Многие из проблем квантовой физики носят теоретический характер, что означает неспособность существующих теорий объяснить некоторые из наблюдаемых явлений или экспериментальных результатов.
Другие проблемы относятся к разряду экспериментальных, что подразумевает наличие сложностей в создании эксперимента на тему проверки предлагаемой теории или более подробного исследования какого-либо явления.
Проблема интерпретации квантовой механики
Серьезную проблему для ученых в XIX в. представляла правильная интерпретация квантовой механики. Несмотря на создание ряда теорий в квантовой физике, механика квантов носила характер незавершенности, у физиков оставалось множество вопросов, а квантово-механические формализмы были в большинстве своем абстрактными. Мнения физиков разделились.
Так, А. Эйнштейн и ряд других физиков считали неполным квантово-механическое описание физической реальности. Согласно их мнению, созданная теория не может считаться фундаментальной, а является только промежуточной ступенью для нее. Это обуславливает необходимость дополнить ее принципиально новыми понятиями и постулатами (дорабатывать часть оснований теории, связанную с ее принципами).
Н. Бор, М. Борн и В. Гейзенберг, напротив, считали новую квантовую теорию фундаментальной и дающей возможность полного описания физической реальности. При этом прояснить все интересующие детали, по их мнению, возможно только посредством более глубокого исследования в атомной физике проблемы наблюдений.
Главной отличительной особенностью экспериментальных исследований в квантовой физике считается фундаментальная роль взаимодействия физического объекта и измерительного устройства. Это имеет отношение к корпускулярно-волновому дуализму, количественное выражение принцип которого получает в идее волн де Бройля.
Для любого объекта, одновременно проявляющего волновые и корпускулярные свойства, существует связь импульса $p$, энергии $E$ (присущими ему как частице) с его волновыми параметрами:
- вектором $k$;
- длиной волны $\lambda$;
- частотой $v$;
- циклической частотой $\omega$.
Данная связь выражается соотношениями:
$p=\bar{h}k$
$|p|=h \lambda$
$E=\bar{h}\omega=hv$, где $\bar{h}$ и $h=2\pi\bar{h}$ будут редуцированной и обычной постоянной Планка, соответственно. Данные формулы могут применяться и для релятивистских импульса и энергии.
В разных условиях свет и частицы проявляют противоречивые свойства, формируя спорные представления ученых о них. В одном типе измерительных приборов (например, дифракционная решетка) они представлены в виде распределенного в пространстве непрерывного поля, описываемого волновой функцией. В другом типе приборов (например, пузырьковая камера) эти микроявления выступают в качестве частиц, материальных точек.
Проблема концепции целостности в квантовой физике
Еще одной проблемой квантовой физики была сложность рассмотрения объекта с позиции самостоятельного существования. Это способствовало формированию концепции целостности. С момента возникновения естествознания, в его основе (вплоть до открытия М. Планка) господствовала механистическая концепция части и целого.
Принцип дополнительности отражает фундаментальную неопределенность явлений природы. Квантовый объект, таким образом, нельзя рассматривать в самостоятельном аспекте, поскольку он не обладает какими-либо индивидуальными свойствами. Такой объект всегда находится в классически определенных внешних условиях.
Концепция целостности в квантовой физике будет отличаться от механистической концепции целого и части, поскольку сам объект как вне, так и внутри целого не один и тот же. Отдельный объект рассматривается только в отношении к чему-либо. Свои свойства он проявляет только в отношении конкретной целостности, чем и будет определяться статистическая природа его поведения.
Эта концепция свое содержательное развитие получила благодаря научной работе следующих авторов — А. Эйнштейна, Б. Подольского и Н. Розена в их публикации о квантово-механическом описании физической реальности (1935 г.). В ней физики сформулировали парадокс, впоследствии названный парадоксом Эйнштейна-Подольского-Розена.
Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена
Этот парадокс представлял попытку ученых указать на проблему неполноты квантовой механики посредством мысленного эксперимента. Данный эксперимент заключался в косвенном измерении параметров микрообъекта (исключая непосредственное воздействие на него).
Цель этого косвенного измерения заключалась в попытке получить как можно больше информации о состоянии микрообъекта, чем это возможно за счет квантово-механического описания.
Изначально споры вокруг парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена носили чисто философский характер, связанный с тем, что же именно следует считать элементами физической реальности – только результаты проведенных опытов или нет. Также ученые задавались вопросом: может ли вселенная быть разложена на так называемые отдельно существующие «элементы реальности» таким образом, чтобы каждый из них имел свое математическое описание.
Согласно идее соотношения неопределенностей Гейзенберга, невозможно с одновременной точностью произвести измерение импульса частицы и ее координаты. При этом допускается гипотетический способ измерения, позволяющий обойти принцип неопределенностей и произвести измерение.
Предположим, что две одинаковых частицы $A$ и $B$ образовались вследствие распада третьей - $C$. В таком случае, согласно закону о сохранении импульса, их суммарный импульс $P_A+P_B$ должен равняться исходному импульсу третьей частицы ($P_C$). Иными словами, импульсы двух частиц должны быть взаимосвязаны.
Такое условие позволяет произвести измерение импульса одной частицы $A$ а также (по закону о сохранении импульса: $P_B=P_C-P_A$) рассчитать импульс второй $P_B$ без внесения в ее движение каких-либо возмущений.
Теперь, после измерения координаты второй частицы, становится возможным получить для нее значения двух величин (неизмеримых одновременно), что невозможно на основании законов квантовой механики.
Соотношение неопределенностей, таким образом, не может считаться абсолютным, а законы квантовой механики не являются полными, поэтому предполагают уточнение в будущем.
