Квантовая механика — это вариант физики, который описывает текущее состояние системы с помощью волновой функции, с которой связана плотность вероятности всех измеряемых характеристик или наблюдений. Это так называемая пси-функция. Ориентировано всё это на описание состояний вещества.
Наблюдаемые системы могут быть энергией, положением, импульсом, угловым моментом и т.п. В квантовой механике мы не можем приписывать наблюдениям определенные значения, а можем только вывести их вероятностные распределения. Волновое поведение вещества можно объяснить интерференцией волновых функций.
Между тем, отпадает множество вопросов из серии что именно находится между атомами.
Что можно описывать волновой функцией?
Волновые функции могут зависеть от времени. А могут и не зависеть от него. В какой-то момент, например, частица в пустом пространстве может быть описана волновой функцией, которая представляет собой волновой пакет с центром в некотором среднем положении. Спустя какое-то время волновой пакет изменяется, повышая вероятность того, что частица будет найдена где-то еще. Временное развитие волновых функций описывается уравнением Шредингера.
Некоторые волновые функции описывают плотности вероятностей, которые не меняются со временем. К ним относятся многие системы, которые в классической механике считались бы динамическими. Примером может служить электрон в невозбужденном атоме, который классически описывается как частица, вращающаяся вокруг ядра атома, а в квантовой механике он описывается статическим сферически-симметричным облаком плотности вероятности, в центре которого находится атомное ядро.
Что происходит в системе по мнению квантовой механики
Измеряя определенную систему наблюдения, мы всегда возмущаем волновую функцию так, чтобы она занимала одно из так называемых собственных состояний этого наблюдения.
Вероятность для отдельного собственного состояния определяет состояние волновой функции непосредственно перед тем, как мы ее возмущаем. В качестве примера рассмотрим частицу, движущуюся в пустом пространстве. Если мы измерим положение частицы, мы получим случайное значение x. В общем, его точное значение невозможно предсказать заранее, но более вероятно, что мы будем измерять значение близко к центру волнового пакета, где амплитуда плотности вероятности выше. В момент проведения измерения волновая функция «схлопывается» в собственное состояние, которое резко накапливается вокруг измеренного значения x.
В процессе коллапса волновой функции уравнение Шредингера к последней не применяется. Это детерминировано в том смысле, что для волновой функции в какой-то момент она точно предсказывает ее значение в более позднее время. Однако во время измерения собственное состояние, в которое коллапсирует волновая функция, определяется вероятностно, а не детерминированно. Таким образом, вероятностная природа квантовой механики проистекает из самого акта измерения.
Одним из последствий коллапса волновых функций является то, что определенные пары наблюдений, такие как положение и импульс, не могут быть определены с произвольной точностью. Это известно как принцип неопределенности Гейзенберга.
Откуда появилась квантовая механика
Квантовая механика — заслуга Гейзенберга, который в 1927 году заложил фундаментальный принцип неопределенности.
Принцип гласит, что ни одно небесное, атомное или субатомное тело не может одновременно определять положение и скорость в космосе с одинаковой степенью точности.
Эйнштейн отверг квантовую механику, полагая, что «Бог не играет в кости».
При этом он подчеркнул свою веру в то, что Бог не должен допустить, чтобы все происходило случайно. Правда если исключить случайность, то всё равно вполне можно использовать волновую функцию для описания происходящего.
Квантовая механика изначально призвана упростить имеющиеся представления. В физике скопилось очень много вопросов, на которые пока ответов нет. Что такое материя? Из чего она состоит? Что такое пустота? Стоит ли смеяться над эфиром?
Предполагается, что квантовая механика и волновая теория объединят все в одно простое физическое уравнение, которое будет гибким и может применяться везде, и даст ответы на все известные вопросы. Также предполагается объединение всех четырех основных физических сил. Вот только однозначно сказать, получилось ли это сделать или нет пока невозможно. Для полного принятия обозначенной теории нужны эксперименты, а их провести сегодня практически невозможно. Поэтому, обозначенная теория функционирует преимущественно за счёт мысленных экспериментов. С момента открытия электрона человек старается как-то обобщить имеющиеся гипотезы и наработки, а также увязать их с классическим представлением о веществе. Пока квантовая механика вполне позволяет сделать это.
Поделиться:
