Лекции по "Квантовой физике"

Содержание

·  3.1. Общие принципы неклассической физики

·  3.2. Современные представления о материи, пространстве и времени. Общая и специальная теории относительности

·  3.3. Основные идеи и принципы квантовой физики

·  3.4. Современные представления об элементарных частицах. Структура микромира

·  3.5. Фундаментальные физические взаимодействия

Роль квантовой физики в изучении микромира.

1. Общие принципы неклассической  физики

К современному естествознанию относятся теоретические концепции, сформировавшиеся на протяжении XX в. в рамках различных научных дисциплин. Важнейшими естественными науками являются физика, изучающая законы функционирования неорганической формы материи на макро– и микроуровне; астрофизика, предметом которой являются свойства и эволюция локальных астрономических объектов; космология, моделирующая эволюцию Вселенной в целом (мегауровень); биология, изучающая процессы развития и функционирования различных систем в живой природе; антропология, рассматривающая основные закономерности антропогенеза. Современная наука характеризуется осознанием целостности своих объектов и взаимосвязанности законов их существования.

Физика по-прежнему остается одной из ведущих дисциплин в естествознании. Современная физическая картина мира представляет собой систему фундаментальных знаний о закономерностях существования неорганической материи, об основаниях целостности и многообразия явлений природы. Современная физика исходит из ряда фундаментальных предпосылок.

Во-первых, так же как и классическая физика, она признает объективное существование физического мира, однако отказывается от наглядности; законы современной физики не всегда демонстративны, в некоторых случаях их наглядное подтверждение – опыт – просто невозможно.

Во-вторых, современная наука утверждает существование трех качественно различающихся структурных уровней материи: мегамира – мира космических объектов и систем; макромира – мира макроскопических тел, привычного мира нашего эмпирического опыта; микромира – мира микроо^-ектов, молекул, атомов, элементарных частиц и т. п. Классическая физика изучала строение и способы взаимодействия макроскопических тел, законы классической механики описывают процессы макромира. Современная квантовая физика занимается изучением микромира, соответственно законы квантовой механики описывают поведение микрочастиц. Мегамир – предмет астрономии и космологии, которые опираются на гипотезы, идеи и принципы неклассической (релятивистской и квантовой) физики.

В-третьих, неклассическая физика утверждает зависимость описания поведения физических объектов от условий наблюдения, т. е. от познающего эти процессы человека (принцип дополнительности – 3.3).

В-четвертых, современная физика признает существование ограничений на описание состояния объекта (принцип неопределенности – 3.3).

В-пятых, релятивистская физика отказывается от моделей и принципов механистического детерминизма, сформулированных в классической философии и предполагавших возможность описания мира в любой момент времени, опираясь на знание начальных условий. Процессы в микромире описываются статистическими закономерностями, а предсказания в квантовой физике носят вероятностный характер.

При всех различиях современная физика, так же как и классическая механика, изучает законы существования природы. Закон понимается как объективная, необходимая, всеобщая повторяющаяся и существенная связь между явлениями и событиями. Любой закон имеет ограниченную сферу действия. Например, распространение законов механики, оправдывающих себя в пределах макромира, на уровень квантовых взаимодействий недопустимо. Процессы, происходящие в микромире, подчиняются другим законам. Проявление закона зависит также от конкретных условий, в которых он реализуется, изменение условий может усилить или, напротив, ослабить действие закона. Действие одного закона корректируется и видоизменяется другими законами.

Динамические закономерности характеризуют поведение изолированных, индивидуальных объектов и позволяют установить точно определенную связь между отдельными состояниями предмета. Иначе говоря, динамические закономерности повторяются в каждом конкретном случае и имеют однозначный характер. Динамическими законами являются, например, законы классической механики. Классическое естествознание абсолютизировало динамические закономерности. Совершенно верные представления о взаимной связи всех явлений и событий в философии XVII–XVIII вв. привели к неправильному выводу о существовании в мире тотальной необходимости и об отсутствии случайности. Такая форма детерминизма получила название механистического. Механистический детерминизм трактует все типы взаимосвязи и взаимодействия как механические и отрицает объективный характер случайности. Например, один из сторонников этого типа детерминизма, Б. Спиноза, считал, что мы называем явление случайным только по причине недостатка наших знаний о нем. Следствием механистического детерминизма является фатализм – учение о всеобщей предопределенности явлений и событий, которое фактически сливается с верой в божественное предопределение.

