكترون، ولكن أيضًا لأي جسيم دون ذري، وليس فقط الإحداثيات، ولكن أيضًا لخصائص الجسيمات الأخرى، مثل السرعة. يتم تحديد خطأ القياس لأي زوج من الخصائص المتبادلة للجسيمات بطريقة مماثلة (مثال لزوج آخر هو الطاقة المنبعثة من الإلكترون والفترة الزمنية التي تنبعث خلالها). وهذا هو، إذا تمكنا، على سبيل المثال، من قياس الموضع المكاني للإلكترون بدقة عالية، فإننا في نفس اللحظة من الزمنلدينا فقط فكرة غامضة عن سرعته، والعكس صحيح. بطبيعة الحال، في القياسات الحقيقية، لا يصل إلى هذين النقيضين، والوضع دائما في مكان ما في الوسط. أي أنه إذا تمكنا، على سبيل المثال، من قياس موضع الإلكترون بدقة 10 -6 م، فيمكننا قياس سرعته في الوقت نفسه، في أحسن الأحوال، بدقة 650 م/ث.

نظرًا لمبدأ عدم اليقين، فإن وصف كائنات العالم الصغير الكمي له طبيعة مختلفة عن الوصف المعتاد لأشياء العالم الكبير النيوتوني. بدلًا من الإحداثيات المكانية والسرعة التي اعتدنا على وصفها حركة ميكانيكيةعلى سبيل المثال، كرة على طاولة بلياردو، في ميكانيكا الكم يتم وصف الأشياء بما يسمى وظيفة الموجة.تتوافق قمة "الموجة" مع أقصى احتمال للعثور على جسيم في الفضاء في لحظة القياس. يتم وصف حركة مثل هذه الموجة بواسطة معادلة شرودنجر، التي تخبرنا كيف تتغير حالة النظام الكمي بمرور الوقت.

إن صورة الأحداث الكمومية في العالم الصغير، التي رسمتها معادلة شرودنغر، هي أن الجسيمات تشبه موجات المد والجزر الفردية التي تنتشر على طول سطح المحيط. بمرور الوقت، تتحرك قمة الموجة (المقابلة لذروة احتمال العثور على جسيم، مثل الإلكترون، في الفضاء) عبر الفضاء وفقًا للدالة الموجية، وهو حل لهذه المشكلة المعادلة التفاضلية. وبناءً على ذلك، فإن ما نعتبره تقليديًا جسيمًا، على المستوى الكمي، يُظهر عددًا من الخصائص المميزة للموجات.

تنسيق الخواص الموجية والجسيمية لأجسام العالم الصغير ( سم.أصبحت علاقة دي برولي) ممكنة بعد أن اتفق الفيزيائيون على اعتبار كائنات العالم الكمي ليست جسيمات أو موجات، ولكن كشيء وسيط يمتلك كلاً من الخصائص الموجية والجسيمية؛ لا توجد نظائرها لمثل هذه الأشياء في الميكانيكا النيوتونية. على الرغم من وجود مثل هذا الحل، لا يزال هناك ما يكفي من المفارقات في ميكانيكا الكم ( سم.نظرية بيل)، أفضل نموذجلم يقترح أحد حتى الآن وصف العمليات التي تحدث في العالم المصغر.

يخطط

مقدمة 2

1. تاريخ إنشاء ميكانيكا الكم 5

2. مكانة ميكانيكا الكم بين العلوم الأخرى عن الحركة. 14

الاستنتاج 17

الأدب 18

مقدمة

ميكانيكا الكم هي نظرية تحدد طريقة وصف وقوانين حركة الجسيمات الدقيقة (الجسيمات الأولية، الذرات، الجزيئات، النوى الذرية) وأنظمتها (على سبيل المثال، البلورات)، وكذلك العلاقة بين الكميات التي تميز الجسيمات والأنظمة ذات الكميات الفيزيائية تقاس مباشرة في التجارب العيانية. تشكل قوانين ميكانيكا الكم (المشار إليها فيما بعد بـ QM) الأساس لدراسة بنية المادة. لقد جعلوا من الممكن توضيح بنية الذرات، وتحديد طبيعة الروابط الكيميائية، وشرح النظام الدوري للعناصر، وفهم بنية النوى الذرية، ودراسة خصائص الجسيمات الأولية.

وبما أن خصائص الأجسام العيانية يتم تحديدها من خلال حركة وتفاعل الجسيمات التي تتكون منها، فإن قوانين ميكانيكا الكم تكمن وراء فهم معظم الظواهر العيانية. لقد أتاح حساب التفاضل والتكامل، على سبيل المثال، شرح الاعتماد على درجة الحرارة وحساب السعة الحرارية للغازات والمواد الصلبة، وتحديد البنية وفهم العديد من خصائص المواد الصلبة (المعادن، والمواد العازلة، وأشباه الموصلات). فقط على أساس ميكانيكا الكم كان من الممكن تفسير ظواهر مثل المغناطيسية الحديدية، والميوعة الفائقة، والموصلية الفائقة، لفهم طبيعة الأجسام الفيزيائية الفلكية مثل الأقزام البيضاء والنجوم النيوترونية، وتوضيح آلية التفاعلات النووية الحرارية في الشمس و النجوم. هناك أيضًا ظواهر (على سبيل المثال، تأثير جوزيفسون) تتجلى فيها قوانين ميكانيكا الكم بشكل مباشر في سلوك الأجسام العيانية.

