Еще один физический принцип - принцип дополнительности - возник из попыток осознать причину появления противоречивых наглядных образов, которые приходится связывать с объектами микромира.
В ряде экспериментов электрон и другие элементарные частицы обнаруживают корпускулярные свойства, то есть свойства частиц. Любое устройство для детектирования микрообъектов всегда регистрирует их как нечто целое, локализованное в очень малой области пространства.
С другой стороны, при движении все микрочастицы обнаруживают типичные волновые свойства. Наблюдается интерференция (наложение волн друг на друга) и дифракция (огибание волнами препятствий) частиц на кристаллических решетках или искусственно созданных препятствиях. Электрон и другие частицы ведут себя подобно волнам, огибающим препятствия, и как бы одновременно проходят через несколько щелей дифракционной решетки.
Таким образом, всем микрообъектам присущ корпускулярно-волновой дуализм. Общий ответ на вопрос о том, каким же образом совмещаются эти противоречивые свойства у одного объекта, был дан Н. Бором.
Прежде всего, подчеркивает Бор, нужно ясно осознать, что все приборы, регистрирующие индивидуальные акты в микромире, являются макроскопическими и иными быть не могут. Наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Сам человек - существо макроскопическое. Отсюда следует, что понятия, которыми мы пользуемся для описания явлений, -это макроскопические понятия, в терминах которых описывается работа приборов. Но эти понятия не могут быть полностью применены к микрообъектам, так как их поведение не подчиняется законам классической механики.
Согласно принципу дополнительности Бора, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий (частиц и волн). Только совокупность таких понятий дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных.
Принцип дополнительности является результатом философского осмысления новой необычной физической теории -квантовой механики. Он выражает на макроскопическом уровне один из основных законов диалектики - закон единства противоположностей.
Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей Гейзенберга.
Говоря о частице, мы представляем себе комочек вещества, находящийся в данный момент в определенном месте, обладающий определенной энергией и движущийся со строго определенной скоростью. При этом мы допускаем, что можно абсолютно точно знать координаты, импульс и энергию частицы в любой момент времени.
Однако, связывая частицу с волной, мы переходим к образу неограниченной синусоиды, простирающейся во всем пространстве. И понятия «длина волны в данной точке», «импульс в данной точке» просто не могут иметь смысла. Также не имеет смысла понятие энергии частицы в данный момент времени. Дело в том, что согласно формуле Планка, энергия связана с частотой волны, которая характеризует происходящий во времени гармонический колебательный процесс. Утверждение, что электрон лишь приближенно может рассматриваться как материальная точка, означает, что его координаты, импульс и энергия могут быть заданы лишь приблизительно. Количественно это выражается соотношением неопределенностей Гейзенберга.
Согласно этому соотношению, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет в значении координаты. Также соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого во взаимодействии прибора с объектом измерения.
Принцип неопределенности показывает, почему невозможно «падение» электрона на ядро атома. Ядро атома имеет очень малые размеры и при «падении» электрона местоположение последнего оказывается весьма точно определенным. Следовательно, резко увеличивается неопределенность в скорости электрона, разброс в значении скоростей станет весьма большим. В этот разброс будут включаться столь большие скорости, что электрон скорее покинет атом, чем упадет на ядро.
ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦИИ
Этот принцип также имеет важное значение в физике и особенно - в квантовой механике. Принцип суперпозиции (наложения) - это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. Одним из простых примеров является правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются две силы, воздействующие на тело. Принцип суперпозиции выполняется лишь в условиях, когда воздействующие явления не влияют друг на друга. Встречный ветер тормозит движение автомашины по закону параллелограмма -принцип суперпозиции в этом случае выполняется полностью. Но если песок, поднятый ветром, ухудшит работу двигателя, то в этом случае принцип суперпозиции выполняться не будет. Вообще, в ньютоновской физике этот принцип не универсален и во многих случаях выполняется лишь приближенно.
В микромире, наоборот, принцип суперпозиции - фундаментальный принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики. В квантовой теории принцип суперпозиции лишен наглядности, характерной для классической механики, так как в квантовой теории в суперпозиции складываются альтернативные, с классической точки зрения, исключающие друг друга состояния.
В релятивистской квантовой теории, предполагающей взаимное превращение частиц, принцип суперпозиции должен быть дополнен принципом суперотбора. Простейший пример - при аннигиляции электрона и позитрона принцип суперпозиции дополняется принципом сохранения электрического заряда - до и после превращений сумма зарядов должна быть постоянной. Поскольку заряды электрона и позитрона равны и взаимно противоположны, должна возникать незаряженная частица, каковой и является рождающийся в этом процессе аннигиляции фотон.
