О квантовой механике ч.1

Уже долгое время хожу с идеей написать введение в квантовую механику. И в процессе "брожжения" наткнулась на видео с выступлением Харальда Леша, где он как раз неторопясь погружает слушателя в тему. Легко, непринуждённо и с юмором. Люди, владеющие немецким языком, могут прослушать самостоятельно, а для остальных: далее следует мой перевод его выступления.

----------------------------------

Квантовая механика... Сейчас будет непросто.

Напротив. Скорее, очень сложно.

Это теория, о которой сами физики говорят - её не понять.

Это теория, о которой сами физики говорят - её можно лишь принять.

Это работает под девизом "успех оправдывает средства": в общем, кто-то что-то делает, замечает, что это успешно функционирует и продолжает в том же духе. Это квантовая механика. Это для начала... Если вы сейчас сразу не поймёте всё, что я скажу, не удивляйтесь. На вашем месте со мной было бы то же самое.

Квантовая механика - это нечто очень странное. Квантовая механика описывает мир в очень маленькой масштабе.

Итак, посмотрим вместе, вы... Что у нас в homo sapiens? Sapiens весит в среднем около 80 килограмм или 70, как пожелаете. Самое главное, что это в районе нескольких десятков килограмм. Сколько частиц содержится в одном таком sapiens?

Возьмём для примера один килограмм. В одном килограмме 1000 грамм. Один протон весит 10 в -24 грамм. Теперь вы можете быстро высчитать из скольких частиц вы состоите: ...10 в минус 24... 10 в 5... вы состоите из 10 в 29 частиц.

Но это еще не всё! Конечно вы состоите в основном из клеток, потому что вы, как и я, биологическое существо и это существо состоит из миллиарда клеток. Но клетка больше не является квантово-механическим устройством. Клетки... их можно увидеть в микроскоп. Можно увидеть как они двигаются, размножаются... А квантовая механика, она начинается там, где вещи... я хочу уже назвать это слово... где вещи становятся неопределёнными (нем. Unscharf - нерезкий, размытый) и начинают странно себя вести...

Очень простой пример, возьмём мир вокруг нас. Тут стол, тут я, там вы... Вы можете до себя дотронуться, чтобы убедиться, что вы там есть. Ок, вы себя ощущаете? Хорошо. Итак, там где вы, там не может быть кто-то другой, иначе он бы вытеснил вас с вашего места. Вы вытесняете пространство, вы заполняете его собой и однозначно ясно ваше местоположение.

Отлично.

Это не так в квантово-механическом мире.

И это не должно быть так. Однозначное позиционирование и локализация на микроуровне имели бы катастрофические последствия!

В мире самых, самых, самых маленьких частиц... там где действительно всё маленькое, не просто маленькое и не очень маленькое, а реально супер маленькое - там мир не может быть таким, каким мы его знаем: предметы на своих местах. Тут они были на своих местах, и будут, если не будут двигаться - это классическая физика. Предмет на своем месте и он может двигаться, а я могу непрерывно реконструировать его путь.

Если бы микромир вёл себя так же как и вещи вокруг нас, то нас бы не было вовсе!

После долгого вступления рассмотрим конкретный пример. Речь пойдёт о том, о чем мы все знаем - притяжение разнородных зарядов. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, и можно для себя сразу заметить, что протон заряжен положительно... итак, он имеет позитивное настроение :), нейтрон электрически нейтрален :/, а с другой стороны - электрон, негативно заряженный :(.

Что делают противоположно заряженные частицы в этом мире?

Притягиваются.

Камера, которая снимает меня в данный момент подключена к электрической цепи и функционирует из-за разницы зарядов - это приводит в движение заряды. Негативные заряды текут в сторону положительных, чтобы скомпенсировать их избыток. Так функционирует напряжение в розетке. И сейчас я не рассказываю ничего нового... Вы учили это ещё в школе. Не забыли, максимум вытеснили.

