Согласно принципу соответствия, соотношения величин но­вой теории должны быть аналогичными соотношениям клас­сических величин. При этом каждой классической величине нужно найти соответствующую ей квантовую величину и со­ставить соответствующие соотношения между найденными квантовыми величинами. Такие соответствия могут быть полу­чены только из операций измерения. Анализируя закономер­ности измерения величин в квантовой механике, Гейзенберг приходит к важному принципиальному результату о невозмож­ности одновременного точного измерения двух канонически со­пряженных величин и устанавливает так называемое соотно­шение неопределенностей:

где - точность измерения какой-либо из координат частицы; - точность одновременного измерения соответствующего импульса; h - постоянная Планка. Этот принцип является осно­вой физической интерпретации квантовой механики, ее матема­тического аппарата, играет большую эвристическую роль.

Второе направление в создании квантовой механики опира­лась на идею Л. де Бройля о волновой природе материальных частиц. На первые работы де Бройля, в которых высказывалась идея волн, связанных с материальными частицами, не обрати­ли серьезного внимания. Де Бройль впоследствии писал, что высказанные им идеи были приняты с «удивлением, к которому несомненно примешивалась какая-то доля скептицизма». Но не все скептически отнеслись к идеям де Бройля. Особенно сильное влияние эти идеи оказали на Э. Шрёдингера, который увидел в них основу для создания волнового варианта теории квантовых процессов. В 1926 г. Шрёдингер, развивая идеи де Бройля, построил так называемую волновую механику, в осно­ве которой представление о том, что квантовые процессы сле­дует понимать как некие волновые процессы, характеризуемые волновой функцией у. Функция ц/ определяется дифференци­альным уравнением («уравнение Шрёдингера»). Уравнение Шрёдингера описывает изменение во времени состояния кван­товых объектов, характеризуемых волновой функцией. Если из­вестна волновая функция в некоторый начальный момент, to с помощью уравнения Шрёдингера можно найти волновую функ­цию в любой последующий момент времени t .

Кроме того, Шрёдингер поставил вопрос о связи его теории с теорией Гейзенберга и показал, что при всем различии исходных физических положений они математически эквивалентны. Ина­че говоря, в квантовой механике разница между полем и систе­мой частиц исчезает. Например, электрон, вращающийся вокруг ядра, можно представить как волну, длина которой зависит от ее скорости. Там, где укладывается целое число длин волн электро­на, волны складываются и образуют боровские разрешенные ор­биты. А там, где целое число длин волн не укладывается, гребни волн компенсируют впадины и орбиты не будут разрешены. Это также означает, что образ материальной точки, занимающей оп­ределенное место в пространстве, строго говоря, является при­ближенным и может быть сохранен только при рассмотрении мак­ропроцессов, подобно тому как мы пользуемся представлением о световом луче, которое теряет смысл, если рассматривать явле­ния дифракции и интерференции.

Математический аппарат квантовой механики оказался логи­чески непротиворечивым, строгим и изящным, а отношения меж­ду математическими и физическими величинами устанавливаются строго и четко. Основные понятия квантовой механики - «кван­товое состояние», «вектор состояния», «оператор» и др. Возмож­ности аппарата квантовой механики возросли, когда анализ спект­ров атомов привел к представлению о том, что электрону (и всем элементарным частицам) кроме заряда и массы присуща еще одна внутренняя характеристика - спин (собственный момент коли­чества движения, имеющий квантовую природу). Представление о спине позволило В. Паули (1925) сформулировать принцип запрета (согласно которому в произвольной физической системе не может быть двух электронов, находящихся в одном и том же квантовом со­стоянии), который имел фундаментальное значение для построения теории атома, квантовой химии, теории твердого тела и др.

За относительно короткое время (нерелятивистская) кванто­вая механика нашла применение при решении большого круга теоретических и практических задач. Прежде всего это касается объяснения строения атомов и молекул, периодической системы элементов, химической связи. С помощью квантовой теории уда­лось построить также более совершенные теории твердого тела, электрической проводимости, термоэлектрических явлений, фер­ромагнетизма и т.д. Она позволила построить теорию радиоактив­ного распада, а в дальнейшем стала базой для ядерной физики и ядерной энергетики.

