Частица материи в квантовой физике. Как квантовая физика меняет мир
К наиболее важным фундаментальным концепциям физического описания природы относятся пространство, время, движение и материя .
В современной физической картине мира окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, зависимость их от материи . Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном пространственно-временном континууме.
Меняется представление о движении , которое становится лишь частным случаем физического взаимодействия. Известно четыре вида фундаментальных физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Они описываются на основе принципа близкодействия, взаимодействия, передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме (300 000 км/с).
1. Корпускулярно – волновой дуализм материи. Квантово-полевая картина мира. Материя – это философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них – это философское определение материи.
В классическом естествознании различают два вида материи: вещество и поле. По современным представлениям признано существование еще одного вида материи – физический вакуум.
В классической механике Ньютона в качестве вещественных образований выступает материальная частица малых размеров – корпускула, часто называемая материальной точкой и физическое тело, как единая система корпускул, каким-то образом связанных между собой. Конкретные формы этих вещественных образований по классическим представлениям – песчинка, камень, вода и т.п.
В девятнадцатом веке с появлением представлений об электромагнитном поле началось новая эра в естествознании.
Датский физик Эрстед (1777 – 1851) и французский физик Ампер (1775 – 1836) показали на опыте, что проводник с электрическим током порождает эффект отклонения магнитной стрелки. Эрстед предположил, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое является вихревым. Ампер заметил, что магнитные явления происходят тогда, когда по электрической цепи течет ток. Появилась новая наука – электродинамика.
Английский физик Фарадей (1791 – 1867) открыл явление электромагнитной индукции – возникновение тока в проводнике вблизи движущегося магнита.
Основываясь на открытиях Фарадея в области электромагнетизма, английский математик и физик Максвелл (1831 – 1879) вводит понятие электромагнитного поля.
Согласно теории Максвелла, каждая заряженная частичка окружена полем – невидимым ореолом, оказывающим воздействие на другие заряженные частицы, находящиеся поблизости, т.е. поле одной заряженной частицы действует на другие заряженные частицы с некоторой силой.
Теория электромагнитного поля ввела новое представление, что электромагнитное поле реальность, материальный носитель взаимодействия. Мир постепенно стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электрического поля.
2. Квантовая механика. На исходе третьего десятилетия ХХ века классическая физика пришла к затруднениям в описании явлений микромира. Появилась необходимость разработки новых методов исследования. Возникает новая механика – квантовая теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц.
В 1901 г. немецкий физик Макс Планк (1858 – 1947) при исследовании теплового излучения пришел к выводу, что в процессах излучения энергия излучается или поглощается не непрерывно, а лишь малыми порциями – квантами, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте испускаемого излучения: Е= hy, где y – частота света, h – постоянная Планка.
В 1905 г. Эйнштейн применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света.
Квантовая теория вещества и излучения получила подтверждение в экспериментах (фотоэффект), обнаруживших, что при облучении твердых тел светом, из них выбиваются электроны. Фотон ударяется об атом и выбивает из него электрон.
Эйнштейн объяснил этот так называемый фотоэффект на основе квантовой теории, доказав, что энергия, необходимая для освобождеия электрона зависит от частоты света. (светового кванта), поглощаемого веществом.
Было доказано, что свет в опытах по дифракции и интерференции проявляет волновые свойства, а в экспериментах по фотоэффекту - корпускулярные, т.е. может вести себя и как частица и как волна, значит обладает дуализмом.
Представления Эйнштейна о квантах света привели к идее о «волнах материи», это послужило основой развития теории корпускулярно-волнового дуализма материи.
В 1924 г. французский физик Луи де Бройль (1892- 1987) пришел к выводу, что сочетание волновых и корпускулярных свойств является фундаментальным свойством материи. Волновые свойства присущи всем видам материи (электронам, протонам, атомам, молекулам, даже макроскопическим телам).
