10 фактов о квантовой механике

Серию статей «10 фактов о….» продолжает статья известного физика и популяризатора науки, докт. физ.-мат. наук, члена-корр. РАН, зав. Лаборатории теоретических исследований Института общей и ядерной физики РНЦ «Курчатовский институт», лауреата премии «Просветитель» 2009 г. Леонида Пономарева.

1. В природе существует наименьший квант действия (постоянная Планка) h=6,626075×10-34 Дж×с, который определяет все основные особенности квантовых явлений.

2. Квантовым явлениям присущ корпускулярно-волновой дуализм: в зависимости от условий наблюдения они обнаруживают и волновые (частота v и длина волны λ колебаний), и корпускулярные (энергия Е и импульс р =m^v частицы) свойства. Соотношение между ними осуществляет постоянная Планка h:

3. Волновые и корпускулярные характеристики квантовой системы не могут быть измерены одновременно и с произвольной точностью. Точности Δх и Δр определения координаты х и импульса р системы ограничены соотношением неопределенностей Гейзенберга:

4. Корпускулярные и волновые свойства квантовой системы дополнительны друг другу: хотя они и не могут быть определены в одном эксперименте, но они равно необходимы для его полной характеристики.

5. Квантовая механика была открыта в двух формах: матричная механика Гейзенберга и волновая механика Шрёдингера. Состоянию n квантовой системы ставится в соответствие комплексная амплитуда вероятности (или волновая функция), которая подчиняется волновому уравнению Шрёдингера. В квантовой физике оно играет ту же роль, что и уравнения Ньютона в классической механике или уравнения Максвелла в физике электромагнетизма.

6. Плотность вероятности p_n реализации состояния n определяется квадратом амплитуды волновой функции p_n = |ψ_n(x)|² , а его волновые свойства (интерференция и дифракция) — его фазой φ_n(x).

7. Для квантовых систем справедлив принцип суперпозиции состояний ψ = a₁ψ₁ + a₂ψ₂ +…, который позволяет находиться ей в любом из них (в том числе альтернативных) с вероятностью |a_i|².

8. Измеримым характеристикам квантовой системы (x, p, L…) ставятся в соответствие операторы (ẋ, ṗ, Ĺ…), а их измеримые величины находятся как собственные значения матриц p_mn , L_mn их операторов: Р_mn = {ψ_m|ṗ|ψ_n},…. Эти значения совпадают с собственными значениями краевой задачи для уравнения Шрёдингера.

9. Важнейшая характеристика квантовой системы — спин: он определяет свойства симметрии системы и статистические характеристики квантового ансамбля. Для квантовых объектов с полуцелым спином (электрон, протон и т.д.) справедлив «принцип запрета Паули», который, в частности, позволил объяснить строение Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

10. Квантовым законам подчиняются все явления атомной и ядерной физики, структурная химия и физика твердого тела, физика элементарных частиц и ядерная астрофизика, а также работа ядерного и термоядерного реакторов и ядерное оружие.