Вслед за основополагающими работами Шрёдингера по вол­новой механике были предприняты первые попытки релятивист­ского обобщения квантово-механических закономерностей, и уже в 1928 г. П. Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.

Параллельно со становлением квантовой механики открыва­лись новые элементарные частицы. К открытию в конце XIX в. первой элементарной частицы — электрона - добавились откры­тия фотона (теоретически предсказан А. Эйнштейном, 1905, экс­периментально обнаружен Р. Милликеном, 1915), протона (Э. Ре-зерфорд, 1919), нейтрона (Дж. Чедвик, 1932), позитрона (К. Ан­дерсон, 1932), мюонов (К. Андерсон и др., 1936); в 1930 г. В.Паули было предсказано существование нейтрино, - частицы, которая была экспериментально обнаружена лишь в 1953 г. Вместе с тем до Второй мировой войны открытие новых элементарных час­тиц (в основном в космических лучах) рассматривалось как за­кономерное уточнение квантовой картины материи, которое не несет в себе принципиальных неожиданностей. Ситуация резко изменилась в конце 1940-х - начале 1950-х гг., когда с создани­ем ускорителей заряженных частиц исследования в этой облас­ти получили дополнительный импульс и развернулись широким фронтом.

Проблема интерпретации квантовой механики. Принцип дополнительности.

Созданный группой физиков в 1925—1927 гг. формальный математический аппарат квантовой механики убе­дительно продемонстрировал свои широкие возможности по ко­личественному охвату значительного эмпирического материала; не оставалось сомнений, что квантовая механика пригодна для описания широкого круга явлений. Вместе с тем квантовая меха­ника существенно отличается и от классической механики, и от релятивистской физики по многим параметрам. Среди них: ис­ключительная абстрактность квантово-механических формализ­мов, вероятностно-статистический характер описания, замена ди­намических закономерностей статистическими, замена кинема­тических и динамических переменных абстрактными символами некоммутативной алгебры, отсутствие понятий траектории, элек­тронной орбиты, активная роль прибора, выделяющего микро­объект как волну или как частицу, необходимость интерпретации формализмов и др. Все это рождало ощущение незавершенности, неполноты новой теории. Возникла дискуссия о том, каким обра­зом завершать разработку квантовой механики.

А. Эйнштейн и ряд физиков считали, что квантово-механическое описание физической реальности существенно неполно. Ина­че говоря, созданная теория не является фундаментальной, теори­ей, а лишь промежуточной ступенью по отношению к ней, поэто­му квантовую механику необходимо дополнить принципиально новыми постулатами и понятиями, т.е. дорабатывать ту часть ос­нований новой теории, которая связана с ее принципами.

Другие физики (Н. Бор, В. Гейзенберг, М. Борн и др.) счи­тали, что новая теория является фундаментальной и дает пол­ное описание физической реальности, а «прояснить положение вещей можно было здесь только путем более глубокого иссле­дования проблемы наблюдений в атомной физике»¹ . Иначе го­воря, Бор и его единомышленники полагали, что «доработку» квантовой механики следует вести по линии уточнения той ча­сти ее оснований, которые связаны не с принципами теории, а с ее методологическими установками, по линии интерпретации созданного математического формализма. Разработка методо­логических установок квантовой механики, являвшаяся важнейшим звеном в интерпретации этой теории, продолжалась вплоть до конца 1940-х гг. Завершение выработки этой интер­претации означало и завершение научной революции в физи­ке, начавшейся в конце XIX в.

