Понятие состояния в классической и квантовой физике

В процессе общей характеристики физики как основной отрасли естествознания часто употреблялся термин “состояние физической системы”. Рассмотрим его более подробно.

Категория состояния сложилась в античной философии. В науке она впервые нашла широкое применение в ньютоновской механике. Здесь состояние рассматривалось как количественная характеристика механического движения. Значение механики Ньютона для физики далеко не в последнюю очередь определяется именно тем, что Ньютон первым понял: состояние систем материальных точек в любой заданный момент времени t полностью определяется значением их координат и импульсов (а не ускорениями, взаимодействиями и т.д.). Зная эти величины в момент t, можно определить эволюцию системы под влиянием известных сил во все последующие моменты времени, решив систему уравнений Ньютона:

Представим себе тело, которое с точки зрения физики можно назвать макроскопическим. Это может быть газ в сосуде, песчинка, кусочек железа и т.д. Другими словами - это любое тело, состоящее из очень большого числа частиц.

На протяжении более 200 лет считалось, что механика Ньютона описывает перемещение тел любых размеров, т.е. любых размеров масс друг относительно друга. Но с этими телами происходят и другие изменения, не связанные с их макроскопическими перемещениями. В первую очередь, это тепловые процессы. Тела могут нагреваться и остывать. При этом их температура меняется.

Температура - очень важная характеристика состояния тел. Ее изменения могут вызывать изменения тел гораздо более существенные, чем простые перемещения из одной области пространства в другую. Так, газ может превратиться в жидкость, жидкость - в твердое тело (или наоборот), и т.д.

Подобного рода процессы описываются термодинамикой. Эта наука возникла вслед за классической механикой. Термодинамика изучает тепловые свойства макроскопических систем, не обращаясь к их микроскопическому состоянию.

Состояние тел может меняться не только с изменением температуры. Так, макроскопические свойства куска железа изменяются, если его намагнитить. Соответственно вводится величина, характеризующая магнитное состояние образца – вектор намагничивания.

Электрическое поле также изменяет состояние макроскопического тела (оно поляризуется).

Итак, классическая физика считала, что состояние физической системы всегда задается физическими параметрами. Это, например, координата, импульс, температура, вектор намагничивания и т.д. Состояние системы - это значение таких параметров системы в определенный момент времени, которые позволяют решать определенные классы задач по отношению к данной системе. Бессмысленно задавать состояние физической системы безотносительно к классу поставленных по отношению к системе задач. Какие именно параметры характеризуют конкретное состояние системы определяется законами, на основании которых и решаются поставленные задачи.

Любая система может быть описана лишь с какой-то степенью приближения. Это касается и набора параметров, задающих состояние системы, и значения параметров, которые всегда, конечно, приближенны. Другими словами, всегда существует разница между истинным состоянием системы и описанием этого состояния.

Всевозможные состояния, в которых может находиться то или иное вещество, прежде всего, разбиваются на так называемые агрегатные состояния: твердое, жидкое и газообразное. Эти состояния выделяются по основным физическим свойствам вещества.

Следует учесть, что у некоторых веществ нет резкой границы между различными агрегатными состояниями. Например, при нагревании стекла происходит постепенное его размягчение, и невозможно установить, когда оно переходит из твердого состояния в жидкое. При очень большом внешнем давления твердые металлы начинают “течь”, т.е. подобно жидкости, принимают форму сосуда, в котором они находятся.

Различные состояния одного и того же вещества можно отличать друг от друга также и по значениям физических величин, которые характеризуют эти состояния, например, по значениям объема, температуры и давления. Поэтому каждому агрегатному состоянию вещества соответствует бесконечное множество различных состояний, которые отличаются друг от друга различными значениями объема, давления, температуры и других физических величин. При изменении этих величин вещество переходит из одного состояния в другое, оставаясь твердым, жидким или газообразным.

Физические величины, характеризующие то или иное состояние вещества, иногда называют параметрами состояния. Основные параметры: объем V, внешнее давление Р и температура Т. Если между параметрами состояния существует какое-нибудь определенное однозначное соотношение, которое сохраняется при переходе из одного состояния в другое, то это соотношение называется уравнением состояния. Например, для разряженных газов соблюдается уравнение:

Это соотношение связывает между собой значения объема, давления и температуры для множества отличающихся друг от друга состояний данной массы газообразного вещества. Для других агрегатных состояний - твердого и жидкого - такие простые соотношения между параметрами не найдены.

Важным свойством термодинамических систем (Термодинамическая система – макроскопическое тело, выделенное из окружающей среды при помощи перегородок или оболочек, которое можно характеризовать макроскопическими параметрами: V,P,T и другими; для этого термодинамическая система должна состоять из достаточно большого числа частиц) является существование у них равновесных состояний, в которых они могут пребывать сколь угодно долго. Для газа, заключенного в некотором сосуде, равновесным является состояние, в котором температура, давление и плотность (или число молекул в единице объема) в пределах объема газа одинаковы. Если в каком-нибудь месте этого объема вызвать местное нагревание или сжатие, то в системе начнется процесс выравнивания температуры и давления. Этот процесс будет происходить в течение того времени, пока имеется внешнее воздействие. Однако только после прекращения этого воздействия процесс выравнивания приведет систему к новому равновесному состоянию.

Состояния изолированных термодинамических систем, в которых они, несмотря на отсутствие внешних воздействий, не могут пребывать в течение конечных промежутков времени, называются неравновесными. Система, первоначально находящаяся в неравновесном состоянии, с течением времени переходит в равновесное состояние. Время перехода из неравновесного состояния в равновесное называется временем релаксации.

В физике широко используется понятие стационарного состояния. Состояние физической системы, при котором некоторые существенные для характеристики системы величины не меняются со временем называется стационарным. Например, состояние потока жидкости стационарно, если скорость движения (и другие характеристики) остаются в каждой точке пространства неизменными.

В квантовой механике стационарным состоянием называется состояние, в котором энергия имеет определенное значение. Стационарное состояние может быть равновесным и неравновесным.

Стационарным состоянием открытой системы является подвижное равновесие, при котором все макроскопические величины остаются неизменными, но непрерывно продолжаются макроскопические процессы ввода и вывода вещества.

Состояния микрообъектов методами классической физики описать нельзя. Это очевидно хотя бы из соотношения неопределенностей. Принцип неопределенности, установленный В. Гейзенбергом в 1927 г., записывается так:

где выступает как неточность (неопределенность) значения координаты х частицы;

– как неопределенность компоненты P _x ее импульса .

Принцип неопределенностей подчеркивает различие в описании состояния систем в классической и в квантовой теории. Мы уже неоднократно подчеркивали, что состояние классической материальной точки описывается с помощью координат и импульса. Квантовая же частица в состоянии с определенными координатами не обладает определенным импульсом. Иными словами, для квантовой частицы не существует состояний, в которых ее координаты и импульс имели бы одновременно точное значение. Поэтому в квантовой теории состояние микрообъектов, как уже подчеркивалось, описывается принципиально по-новому – с помощью волновой функции.