1.1-2. Предмет квантовой механики. История возникновения
1.1. Предмет квантовой механики
Квантовая механика устанавливает способ описания и законы движения микрочастиц: элементарных частиц, атомных ядер, атомов, молекул и их систем – например, кристаллов. Квантовая механика даёт также связь величин, характеризующих микрочастицы и их системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте.
От зарождения до построения квантовомеханической теории прошло всего двадцать лет: термин «квант» появился на рубеже 19 и 20 веков. Разработка квантовой механики велась одновременно многими учёными из разных стран.
Термин «квантовая механика» был введён (на немецком языке) в начале 1920-х годов группой физиков, в которую входили Макс Борн, Вернер Гейзенберг и Вольфганг Паули. Впервые он был использован Борном в статье 1924 года.
Понятие «квант» – неделимая часть (порция) какой-либо величины – центральное понятие в квантовой механике. Задолго до гипотезы Планка 1900 года о том, что энергия испускается и поглощается отдельными порциями (квантами), Людвиг Больцман в 1877 г. предположил, что энергетические состояния физической системы могут быть дискретными. Сегодня нам известно, что дискретным образом могут меняться и другие физические величины, помимо энергии: орбитальный момент, его проекции, спин (собственный момент импульса элементарной частицы) и его проекции.
Иногда определяют квантовую механику как раздел теоретической физики, описывающий явления, в которых действие сравнимо по величине с квантом действия – постоянной Планка.
Законы квантовой механики позволили выяснить строение атомов, понять природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, объяснить многие макроскопические явления – такие, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу космических объектов (белые карлики, нейтронные звёзды), описать механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звёздах.
Законы квантовой механики лежат в основе работы ядерных реакторов, используются в поиске и создании новых материалов – магнитных, полупроводниковых и сверхпроводящих. Более того, квантовые технологии давно проникли в нашу повседневную жизнь.
Необычность аппарата квантовой механики во многом связана с двойственностью самой науки: базовые классические механические понятия координаты и импульса оказались неприменимыми в полной мере к микроскопическому объекту.