وبالتالي، فإن قوانين ميكانيكا الكم تكمن وراء تشغيل المفاعلات النووية، وتحدد إمكانية حدوث تفاعلات نووية حرارية في ظل الظروف الأرضية، وتتجلى في عدد من الظواهر في المعادن وأشباه الموصلات المستخدمة في أحدث التقنيات، وما إلى ذلك. إن أساس مجال الفيزياء سريع التطور مثل الإلكترونيات الكمومية هو نظرية ميكانيكا الكم للإشعاع. تُستخدم قوانين ميكانيكا الكم في البحث المستهدف وإنشاء مواد جديدة (خاصة المواد المغناطيسية وأشباه الموصلات والمواد فائقة التوصيل). لقد أصبحت ميكانيكا الكم إلى حد كبير علمًا "هندسيًا"، ومعرفته ضرورية ليس فقط لعلماء الفيزياء الباحثين، ولكن أيضًا للمهندسين.

1. تاريخ إنشاء ميكانيكا الكم

في بداية القرن العشرين. تم اكتشاف مجموعتين (غير مرتبطتين على ما يبدو) من الظواهر، مما يشير إلى عدم قابلية تطبيق النظرية الكلاسيكية المعتادة للمجال الكهرومغناطيسي (الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية) على عمليات تفاعل الضوء مع المادة وعلى العمليات التي تحدث في الذرة. ارتبطت المجموعة الأولى من الظواهر بالتأسيس التجريبي للطبيعة المزدوجة للضوء (ثنائية الضوء)؛ والثاني هو استحالة تفسير الوجود المستقر للذرة، على أساس المفاهيم الكلاسيكية، وكذلك الأنماط الطيفية المكتشفة في دراسة انبعاث الضوء بواسطة الذرات. إن إنشاء روابط بين هذه المجموعات من الظواهر ومحاولات تفسيرها على أساس نظرية جديدة أدى في النهاية إلى اكتشاف قوانين ميكانيكا الكم.

لأول مرة، تم استخدام مفاهيم الكم (بما في ذلك ثابت الكم ح) تم تقديمها في الفيزياء في أعمال م. بلانك (1900)، المكرسة لنظرية الإشعاع الحراري.

إن نظرية الإشعاع الحراري التي كانت موجودة في ذلك الوقت، والمبنية على أساس الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية والفيزياء الإحصائية، أدت إلى نتيجة لا معنى لها وهي عدم إمكانية تحقيق التوازن الحراري (الديناميكي الحراري) بين الإشعاع والمادة، لأن يجب أن تتحول كل الطاقة عاجلاً أم آجلاً إلى إشعاع. حل بلانك هذا التناقض وحصل على نتائج تتفق بشكل ممتاز مع التجربة، بناءً على فرضية جريئة للغاية. وعلى النقيض من النظرية الكلاسيكية للإشعاع، التي تعتبر الانبعاث موجات كهرومغناطيسيةوكعملية مستمرة، اقترح بلانك أن الضوء ينبعث في أجزاء معينة من الطاقة - الكميات. يعتمد حجم هذا الكم من الطاقة على تردد الضوء n ويساوي ه=حن. من خلال عمل بلانك هذا، يمكن تتبع خطين مترابطين من التطور، وبلغا ذروتهما في الصياغة النهائية لميكانيكا الكم في شكليها (1927).

الأول يبدأ بعمل أينشتاين (1905)، الذي قدمت فيه نظرية التأثير الكهروضوئي - ظاهرة قذف الضوء للإلكترونات من المادة.

في تطوير فكرة بلانك، اقترح أينشتاين أن الضوء لا ينبعث ويمتص في أجزاء منفصلة فقط - الكمات الإشعاعية، ولكن أيضًا ينتشر الضوء يحدث في مثل هذه الكمات، أي أن الانفصال متأصل في الضوء نفسه - أن الضوء نفسه يتكون من أجزاء منفصلة - الكميات الضوئية (والتي سميت فيما بعد بالفوتونات). طاقة الفوتون هيرتبط بتردد تذبذب الموجة n بعلاقة بلانك ه= حن.

تم الحصول على دليل إضافي على الطبيعة الجسيمية للضوء في عام 1922 من قبل أ. كومبتون، الذي أظهر تجريبيًا أن تشتت الضوء بواسطة الإلكترونات الحرة يحدث وفقًا لقوانين التصادم المرن بين جسيمين - الفوتون والإلكترون. يتم تحديد حركيات مثل هذا الاصطدام من خلال قوانين حفظ الطاقة والزخم، والفوتون، إلى جانب الطاقة، ه= حنينبغي أن يعزى الدافع ع = ح / ل = ح ن / ج, أين ل- الطول الموجي للضوء.

ترتبط طاقة الفوتون وزخمه بالعلاقة E = cp , صالحة في الميكانيكا النسبية لجسيم كتلته صفر. وهكذا، فقد ثبت تجريبيا أنه، إلى جانب الخصائص الموجية المعروفة (التي تتجلى، على سبيل المثال، في حيود الضوء)، فإن الضوء له أيضا خصائص جسيمية: فهو يتكون من جزيئات - فوتونات. يكشف هذا عن ازدواجية الضوء، وطبيعته الموجية الجسيمية المعقدة.

