Состояние квантово-механической системы. Различие между закономерностями статистической классической физики и статическими закономерностями квантовой механики

Механика Ньютона – законченная система классической механики, основанная на понятиях количества материи (массы тела), количества движения, силы и трех законах движения: закона инерции, закона пропорциональности силы и ускорения и закона равенства действия и противодействия.

Классическая механика Ньютона сыграла и играет до сих пор огромную роль в развитии естествознания. Она объясняет множество физических явлений и процессов в земных и в неземных условиях, составляет основу для многих технических достижений. На ее фундаменте базируются многие методы научных исследований в различных отраслях естествознания.

В основе классической механики лежит концепция Ньютона, определившая лицо естествознания вплоть до ХХ в. Согласно ньютоновской концепции, физическая реальность характеризуется понятиями пространства, времени, материальной точки и силы (взаимодействия материальных точек).

Законы Ньютона позволяют решить многие задачи механики – от простых до сложных. Но понятия и принципы классической физики оказались неприменимыми к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи или микрообъектов, таких как электроны, протоны, нейтроны, атомы и подобные им объекты, которые образуют невидимый нами микромир.

Ограниченность применения классической механики к микрообъектам, невозможность с классических позиций описать строение атома, экспериментальное подтверждение гипотезы де-Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, привели к созданию квантовой механики, описывающей свойства микрочастиц с учетом их особенностей.

Квантовая механика — это физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне. В основе квантовой механики лежат представления Планка, согласно которым излучение энергии веществом происходит малыми порциями – квантами с энергией, пропорциональной частоте испускаемого излучения, гипотеза де Бройля о волновых свойствах частиц вещества, соотношение неопределенностей Гейзенберга. В квантовой механике вводится понятие волновой функции Y (x,y,z,t), определяющей вероятность нахождения микрочастицы в данном месте пространства в данное время. Основным уравнением квантовой механики является уравнение Шредингера, определяющее вид функции Y (x,y,z,t). Последующее изучение явлений микромира привело к результатам, которые резко расходились с общепринятыми в классической физике и даже в теории относительности представлениями.

Классическая физика видела свою цель в описании объектов, существующих в пространстве, и в формулировке законов, управляющих их изменениями во времени. Но для таких явлений, как радиоактивный распад, дифракция, испускание спектральных линий можно утверждать лишь, что имеется некоторая вероятность того, что индивидуальный объект таков и что он имеет такое-то свойство. В квантовой механике нет места для законов, управляющих изменениями отдельного объекта во времени.

Для классической механики характерно описание частиц путем задания их положения и скоростей и зависимости этих величин от времени. В квантовой механике одинаковые частицы в одних и тех же условиях могут вести себя по-разному. Эксперимент с двумя отверстиями, через которые проходит электрон, позволяет и требует применения вероятностных представлений. Нельзя сказать, через какое отверстие пройдет данный электрон, но если их много, то можно предположить, что часть их пройдет через одно отверстие, часть — через другое.

Законы квантовой механики  являются статистическими, касающиеся движения микрочастиц; они не в состоянии определить движение каждой отдельной частицы, но определяют движение группы, того или иного множества. «Мы можем предсказать, сколько приблизительно атомов (радиоактивного вещества. — А. Г.) распадутся в следующие полчаса, но мы не можем сказать... почему именно эти отдельные атомы обречены на гибель»1. В микромире господствует статистика, а не уравнения Дж. К. Максвелла или законы И. Ньютона. «Вместо этого мы имеем законы, управляющие изменениями во времени»2.

Статистические или вероятностные, законы отображают существование случайных событий в мире. Они выражают объективные причинно-следственные связи. В отличие от динамических законов (законов классической физики), статистические законы не позволяют точно предсказать наступление или ненаступление того или иного конкретного явления, направление и характер изменения тех или иных его характеристик. На основе статистических закономерностей можно определить лишь степень вероятности возникновения или изменения соответствующего явления.

Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает статистические законы. На базе квантовой механики невозможно описать положение и скорость элементарной частицы или предсказать ее будущий путь. «Волны вероятности» говорят нам о вероятности встретить электрон в том или ином месте. В. Гейзенберг делает такой вывод: «В экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов»3.