Проблема ограниченности механистического детерминизма особенно четко обозначилась в связи с открытиями в квантовой физике. Закономерности взаимодействий в микромире оказалось невозможно объяснить с точки зрения принципов механистического детерминизма (3.3, 3.4). Новые открытия в физике сначала привели к отказу от детерминизма, однако позже способствовали формированию нового содержания этого принципа. Механистический детерминизм перестал ассоциироваться с детерминизмом вообще. Как писал физик М. Борн, утверждение, что новейшая физика отбросила причинность, целиком необоснованно. Действительно, новая физика отбросила или видоизменила многие традиционные идеи; но она перестала бы быть наукой, если бы прекратила поиски причин явлений. Причинность, таким образом, не изгоняется из постклассической науки, однако представления о ней меняются. Следствием этого становятся трансформация принципа детерминизма и введение понятия статистических закономерностей.

Статистические закономерности проявляются в массе явлений, имеют форму тенденции. Эти законы иначе называют вероятностными, поскольку они описывают состояние индивидуального объекта лишь с определенной долей вероятности. Статистическая закономерность возникает как результат взаимодействия большого числа элементов, поэтому характеризует их поведение в целом. Необходимость в статистических закономерностях проявляется через действие множества случайных факторов. Этот тип законов иначе называют законами средних величин. При этом статистические закономерности, так же как и динамические, являются выражением детерминизма. Примеры статистических закономерностей – законы квантовой механики (3.3) и законы, действующие в обществе и истории. Понятие вероятности, фигурирующее при описании статистических закономерностей, выражает степень возможности явления или события в конкретной совокупности условий.

2. Современные представления  о материи, пространстве и времени. Общая и специальная теории  относительности

На рубеже XIX–XX вв. в физике произошел кризис, который был связан с невозможностью объяснить новые эмпирические данные с помощью законов и принципов, сформулированных в рамках механистической парадигмы (1.8, 2.1, 2.3). Кризис и последовавшая за ним научная революция (1.4) способствовали тому, что на смену классической физике, построенной на принципах механики И. Ньютона, пришла новая фундаментальная теория – специальная теория относительности А. Эйнштейна. Теория относительности возникла на границе между механикой И. Ньютона и электромагнитной теорией Дж. Максвелла (2.3) как результат попыток устранить логические противоречия, существовавшие между этими двумя концепциями.

Специальная теория относительности распространила принципы относительности, сформулированные еще Г. Галилеем для механических систем (2.3), на электромагнитные взаимодействия. Ряд опытов, проведенных физиками в конце XIX в., показал, что скорость света остается неизменной во всех системах координат, независимо от того движется излучающий свет источник или нет. Однако эти выводы противоречили принципу относительности Г. Галилея.

В конце XIX в. господствовало представление, что мировое пространство заполнено особым эфиром, в котором распространяются световые волны. Для того чтобы обнаружить движение Земли относительно эфира, американский физик А. Майкельсон в 1887 г. решил измерить время прохождения светового луча по горизонтальному и вертикальному направлениям относительно Земли. Согласно гипотезе светоносного эфира время прохождения света по этим направлениям должно различаться. Однако результат эксперимента показал неизменность скорости света в обоих направлениях. Такой вывод противоречил классическим представлениям о том, что координаты и скорости должны преобразовываться при переходе от одной инерциальной системы к другой. Скорость света оказалась не зависящей от движения Земли.

Для объяснения результатов эксперимента А. Майкель-сона X. Лоренц вывел уравнения, позволяющие вычислить сокращение движущихся тел и промежутков времени между событиями, которые происходят в зависимости от скорости движения объектов. Преобразования X. Лоренца предполагали реальное сокращение тел и промежутков времени.

В 1905 г. А. Эйнштейн опубликовал работу «К электродинамике движущихся тел», в которой объяснил результаты опытов А. Майкельсона и изложил основные положения специальной теории относительности. А. Эйнштейн распространил принцип относительности на все системы и сформулировал его иначе, чем Г. Галилей: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, находящейся в состоянии прямолинейного и равномерного движения, т. е. все инерциальные системы отсчета равноправны между собой. Таким образом было преодолено представление об эталонной абсолютной системе отсчета, которую связывали с эфиром, все системы отсчета были признаны равнозначными, не имеющими никаких преимуществ друг перед другом, а принцип относительности приобрел всеобщий, универсальный характер.

