Тема №10. Принципы в физике

План:

10.1 Корпускулярно-волновой дуализм частиц.

10.2 Принцип неопределнности.

10.3 Принцип дополнительности.

В классической физике любая частица движется по определённой траектории, и в любой момент времени можно определить её координаты и импульс.

Микрочастицы из-за наличия у них волновых свойств существенно отличаются от классических частиц. Основное отличие состоит в том, что нельзя говорить о движении микрочастицы по определённой траектории и об одновременных, точных значениях её координаты и импульса. Это следует из корпускулярно-волнового дуализма. Так понятие «длина волны в данной точке» лишено физического смысла, а поскольку импульс выражается через длину волны, то микрочастица с определённым импульсом имеет неопределённую координату. И, наоборот, если микрочастица находится в состоянии с точным значением координаты, то её импульс не определён. Точно также не имеет смысла понятие энергии частицы. Ведь энергия частицы связана с частотой формулой Планка E=hn, а понятие частицы относится к бесконечному во времени гармоническому колебательному процессу. Утверждение, что электрон лишь приближенно может рассматриваться как материальная точка, означает, что его координаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь приближённо.

В 1927 г. Гейзенберг вывел соотношение неопределённости, которое наглядно иллюстрировало важнейшие отличие квантовой теории от классической. Гейзенберг доказал, что координаты и импульс микрочастиц в соответствие с квантовой механикой нельзя измерить с одинаковой точностью: чем точнее значение координаты, тем менее точно можно измерить значение импульса, и наоборот. Оказалось, что произведение неопределённостей (погрешностей) этих величин в простейшем случае одномерного движения выглядит так:

DxDp³h,

где h – постоянная Планка.

Принцип неопределённости – прямое следствие нелокализуемости волн. Ни одна волна не может занимать в пространстве область меньшую длины волны.

Большую роль играет также соотношение неопределённости для энергии и времени. Чем меньше промежуток времени Dt, в течение которого протекает какой-то процесс, тем больше неопределённости в значении энергии частицы:

DEDt³h,

Это соотношение означает, что проверка закона сохранения энергии с точностью превышающей DE=h/Dt, невозможна ни при каком процессе.

Работа Гейзенберга вдохновила Бора, который уже давно размышлял о полноте классического описания мира. В том же 1927 г. он окончательно сформулировал свой принцип дополнительности – один из основополагающих в физике. Идея Бора заключалась в том, что и люди, и предметы, в том числе и измерительные приборы, состоят из несметного числа микрочастиц: электронов, протонов, фотонов и т.п.,- иначе говоря, представляют собой макроскопические системы. Для описания окружающего мира создана классическая теория и придумано множество удобных понятий: координаты, импульсы, моменты импульса и прочие характеристики тела. Но почему все решили, что такие характеристики пригодны и для описания микросистем, например электронов?

Ответ Бора заключался в следующем. Конечно, человек не в состоянии почувствовать себя электроном. Зато он может применить к электрону привычные понятия: увидеть в нём либо частицу – и получить соответствующую информацию, либо волну – и получить ещё одну порцию информации. В совокупности и та, и другая информация представляют полное (с нашей точки зрения) описание электрона, вполне достаточное для нужд науки, более того – это всё, что мы можем узнать об электроне.

Контрольные вопросы:

1. Кто автор принципа неопределенности?

2. Назовите параметры частиц, связанные соотношением неопределенности?

3. Как звучит принцип дополнительности?

4. Почему возникла необходимость в принципе дополнительности?

Рекомендуемая литература:

1. Шипунова О.Д. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для вузов. Москва, Гардарики, 2006 – 375с. ISBN: 5-8297-0270-3.

2. Фесенко Б.И. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. Изд-е 2-е, перераб. и дополн. - Псков: 2002 - 104 с. ISBN: 5-87854-225-0.

Интернет ресурсы:

1. http://elementy.ru/trefil/21096 - принцип неопределенности.

2. http://www.modcos.com/articles.php?id=1 – о принципах в физике.