Пониманию квантовой хромодинамики помогут эксперименты на коллайдере. Физики нашли способ увидеть «улыбку» квантовой гравитации I
«Тот, кто не был потрясен при первом знакомстве с квантовой теорией, скорее всего, просто ничего не понял». Нильс Бор
Положения квантовой теории настолько ошеломительны, что она больше похожа на научную фантастику.
Частица микромира может находиться в двух и более местах одновременно!
(Один из совсем недавних экспериментов показал, что одна из таких частиц может находиться одновременно в 3000 мест!)
Один и тот же «объект» может быть и локализованной частицей, и энергетической волной, распространяющейся в пространстве.
Эйнштейн выдвинул постулат: ничто не может двигаться быстрее скорости света. Но квантовая физика доказала: субатомные частицы могут обмениваться информацией мгновенно - находясь друг от друга на любом удалении.
Классическая физика была детерминированной: исходя из начальных условий, вроде местоположения и скорости объекта, мы можем рассчитать, куда он будет двигаться. Квантовая физика - вероятностна: мы никогда не можем с абсолютной уверенностью сказать, как поведет себя исследуемый объект.
Классическая физика была механистичной. Она основана на предпосылке: только зная отдельные части объекта, мы в конечном счете можем понять, что он из себя представляет.
Квантовая физика целостна: она рисует картину Вселенной как единого целого, части которого взаимосвязаны и влияют друг на друга.
И, наверно, наиболее важно то, что квантовая физика уничтожила представление о принципиальном различии между субъектом или объектом, наблюдателем и наблюдаемым - а ведь оно властвовало над учёными умами в течение 400 лет!
В квартовой физике наблюдатель влияет на наблюдаемый объект. Нет никаких изолированных наблюдателей механической Вселенной - всё принимает участие в её существовании.
ПОТРЯСЕНИЕ №1 - ПУСТОЕ ПРОСТРАНСТВО
Одну из первых трещин в прочной конструкции ньютоновской физики сделало следующее открытие: атомы - эти твёрдые стандартные блоки физической Вселенной! - состоят главным образом из пустого пространства. Насколько пустого? Если увеличить ядро атома водорода до размера баскетбольного мяча, то единственный вращающийся вокруг него электрон будет находиться на расстоянии в тридцать километров, а между ядром и электроном - ничего. Так что глядя вокруг, помните: реальность - это мельчайшие точечки материи, окружённые пустотой.
Впрочем, не совсем так. Эта предполагаемая «пустота» на самом деле не пуста: она содержит колоссальное количество невероятно мощной энергии. мы знаем, что энергия становится всё плотнее по мере перехода на более низкий уровень материи (например, ядерная энергия в миллион раз мощнее химической). Сейчас учёные говорят, что в одном кубическом сантиметре пустого пространства больше энергии, чем во всей материи известной Вселенной. Хотя учёные не смогли измерить её, они видят результаты действия этого моря энергии.
ПОТРЯСЕНИЕ №2 - ЧАСТИЦА, ВОЛНА ИЛИ ВОЛНОЧАСТИЦА?
Мало того, что атом почти сплошь состоит из «пространства» - когда учёные более глубоко исследовали его, обнаружили, что субатомные (составляющие атом) частицы также не сплошные. И, похоже, они имеют двойственную природу. В зависимости от того, как мы их наблюдаем, они могут вести себя или как твёрдые микротела, или как волны.
Частицы - это отдельные твёрдые объекты, занимающие определённое положение в пространстве. А волны не имеют «тела», они не локализованы и распространяются в пространстве.
В качестве волны электрон или фотон (частица света) не имеет точного местоположения, но существует как «поле вероятностей». В состоянии частицы поле вероятностей «схлопывается» (коллапсирует) в твёрдый объект. Его координаты в четырёхмерном пространстве-времени уже можно определить.
Это удивительно, но состояние частицы (волна или твёрдый объект) задаётся актами наблюдения и измерения. Не измеряемые и не наблюдаемые электроны ведут себя подобно волнам. Как только мы подвергаем их наблюдению в процессе эксперимента, они «схлопываются» в твёрдые частицы и могут быть зафиксированы в пространстве.
