Специфика физики микрообъектов
льшее значение. Осуществлению
этой тенденции движения электрона мешают неупорядоченные движения,
испытываемые телом, которые могли бы возникнуть, например, в следствие
флуктуаций самого ш-поля. Флуктуации вызывают тенденцию блуждания «тела» по
всему доступному ему пространству. Но осуществлению этой тенденции мешает
наличие «квантовой силы» которая устремляет «тело» в области, где
интенсивность ш-поля наиболее высока. В итоге получим какое-то
распределение «тел», преобладающее в областях с наибольшей интенсивностью ш-
поля.»
Не исключено, что подобные модели могут показаться с первого взгляда
привлекательными – хотя бы в силу своей наглядности. Однако необходимо
сразу же подчеркнуть – все эти модели не состоятельны. Мы не будем
выявлять, в чем именно заключается несостоятельность рассмотренной модели
волны-пилота; отметим лишь громоздкость этой модели, использующей такие
искусственные понятия, как «ш-поле», которое «до некоторой степени походе
на гравитационное и электромагнитное», или «квантовая сила», отражающая
взаимодействие некоего «тела» с ш-полем. Однако несостоятельность подобных
моделей объясняется не частными, а глубокими, принципиальными причинами.
Следует заранее признать безуспешной всякую попытку буквального толкования
корпускулярно-волнового дуализма, всякую попытку каким-то образом
смоделировать симбиоз корпускулы и волны. Микрообъект не является симбиозом
корпускулы и волны.
Как следует понимать корпускулярно-волновой дуализм? В настоящее время
корпускулярно-волновой дуализм понимают как потенциальную способность
микрообъекта проявлять различные свои свойства в зависимости от тех или
иных внешних условий, в частности, условий наблюдения. Как писал Фок, «у
атомных объектов в одних условиях выступают на передний план волновые
свойства, а в других – корпускулярные; возможны и такие условия, когда и
те, и другие свойства выступают одновременно. Можно показать, что для
атомного объекта существует потенциальная возможность проявлять себя, в
зависимости от внешних условий, либо как частица, либо как волна, либо
промежуточным образом. Именно в этой потенциальной возможности различных
проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна-частица.
Всякое иное, более буквальное понимание этого дуализма в виде какой-либо
модели неправильно.»
Приведем простейший пример. Пусть пучок электронов проходит сквозь экран
с щелями и затем попадает на экран-детектор. При прохождении через щели
электроны реализуют свои волновые свойства, что обуславливает характерное
для интерференции распределение электронов за щелями. При попадании же на
экран-детектор электроны реализуют свои корпускулярные свойства – каждый из
них регистрируется в некоторой точке экрана. Можно сказать, что электрон
проходит сквозь щель как волна, а регистрируется на экране как частица.
В связи с этим говорят при одних обстоятельствах, что «микрообъект есть
волна», а при других – «микрообъект есть частица». Такая трактовка
корпускулярно-волнового дуализма неправильна. Независимо ни от каких
обстоятельств микрообъект не является ни волной, ни частицей, ни даже
симбиозом волны и частицы. Это есть некий весьма специфический объект,
способный в зависимости от обстоятельств проявлять в той или иной мере
корпускулярные и волновые свойства. Понимание корпускулярно-волнового
дуализма как потенциальной способности микрообъекта проявлять в различных
внешних условиях различные свойства есть единственно правильное понимание.
Отсюда, в частности, следует вывод: наглядная модель микрообъекта
принципиально невозможна.
Электрон в атоме. Отсутствие наглядной модели микрообъекта отнюдь не
исключает возможности использования условных образов, вполне пригодных для
представления микрообъекта в тех или иных условиях. В качестве примера
рассмотрим электрон в атоме.
Напомним, что состояние электрона в атоме описывается набором квантовых
чисел: n, l, m, у. Данное состояние характеризуется определенной энергией,
которая в частном случае атома водорода, зависит только от числа n, а в
более общем случае – от чисел n и l. Электрон в атоме пространственно
делокализован – его координаты имеют неопределенность порядка размеров
атома. Обычно при рассмотрении электрона в атоме вводят представление о так
называемом электронном облаке, которое можно интерпретировать в данном
случае как условный образ электрона. Форма и эффективные размеры
электронного облака зависят от квантовых чисел n, l, m и, следовательно,
меняются от одного состояния электрона в атоме к другому.