В 1927 г. американскими учеными Дэвисом и Джермером и независимо от них П.С. Тартаковским были обнаружены волновые свойства электронов в экспериментах по дифракции электронов на кристаллических структурах. Позже были обнаружены волновые свойства и у других микрочастиц (нейтронов, атомов, молекул). На основе системы формул волновой механики были предсказаны и открыты новые элементарные частицы.
Современная физика признала корпускулярно-волновой дуализм материи. Любой материальный объект проявляется и как частица и как волна в зависимости от условий наблюдения.
С развитием теории физического вакуума, определение материи дополняется. Современное определение материи: материя – это вещество, поле и физический вакуум.
Теория физического вакуума находится на стадии разработки, природа вакуума до конца не исследована, но известно, что ни одна материальная частица не может существовать без присутствия вакуума, это среда, в которой она существует и из которой появляется. Вакуум и вещество неразделимы.
3. Принципы современной физики. В 1925 г. швейцарский физик В. Паули (1900-1958) обосновал принцип: в любой квантовой системе (атом) 2 или более электронов не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии (на одном энергетическом уровне или на одной орбите). Принцип Паули определяет закономерности заполнения электронных оболочек атомов, периодичность их химических свойств, валентность, реакционную способность. Это фундаментальный закон природы.
В 1924 г. Н. Бор сформулировал принцип дополнительности : ни одна теория не может описать объект столь исчерпывающим образом, чтобы исключить возможность альтернативных подходов. Примером служит решение ситуации корпускулярно-волнового дуализма материи. «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».
В 1927 г. немецкий физик В. Гейзенберг сформулировал знаменитый принцип неопределенностей. Смысл, которого в том, что невозможно одновременно осуществить измерение и координаты и скорости (импульса) частицы . Никогда нельзя одновременно знать где находится частица и как быстро и в каком направлении она движется.
Соотношение неопределенностей выражает невозможность наблюдать микромир, не нарушая его. Пример: если в эксперименте нужно установить координату частицы с известной скоростью, ее необходимо осветить, т.е. направить пучок фотонов, однако фотоны сталкиваясь с частицами передадут им часть энергии и частица начнет двигаться с новой скоростью и в новом направлении. Наблюдатель-экспериментатор вмешиваясь в систему, внедряясь в нее со своими приборами, нарушает текущий порядок событий.
Основная идея квантовой механики состоит в том, что, в микромире определяющим является представление о вероятности событий. Предсказания в квантовой механике имеют вероятностный характер, невозможно точно предсказать результат эксперимента, можно рассчитать только вероятность различных исходов опыта.
С позиций физики, на микроуровне господствуют статистические закономерности , на макроуровне динамические законы . Философское осмысление принципа неопределенностей показывает, что случайность и неопределенность фундаментальное свойство природы и присуще и микромиру и макромиру – миру деятельности человека.
4. Элементарные частицы и силы в природе. Сегодня выделяют 4 уровня организации микромира: молекулярный, атомный, протонный (нуклонный) и кварковый.
Элементарными называют такие частицы, которые на современном уровне развития науки нельзя считать соединением других, более простых.
Различают реальные частицы – их можно фиксировать с помощью приборов и виртуальные – возможные, о существовании которых можно судить лишь опосредованно.
Аристотель считал вещество непрерывным, то есть любой кусок вещества можно дробить до бесконечности. Демокрит считал, что материя имеет зернистую структуру, и что все в мире состоит из различных атомов, которые абсолютно неделимы.
Крушение существовавших до конца 19 века представлений об абсолютной неделимости атома началось с открытия в 1897 г. английским физиком Дж. Томсоном простейшей элементарной частицы материи – электрона , которые вылетали из атома. В 1911 г. английский физик Эрнст Резерфорд доказал, что атомы вещества обладают внутренней структурой: они состоят из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов.
Сначала предполагали, что ядро атома состоит из положительно заряженных частиц, которые назвали протонами . В 1932 г. Джеймс Чэдвиг обнаружил, что в ядре есть еще другие частицы – нейтроны , масса которых равна массе протона, но которые не заряжены.
В 1928 г. физиком–теоретиком П. Дираком была предложена волновая теория электрона, основанная на его корпускулярно-волновой природе. Согласно корпускулярно-волновой теории, частицы могут вести себя подобно волне. Одна из посылок этой теории заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как электрон , но с положительным зарядом. Такая частица была обнаружена и была названа позитроном . Из теории Дирака также следовало, что позитрон и электрон, взаимодействуя между собой (реакция аннигиляции ), образуют пару фотонов , т.е. квантов электро-магнитного излучения. Позитрон и электрон двигаются по одной орбитали. Сталкиваясь, они превращаются в кванты излучения.
В 60-х годах ХХ века протоны и нейтроны считались элементарными частицами. Но оказалось, что протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц. В 1964 г. американские ученые М. Гелл-Манн и Д. Цвейг независимо друг от друга выдвинули сходную гипотезу существования «субчастиц». Гелл-Манн назвал их кварками . Название взял из стихотворной строки (Джойс «Поминки по Финегану»).
Известно несколько разновидностей кварков; предполагают, что существует шесть ароматов, которым отвечают: верхний (u ), нижний (d ), странный, очарованный, прекрасный, t - кв … Кварк каждого аромата может иметь один из трех цветов – красный, желтый и синий, хотя это всего лишь обозначение.
Кварки отличаются друг от друга по величине заряда и по квантовым характеристикам. Например, нейтрон и протон составляются каждый из трех кварков: протон – из uud , с зарядом +2/3 +2/3 -1/3 = 1;
нейтрон – из udd , с зарядом +2/3 -1/3 -1/3 = 0.
Каждый кварк по закону симметрии имеет антикварк.
Квантовой характеристикой является спин: S = 0; S= 1; S = 2; S = ½.. Спин очень важная квантовая характеристика элементарной частицы, не менее важная, чем заряд или масса.
В 2008 г. в Европе совместными усилиями физиков многих стран построен андронный колайдер, в результате действий которого, возможно получение сведений об «исходных кирпичиках», из которых построено вещество в природе.
5. Фундаментальные физические взаимодействия. В первой половине ХХ века физика изучала материю в двух ее проявлениях – вещество и поле. Причем кванты полей и частицы вещества подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом.
Частицы вещества являются ферми -частицами (фермионами ). Все фермионы имеют полуцелое значение спина – ½. Для частиц с полуцелым значением спина справедлив принцип Паули, согласно которому, две тождественные частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.
Все кванты полей являются бозе-частицами (бозонами). Это частицы с целым значением спина. Системы тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна. Принцип Паули для них не справедлив: в одном состоянии может находиться любое число частиц. Бозе- и ферми- частицы рассматриваются как частицы, имеющие различную природу.
По современным представлениям, взаимодействие любого типа без посредника не протекает, оно должно иметь своего физического агента. Притяжение или отталкивание частиц передается через среду, их разделяющую, такой средой является вакуум. Скорость передачи взаимодействия ограничена фундаментальным пределом – скоростью света.
В квантовой механике предполагается, что все силы или взаимодействия между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0, 1, 2 (бозе-частицами, бозонами). Это происходит следующим образом, частица вещества (фермион), например электрон или кварк испускает другую частицу, которая является переносчиком взаимодействия, например, фотон. В результате отдачи скорость частицы вещества (фермиона) меняется. Частица переносчик (бозон) налетает на другую частицу вещества (фермион) и поглощается ею. Это соударение меняет скорость второй частицы.
Частицы-переносчики (бозоны), которыми обмениваются частицы вещества (фермионы) называются виртуальными, потому что в отличие от реальных их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора частиц, так как они существуют очень короткое время.
Итак, вокруг частицы вещества (фермиона) создается поле, порождающее частицы – бозоны. Две реальные частицы оказавшись в радиусе действия однотипных зарядов начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный другой частицей-партнером и наоборот.
Частицы переносчики можно классифицировать на 4 типа в зависимости от величины переносимого взаимодействия и от того с какими частицами они взаимодействовали. Таким образом, в природе существуют четыре вида взаимодействия.
Гравитационная сила.
Это самое слабое из всех взаимодействий. В макромире оно проявляет себя тем сильнее, чем больше массы взаимодействующих тел, а в микромире оно теряется на фоне более могучих сил.
В квантово-механическом подходе к гравитационному полю, считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами материи переносится частицей со спином 2 , которая называется гравитоном . Гравитон не обладает собственной массой и переносимая им сила является дальнодействующей.
Электромагнитные силы .
Действуют между электрически заряженными частицами. Благодаря электромагнитным силам возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой электромагнитные взаимодействия.
Согласно квантовой электродинамике, заряд создает поле, квантом которого служит безмассовый бозон со спином равным 1 - фотон. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон.
Электормагнитные силы гораздо сильнее гравитационных. Эти силы могут проявляться и как притяжение и как отталкивание, в отличие от гравитационных, которые проявляются только как притяжение.
Слабое взаимодействие .
Это третье фундаментальное взаимодействие существует только в микромире. Оно отвечает за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества со спином ½, но в нем не участвуют частицы-бозоны со спином 0, 1, 2 – фотоны и гравитоны.
Радиоактивный распад вызывается превращением внутри нейтрона кварка аромата d в кварк аромата u, (протон превращается в нейтрон, позитрон в нейтрино), меняется заряд частиц. Испускаемое нейтрино обладает огромной проницающей способностью – оно проходит через железную плиту толщиной миллиард километров. За счет слабого взаимодействия светит Солнце.
Сильное взаимодействие.
Сильные взаимодействия представляют собой взаимное притяжение составных частей ядра атома. Они удерживают кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри ядра. Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать теплоту и свет за счет ядерной энергии.
Сильное взаимодействие проявляется в ядерных силах. Они были открыты Э. Резерфордом в 1911 г. одновременно с открытием атомного ядра. Согласно гипотезе Юкавы, сильные взаимодействия состоят в испускании промежуточной частицы – пи-мезона – переносчика ядерных сил, а также другие мезоны, найденные позже (масса мезонов в 6 раз меньше массы нуклонов). Нуклоны (протоны и нейтроны) окружены облаками мезонов. Нуклоны могут приходить в возбужденные состояния – барионные резонансы, и обмениваться при этом иными частицами (мезонами).
Мечтой современных физиков является построить теорию большого объединения , которая объединяла бы все четыре взаимодействия.
Сегодня физики считают, что они могут создать эту теорию на основе теории суперструн. Эта теория должна объединить все фундаментальные взаимодействия при сверхвысоких энергиях.
Вопросы:
Как были доказаны корпускулярные и волновые свойства вещества?
Что изучает квантовая механика и почему она так называется?
Что такое вакуум и что значит «возбужденный вакуум»?
Что такое принцип дополнительности?
Что такое принцип неопределенности?
Охарактеризовать принцип симметрии.
Как связаны принципы симметрии и законы сохранения физических величин?
Каково значение принципа суперпозиции в квантовой механике?
В чем специфика отношения прибор-объект в квантовой механике?
Дать определение материи по современным представлениям.
Чем вещество отличается от поля?
Из чего состоят протоны и нейтроны?
Какие фундаментальные взаимодействия в настоящее время объединены?
Литература:
Дубнищева Т.Я. КСЕ. 2003. – С. 238-261. С. 265-309.
Горелов А.А. КСЕ. – 2004. – С. 79-94
Игнатова В.А. Естествознание. 2002. – С.110-125..
Гейзенберг В. Шаги за горизонт. – М. – 1987.
Ландау Л.Д. и др. Курс общей физики. – М: Наука, 1969. – С.195-214.
Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. М. – 1995.
Линднер Г. Картины современной физики. – М. – 1977.
СОВРЕМЕННАЯ ХИМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
Наверняка Вы много раз слышали о необъяснимых тайнах квантовой физики и квантовой механики . Её законы завораживают мистикой, и даже сами физики признаются, что до конца не понимают их. С одной стороны, любопытно понять эти законы, но с другой стороны, нет времени читать многотомные и сложные книги по физике. Я очень понимаю Вас, потому что тоже люблю познание и поиск истины, но времени на все книги катастрофически не хватает. Вы не одиноки, очень многие любознательные люди набирают в поисковой строке: «квантовая физика для чайников, квантовая механика для чайников, квантовая физика для начинающих, квантовая механика для начинающих, основы квантовой физики, основы квантовой механики, квантовая физика для детей, что такое квантовая механика». Именно для Вас эта публикация .
Вам станут понятны основные понятия и парадоксы квантовой физики. Из статьи Вы узнаете:
- Что такое квантовая физика и квантовая механика?
- Что такое интерференция?
- Что такое квантовая запутанность (или Квантовая телепортация для чайников)? (см. статью )
- Что такое мысленный эксперимент «Кот Шредингера»? (см. статью )
Квантовая механика — это часть квантовой физики.
Почему же так сложно понять эти науки? Ответ прост: квантовая физика и квантовая механика (часть квантовой физики) изучают законы микромира. И законы эти абсолютно отличаются от законов нашего макромира. Поэтому нам трудно представить то, что происходит с электронами и фотонами в микромире.
Пример отличия законов макро- и микромиров : в нашем макромире, если Вы положите шар в одну из 2-х коробок, то в одной из них будет пусто, а в другой - шар. Но в микромире (если вместо шара - атом), атом может находиться одновременно в двух коробках. Это многократно подтверждено экспериментально. Не правда ли, трудно это вместить в голове? Но с фактами не поспоришь.
Ещё один пример. Вы сфотографировали быстро мчащуюся красную спортивную машину и на фото увидели размытую горизонтальную полосу, как будто-машина в момент фото находилась с нескольких точках пространства. Несмотря на то, что Вы видите на фото, Вы всё равно уверены, что машина в ту секунду, когда Вы ёё фотографировали находилась в одном конкретном месте в пространстве . В микро же мире всё не так. Электрон, который вращается вокруг ядра атома, на самом деле не вращается, а находится одновременно во всех точках сферы вокруг ядра атома. Наподобие намотанного неплотно клубка пушистой шерсти. Это понятие в физике называется «электронным облаком» .
Небольшой экскурс в историю. Впервые о квантовом мире учёные задумались, когда в 1900 году немецкий физик Макс Планк попытался выяснить, почему при нагревании металлы меняют цвет. Именно он ввёл понятие кванта. До этого учёные думали, что свет распространяется непрерывно. Первым, кто серьёзно воспринял открытие Планка, был никому тогда неизвестный Альберт Энштейн. Он понял, что свет – это не только волна. Иногда он ведёт себя, как частица. Энштейн получил Нобелевскую премию за своё открытие, что свет излучается порциями, квантами. Квант света называется фотоном (фотон, Википедия ) .
Для того, чтобы легче было понять законы квантовой физики и механики (Википедия) , надо в некотором смысле абстрагироваться от привычных нам законов классической физики. И представить, что Вы занырнули, как Алиса, в кроличью нору, в Страну чудес.
А вот и мультик для детей и взрослых. Рассказывает о фундаментальном эксперименте квантовой механики с 2-мя щелями и наблюдателем. Длится всего 5 минут. Посмотрите его перед тем, как мы углубимся в основные вопросы и понятия квантовой физики.
Квантовая физика для чайников видео . В мультике обратите внимание на «глаз» наблюдателя. Он стал серьёзной загадкой для учёных-физиков.
Что такое интерференция?
В начале мультика было показано на примере жидкости, как ведут себя волны – на экране за пластиной со щелями появляются чередующиеся тёмные и светлые вертикальные полосы. А в случае, когда в пластину «стреляют» дискретными частицами (например, камушками), то они пролетают сквозь 2 щели и попадают на экран прямо напротив щелей. И «рисуют» на экране только 2 вертикальные полосы.
Интерференция света – это «волновое» поведение света, когда на экране отображается много чередующихся ярких и тёмных вертикальных полос. Еще эти вертикальные полосы называются интерференционной картиной .
В нашем макромире мы часто наблюдаем, что свет ведёт себя, как волна. Если поставить руку напротив свечи, то на стене будет не чёткая тень от руки, а с расплывающимися контурами.
Итак, не так уж всё и сложно! Нам сейчас вполне понятно, что свет имеет волновую природу и если 2 щели освещать светом, то на экране за ними мы увидим интерференционную картину. Теперь рассмотрим 2-й эксперимент. Это знаменитый эксперимент Штерна-Герлаха (который провели в 20-х годах прошлого века).
В установку, описанную в мультике, не светом светили, а «стреляли» электронами (как отдельными частицами). Тогда, в начале прошлого века, физики всего мира считали, что электроны – это элементарные частицы материи и должны иметь не волновую природу, а такую же, как камушки. Ведь электроны – это элементарные частицы материи, правильно? То есть, если ими «бросать» в 2 щели, как камушками, то на экране за прорезями мы должны увидеть 2 вертикальные полоски.
Но… Результат был ошеломляющий. Учёные увидели интерференционную картину – много вертикальных полосок. То есть электроны, как и свет тоже могут иметь волновую природу, могут интерферировать. А с другой стороны стало понятно, что свет не только волна, но немного и частица — фотон (из исторической справки в начале статьи мы узнали, что за это открытие Энштейн получил Нобелевскую премию).
Может помните, в школе нам рассказывали на физике про «корпускулярно-волновой дуализм» ? Он означает, что когда речь идет об очень маленьких частицах (атомах, электронах) микромира, то они одновременно и волны, и частицы
Это сегодня мы с Вами такие умные и понимаем, что 2 выше описанных эксперимента – стрельба электронами и освещение щелей светом – суть одно и тоже. Потому что мы стреляем по прорезям квантовыми частицами. Сейчас мы знаем, что и свет, и электроны имеют квантовую природу, являются и волнами, и частицами одновременно. А в начале 20-го века результаты этого эксперимента были сенсацией.
Внимание! Теперь перейдём к более тонкому вопросу.
Мы светим на наши щели потоком фотонов (электронов) – и видим за щелями на экране интерференционную картину (вертикальные полоски). Это ясно. Но нам интересно увидеть, как пролетает каждый из электронов в прорези.
Предположительно, один электрон летит в левую прорезь, другой – в правую. Но тогда должны на экране появиться 2 вертикальные полоски прямо напротив прорезей. Почему же получается интерференционная картина? Может электроны как-то взаимодействуют между собой уже на экране после пролёта через щели. И в результате получается такая волновая картина. Как нам за этим проследить?
Будем бросать электроны не пучком, а по одному. Бросим, подождём, бросим следующий. Теперь, когда электрон летит один, он уже не сможет взаимодействовать на экране с другими электронами. Будем регистрировать на экране каждый электрон после броска. Один-два конечно не «нарисуют» нам понятной картины. Но когда по одному отправим в прорези их много, то заметим…о ужас – они опять «нарисовали» интерференционную волновую картину!
Начинаем медленно сходить с ума. Ведь мы ожидали, что будет 2 вертикальные полоски напротив щелей! Получается, что когда мы бросали фотоны по одному, каждый из них проходил, как бы через 2 щели одновременно и интерферировал сам с собой. Фантастика! Вернёмся к пояснению этого феномена в следующем разделе.