Также масса атома на 99,9 процентов сосредоточена в ядре - протоны и нейтроны тяжелые частицы, очень тяжелые. Протон весит примерно в 1836... округлим - в 2000 раз тяжелее электрона. В атомном ядре, в котором заключена практически вся масса атома, находятся протоны и нейтроны, а вокруг этого ядра носится электрон.

Это уже давно знакомо и это странно! Так как по сути так не может быть!..

После всего того, что я сказал до этого, позитивный и негативный заряды должны были притягиваться! То есть электроны, которые носятся вокруг атомного ядра должны были бы уже в него упасть - так как, во-первых, ядро во много раз тяжелее, а, во-вторых, положительно оно заряжено.

Что бы это значило в этом случае? - Атомов не должно было бы существовать. Существовала бы лишь ядерная материя - такая очень плотная штука, невероятно плотная...

Представьте себе, самый простой атом - атом водорода - как большой футбольный стадион. Таким образом, если атом водорода находится в своём основном состоянии, тогда электрон мотался бы по самой дальней трибуне, а ядро выглядело бы как рисовое зёрнышко в центре поля.

Практически, атом пустой. В центре ядро, а где-то на окраине болтается электрон.

Так почему электрон не падает в ядро? В конце концов они же разнозаряжены! Электрон должен был уже столкнуться с ядром!..

Это один из примеров почему нужна теория, физическое описание, которые бы объясняли, почему, несмотря на противоположные заряды электрон, не падает в ядро.

Почему нет? - Это один значительных вопросов начала 20-го столетия.

Уже знали о существовании электромагнитных волн, что есть электрические и магнитные поля и всякие странные вещи, связанные с этими полями. Из множества экспериментов мы знали, что свет ведёт себя как волна, например из интерференционных явлений... Радио - это электромагнитная волна... Инфракрасное излучение, рентгеновское, гамма излучение - это всё электромагнитные волны.

Также было известно, что материя состоит из частиц. Другими словами, это старая история - Атомос - неделимый - ввёл ещё Демокрит около 300 лет до нашей эры. Тогда задумались, что мир, собственно, должен состоять из неделимых частей. Позже выяснилось, что они не неделимые, что там точно есть электроны. Обнаружили, что если из атома вырвать электрон, то остаток атома - ион - приобретает положительный заряд и в электрических полях их (ионы и электроны) можно неплохо разъединять. В такой ситуации можно увидеть как электроны двигаются к "+"полюсу, а ионы соответственно к "-".

Итак, кое-что прояснилось, но не понятно как это уложить вместе...

Так как с одной стороны у нас частицы - как это было до квантовой механики... Было абсолютно ясно, что все вокруг нас состоит из частиц, очень маленьких... Если совсем примитивно, например, электроны - желтые кружочки, протоны - красные кружочки, нейтроны - синие кружочки... Не важно. Но все думали о кружочках, частицах, корпускулах. И этому в противовес был свет - волны.

Несмотря на то, что Ньютон пару сотен лет назад уже сказал, что возможно всё состоит... ммм... как бы не из частиц... но это было быстро выглажено, после первой регистрации дифракционных явлений.

В общем, все знали, что свет - электромагнитная волна... и тут в начале 20 века возникает странная вещь, очень странные результаты экспериментов!

Очень странные... Были не поняты многие вещи.

Чем глубже рассматривали материю, тем более выяснялось, что тот мир вокруг нас (я повторюсь - мир однозначной локализации и временного измерения, где я в каждый момент времени точно знаю, где нахожусь), который мы знаем, там на микроуровне не функционирует!

Это означало, среди прочего, чтобы можно было, наконец-то, понять определенные явления теплового излучения. Энергия должна доставляться в четко определенных пакетах - Макс Планк придумал эту идею в 1900 году. Он сказал, что если я хочу объяснить как возникает спектр излучения, или точнее распределение излучения тела по частотам, я должен допустить квантование.

