Текст книги "Абсолютный минимум. Как квантовая теория объясняет наш мир"

Автор книги: Майкл Файер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 29 страниц)

Принцип неопределённости Гейзенберга

Чрезвычайно важной является связь между разбросом по импульсу и разбросом по координате, играющая фундаментальную роль в описании частиц в состоянии суперпозиции. Когда разброс по импульсу (∆p) велик, вдоль оси x распределено множество волн (см. рис. 6.1), которые вместе образуют волновой пакет. Эти волны имеют различную длину (см. рис. 6.2). Когда интерферирует множество волн в широком диапазоне длин, область конструктивной интерференции очень быстро заканчивается с удалением от места, где она максимальна (см. рис. 6.3 и 6.4). Это означает, что разброс по координате (∆x) мал. Если же волновой пакет состоит лишь из небольшого спектра импульсных волн (значение ∆p мало́), область конструктивной интерференции тянется в пространстве гораздо дальше от точки максимума пространственного распределения (см. рис. 6.7). Соответственно величина разброса, или неопределённости положения (∆x), оказывается большой. Всё это происходит в силу того, что волновые функции, которые описывают собственные значения импульсов, являются по своей природе волнами амплитуды вероятности. Местоположением волнового пакета можно в каком-то смысле считать область конструктивной интерференции, а в областях существенной деструктивной интерференции вероятность обнаружить частицу очень мала.

Формальное соотношение между разбросом по импульсу и разбросом по координате, то есть между ∆p и ∆x, называется принципом неопределённости Гейзенберга. Вернер Карл Гейзенберг (1901–1976) получил Нобелевскую премию по физике в 1932 году

«за создание квантовой механики, приложения которой, в числе прочего, привели к открытию аллотропных форм водорода».

Принцип неопределённости Гейзенберга выражается простым математическим соотношением: ∆x∙∆p≥h/4π, где h – постоянная Планка, а ∆x и ∆p задают ширину распределений координаты и импульса, как показано на рис. 6.7. (Символ ≥ означает «больше или равно».) Какой будет знак – «равно» (=) или «больше» (>), – зависит от формы распределений вероятности. Знак «равно» соответствует гауссовой кривой, названной так в честь великого математика Карла Фридриха Гаусса (1777–1855). Кривые, изображённые на рис. 6.5–6.7, представляют собой гауссовы кривые. Это стандартные «колоколообразные кривые», которые описывают такие распределения, как, например, число баллов, полученных на экзамене, при правильно подготовленном тесте и достаточном числе людей, которые его сдают. Кривые Гаусса часто встречаются в физике. Знак «больше» применим при других формах распределения. Для любой формы кривой, построенной по конкретному распределению волн, можно определить, каким будет произведение ∆x∙∆p, но оно всегда >h/4π, если только кривая не является гауссовой.

Для понимания природы принципа неопределённости важно рассмотреть случай гауссовых кривых, подобных тем, что изображены на рис. 6.7. В этом случае ∆x∙∆p=h/4π. Данное уравнение показывает, какая информация может быть одновременно известна о положении и импульсе частицы. Величина h/4π является константой. Таким образом, произведение ∆x∙∆p равно константе. Следовательно, если неопределённость импульса ∆p велика, то неопределённость положения ∆x должна быть мала, чтобы их произведение составляло h/4π. С другой стороны, если значение ∆p мало́, то значение ∆x – велико.

Связь между ∆p и ∆x проиллюстрирована на рис. 6.7. Принцип неопределённости гласит, что вы можете знать кое-что об импульсе частицы и кое-что о её положении, но вы не можете точно знать и положение, и импульс частицы в одно и то же время. Эта неопределённость – невозможность одновременно знать и положение, и импульс частицы – резко контрастирует с классической механикой. Для классической теории совершенно принципиально то, что, как показано на рис. 2.5, положение и импульс частицы могут быть точно известны (измерены) одновременно. Квантовая теория утверждает, что невозможно одновременно точно знать положение и импульс. Они могут быть известны лишь с некоторыми неопределённостями – ∆x и ∆p.

Анализируя соотношение для принципа неопределённости ∆x∙∆p=h/4π, рассмотрим, что случится, если делать ∆p всё меньше и меньше. Разделив обе части уравнения на ∆p, получаем:

∆x=h/4π∙∆p.

Поскольку ∆p уменьшается, делитель становится всё меньше и меньше, а значит, ∆x возрастает. В пределе, когда ∆p устремляется к нулю, ∆x стремится к бесконечности. Этот предел имеет глубокий смысл. Если ∆p обращается в нуль, импульс известен совершенно точно, но положение становится совершенно неопределённым. При ∆x=∞ частицу можно с равной вероятностью обнаружить где угодно.

Этот результат согласуется с тем, что мы выяснили, обсуждая рис. 6.1, на котором показан вид волновой функции для собственных значений импульса. Когда частица находится в собственном состоянии импульса, значение её импульса определено совершенно точно. Однако её функция амплитуды вероятности, которая описывает вероятность обнаружить частицу в некоторой области пространства, размазана (делокализована) по всему пространству. Во всех точках вероятность обнаружить частицу одинакова: ∆x=∞. Это контрастирует с волновыми пакетами, изображёнными на рис. 6.7, где суперпозиция собственных состояний импульса порождает состояние, в котором больше нет идеально точно определённого импульса, но зато имеется некоторая информация о положении. Положение и импульс известны с точностью до их неопределённости.

Можно преобразовать соотношение для неопределённостей следующим образом:

∆p=h/4π∙∆x.

Отсюда видно, что в пределе, когда ∆x стремится к нулю (идеально точно определённое положение), ∆p стремится к бесконечности. Если нам совершенно точно известно положение, импульс может иметь любое значение. Волновой пакет, составленный из всех собственных значений импульса (∆p=∞), имеет совершенно точно определённое положение. Можно точно узнать p, но лишь ничего не зная об x; можно точно узнать x, но лишь ничего не зная о p. Это называется дополнительностью. Можно узнать x или p, но не то и другое одновременно.

В классической механике можно знать x И p. В квантовой механике можно знать x ИЛИ p. В общем случае для квантовых – абсолютно малых – частиц можно узнать кое-что о p и кое-что об x, но невозможно узнать точно то и другое одновременно.

7. Фотоны, электроны и бейсбольные мячи

И фотоны, и электроны, и бейсбольные мячи в равной мере описываются квантовой теорией, но для описания последних эта теория не является необходимой. Мячи ведут себя как обычные частицы и в этом отношении с высокой точностью описываются классической механикой. Если и для фотонов, и для электронов, и для мячей подходит одинаковое квантовомеханическое описание, почему только мячи ведут себя как классические частицы? Ответ заключается в том, что мячи являются большими в абсолютном смысле. В этой главе мы разберёмся, почему фотонам и электронам требуется квантовое описание, а бейсбольным мячам – нет. Здесь обсуждаются реальные физические ситуации, в которых проявляется как волновая, так и корпускулярная природа квантовых, то есть имеющих малые в абсолютном смысле размеры, частиц.

Волны или частицы?

Когда частица находится в состоянии суперпозиции, то есть представляет собой волновой пакет, мы обладаем некоторой информацией о её положении и некоторой информацией о её импульсе. Так чем же являются фотоны, электроны и подобные им объекты – волнами или частицами? Ответ состоит в том, что они являются волновыми пакетами. Покажутся они вам частицами или волнами, зависит от выполняемого эксперимента, то есть от вопроса, который вы задаёте.

Если предметом эксперимента является фотоэлектрический эффект, фотоны ведут себя как частицы. Один фотон толкает один электрон и выбивает его из металла (см. рис. 4.3). Фотон – это волновой пакет, порождённый набором импульсных собственных состояний. Набор с широким разбросом ∆p даёт относительно хорошо определённое положение, то есть относительно небольшое значение ∆x. В этом случае фотонный волновой пакет имеет более или менее определённое положение и может вести себя как частица света в электрическом эффекте.

В интерференционном эксперименте (см. рис. 5.1) фотоны ведут себя как волны. Это не должно удивлять, поскольку волновой пакет фактически и является суперпозицией волн, но не волн в обычном классическом смысле, а волн амплитуды вероятности. Обсуждая явления интерференции, мы рассматривали фотонную волну как единую волну амплитуды вероятности. Теперь ясно, что в действительности это волновой пакет, представляющий собой суперпозицию волн. Попадая на расщепляющее пучок полупрозрачное зеркало, он становится суперпозицией двух трансляционных состояний: T₁ и T₂. Волны амплитуды вероятности состояния T₁ интерферируют с соответствующими волнами состояния T₂ и порождают интерференционную картину, которая обсуждалась выше.

Дифракция света

Итак, фотон ведёт себя как частица в случае фотоэлектрического эффекта, но может также вести себя и как волна. Эксперимент, ясно демонстрирующий волновые свойства фотонов, – это дифракция света на дифракционной решётке. Дифракцию можно наблюдать с помощью музыкального компакт-диска (CD) на ярком свету, например солнечном. На поверхность CD нанесены очень тонкие канавки. Это дорожки, на которых хранится информация. Как объясняется далее, при падении на CD белого света от солнца или лампочки канавки вызывают его дифракцию, отчего каждый цвет отражается в своём направлении. Разные участки CD расположены под разными углами относительно вашего глаза, из-за чего они зрительно окрашиваются в разные цвета.

Дифракция на решётке используется в оптических инструментах, называемых спектрометрами. Эти инструменты разделяют входящий в них свет на цвета, так что цвета можно анализировать по отдельности. Запись цветов, составляющих свет от конкретного источника, называется спектром. Например, звёзды испускают свет различного цвета в зависимости от их температуры. Получение спектра звёздного света даёт массу информации о звезде. На своём пути через космос звёздный свет встречает различные молекулы. В главе 8 и далее рассказывается о том, что разные молекулы поглощают свет разных цветов. Поэтому по пути к Земле некоторые цвета звёздного света частично поглощаются космическими молекулами. Астрономы устанавливают спектрометры на телескопах и снимают спектры, чтобы определить, какие молекулы находятся между Землёй и конкретной звездой.

На рис. 7.1 показана геометрия дифракции света на решётке. Входящий свет падает на решётку под углом α (греческая буква «альфа») к нормали. Нормаль – это направление, перпендикулярное поверхности. На рисунке мы смотрим на решётку сбоку. Поверхность решётки, которая глазу кажется плоским зеркалом, плотно покрыта идущими параллельно друг другу канавками. Эти канавки называют штрихами. На рис. 7.1 расстояние между штрихами обозначено буквой d. Это расстояние сравнимо с длиной волны света и составляет около одной десятимиллионной метра. Канавки обладают высокой отражательной способностью. Обычно они покрыты золотом или серебром. Если входящий свет состоит из набора цветов, то отражённый свет разделяется по цветам так, что свет каждого цвета следует в своём уникальном направлении. Это разделение света по цветам проиллюстрировано на рис. 7.1. На рисунке угол между нормалью к решётке и направлением конкретного – голубого – цвета обозначен β (греческая буква «бета»). Для зелёного цвета угол β будет больше, а для красного – ещё больше.

Рис. 7.1.Геометрия дифракции света на решётке. Решётка представляет собой отражающую поверхность, обычно серебряную или золотую, покрытую очень тонкими параллельными канавками. Показан вид решётки сбоку. Сама она уходит за страницу. Все канавки находятся на строго постоянном расстоянии d друг от друга; α – угол входящего света. Свет отражается под углом β, зависящим от его цвета. В результате дифракции происходит разделение цветов

Рис. 7.2. Входящие фотонные волновые пакеты испытывают дифракцию на решётке. От канавок отражается свет различных цветов. Для каждого цвета существует направление, в котором волны соответствующего цвета интерферируют конструктивно. Они складываются, давая большую амплитуду волны, так что цвет выглядит очень ярким именно в этом направлении

Дифракция света демонстрирует волновую природу фотонов

Дифракция света на решётке демонстрирует волновую природу фотонных волновых пакетов. Для того чтобы понять, каким образом дифракция выявляет волновой характер фотонов, нужно рассмотреть механизм дифракции с точки зрения конструктивной и деструктивной интерференции волн. На рис. 7.2 входящий фотонный волновой пакет показан как луч света, падающий на дифракционную решётку. Чтобы достичь разных частей решётки, свету приходится пройти разное расстояние. Свет, попадающий на верхнюю левую часть решётки, проходит меньший путь, чем свет, падающий на нижнюю правую её часть. Волновой пакет состоит из множества цветов, то есть множества волн разной длины λ.

