Принцип неопределенностей Гейзенберга

 

В разных экспериментальных ситуациях микрообъект ведет себя по-разному: в одних — как частица, а в других — как волна. Этот совершенно неожиданный с точки зрения классической физики ре­зультат свидетельствовал о том, что в квантовой физике развивается неклассическая стратегия мышления, трансдисциплинарной концепци­ей которой становится диалектическая концепция целостности, согласно которой исследуется целостная система, состоящая из объекта и макроусловий, в которых находится объект. Причем целое, хотя и со­стоит из частей, в принципе не может быть на них поделено без утраты специфики как целого, так и его частей.

Неклассическое поведение объектов в микромире требует крити­ческого пересмотра самого понятия «частицы», точно локализован-

 

ной во времени и пространстве. Можно говорить лишь о вероятнос­ти того, где в данный момент времени находится частица, и это явля­ется неизбежным следствием введения в физическую теорию посто­янной Планка, представлений о квантовых скачках. Физическая ин­терпретация «неклассического» поведения микрообъектов была впер­вые дана В. Гейзенбергом. Надо принять в качестве закона, опи­сывающего движение микрообъектов, тот факт, что знание точ­ной координаты частицы приводит к полной неопределенности ее импульса, и, наоборот, точное знание импульса частицы — к полной неопределенности ее координаты. Исходя из созданно­го им математического аппарата квантовой механики, Гейзенберг ус­тановил предельную точность, с которой можно одновременно опре­делить координату и импульс микрочастицы, и получил следующее соотношение неопределенностей этих значений:

ДХДР_х>п,

где ДХ — неопределенность в значении координаты; ДР_х — неопреде­ленность в значении импульса.

Произведение неопределенности в значении координаты на нео­пределенность в значении соответствующей компоненты импульса не меньше, чем величина порядка постоянной Планка Л.

Принцип дополнительности (комплементарности) Бора

 

Концепция целостного описания системы «объ-ект — условия его познания» нашла свое отражение в принципе дополнительности (комп-лементарности) Н. Бора. Любое явление в микромире не может бытй проанализировано как само по себе отдельно взятое, а обязательна должно включать в себя взаимодействие с классическим макроскопи? ческим прибором.

С помощью конкретного макроскопического прибора мы'можем исследовать либо корпускулярные свойства микрообъектов, либо — вол­новые, но не и те и другие одновременно. Обе стороны предмета долж­ны рассматриваться как дополнительные друг к другу.

 

 

Концепция неопределенности и концепция целостности как основные концепции

квантово-полевой физической

исследовательской программы

Принципы неопределенности и дополнительности (комплементар-ности) отражают фундаментальную неопределенность явлений при­роды. Квантовый объект не может быть рассмотрен сам по себе, не обладает индивидуальными свойствами, а находится в классически определенных внешних условиях. Таким образом, в квантовой меха­нике формулируется концепция целостности, отличная от механисти­ческой концепции целого и части, ибо объект вне целого и внутри целого не один и тот же; отдельный объект рассматривается лишь в отношении к чему-либо, свои свойства он проявляет лишь по отноше­нию к конкретной целостности, чем и определяется статистическая природа его поведения. Интерпретация Бором квантовой теории оз­начает, по существу, отказ от классических представлений о частицах как «внеположенных», «себетождественных», «индивидуальных». Мик­рообъект постоянно чувствует на себе влияние целостности, элемен­том которой он является.

Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена

Точка зрения Н. Бора, В. Гейзенберга и их сторонников, названная копенгагенской интерпретацией квантовой механики, конечно, не мог­ла быть воспринята безоговорочно многими физиками. Так, А. Эйнш­тейн не принял принципиально статистический характер копенгаген­ской Интерпретации квантовой теории. Именно этот спор привел к более глубокому пониманию концепции целостности. Свое содержа­тельное развитие эта концепция получила благодаря работе трех ав­торов — А. Эйнштейна, Б. Подольского и Н. Розена — «Можно ли считать квантовомеханическое описание физической реальности пол­ным?», опубликованной в 1935 г. В этой работе формулируется пара­докс, названный парадоксом Эйнштейна—Подольского—Розена (ЭПР-парадокс). Известно, что Бор дал немедленный ответ на рассуждения

 

авторов парадокса, утверждая, что физическую реальность необходи­мо трактовать на основе идеи нераздельности экспериментальной ситуации, неделимости и целостности квантовых явлений. Объекты, со­ставлявшие некогда единое целое, разведенные друг от друга на рас­стояния, исключающие взаимодействия, сохраняют на себе печать про­шлого, и любые изменения одного партнера приводят к коррелятив­ному поведению второго. Этот перенос состояния с одной частицы на другую, независимо от того, как далеко друг от друга они находятся, называют квантовой телепортацией. Мир предстает перед нами как единая целостная единица, несводимая к механическому разложению его на составляющие части. Этот результат, имеющий глубокое миро­воззренческое значение, является едва ли не самой удивительной стра­ницей в истории физики и имеет далеко идущие перспективы по развитию телепортационных способов передачи информации. XXI в., по всей видимости, станет веком квантовой телепортации.

Состояние квантово~механической системы. Различие между закономерностями статистической классической физики и статистическими закономерностями квантовой механики

Понятие состояния в квантовой физике включает в себя характе­ристики макроокружения, которые приготавливают объект определен­ным образом для исследования.

Вследствие фундаментальной особенности явлений микромира, математическим выражением которой является соотношение неопре­деленностей Гейзенберга, фиксирующее наличие у частиц как корпус­кулярных, так и волновых свойств, в квантовой механике можно гово­рить лишь о вероятности того или иного значения динамической; переменной и о среднем значении динамической переменной, а не об ее определенном числовом значении в данный момент времени. По­этому классическое описание движения частиц в квантовой механике теряет смысл. Весь анализ явлений микромира проводится на языке понятий классической физики, таких как волна и частица, постольку, поскольку мы не обладаем иными понятиями. Ирония здесь состоит в том, что эти классические понятия отражают свойства объектов мик-

 

 

ромира неполно и односторонне. В квантовой механике вектором состояния является волновая функция у. В аппарат квантовой теории прочно вошло в качестве ее основного уравнения уравнение Шредин-гера относительно волновой функции \|/. Волновая функция \|/ стала интерпретироваться как волна вероятности, а квадрат ее модуля — как мера вероятности обладания микрообъектом определенной ко­ординаты или в другой, дополнительной к первой, физической ситуа­ции — определенного импульса. Казалось бы, что о причинно-след­ственном описании движения объектов следует забыть. Однако это не так. Уравнение Шредингера описывает эволюции \|/-функции с течением времени, является детерминированным и обратимым. Од­нако, в квантовой теории предсказуемы только вероятности, а не отдельные события в отличии от классической механики. Волновая функция представляет собой полную харак-теристику состояния: зная волновую функцию у, можно вычислить вероятность обнаружения определенного значения физической величины и средние значения физических величин. Статистические закономерности в классичес­кой физике являются результатом взаимодействия большого числа частиц, поведение каждой из которых описывается законами класси­ческой механики. Если система состоит из малого числа частиц, то статистические закономерности перестают действовать и понятия те­ряют смысл. В квантовой же механике, согласно экспериментам, ста­тистические закономерности отражают свойства каждой отдельной микрочастицы.