Квантова фізика - Енциклопедія Сучасної України
Beta-версія
Квантова фізика

КВА́НТОВА ФІ́ЗИКА – галузь фізики, яка вивчає явища, пов’язані з поглинанням і випромінюванням енергії дискретними порціями (квантами). Квант. явища виникають тоді, коли дія фіз. системи має порядок або менша за сталу Планка h = 6,626×10−34 Дж·сек. (її також називають квантом дії; увів 1900 нім. фізик М. Планк). Часто використовують редук. сталу Планка ħ = h/2ϖ = 1,054×10−34 Дж·сек. У випадку, коли дія системи набагато більша за сталу Планка, К. ф. переходить у класичну фізику. Характерні положення, які відділяють К. ф. від класичної: квантування, тобто дискретизація деяких фіз. величин, напр., енергії, моменту кількості руху та ін.; корпускулярно-хвильовий дуалізм, тобто принцип, згідно з яким об’єкти мікросвіту мають одночасно властивості частинки та хвилі; принцип суперпозиції, який вказує на те, що фіз. система може одночасно існувати в усіх її квант. станах, причому в результаті вимірювання розрізняється один із цих станів, а математично це означає, що якщо фіз. система існує, напр., у станах, яким відповідають хвильові функції |ψ1〉 та |ψ2〉, то вона може також існувати у стані, якому відповідає хвильова функція α|ψ1〉 + β|ψ2〉, де α і β – довіл. комплексні числа; принцип невизначеності, який стверджує, що низка фіз. величин апріорі не можуть бути одночасно виміряні з довіл. точністю, зокрема точність ∆p та ∆x одночас. вимірювання імпульсу та координата частинки обмежені умовою ∆xpħ/2; принцип нерозрізнюваності частинок, який полягає в тому, що частинки одного сорту (електрони, фотони, протони, нейтрони та ін.) не можна жодним чином відрізнити одну від одної (з цього витікає принцип, сформульований 1925 швейцар. фізиком В. Паулі, – в одному квант. стані не можуть одночасно перебувати 2 ферміони – частинки, спін яких дорівнює півцілому числу ħ). К. ф. лежить в основі сучас. уявлень про будову речовини та застосовується практично в усіх розділах сучас. фізики – атомній фізиці, молекулярній фізиці, ядерній фізиці, фізиці елементарних частинок, статистич. фізиці, фізиці конденсованого стану, фізиці твердого тіла, оптиці, нанофізиці. Відіграє також значну роль у астрофізиці, зокрема відповідає за процеси горіння зірок, природу таких астрофіз. утворень, як нейтронні зірки, білі карлики тощо. У сучас. хімії (див. Квантова хімія) вона дає змогу розрахувати з високою точністю розташування атомів у молекулах, теплоту хім. реакцій, енергію осн. стану молекул, визначити направленість хім. зв’язків. К. ф. лежить в основі низки найважливіших тех. досягнень 20 та поч. 21 ст. – ядер. енергетики (див. Атомна енергетика), напівпровідник. техніки, квантової електроніки, створенні потуж. носіїв інформації, нових матеріалів. У останні роки широко обговорюють можливості створення квант. комп’ютерів – принципово нових обчислюв. пристроїв, які б працювали на основі квант. законів. Хоча найбільше квант. явища проявляються у мікросистемах, проте при деяких умовах вони спостерігаються й в макросистемах. До останніх можна віднести явища надпровідності, надплинності та ін. Для опису квант. явищ використовують апарат квантової механіки та квантової теорії поля. Історія становлення та розвитку К. ф. починається 1900, коли М. Планк розробив квант. теорію тепл. випромінювання світла. Існуюча до цього часу теорія, яка ґрунтувалася на положеннях класич. електродинаміки та статистич. фізики, призводила до т. зв. ультрафіолет. катастрофи (полягає в тому, що спектрал. густина потужності випромінювання необмежено зростає, коли довжина хвилі необмежено зменшується). М. Планк висунув гіпотезу, що, на відміну від класич. положення, енергія випромінюється та поглинається атомами не безперервно, а квант. порціями, причому енергія останніх пропорційна частоті випромінювання Е = hv. 1905 для пояснення законів фотоефекту нім. і амер. фізик А. Айнштайн розвинув цю гіпотезу. Він зробив припущення, що незважаючи на те, що в багатьох експериментах світло проявляє властивості хвилі, при деяких обставинах (напр., в явищі фотоефекту – вибиванні світлом електронів з атомів) саме світло також слід розглядати як потік корпускул (одержали назву «фотони»). Тим самим А. Айнштайн висунув гіпотезу про корпускулярно-хвильову природу світла. 