Предпосылки возникновения квантовой теории относятся к началу 20 века и связаны с проведением множественных опытов, направленных на исследование физических свойств вещества в соответствии с частотой его излучения. Особая заслуга в этом принадлежит ученым:
- Л. Бройлю;
- Планку;
- А. Эйнштейну;
- А. Комптону;
- Н. Бору;
- В. Гейзенбергу;
- Э. Шредингеру;
- П. Дираку;
- В. Паули;
- С. Гаудсмиту.
Предпосылки появления квантовой теории
В 1900 гг. Планком была сформулирована теория о свойстве вещества излучать энергию исключительно конечными порциями, которые при этом пропорциональны его частоте. Данная концепция изменила традиционные положения, представляющие основу классической физики.
Присутствующая в действии дискретность непосредственным образом указывала на взаимосвязь локализации объекта во временном пространстве и его динамического состояния. Л. де Бройль, в свою очередь, делал акцент на представлении такой связи в более простом и понятном формате, в отличие от связи времени и пространственных переменных.
Дальнейшим шагом в развитии квантовой теории стали попытки Эйнштейна расширить гипотезу Планка путем объяснения закономерности фотоэффекта, не укладывающегося в рамки классической теории. Так, в 1905 году ученый выдвинул версию о дискретном строении света, благодаря присутствию фотоэффекта. Она предусматривала распространение излучения электромагнитной энергии и поглощения аналогично специальной частице (фотону).
В 1923 г. благодаря обнаружению эффекта Комптона, появились новые доказательства присутствия фотонов в виде фиксации ученым упругого рассеяния электромагнитного излучения малых длин волн (рентгеновское и гамма-излучение).
Были и другие вариации подтверждения фотонной концепции, среди которых особенно плодотворной оказалась теория атома Бора (1913 г.), определившая связь строения материи и присутствия квантов, а также факт скачкообразных изменений энергии внутриатомных движений.
Понятие квантовой теории в представлении разных ученых
Появление и успешное развитие квантовой теории спровоцировали изменение классических представлений относительно структуры материи и ее движения в пространстве времени. В квантовой теории частица превращается в функциональную часть системы без наличия у нее в параллельном режиме импульсов и координат.
Так, если изначально (в более ранних представлениях) целое понималось в форме комплексного существования составляющих частей, то квантовая теория позволила выявить зависимость свойств частицы от системы, в которой она состоит. В то же время, в классическом понимании познавательный процесс предусматривал исследование материального объекта в формате самостоятельного существования.
Разногласия были выявлены, в первую очередь, касательно физического смысла двойственности микрочастиц. Де Бройль поспешил выдвинуть концепцию волны-пилота, подразумевающей сосуществование частицы и волны, последняя при этом ведет первую за собой.
Шредингер, в свою очередь, решил проблему двойственности частицы посредством ее снятия. Так, в его понимании частица выступает в качестве чисто волнового образования. Таким образом, интерпретации де Шредингера и Бройля оказались, по сути, тщетными попытками сформировать демонстрационные модели в их классическом понимании.
Дискуссии вокруг проблемы интерпретации квантовой теории сделали актуальным вопрос самого статуса квантовой теории, то есть, действительно ли она может считаться полной. Впервые об этом задумался Эйнштейн, позиция которого была выражена концепцией скрытых параметров. Ученый исходил из понимания квантовой теории в виде статистической теории, описывающей закономерности в поведении не отдельной частицы, а целого ансамбля (комплекса).
Квантовая теория смогла внести в науку элемент случайности и непредсказуемости. И, несмотря на несогласие с этим Эйнштейна, квантовая механика доказала свою экспериментальную согласованность, что позволило ей стать основой многих областей знания.
Квантовая статистика как составная часть теории квантов
Параллельно с развитием квантовой и волновой механики, успешно развивалась и иная составная часть квантовой теории - статистическая физика квантовых систем (квантовая статистика).
Квантовая статистика представляет собой один из разделов квантовой теории, сформировавшейся на базе квантовых законов перемещения в пространстве частиц, она описывает поведение макрообъектов в случаях невозможности применения законов классической механики.
Квантовая система в таком случае:
- не может рассматриваться в виде совокупности частиц, сохраняющих свою самостоятельность и индивидуальность;
- полностью исключает возможность различия двух частиц аналогичной природы;
- исходит из позиции существования отличия двух состояний системы друг от друга исключительно в виде перестановки двух частиц тождественной природы.
Основное положение квантовой статистики, таким образом, заключается в наличии принципа тождественности схожих частиц, включенных в квантовую систему. Этим условием квантовые системы отличаются от классических.
Во взаимодействиях микрочастиц главная роль принадлежит спину (собственному моменту количества движений микрочастицы), открытому в 1925 г. Учеными С. Гаудсмитом и Д. Уленбеком. В зависимости от спина, микрочастица находится в подчинении у определенного типа статистики (одного из двух).
В 1925 г. для фермионов (частиц с полуцелым спином) физики Э.Ферми и П.Дирак предложили иной тип квантовой статики, впоследствии названный в честь фамилий ученых. Характерной особенностью такого типа статики стало допущение присутствия произвольного числа частиц в каждом квантовом состоянии (принцип запрета Паули). Подтверждение статистики первого типа наблюдается в процессе исследования объектов, подобных абсолютно черному телу, а второго типа - электронного газа в металлах, нуклонов в атомных ядрах и пр.
Принцип Паули позволил ученым найти объяснение закономерностям заполнения оболочек в многоэлектронных атомах электронами, сформировать обоснование периодической системы Менделеева. Данный принцип акцентирует внимание на специфическом свойстве частиц, находящихся в его подчинении.
Таким образом, главным выводом квантовой статистики стало положение об отсутствии тождественности частицы, входящей в какую-либо систему относительно аналогичной частицы из системы другого типа или вовсе существующей самостоятельно. Отсюда следует важность задачи по выявлению специфики материального носителя определенных свойств систем.