Но как может быть что-то одновременно и твёрдо частицей и текучей волной? Возможно, парадокс будет разрешён, если мы вспомним то, о чём недавно говорили: частицы ведут себя как волны или как твёрдые объекты. Но понятия «волна» и «частица» - это всего лишь аналогии, взятые из нашего повседневного мира. Понятие волны было введено в квантовую теорию Эрвином Шредингером. Он автор знаменитого «волнового уравнения», которое математически обосновывает существование у твёрдой частицы волновых свойств до акта наблюдения. Некоторые физики - в попытке объяснить то, с чем они никогда не сталкивались и не могут до конца разобраться, - называют субатомные частицы «волночастицами».
ПОТРЯСЕНИЕ №3 - КВАНТОВЫЕ СКАЧКИ И ВЕРОЯТНОСТЬ
Изучая атом, учёные обнаружили: когда электроны, вращаясь вокруг ядра, перемещаются с орбиты на орбиту, они не движутся в пространстве как обычные объекты. Нет, они покрывают расстояние мгновенно. То есть исчезают в одном месте и появляются в другом. Этот феномен назвали квантовым скачком.
Мало того, учёные поняли, что не могут точно определить, где именно на новой орбите появится исчезнувший электрон или в какой момент он будет совершать скачок. Самое большее, что они смогли сделать - рассчитать вероятность (на основании волнового уравнения Шредингера) нового местоположения электрона.
«Реальность, как мы её ощущаем, создаётся в каждый момент времени в совокупности бесчисленных возможностей, - говорит доктор Сатиновер. - Но настоящая тайна - в том, что нет ничего в физической Вселенной, что бы определяло, какая именно возможность из этой совокупности осуществится. Нет процесса, который это устанавливает».
Таким образом, квантовые скачки - единственные по-настоящему случайные события во Вселенной.
ПОТРЯСЕНИЕ №4 - ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЁННОСТИ
В классической физике все параметры объекта, включая его пространственные координаты и скорость, могут быть измерены с точностью, ограниченной только возможностями экспериментальных технологий. Но на квантовом уровне всякий раз, когда вы определяете одну количественную характеристику объекта, например скорость, вы не можете получить точных значений других его параметров, например координат. Другими словами: если вы знаете, как быстро объект движется, вы не можете знать, где он находится. И наоборот: если вы знаете, где он находится, не можете знать, с какой скоростью он движется.
Как бы ни изощрялись экспериментаторы, какие бы продвинутые технологии измерений ни использовали - заглянуть за эту завесу им не удаётся.
Вернер Гейзенберг, один из пионеров квантовой физики, сформулировал принцип неопределённости. Суть его в следующем: как ни бейся, одновременно невозможно получить точные значения координат и скорости квантового объекта. Чем большей точности мы добиваемся в измерении одного параметра, тем более неопределённым становится другой.
ПОТРЯСЕНИЕ №5 - НЕЛОКАЛЬНОСТЬ, ЭПР-ПАРАДОКС И ТЕОРЕМА БЕЛЛА
Альберт Эйнштейн недолюбливал квантовую физику. Оценивая изложенную в квантовой физике вероятностную природу субатомных процессов, он говорил: «Бог не играет в кости с Вселенной». А вот Нильс Бор ему отвечал: «Перестаньте учить Бога, что ему делать!»
В 1935 году Энштейн и его коллеги Подольский и Розен (ЭПР) попытались нанести поражение квантовой теории. Учёные на основании положений квантовой механики провели мысленный эксперимент и пришли к парадоксальному выводу. (Он должен был показать ущербность квантовой теории). Суть их размышлений такова. Если мы имеем две одновременно возникшие частицы, то это означает, что они взаимосвязаны или находятся в состоянии суперпозиции. Отправим их в разные концы Вселенной. Затем изменим состояние одной из частиц. Тогда, согласно квантовой теории, другая частица мгновенно приходит в то же состояние. Мгновенно! На другом краю мироздания!
Подобная идея была настолько смехотворна, что Эйнштейн саркастически отозвался о ней как о «сверхъестественном дальнодействии». Согласно его теории относительности, ничто не может двигаться быстрее света. А в ЭПР-эксперименте выходило, что скорость обмена информацией между частицами бесконечна! Кроме того, сама мысль, что электрон может «отслеживать» состояние другого электрона на противоположном краю Вселенной, полностью противоречила общепринятым представлениям о реальности, да и вообще здравому смыслу.
Но вот в 1964 году ирландский физик-теоретик Джон Белл сформулировал и доказал теорему, из которой следовало: «смехотворные» выводы из мысленного эксперимента ЭПР - истинны!
Частицы тесно связаны на определённом уровне, выходящем за рамки времени и пространства. Поэтому способны мгновенно обмениваться информацией.
