§ 11. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ. УРАВНЕНИЕ ШРЕДИНГЕРА. СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ ГЕЙЗЕНБЕРГА

При теоретической обработке результатов наблюдений и измерений всегда используется ряд предположений, упрощающих объекты исследований. На основе таких предположений создаются идеализированные модели изучаемых предметов и процессов, облегчающие (а иногда и открывающие возможность) применения математических методов исследования. Такие модели широко

используются также и в атомной физике. Использование упрощающих предположений и идеализированных моделей неизбежно; они дают первое приближение к объективной природе и поэтому имеют в науке временное значение. В дальнейшем, с развитием науки, они уточняются, а иногда заменяются новыми, более соответствующими объективной природе. Во многих случаях уточнение или замена используемых предположений не сопровождается существенным изменением уже сложившихся физических представлений. Однако в истории физики были отмечены периоды, когда необходимость замены устаревших, потерявших силу предположений и гипотез приводила к коренному изменению общих представлений об устройстве природы и о содержании установленных законов физики. Таким был период (1900—1927) возникновения и развития квантовой физики.

В § 10 было указано, что при описании явлений, в которых участвуют мельчайшие частицы вещества — электроны, протоны, нейтроны и др., на основе представлений и законов классической физики (механики, электродинамики, волновой оптики и т. д.) встретились затруднения, оказавшиеся непреодолимыми. Для объяснения новых явлений (фотоэффект, дифракция электронов и других частиц и т. д.) потребовались новые представления, которые не укладывались в рамки классической физики, явно противоречили ее основным положениям. Со временем отдельные разрозненные предположения и гипотезы, возникшие в различных областях атомной физики, были связаны между еобой и привели к формированию единой физической теории, по существу нового физического мировоззрения, получившего название квантовой физики.

Важнейшими свойствами квантовых объектов являются следующие:

1) существование у частиц корпускулярных и волновых свойств, неотделимых друг от друга и несводимых друг к другу;

2) существование у физических систем дискретного спектра устойчивых состояний.

Корпускулярные свойства заключаются в том, что каждая частица имеет некоторую сосредоточенную в малом объеме энергию и импульс; при взаимодействиях частиц между собой соблюдаются законы сохранения энергии и импульса.

Волновые свойства заключаются в том, что траектория частицы определяется некоторой связанной с ней волной, распространение которой подчинено принципу Гюйгенса и для которой соблюдается принцип суперпозиции. Однако это утверждение требует расшифровки: какова природа этих волн; какая физическая величина характеризует эти волны и изменяется в соответствии с волновым уравнением; каким образом поведение частицы связано с значениями этой величины в различных точках пространства, т. е. как взаимодействуют между собой «волна» и «частица». Заметим, что для одной из частиц — фотона — энергия связана с частотой колебаний, а импульс частицы — с длиной волны.

Известно, что фотоны связаны с электромагнитной волной; в уравнение этой волны (см. ч. III, § 29) входят напряженности электрического и магнитного полей и величины характеризующие среду,

в которой распространяется эта волна. Величина

которая трактуется как плотность энергии в электромагнитной волне, может рассматриваться также как величина, определяющая число фотонов (а следовательно, и их суммарную энергию) в единице объема. Если через дифракционную решетку проходит один единственный фотон (и связанное с ним электромагнитное поле), то значение рассчитанное для различных точек экрана, следует рассматривать как величину, определяющую вероятность попадания этого фотона в ту или иную точку экрана; тогда при прохождении через решетку очень большого числа фотонов (одновременно или через некоторые интервалы времени) они окажутся распределенными по экрану в соответствии со значениями