Чтение онлайн

Возвращаясь от наблюдений к нашим ощущениям, мы ещё раз должны учитывать квантовый постулат в связи с восприятием средства наблюдения — будет ли это путём непосредственного действия на глаз или с помощью соответствующего вспомогательного средства, как фотографическая пластинка, камера Вильсона и т. д. Однако легко видеть, что привносимый при этом статистический элемент не будет влиять на неопределённость в описании объекта. Можно было бы даже предполагать, что произвол в том, что считать объектом и что — средством наблюдения, открывает возможность совершенно избежать этой неопределённости. В связи с измерением положения частицы можно, например, поставить вопрос: нельзя ли определить импульс, передаваемый при рассеянии, с помощью закона сохранения импульса по измерению изменения импульса, испытываемого микроскопом (вместе с источником света и фотографической пластинкой) во время процесса наблюдения. Однако более подробное исследование показывает, что такое измерение невозможно, если мы одновременно хотим знать с достаточной точностью положение микроскопа. В самом деле, из опытов, которые нашли выражение в волновой теории материи, следует, что положение центра тяжести какого-либо тела и его полный импульс могут быть определены только в пределах точности, задаваемых формулой (2).

Строго говоря, понятие наблюдения принадлежит именно причинному пространственно-временному способу описания. Однако вследствие общего характера соотношений (2) это понятие может быть последовательно применено и в квантовой теории, если только принять во внимание неопределённость, выражаемую этими соотношениями. Как было отмечено Гейзенбергом, можно получить поучительную иллюстрацию квантово-теоретического описания атомных (микроскопических) явлений, сравнивая эту неопределённость с неопределённостью, обусловленной несовершенством измерений, свойственным любому наблюдению при обычном описании явлений природы. Он замечает в этой связи, что даже в случае макроскопических явлений можно в некотором смысле сказать, что они возникают вследствие повторных наблюдений. Однако нельзя забывать, что в классических теориях каждое последующее наблюдение позволяет предсказать будущие события со всё возрастающей точностью, так как это улучшает наше знание начального состояния системы. Согласно квантовой теории, именно невозможность пренебречь взаимодействием с измерительными средствами означает, что каждое наблюдение вводит новый неконтролируемый элемент. В самом деле, из предыдущего рассмотрения видно, что измерение пространственных координат частицы сопровождается не только конечным изменением динамических переменных; фиксация её положения означает также полный разрыв с причинным описанием её динамического поведения, тогда как определение импульса частицы всегда предполагает отсутствие знаний о её пространственно-временной эволюции. Эта ситуация чрезвычайно ясно показывает дополнительный характер описания атомных явлений, который выступает как неизбежное следствие противоречия между квантовым постулатом и разграничением объекта и средства наблюдения, свойственным самой идее наблюдения.

§ 4. Принцип соответствия и матричная теория

До сих пор мы рассматривали только некоторые общие черты квантовой проблемы. Однако суть дела заключается в том, что особое значение имеет формулировка законов взаимодействия объектов, символизированных абстрактными образами изолированных частиц и излучения. Отправные пункты такой формулировки дала прежде всего проблема строения атома. Здесь, как известно, оказалось возможным осветить существенные аспекты экспериментальных данных путём элементарного использования классических понятий в сочетании с квантовым постулатом. Например, опыты с возбуждением спектров электронным ударом или излучением находят адекватное объяснение на основе предположения о дискретных стационарных состояниях и индивидуальных процессах перехода. Это прежде всего обусловлено тем обстоятельством, что в этих вопросах не требуется более детального описания пространственно-временного поведения процессов.

Здесь отличие от обычного способа описания проявляется особенно резко в том обстоятельстве, что спектральные линии, которые с классической точки зрения должны быть приписаны одному и тому же состоянию атома, согласно квантовому постулату соответствуют отдельным процессам перехода, между которыми выбирает возбуждённый атом. Однако, несмотря на это противоречие, можно установить формальную связь с классическими представлениями в пределе, когда асимптотически исчезает относительное различие свойств соседних стационарных состояний и когда при статических применениях можно пренебречь прерывностями. Благодаря такой связи стало возможным истолковать в широких пределах закономерности в спектрах на основе наших представлений о строении атома.