Представление о том, что любой объект Вселенной локален - т.е. существует в каком-то одном месте (точке) пространства - не верно. Все в этом мире нелокально.
Тем не менее этот феномен является действующим законом Вселенной. Шредингер говорил, что взаимосвязь между объектами - не единственный интересный аспект квантовой теории, но важнейший. В 1975 году физик-теоретик Генри Стэпп назвал теорему Белла «самым значительным открытием науки». Обратите внимание, что он говорил о науке, а не только о физике.
(Статья подготовлена по материалам книги У. Арнтц, Б. Чейс, М. Висенте «Кроличья нора, или что мы знаем о себе и Вселенной?», глава «Квантовая физика».)
Возникновение и развитие квантовой теории привело к изменению классических представлений о структуре материи, движении, причинности, пространстве, времени, характере познания и т.д., что способствовало коренному преобразованию картины мира. Для классического понимания материальной частицы было характерно резкое ее выделение из окружающей среды, обладание собственным движением и местом нахождения в пространстве. В квантовой теории частица стала представляться как функциональная часть системы, в которую она включена, не имеющая одновременно координат и импульса. В классической теории движение рассматривалось как перенос частицы, остающейся тождественно самой себе, по определенной траектории. Двойственный характер движения частицы обусловил необходимость отказа от такого представления движения. Классический (динамический) детермизм уступил место вероятностному (статистическому). Если ранее целое понималось как сумма составляющий частей, то квантовая теория выявила зависимость свойств частицы от системы, в которую она включена. Классическое понимание познавательного процесса было связано с познанием материального объекта как существующего самого по себе. Квантовая теория продемонстрировала зависимость знания об объекте от исследовательских процедур. Если классическая теория претендовала на завершенность, то квантовая теория с самого начала развертывалась как незавершенная, основывающаяся на ряде гипотез, смысл которых вначале был далеко не ясен, а поэтому ее основные положения получали разное истолкование, разные интерпретации.
Разногласия выявились прежде всего по поводу физического смысла двойственности микрочастиц. Де Бройль вначале выдвинул концепцию волны-пилота, в соответствии с которой волна и частица сосуществуют, волна ведет за собой частицу. Реальным материальным образованием, сохраняющим свою устойчивость, является частица, поскольку именно она обладает энергией и импульсом. Волна, несущая частицу, управляет характером движения частицы. Амплитуда волны в каждой точке пространства определяет вероятность локализации частицы рядом с этой точкой. Шредингер проблему двойственности частицы решает по сути путем ее снятия. Для него частица выступает как чисто волновое образование. Иначе говоря, частица есть место волны, в котором сосредоточена наибольшая энергия волны. Интерпретации де Бройля и Шредингера представляли собой по сути попытки создать наглядные модели в духе классической физики. Однако это оказалось невозможным.
Гейзенбергом была предложена интерпретация квантовой теории, исходя (как было показано ранее) из того, что физика должна пользоваться только понятиями и величинами, основанными на измерениях. Гейзенберг поэтому и отказался от наглядного представления движения электрона в атоме. Макроприборы не могут дать описание движения частицы с одновременной фиксацией импульса и координат (т.е. в классическом смысле) по причине принципиально неполной контролируемости взаимодействия прибора с частицей - в силу соотношения неопределенностей измерение импульса не дает возможности определить координаты и наоборот. Иначе говоря, по причине принципиальной неточности измерения предсказания теории могут иметь лишь вероятностный характер, причем вероятность является следствием принципиальной неполноты информации о движении частицы. Это обстоятельство привело к выводу о крушении принципа причинности в классическом смысле, предполагавшим предсказание точных значений импульса и координаты. В рамках квантовой теории, таким образом, речь идет не об ошибках наблюдения или эксперимента, а о принципиальном недостатке знаний, которые и выражаются с помощью функции вероятности.
Интерпретация квантовой теории, осуществленная Гейзенбергом, была развита Бором и получила название копенгагенской. В рамках данной интерпретации основным положением квантовой теории выступает принцип дополнительности, означающий требование применять для получения в процессе познания целостной картины изучаемого объекта взаимоисключающие классы понятий, приборов и исследовательских процедур, которые используются в своих специфических условиях и взаимозаполняют друг друга. Данный принцип напоминает соотношение неопределенностей Гейзенберга. Если речь идет об определении импульса и координаты как взаимоисключающих и взаимодополняющих исследовательских процедур, то для отождествления этих принципов есть основания. Однако смысл принципа дополнительности шире, чем соотношения неопределенностей. Для того, чтобы объяснить устойчивость атома, Бор соединил в одной модели классические и квантовые представления о движении электрона. Принцип дополнительности, таким образом, позволил классические представления дополнить квантовыми. Выявив противоположность волновых и корпускулярных свойств света и не найдя их единства, Бор склонился к мысли о двух, эквивалентных друг другу, способах описания - волновом и корпускулярном - с последующем их совмещением. Так что точнее говорить о том, что принцип дополнительности выступает развитием соотношения неопределенности, выражающих связи координаты и импульса.
Ряд ученых истолковали нарушение принципа классического детерминизма в рамках квантовой теории в пользу индетернизма. В действительности же здесь принцип детерминизма изменял свою форму. В рамках классической физики, если в начальный момент времени известны положения и состояние движения элементов системы, можно полностью предсказать ее положение в любой будущий момент времени. Все макроскопические системы были подчинены этому принципу. Даже в тех случаях, когда приходилось вводить вероятности, всегда предполагалось, что все элементарные процессы строго детернизированы и что только их большое число и беспорядочность поведения заставляет обращаться к статистическим методам. В квантовой теории ситуация принципиально иная. Для реализации принципов детернизации здесь необходимо знать координаты и импульсы, и это соотношением неопределенности запрещается. Использование вероятности здесь имеет иной смысл по сравнению со статистической механикой: если в статистической механике вероятности использовались для описания крупномасштабных явлений, то в квантовой теории вероятности, наоборот, вводятся для описания самих элементарных процессов. Все это означает, что в мире крупномасштабных тел действует динамический принцип причинности, а в микромире - вероятностный принцип причинности.
Копенгагенская интерпретация предполагает, с одной стороны, описание экспериментов в понятиях классической физики, а с другой - признание этих понятий неточно соответствующими действительному положению вещей. Именно эта противоречивость и обусловливает вероятность квантовой теории. Понятия классической физики составляют важную составную часть естественного языка. Если мы не будем использовать этих понятий для описания проводимых экспериментов, то мы не сможем понять друг друга.
Идеалом классической физики является полная объективность знания. Но в познании мы используем приборы, а тем самым, как говорит Гейнзерберг, в описание атомных процессов вводится субъективный элемент, поскольку прибор создан наблюдателем. "Мы должны помнить, что то, что мы наблюдаем, - это не сама природа, а природа, которая выступает в том виде, в каком она выявляется благодаря нашему способу постановки вопросов научная работа в физике состоит в том, чтобы ставить вопросы о природе на языке, которым мы пользуемся, и пытаться получить ответ в эксперименте, выполненном с помощью имеющихся у нас в распоряжении средств. При этом вспоминаются слова Бора о квантовой теории: если ищут гармонии в жизни, то никогда нельзя забывать, что в игре жизни мы одновременно и зрители, и участники. Понятно, что в нашем научном отношении к природе наша собственная деятельность становится важной там, где нам приходится иметь дело с областями природы, проникнуть в которые можно только благодаря важнейшим техническим средствам"
Классические представления пространства и времени также оказалось невозможным использовать для описания атомных явлений. Вот что писал по этому поводу другой создатель квантовой теории: "существование кванта действия обнаружило совершенно непредвиденную связь между геометрией и динамикой: оказывается, что возможность локализации физических процессов в геометрическом пространстве зависит от их динамического состояния. Общая теория относительности уже научила нас рассматривать локальные свойства пространства-времени в зависимости от распределения вещества во Вселенной. Однако существование квантов требует гораздо более глубокого преобразования и больше не позволяет нам представлять движение физического объекта вдоль определенной линии в пространстве-времени (мировой линии). Теперь нельзя определить состояние движения, исходя из кривой, изображающей последовательные положения объекта в пространстве с течением времени. Теперь нужно рассматривать динамическое состояние не как следствие пространственно-временной локализации, а как независимый и дополнительный аспект физической реальности"
Дискуссии по проблеме интерпретации квантовой теории обнажили вопрос о самом статусе квантовой теории - является ли она полной теорией движения микрочастицы. Впервые вопрос таким образом был сформулирован Энштейном. Его позиция получила выражение в концепции скрытых параметров. Эйнштейн исходил из понимания квантовой теории как статистической теории, которая описывает закономерности, относящиеся к поведению не отдельной частицы, а их ансамбля. Каждая частица всегда строго локализована, одновременно обладает определенными значениями импульса и координаты. Соотношение неопределенностей отражает не реальное устройство действительности на уровне микропроцессов, а неполноту квантовой теории - просто на ее уровне мы не имеем возможности одновременно измерять импульс и координату, хотя они в действительности существуют, но как скрытые параметры (скрытые в рамках квантовой теории). Описание состояния частицы с помощью волновой функции Эйнштейн считал неполным, а потому и квантовую теорию представлял в виде неполной теории движения микрочастицы.
Бор в данной дискуссии занял противоположную позицию, исходящую из признания объективной неопределенности динамических параметров микрочастицы как причины статистического характера квантовой теории. По его мнению, отрицание Энштейном существования объективно неопределенных величин оставляет необъясненным присущие микрочастице волновые черты. Возврат к классическим представлениям движения микрочастицы Бор считал невозможным.
В 50-х гг. ХХ века Д.Бом вернулся к концепции волны-пилота де Бройля, представив пси-волну в виде реального поля, связанного с частицей. Сторонники копенгагенской интерпретации квантовой теории и даже часть ее противников позицию Бома не поддержали, однако она способствовала более углубленной проработке концепции де Бройля: частица стала рассматриваться в виде особого образования, возникающего и движущегося в пси-поле, но сохраняющего свою индивидуальность. Работы П.Вижье, Л.Яноши, разрабатывавших данную концепцию, были оценены многими физиками как слишком "классичными".
В отечественной философской литературе советского периода копенгагенская интерпретация квантовой теории была подвергнута критике за "приверженность к позитивистским установкам" в трактовке процесса познания. Однако рядом авторов отстаивалась справедливость копенгагенской интерпретации квантовой теории. Смена классического идеала научного познания неклассическим сопровождалась пониманием того, что наблюдатель, пытаясь построить картину объекта, не может отвлечься от процедуры измерения, т.е. исследователь оказывается не в состоянии измерять параметры изучаемого объекта такими, какими они были до процедуры измерения. В.Гейзенберг, Э.Шредингер и П.Дирак положили принцип неопределенности в основу квантовой теории, в рамках которой частицы уже не имели определенных и не зависящих друг от друга импульса и координат. Квантовая теория, таким образом, внесла в науку элемент непредсказуемости, случайности. И хотя Эйнштейн не смог согласиться с этим, квантовая механика согласовывалась с экспериментом, а потому стала основой многих областей знания.
ВКонтакте Facebook Одноклассники
При взаимодействии на коллайдере частиц высоких энергий образуется огромное количество разнообразных частиц
Этот процесс называется множественным рождением, а различные его характеристики предсказываются с помощью теории сильных взаимодействий - квантовой хромодинамики (КХД). Однако результаты последних подобных экспериментов на БАК (Большом адронном коллайдере) не совпадают с предсказаниями моделей, построенных по результатам прошлых экспериментов на других ускорителях. О возможных причинах этого несовпадения и открывающихся горизонтах новой экспериментальной физики высоких энергий на Гинзбурговской конференции рассказал профессор Университета Бристоля и один из ведущих специалистов в области изучения множественного рождения частиц Ник Брук.
Для идентификации рожденных частиц идеально подходит техника двух экспериментальных проектов, проходящих на БАК. Это проект ALICE (A Large Ion Collider Experiment), оптимизированный для изучения столкновений тяжелых ионов, и LHCb, предназначенный для изучения B-мезонов - частиц, содержащих «прелестный» кварк. А сама информация о рождении частиц является необходимым фундаментом для дальнейшего развития КХД. Комментирует Ник Брук: «Наблюдаемые распределения частиц характеризуют адронное состояние материи и являются чувствительными к лежащей в основе протон-протонных взаимодействий квантовой хромодинамике. ALICE, ATLAS и CMS уже измеряли распределения частиц в центральном регионе взаимодействия, а геометрия LHCb позволяет отследить динамику столкновений и в отдаленной области. Это дает нам столь необходимую информацию для развития моделей и улучшения Монте-Карловских генераторов событий».
Квантовая хромодинамика возникла в 70-х годах прошлого века как микроскопическая теория, описывающая сильное взаимодействие на субадронных масштабах, в котором участвуют кварки, глюоны и составленные из них частицы - адроны, в том числе и связанные сильным взаимодействием протоны и нейтроны атомного ядра. Основной постулат квантовой хромодинамики приписывает всем кваркам особое квантовое число, называемое цветовым зарядом или цветом. Столь привычное слово не имеет ничего общего с обычными оптическими характеристиками, но зато лаконично подчеркивает тот факт, что в природе кварки встречаются лишь в виде бесцветных комбинаций - адронов, составленных из трех кварков (вспоминаем аналогию: красный, зеленый и синий в сумме дают белый), или глюонов из кварка и антикварка с антицветом.
