Чтение онлайн

где c1 и c2 — комплексные числа:

, .

Принципиальная суть явления при этом не изменяется. Характер явления не зависит также от общей интенсивности. Если увеличить y в С раз, то интенсивность увеличится в |С|2 раз, т. е. |С|2 будет общим множителем в формуле распределения интенсивностей. Число С можно считать как комплексным, так и действительным, физические результаты не содержат фазы числа С — она произвольна.

Для интерпретации волновых явлений с корпускулярной точки зрения необходимо перенесение принципа суперпозиции в К. м. Поскольку К. м. имеет дело не с интенсивностями, а с вероятностями, следует ввести амплитуду вероятности y = Aeij, полагая (по аналогии с оптическими волнами), что вероятность w = |cy|2 = |c|y*y. Здесь с — число, называемое нормировочным множителем, который должен быть подобран так, чтобы суммарная вероятность обнаружения частицы во всех возможных местах равнялась 1, т. е.

. Множитель с определён только по модулю, фаза его произвольна. Нормировочный множитель важен только для определения абсолютной вероятности; относительные вероятности определяются амплитудами вероятности в произвольной нормировке. Амплитуда вероятности называются в К. м. также волновой функцией.

Амплитуды вероятности (как оптические амплитуды) удовлетворяют принципу суперпозиции: если y1 и y2 — амплитуды вероятности прохождения частицы соответственно первым и вторым путём, то амплитуда вероятности для случая, когда осуществляются оба пути, должна быть равна y = y1+y2. Тем самым фраза: «частица прошла двумя путями» приобретает волновой смысл, а вероятность w = |y1+y2|2 обнаруживает интерференционные свойства.

Следует подчеркнуть различие в смысле, вкладываемом в принцип суперпозиции в оптике (и др. волновых процессах) и К. м. Сложение (суперпозиция) обычных волн не противоречит наглядным представлениям, т.к. каждая из волн представляет возможный тип колебаний и суперпозиция соответствует сложению этих колебаний в каждой точке. В то же время квантовомеханические амплитуды вероятности описывают альтернативные (с классической точки зрения, исключающие друг друга) движения (например, волны y1 и y2 соответствуют частицам, приходящим в детектор двумя различными путями). С классической точки зрения, сложение таких движений представляется совершенно непонятным. В этом проявляется отсутствие наглядности квантовомеханического принципа суперпозиции. Избежать формального логического противоречия квантовомеханического принципа суперпозиции (возможность для частицы пройти одновременно двумя путями) позволяет вероятностная интерпретация. Постановка опыта по определению пути частицы (см. выше) приведёт к тому, что с вероятностью |y1|2 частица пройдёт первым и с вероятностью |y2|2 — вторым путём. Суммарное распределение частиц на экране будет определяться вероятностью |y1|2 + |y2|2, т. е. интерференция исчезнет.

Т. о., рассмотрение интерференционного опыта приводит к следующему выводу. Величиной, описывающей состояние физической системы в К. м., является амплитуда вероятности, или волновая функция, системы. Основная черта такого квантовомеханического описания — предположение о справедливости принципа суперпозиции состояний.

Принцип суперпозиции — основной принцип К. м. В общем виде он утверждает, что если в данных условиях возможны различные квантовые состояния частицы (или системы частиц), которым соответствуют волновые функции y1, y2,..., yi,..., то существует и состояние, описываемое волновой функцией

,

где ci — произвольные комплексные числа. Если yi описывают альтернативные состояния, то |ci|2 определяет вероятность того, что система находится в состоянии с волновой функцией yi, и

Волны де Бройля и соотношение неопределённостей. Одна из основных задач К. м. — нахождение волновой функции, отвечающей данному состоянию изучаемой системы. Рассмотрим решение этой задачи на простейшем (но важном) случае свободно движущейся частицы. Согласно де Бройлю, со свободной частицей, имеющей импульс р связана волна с длиной l = h/p. Это означает, что волновая функция свободной частицы y(х) — волна де Бройля — должна быть такой функцией координаты х, чтобы при изменении х на l волновая функция y возвращалась к прежнему значению. Этим свойством обладает функция ei2px/l. Если ввести величину k = 2p/l, называемую волновым числом, то соотношение де Бройля примет вид:

. Т. о., если частица имеет определённый импульс р, то её состояние описывается волновой функцией

, (5)

