Квантова механика - тема

[Kotkata68]

Квантовата механика

Квантовата механика възниква през 1925-1926 г.
Преди квантовата механика във физиката протече друга революция, когато Айнщайн открива през 1905 г., че механиката на Нютон не дава правилни резултати, когато скоростта на едно тяло доближава скоростта на светлината. За да бъде всичко последователно, времето не следва повече да се разглежда като абсолютно: понятията "преди" и "след", които характеризират последователността на явленията във времето, трябва да играят в теорията същата роля, каквато играят понятията "наляво" - "надясно", "напред" - "назад" и "нагоре" - "надолу" по отношение положенията на телата в пространството. С други думи, времето трябва да се разглежда като четвърта координата, подобна на трите пространствени координати. Точно както ляво и дясно или напред и назад се променят, когато се завъртим, така и времето се оказва зависимо от другите три координати, когато се движим бързо.

Сега, през 20-те години на века, дойде квантовата механика, която показа друга област, в която Нютоновата механика не дава правилни резултати: в областта на микросвета. Тогава възникна въпросът: каква е физиката на частиците, които са едновременно и малки, и се движат бързо?

Това бе един практически въпрос: електроните в атомите са малки и се движат достатъчно бързо, за да доведат до забележими неточности в резултатите на новата квантова механика, която бе създадена така, че в случая на макроскопичните тела да преминава в механиката на Нютон, а не в механиката на Айнщайн. В началото учените опитват да създадат теория, съвместима със специалната теория на относителността, но не успяват да преодолеят техническите препятствия: по-специално опитите им водят до вероятности, които са отрицателни числа - нещо безсмислено, поне в обикновения смисъл на понятието вероятност. Въпросът бе сведен до това: кои са правилните видове квантови вълни, описващи електроните? И кое е вълновото уравнение, описващо динамиката на тези вълни, което, удовлетворявайки изискванията на теорията на относителността, дава разумни физични предсказания?
Дираковата конструкция на неговото вълново уравнение за електрона, публикувано в две статии в Proceedings of the Royal Society (Лондон) през февруари и март 1928 г., съдържа един от онези страхотни скокове на въображението, които съпровождат всички велики достижения на мисълта. Той показа, че най-простата вълна, която удовлетворява всички изисквания, се характеризира не с едно число, а притежава четири компоненти. На пръв поглед това изглежда като усложнение, особено за умовете, все още замаяни от необичайността на "обикновената" квантова механика. Четири компоненти! От къде накъде трябва Дираковата теория да се взема насериозно?

Първо, и преди всичко за Дирак, логиката, довела до теорията, бе, макар и твърде сложна, в известен смисъл чаровно проста. Много по-късно, когато някой го попитал (както мнозина трябва да са правили това преди) "Как намерихте уравнението на Дирак?", казват, че бил отговорил: "Намерих го прекрасно." Второ, то е в съответствие с прецизните измервания на енергиите на излъчената от атомите светлина и в частност там, където те се разминават с резултатите от обикновената (нерелативистична) квантова механика.

Съществуват две допълнителни причини, поради които уравнението на Дирак господства като коректно описание на електроните. За да се разбере това е необходимо да се осъзнае, че всяка велика физична теория дава много повече, отколкото е вложено в нея, в смисъл, че наред с решаване на проблемите, довели до нейното конструиране, тя обяснява повече и предсказва нови неща. Преди уравнението на Дирак бе известно, че електронът притежава собствен механичен момент на въртене - спин. За всекидневните ни мащаби стойността на спина е малка, но е постоянна и играе основна роля при квантово-механичното обяснение на правилата на химията и на структурата на веществото. Спинът се разглеждаше като свойство на електрона, подобно на неговата маса и електричен заряд, чието съществуване трябва да се приеме предварително, преди да се приложи квантовата механика. В уравнението на Дирак не е необходимо спинът да се внася предварително: той, заедно с магнетизма на електрона, възниква при решаването му като неизбежно свойство на един електрон, когато той се разглежда едновременно и като квантова, и като релативистична частица.

Почти във всички области, в които физиката стига до границите на разбираемото, се прибягва до квантовата теория. За мнозина тя е повече и от молекулярната биология, теорията на Големия взрив или теорията на относителността - най-радикалната революция на човешката мисъл през XX век. Бащите на квантовата механика не се задоволиха само с формулирането на физическите закони за атомите, но събориха и големи късове от философския фундамент, върху който се базираше целият научен опит за обяснение на света. А след това в царството на атомите, когато енергията приема формата на малки снопчета - кванти, вече нищо не изглеждаше сигурно.