Лекции по "Квантовой физике"

На основе этих представлений в 1927 г. был сформулирован принцип дополнительности,согласно которому волновые и корпускулярные описания процессов в микромире не исключают, а взаимно дополняют друг друга, и только в единстве дают полное описание. При точном измерении одной из дополнительных величин другая претерпевает неконтролируемое изменение. Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего. Утверждение корпускулярно-волнового дуализма стало основой квантовой физики.

В 1927 г. немецкий физик В. Гейзенберг пришел к выводу о невозможности одновременного точного измерения координаты частицы и ее импульса, зависящего от скорости, эти величины мы можем определить только с определенной степенью вероятности. В классической физике предполагается, что координаты движущегося объекта можно определить с абсолютной точностью. Квантовая механика существенно ограничивает эту возможность. Свои идеи В. Гейзенберг изложил в работе «Физика атомного ядра».

Вывод В. Гейзенберга получил название принципа соотношения неопределенностей,который лежит в основе физической интерпретации квантовой механики. Суть его в следующем: невозможно одновременно иметь точные значения разных физических характеристик микрочастицы – координаты и импульса. Если мы получаем точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной, существуют принципиальные ограничения на измерение физических величин, характеризующих поведение микрообьектов. Таким образом, заключил В. Гейзенберг, реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет. «Квантовая теория уже не допускает вполне обьективного описания природы», – писал он. Измерительный прибор влияет на результаты измерения, т. е. в научном эксперименте влияние человека оказывается неустранимым. В ситуации эксперимента мы сталкиваемся с субьект-обьектным единством измерительного прибора и изучаемой реальности. Важно отметить, что это обстоятельство не связано с несовершенством измерительных приборов, а является следствием обьективных, корпускулярно-волновых свойств микро-обьектов. Как утверждал физик М. Борн, волны и частицы – это только «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию.

Два фундаментальных принципа квантовой физики – принцип соотношения неопределенностей и принцип дополнительности – указывают на то, что наука отказывается от описания только динамических закономерностей. Законы квантовой физики – статистические. Как пишет В. Гейзен-берг, «в экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов». В дальнейшем квантовая теория стала базой для ядерной физики, а в 1928 г. П. Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.

4. Современные представления  об элементарных частицах. Структура  микромира

Структурность и системность наряду с пространством, временем, движением являются атрибутами, т. е. неотьемле-мыми свойствами, материи. Современное миропонимание предполагает упорядоченность и организованность мира, а проблема самоорганизации бытия является одной из самых важных в науке и философии. Бытие представляет собой сложноорганизованную иерархию систем, все элементы которой находятся в закономерной связи друг с другом, кажущаяся неоформленность изменений в каком-то одном отношении оказывается упорядоченностью в другом. Именно это обстоятельство выражается в понятии системности.

Существует несколько десятков определений понятия «система», однако классическим признано определение, данное основоположником теории систем Л. Берталанфи: система – это комплекс взаимодействующих элементов. Ключевым понятием в этом определении является понятие «элемент». Элемент понимается как неразложимый компонент системы при определенном, заданном способе ее рассмотрения. Если меняется угол зрения, то явления или события, которые рассматривались в качестве элемента системы, сами могут становиться системами. Например, элементами системы «газ» выступают молекулы газа. Однако сами молекулы в свою очередь могут рассматриваться в качестве систем, элементами которых являются атомы. Атом – тоже система, однако принципиально другого уровня, чем газ и, т. д. Элементами системы признаются только те предметы, явления или процессы, которые участвуют в формировании ее свойств. Комплекс элементов системы может складываться в подсистемы разного уровня, которые выполняют частные программы и представляют собой промежуточные звенья между элементами и системой.

По характеру связей между элементами все системы делятся на суммативные и целостные. В суммативных системах связь между элементами выражена слабо, они автономны по отношению друг к другу и системе в целом. Качество такого образования равно сумме качеств составляющих его элементов. Примерами суммативной системы являются груда камней, куча песка и т. п. Несмотря на высокую степень автономности элементов, образования, аналогичные груде камней, все же рассматриваются как системы, поскольку могут сохранять устойчивость длительное время и существовать в качестве самостоятельных совокупностей. Кроме того, существует предел количественных изменений таких систем, превышение которого приводит к изменению их качества. У суммативных систем есть собственная программа существования, которая выражается в структурности (о понятии структурности мы скажем ниже).

