А.Н. Матвеев - Атомная физика (1120551), страница 109
Текст из файла (страница 109)
Вакуум различных частиц играет очень болыпую роль в современной квантовой теории поля. Благодаря вакууму соответствующих частиц осуществляется взаимодействие частиц друг с другом. Например, электромагнитное взаимодействие по закону Кулона осуществляется с помощью электромагнитного вакуума.
Электрические заряды обмениваются виртуальными фотонами, в результате чего возникаег сила взаимодействия между зарядами. Обмен виртуальными фотонами сводится к испусканию фотона одним из зарядов и поглощению другим. Таким обра- зом, этот обмен фотонами между зарядами изменяет нулевое состояние вакуума и в результате возникает электромагнитное взаимодействие между зарядами. Аналогично, ядерные силы обусловлены к-мезонами.
В результате виртуального поглощения и испускания к-мезонов протонами и нейтронами между протонами и нейтронами возникают силы ядерного притяжения. Поэтому к-мезоп ответствен за ядерные силы. Основной особенностью мира элементарных частиц является широкая взаимопревращаемость частиц друг в друга, В результате их взаимодействий друг с другом одни частицы исчезают, а другие порождаются. В процессе этих взаимопревращений вакуум играет первостепенную роль: он является как бы резервуаром, из которого черпаются гюрождаемые частицы и куда переходят исчезающие частицы.
На примере состояний с отрицательной энергией электрона было пояснено, как это происходит в случае электронно-позитронного вакуума. Вакуум частиц проявляется и во многих других наблюдаемых эффектах. Таким образом, развитие квантовой теории поля привело к возникновению представлений о вакууме как о наделенной физическими свойствами среде. Это не есть эфир с механическими свойствами, который играл такую болыпую роль в механической картине мира Х1Х в. Но это есть объективная физическая реальность с объективными физическими свойствами, которые проявляются в экспериментах.
74 75 26 Измерение в квантовой механике Элемент физической реальности и проблема полноты квантовой механики Квантовые корреляции Корреляционные эксперименты Неравенства Белла и физическая реальность КОН ЦЕПТУАЛ ЬН Ы Е ВОПРОСЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ С амой фундаментальной концептуальной проблемой квантовой механики в настоящее время является вопрос о физической природе квантовых корреляций. 404 15 Концептуальные вопросы квантовой механики 74. Измерение и квантовой механике Обсуждаются особенное~и ззементарного объекта а кдассической и квантовой механике, сунюос~ь каантоао-механического измерения н редукция состояния Материальная точка квантовой механики. Как в классической, так и в квантовой механике элементарным объектом изучения является материальная точка.
Однако зти объекты, имея одинаковое название, коренным образом о~личаются друг от друга: материальная точка классической механики имеет три степени свободы, а материальная точка квантовой механики-бесконечное число степеней свободы. Использование для этого объекта квантовой механики термина «материальная точка» обусловлено в первую очередь тем, что он проявляет себя в наблюдении как единый объект пространственно-временной локализации, которая характеризуется четырьмяя координатами (х,у, т, Г), как и у материальной точки классической механики. Друг ое важное обстоятельство, обусловившее название «материальная точка» для этого обьекта, связано с его ролью в теории; он в квантовой теории выступает элементарным объектом аналогично материальной точке, которая является элементарным объектом в классической теории.
Так же как и в классической механике, более сложные системы, например атомы, изучаются на основе законов, управляющих движением составляющих их материальных точек с учетом взаимодействия между ними. Такой подход позволил успешно описать громадное разнообразие квантовых систем, начиная от глюонов, адронов и кончая материальными системами вселенских масштабов, и подтвердил спра- ведливость квантовых законов движения материальной точки как элементарного объекта квантовой теории. Состояние движения.
Любая физическая теория должна быть количественной, ее объекты характеризуются физическими величинами, а связь между физическими величинами и их изменение описываются соответствующими физическими законами. Движение материальной точки в классической механике описывается ее пространственными координатами как функциями времени. Координаты и время задаются своими числовыми значениями, а их изменение-законами Ньютона. Поскольку материальная точка квантовой механики имеет бесконечное число степеней свободы, ее движение в принципе могло бы быть сколь угодно сложным и необозримым.