الثنائية موجودة بالفعل في الصيغة ه= حنمما لا يسمح باختيار أحد المفهومين: على الجانب الأيسر من المساواة الطاقة هيشير إلى الجسيم، وعلى اليمين - التردد n هو سمة من سمات الموجة. نشأ تناقض منطقي رسمي: لشرح بعض الظواهر، كان من الضروري افتراض أن الضوء له طبيعة موجية، ولشرح ظواهر أخرى - جسيمية. في الأساس، أدى حل هذا التناقض إلى إنشاء الأسس الفيزيائية لميكانيكا الكم.

في عام 1924، حاول L. de Broglie العثور على تفسير لشروط تكميم المدارات الذرية التي افترضها N. Bohr في عام 1913، وطرح فرضية حول عالمية ازدواجية الموجة والجسيم. وبحسب دي برولي، فإن كل جسيم، بغض النظر عن طبيعته، يجب أن يرتبط بموجة يبلغ طولها لالمتعلقة بزخم الجسيمات رنسبة. وفقًا لهذه الفرضية، ليس الفوتونات فقط، ولكن أيضًا جميع "الجسيمات العادية" (الإلكترونات والبروتونات وما إلى ذلك) لها خصائص موجية، والتي، على وجه الخصوص، يجب أن تظهر في ظاهرة الحيود.

في عام 1927، لاحظ ك. دافيسون وإل. جيرمر لأول مرة حيود الإلكترون. لاحقًا، تم اكتشاف الخصائص الموجية في جسيمات أخرى، وتم التأكد من صحة صيغة دي برولي تجريبيًا

في عام 1926، اقترح إي شرودنغر معادلة تصف سلوك مثل هذه "الموجات" في مجالات القوة الخارجية. هكذا نشأت ميكانيكا الموجات. معادلة شرودنغر الموجية هي المعادلة الأساسية لميكانيكا الكم غير النسبية.

في عام 1928، صاغ بي. ديراك معادلة نسبية تصف حركة الإلكترون في مجال قوة خارجي؛ أصبحت معادلة ديراك واحدة من المعادلات الأساسية لميكانيكا الكم النسبية.

يبدأ الخط الثاني من التطور بعمل أينشتاين (1907)، المكرس لنظرية السعة الحرارية للمواد الصلبة (وهو أيضًا تعميم لفرضية بلانك). الإشعاع الكهرومغناطيسي، وهو عبارة عن مجموعة من الموجات الكهرومغناطيسية ذات الترددات المختلفة، يكافئ ديناميكيًا مجموعة معينة من المذبذبات (الأنظمة التذبذبية). إن انبعاث الموجات أو امتصاصها يعادل إثارة أو تخميد المذبذبات المقابلة. والحقيقة هي أن انبعاث وامتصاص الإشعاع الكهرومغناطيسي عن طريق المادة يحدث كمات الطاقة حن. قام أينشتاين بتعميم فكرة قياس طاقة مذبذب المجال الكهرومغناطيسي إلى مذبذب ذي طبيعة تعسفية. نظرًا لأن الحركة الحرارية للمواد الصلبة يتم تقليلها إلى اهتزازات الذرات، فإن المادة الصلبة تعادل ديناميكيًا مجموعة من المذبذبات. يتم أيضًا قياس طاقة هذه المذبذبات، أي أن الفرق بين مستويات الطاقة المجاورة (الطاقات التي قد يمتلكها المذبذب) يجب أن يكون مساويًا لـ ح n، حيث n هو تردد اهتزاز الذرات.

لعبت نظرية أينشتاين، التي صقلها ب. ديباي، وم. بورن، وت. كارمان، دورًا بارزًا في تطوير نظرية المواد الصلبة.

في عام 1913، طبق N. Bohr فكرة تكميم الطاقة على نظرية التركيب الذري، والتي يتبع نموذجها الكوكبي نتائج تجارب E. Rutherford (1911). وفقًا لهذا النموذج، توجد في مركز الذرة نواة موجبة الشحنة، تتركز فيها كتلة الذرة بأكملها تقريبًا؛ تدور الإلكترونات سالبة الشحنة حول النواة.

أدى النظر في مثل هذه الحركة على أساس المفاهيم الكلاسيكية إلى نتيجة متناقضة - استحالة الوجود المستقر للذرات: وفقًا للديناميكا الكهربائية الكلاسيكية، لا يمكن للإلكترون أن يتحرك بثبات في مدار، لأن الشحنة الكهربائية الدوارة يجب أن تنبعث منها موجات كهرومغناطيسية، وبالتالي تفقد الطاقة. يجب أن يتناقص نصف قطر مداره وفي وقت يتراوح بين 10 إلى 8 ثوانٍ تقريبًا، يجب أن يسقط الإلكترون على النواة. وهذا يعني أن قوانين الفيزياء الكلاسيكية لا تنطبق على حركة الإلكترونات في الذرة، لأن الذرات موجودة ومستقرة للغاية.

لتفسير استقرار الذرات، اقترح بور أن من بين جميع المدارات التي تسمح بها الميكانيكا النيوتونية لحركة الإلكترون في الحقل الكهربائيالنواة الذرية، فقط تلك التي تستوفي شروط تكميم معينة هي التي تتحقق في الواقع. وهذا يعني أنه يوجد في الذرة (كما هو الحال في المذبذب) مستويات طاقة منفصلة.