Предсказания КХД о параметрах множественного рождения частиц даются либо в аналитической форме, либо в виде численных компьютерных расчетов по моделям Монте-Карло, которые можно детально сопоставлять с экспериментальными данными. Эти модели называют генераторами событий в том смысле, что вероятность возникновения определенных явлений в этих компьютерных расчетах считается пропорциональной вероятности соответствующего события в реальном мире. Все эти модели хорошо работали в согласовании с прошлыми экспериментами на других ускорителях и даже имели некую предсказательную силу, но они пока никак не совпадают с новыми результатами, полученными на БАК.
Комментирует профессор ФИАН и ведущий научный сотрудник сектора физики высоких энергий Андрей Леонидов: «Изучение множественного рождения при высоких энергиях - это одна из фундаментальных физических проблем, и доклад Брука был посвящен массиву экспериментальной информации, которая была наработана на коллайдере LHC. Там сложилась очень интересная ситуация: имеющиеся модели не описывают многие существенные свойства событий. В типичной их конструкции как-то сшивается физика мягких адронных струй и жесткого адронного излучения, а сами они были откалиброваны, чтобы успешно описывать FNAL, предыдущий ускоритель. В результате в этом докладе буквально не было ни одного графика, в котором теория совпала с новым экспериментом. То есть многие свойства множественного рождения современные модели не описывают вовсе».
Так, профессор Брук рассказал о расхождениях предсказаний с реальными данными по возникновению частиц со «странными» кварками в составе или нарушениях в соотношении барионной и антибарионной материи. Но все эти нестыковки, как подчеркнул Брук, только развязывают исследователям руки и лишний раз показывают сложную структуру КХД. Ведь новые данные могут помочь в улучшении моделей генераторов событий, мягкого производства частиц, мультичастичных столкновений и многих других явлений.
С оптимизмом английского физика согласен и Андрей Леонидов: «Все предыдущие модели в новых экспериментах показали себя в разной степени неуспешными, и это создает интересное поле для изучения. Но ведь эти же модели не просто так собрали: это - лучшее, что человечество может предложить на эту тему. Не то что какие-то провинциальные люди что-то там написали, и это по случайности используется на LHC. На LHC используется лучшее, что есть, и это лучшее пока работает неважно. А тема эта очень важна, потому что процессы множественного рождения постоянно происходят в коллайдере. Это доминирующие процессы с большим сечением, и они потенциально влияют на все остальные процессы, определяют их фон. Кроме того, это фундаментально и интересно. Так что ничего печального нет, ждем новых результатов!».
При столкновении частиц высоких энергий наблюдается множественное рождение новых частиц
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГОУ СПО «Алексеевский колледж экономики и информационных технологий»
«Возникновение и развитие квантовой физики»
Выполнил: студент 22 группы
специальности: 080110
Экономика и бухгалтерский учет
(по отраслям)
Рысиков Артем
Проверил: преподаватель общеобразовательных дисциплин
Коряка Людмила Михайловна
Алексеевка 2010 год
Введение..…………………………………………………… …………………3
Глава I Возникновение и развитие квантовой физики………………………4
1.1 Гипотеза квантов……………………………………………………... 8
1.2 Теория атома И.Бора. Принцип соответствия……………………...11
Глава II Проблемы квантовой механики…………………………………….13
1.4 Проблема интерпретации квантовой механики….…….................. .16
Заключение…………………………………………………… ………………19
Список используемой литературы…………………………………………...2 0
Введение
Согласно электромагнитной картине мира окружающий человека мир представляет собой сплошную среду - поле, которое может иметь в разных точках различную температуру, концентрировать разный энергетический потенциал, по-разному двигаться и т.д. Сплошная среда может занимать значительные области пространства, ее свойства изменяются непрерывно, у нее нет резких границ. Этими свойствами поле отличается от физических тел, имеющих определенные и четкие границы. Разделение мира на тела и частицы поля, на поле и пространство является свидетельством существования двух крайних свойств мира - дискретности и непрерывности. Дискретность (прерывность) мира означает конечную делимость всего пространственно-временного строения на отдельные ограниченные предметы, свойства и формы движения, тогда как непрерывность (континуальность) выражает единство, целостность и неделимость объекта.
В рамках классической физики дискретность и непрерывность мира первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые, хотя в целом и взаимодополняющие свойства. В современной физике это единство противоположностей, дискретного и непрерывного нашло свое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.
В основе современной квантово-полевой картины мира лежит новая физическая теория - квантовая механика, описывающая состояние и движение микрообъектов материального мира.
Глава I. Возникновение и развитие квантовой физики
Квантовой механикой называют теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми опытным путем.
Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволяют выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, изучить свойства элементарных частиц.
Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, то законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Например, квантовая механика позволила определить строение и понять многие свойства твердых тел, последовательно объяснить явления ферромагнетизма, сверхтекучести, сверхпроводимости, понять природу астрофизических объектов - белых карликов, нейтронных звезд, выяснить механизм протекания термоядерных реакций на Солнце и звездах.
Разработка квантовой механики относится к началу XX в., когда были обнаружены физические явления, свидетельствующие о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики к процессам взаимодействия света с веществом и процессам, происходящим в атоме. Установление связи между этими группами явлений и попытки объяснить их на основе теории привели к открытию законов квантовой механики.
Впервые в науке представления о кванте высказал в 1900 г. М. Планк в процессе исследования теплового излучения тел. Своими исследованиями он продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями - квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны. Эксперименты Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно и корпускулярными, и волновыми свойствами, представляя собой, таким образом, диалектическое единство этих противоположностей. Диалектика, в частности, выражается в том, что чем короче длина волны излучения, тем ярче проявляются квантовые свойства; чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства света.
В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул гипотезу, что корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы вещества обладают волновыми свойствами. Позднее эта идея была подтверждена экспериментально, и принцип корпускулярно-волнового дуализма был распространен на все процессы движения и взаимодействия в микромире.
В частности, Н. Бор применил идею квантования энергии к теории строения атома. Согласно его представлениям в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг ядра вращаются по орбитам отрицательно заряженные электроны. Вращающиеся электроны должны терять часть своей энергии, что влечет за собой нестабильное существование атомов. Однако на практике атомы не только существуют, но и являются весьма устойчивыми. Объясняя этот вопрос, Бор предположил, что электрон, совершая движение по своей орбите, не испускает квантов. Излучение происходит лишь при переходе электрона с одной орбиты на другую, т.е. с одного уровня энергии на другой, с меньшей энергией. В момент перехода и рождается квант излучения.
В соответствии с квантово-полевой картиной мира любой микрообъект, обладая волновыми и корпускулярными свойствами, не имеет определенной траектории движения и не может иметь определенных координат и скорости (импульса). Это можно сделать только через определение волновой функции в данный момент, а потом найти его волновую функцию в любой другой момент. Квадрат модуля дает вероятность нахождения частицы в данной точке пространства.
Кроме того, относительность пространства-времени в данной картине мира приводит к неопределенности координат и скорости в данный момент, к отсутствию траектории движения микрообъекта. И если в классической физике вероятностным законам подчинялось поведение большого числа частиц, то в квантовой механике поведение каждой микрочастицы подчиняется не динамическим, а статистическим законам.
Таким образом, материя двулика: она обладает и корпускулярными, и волновыми свойствами, которые проявляются в зависимости от условий. Отсюда общая картина реальности в квантово-полевой картине мира становится как бы двуплановой: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой - условия наблюдения, от которых зависит определенность этих характеристик. Это означает, что картина реальности в современной физике является не только картиной объекта, но и картиной процесса его познания.
Кардинально меняется представление о движении, которое становится лишь частным случаем фундаментальных физических взаимодействий. Известно четыре вида фундаментальных физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Все они описываются на основе современного принципа близкодействия. В соответствии с ним взаимодействие каждого типа передается соответствующим полем от точки к точке. При этом скорость передачи взаимодействия всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме (300 000 км/с).
Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они всегда выступают в вероятностной форме, в виде так называемых статистических законов. Они соответствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей. Таким образом, оказалось, что в основе нашего мира лежит случайность, вероятность.
Также новая картина мира впервые включила в себя наблюдателя, от присутствия которого зависели получаемые результаты исследований. Более того, был сформулирован так называемый антропный принцип, который утверждает, что наш мир таков, каков он есть, только благодаря существованию человека. Отныне появление человека считается закономерным результатом эволюции Вселенной.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ
1.1 Гипотеза квантов
Истоки квантовой физики можно найти в исследованиях процессов излучения тел. Еще в 1809 г. П. Прево сделал вывод, что каждое тело излучает независимо от окружающей среды. Развитие спектроскопии в XIX в. привело к тому, что при изучении спектров излучения начинают обращать внимание и на спектры поглощения. При этом выясняется, что между излучением и поглощением тела существует простая связь: в спектрах поглощения отсутствуют или ослабляются те участки спектра, которые испускаются данным телом. Этот закон получил объяснение только в квантовой теории.
