Большая Советская Энциклопедия (КВ)

Большая Советская Энциклопедия

Для квантовых явлений очень важно точное описание условий опыта, в которых наблюдается данное явление. В условия, в частности, входят и измерительные приборы. В классической физике предполагается, что роль измерительного прибора может быть в принципе сведена только к регистрации движения и состояние системы при измерении не меняется. В квантовой физике такое предположение несправедливо: измерительный прибор наряду с др. факторами сам участвует в формировании изучаемого на опыте явления, и эту его роль нельзя не учитывать. Роль измерительного прибора в квантовых явлениях была всесторонне проанализирована Н. Бором и В. Гейзенбергом. Она тесно связана с соотношением неопределённостей, которое будет рассмотрено позже.

Внимание к роли измерений не означает, что в К. м. не изучаются физические явления безотносительно к приборам, например свойства частиц «самих по себе». Так, решаемые К. м. задачи об энергетических уровнях атомов, о рассеянии микрочастицпри их столкновениях друг с другом, об интерференционных явлениях — это задачи о свойствах частиц и их поведении. Роль прибора выступает

на первое место тогда, когда ставятся специфические вопросы, некоторые из которых лишены, как выяснилось, смысла (например, вопрос о том, по какой траектории двигался электрон в интерференционном опыте, т.к. либо нет траектории, либо нет интерференции).

Вернёмся к интерференционному опыту. До сих пор было сделано лишь негативное утверждение: частица не движется по определённому пути, и вероятности не складываются. Конструктивное предложение для описания подобной ситуации можно почерпнуть снова из волновой оптики. В оптике каждая волна характеризуется не только интенсивностью, но и фазой (интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды). Совокупность этих двух действительных величин — амплитуды А и фазы j — принято объединять в одно комплексное число, которое называют комплексной амплитудой: y = Ae^ij. Тогда интенсивность равна I = |y|² = y*y = A², где y* — функция, комплексно сопряжённая с y. Т. к. непосредственно измеряется именно интенсивность, то для одной волны фаза никак не проявляется. В опыте с прохождением и отражением света ситуация именно такая: имеется две волны y₁ и y₂, но одна из них существует только справа, а другая только слева (см. рис. 1); интенсивности этих волн I₁ = A₁², I₂ = A₂², и фазы не фигурируют (поэтому можно было обойтись только интенсивностями). В интерференционном опыте ситуация изменилась: волна y₂ с помощью зеркала была направлена в область нахождения волны y₁ (см. рис. 2). Волновое поле в области существования двух волн определяется в оптике с помощью принципа суперпозиции: волны налагаются друг на друга, т. е. складываются с учётом их фаз. Суммарная волна y имеет комплексную амплитуду, равную сумме комплексных амплитуд обеих волн:

.

Интенсивность суммарной волны зависит от разности фаз j₁ — j₂ (пропорциональной разности хода световых пучков по двум путям):

. (4)

В частности, при A₁ = A₂ и cos (j₁ — j₂) = — 1 |y|² = 0.

В этом примере рассмотрен простейший случай сложения амплитуд. В более общем случае из-за изменения условий (например, из-за свойств зеркала) амплитуды могут изменяться по величине и фазе, так что суммарная волна будет иметь вид

где c₁ и c₂ — комплексные числа:

,

.

Принципиальная суть явления при этом не изменяется. Характер явления не зависит также от общей интенсивности. Если увеличить y в С раз, то интенсивность увеличится в |С|² раз, т. е. |С|² будет общим множителем в формуле распределения интенсивностей. Число С можно считать как комплексным, так и действительным, физические результаты не содержат фазы числа С — она произвольна.

Для интерпретации волновых явлений с корпускулярной точки зрения необходимо перенесение принципа суперпозиции в К. м. Поскольку К. м. имеет дело не с интенсивностями, а с вероятностями, следует ввести амплитуду вероятности y = Ae^ij, полагая (по аналогии

с оптическими волнами), что вероятность w = |cy|² = |c|y*y. Здесь с — число, называемое нормировочным множителем, который должен быть подобран так, чтобы суммарная вероятность обнаружения частицы во всех возможных местах равнялась 1, т. е.

. Множитель с определён только по модулю, фаза его произвольна. Нормировочный множитель важен только для определения абсолютной вероятности; относительные вероятности определяются амплитудами вероятности в произвольной нормировке. Амплитуда вероятности называются в К. м. также волновой функцией.

Амплитуды вероятности (как оптические амплитуды) удовлетворяют принципу суперпозиции: если y₁ и y₂ — амплитуды вероятности прохождения частицы соответственно первым и вторым путём, то амплитуда вероятности для случая, когда осуществляются оба пути, должна быть равна y = y₁+y₂. Тем самым фраза: «частица прошла двумя путями» приобретает волновой смысл, а вероятность w = |y₁+y₂|² обнаруживает интерференционные свойства.

Следует подчеркнуть различие в смысле, вкладываемом в принцип суперпозиции в оптике (и др. волновых процессах) и К. м. Сложение (суперпозиция) обычных волн не противоречит наглядным представлениям, т.к. каждая из волн представляет возможный тип колебаний и суперпозиция соответствует сложению этих колебаний в каждой точке. В то же время квантовомеханические амплитуды вероятности описывают альтернативные (с классической точки зрения, исключающие друг друга) движения (например, волны y₁ и y₂ соответствуют частицам, приходящим в детектор двумя различными путями). С классической точки зрения, сложение таких движений представляется совершенно непонятным. В этом проявляется отсутствие наглядности квантовомеханического принципа суперпозиции. Избежать формального логического противоречия квантовомеханического принципа суперпозиции (возможность для частицы пройти одновременно двумя путями) позволяет вероятностная интерпретация. Постановка опыта по определению пути частицы (см. выше) приведёт к тому, что с вероятностью |y₁|² частица пройдёт первым и с вероятностью |y₂|² — вторым путём. Суммарное распределение частиц на экране будет определяться вероятностью |y₁|² + |y₂|², т. е. интерференция исчезнет.

Т. о., рассмотрение интерференционного опыта приводит к следующему выводу. Величиной, описывающей состояние физической системы в К. м., является амплитуда вероятности, или волновая функция, системы. Основная черта такого квантовомеханического описания — предположение о справедливости принципа суперпозиции состояний.

Принцип суперпозиции — основной принцип К. м. В общем виде он утверждает, что если в данных условиях возможны различные квантовые состояния частицы (или системы частиц), которым соответствуют волновые функции y₁, y₂,..., y_i,..., то существует и состояние, описываемое волновой функцией

,

где c_i — произвольные комплексные числа. Если y_i описывают альтернативные состояния, то |c_i|² определяет вероятность того, что система находится в состоянии с волновой функцией y_i, и

Волны де Бройля и соотношение неопределённостей. Одна из основных задач К. м. — нахождение волновой функции, отвечающей данному состоянию изучаемой системы. Рассмотрим решение этой задачи на простейшем (но важном) случае свободно движущейся частицы. Согласно де Бройлю, со свободной частицей, имеющей импульс р связана волна с длиной l = h/p. Это означает, что волновая функция свободной частицы y(х) — волна де Бройля — должна быть такой функцией координаты х, чтобы при изменении х на l волновая функция y возвращалась к прежнему значению. Этим свойством обладает функция e^i2px/l. Если ввести величину k = 2p/l, называемую волновым числом, то соотношение де Бройля примет вид:

. Т. о., если частица имеет определённый импульс р, то её состояние описывается волновой функцией