Однако, к счастью, оказалось, что ее движение весьма просто представляется посредством вектора состояния в гильбертовом пространстве. Вектор состояния и его изменение подчиняются уравнению Шредингера. Отметим, что уравнение Шредингера как основное уравнение теории не следует сводить к одному из его представлений в виде дифферетщиального уравнения. Движение произвольной квантовой системы также описывается соответствующим вектором состояния и уравнением Шредишера. Измерение в классической механике. Притщипиальное различие описания движения точки в классической и квантовой механике состоит в том, что в классической механике динамические переменные представляются числовыми значениями, а в квантовой- операторами.
Поэтому в классической механике считается, что материальная точка в у 74. Измерение в квантовой механике любой момент времени находится в определенной точке пространства и имеет определенный импульс, который можно измерить с помощью известных в физике методов, причем и до момента измерения координата и импульс точки имеют вполне определенные значения, которые при желании можно было бы измерить. Другими словами, важнейшей характеристикой классической материальной точки «самой по себе» являются определенные числовые значения ее координат и импульсов в любой момент времени.
Задача теории сводится к вычислению этих значений, а задача эксперимента — к их измерению. Предполагается, что эти физические величины и их числовые значения существуют- независимо от измерения. В измерении лишь определяется, какое числовое значение имеет физическая величина. Знание координат и импульсов точки полностью характеризует ее движение и дает полное описание физической реальности. Сами координаты и импульсы являются элементами этой физической реальности, существующими независимо от наблюдателя и его измерений. Измерение в квантовой механике.
В квантовой механике динамические переменные представляются операторами и, следовательно, говорить о каких-либо их числовых значениях «самих по себе» не имеет смысла, поскольку оператор определяет действие на вектор состояния, результат которого представляется также вектором гильбертова пространства, а не числом. Лишь когда вектор состояния является собственным вектором оператора динамической переменной, его действие на вектор состояния сводится к умножению на число (собствен- ное значение) без изменения состояния. В этом случае оператору динамической переменной можно сопоставить единственное число, равное собственному значению оператора, и считать, что динамическая переменная имеет определенное числовое значение. Такое числовое значение получается все~да в измерении динамической переменной в этом состоянии.
В этом состоянии динамическая переменная имеет числовое значение независимо от измерения. Если вектор состояния не является собственным вектором оператора динамической переменной, результаты измерения числового значения динамической переменной перестают быть однозначными и можно говорить лишь о вероятности получения в измерении того или иного значения. результатами теории, которые можно проверить в эксперименте, являются вероятности получения в измерении конкретного результата и среднее значение динамической переменной в большом числе измерений для одного и того же вектора состояния.
В связи с этим возникают следующие вопросы: 1. Какова физическая причина множественности результатов измерения? 2. Чем в измерении определяется получение какого-то конкретного результата, а не другого из возможных? 3. Можно ли говорить, что динамическая переменная до измерения сугцествует как физическая величина, имеющая числовое значение? Что значит «существовать»? Ответы на эти вопросы составляют суть концептуальных проблем квантовой механики. 406 1о. Концептуальные вопросы квантовой механики Статистический ансамбль систем. Поскольку предсказания квантовой теории имеют вероятностный характер, а сравнение предсказаний ~сории с результатами экспериментов возможно лишь статистически, возникаетт идея рассматривать изучаемый микрообъект (например, электрон) и условия, которыми определяется движение изучаемого объекта, как статистическую систему в том же смысле, как и в классической статистической физике.
Совокупность систем составляет статистический ансамбль систем, причем принадлежность системы к ансамблю определяется макроскопическими условиями. Движение рассматриваемого микрообъекта в каждой из систем ансамбля, вообще говоря, различно и характеризуется разными значениями описывающих движение параметров. Квантование параметров и статистика их числовых значений обусловливаются динамическими процессами более глубокого уровня, которые в квантовой механике проявляются статистически в соответствии с ее законами.
Теория процессов более глубокого уровня (теория нскрытых» параметров) находится с квантовой механикой в таком же соотношении, как теория движения отдельных частиц со статистической механикой совокупности частиц. Такой подход дает, на первый взгляд, наиболее простые и естественные ответы на поставленные выше вопросы.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