где С — постоянное комплексное число. Эта волновая функция обладает замечательным свойством: квадрат её модуля |y1|2 не зависит от х, т. е. вероятность нахождения частицы, описываемой такой волновой функцией, в любой точке пространства одинакова. Другими словами, частица со строго определённым импульсом совершенно нелокализована. Конечно, это идеализация — полностью нелокализованных частиц не существует. Но в той же мере идеализацией является и волна со строго определённой длиной волны, а следовательно, и строгая определённость импульса частицы. Поэтому точнее сказать иначе: чем более определённым является импульс частицы, тем менее определенно её положение (координата). В этом заключается специфический для К. м. принцип неопределённости. Чтобы получить количественное выражение этого принципа — соотношение неопределённостей, рассмотрим состояние, представляющее собой суперпозицию некоторого (точнее, бесконечно большого) числа де-бройлевских волн с близкими волновыми числами, заключёнными в малом интервале Dk. Получающаяся в результате суперпозиции волновая функция y(х) (она называется волновым пакетом) имеет такой характер: вблизи некоторого фиксированного значения x все амплитуды сложатся, а вдали от x (|х — x| >> l) будут гасить друг друга из-за большого разнобоя в фазах. Оказывается, что практически такая волновая функция сосредоточена в области шириной Dх, обратно пропорциональной интервалу Dk, т. е. Dх » 1/Dk, или

 (где  — неопределённость импульса частицы). Это соотношение и представляет собой соотношение неопределённостей Гейзенберга.

Математически любую функцию y(х) можно представить как наложение простых периодических волн — это известное Фурье преобразование, на основании свойств которого соотношение неопределённостей между Dх и Dk получается математически строго. Точное соотношение имеет вид неравенства DхDk ³ 1/2, или

, (6)

причём под неопределённостями Dр и Dх понимаются дисперсии, т. е. среднеквадратичные отклонения импульса и координаты от их средних значений. Физическая интерпретация соотношения (6) заключается в том, что (в противоположность классической механике) не существует такого состояния, в котором координата и импульс частицы имеют одновременно точные значения. Масштаб неопределённостей этих величин задаётся постоянной Планка

, в этом заключён важный смысл этой мировой постоянной. Если неопределённости, связанные соотношением Гейзенберга, можно считать в данной задаче малыми и пренебречь ими, то движение частицы будет описываться законами классической механики (как движение по определённой траектории).

Принцип неопределённости является фундаментальным принципом К. м., устанавливающим физическое содержание и структуру её математического аппарата. Кроме этого, он играет большую эвристическую роль, т.к. многие результаты К. м. могут быть получены и поняты на основе комбинации законов классической механики с соотношением неопределённостей. Важным примером является проблема устойчивости атома, о которой говорилось выше. Рассмотрим эту задачу для атома водорода. Пусть электрон движется вокруг ядра (протона) по круговой орбите радиуса r со скоростью u. По закону Кулона сила притяжения электрона к ядру равна e2/r2, где е — абсолютная величина заряда электрона, а центростремительное ускорение равно u2/r. По второму закону Ньютона mu2r = e2/r2, где m — масса электрона. Отсюда следует, что радиус орбиты r = е2/mu2 может быть сколь угодно малым, если скорость u достаточно велика. Но в К. м. должно выполняться соотношение неопределённостей. Если допустить неопределённость положения электрона в пределах радиуса его орбиты r, а неопределённость скорости — в пределах u, т. е. импульса в пределах Dр = mu, то соотношение неопределённостей примет вид:

. Воспользовавшись связью между u и r, определяемой законом Ньютона, получим  и . Следовательно, движение электрона по орбите с радиусом, меньшим  см, невозможно, электрон не может упасть на ядро — атом устойчив. Величина r и является радиусом атома водорода («боровским радиусом»). Ему соответствует максимально возможная энергия связи атома E (равная полной энергии электрона в атоме, т. е. сумме кинетической энергии mu2/2 и потенциальной энергии — e2/r, что составляет E » -13,6 эв), определяющая его минимальную энергию — энергию основного состояния.

Т о., квантовомеханические представления впервые дали возможность теоретически оценить размеры атома (выразив его радиус через мировые постоянные

, m, е). «Малость» атомных размеров оказалась связанной с тем, что «мала» постоянная

.

Примечательно, что современные представления об атомах, обладающих вполне определёнными устойчивыми состояниями, оказываются ближе к представлениям древних атомистов, чем основанная на законах классической механики планетарная модель атома, позволяющая электрону находиться на любых расстояниях от ядра.