Свет разных цветов будет расходиться от решётки по всем направлениям. Однако здесь-то и начинаются тонкости. Волновые пакеты более или менее локализованы, но они состоят из различных цветов, каждый из которых представляет собой делокализованную волну амплитуды вероятности (см. рис. 6.1, 6.2, 6.4 и 6.7). Более или менее локализованный волновой пакет образуется за счёт интерференции множества волн разного цвета (с разными λ, которым соответствуют разные импульсы p). Рассмотрим один конкретный цвет – красный, который составляет часть волнового пакета. Если волна падает только на один штрих решётки, то из-за формы канавки она отразится по множеству направлений. От этой канавки она уйдёт в состояние суперпозиции волн амплитуды вероятности, распространяющихся по множеству направлений. В интерферометре (см. рис. 5.1) входящий волновой пакет переходит в состояние суперпозиции, волны амплитуды вероятности которого распространяются по двум направлениям. Здесь же после попадания на одиночный штрих суперпозиция будет распространяться по множеству направлений.

Важная особенность решётки состоит в том, что входящая волна падает на множество её штрихов. Для конкретного цвета, например красного, как показано на рис. 7.2, имеется одно направление, в котором волны будут складываться конструктивно. На данном рисунке для направления, в котором распространяются красные волны, пики и впадины этих волн складываются в фазе, несмотря на то что отражаются они в разных местах. (Длина волны на рисунке была преувеличена по сравнению с расстоянием d между штрихами, чтобы было лучше видно выравнивание волн.) Синфазное сложение множества волн, уходящих от решётки, делает отражённую волну очень большой. На всех остальных направлениях красные волны будут складываться деструктивно, поскольку пики и нули не выровнены друг с другом.

Дифракция на решётке заставляет волны определённой длины (конкретного цвета) конструктивно складываться в одном направлении. Интенсивность света, связанная с амплитудой вероятности световой волны, пропорциональна квадрату амплитуды волны. Поэтому в направлении конструктивной интерференции для конкретного цвета, например красного, интенсивность света оказывается велика. В других направлениях красный свет будет испытывать деструктивную интерференцию, поскольку его длина волны такова, что разность расстояний до каждой канавки не равна целому числу длин волн. Для другого цвета, скажем голубого, существует другое направление, вдоль которого свет, приходящий от всех канавок, будет складываться конструктивно (см. рис. 7.1). Поэтому голубая составляющая входящего фотонного волнового пакета будет покидать решётку в виде волны большой амплитуды в своём собственном направлении, и в этом направлении интенсивность голубой составляющей входящего света будет выглядеть очень большой.

Электроны в кинескопе ведут себя как снаряды

Дифракция света на решётке выявляет волновые свойства фотонных волновых пакетов, в то время как фотоэлектрический эффект демонстрирует их корпускулярные свойства, соответствующие большей степени локализации. При обсуждении длины волны де Бройля, которая связана с импульсом соотношением p=h/λ, говорилось, что описание электронов и других типов «частиц» аналогично описанию фотонов. И фотоны, и электроны описываются посредством волн амплитуды вероятности. И те и другие представляют собой более или менее локализованные волновые пакеты (см. рис. 6.7). Для электрона, представляющего собой свободную частицу (в отсутствие действующих на него сил), волновой пакет является суперпозицией импульсных собственных состояний свободной частицы. Неопределённость положения электрона ∆x зависит от неопределённости (разброса) по импульсу ∆p согласно соотношению неопределённостей Гейзенберга: ∆x∙∆p≥h/4π. Равенство здесь соблюдается для гауссовых волновых пакетов, которые имеют форму, показанную на рис. 6.7.

Чтобы проиллюстрировать как волновую, так и корпускулярную природу электронов, рассмотрим два примера: работу кинескопа (электронно-лучевой трубки, ЭЛТ) и дифракцию низкоэнергетических электронов на поверхности кристалла. Кинескопы применяются весьма широко. Это устройства, которые создают изображение в старых телевизорах и компьютерных дисплеях. Правда, в последнее время громоздкие телевизоры и мониторы, основанные на ЭЛТ, практически полностью вытеснены другими устройствами, такими как жидкокристаллические (ЖК) дисплеи. (Существует несколько технологий, используемых для больших плоских телевизоров, но все плоские компьютерные мониторы – жидкокристаллические.)

На рис. 7.3 схематично изображено устройство ЭЛТ. Внутри ЭЛТ создаётся вакуум, в котором электроны могут двигаться, не сталкиваясь с молекулами воздуха. Процесс создания картинки начинается с нити накаливания – отрезка проволоки, изображённой в левой части рисунка. Электрический ток, который проходит по этой нити, сильно разогревает её подобно спирали обычной лампы накаливания, нагревательному элементу электрокамина или электрического обогревателя. Тепло, выделяемое этой нитью, нагревает катод, и он тоже становится очень горячим. Катод – это кусок металла, на который подано отрицательное напряжение, как на отрицательном конце батарейки, но значительно большее по величине. Катод становится настолько горячим, что с него начинают испаряться электроны. Тепло – это форма энергии. Электроны удерживаются в металле энергией связи, которая зависит от типа металла. Когда металл достаточно сильно разогревается, тепловая энергия может превосходить энергию связи электрона, и некоторые электроны будут покидать металл. При фотоэлектрическом эффекте энергию, необходимую для выхода электрона из металла, приносит фотон. В ЭЛТ эту энергию обеспечивает тепло. Электроны, покидающие металл, замещаются благодаря подключению катода к отрицательному полюсу источника питания, который поставляет на их место другие электроны, делая процесс непрерывным. Электроны – это отрицательно заряженные частицы, и поскольку на катод подано отрицательное напряжение, катодом испускаются электроны. Итак, электроны вылетают из катода. Уходу электронов от катода помогает положительно заряженная сетка (см. рис. 7.3). Поскольку эта сетка соединена с положительным полюсом источника питания, отрицательно заряженные электроны притягиваются к ней. Одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, противоположные заряды притягиваются. Сетка состоит из тонких проводков с большими просветами между ними. Когда электроны достигают сетки, большинство из них пролетает сквозь неё, продолжая движение с очень большой скоростью.

Рис. 7.3. Схема электронно-лучевой трубки (ЭЛТ). Нить накаливания разогревает катод, из которого «испаряются» электроны. Положительно заряженная сетка ускоряет отрицательно заряженные электроны. Напряжение, приложенное к управляющим сеткам, направляет электроны в конкретную точку экрана. Экран покрыт крошечными тесно прилегающими друг к другу пятнами красного, зелёного и голубого люминофора, которые при попадании электронов светятся соответствующим цветом. Изображение на экране создаётся за счёт того, что электронный луч, быстро перемещаясь, попадает по нужным цветовым пятнам

Затем электроны проходят между управляющими сетками (см. рис. 7.3), которые влияют на направление их движения. Одна пара управляющих сеток (изображена на рисунке) меняет направление в вертикальной плоскости, а другая пара (не показана) – в горизонтальной плоскости. Рассмотрим вертикальную плоскость. Если на верхнюю управляющую сетку подано положительное напряжение, а на нижнюю – отрицательное, электроны будут отклоняться вверх, как показано на рис. 7.3, поскольку отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженной верхней сетке и отталкиваются от отрицательно заряженной нижней.

