Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей

Всем микрообъектам присущ корпускулярно-волновой дуализм. Каким образом эти противоречивые свойства совмещаются у одного объекта? Ответ на этот вопрос Нильс Бор дал в 1927 г.

Прежде всего, подчеркнул ученый, наши органы чувств не воспринимают микропроцессы. Для этого есть соответствующие макроскопические приборы.

Макроприборы подчиняются законам классической физики и должны переводить информацию о явлениях в микромире на язык понятий классической физики. Следовательно, любое явление в микромире не может быть проанализировано как отдельно взятое, а обязательно должно включать в себя взаимодействие с классическим макроскопическим прибором. С помощью такого прибора мы можем исследовать либо корпускулярные свойства микрообъектов, либо – волновые, но не те и другие одновременно. Обе стороны объекта должны рассматриваться как дополнительные друг к другу.

Согласно принципу дополнительности Н. Бора, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий (частица и волна). Только совокупность измерений в обоих направлениях дает полную информацию о квантово-механических явлениях как о целостных.

Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей Гейзенберга.

Согласно этому соотношению, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет в значении координаты. Пример: частица с определённым значением энергии, находящаяся в коробке с идеально отражающими стенками. Она не характеризуется ни каким-либо определённым «положением» (волновая функция частицы делокализована на всё пространство коробки, то есть ее координаты не имеют определенного значения, локализация частицы осуществлена не точнее размеров коробки), ни определённым значением импульса (учитывая его направление!). Также соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого во взаимодействии прибора с объектом измерения. Рассмотрим переменный во времени сигнал, например, звуковую волну. Бессмысленно говорить о частотном спектре сигнала в какой-либо момент времени. Для точного определения частоты необходимо наблюдать за сигналом в течение некоторого времени, таким образом, теряя точность определения времени. Другими словами, звук не может одновременно иметь и точное значение времени его фиксации, как его имеет очень короткий импульс, и точного значения частоты, как это имеет место для непрерывного (и в принципе бесконечно длительного) чистого тона (чистой синусоиды).

Принцип суперпозиции

• Данный принцип имеет особое значение в квантовой механике (а в квантовой физике выполняется лишь приближенно). Принцип суперпозиции (наложения) – это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности, при условии, что эффекты не влияют взаимно друг на друга. Другими словами данный принцип можно выразить следующими закономерностями:
• Взаимодействие между двумя частицами не изменяется при внесении третьей частицы, также взаимодействующей с первыми двумя.
• Энергия взаимодействия всех частиц в многочастичной системе есть просто сумма энергий парных взаимодействий между всеми возможными парами частиц. В системе нет многочастичных взаимодействий.
• Уравнения, описывающие поведение многочастичной системы, являются линейными по количеству частиц.

 

Одним из простых примеров принципа суперпозиции является правило параллелограмма, по которому складываются две силы, воздействующие на тело. Встречный ветер тормозит движение автомашины по закону параллелограмма – принцип суперпозиции в этом случае выполняется полностью.

Но если песок, поднятый ветром, ухудшает работу двигателя, то в этом случае принцип суперпозиции выполняться не будет.

Принцип суперпозиции играет большую роль в теории колебаний, теории цепей, теории полей и других разделах физики. В микромире принцип суперпозиции – фундаментальный принцип, который вместе с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики.

Основы термодинамики

Термодинамика исторически возникла как эмпирическая наука об основных способах преобразования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Однако в процессе своего развития термодинамика проникла во все разделы физики, где возможно ввести понятие «температура», и позволила теоретически предсказать многие явления задолго до появления строгой теории этих явлений. Начиная с постулатов (к примеру, первый, или основной, постулат термодинамики утверждает, что у изолированной системы существует состояние термодинамического равновесия, в которое она приходит с течением времени и никогда самопроизвольно выйти из него не может), термодинамика в своем развитии созрела до формулировки важных законов:

Первый закон термодинамики.

Формулировка: