Шредингер (Шредингер)

Посмотреть архив целиком








Министерство образования Российской Федерации

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н.Э. БАУМАНА








Исследования и научная деятельность Э.Шредингера















Копнов Н.

МТ6-41





Москва, 2015

Старая квантовая теория



Уже в первые годы своей научной карьеры Шрёдингер познакомился с идеями квантовой теории, развивавшейся в работах Макса Планка, Альберта Эйнштейна, Нильса Бора, Арнольда Зоммерфельда и других учёных. Этому знакомству способствовала работа над некоторыми проблемами статистической физики, однако австрийский учёный был в то время ещё не готов расстаться с традиционными методами классической физики. Несмотря на признание Шрёдингером успехов квантовой теории, его отношение к ней было неоднозначным, и он старался по возможности не использовать новые подходы со всеми их неясностями. Значительно позже, уже после создания квантовой механики, он говорил, вспоминая это время:


«Старый венский институт Людвига Больцмана… дал мне возможность проникнуться идеями этого могучего ума. Круг этих идей стал для меня как бы первой любовью в науке, ничто другое меня так не захватывало и, пожалуй, никогда уже не захватит. К современной теории атома я приближался очень медленно. Её внутренние противоречия звучат, как пронзительные диссонансы, по сравнению с чистой, неумолимо ясной последовательностью мысли Больцмана. Было время, когда я прямо-таки готов был обратиться в бегство, однако, побуждаемый Экснером и Кольраушем, нашёл спасение в учении о цвете»


Первые публикации Шрёдингера по атомной теории и теории спектров начали появляться лишь с начала 1920-х годов, после его личного знакомства с Зоммерфельдом и Вольфгангом Паули и переезда на работу в Германию, которая была центром развития новой физики. В январе 1921 года Шрёдингер закончил свою первую статью по этой тематике, рассмотрев в рамках теории Бора — Зоммерфельда влияние взаимодействия электронов на некоторые особенности спектров щелочных металлов. Особый интерес для него представляло введение релятивистских соображений в квантовую теорию. Осенью 1922 года он проанализировал электронные орбиты в атоме с геометрической точки зрения, воспользовавшись методами известного математика Германа Вейля. Эта работа, в которой было показано, что квантовым орбитам можно сопоставить определённые геометрические свойства, стала важным шагом, предугадавшим некоторые особенности волновой механики. Ранее в том же году Шрёдингер получил формулу релятивистского эффекта Доплера для спектральных линий, исходя из гипотезы световых квантов и соображений сохранения энергии и импульса. Впрочем, он испытывал большие сомнения в справедливости последних соображений в микромире. Ему была близка идея его учителя Экснера о статистическом характере законов сохранения. Поэтому он с энтузиазмом воспринял появление весной 1924 года статьи Бора, Крамерса и Слэтера, в которой предполагалась возможность нарушения этих законов в индивидуальных атомных процессах. Несмотря на то, что вскоре эксперименты Г.Гейгера и В.Боте показали несовместимость этого предположения с опытом, идея энергии как статистической концепции привлекала Шрёдингера на протяжении всей жизни и обсуждалась им в некоторых докладах и публикациях.


Уравнение Шредингера


По складу ума Эрвин Шредингер, подобно Планку, Эйнштейну и ряду других физиков того времени, тяготел к классическим представлениям в физике и не принял копенгагенской вероятностной интерпретации корпускулярно-волнового дуализма. В 1925 — 1926 Шредингером были выполнены работы, выдвинувшие его в первый ряд создателей волновой механики.

Наличие волновых свойств у электронов Шредингер принял как фундаментальный экспериментальный факт. Для физики волны далеко не были чем-то новым. Было хорошо известно, что в описании волн различной физической природы есть много общего — математически они описываются похожими методами (так называемыми волновыми дифференциальными уравнениями в частных производных). И здесь проявляется любопытнейшее обстоятельство, которое можно проиллюстрировать на примере звуковой волны в органной трубе.

Все величины, относящиеся к звуковой волне — и распределение плотностей, и давлений, и температур и так далее в такой «стоячей» волне являются обычными, описываемыми классической теорией, но, в то же время, существуют и определенные дискретные «резонансные» состояния: каждая из труб, в зависимости от ее длины «настроена» на определенную частоту. Это наводит на мысль, что, например, и различные квантовые дискретные состояния электронов в атомах также имеют такую же «резонансную» природу. Таким образом, волны де Бройля становятся в ряд «обычных» классических волн, а квантовые дискретные состояния — в ряд «обычных» резонансных. Конечно, для описания электронных (и других подобных им) волн необходимо располагать уравнением, такой же степени общности, как и уравнения Исаака Ньютона в классической механике, и в 1926 Шредингер и предложил такое уравнение, знаменитое уравнение Шредингера, явившееся математической основой волновой (по другой терминологии — квантовой) механики.

Эта серия работ была опубликована Эрвином Шредингером в 1926 году под общим названием «Квантование как задача о собственных значениях». Уравнение Шредингера заняло лидирующее место в квантовой теории, и не утратило его и поныне.


