Создатели квантовой физики

Основные законы квантовой физики рассматриваются в рамках:

• квантовой механики;
• квантовой теории поля.

На квантовую механику опираются все современные космологические теории при описании поведения атомных и субатомных частиц. Квантовая физика сосредоточена на математическом описании процессов измерения и наблюдения.

Квантовая теория поля и исследования П. Дирака

Квантовая теория поля изучает поведение квантовых систем с бесконечно большим числом степеней свободы. Она описывает микрочастицы, их взаимодействие и превращение. На квантовой теории поля основана физика элементарных частиц, высоких энергий и конденсированного состояния.

Основное уравнение в квантовой механике – уравнение Шредингера - считается релятивистски неинвариантным, что обусловлено несимметричным вхождением в уравнение времени и пространственных координат. Данное уравнение будет соответствовать классической связи импульса частицы и кинетической энергии:

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

Релятивистское соотношение импульса и энергии выражает формула:

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

В 1926 году было сформулировано релятивистски инвариантное уравнение для свободной частицы (с нулевым спином), названное уравнением Клейна-Гордона-Фока. Проблема заключалась в сложной интерпретации волновой функции в качестве амплитуды вероятности.

Несколько иной подход предложил в 1928 году П. Дирак. Он пытался получить дифференциальное уравнение 1-го порядка с равноправием временной и пространственных координат. Поскольку существует пропорциональность оператора импульса первой производной по координатам, гамильтониан Дирака будет линейным по оператору импульса.

Переход к релятивистски инвариантным уравнениям приводит к многочастотным интерпретациям и нестандартным волновым функциям. К концу 20-х годов разрабатывается формализм квантового описания для многочастотных систем, основанный на операторах зарождения и уничтожения частиц. Квантовая теория поля также основывается на этих операторах.

Релятивистские уравнения Дирака и Клейна-Гордона-Фока рассматриваются в квантовой теории поля в качестве уравнений для операторных полевых функций. С этой целью рассматривается новое гильбертово пространство для состояний системы квантовых полей, на которые воздействуют указанные полевые операторы. По этой причине процедуру квантования полей иногда называют «вторичным квантованием».

Принцип Паули для квантовой механики

Принцип Паули (еще называется принципом запрета) является одним из фундаментальных в квантовой физике. Согласно этому принципу, два или более тождественных фермиона (частицы с полуцелым спином) не способны находиться одновременно в одном и том же квантовом состоянии.

Принцип сформулировал для электронов В. Паули в 1925 г. в рамках квантово-механической интерпретации аномального эффекта Зеемана. Полное обобщенное доказательство принципа ученый представил в теореме связи спина и статистики в 1940 г. Согласно данной теореме, волновую функцию системы нужно считать антисимметричной относительно перестановок фермионов.

Принцип Паули сформулирован следующим образом: в пределах одной квант-системы в рассматриваемом квантовом состоянии может быть только один фермион, состояние другого при этом должно отличаться квант-числом (хотя бы одним).

Принцип соответствия Н. Бора

Нильс Бор известен в качестве создателя первой квантовой теории атома и активного участника разработки основ механики квантов. Также этот ученый внес существенный вклад в развитие теорий ядерных реакций и атомного ядра. В 1918 году в статье «Квантовая теория линейных спектров» формулирует принцип соответствия, связывающий классическую физику с квантовой теорией.

Впервые идея о соответствии возникла в 1913 году, когда Бор рассматривал версию о переходах между стационарными орбитами с большими квантовыми числами и излучении ими с частотой аналогичной частоте обращения электрона.

Начиная с 1918 г., принцип соответствия позволяет Бору (на основании представлений о коэффициентах Эйнштейна):

• определить вероятности переходов и также интенсивности спектральных линий;
• получить правила отбора для гармонического осциллятора;
• дать интерпретацию для числа и поляризации компонент Зеемановского расщепления.

Впоследствии Бор представляет точную формулировку принципа соответствия: наличие переходов, сопровождающихся излучением, между некоторыми стационарными состояниями, непосредственно связано с гармоническими компонентами колебаний в движении атома. Эти колебания определяют свойства излучения в классической теории, испускаемого в результате движения частицы.

Согласно данному принципу, предполагается, что абсолютно любой процесс перехода между стационарными состояниями будет связан с соответствующей гармонической компонентой таким образом, что вероятность наличия такого перехода будет зависеть от амплитуды колебания.

Поляризация излучения будет зависеть от свойств колебания аналогично интенсивности и поляризация в системе волн, которые испускаются атомом по классической теории при наличии указанных компонент колебания, будет определяться амплитудой и другими свойствами последних.

Принцип соответствия Бора сыграл огромную роль в построении последовательной квантовой механики. Именно из данного принципа исходил В. Гейзенберг в 1925 г. при создании своей матричной механики. В общефилософском смысле данный принцип, связывая новые знания с достижениями прошлого, представляет один из главных методологических принципов современной науки.