Приближается знаменательный для всей физической науки юбилей — 100-летие создания квантовой механики. В 1925 году в статьях Вернера Гейзенберга, Макса Борна и Паскуаля Йордана и в последующей статье Поля Дирака была представлена матричная квантовая механика, а в 1926 году вышли инициированные представлениями Луи де Бройля о волнах материальных частиц четыре статьи Эрвина Шредингера, в которых представлялась эквивалентная, но ставшая в дальнейшем базовой волновая форма квантовой механики, где основную роль играет волновая функция квантового состояния, которая подчиняется дифференциальному уравнению в частных производных 2-го порядка с заданными граничными и начальным условиями. Важно указать, что развитие и формирование основ квантовой механики фактически продолжается до сих пор, хотя вполне аргументированно следует считать, что квантовая механика не только адекватно описывает атомно-молекулярные явления, дает необходимую и достаточную информацию о структуре и свойствах атомов и молекул, о проявлениях квантовых эффектов в конденсированных системах, но и демонстрирует удивительную предсказательную силу существующего аппарата квантовой механики.
Инициирующим фактором к созданию квантовой механики стала, как хорошо известно, планетарная модель атома. Резерфорд вынужден был предложить планетарную модель на основе результатов экспериментального исследования рассеяния α и β частиц в веществе, хорошо понимая, что такой атом не может существовать как устойчивая система из-за постоянного излучения электромагнитных волн электроном, движущимся вокруг ядра по круговой орбите, и неизбежного вследствие этого падения на ядро. Планетарную модель спасли идеи Бора и квантовая механика, созданная на основе соответствующих постулатов. Но все же «детский», по Г.Х. Андерсену, вопрос остается: по каким физическим причинам электрон все же не падает на ядро? Остаются и другие такого же типа вопросы. Как понять туннелирование частицы через «сплошной» энергетический барьер, да еще за мнимое время? Неужели теория должна быть «достаточно безумной», как полагали некоторые классики, чтобы «быть верной»?
Хорошо известно замечание Ричарда Фейнмана, сделанное при чтении лекций в Корнеллском университете в 1964 г.: «Как мне кажется, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает», которое научное сообщество просто приняло к сведению, оставив без последующих комментариев. Последнее вызывает сожаление, тем более, что понимание сущности квантовой механики может пролить свет и на существо смежных проблем. История создания квантовой механики, восходящая к введению Максом Планком в 1900 году кванта действия при анализе спектра излучения абсолютно черного тела, представлена в литературе достаточно полно, равно как и ряд предыдущих и последующих экспериментальных исследований, приведших к созданию квантовой механики.
Не менее важна роль и последующих, после создания квантовой механики, исследований, утверждающих новые идеи, открывающие новое знание микромира. И ключевую роль здесь, вне сомнения, играет базовый для квантовой механики образ «волны-частицы». Достаточно быстро стало ясным, что представление о волне де Бройля, не вписывается в уравнения квантовой механики и выражает лишь саму идею совмещения в одном объекте волновых и корпускулярных свойств. Вводимые в ортодоксальной квантовой механике волны-частицы де Бройля просто постулируются, и им вынужденно приписывается временная дисперсия. В силу последнего обстоятельства волна де Бройля должна распадаться на микроскопических расстояниях. «Именно это не позволило основоположникам квантовой механики связать волну де Бройля с каким-либо реальным свойством стабильного электрона. Но любой серийный электронный микроскоп просвечивающего типа работает вопреки ортодоксальной трактовке физики микромира. В практике электронной микроскопии приходится считать, что внутри микроскопа волна де Бройля фактически сопровождает электрон и без распада проходит значительное расстояние от катода до детектора. Электроны в пучке микроскопа демонстрируют корпускулярные и волновые свойства ОДНОВРЕМЕННО.
