Квантовая физика

Главные законы квантовой физики ориентированы на квантовую механику и квантовую теорию поля. Также они применяются и в некоторых других разделах физики. На квантовую механику опираются также все современные космологические теории.

История возникновения квантовой физики

Зарождение квантовой физики представляет собой продолжительный и постепенный процесс, занявший более 25 лет. Так, 27 лет прошло от первого употребления такого понятия, как «квант», до разработки так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики.

Если проследить хронологию развития квантовой физики и ее основные события, то она будет выглядеть следующим образом:

1. 50-60-е годы XIX в. У. Гамильтон высказывает сомнение в адрес стандартного изложения классической механики и предлагает свой вариант. Так, по его версии, классическая механика описывает движение тел не точно, а только приближенно, аналогично геометрической оптике, описывающей движение световых лучей в то время, как свет в действительности это волна. Гамильтон выстраивает полную аналогию геометрической оптики тел для классической механики, получившую название формализма Гамильтона-Якоби.
2. 1895 г. В. Рентген обнаруживает при проведении исследований катодных лучей интересный факт: на месте их падения на стекло трубки (помимо фосфоресценции в видимом свете) возникает еще какое-то глубокое излучение. Свое открытие физик именует явлением Х-лучей. В электрическом и магнитном полях такие лучи не отклоняются, поэтому они не заряжены. При этом для ученых остается открытым вопрос корпускулярной и волновой природы излучения.
3. 1900 г. Планк после 5-летних исследований проблем излучения абсолютно черного тела решает применить к вышеуказанному излучению метод Гиббса (метод максимальной энтропии) для континуума гармонических осцилляторов. Планк при этом заменяет непрерывный спектр энергетических состояний осциллятора на дискретный с шагом, пропорциональным его частоте: $\delta E=hν$. Полученная формула точно описывает спектр излучения, не используя при этом предельный переход.
4. 1928 г. Дирак после продолжительных попыток получает основное уравнение квантовой механики (названо уравнением Дирака). Также удается определить такие понятия, как коэффициент-2, бесконечные энергии, позитроны, квантовая электродинамика.

Основные положения квантовой физики

К основным положениям квантовой физики относятся следующие:

• Энергия в любом виде может поглощаться или, наоборот, выделяться исключительно отдельными порциями. При этом, они могут состоять только из целого числа условных объектов (квантов). Энергия одного кванта характеризуется частотой и коэффициентом пропорциональности.
• Любое физическое тело можно описать в виде волны и материального объекта одновременно.
• А. Эйнштейн выдвигает теорию о том, что свет можно считать состоящим из отдельных квантов. Формулы для описания энергии, импульса и массы фотонов относят к основным законам описания квантовой природы света и любого иного высокочастотного излучения.

Эйнштейн начинает с исследования проблемы излучения черного тела. Если допустить, что электромагнитные осцилляторы (молекулы тела) подчиняются законам для классической статистики Максвелла-Больцмана, в среднем каждый такой осциллятор будет обладать энергией, определяемой по формуле:

$E=T \frac{R}{N}$

где $R$ считается постоянной Клапейрона, а $N$ — числом Авогадро.

Применяя соотношение Планка между объемной плотностью энергии и средней энергией осциллятора:

$\bar{E_v}=P_v \frac{L^3}{8 \pi ^2}$

$E_ν$ здесь представляет среднюю энергию осциллятора для частоты $v$

$L$ это скорость света;

$ρ$ представляет объемную плотность энергии излучения.

На основании этого Эйнштейн выводит равенство:

$T \frac{R}{N}=P_v \frac{l^3}{8 \pi ^2}$

Из него он определяет объемную плотность энергии:

$P_v=\frac{R}{N}=T \frac{8 \pi ^2}{L^3}$

Эйнштейн при этом утверждает, что данное соотношение, полученное при динамическом равновесии, не только демонстрирует противоречие опыту, но и утверждает невозможность однозначного распределения энергии между веществом и эфиром, поскольку суммарная энергия излучения получается бесконечной.

Квантовая теория поля

Квантовая теория поля ориентирована на изучение поведения квантовых систем, имеющих бесконечно большое число степеней свободы. Такая теория представляет теоретическую основу для описания микрочастиц, а также их превращений и взаимодействий.

Именно квантовая теория поля служит базой для физики:

• высоких энергий;
• элементарных частиц;
• конденсированных состояний.

Квантовая теория поля в формате стандартной модели представляет сегодня единственную экспериментально подтвержденную теорию, способную описать и предсказать, как поведут себя элементарные частицы при высоких энергиях (значительно превышающих их энергию покоя).

Уравнение Шредингера считается релятивистски неинвариантным. Нерелятивистское уравнение Шредингера будет соответствовать классической связи импульса частицы и кинетической энергии:

$ E=\frac{p^2}{2m}$

Релятивистское соотношение для энергии и импульса получается таким:

$E^2=p^2c^2+m^2c^4$