Квантовая механика, будучи разделом теоретической физики, описывает физические явления, где действие равнозначно по величине постоянной Планка.
Основополагающими принципами механики квантов считаются:
- принцип неопределенности (В. Гейзенберга);
- принцип дополнительности (Н. Бора);
- принцип суперпозиции.
В чем заключается принцип неопределенности
Пусть $\delta x$ представляет среднеквадратическое отклонение для координаты частицы $M$. Она движется вдоль оси $x$.
$\delta p$ при этом будет среднеквадратическим отклонением для ее импульса.
Величины $\delta x$ и $\delta p$ связывает такое неравенство:
$\delta x \delta p \geqslant {\frac {\bar h}{2}}$
Здесь $h$ характеризует постоянную Планка, а $\bar h=\frac{h}{2\pi}$
Согласно идеям принципа неопределенности Гейзенберга, одновременно точное определение местоположения частицы и ее импульса становится невозможным. Другими словами, чем более точным будет определение местоположения (координаты) для частицы, тем импульс становится более неопределенным. И обратно – чем точнее определяется импульс, тем неопределеннее будет местоположение частицы.
Иллюстрация этого принципа показана в опыте Т. Юнга по интерференции. Согласно этому опыту, когда свет проходит через систему двух малых отверстий (близко расположенных друг к другу в непрозрачном экране), его поведение будет характеризоваться не прямолинейно распространяющимися частицами, а взаимодействующими волнами.
Вследствие этого, на расположенной за экраном поверхности мы наблюдаем возникновение интерференционной картины. Ее составляют светлые и темные полосы, чередующие друг друга. Если только одно отверстие оставить поочередно открытым, то тогда мы наблюдаем исчезновение интерференционной картины распределения фотонов.
Сделать анализ и выводы об этом опыте можно, благодаря следующему мысленному эксперименту. С целью определения местоположения для электрона, он должен быть освещен направленным на него фотоном.
Если столкнутся две элементарные частицы, станут возможными точные расчеты координат для электрона (можно определить место, где он пребывал на момент столкновения). При этом электрон при столкновении изменит собственную траекторию. Это объясняется тем, что при столкновении фотон передаст ему импульс. Поэтому если точно определяется координата электрона, становится невозможным узнать траекторию его последующего движения.
Пусть $\delta E$ будет среднеквадратическим отклонением при измерении энергии определенного состояния квантовой системы, а $\delta t$ — время жизни этого состояния. Тогда выполняется следующее неравенство,
$\delta E \Delta t \geqslant {\frac {\bar h}{2}}$
Таким образом, состояние, которое остается неизменным непродолжительное время, не может иметь четко определяемую энергию. Несмотря на схожесть этих двух вышеописанных соотношений неопределенности, их природа будет совершенно различной.
Принцип дополнительности
Еще одним, не менее важным, принципом считается в квантовой механике принцип дополнительности, выведенный Н. Бором. Этот принцип представляет собой частный случай более общего принципа неопределенности.
Согласно идее принципа дополнительности, в случае наблюдения нами в каком-либо эксперименте одной стороны физического явления, мы, в то же время, лишаемся возможности наблюдать сторону явления, дополняющую первую.
Дополнительными свойствами, проявляемыми в разных опытах, проводимых при взаимно исключающих условиях, считаются:
- положение и импульс частицы;
- корпускулярный и волновой характер излучения (или вещества).
Принцип дополнительности положен в основу копенгагенской интерпретации механики квантов, а также анализа процессов измерений характеристик для микрообъектов. Согласно такой интерпретации, позаимствованные из классической физики, динамические характеристики микрочастиц (ее импульс, координата, энергия) вовсе не присущи частице как самой по себе.
Определенное значение и смысл для той или иной характеристики электронов (его импульса, например) раскрывает взаимосвязь с классическими объектами. Для таких объектов эти величины обладают определенным смыслом и параллельно могут иметь некоторое значение. Условно такой классический объект носит название «измерительный прибор».
Значение этого принципа оказалось столь велико, что В. Паули даже предложил свое название для квантовой механики - «теория дополнительности», по аналогии, например, с теорией относительности.
Принцип суперпозиции
В квантовой механике важная роль отводится принципу суперпозиции. Данный принцип называется также принципом наложения.
Основная идея принципа суперпозиции такова: допускается версия о том, что результирующий эффект может представлять их сумму. При этом эффекты вызываются благодаря каждому воздействующему явлению в отдельности. Простейшим примером, который можно привести, считается правило параллелограмма, на основании которого суммируются две действующие на тело силы.
Принцип суперпозиции в микромире является фундаментальным, наряду с принципом неопределенности, составляющим основу для математического аппарата механики квантов. Релятивистская квантовая механика предполагает взаимное превращение для элементарных частиц, где принцип суперпозиции должен дополняться принципом суперотбора.
Так, при аннигиляции позитрона и электрона он дополняется принципом о сохранении электрического заряда: сумма зарядов частицы должна быть постоянной как до, так и после превращения. Так как заряды позитрона и электрона равнозначны и взаимно противоположны, должна возникать незаряженная частица, которую и представляет зарождающийся в данном процессе аннигиляции фотон.