تخضع هذه المستويات لنمط معين، اشتقه بور على أساس مزيج من قوانين الميكانيكا النيوتونية مع شروط التكميم التي تتطلب أن يكون حجم الفعل للمدار الكلاسيكي مضاعفًا صحيحًا لثابت بلانك.

افترض بور ​​أنه عندما يكون الإلكترون عند مستوى طاقة معين (أي يؤدي الحركة المدارية التي تسمح بها ظروف التكميم)، فإنه لا ينبعث من موجات الضوء.

ويحدث الإشعاع فقط عندما يتحرك الإلكترون من مدار إلى آخر، أي من مستوى طاقة واحد هأنا، إلى آخر مع طاقة أقل هك، في هذه الحالة يولد الكم الخفيف بطاقة تساوي الفرق في طاقات المستويات التي يحدث التحول بينها:

حن = هأنا- هك . (1)

هذه هي الطريقة التي ينشأ بها الطيف الخطي - السمة الرئيسية للأطياف الذرية التي حصل عليها بور الصيغة الصحيحةلترددات الخطوط الطيفية لذرة الهيدروجين (والذرات الشبيهة بالهيدروجين)، والتي تغطي مجموعة من الصيغ التجريبية المكتشفة سابقاً.

تم تأكيد وجود مستويات الطاقة في الذرات بشكل مباشر من خلال تجارب فرانك هيرتز (1913-1914). وقد وجد أن الإلكترونات التي تصطدم بالغاز تفقد فقط أجزاء معينة من الطاقة عند اصطدامها بالذرات، تساوي الفرق في مستويات الطاقة للذرة.

ن. بور، باستخدام ثابت الكم حالذي يعكس ثنائية الضوء، أظهر أن هذه الكمية تحدد أيضًا حركة الإلكترونات في الذرة (وأن قوانين هذه الحركة تختلف بشكل كبير عن قوانين الميكانيكا الكلاسيكية). تم شرح هذه الحقيقة لاحقًا على أساس عالمية ازدواجية الموجة والجسيم الواردة في فرضية دي برولي. إن نجاح نظرية بور، مثل النجاحات السابقة لنظرية الكم، تم تحقيقه من خلال انتهاك السلامة المنطقية للنظرية: فمن ناحية، تم استخدام ميكانيكا نيوتن، ومن ناحية أخرى، تم استخدام قواعد التكميم الاصطناعية الغريبة عنها، والتي يتناقض أيضًا مع الديناميكا الكهربائية الكلاسيكية. بالإضافة إلى ذلك، لم تتمكن نظرية بور من تفسير حركة الإلكترونات في الذرات المعقدة ونشوء الروابط الجزيئية.

ولم تتمكن نظرية بور "شبه الكلاسيكية" أيضًا من الإجابة على سؤال حول كيفية تحرك الإلكترون عند الانتقال من مستوى طاقة إلى آخر.

أدى التطوير المكثف الإضافي لمسائل النظرية الذرية إلى الاقتناع بأنه، مع الحفاظ على الصورة الكلاسيكية لحركة الإلكترون في المدار، من المستحيل بناء نظرية متماسكة منطقيا.

إن الوعي بحقيقة أن حركة الإلكترونات في الذرة غير موصوفة بمصطلحات (مفاهيم) الميكانيكا الكلاسيكية (كالحركة على مسار معين) أدى إلى فكرة أن مسألة حركة الإلكترون بين المستويات تتعارض مع النظرية. طبيعة القوانين التي تحدد سلوك الإلكترونات في الذرة، وأن هناك حاجة إلى نظرية جديدة، والتي من شأنها أن تشمل فقط الكميات المتعلقة بالحالات الثابتة الأولية والنهائية للذرة.

في عام 1925، تمكن دبليو هايزنبرغ من بناء مخطط رسمي، حيث ظهرت بعض الكميات الجبرية المجردة - المصفوفات - بدلاً من إحداثيات وسرعات الإلكترون؛ العلاقة بين المصفوفات والكميات التي يمكن ملاحظتها (مستويات الطاقة وشدة التحولات الكمومية) تم تحديدها من خلال قواعد ثابتة بسيطة. تم تطوير عمل هايزنبرغ بواسطة M. Born وP.Jordan. هكذا نشأت ميكانيكا المصفوفة. بعد وقت قصير من ظهور معادلة شرودنجر، ظهر التكافؤ الرياضي للموجة (استنادًا إلى معادلة شرودنغر) وميكانيكا المصفوفة. في عام 1926، قدم م. بورن تفسيرًا احتماليًا لموجات دي برولي (انظر أدناه).

لعبت أعمال ديراك التي يعود تاريخها إلى نفس الوقت دورًا رئيسيًا في إنشاء ميكانيكا الكم. إن التشكيل النهائي لميكانيكا الكم كنظرية فيزيائية متسقة ذات أسس واضحة وجهاز رياضي متناغم حدث بعد عمل هايزنبرغ (1927)، الذي تمت فيه صياغة علاقة عدم اليقين - العلاقة الأكثر أهمية التي تسلط الضوء على المعنى الفيزيائي لمعادلات ميكانيكا الكم وارتباطها بالميكانيكا الكلاسيكية وغيرها من القضايا الأساسية والنتائج النوعية لميكانيكا الكم. وقد استمر هذا العمل وتم تعميمه في أعمال بور وهايزنبرج.