Что такое спин и суперпозиция?
Мы теперь знаем, что такое интерференция. Это волновое поведение микро частиц – фотонов, электронов, других микро частиц (давайте для простоты с этого момента называть их фотонами).
В результате эксперимента, когда мы бросали в 2 щели по 1 фотону, мы поняли, что он пролетает как будто через две щели одновременно. Иначе как объяснить интерференционную картину на экране?
Но как представить картину, что фотон пролетает сквозь две щели одновременно? Есть 2 варианта.
- 1-й вариант: фотон, как волна (как вода) «проплывает» сквозь 2 щели одновременно
- 2-й вариант: фотон, как частица, летит одновременно по 2-м траекториям (даже не по двум, а по всем сразу)
В принципе, эти утверждения равносильны. Мы пришли к «интегралу по траекториям». Это формулировка квантовой механики от Ричарда Фейнмана.
Кстати, именно Ричарду Фейнману принадлежит известное выражение, что уверенно можно утверждать, что квантовую механику не понимает никто
Но это его выражение работало в начале века. Но мы то теперь умные и знаем, что фотон может вести себя и как частица, и как волна. Что он может каким-то непонятным для нас способом пролетать одновременно через 2 щели. Поэтому нам легко будет понять следующее важное утверждение квантовой механики:
Строго говоря, квантовая механика говорит нам, что такое поведение фотона – правило, а не исключение. Любая квантовая частица находится, как правило, в нескольких состояниях или в нескольких точках пространства одновременно .
Объекты макромира могут находится только в одном определенном месте и в одном определенном состоянии. Но квантовая частица существует по своим законам. И ей и дела нет до того, что мы их не понимаем. На этом — точка.
Нам остаётся просто признать, как аксиому, что «суперпозиция» квантового объекта означает то, что он может находится на 2-х или более траекториях одновременно, в 2-х или более точках одновременно
То же относится и к другому параметру фотона – спину (его собственному угловому моменту). Спин — это вектор. Квантовый объект можно представить как микроскопический магнитик. Мы привыкли, что вектор магнита (спин) либо направлен вверх, либо вниз. Но электрон или фотон опять говорят нам: «Ребята, нам плевать, к чему Вы привыкли, мы можем быть в обоих состояниях спина сразу (вектор вверх, вектор вниз), точно так же, как мы можем находиться на 2-х траекториях одновременно или в 2-х точках одновременно!».
Что такое «измерение» или «коллапс волновой функции»?
Нам осталось немного — понять ещё, что такое «измерение» и что такое «коллапс волновой функции».
Волновая функция — это описание состояния квантового объекта (нашего фотона или электрона).
Предположим, у нас есть электрон, он летит себе в неопределённом состоянии, спин его направлен и вверх, и вниз одновременно . Нам надо измерить его состояние.
Измерим при помощи магнитного поля: электроны, у которых спин был направлен по направлению поля, отклонятся в одну сторону, а электроны, у которых спин направлен против поля — в другую. Ещё фотоны можно направлять в поляризационный фильтр. Если спин (поляризация) фотона +1 – он проходит через фильтр, а если -1, то нет.
Стоп! Вот тут у Вас неизбежно возникнет вопрос: до измерения ведь у электрона не было какого-то конкретного направления спина, так? Он ведь был во всех состояниях одновременно?
В этом-то и заключается фишка и сенсация квантовой механики . Пока Вы не измеряете состояние квантового объекта, он может вращаться в любую сторону (иметь любое направление вектора собственного углового момента – спина). Но в момент, когда Вы измерили его состояние, он как будто принимает решение, какой вектор спина ему принять.
Вот такой крутой этот квантовый объект – сам принимает решение о своём состоянии. И мы не можем заранее предсказать, какое решение он примет, когда влетит в магнитное поле, в котором мы его измеряем. Вероятность того, что он решит иметь вектор спина «вверх» или «вниз» – 50 на 50%. Но как только он решил – он находится в определённом состоянии с конкретным направлением спина. Причиной его решения является наше «измерение»!
