А.Н. Матвеев - Атомная физика, страница 3

К этому кругу относятся прежде всего явления,обусловленные волново-корпускулярным дуализмом в движениимикрочастиц. Построение модели такого движения привело к фор­мулировке уравнения Шредингера, которое является новым урав­нением физики и не может быть «выведено» из ранее известныхуравнений. Однако в физике давно было известно, что любые волныописываются соответствую щ им волновым уравнением.

Историче­ски и логически уравнение Ш редингера возникло как уравнение дляволн де Бройля. Такой подход к уравнению Ш редингера являетсянаиболее простым и естественным в рамках индуктивной фор­мулировки физической модели в курсе общей физики. Однаконеобходимо со всей возможной полнотой подчеркнуть, что приэтом речь идет не о возникновении еще одной новой областифизики, которая описывается соответствующим новым дифферен­циальным уравнением, а о новой области физики, модель которойможет быть описана и без дифференциального уравнения Ш редин­гера.

С этой точки зрения более целесообразно начинать изложениеквантово-механической модели в матричной формулировке, в ко­торой она и была откры та Гейзенбергом. Однако из педагогическихсоображений более предпочтительно рассматривать матричнуюформулировку после уравнения Ш редингера как представление.Применение общей теории охватывает анализ широкого кругавопросов квантовой физики. В этом смысле рассмотрение атом аводорода и простейших случаев движения микрочастиц следуетрассматривать лишь как подготовку к квантово-механическому1 0 П редисловиеанализу более реальных ситуаций, которые изучаются в после­дующих главах книги.В гл.

5 дается абстрактная аксиоматическая формулировка ос­новных положений квантовой механики, выходящая за пределыкурса и более подробно обсуждаемая в квантовой механике. Этотматериал является факультативным и может быть пропущен причтении без ущерба для понимания остальных разделов книги.Однако для более полного понимания сути квантовой механики и еепринципиального отличия от классической теории эту главу жела­тельно изучить факультативно. Д ля этого достаточно математиче­ской подготовки в объеме стандартного курса линейной алгебры иотчетливого понимания материала, изложенного в первых четырехглавах книги.А втор благодарен академику АН У ССР А. И. Ахиезеру и кафед­ре общей физики М И Ф И (зав.

кафедрой - проф. А. С. Александров)за внимательное рецензирование рукописи и ценные замечания.ВведениеВ предшествующих четырех том ах курса дано изложение класси­ческой физики. Ее достаточно краткое определение гласит:классической называется физика, в которой роль квантовых законо­мерностей пренебрежимо мала.Н а первый взгляд кажется, что это определение бессодержатель­но, поскольку оно говорит не о том , чем является классическаяфизика, а о том, чем она не является.

Однако такой взглядобманчив, потому что существует только единая физика, квантоваяпо своей сущности, и определение классической физики как тойчасти единой физики, в которой роль квантовых закономерностейпренебрежимо мала, безусловно содержательно. Содержательностьтакого определения классической физики реализуется лишь послеизучения квантовых закономерностей. П оэтому во введении в атом ­ную физику необходимо обсудить основные особенности классиче­ской физики без ссылки на квантовые закономерности.Основными понятиями классической механики являю тся поня­тия м атериального тела, материальной точки, движения м атериаль­ной точки по определенной траектории и силы как причины тех илииных особенностей движения материальных тел и точек. Х отяклассическая физика в современном понимании начинается с Н ью ­тона, основные понятия и представления, на которых она базирует­ся, зародились задолго до него. Они постепенно возникли в челове­ческом сознании с самых древних времен в процессе практическойдеятельности человека.

Практическая деятельность также свиде­тельствовала, что все материальные тела имею т протяженность,занимаю т определенное место в пространстве и располагаю тсяопределенным образом друг относительно друга. Эти наиболееобщие свойства материальных тел отразились в сознании человекав виде понятия пространства, а математическая формулировка этихсвойств была выражена в виде системы геометрических понятий исвязей между ними. Практическая деятельность человека такжесвидетельствовала о том , что окружающий его материальный мирнаходится в процессе постоянных изменений.