أدى التحليل التفصيلي لأطياف الذرات إلى ظهور هذا المفهوم (تم تقديمه لأول مرة بواسطة J. Yu. Uhlenbeck وS. Goudsmit ثم قام بتطويره W. Pauli). أنه يجب تخصيص خاصية داخلية أخرى للإلكترون، بالإضافة إلى الشحنة والكتلة (الرقم الكمي). - يلف.

وقد لعب ما يسمى بمبدأ الاستبعاد الذي اكتشفه دبليو باولي (1925) دورًا مهمًا، والذي له أهمية أساسية في نظرية الذرة والجزيء والنواة والجسم الصلب.

وفي غضون فترة قصيرة، تم تطبيق ميكانيكا الكم بنجاح على مجموعة واسعة من الظواهر. نظريات الأطياف الذرية، وبنية الجزيئات، الرابطة الكيميائية، الجدول الدوري لـ D.I. Mendeleev، الموصلية المعدنية والمغناطيسية الحديدية. لقد أصبحت هذه الظواهر والعديد من الظواهر الأخرى واضحة (نوعيًا على الأقل).

تشير ميكانيكا الكم إلى النظرية الفيزيائية للسلوك الديناميكي لأشكال الإشعاع والمادة. هذا هو ما بنيت عليه النظرية الحديثةالأجسام المادية والجزيئات و الجسيمات الأولية. على الاطلاق، ميكانيكا الكمتم إنشاؤه من قبل العلماء الذين سعوا إلى فهم بنية الذرة. لسنوات عديدة، درس الفيزيائيون الأسطوريون ملامح واتجاهات الكيمياء وتابعوا الزمن التاريخي للأحداث.

مثل هذا المفهوم ميكانيكا الكم،تطورت على مدى سنوات عديدة. في عام 1911، اقترح العلماء ن. بور نموذجًا نوويًا للذرة، يشبه نموذج كوبرنيكوس مع نظامه الشمسي. بعد كل ذلك النظام الشمسيكان له نواة في مركزه تدور حولها العناصر. وبناء على هذه النظرية، الحسابات الفيزيائية و الخواص الكيميائيةبعض المواد التي بنيت من ذرات بسيطة.

واحد من موضوعات هامةفي نظرية مثل ميكانيكا الكمهي طبيعة القوى التي تربط الذرة. بفضل قانون كولومب، أظهر E. Rutherford أن هذا القانون صالح على نطاق واسع. ثم كان من الضروري تحديد كيفية تحرك الإلكترونات في مدارها. ساعد في هذه المرحلة

في الحقيقة، ميكانيكا الكمغالبًا ما يتعارض مع مفاهيم مثل الفطرة السليمة. إلى جانب حقيقة أن الفطرة السليمة لدينا تعمل وتظهر فقط الأشياء التي يمكن استخلاصها من التجربة اليومية. وفي المقابل، فإن التجربة اليومية تتعامل فقط مع ظواهر العالم الكبير والأشياء الكبيرة، في حين أن جزيئات المواد على المستوى دون الذري والذري تتصرف بشكل مختلف تمامًا. على سبيل المثال، في العالم الكبير، يمكننا بسهولة تحديد موقع أي كائن باستخدام أدوات وطرق القياس. وإذا قمنا بقياس إحداثيات الجسيمات الإلكترونية الدقيقة، فمن غير المقبول ببساطة إهمال تفاعل كائن القياس وجهاز القياس.

وبعبارة أخرى، يمكن للمرء أن يقول ذلك ميكانيكا الكمهي نظرية فيزيائية تحدد قوانين حركة الجسيمات الدقيقة المختلفة. من الميكانيكا الكلاسيكية، التي تصف حركة الجسيمات الدقيقة، ميكانيكا الكميختلف بطريقتين:

الطبيعة المحتملة للبعض كميات فيزيائيةعلى سبيل المثال، لا يمكن تحديد سرعة وموضع الجسيمات الدقيقة بدقة، بل يمكن حساب احتمالية قيمها فقط؛

التغيير المنفصل، على سبيل المثال، طاقة الجسيمات الدقيقة، له قيم معينة فقط.

ميكانيكا الكميرتبط أيضًا بالفكرة التشفير الكمي، وهي تقنية سريعة النمو ولديها القدرة على تغيير العالم. يهدف التشفير الكمي إلى حماية خصوصية الاتصالات والمعلومات. يعتمد هذا التشفير على ظواهر معينة ويأخذ في الاعتبار الحالات التي يمكن فيها نقل المعلومات باستخدام كائن من ميكانيكا الكم. وهنا يتم تحديد عملية تلقي المعلومات وإرسالها بمساعدة الإلكترونات والفوتونات والوسائل المادية الأخرى. بفضل التشفير الكمي، من الممكن إنشاء وتصميم نظام اتصالات يمكنه اكتشاف التنصت.

في الوقت الحالي، هناك الكثير من المواد التي تقدم دراسة مثل هذا المفهوم أساسيات ميكانيكا الكموالاتجاهات، فضلا عن أنشطة التشفير الكمي. لاكتساب المعرفة في هذه النظرية المعقدة، من الضروري الدراسة والتعمق في هذا المجال. بعد كل شيء، ميكانيكا الكم ليست مفهوما سهلا، والذي تم دراسته وإثباته من قبل أعظم العلماء لسنوات عديدة.