Если поменять полярность напряжения на этих двух сетках, электроны станут отклоняться вниз. Если к сеткам приложено большое напряжение, электроны будут отклоняться сильно. При слабом напряжении электроны отклоняются незначительно. Если не подавать никакого напряжения, электроны будут двигаться прямо. То же самое происходит, когда напряжение прикладывается к горизонтальным управляющим сеткам. Пройдя мимо управляющих сеток, электроны движутся далее по прямой. В этом отношении электронами можно стрелять как снарядами. Эта часть ЭЛТ называется электронной пушкой. Электронные пушки используются во многих научных приборах, таких как электронные микроскопы и устройство, которое мы рассмотрим далее. Так что и после того, как ЭЛТ окончательно исчезнут из телевизоров и компьютерных дисплеев, устройство, которое мы только что обсудили, останется очень важным.

Учитывая отсутствие воздуха и то, что сила гравитации очень мала, электроны движутся практически как свободные частицы, пока не столкнутся с экраном, изображённым в правой части рис. 7.3. На экране находятся очень маленькие и очень тесно расположенные пятна люминофоров. Люминофоры – это химические соединения, которые испускают свет, будучи возбуждёнными, то есть когда им сообщается достаточная энергия. В данном случае люминофоры возбуждаются, когда в них врезаются электроны. В каждой маленькой области экрана находятся три пятна люминофоров – красного, зелёного и голубого. Электронный луч можно с высокой точностью нацелить на любое из этих пятен. Если в данном месте находится красный люминофор, на экране мгновенно зажигается крохотная красная точка. Если электронный луч попадает на зелёный люминофор, появляется точка зелёного цвета, а если на голубой люминофор – голубая.

Электроника, подающая напряжение на управляющие сетки, заставляет электронный луч пробежать по экрану горизонтально, затем немного отпускает его и снова заставляет пересечь экран горизонтально. Так продолжается до тех пор, пока луч не пробежит по всему экрану. Тогда луч возвращается наверх, и весь процесс повторяется. Пробегая по экрану, луч попадает на пятна красного, зелёного и голубого люминофора. Пятнышки этих трёх люминофоров расположены настолько близко друг другу по горизонтали и вертикали, что глаз не различает их как отдельные точки. Также луч можно выключить, и тогда, если ни один из люминофоров не возбуждён, получается чёрное пятно. Сочетания трёх названных цветов достаточно для получения любого цвета. Управляя тем, по каким цветовым пятнам стрелять электронами, а по каким нет, можно получить изображение, которое мы видим на экране телевизора или на компьютерном ЭЛТ-дисплее. Электронный луч движется по экрану очень быстро, и глаз не может различить, что в действительности мы смотрим на последовательность сменяющихся с очень большой частотой статических картинок.

В этом описании работы ЭЛТ поведение электронов очень похоже на поведение частиц в нашем обычном представлении. Ими можно стрелять из электронной пушки и попадать в очень маленькие пятнышки на экране. Это не слишком похоже на поведение волн. И всё же это укладывается в наше описание более или менее локализованных волновых пакетов. Пока ∆x электронного волнового пакета значительно меньше размера пятнышек люминофора (пикселов), тот факт, что эти волновые пакеты локализованы в масштабе расстояний ∆x, не имеет значения. Хотя цветные пикселы маленькие, они не являются «абсолютно малыми» по шкале размеров. Они достаточно малы, чтобы мы не могли увидеть их без микроскопа, но всё равно достаточно велики в сравнении с масштабами длины, которые встречаются в атомных и молекулярных системах. Поэтому волновые пакеты даже с достаточно малым ∆p всё равно имеют неопределённость положения, очень малую по сравнению с размерами пиксела.

Для любой частицы, и в частности для электрона, p=m∙V, где m – масса, а V – его скорость. Масса электрона чётко определена. Неопределённость p возникает из-за неопределённости скорости, то есть смысл ∆p состоит в том, что скорость не является чётко определённой. Измерения скорости идентично подготовленных электронных волновых пакетов не будут раз от раза давать одинаковые результаты. Неопределённость скорости приводит к неопределённости импульса (∆p), что, согласно принципу неопределённости (∆x∙∆p≥h/4π), приводит к неопределённости x (∆x). Важный момент заключается в том, что величина ∆x может быть значительной в масштабах атомов и молекул, но очень мала по сравнению с масштабами длины макроскопических цветных пикселов на ЭЛТ-экране. В таких ситуациях волновая природа волновых пакетов не проявляется и они ведут себя, как классические частицы.