В целостных системах четко выражена зависимость их возникновения и функционирования от составляющих элементов, и наоборот. Каждый элемент такой системы в своем возникновении, развитии и функционировании зависит от всей целостности, и, в свою очередь, система зависит от каждого из своих элементов. Внутренние связи в целостно-стях стабильнее внешних, а качество системы не сводится к сумме составляющих ее элементов. Примером целостной системы являются живой организм или общество. Под действием определенных факторов суммативные системы могут преобразовываться в целостные, и наоборот.

Помимо типологии систем в зависимости от характера связи между элементами, системы различают по типу их взаимодействия с окружающей средой. В этом случае выделяют открытые и закрытые (замкнутые) системы. В закрытых системах не происходит обмена энергией и веществом с внешним миром. Такие системы стремятся к равновесному состоянию, максимальная степень которого – неупорядоченность и хаос. Открытые системы,напротив, обмениваются энергией и веществом с внешним миром. В таких системах при определенных условиях из хаоса могут самопроизвольно возникать новые упорядоченные структуры, а система в целом повышает уровень своей структурной организации (7.2).

Структурность выражается в упорядоченности существования материи и ее конкретных форм и предполагает внутреннюю расчлененность материи. Структура определяется как совокупность устойчивых, закономерных связей и отношений между элементами системы, обеспечивающих сохранение ее основных свойств. Современные представления о структурированности Вселенной касаются мега-, макро– и микромира: и Метагалактика, и известный нам макромир, и микрочастица структурированы. Переход от одной области действительности к другой связан с изменением числа факторов, обеспечивающих упорядоченность, и трансформацией самих структур. Единство организованности (упорядоченности) – системности – и внутренней расчлененности – структурности – определяет существование мира как системы систем: систем обьектов, систем свойств или отношений и т. п.

Элементами структуры микромира выступают микрочастицы. На данный момент известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик.

Масса элементарной частицыг – это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона. Частицы с нулевой массой покоя движутся со скоростью света (фотон). По массе элементарные частицы делятся на тяжелые (барионы), промежуточные (мезоны) и легкие (лептоны).

Заряд элементарной частицыг всегда кратен заряду электрона (-1), который рассматривается в качестве единицы. Существуют, однако, элементарные частицы, которые не имеют заряда, например фотон.

Спин элементарной частицыг – это собственный момент импульса частицы. В зависимости от спина частицы делятся на две группы: с целым спином (0, 1, 2) – бозоны, с полуцелым спином (1/2 и др.) – фермионы.

Время жизни элементарной частицыг определяет ее стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно. Нестабильные частицы живут несколько микросекунд, стабильные не распадаются длительное время. Нестабильные частицы распадаются в результате сильного и слабого взаимодействия. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. При этом нейтрон стабилен только в ядре, в свободном состоянии он также распадается. Сейчас высказываются предположения о возможной нестабильности протона (3.5). Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействия, иначе их называютрезонансныгми. Резонансные частицы были открыты в начале 60-х гг. XX в. Время жизни резонансов – порядка 10–22 с.

Все многообразие элементарных частиц можно разделить на три группы: частицы, участвующие в сильном взаимодействии, – адроныг, частицы, не участвующие в сильном взаимодействии, – лептоныг, и частицыг – переносчики взаимодействий.

К адронам относятся нейтроны, протоны, барионы, мезоны . Адроны участвуют в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии.

К лептонам относятся электроны, нейтрино, мюоны, may-лептоныг, а также электронныге нейтрино, моюнныге нейтрино, may-нейтрино. Заряженные лептоны участвуют в электромагнитном и слабом взаимодействии, нейтральные – только в слабом.

Частицы – переносчики взаимодействий непосредственно обеспечивают взаимодействия. К ним относятся фотоны – переносчики электромагнитного взаимодействия, глю-оны – переносчики сильного взаимодействия, бозоны – переносчики слабого взаимодействия. Высказывается предположение о существовании гравитонов – частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие.