إن تكوين ميكانيكا الكم كنظرية متسقة ذات أسس فيزيائية محددة يرتبط إلى حد كبير بعمل دبليو هايزنبرغ، الذي تمت صياغتها فيه علاقة عدم اليقين (المبدأ). يكشف هذا الموقف الأساسي لميكانيكا الكم عن المعنى الفيزيائي لمعادلاتها، ويحدد أيضًا ارتباطها بالميكانيكا الكلاسيكية.

مبدأ عدم اليقينالمسلمات: لا يمكن لجسم من العالم الصغير أن يكون في حالات تأخذ فيها إحداثيات مركز القصور الذاتي والزخم في نفس الوقت قيمًا دقيقة ومحددة جيدًا.

ومن الناحية الكمية، تمت صياغة هذا المبدأ على النحو التالي. لو ∆س - عدم اليقين من قيمة الإحداثيات س ، أ ∆ص - عدم اليقين في الزخم، فإن حاصل ضرب حالات عدم اليقين هذه من حيث الحجم لا يمكن أن يكون أقل من ثابت بلانك:

∆س ∆ ص ≥ ح.

ويترتب على مبدأ عدم اليقين أنه كلما تم تحديد إحدى الكميتين المتضمنتين في المتراجحة بشكل أكثر دقة، كلما كانت دقة تحديد قيمة الأخرى أقل دقة. لا يمكن لأي تجربة أن تقيس هذه المتغيرات الديناميكية بدقة في وقت واحد، وهذا لا يرجع إلى تأثير أدوات القياس أو عيوبها. تعكس علاقة عدم اليقين الخصائص الموضوعية للعالم الصغير، الناشئة عن ازدواجية الموجة والجسيم.

حقيقة أن نفس الكائن يتجلى كجسيم وكموجة يدمر الأفكار التقليدية، يحرم وصف العمليات من الوضوح المعتاد. يتضمن مفهوم الجسيم جسمًا موجودًا في منطقة صغيرة من الفضاء، بينما تنتشر الموجة في مناطقه الممتدة. من المستحيل تخيل كائن يمتلك هذه الصفات في نفس الوقت، ولا ينبغي للمرء أن يحاول. من المستحيل بناء نموذج توضيحي للتفكير البشري ويكون ملائمًا للعالم الصغير. ومع ذلك، فإن معادلات ميكانيكا الكم لا تحدد مثل هذا الهدف. معناها هو الوصف المناسب رياضيًا لخصائص كائنات العالم الصغير والعمليات التي تحدث معها.

إذا تحدثنا عن العلاقة بين ميكانيكا الكم والميكانيكا الكلاسيكية، إذن علاقة عدم اليقين هي قيد كمي لقابلية تطبيق الميكانيكا الكلاسيكية على كائنات العالم الصغير. بالمعنى الدقيق للكلمة، تنطبق علاقة عدم اليقين على أي نظام فيزيائي، ومع ذلك، نظرًا لأن الطبيعة الموجية للأجسام الكبيرة لا تظهر نفسها عمليًا، فيمكن قياس إحداثيات وزخم هذه الكائنات في وقت واحد بدقة عالية إلى حد ما. وهذا يعني أنه يكفي استخدام قوانين الميكانيكا الكلاسيكية لوصف حركتها. تذكر أن الوضع مشابه في الميكانيكا النسبية (النسبية الخاصة): عند سرعات أقل بكثير من سرعة الضوء، تصبح التصحيحات النسبية ضئيلة وتتحول تحويلات لورنتز إلى تحويلات غاليلية.

لذا، فإن علاقة عدم اليقين للإحداثيات والزخم تعكس ازدواجية الموجة الجسيمية للعالم الصغير و لا علاقة لها بتأثير أدوات القياس. علاقة عدم اليقين مماثلة ل طاقةه و وقتر :

∆ه ∆ ر ≥ ح.

ويترتب على ذلك أنه لا يمكن قياس طاقة النظام إلا بدقة لا تتجاوز ح /∆ ر، أين ∆ ر – مدة القياس . يكمن سبب عدم اليقين هذا في عملية تفاعل النظام (الكائن الصغير) معهاأداة قياس. بالنسبة للحالة الثابتة، يعني عدم المساواة أعلاه أنه لا يمكن أخذ طاقة التفاعل بين جهاز القياس والنظام في الاعتبار إلا بدقة تبلغ ح /∆ر. وفي الحالة المحدودة للقياس اللحظي، يتبين أن تبادل الطاقة الذي يحدث غير مؤكد تمامًا.

إذا تحت ∆ ه ومن ثم يتم فهم عدم اليقين في قيمة الطاقة للحالة غير الثابتة ∆ ر هنالك الوقت المميزحيث تتغير خلالها قيم الكميات الفيزيائية في النظام بشكل كبير. ومن هنا، على وجه الخصوص، يتبع استنتاج مهم فيما يتعلق بالحالات المثارة للذرات والأنظمة الدقيقة الأخرى: لا يمكن تحديد طاقة المستوى المثار بدقة، مما يشير إلى وجود العرض الطبيعيهذا المستوى.

تنعكس الخصائص الموضوعية للأنظمة الكمومية في موقف أساسي آخر لميكانيكا الكم - مبدأ التكامل لبور، بواسطة إن الحصول بأي طريقة تجريبية على معلومات حول بعض الكميات الفيزيائية التي تصف جسمًا مجهريًا يرتبط حتمًا بفقدان معلومات حول بعض الكميات الأخرى بالإضافة إلى الكميات الأولى..