1923 її у своїх дослідах із розсіяння рентґенів. променів на електронах експериментально підтвердив амер. фізик А.-Г. Комптон. Того ж року франц. фізик Л. де Бройль зробив припущення, що усім мікрочастинкам притаманні також властивості хвилі, та встановив, що довжина хвилі λ для частинки, яка має імпульс p, визначається залежністю λ = h/p (ці хвилі були названі його ім’ям). Частоту хвилі де Бройля розраховують через енергію E частинки v = E/h. 1927 амер. фізики К.-Дж. Девіссон і Л. Джермер спостерігали явище дифракції електронів, відбитих від кристалу нікелю, чим експериментально довели існування хвиль де Бройля. Пізніше різноманітні явища дифракції та інтерференції для багатьох мікрочастинок (нейтронів, атомів та ін.) спостерігалися в різних лабораторіях світу. 1913 данський фізик Н.-Г. Бор, розвиваючи ідею Планка, постулював існування квантування електрон. орбіт і тим самим квантування енергії в атомах. При переходах атома з одного квант. рівня на ін. випромінюється або поглинається квант світла, частота якого виражається через різницю енергет. рівнів v = (E1E2)/h. Ця теорія дозволила пояснити існування лінійчастого спектра, що є основною особливістю атом. спектрів. Експериментально існування дискрет. енергет. рівнів в атомі підтвердили 1914 нім. фізики Дж. Франк і Г. Герц. Самі ж енергет. рівні розраховують на основі рівняння Шредінґера, одного з гол. рівнянь квант. механіки (назване на честь австр. фізика Е. Шредінґера, який сформулював його 1926). Здобутки К. ф. важливі для пояснення властивостей твердих тіл. Так, 1907 А. Айнштайн встановив, що залежність теплоємності твердих тіл від т-ри пов’язана з квант. природою коливань кристаліч. ґратки. 1912 нім. і амер. фізик П. Дебай удосконалив квант. теорію теплоємності, внаслідок чого кількіс. методом були описані наявні експерим. дані. Квант. підхід до опису поведінки електрона в кристаліч. ґратці дозволив пояснити, чому тверді тіла діляться на метали, діелектрики та напівпровідники, а також низку ін. властивостей твердих тіл. Одним із явищ К. ф., якому немає аналога у класич. фізиці, є тунел. ефект, який полягає в тому, що квант. об’єкт може подолати потенцій. бар’єр, величина якого перевищує кінет. енергію самого об’єкта. Яскравий приклад цього явища – α-розпад ядер, теорію якого 1928 розробив укр. і амер. вчений Дж. Ґамов. Тунел. ефект також лежить в основі таких явищ, як спонтан. поділ ядер, термоядер. синтез, його застосовують в роботі тунел. мікроскопа, розрядженні елементів флеш-пам’яті тощо. Поєднання квант. механіки та спец. теорії відносності дозволило значно розширити можливості квант. теорії. Проте повністю провести таке об’єднання вдалося лише в рамках квант. теорії поля, яка вимагає квантування полів. Першою закінченою квант. теорією поля була квантова електродинаміка. На основі квант. калібрув. теорії вдалося об’єднати електромагнітні та слабкі взаємодії в одну теорію (слабоелектродинаміка), гол. передбачення якої були повністю підтверджені експериментально, зокрема доведено існування W- та Z-бозонів – носіїв слабких взаємодій. Квант. теорія сильних (ядер.) взаємодій формулюється на основі квантової хромодинаміки – квант. теорії поля для кварків та глюонів, з яких складаються протони, нейтрони та ін. сильно взаємодіючі частинки. Нині вчені намагаються об’єднати слабоелектродинаміку з квант. хромодинамікою.

Літ.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Т. 3. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. Москва, 1974; Федорченко А. М. Теоретична фізика. Квантова механіка, термодинаміка і статистична фізика. Т. 2. К., 1993; Любимов А., Киш Д. Введение в экспериментальную физику частиц. Москва, 2001; Юхновський І. Р. Основи квантової механіки. К., 2002; Пінкевич І. П., Сугаков В. Й. Теорія твердого тіла. К., 2006; Білий М. У., Охрименко Б. А. Атомна фізика. К., 2009; Давидов О. С. Квантова механіка. Л., 2012.

О. П. Кобушкін

Стаття оновлена: 2012