Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики

Рис. 6.10.б)график комплексной функции Vдействительной переменной х

Назовем эту кривую — кривойрассматриваемой частицы. Если бы мы поместили в некоторой точке хдетектор, то вероятность обнаружить частицу в данной точке можно найти, вычислив квадрат модуля амплитуды ( х), т. е.

| ( x)| ²

равный квадрату расстояния -кривой от оси x [143].

Чтобы изобразить подобным образом волновую функцию, определенную на всем трехмерном физическом пространстве, понадобилось бы пятьизмерений: три — для физического пространства и два — для плоскости Аргана в каждой точке, в которой мы строим график функции ( х). Однако наша упрощенная картина еще нам пригодится. Если мы захотим изучить поведение волновой функции вдоль произвольного направления в физическом пространстве, то для этого необходимо просто выбрать ось хвдоль этой линии, а два других пространственных измерения временно использовать в качестве действительной и мнимой осей на плоскости Аргана. Этот способ поможет нашему осмыслению эксперимента с двумя щелями.

Как я упоминал выше, в классической физике для того, чтобы определить, что будет происходить дальше, необходимо знать скорость (или импульс) частицы. В квантовой механике нам представляется значительная экономия. Волновая функция ужесодержит различные амплитуды для различных возможных импульсов! (Кое-кто из недовольных читателей может возразить, что «самое время» говорить об экономии, если принять во внимание, как сильно нам пришлось усложнить простую классическую картину точечной частицы. Хотя я во многом согласен с таким читателем, я все же советую не отвергать те лакомые кусочки, которые ему преподносят, ибо худшее еще впереди!) Каким образом амплитуды скоростей определяются волновой функцией ? На самом же деле лучше думать в терминах амплитуд импульсов. (Напомним, что импульс, или количество движения, равен скорости, умноженной на массу частицы, см. гл.6 «Уравнение Шредингера; уравнение Дирака») Для этого следует применить к волновой функции так называемый гармонический анализ. Подробно объяснять здесь, что это такое, было бы неуместно, скажу только, что он тесно связан с тем, что происходит с музыкальными звуками. Волну любой формы можно разложить в сумму различных «гармоник» (отсюда и термин «гармонический анализ»), которые представляют собой чистые тона различной высоты (т. е. с различными частотами). В случае волновой функции «чистые тона» соответствуют различным возможным значениям импульса, которые может иметь частица, а величина вклада каждого «чистого тона» в определяет амплитуду соответствующего значения импульса. Сами «чистые тона» называются импульсными состояниями.

Как выглядит импульсное состояние, представленное — функцией? Оно похоже на кривую, напоминающую по форме штопор, официальное математическое название которой — винтовая линия(рис. 6.11) [144].

Рис. 6.11.Импульсное состояние имеет -кривую в форме штопора

Штопоры с частыми витками соответствуют большим импульсам, а штопоры, которые едва вращаются, — очень малым импульсам. Существует предельный случай, когда -кривая вообще не делает витков и вырождается в прямую в случае нулевого импульса. В поведении винтовой линии неявно скрыто знаменитое соотношение Планка. Так как энергия Евсегда пропорциональна частоте v( Е = hv), то частые витки означают короткую длину волны, большую частотуи, следовательно, большой импульс и высокую энергию, а редкие витки означают малую частоту и низкую энергию. Если плоскости Аргана ориентированы обычным способом (т. е. когда оси х, у, zобразуют, как описано выше, правую тройку), то импульсы, направленные в положительном направлении оси х, соответствуют правым штопорам (которые обычно и используются).

Иногда квантовые состояния полезно описывать не в терминах обычных волновых функций, как это было сделано выше, а в терминах волновых функций импульсов. Это сводится к рассмотрению разложения волновой функции по различным импульсным состояниям и построению новой функции ', зависящей на этот раз не от положения х, а от импульса р; значение '( p) при любом рзадает величину вклада состояния с импульсом рв -функцию. (Пространство величин рназывается импульсным пространством.) Смысл 'состоит в том, что при каждом конкретном выборе ркомплексное число '( р) задает амплитуду того, что частица имеет импульс р.