Наиболее общая форма уравнения Шрёдингера — форма, включающая зависимость от времени:



Пример нерелятивистского уравнения Шрёдингера в координатном представлении для точечной частицы массы , движущейся в потенциальном поле с потенциалом V(r,t):



Оператор  называется оператором Гамильтона.




Формулировка уравнения Шредингера


В квантовой физике вводится комплекснозначная функция , описывающая чистое состояние объекта, которая называется волновой функцией. В наиболее распространенной копенгагенской интерпретации эта функция связана с вероятностью обнаружения объекта в одном из чистых состояний (квадрат модуля волновой функции представляет собой плотность вероятности). Поведение гамильтоновой системы в чистом состоянии полностью описывается с помощью волновой функции.

Отказавшись от описания движения частицы с помощью траекторий, получаемых из законов динамики, и определив вместо этого волновую функцию, необходимо ввести в рассмотрение уравнение, эквивалентное законам Ньютона и дающее рецепт для нахождения  в частных физических задачах. Таким уравнением является уравнение Шрёдингера.



Пусть волновая функция задана в n-мерном конфигурационном пространстве, тогда в каждой точке с координатами , в определенный момент времени t она будет иметь вид . В таком случае уравнение Шрёдингера запишется в виде:



где  — постоянная Планка;  — масса частицы,  — внешняя по отношению к частице потенциальная энергия в точке  в момент времени  — оператор Лапласа (или лапласиан), эквивалентен квадрату оператора набла и в n-мерной системе координат имеет вид:


Случай трёхмерного пространства


В трёхмерном случае пси-функция является функцией трёх координат и  в декартовой системе координат заменяется выражением:

тогда уравнение Шрёдингера примет вид:


Стационарное уравнение Шрёдингера


Форма уравнения Шрёдингера показывает, что относительно времени его решение должно быть простым, поскольку время входит в это уравнение лишь через первую производную в правой части. Действительно, частное решение для специального случая, когда Ер не является функцией времени, можно записать в виде:

где функция  должна удовлетворять уравнению:

которое получается из уравнения Шрёдингера (1) при подстановке в него указанной выше формулы для  (2). Заметим, что это уравнение вообще не содержит времени; в связи с этим оно называется стационарным уравнением Шрёдингера (уравнение Шрёдингера, не содержащее времени).


Применение квантовой механики

После завершения формализма волновой механики Шрёдингер смог получить с его помощью ряд важных результатов частного характера. Уже к концу 1926 года он использовал свою методику для наглядного описания эффекта Комптона, а также предпринял попытку объединения квантовой механики и электродинамики. Отталкиваясь от уравнения Клейна — Гордона, Шрёдингер получил выражение для тензора энергии-импульса и соответствующий закон сохранения для объединённых волн материи и электромагнитных волн.

Тензор энергии-импульса может быть записан в виде действительной симметричной матрицы 4x4:

В нём обнаруживаются следующие физические величины:

  • T00 — объёмная плотность энергии. Как правило, она должна быть положительной, однако теоретически допускается существование локальных пространственных областей с отрицательной плотностью энергии. В частности, подобную область можно создать с помощью эффекта Казимира.

  • T10, T20, T30 — компоненты импульса плотности , умноженные на c.

  • T01, T02, T03 — компоненты потока энергии (вектора Пойнтинга), делённые на c. В силу симметрии Tμν соблюдается равенство: T0μ = Tμ0

  • Подматрица 3 x 3 из чисто пространственных компонент


есть 3-мерный тензор плотности потока импульса, или тензор напряжений со знаком минус. В механике жидкости диагональные её компоненты соответствуют давлению, а прочие составляющие — тангенциальным усилиям (напряжениям или в старой терминологии — натяжениям), вызванным вязкостью.


Однако эти результаты, как и исходное уравнение, оказались неприменимы к электрону, так как не давали возможности учесть его спин (это позже было сделано Полем Дираком, получившим своё знаменитое уравнение). Лишь много лет спустя стало ясно, что полученные Шрёдингером результаты справедливы для частиц с нулевым спином, например мезонов. В 1930 году он получил обобщённое выражение соотношения неопределённостей Гейзенберга для любой пары физических величин (наблюдаемых). В том же году он впервые проинтегрировал уравнение Дирака для свободного электрона, придя к выводу о том, что его движение описывается суммой прямолинейного равномерного движения и высокочастотного дрожательного движения малой амплитуды. Это явление объясняется интерференцией частей соответствующего электрону волнового пакета, относящихся к положительным и отрицательным энергиям. В 1940—1941 годах Шрёдингер детально разработал в рамках волновой механики (то есть представления Шрёдингера) метод факторизации для решения задач на собственные значения. Суть этого подхода состоит в представлении гамильтониана системы в виде произведения двух операторов.


Случайные файлы

Файл
122174.doc
ТВиМС.doc
74984-1.rtf
66255.rtf
31868.rtf




Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.