Реальность именно такой сущности движущегося электрона как истинной «волны-частицы» была экспериментально подтверждена в классической работе сотрудников МЭИ Л.М. Бибермана, Н.С. Сушкина, В.А. Фабриканта в которой было экспериментально подтверждено, что волновые свойства присущи не только потоку электронов, но и каждому электрону в отдельности. Было показано, что даже в случае неинтенсивного электронного пучка, когда каждый электрон проходит через прибор независимо от других, возникающая при длительной экспозиции дифракционная картина не отличается от дифракционных картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов, в миллионы раз более интенсивных. Электрон (его кинетическая энергия составляла Ее = 72 keV) проходил прибор за 8,5 • 10-9сек., затем в течение в 30 000 раз (!) большего интервала времени (в среднем) прибор оставался пуст, и лишь после этого через него проходил новый электрон. Очевидно, что при таком огромном интервале времени между последовательными прохождениями вероятность одновременного прохождения хотя бы двух электронов ничтожна. Здесь следует признать, что эта фундаментальная работа, в которой был экспериментально доказан базовый для квантовой механики постулат об электроне как волне-частице, в которой проявляются одновременно корпускулярные и волновые свойства, остается мало известной и мало цитируется другим ключевым моментом в становлении квантовой механики как раздела физики явилось включение образа волна-частица в качестве полноправного квантово-механического объекта в эту науку с ее правилами и в соответствии с ее аппаратом. При этом для электрона как волны-частицы, естественно, должно существовать квантово-механическое уравнение.
Решение этой проблемы стало возможным благодаря исследованиям выпускника МЭИ, профессора Фернандо Вильфа. Обсуждая проблемы физической сущности понятий и образов ортодокальной квантовой механики, мы изначально принимаем, что любая частица в каждый момент времени обладает вполне определенными физическими характеристиками (положением в пространстве, импульсом, механическим моментом, потенциальной энергией и т.п.) вне зависимости от присутствия соответствующих измерительных устройств. Конечно, некоторые величины нельзя измерить одновременно, хотя бы потому, что в одну точку пространства нельзя поместить два прибора.
Причина введения в аппарат квантовой механики операторов состоит исключительно в том, что частицы реально не являются точками из-за казимировской поляризации ЕМ вакуума в окрестности этих частиц. Естественно, что к таким объектам нельзя применять непосредственно обычный математический аппарат, включающий, в частности, процедуры дифференцирования. Именно поэтому квантовая механика как адекватная наука о микромире приобрела математический аппарат с введением операторов, соответствующих наблюдаемым характеристикам, способным принимать разнообразные значения и направления в пространстве, и волновых функций, на которые вводимые операторы должны действовать. И именно в этом состоит принцип соответствия в квантовой механике. Согласно этому принципу, каждой физической характеристике обязан соответствовать оператор, и обратно: каждому оператору в квантовой механике должна соответствовать физическая характеристика, и формула преобразования оператора этой характеристики должна быть идентична формуле преобразования самой характеристики. Ф. Вильф обратил внимание, что это базовое требование оказывается в квантовой механике нарушенным при переходе к релятивистским скоростям движущихся частиц. Конкретно, требуемое соответствие вводимых в квантовой механике операторов наблюдаемым характеристикам объекта отсутствует в уравнении Дирака, постулированном Дираком в 1928 году. В этом уравнении были введены операторы, называемые альфа-матрицами Дирака и выражаемые матрицами размера 4×4, как чисто математические образы, безотносительно к принципу соответствия. Ф. Вильф придал размерный вид этим альфа-операторам и показал, что фактически в рамках уравнения Дирака с этими операторами связываются физически определенные характеристики переносимого электрона — временной интервал (период) и некоторый радиус-вектор. Именно такое понимание уравнения Дирака стало основой для последующего введения в квантовую механику электрона как волны-частицы в качестве полноправного квантово-механического объекта, движение которого как неточечной частицы описывается уравнением Дирака.
При этом векторный альфа-оператор связывается с представлениями об электроне не как точечной элементарной частице, а как частице, поляризующей свою базовую среду — электромагнитный вакуум и ставшей «казимировским поляроном», волной-частицей. Скалярному альфа-оператору в этом случае ставится в соответствие характерное время перестройки области казимировской поляризации ЕМ вакуума в окрестности электрона при его движении в ЕМ вакууме. Все это означает, что образ волны де Бройля как не входящий органически в ортодоксальную квантовую механику сыграл свою историческую роль, уступая, фактически, место «неточечному» электрону как волне-частице Дирака-Вильфа, для которой, фактически, и следует рассматривать уравнение Дирака. Образ волны-частицы — базовое понятие в квантовой механике. Ученые Московского Энергетического Института внесли выдающийся вклад не только в экспериментальное доказательство реальности именно такой сущности движущегося электрона, но и в установлении физической сущности этого феномена.
#НИУМЭИ #МЭИ #ПервыйЭнергетический #ученые #наука #кванты #электрон #атомы #частицы #квантоваямеханика