Чтобы описать размеры и форму электронного облака, вводят некоторую
функцию
unlm (r, и, ц) = vnl (r) Zlm (и, ц),
где r, и, ц – сферические координаты электрона. Функцию unlm интерпретируют
следующим образом: unlm (r, и, ц) dV есть вероятность обнаружить в элементе
объема dV вблизи точки (r, и, ц) электрон, находящийся в состоянии с
квантовыми числами n, l, m. Иначе говоря, unlm (r, и, ц) имеет смысл
соответствующей плотности вероятности обнаружения электрона. Напомним, что
dV = r2drdЩ, где dЩ = sin иdиdц – элемент телесного угла. Функция
wnl (r) dr = vnl (r) r2 dr
есть, таким образом, вероятность обнаружить электрон с квантовыми числами
n, l на расстояниях от ядра, попадающих в интервал значений от r до r + dr.
При l=0 (так называемый s-электрон) имеем сферическое электронное облако.
При l=1 (р-электрон) имеем электронное облако либо в виде своеобразного
веретена, либо в виде тороида, что зависит от квантового числа m. Итак,
чтобы представить себе электрон в атоме, можно пользоваться в качестве
условных образов моделями шара, веретена, тороида и т.д.
основное состояние атома водорода характеризуется сферическим
электронным облаком. Теория показывает, что в этом случае
wnl (r) = 4 r2 / r13 exp (- 2r / r1).
Характеризующий эффективный радиус облака параметр r1 определяется
соотношением r1 = h2 / me2 ; в теории Бора он выступал как радиус пе5рвой
орбиты.
В заключение заметим, что при квантовых переходах в атоме происходит не
только изменение энергии, но и также «перестройка» электронных облаков –
изменение их размеров и формы.
Микрообъект и окружающий его мир. Как уже отмечалось, одно из наиболее
специфических свойств микрообъекта есть наличие в его поведении элементов
случайности, вследствие чего квантовая механика оказывается принципиально
статистической теорией, оперирующей с вероятностями. Однако в чем же
заключается причина наличия элементов случайности в поведении микрообъекта?
Ответ на поставленный вопрос таков: случайность в микроявлениях
объясняется, образно говоря, тем, что микрообъект взаимодействует со всем
окружающим его миром. Специфика квантовой механики такова, что ни один
объект в ней не может, строго говоря, считаться полностью изолированным,
полностью независимым от окружения. Как отмечал Мякишев, «причина
статистического характера квантовой механики та же, что и в классической
статистической механике, – наличие большого числа связей, влияющих на
движение объекта. Частица, рассматриваемая в квантовой механике как
свободная, в действительности свободна только от воздействий динамического
характера. Но она находится под действием случайных сил, вызывающих
квантовые флуктуации ее поведения, отражаемые соотношением
неопределенностей.»
Какова природа случайных воздействий на микрообъект? В квантовой теории
поля она проявляется в явном виде – как взаимодействие микрообъекта с
вакуумом (вакуум не есть пустота, он «заполнен» виртуальными зарядами).
Можно сказать, что микрообъект взаимодействует с окружающим его миром через
виртуальные микрообъекты.
В этом свете представляется совершенно естественной отмечавшаяся выше
интерпретация корпускулярно-волнового дуализма как потенциальной
способности микрообъекта проявлять те или иные свои свойства в зависимости
от внешних условий, т.е. в зависимости от окружающей микрообъект
обстановки. Это подразумевает органическую связь микрообъекта с окружающим
его миром – ведь сама сущность микрообъекта реализуется в том или ином виде
в зависимости от конкретных условий, конкретной обстановки.
Обнаруживаемая квантовой механикой невозможность безграничной детализации
объектов и явлений в конечном счете так же должна быть объяснена
взаимодействием микрообъекта с окружающим миром. Это означает, что на
определенной стадии исследования физические объекты уже нельзя
рассматривать изолировано. Как уже говорилось ранее, «во время
взаимодействия электрона с фотонами нет, строго говоря, ни электрона, ни
фотонов, а есть нечто целое, которое и следует рассматривать как единое
целое – без уточнения деталей».
Квантовая механика восстанавливает диктуемую жизненным опытом идею
единства мира и всеобщей связи явлений, которая была в значительной мере
ущерблена в классической физике. Стираются существовавшие ранее резкие
различия между волнами и корпускулами, между частицами и полями, между
объектами наблюдения и средой; на первый план выдвигаются взаимопревращ
| |  скачать работу |
Специфика физики микрообъектов |