Следствием такого понимания принципа относительности стало введение в физику понятия инвариантности. Инвариантность понимается как неизменность физических величин или свойств объектов при переходе от одной системы отсчета к другой. Все законы природы неизменны при переходе от одной инерциальной системы к другой, т. е., находясь внутри инерциальной системы, невозможно обнаружить, движется она или покоится. Специальная теория относительности установила также инвариантность материальных процессов и скорости света относительно преобразований X. Лоренца. А. Эйнштейн показал, что преобразования X. Лоренца отражают не реальное сокращение тел и промежутков времени, а изменение результатов измерений в зависимости от движения системы отсчета. Тела сокращаются, а время замедляется для внешнего наблюдателя, тогда как внутри движущейся системы все физические процессы протекают обычным образом.

А. Эйнштейн сформулировал также принцип инвариантности скорости света, который гласит: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света является предельной скоростью распространения материальных взаимодействий и равна 300 000 км/с.

А. Эйнштейн пришел к выводу, что противоречия в основах классической механики вытекают из неверного, не соответствующего физическому опыту представления о свойствах пространства и времени как абсолютных и неизменных, а также из неверного представления об абсолютной одновременности событий.

Классические представления о пространстве и времени сформулированы в рамкахсубстанциональной концепции, которая окончательно сформировалась в Новое время. Ее основой стали онтологические представления философов XVII в. и теория И. Ньютона. Пространство в механике И. Ньютона – это пустое вместилище для вещества. Оно однородно, неподвижно и трехмерно. Время есть совокупность равномерных моментов, следующих один за другим в направлении от прошлого к будущему. В субстанциональной концепции пространство и время рассматриваются как объективные самостоятельные сущности, не зависящие друг от друга и от характера протекающих в них материальных процессов.

Субстанциональная концепция пространства и времени адекватно вписывалась в механистическую картину мира, предлагаемую классической философией, и соответствовала уровню развития науки XVII в. (2.3). Но уже в эпоху Нового времени появляются идеи, которые характеризуют пространство и время вразрез с субстанциональными представлениями. Так, Г. Лейбниц считал, что пространство и время – это особые отношения между объектами и процессами и независимо от них не существуют. Пространство – порядок сосуществований тел, а время – порядок последовательностей событий. Г. Лейбниц утверждал, что существует связь вещей (материи) с пространством и временем: «мгновения в отрыве от вещей ничто, и они имеют свое существование в последовательном порядке самих вещей».

Несколько позже Г. Гегель отмечал, что движущаяся материя, пространство и время связаны друг с другом, а с изменением скорости протекания процессов меняются и пространственно-временные характеристики. Г. Гегель, в частности, писал: «Мы не можем обнаружить никакого пространства, которое было бы самостоятельным... оно всегда есть наполненное пространство и нигде не отличается от своего наполнения». Впервые же идеи о пространстве, которые можно характеризовать как реляционные, были высказаны античными философами. Так, Аристотель критиковал Демокрита и отрицал существование пустоты. Пространство, по его мнению, есть система естественных мест, занимаемых материальными объектами.

В законченном виде реляционная концепция пространства и времени сложилась после создания общей и специальной теорий относительности А. Эйнштейна и неевклидовой геометрии Н. Лобачевского.

А. Эйнштейн пришел к выводу об универсальности и всеобщности принципа относительности: не только механические, но и электромагнитные инерциальные системы равноправны по отношению друг к другу, а события, одновременные в одной системе, не будут одновременными в другой, движущейся относительно первой. Следствием этого вывода стало признание относительности измерений размеров тел: длина тела, измеренная разными наблюдателями, движущимися относительно друг друга с разными скоростями, должна быть различна. То же самое относится и ко времени: время протекания процесса будет различным, если измерять его часами, движущимися с разными скоростями. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, а размеры тел сокращаются, если наблюдать за ними, находясь за пределами самой движущейся системы.

Таким образом, в специальной теории относительности размеры тел и время протекания процессов ставятся в прямую зависимость от системы отсчета, в которой производится их измерение. Оказалось, что физический процесс может быть описан только по отношению к конкретной системе отсчета, выбор которой зависит от наблюдателя. Иначе говоря, для адекватного описания релятивистских явлений фактор наблюдателя становится существенным.