Как изменила наши представления о мире квантовая механика

ЭССЕ
на тему
"Как изменила наши представления о мире квантовая механика"
На рубеже 19-20 вв. в физике возникла новая, революционная теория, которая кардинальным образом изменила представления о материи. Новая теория, основанная на экспериментальных фактах, за которой впоследствии закрепилось название квантовая, стала описывать частицы и поля единым образом. Так поля, которые ранее рассматривались как непрерывные объекты, приобрели дискретные свойства, т.е. свойства частиц. В свою очередь частицы приобрели непрерывные свойства, характерные для полей или волн.
Пожалуй, самое первое, что нужно знать о квантовой механике, - это то, что к механике она имеет такое же отношение, как и к любому другому разделу физики. Она обеспечивает универсальную теоретическую основу, которая может быть использована во всех физических областях. Термин «квантовая механика» сложился исторически, поскольку впервые квантовые представления успешно было применены при исследовании механического движения электронов в атоме. Таким образом, предмет квантовой механики (квантовой физики) глобален: она охватывает все физические явления во Вселенной. Однако стоит отметить, что применять квантовый подход целесообразно в случае микроскопических систем. Макроскопические системы хорошо согласуются с законами классической физики, которые наиболее просты для понимания. Давайте попробуем разобраться, откуда зародилась квантовая механика, и каким образом она изменила наше представление о мире.
Начало квантовой механики было положено теоретической моделью, описывающей излучение абсолютно черного тела (АЧТ). Возник такой парадокс, что при малых длинах волн экспериментальная кривая шла к нулю, а теоретическая устремлялась в бесконечность. Это рассогласование получило название «ультрафиолетовая катастрофа» (ультрафиолетовое излучение – коротковолновое излучение). «Помирить» теорию и эксперимент удалось в 1900 г. Максу Планку. Он предположил, что поглощение и излучение электромагнитной волны происходит не непрерывно, а порциями – квантами, энергия которых пропорциональна частоте волны: E = hν. Коэффициент пропорциональности h, именуемый позднее постоянной Планка, сам Планк получил, подгоняя теоретический спектр под экспериментальный. Следующий шаг в развитии квантовой механики был связан с объяснением явления фотоэффекта, однако мы не будем на этом останавливаться, и рассмотрим основные идеи квантовой механики, изменившие наше представление о мире.
Предложенная в 1911 г. планетарная модель строения атомов породила множество вопросов. Например, почему отрицательно заряженные электроны не «падают» на положительное ядро? Чем объяснить удивительную прочность атомов, ведь в природе они сталкиваются миллионы раз в секунду? Ответить на них смогла квантовая механика. На субатомном уровне скорость частицы возрастает тем больше, чем больше ограничивается пространство, в котором она движется. Таким образом, чем ближе электрон притягивается к ядру, тем быстрее он движется и тем больше отталкивается от него. Скорость движения настолько велика, что «со стороны» атом «выглядит твердым», как выглядят диском лопасти вращающегося вентилятора. Квантовая механика также изменила наше представление о свойствах света. Ньютон утверждал, что это поток частиц, Гюйгенс считал свет волной. В рамках классической физики примирить их позиции невозможно. С точки зрения квантового подхода свет – это и частица и волна. Но, пожалуй, самым удивительным в квантовой механике является принцип неопределенности Гейзенберга. Согласно этому принципу мы не можем одновременно узнать положение микрочастицы в пространстве и ее импульс. То есть если нам, например, удалось с высокой точностью измерить пространственное положение скажем электрона, то это значит, мы в этот же момент времени имеем лишь самое смутное представление о его импульсе, и наоборот. Вместо пространственных координат и скорости, которыми мы привыкли описывать механическое движение, например шара по бильярдному столу, в квантовой механике объекты описываются так называемой волновой функцией.  Гребень «волны» соответствует максимальной вероятности нахождения частицы в пространстве в момент измерения. Движение такой волны описывается уравнением Шредингера, которое и говорит нам о том, как изменяется со временем состояние квантовой системы.
Еще одна невероятная особенность квантовой теории заключается в том, что даже пассивное наблюдение за квантовыми эффектами может фактически изменить результат. Приведем в пример знаменитый эксперимент Шредингера. В черный ящик помещают живого кота, ампулу с ядом и некий механизм. Допустим, механизм приходит в действие и ампула разбивается, если распадается один радиоактивный атом. Точное время распада атома неизвестно. Известен лишь период полураспада: время, за которое распад произойдет с вероятностью 50%. Получается, что для внешнего наблюдателя кот внутри ящика существует сразу в двух состояниях: он либо жив, если все идет нормально, либо мертв, если распад произошел и ампула разбилась. Оба этих состояния описывает волновая функция кота, которая меняется с течением времени: чем дальше, тем больше вероятность, что радиоактивный распад уже случился. Но как только ящик открывается, волновая функция коллапсирует и мы сразу видим исход эксперимента. Выходит, пока наблюдатель не откроет ящик, кот так и будет вечно балансировать на границе между жизнью и смертью, а определит его участь только действие наблюдателя.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что, несмотря на сложность восприятия и понимания «законов» квантовой механики, данная теория не просто имеет место быть, а успешно объясняет парадоксы, которые не под силу объяснить классической физике.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАУТРА
Иванов М. Г. Как понимать квантовую механику. — М. –Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2012 - URL: https://mipt.ru/students/organization/mezhpr/upload/608/quant-1-0-arphanncajc.pdf;
МЕТАФИЗИКА НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ 2017, No 1 (23) - URL: http://lib.rudn.ru/file/Метафизика%20№1_23_2017%20печать.pdf
В. Ю. Ирхин, М. И. Кацнельсон.КРЫЛЬЯ ФЕНИКСА.ВВЕДЕНИЕ В КВАНТОВУЮ МИФОФИЗИКУ - URL: http://www1.imp.uran.ru/ktm_lab/irkhin/fenix/#ch07Львовский, А. Отличная квантовая механика : Учеб. пособие : в 2 ч. / Александр Львовский ; Пер. с англ. [Натальи Лисовой] — М.: Альпина нон-фикшн, 2019. — 422 с.
Популярная механика, Квантовая физика: о самом сложном простым языком - URL: https://www.popmech.ru/science/5461-kvantovaya-sutra-fiziki-i-kliriki/Теория и практика, Загадка наблюдателя: 5 знаменитых квантовых экспериментов - URL: https://theoryandpractice.ru/posts/8507-quantum-experiment.