Стремление рассматривать квантовую теорию как рациональное обобщение классических теорий привело к установлению так называемого принципа соответствия. Использование этого принципа для интерпретации спектроскопических результатов основывалось на символическом применении классической электродинамики, в котором каждому процессу перехода сопоставлялась одна из гармонических компонент движения атомной частицы, ожидаемых согласно обычной механике. За исключением упомянутого предела, когда можно пренебречь относительным различием соседних стационарных состояний, такое частичное применение классических теорий могло бы только в некоторых случаях привести к строгому количественному описанию явлений. В этом отношении особенно следует упомянуть о связи, установленной Ладенбургом и Крамерсом, между классической трактовкой дисперсии и статистическими законами, сформулированными Эйнштейном для процессов перехода, связанных с излучением. Хотя теория дисперсии Крамерса привела к выводам, весьма важным для рациональной разработки идеи соответствия, только благодаря квантово-теоретическим методам, созданным за последние несколько лет, общие стремления, заложенные в упомянутом принципе, получили адекватную формулировку.

Как известно, новое развитие квантовой теории началось с фундаментальной работы Гейзенберга, в которой ему удалось полностью освободиться от классического понятия движения и с самого начала заменить обычные кинематические и механические величины символами, относящимися непосредственно к индивидуальным процессам, требуемым квантовым постулатом. Это было достигнуто заменой разложения классически-механических величин в ряд Фурье некоторой матричной схемой, элементы которой символизируют чисто гармонические колебания и ассоциируются с возможными переходами между стационарными состояниями. На основании требования, чтобы частоты, сопоставленные элементам этой матрицы, всегда удовлетворяли комбинационному принципу спектральных линий, Гейзенберг смог ввести простые правила расчёта для этих символов, позволяющие непосредственно перенести основные уравнения классической механики на язык квантовой теории. Этот остроумный переход к динамической проблеме в атомной теории с самого начала оказался исключительно сильным и плодотворным методом количественной интерпретации экспериментальных результатов. Благодаря работам Борна и Иордана, а также Дирака теория получила формулировку, которая могла конкурировать с классической механикой в отношении общности и законченности. Особенно примечательно, что такой элемент, характерный для квантовой теории, как постоянная Планка, входит в явной форме только в правила расчётов над символами (так называемыми матрицами). Матрицы, соответствующие канонически сопряженным переменным в смысле уравнений Гамильтона, не подчиняются закону коммутативности относительно умножения; вместо этого для двух таких величин q и p справедливо следующее правило перестановки:

pq-qp

=

– 1

h

2

.

(3)

Это соотношение действительно ярко выражает символический характер матричной формулировки квантовой теории. Матричную теорию часто называют исчислением с непосредственно наблюдаемыми величинами. Однако следует помнить, что описанный прием ограничивается только такими проблемами, в которых при применении квантового постулата возможен в большой мере отказ от пространственно-временного описания, и поэтому вопрос о наблюдении в собственном смысле отходит на задний план.

Для дальнейшего прослеживания соответствия квантовых законов и классической механики особое значение имело подчёркивание статистического характера квантового описания, который обусловлен квантовым постулатом. В этом отношении благодаря обобщению символических методов Дираком и Иорданом был достигнут большой прогресс, сделавший возможным оперирование с матрицами, элементы которых расположены не по стационарным состояниям, но в которых допустимые значения любого набора переменных могут входить в качестве индексов матричных элементов. Аналогично тому, как в первоначальной теории «диагональные элементы», связанные только с одним стационарным состоянием, могли интерпретироваться как средние по времени значения изображаемых величин, общая теория преобразований матриц допускает представление таких средних значений некоторой механической величины, причём при вычислении этих средних некоторый набор переменных, характеризующих «состояние» системы, имеет данные значения, в то время как канонически сопряженные переменные могут принимать все возможные значения. На основе метода, разработанного этими авторами, и в тесной связи с идеями Борна и Паули Гейзенберг попытался в уже цитированной работе дать более детальный анализ физического содержания квантовой теории и особенно на первый взгляд парадоксального перестановочного соотношения (3). В связи с этим он сформулировал соотношение

qp

~

h

(4)