هناك تكامل متبادل، على وجه الخصوص، إحداثيات الجسيم وزخمه (انظر أعلاه - مبدأ عدم اليقين)، والطاقة الحركية والطاقة الكامنة، والتوتر الحقل الكهربائيوعدد الفوتونات.

تشير المبادئ الأساسية لميكانيكا الكم إلى أنه بسبب ازدواجية الموجة الجسيمية للعالم الصغير الذي درسته، فإن حتمية الفيزياء الكلاسيكية غريبة عنها. إن الابتعاد التام عن النمذجة المرئية للعمليات يعطي اهتمامًا خاصًا لمسألة ما هي الطبيعة الفيزيائية لموجات دي برولي. في الإجابة على هذا السؤال، من المعتاد "البدء" من سلوك الفوتونات. ومن المعروف أنه عندما يتم تمرير شعاع الضوء من خلال لوحة شفافة سيمر من خلاله بعض الضوء وينعكس بعضه (الشكل 4).

أرز. 4

ماذا يحدث للفوتونات الفردية؟ تجارب الأشعة الضوئية ذات الشدة المنخفضة جداً باستخدام التقنية الحديثة ( أ- كاشف الفوتون)، الذي يسمح لك بمراقبة سلوك كل فوتون (ما يسمى بوضع عد الفوتون)، يوضح أنه لا يمكن الحديث عن تقسيم فوتون فردي (وإلا فإن الضوء سيغير تردده). لقد ثبت بشكل موثوق أن بعض الفوتونات تمر عبر اللوحة وبعضها ينعكس منها. هذا يعني انه جزيئات متماثلة فيفي ظل نفس الظروف يمكن أن تتصرف بشكل مختلف,أي أنه لا يمكن التنبؤ بسلوك الفوتون الفردي عند مواجهته لسطح اللوحة بشكل لا لبس فيه.

إن انعكاس الفوتون من الصفيحة أو المرور عبرها هي أحداث عشوائية. ويتم وصف الأنماط الكمية لمثل هذه الأحداث بمساعدة نظرية الاحتمالات. يمكن للفوتون مع الاحتمال ث 1 تمر عبر لوحة ومع الاحتمال ث 2 ينعكس منها. احتمال وقوع أحد هذين الحدثين البديلين للفوتون يساوي مجموع الاحتمالات: ث 1 +ث 2 = 1.

تُظهر تجارب مماثلة مع شعاع من الإلكترونات أو الجسيمات الدقيقة الأخرى أيضًا الطبيعة الاحتمالية لسلوك الجسيمات الفردية. هكذا، يمكن صياغة مشكلة ميكانيكا الكم كتنبؤاحتمالات العمليات في العالم المصغر، على النقيض من مشكلة الميكانيكا الكلاسيكية - التنبؤ بموثوقية الأحداث في العالم الكبير.

ومع ذلك، فمن المعروف أن الوصف الاحتمالي يستخدم أيضًا في الفيزياء الإحصائية الكلاسيكية. إذن ما هو الفرق الأساسي؟ للإجابة على هذا السؤال، دعونا نعقد تجربة انعكاس الضوء. باستخدام مرآة س 2 تتكشف الشعاع المنعكس عن طريق وضع الكاشف أ، تسجيل الفوتونات في منطقة تقاطعها مع الحزمة المرسلة، أي سنوفر شروط تجربة التداخل (الشكل 5).

أرز. 5

ونتيجة للتداخل، فإن شدة الضوء، اعتمادًا على موقع المرآة والكاشف، ستتغير بشكل دوري وفقًا لـ المقطع العرضيتتداخل مناطق الشعاع على نطاق واسع (بما في ذلك التلاشي). كيف تتصرف الفوتونات الفردية في هذه التجربة؟ وتبين أنه في هذه الحالة لم يعد المساران البصريان للكاشف بديلين (ينافيان بعضهما البعض)، وبالتالي من المستحيل تحديد المسار الذي سلكه الفوتون من المصدر إلى الكاشف. علينا أن نفترض أنه يمكن أن يدخل الكاشف في وقت واحد بطريقتين، ليشكل في النهاية نمط التداخل. التجارب مع الجسيمات الدقيقة الأخرى تعطي نتيجة مماثلة: تمرير الجسيمات على التوالي يخلق نفس الصورة مثل تدفق الفوتونات.

وهذا فرق جوهري عن المفاهيم الكلاسيكية: من المستحيل تخيل حركة الجسيم على مسارين مختلفين في وقت واحد. ومع ذلك، فإن ميكانيكا الكم لا تطرح مثل هذه المشكلة. ويتنبأ بالنتيجة بأن النطاقات الضوئية سيكون لها احتمال كبير لظهور الفوتون.