Свойство м атериаль­ных процессов иметь определенную длительность, следовать другза другом в определенной последовательности и развиваться поэтапам и стадиям отразилось в человеческом сознании в видепонятия времени.Перечисленные выше основные понятия классической механикии понятия пространства и времени явились фундаментом, на кото­ром покоилось развитие всей классической физики до наших дней. Впроцессе развития уточнялись взаимосвязь этих понятий и самипонятия, но они постоянно были основой классической физики.Наиболее важный результат этого развития состоит в установлениинеразрывности связи пространства, времени, материи и движения. Вфилософском плане развитие этих идей наш ло свое завершение в12 Введениеучении диалектического м атериализма.

Д ля диалектического м ате­риализма пространство и время являю тся ф ормами существованияматерии и поэтому немыслимы без материи, а движение есть способсуществования материи. М атерия, пространство, время и движениевсегда существуют в неразрывной связи друг с другом.Механика Аристотеля содержала в себе основные идеи общегоподхода к описанию механического движения материальных тел.Эти идеи полностью сохранили свое значение и в механике Н ью то­на, однако теория движения Аристотеля после примерно двухтыся­челетнего господства была заменена теорией Нью тона. Аристотельсчитал, что все движения материальных тел можно разделить на двекатегории: «естественные» и «насильственные». «Естественные дви­жения» осуществляются сами по себе, без каких-либо воздействий.Ставить вопрос о причине «естественных движений» бессмысленно.Точнее говоря, на вопрос: почему осуществляется некоторое «ес­тественное движение»? - всегда имеется готовый, не требующийразмышлений ответ: потому что это движение естественное, проис­ходящее именно так, а не иначе, без каких-либо внешних воздейст­вий.

«Насильственные движения» сами по себе не происходят, аосуществляются под влиянием внешних воздействий, описываемыхс помощ ью понятия силы. Н а вопрос: почему осуществляетсянекоторое «насильственное движение»? - ответ гласит: потому чтона тело действует сила, под влиянием которой оно движется так,как движется. Естественными Аристотель считал движения легкихтел вверх, тяжелых тел вниз и движение небесных тел по небеснойсфере. Остальные движения насильственные.

Заметим, что если телопокоится в результате невозможности осуществить «естественноедвижение», то этот покой «насильственный». Например, если телопокоится на горизонтальном столе, то отсутствие его движения повертикали является «насильственным» и обусловливается наличиемсоответствующей силы, действующей в вертикальном направлении,а отсутствие его движения по горизонтали обусловливается отсутст­вием силы, действующей в горизонтальном направлении. Это пока­зывает, что закон движения не может быть положен в основу опре­деления силы, хотя силу и можно находить из закона движения.

Этозамечание полностью относится и к попыткам использования второгозакона Ньютона как определения силы. В механике Аристотеля силаобусловливает скорость тела, а понятие об ускорении отсутствует.В механике Н ью тона «естественным движением» в том смысле,как его понимал Аристотель, является прямолинейное равномерноедвижение материальной точки. В формулировке первого законаН ью тона устанавливаются условия, при которых это «естественноедвижение» (инерциальное) осуществляется.

Он позволяет выбратьтакую систему координат, в которой такие «естественные движе­ния» существуют. Вторым законом Н ью тона устанавливается, чтосила обусловливает не скорость материальной точки, а ее ускоре­Введение 1 3ние, причем не вообще ускорение, а ускорение в той системекоординат, в которой при отсутствии силы скорость тела была быпостоянной, т.

е. движение было бы «естественным». Как и вмеханике Аристотеля, сила учитывает влияние внешних условий надвижение тела. Источниками силы являю тся материальные тела, и,следовательно, сила является количественной мерой взаимодейст­вия материальных тел. Третий закон Н ью тона устанавливает, чтосила, с которой одно из взаимодействующих тел действует надругое, равна по абсолю тной величине, но направлена противопо­ложно силе, с которой это другое тело действует на первое.

Вопросо силах в таком плане в механике Аристотеля не ставился.Таким образом, теория движения Н ью тона является принци­пиально новым ш агом относительно теории Аристотеля. Средиглавных новых моментов следует отметить все вопросы, связанныес введением систем координат, вклю чая вопрос о принципе относи­тельности, вопрос о свойствах взаимодействия тел, новое уравнениедвижения и дальнейшую разработку вопроса о пространстве ивремени.

Однако основные понятия механики Аристотеля и подходк проблеме движения в механике Н ью тона сохранились без сущест­венных изменений.Следующим крупным ш агом явилось создание специальнойтеории относительности. Ее революционный характер выразился вновом подходе к проблеме пространства и времени. В результатеэтого неразрывная связь пространства, времени и движения сталаосновополагаю щ им моментом физической теории.