Предпосылки зарождения нового научного мышления

 

Проблемы физики конца XIX века не находили объяснения в рамках электромагнитной картины мира и требовали новых подходов. Таким образом, на границе веков возникла потребность в качественно иных взглядах на природу, что явилось предпосылкой создания новой квантово-полевой картины мира.

Квантовая гипотеза Планка. В конце 1900 года Макс Планк высказал гипотезу о том, что свет должен излучаться и поглощаться порциями или квантами. Это дало возможность построить стройную теорию теплового излучения, которая полностью удовлетворяла экспериментальным данным. Основная идея гипотезы состояла в том, что энергия света не может изменяться непрерывно, а изменяется порциями.

Дальнейшая разработка этой гипотезы не только решила проблему теплового излучения, но и полностью изменила взгляды на природу микромира: в малых масштабах квантуется не только энергия, но и импульс, момент импульса и другие физические величины. В больших масштабах эта квантованность не проявляется только из-за того, что эти кванты на столько малы, что в макромире просто не ощутимы. Наподобие того, как мы не воспринимаем отдельные молекулы воздуха.

Гипотеза Планка и явилась тем революционным шагом, который заложил основы для нового понимания окружающей нас природы и построения квантово-полевой картины мира.

Проблема строения атома. Вместе с тем в начале ХХ века для проверки модели атома Дж. Томсона Э. Резерфорд и его ученики провели опыты по рассеянию a-частиц в различных средах, в том числе в тонких слоях металлов при прохождении a-частиц через тонкую фольгу. Схема опыта изображена на рисунке 1.

Микроскоп мог перемещаться по окружности и фиксировать вспышки, вызываемые падающими на экран a-частицами.

Эксперимент показал следующее.

Число a-частиц, не испытывающих рассеяния подавляющее большинство.

Имеются a-частицы, рассеиваемые на очень большие углы вплоть до 180°.

Число рассеянных частиц резко падает при увеличении угла рассеяния.

Анализируя результаты опыта, Резерфорд вывел формулу, используя которую, оценил размер положительного заряда в атоме. Он оказался порядка 10^{-15 м}, что намного меньше размеров атома. Таким образом, была построена модель, согласно которой, в центре атома находится положительно заряженное ядро, размеры которого гораздо меньше размера атома, а вокруг него вращаются отрицательно заряженные электроны. Такая модель атома носит название планетарной. На основе данной модели был выяснен физический смысл порядкового номера в таблице элементов Менделеева. Он оказался численно равным заряду ядра атома.

Эта модель противоречила представлениям классической физики, согласно которым, вращающийся заряд (электрон) должен терять энергию, и атом будет неустойчивым. Согласно расчетам, атом должен был прекратить свое существование через 10 нс. Резерфорд это прекрасно понимал, тем не менее, у него хватило мужества опубликовать результаты опытов и построить планетарную модели атома.

Постулаты Бора. Решение проблемы линейчатого спектра. Разрешая указанное противоречие, Нильс Бор выдвинул постулаты, согласно которым атомы и атомные системы могут находиться в стационарных состояниях, в которых не излучают; при переходе из одного стационарного состояния в другое происходит излучение или поглощение кванта электромагнитной энергии. Эти постулаты можно выразить математически.

Несмотря на то, что Бор не мог объяснить, почему атом является устойчивым, его теория позволяла вычислить частоту излучения атома водорода, причем вычисленное значение полностью совпало с экспериментальным. Таким образом, проблемы строения атома и линейчатого спектра излучения была решена.

Корпускулярно-волновой дуализм света. Вместе с тем, появилась другая проблема, а именно: было не ясно, что же все-таки представляет из себя свет. С одной стороны, в теории относительности свет рассматривается как волна, с другой – в гипотезе Планка свет выступает как частица или корпускула, что утверждал еще Ньютон. Причем, в одних экспериментах (интерференция, дифракция, поляризация) свет проявляет себя только как волна, а в других (тепловое излучение, фотоэффект, давление света) – только как корпускула.

Такое поведение света никоим образом не укладывалось в электромагнитную картину мира. С точки зрения обычных представлений свет сочетал в себе два взаимоисключающих свойства. Объяснение этому факту можно дать только на основе того, что в малых масштабах привычные нам представления не имеют смысла.

Волновая природа микрочастиц. Следующий шаг в понимании природы атома был сделан де Бройлем, который в 1924 году предположил, что не только частицам света, но и всем микрочастицам присущ корпускулярно-волновой дуализм.

Экспериментальное обоснование высказанного предположение получено в опытах Дэвиссона и Джермера, в которых наблюдалось рассеяние электронов на кристаллах. В результате рассеяния получалась дифракционная картина, аналогичная дифракции рентгеновских лучей на монокристаллических объектах. Волновые свойства электронов были обнаружены также в опытах Тартаковского и Томсона.

В опытах Штерна изучалась волновая природа нейтральных атомов и молекул по их рассеянию на двумерной дифракционной решетке. Для тяжелых атомов и молекул дифракционная картина получалась не четкой, поскольку длина волны таких атомов очень мала. Для легких же молекул (водорода, гелия) наблюдалась четкая дифракционная картина.

Таким образом, существование волн де Бройля было подтверждено экспериментально.

Соотношение неопределенностей. Волновая функция. Из волновой природы микрочастиц следовал общий вывод о том, что движение микрообъектов не подчиняется классической механике. Так, нет возможности одновременно точно определить импульс и координату частицы (соотношение неопределенностей). Это говорит о том, что в микромире не существует траектории движения, а движение здесь описывается с помощью волновой функции которая является аналогом траектории в классической механике. В общем случае она может быть комплексной. Исходя из соотношения неопределенностей, можно говорить лишь о вероятности обнаружить микрочастицу в некоторой области пространства координат и импульсов. Волновая функция прямого физического смысла не имеет. Смысл имеет квадрат волновой функции, который представляет собой вероятность обнаружить частицу (например, электрон) в данный момент времени в данном месте.

С гносеологической точки зрения может показаться, что вероятностный характер квантовых процессов делает невозможным познаваемость микромира. Тем не менее, принцип неопределенности имеет объективное содержание и не связан с отрицанием познаваемости мира. Микрообъекты обладают качесвенно иной природой по сравнению с макрообъектами. Микрообъектам нельзя приписать точные координаты и импульсы. Их движение является бестраекторным. Это означает, что мы в принципе не можем одновременно точно измерить координату и импулс элементарной частицы.

Недоразумения возникают из-за того, что мы изучаем микромир способами макромира, и пытаемся применить для него понятия, которые в микромасштабах принципиально неприемлемы.