تشرح البصريات الموجية بسهولة نتيجة تجربة التداخل باستخدام مبدأ التراكب، والذي بموجبه يتم إضافة موجات الضوء مع مراعاة العلاقة بين أطوارها. بمعنى آخر، تتم إضافة الموجات أولاً في السعة مع مراعاة اختلاف الطور، ويتم تشكيل توزيع دوري للسعة، ثم يسجل الكاشف الكثافة المقابلة (والتي تتوافق مع العملية الرياضية لمعامل التربيع، أي معلومات حول الطور التوزيع مفقود). في هذه الحالة، يكون توزيع الشدة دوريًا:

أنا = أنا 1 + أنا 2 + 2 أ 1 أ 2 كوس (φ 1 – φ 2 ),

أين أ , φ , أنا = | أ | 2 –السعة,مرحلةو شدةالموجات، على التوالي، والمؤشرات 1، 2 تشير إلى انتمائها إلى الأولى أو الثانية من هذه الموجات. ومن الواضح أنه في أ 1 = أ 2 و كوس (φ 1 – φ 2 ) = – 1 قيمة الشدة أنا = 0 ، والذي يتوافق مع الانقراض المتبادل لموجات الضوء (مع تراكبها وتفاعلها في السعة).

لتفسير الظواهر الموجية من وجهة نظر جسيمية، تم نقل مبدأ التراكب إلى ميكانيكا الكم، أي تم تقديم المفهوم سعات الاحتمال - قياساً على الموجات الضوئية: Ψ = أ إكسب (أناφ ). وهذا يعني أن الاحتمال هو مربع هذه القيمة (modulo)، أي. دبليو = |Ψ| 2 تسمى سعة الاحتمالية في ميكانيكا الكم وظيفة الموجة . تم تقديم هذا المفهوم في عام 1926 من قبل الفيزيائي الألماني م. بورن، وبالتالي العطاء التفسير الاحتماليموجات دي برولي. إن إرضاء مبدأ التراكب يعني أنه إذا Ψ 1 و Ψ 2 - سعة احتمال مرور جسيم بالمسارين الأول والثاني، فإن سعة الاحتمال عند المرور بالمسارين يجب أن تكون: Ψ = Ψ 1 + Ψ 2 . ومن ثم فإن العبارة القائلة بأن "الجسيم سافر في مسارين" تأخذ رسميًا معنى موجيًا واحتمالًا دبليو = |Ψ 1 + Ψ 2 | 2 يعرض الممتلكات توزيع التداخل.

هكذا، الكمية التي تصف الحالة النظام الماديفي ميكانيكا الكم، هي الدالة الموجية للنظام بافتراض صحة مبدأ التراكب. فيما يتعلق بالدالة الموجية، تمت كتابة المعادلة الأساسية لميكانيكا الموجة - معادلة شرودنغر. ولذلك، فإن إحدى المهام الرئيسية لميكانيكا الكم هي العثور على الدالة الموجية المقابلة لحالة معينة من النظام قيد الدراسة.

من المهم أن يكون وصف حالة الجسيم باستخدام الدالة الموجية احتماليًا بطبيعته يحدد مربع معامل الدالة الموجية احتمالية العثور على جسيم فيها هذه اللحظةالوقت في كمية محدودة معينة. هكذا تختلف نظرية الكم بشكل أساسي عن الفيزياء الكلاسيكية بحتميتها.

في وقت ما، كانت الميكانيكا الكلاسيكية تدين بمسيرتها المظفرة إلى الدقة العالية في التنبؤ بسلوك الأجسام الكبيرة. بطبيعة الحال، لفترة طويلة كان هناك رأي بين العلماء بأن التقدم في الفيزياء والعلوم بشكل عام سيكون مرتبطا بشكل متكامل بزيادة دقة وموثوقية هذا النوع من التنبؤات. أدى مبدأ عدم اليقين والطبيعة الاحتمالية لوصف الأنظمة الدقيقة في ميكانيكا الكم إلى تغيير وجهة النظر هذه بشكل جذري.

ثم بدأت تظهر حالات متطرفة أخرى. وبما أن مبدأ عدم اليقين يعني استحالة متزامنةتحديد الموقف والزخميمكننا أن نستنتج أن حالة النظام في اللحظة الأولى من الزمن لا يتم تحديدها بدقة، وبالتالي لا يمكن التنبؤ بالحالات اللاحقة، أي أنها تنتهك مبدأ السببية.

ومع ذلك، فإن مثل هذا البيان ممكن فقط مع وجهة نظر كلاسيكية للواقع غير الكلاسيكي. في ميكانيكا الكم، يتم تحديد حالة الجسيم بالكامل بواسطة الدالة الموجية. وقيمتها المحددة لنقطة زمنية معينة تحدد قيمها اللاحقة. وبما أن السببية تعمل كأحد مظاهر الحتمية، فمن المستحسن في حالة ميكانيكا الكم الحديث عن الحتمية الاحتمالية، بناءً على القوانين الإحصائية، أي توفير دقة أعلى كلما تم تسجيل المزيد من الأحداث من نفس النوع. ولذلك، فإن المفهوم الحديث للحتمية يفترض مسبقا مزيجا عضويا، وحدة جدلية ضروريو فرصة.

ومن ثم كان لتطور ميكانيكا الكم أثر ملحوظ على تقدم الفكر الفلسفي. من الناحية المعرفية، سبق ذكره مبدأ المراسلات، التي صاغها ن. بور عام 1923 وبموجبها أي جديد، أكثر النظرية العامةوهو تطوير للنظرية الكلاسيكية، لا يرفضها تماما، بل يشمل النظرية الكلاسيكية، مبينا حدود تطبيقها والانتقال إليها في حالات محددة معينة.

من السهل أن نرى أن مبدأ المراسلات يوضح تمامًا علاقة الميكانيكا الكلاسيكية والديناميكا الكهربائية مع النظرية النسبية وميكانيكا الكم.