Волновая функция и ее статистический смысл

Экспериментальное подтверждение идеи де Бройля об универсальности корпускулярно-волнового дуализма, ограничен­ность применения классической механики к микрообъектам, диктуемая соотношени­ем неопределенностей, а также противоре­чие целого ряда экспериментов с применя­емыми в начале XX в. теориями привели к новому этапу развития квантовой тео­рии — созданию квантовой механики,описывающей законы движения и взаимо­действия микрочастиц с учетом их волно­вых свойств. Ее создание и развитие ох­ватывает период с 1900 г. (формулировка Планком квантовой гипотезы; см. §200) до 20-х годов XX в.; оно связано прежде всего с работами австрийского физика Э.Шредингера (1887—1961), немецкого физика В. Гейзенберга и английского фи­зика П.Дирака (1902—1984).

На данном этапе развития возникли новые принципиальные проблемы, в частности проблема физической природы волн де Бройля. Для выяснения этой про­блемы сравним дифракцию световых волн и микрочастиц. Дифракционная картина, наблюдаемая для световых волн, характе­ризуется тем, что в результате наложения дифрагирующих волн друг на друга в раз­личных точках пространства происходит усиление или ослабление амплитуды коле­баний. Согласно волновым представлени­ям о природе света, интенсивность диф­ракционной картины пропорциональна квадрату амплитуды световой волны. По представлениям фотонной теории, интенсивность определяется числом фотонов, попадающих в данную точку дифракцион­ной картины. Следовательно, число фото­нов в данной точке дифракционной карти­ны задается квадратом амплитуды свето­вой волны, в то время как для одного фотона квадрат амплитуды определяет ве­роятность попадания фотона в ту или иную точку.

Дифракционная картина, наблюдае­мая для микрочастиц, также характеризу­ется неодинаковым распределением пото­ков микрочастиц, рассеянных или отра­женных по различным направлениям,— в одних направлениях наблюдается боль­шее число частиц, чем в других. Наличие максимумов в дифракционной картине с точки зрения волновой теории означает, что эти направления соответствуют наи­большей интенсивности волн де Бройля. С другой стороны, интенсивность волн де Бройля оказывается больше там, где име­ется большее число частиц, т. е. интенсив­ность волн де Бройля в данной точке про­странства определяет число частиц, попав­ших в эту точку. Таким образом, дифрак­ционная картина для микрочастиц являет­ся проявлением статистической (вероятностной) закономерности, согласно которой частицы попадают в те места, где интен­сивность волн де Бройля наибольшая.

Необходимость вероятностного подхо­да к описанию микрочастиц является важ­нейшей отличительной особенностью кван­товой теории. Можно ли волны де Бройля истолковывать как волны вероятности, т. е. считать, что вероятность обнаружить микрочастицу в различных точках про­странства меняется по волновому закону? Такое толкование волн де Бройля уже неверно хотя бы потому, что тогда веро­ятность обнаружить частицу в некоторых точках пространства может быть отрица­тельна, что не имеет смысла.

Чтобы устранить эти трудности, не­мецкий физик М. Борн (1882—1970) в 1926 г. предположил, что по волновому закону меняется не сама вероятность, а величина, названная амплитудой веро­ятностии обозначаемая y (х, у, z, t). Эту величину называют также волновой фун­кцией(или y-функцией).Амплитуда ве-

роятности может быть комплексной, и ве­роятность W пропорциональна квадрату ее модуля:

W~|y(х, y, z, t)|² (216.1)

(|y|²=yy*₎ y* —функция, комплексно сопряженная с y). Таким образом, описа­ние состояния микрообъекта с помощью волновой функции имеет статистический, вероятностный характер:квадрат модуля волновой функции (квадрат модуля ам­плитуды волн де Бройля) определяет веро­ятность нахождения частицы в момент времени t в области с координатами х и х+dх, у и y+dy, z и z+dz.

Итак, в квантовой механике состояние микрочастиц описывается принципиально по-новому — с помощью волновой фун­кции, которая является основным носите­лем информации об их корпускулярных и волновых свойствах. Вероятность на­хождения частицы в элементе объемом dV равна

dW=|y|²dV. (216.2) Величина

|y|²=dW/dV

(квадрат модуля y-функции) имеет смысл плотности вероятности,т. е. определяет вероятность нахождения частицы в еди­ничном объеме в окрестности точки с ко­ординатами х, у, z. Таким образом, физи­ческий смысл имеет не сама y-функция, а квадрат ее модуля |y|², которым за­дается интенсивность волн де Бройля.

Вероятность найти частицу в момент времени t в конечном объеме V, согласно теореме сложения вероятностей, равна

Так как |y|²dV определяется как веро­ятность, необходимо волновую функцию y нормировать так, чтобы вероятность достоверного события обращалась в еди­ницу, если за объем V принять бесконеч­ный объем всего пространства. Это озна­чает, что при данном условии частица должна находиться где-то в пространстве. Следовательно, условие нормировки вероятностей

где данный интеграл (216.3) вычисляется по всему бесконечному пространству, т. е. по координатам х, у, z от — ¥ до ¥. Таким образом, условие (216.3) говорит об объективном существовании частицы во времени и пространстве.

Чтобы волновая функция являлась объективной характеристикой состояния микрочастиц, она должна удовлетворять ряду ограничительных условий. Функция y, характеризуя вероятность обнаружения действия микрочастицы в элементе объема, должна быть конечной (вероятность не может быть больше единицы), однознач­ной (вероятность не может быть неодно­значной величиной) и непрерывной (веро­ятность не может изменяться скачком).

Волновая функция удовлетворяет принципу суперпозиции:если система мо­жет находиться в различных состояниях, описываемых волновыми функциями y₁, y₂,....y_n,. .., то она также может находить­ся в состоянии y, описываемом линейной комбинацией этих функций:

где С_n (n=1,2, ...)— произвольные, вооб­ще говоря, комплексные числа. Сложение волновых функций (амплитуд вероятно­стей), а не вероятностей (определяемых квадратами модулем волновых функций) принципиально отличает квантовую тео­рию от классической статистической тео­рии, в которой для независимых событий справедлива теорема сложения вероятно­стей.

Волновая функция y, являясь основ­ной характеристикой состояния микро­объектов, позволяет в квантовой механике вычислять средние значения физических величин, характеризующих данный микро­объект. Например, среднее расстояние <r> электрона от ядра вычисляют по формуле

где интегрирование производится, как и в случае (216.3).