Все перечисленные частицы различаются по заряду, массе, спину, времени жизни и другим физическим характеристикам. Однако внутри одного типа элементарные частицы совершенно идентичны, лишены индивидуальности: все электроны тождественны друг другу, все фотоны тождественны друг другу и т. п.

В 1936 г. П. Дирак предположил, что каждой частице соответствует античастица, отличающаяся от нее только знаком заряда. В 1936 г. б^1л открыт позитрон – античастица электрона, в 1955 г. – антипротон, в 1956 г. – антинейтрон. Сейчас уже не вызывает сомнения, что каждая частица имеет своего «двойника» – античастицу, совершенно идентичную по всем физическим характеристикам, кроме заряда. В 70-80-е гг. XX в. в физике появилось множество теорий антивещества и антиматерии. Наиболее сложной формой антивещества, полученной в лабораторных условиях, являются антиядра трития, гелия. Эксперименты по получению антивещества были выполнены на серпуховском ускорителе в 1970–1974 гг. В 1998 г. получены первые атомы антиводорода.

К середине 1960-х гг. число известных адронов превысило сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельный уровень материи. В 1964 г. была создана теория строения адронов, или теория кварков. Ее авторы – физики М. Гелл-Манн и Д. Цвейг. Слово «кварк» позаимствовано М. Гелл-Маном из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого слышались слова о трех кварках. Слово «кварк» не имеет прямого смыслового значения. Кварки – это гипотетические материальные обьекты, их экспериментальное наблюдение пока невозможно, однако теоретические положения кварковой гипотезы оказались плодотворными, а теория в целом эвристичной. Кварковая теория позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.

Основные положения теории кварков заключаются в следующем. Адроны состоят из более мелких частиц – кварков. Кварки представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков – дробный заряд. Кварки различаются спином, ароматом и цветом. Аромат кварка не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально (аромат цветов, духов и т. п.), это его особая физическая характеристика. Для того чтобы учесть все известные адроны, необходимо было предположить существование шести видов кварков, различающихся ароматом: u (up – верхний), d (down – нижний), s (strange – странный), c (charm – очарование), b (beauty – прелесть) и t (top – верхний). Существует устойчивое мнение, что кварков не должно быть больше.

Считается, что каждый кварк имеет один из трех возможных цветов, которые выбраны произвольно: красный, зеленый, синий. Понятно, что цвет кварка не имеет никакого отношения к обычному оптическому цвету в макромире, цвет кварка, как и аромат, – условное название для определенной физической характеристики. Гипотеза о существовании цвета у кварков впервые была высказана в 1965 г. независимо Н. Боголюбовым, Б. Струминским, А. Тавхелидзе и М. Ханом, Й. Намбу. Впоследствии она получила значительное число экспериментальных подтверждений.

Каждому кварку соответствует антикварк с противоположным цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний). Кварки соединяются тройками, образуя барионы (нейтрон, протон), или парами, образуя мезоны. Антикварки, соединясь тройками, соответственно, образуют антибарионы. Мезон состоит из кварка и антикварка. Суммарный цвет объединившихся кварков или антикварков, независимо от того, объединены три кварка (барионы), три антикварка (антибарионы) или кварк и антикварк (мезоны), должен быть белым или бесцветным. Белый цвет дает сумма красного, зеленого, синего или красного – антикрасного, синего – антисинего и т. п. Таким образом, можно говорить о цветовой симметрии в микромире.

Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые как бы «склеивают» кварки между собой. Глюоны также имеют цвета, но в отличие от кварков их цвета смешанные, например красный – антисиний и т. п., т. е. глюон состоит из цвета и антицвета. Испускание или поглощение глюона меняет цвет кварка, но сохраняет аромат. Известно восемь типов глюонов. Предполагается, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. В электромагнитном взаимодействии кварки не меняют свой цвет и аромат. В слабых взаимодействиях – меняют аромат, но сохраняют цвет.

Теория кварков позволяет предложить стройную и гармоничную модель строения атома. Согласно этой модели атом состоит из тяжелого ядра (протоны и нейтроны, связанные глюонными полями) и электронной оболочки. Протон состоит из двух t-кварков и одного d-кварка. Нейтрон состоит из одного t-кварка и двух d-кварков. Сейчас теория кварков продолжает развиваться и уточняться, поэтому ее нельзя считать окончательно сформированной.