Основи квантової фізики

Квантова фізика – унікальне наукове явище. Результати, отримані в ній, остаточно перевтілилися в напівпровідникові транзистори, лазери, інтегральні схеми, персональні комп’ютери, мобільні телефони тощо. Квантова фізика кардинально змінила напрям розвитку цивілізації та життя кожної людини зокрема. Столітня історія квантової фізики сповнена гамою неординарних подій. Її зародженням була гіпотеза (припущення!), що енергія не неперервна величина, а складається з порцій – квантів. Саме така гіпотеза відразу дала змогу пояснити явище теплового випромінювання, що не вдавалося зробити представникам класичної теорії. Навіть у автора гіпотези квантів, Макса Планка, на початках виникали сумніви щодо того, чи не є його витвір доброю математичною вигадкою, яка не має нічого спільного з реальністю. Подальший розвиток теорії довів безпідставність таких сумнівів. Перші десятиліття квантової теорії були особливо насичені інтелектуальними прозріннями, ідеями, які інколи називали ”безглуздими“ – настільки вони, здавалося, суперечили здоровому глуздові. Це були часи як перемог і тріумфу творців і прихильників теорії, так і потрясінь, а інколи і драм, науковців, які теорію не сприймали. Особлива ознака квантової теорії – це її глобальність: вона здатна описати поведінку будь-якого тіла в природі, і класична теорія, її положення містяться у квантовій теорії як її частковий випадок. У цьому сенсі квантова теорія відтворює логічний хід наукового прогресу – кожна наступна фундаментальна теорія не відкидає надбання попередньої, а містить її в собі як частковий випадок. Зрозуміло, що у майбутньому появиться загальніша теорія, яка поглине квантову. Проте нині квантова теорія залишається ефективним засобом глибокого пізнання природи. Тому читачеві, котрий прагне такого пізнання, необхідно усвідомити, що без знання квантової теорії цього досягти неможливо. Окремі розділи та теми посібника перенасичені математичними формулами. На жаль, квантова теорія не належить до тих наук, які можна успішно викласти у відомій серії “…для чайників”. Надмірна популяризація квантової фізики призводить до зворотного ефекту – спрощеного, а іноді й помилкового трактування її законів. Квантова теорія тісно переплетена з математикою. Заглиблюючись у мікросвіт, відчуваємо як зникає відчуття реальності, матерія ніби розчиняється, стає недоступною для емпіричного споглядання. Залишаємося один на один з математичними законами, які ще ніколи не підвели дослідників. Тому читачі повинні набратися терпіння і вперто штурмувати математичні висоти. Тільки за цих умов вивчення квантової фізики може дати майбутнім інженерам, технологам, дослідникам надійну точку опори у світі сучасних високих технологій. На завершальному етапі роботи над посібником автори відійшли від початкового плану. Замість конспективного викладення основних положень квантової теорії на рівні розширеного курсу загальної фізики для фізико-технічних та інженерних спеціальностей університетів написані розділи 4–6, які присвячені фундаментальним основам квантової теорії. Може скластися враження, що матеріал цих розділів доволі абстрактний і переобтяжений математичними викладеннями. Частково це правильно. Але якщо читачі переслідують мету вищу, аніж скласти іспит чи просто побіжно ознайомитися із предметом, то ці розділи можуть слугувати основою для глибокого вивчення квантової фізики. Під час викладення матеріалу трапляються вставки тексту, обмежені символами ► (…) ◄. Тут подаємо додатковий матеріал, який виходить за межі прийнятого від початку математичного і фізичного рівня опису квантової фізики. Здебільшого це матеріал, який вимагає глибшого знання окремих розділів математики чи ґрунтовного розуміння фізичних явищ і процесів, яких до цього не розглядали, або розглядали побіжно. Часто це матеріал, розуміння якого вимагає знання тем, що викладені далі. За першого вивчення квантової фізики такі вставки тексту можна пропустити, що не завадить подальшому успішному сходженню старанного і уважного читача на вершину сучасної фізики. Наукова і навчальна література з квантової теорії та її прикладних аспектів становить дуже великий перелік. У розпорядженні читачів є книги, в яких викладення предмета проводиться від популярного до надзвичайно глибокого математичного, фізичного та філософського рівнів. Оскільки наш посібник розрахований на початківців, то в кінці книги подаємо перелік лише основної з нашої точки зору літератури, яка є порівняно доступною для студентів. Разом з тим, під час вивчення окремих тем доцільно звертатися до додаткових джерел – монографій, оглядових статей, – де зацікавлені читачі можуть глибше ознайомитися з конкретними питаннями квантової теорії. Коли робота над посібником була у розпалі, несподівано пішов із життя наш співавтор, професор Юрій Рудавський. Робота над завершенням посібника – скромна данина світлій пам’яті про нього.