Возьмём кусок металла и нагреем его до белого каления, а потом оставим остывать. После белого он потихоньку станет голубым, затем зеленым, красным и когда-нибудь он перестанет излучать в видимом диапазоне и перейдёт в инфракрасную область, которую можно зарегистрировать в форме теплового излучения.

Со старой физикой 19-го века понять это распределение спектра было невозможно. Тогда это была катастрофа. Так называемая ультрафиолетовая катастрофа: ожидалось, что мощность излучения тела возрастёт до невероятных значений, а де факто увидели, однако, что она растёт до определённых значений, а затем падает. Это был спектр так называемого объёмного излучателя абсолютно чёрного тела, которое не делает ничего другого как пребывает в равновесии с самим собой и излучает.

Макс Планк установил (и это вызвало у него серьёзную депрессию) - чтобы объяснить наблюдаемый спектр, нужно предположить, что энергия тела излучается определенными порциями, пакетами.

Он получил тогда очень маленькое число - квант воздействия Планка или Постоянная Планка.

Это самое маленькое взаимодействие, которое есть во Вселенной.

Планк не знал этого тогда сам, но в 1900 году мог вычислить его и установить, что энергия излучаемого тела испускается пакетами.

E=hf

где f это частота, h - постоянная Планка, а Е - энергия.

Это было решающее уравнение, стоявшее у истока новой теории, касающейся фундамента нашей концепции мира, которое поставило всё с ног на голову.

Квантовая механика - это потрясающая теория, это лучшее что у нас есть сегодня в физике.

Она уже не вызывает сомнений, она универсальна. Она уже настолько развита, что мы даже не можем перепроверить её, не используя, собственно, квантово-механические методы исследования.

Например лазер - light amplification by stimulated emission of radiation «усиление света посредством вынужденного излучения» - это квантово-механический аппарат. Вся цифровая электроника, которая сейчас меня окружает - квантово-механическая техника. Большая часть современной жизни базируется на результатах накопленных знаний в квантовой механике. И началось это с того момента, как стало понятно почему вся материя стабильна, почему этот тепловой излучатель испускает определенный спектр.

И, конечно, вы можете себе представить, что сначала публика этого даже не заметила - "то, что делают эти физики... это, конечно, всё очень хорошо, но в основном, нас это совершенно не касается...". Если бы кто-то уже тогда знал, что возникнет из этого квантово-механического описания самых элементарных вещей в мире, люди либо в испуге закрыли бы полностью все физические лаборатории... Либо вынесли героев, самых первых героев квантовой механики из лабораторий на своих плечах с ликованием! Как часто случается - открытиям науки требуется много времени для того, чтобы просачится в наш аппарат познания и попасть внутрь нашей головы...

Итак, Макс Планк в 1900 году первый высказал идею, что что-то может излучаться порциями. Только 5 лет спустя Альберт Эйнштейн правильно понял эту идею - чтобы я мог понять эксперименты по фотоэлектрическому эффекту, я должен предположить, что энергия не только порционно излучается, но и поглощается!

Тем самым приходим к предположению, что свет, электромагнитное излучение существует порционно - в квантах.

Эйнштейн получил, кстати, свою Нобелевскую премию не за теорию относительности, а за пояснение фотоэлектрического эффекта. Теория относительности была настолько революционной, что Нобелевский комитет просто не осмелился... Однако, эйнштейновское пояснение фотоэлектрического эффекта с учетом квантования света было тоже грандиозным достижением.

Так, и что у нас есть?

Со одной стороны мы имеем дифракционные явления и мы знаем, что электромагнитное излучение - это волна.

С другой стороны - эксперименты с фотоэффектом, которые ясно демонстрируют, что свет это не волна, а квант.

Так волна или частица?

До этого момента было все понятно, был ясный дуализм - там волна, а здесь частица...

Что делать-то?

Расходимся!