Основной отличительной особенностью экспериментальных исследований в области квантовой механики является фундамен­тальная роль взаимодействия между физическим объектом и из­мерительным устройством. Это связано с корпускулярно-волновым дуализмом. И свет, и частицы проявляют в различных усло­виях противоречивые свойства, в связи с чем о них возникают противоречивые представления. В измерительных приборах од­ного типа (дифракционная решетка) они представляются в виде непрерывного поля, распределенного в пространстве. В приборах другого типа (пузырьковая камера) эти же микроявления высту­пают как частицы, как материальные точки. Причина корпуску-лярно-волнового дуализма, по Бору, в том, что сам микрообъект не является ни волной, ни частицей в обычном понимании.

Невозможность провести резкую границу между объектом и прибором в квантовой физике выдвигает две задачи: 1) каким образом можно отличить знания об объекте от знаний о приборе; 2) каким образом, различив их, связать в единую картину теорию объекта.

Вследствие того что сведения о микрообъекте, о его характерис­тиках получают в результате его взаимодействия с классическим прибором (макрообъектом), микрообъект можно интерпретировать только в классических понятиях, т. е. использовать классические представления о волне и частице. Мы как бы вынуждены гово­рить на классическом языке, хотя с его помощью нельзя выразить все особенности микрообъекта, который не является классичес­ким. Поэтому первая задача разрешается введением требования описывать поведение прибора на языке классической физики, а принципиально статистическое поведение микрочастиц - на языке квантово-механических формализмов. Вторая задача разрешает­ся с помощью принципа дополнительности: волновое и корпуску­лярное описания микропроцессов не исключают и не заменяют, а взаимно дополняют друг друга. При одном представлении микро­объекта используется причинное описание соответствующих про­цессов, в другом случае - пространственно-временное. Единая картина объекта синтезирует эти два описания.

Список литературы

Аистов Илья Алексеевич
Концепции современного естествознания: [физика : химия : биология : геология] / Аистов Илья Алексеевич , Голиков Павел Александрович; Зайцев Владимир Викторович. - М. [и др. ]: Питер , 2005. - 204, [1] с.

Горелов Анатолий Алексеевич
Концепции современного естествознания: учеб. пособие для вузов / Горелов Анатолий Алексеевич. - М.: АСТ : Астрель , 2004. - 380, [2] с.

Карпенков Степан Харланович
Концепции современного естествознания: Практикум: Учеб. пособие для вузов / Карпенков Степан Харланович. - 2-е изд. , пеpеpаб. , доп. - М.: Высшая школа , 2002. - 252 с.

Мотылева Л. С.
КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСВОЗНАНИЯ: Учеб для вузов / Мотылева Л. С. , Скоробогатов В. А. ; Судариков А. М. - СПб.: Союз , 2000. - 320с.

Самыгин С. И.
Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для вузов / Самыгин С. И. , Басаков М. И. ; Голубинцев В. О. ; Зарубин А. Г. ; Любченко В. С.; Под ред. С. И. Самыгина. - 4-е изд. , пеpеpаб. , доп. - Ростов н /Д: Феникс , 2003. - 447 с

Соломатин Владимир Алексеевич
История и концепции современного естествознания: Учеб. для студентов вузов по геол. , геодез. и горн. направлениям и спец / Соломатин Владимир Алексеевич. - М.: ПЕР СЭ , 2002. - 463, [1] с.-( Современное образование). - Лит. : с. 452 - 453. - Указ. имен: с. 454 - 459.

Солопов Е. Ф.
Концепции современного ествествознания: Учеб. пособие для вузов / Солопов Е. Ф. - М.: Владос-Пресс , 2003. - 232с.

Стрельник Ольга Николаевна
Концепции современного естествознания: Крат. курс лекций / Стрельник Ольга Николаевна. - М.: Юрайт , 2003. - 221 c.

Хорошавина Светлана Георгиевна
Концепции современного естествознания: Курс лекций: Учеб. пособие для вузов / Хорошавина Светлана Георгиевна. - 3-е изд. , испp. - Ростов н /Д: Феникс , 2003. - 478 с

Шаталов Сергей Владимирович
Концепции современного естествознания: Практикум: Учеб. пособие для вузов / Шаталов Сергей Владимирович. - Ростов н /Д: Феникс , 2003. - 223 с.