как общее выражение для максимально возможной точности, с которой могут одновременно наблюдаться две канонически сопряженные переменные. Таким путём Гейзенберг смог выяснить многие, парадоксы, возникавшие при применении квантового постулата, и доказать в широких пределах непротиворечивость символического метода. В связи с дополнительной природой квантово-теоретического описания мы должны, как уже отмечалось, постоянно иметь в виду возможности определения и наблюдения. Именно при обсуждении этого вопроса метод волновой механики, развитый Шредингером, как увидим, оказал большую помощь. Этот метод допускает общее применение принципа суперпозиции также в проблеме взаимодействия и, таким образом, позволяет установить непосредственную связь с обсуждавшимися выше соображениями об излучении и свободных частицах. В дальнейшем мы вернёмся к связи волновой механики с общей формулировкой квантовых законов при помощи теории преобразования матриц.

§ 5. Волновая механика и квантовый постулат

Уже в своих первоначальных соображениях о волновой теории материальных частиц де Бройль указал, что стационарные состояния атома могут рассматриваться как интерференционный эффект фазовых волн, сопоставленных связанному электрону. Верно, что эта точка зрения вначале давала в количественном отношении не больше, чем старые методы квантовой теории, в развитие которых столь существенный вклад внёс Зоммерфельд. Однако Шредингеру удалось развить метод волновой механики, открывший новые аспекты и имевший решающее значение для огромного прогресса атомной теории в последние годы. В самом деле, было найдено, что собственные колебания волнового уравнения Шредингера дают представление стационарных состояний атома, отвечающее всем требованиям. При этом энергия каждого состояния связана с соответствующим периодом колебания общим квантовым соотношением (1). Кроме того, число узлов различных собственных колебаний даёт простую интерпретацию понятия квантового числа, которое было известно уже из старых методов, но сначала казалось исчезнувшим в матричной формулировке. Далее Шредингер смог связать с решениями волнового уравнения непрерывное распределение электрического заряда и тока, которые в применении к некоторому собственному колебанию представляют электростатические и магнитные свойства атома в соответствующем стационарном состоянии. Аналогичным образом, суперпозиция двух собственных решений соответствует непрерывному колеблющемуся распределению электрического заряда. При этом возникающее согласно классической электродинамике излучение служит поучительной иллюстрацией к следствиям квантового постулата и требованиям соответствия в отношении процесса перехода между двумя стационарными состояниями, сформулированными в матричной механике. Другое приложение метода Шредингера, важное для дальнейшего развития, дал Борн в своем исследовании столкновений атомов и свободных электрических частиц. В связи с этим ему удалось установить статистическую интерпретацию волновой функции, которая позволяет вычислить вероятность индивидуальных процессов перехода, требуемых квантовым постулатом. Это заключает в себе волновомеханическую формулировку адиабатического принципа Эренфеста, плодотворность которого особенно ясно следует из многообещающих исследований Хунда по проблеме образования молекул.

Благодаря этим результатам Шредингер выразил надежду, что развитие волновой теории, быть может, позволит в конце концов устранить иррациональные элементы, выражаемые квантовым постулатом, и открыть путь для полного описания атомных явлений, соответствующего основным чертам классических теорий. В подтверждение такого взгляда в недавно появившейся работе 4 Шредингер подчеркнул, что дискретный обмен энергией между атомами, требуемый квантовым постулатом, с точки зрения волновой теории заменяется простым резонансом. В частности, представление об индивидуальных стационарных состояниях оказалось бы фикцией и его применимость служила бы только иллюстрацией упомянутого резонанса. Однако мы должны принимать во внимание, что в этой проблеме резонанса речь идёт о замкнутой системе, которая, согласно изложенной здесь точке зрения, не поддаётся никакому наблюдению. Действительно, с этой точки зрения волновая механика, как и матричная теория, представляет собой символическое толкование проблемы движения в классической механике, приспособленное к требованиям квантовой теории и поддающееся интерпретации только при явном использовании квантового постулата. В самом деле, можно сказать что обе формулировки проблемы взаимодействия являются дополнительными в том же самом смысле, как волновое и корпускулярное представления в описании свободных объектов. С этим различием в исходных пунктах как раз и связано кажущееся противоречие в применении энергетического аспекта в обеих теориях.