Г. Кирхгоф в 1860 г. сформулировал новый закон, который гласит, что для излучения одной и той же длины волны при одной и той же температуре отношение испускательной и поглощательной способностей для всех тел одинаково. Другими словами, если ЕλТ и АλТ - соответственно испускательная и поглощательная способности тела, зависящие от длины волны λ и температуры Т- то
где φ(λ, Т) - некоторая универсальная функция λ и Т, одинаковая для всех тел.
Кирхгоф ввел понятие абсолютно черного тела как тела, поглощающего все падающие на него лучи. Для такого тела, очевидно, АλТ = 1; тогда универсальная функция φ(λ, Т) равна испускательной способности абсолютно черного тела. Сам Кирхгоф не определил вид функции φ(λ, Т), а лишь отметил некоторые ее свойства.
При определении вида универсальной функции φ(λ, Т) естественно было предположить, что можно воспользоваться теоретическими соображениями, прежде всего основными законами термодинамики. Л. Больцман показал, что полная энергия излучения абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его температуры. Однако задача конкретного определения вида функции Кирхгофа оказалась весьма трудной, и исследования в этом направлении, основанные на термодинамике и оптике, не привели к успеху.
Опыт давал картину, не объяснимую с точки зрения классических представлений: при термодинамическом равновесии между колеблющимися атомами вещества и электромагнитным излучением почти вся энергия сосредоточена в колеблющихся атомах и лишь ничтожная часть ее приходится на долю излучения, тогда как согласно классической теории практически вся энергия должна была бы перейти к электромагнитному полю.
В 80-е гг. XIX в. эмпирические исследования закономерностей распределения спектральных линий и изучение функции φ(λ, Т) стали более интенсивными и систематическими. Была усовершенствована экспериментальная аппаратура. Для энергии излучения абсолютно черного тела В. Вином в 1896 г., Дж. Рэлеем и Дж. Джинсом в 1900 г. были предложены две различные формулы. Как показали экспериментальные результаты, формула Вина асимптотически верна в области коротких волн и дает резкие расхождения с опытом в области длинных волн, а формула Рэлея - Джинса асимптотически верна для длинных волн, но не применима для коротких.
В 1900 г. на заседании Берлинского физического общества М. Планк предложил новую формулу для распределения энергии в спектре серного тела. Эта формула давала полное соответствие с опытом, но ее физический смысл был не вполне понятен. Дополнительный анализ показал, что она имеет смысл только в том случае, если опустить, что излучение энергии происходит не непрерывно, а пределенными порциями - квантами (ε). Более того, ε не является любой величиной, а именно, ε = hν, где h - определенная константа, a v - частота света. Это вело к признанию наравне с атомизмом вещества атомизма энергии или действия, дискретного, квантового характера излучения, что не укладывалось в рамки представлений классической физики.
Формулировка гипотезы квантов энергии была началом новой эры в развитии теоретической физики. С большим успехом эту гипотезу начали применять для объяснения других явлений, которые не поддавались описанию на основе представлений классической физики.
Существенно новым шагом в развитии квантовой гипотезы было ведение понятия квантов света. Эта идея была разработана в 1905 г. Эйнштейном и использована им для объяснения фотоэффекта. В целом ряде исследований были получены подтверждения истинности этой идеи. В 1909 г. Эйнштейн, продолжая исследования законов излучения, показывает, что свет обладает одновременно и волновыми, и корпускулярными свойствами. Становилось все более очевидно, что корпускулярно-волновой дуализм светового излучения нельзя объяснить с позиций классической физики. В 1912 г. А. Пуанкаре окончательно доказал несовместимость формулы Планка и классической механики. Требовались новые понятия, новые представления и новый научный язык, для того чтобы физики могли осмыслить эти необычные явления. Все это появилось позже - вместе с созданием и развитием квантовой механики.
Глава II Проблемы квантовой механики…………………………………….13
1.3 Создание нерелятивистской квантовой механики………………...13
1.4 Проблема интерпретации квантовой механики….……...................16
Заключение……………………………………………………………………19
Список используемой литературы…………………………………………...20