Это и называется «коллапсом волновой функции» . Волновая функция до измерения была неопределённой, т.е. вектор спина электрона находился одновременно во всех направлениях, после измерения электрон зафиксировал определённое направление вектора своего спина.
Внимание! Отличный для понимания пример-ассоциация из нашего макромира:
Раскрутите на столе монетку, как юлу. Пока монетка крутиться, у нёё нет конкретного значения — орёл или решка. Но как только Вы решите «измерить» это значение и прихлопните монету рукой, вот тут-то и получите конкретное состояние монеты – орёл или решка. А теперь представьте, что это монета принимает решение, какое значение Вам «показать» – орёл или решка. Примерно также ведёт себя и электрон.
А теперь вспомните эксперимент, показанный в конце мультика. Когда фотоны пропускали через щели, они вели себя, как волна и показывали на экране интерференционную картину. А когда учёные захотели зафиксировать (измерить) момент пролёта фотонов через щель и поставили за экраном «наблюдателя», фотоны стали вести себя, не как волны, а как частицы. И «нарисовали» на экране 2 вертикальные полосы. Т.е. в момент измерения или наблюдения квантовые объекты сами выбирают, в каком состоянии им быть.
Фантастика! Не правда ли?
Но это ещё не всё. Наконец-то мы добрались до самого интересного.
Но… мне кажется, что получится перегруз информации, поэтому 2 эти понятия мы рассмотрим в отдельных постах:
- Что такое ?
- Что такое мысленный эксперимент .
А сейчас, хотите, чтобы информация разложилась по полочкам? Посмотрите документальный фильм, подготовленный Канадским институтом теоретической физики. В нём за 20 минут очень кратко и в хронологическом порядке Вам поведают о всех открытиях квантовой физики, начиная с открытия Планка в 1900 году. А затем расскажут, какие практические разработки выполняются сейчас на базе знаний по квантовой физике: от точнейших атомных часов до суперскоростных вычислений квантового компьютера. Очень рекомендую посмотреть этот фильм.
До встречи!
Желаю всем вдохновения для всех задуманных планов и проектов!
P.S.2 Пишите Ваши вопросы и мысли в комментариях. Пишите, какие ещё вопросы по квантовой физике Вам интересны?
P.S.3 Подписывайтесь на блог - форма для подписки под статьёй.
Как я уже неоднократно подчеркивал, эксперимент вообще ничего не значит, пока он не интерпретирован теорией.
(Макс Борн)
Я вспоминаю дискуссии с Бором… После окончания одной из них я отправился прогуляться в соседний парк и вновь и вновь задавал себе один и тот же вопрос: «Неужели природа столь нелепа, как представляется нам в наших атомных экспериментах?»
(Вернер Гейзенберг)
Вторым революционным событием в физике XX в. по праву можно считать создание квантовой теории. И поныне мы не можем назвать ни одного другого научного открытия, которое столь решительно изменило бы наше представление о том, что реально в физическом мире и как ведет себя природа.
При обсуждении квантовой теории мы не будем придерживаться хронологической последовательности событий и останавливаться на тех или иных математических достижениях или блестящих экспериментах. Дело в том, что используемая в квантовой теории математика далеко не элементарна; она включает в себя такие разделы, как теория дифференциальных уравнений и теория вероятностей. Изложить популярно столь высокие материи не просто. Но смею заверить читателя, что и в квантовой теории математика играет столь же важную роль и служит таким же незаменимым инструментом познания природы, как и в тех областях естествознания, о которых мы говорили раньше.
Квантовая теория занимается изучением атомной структуры материи, и до сих пор не все проблемы и даже явные противоречия в ней разрешены. Мы все еще находимся на довольно ранней стадии развития в той области науки, которую часто называют микрофизикой в противоположность макрофизике, занимающейся, как правило, изучением крупномасштабных явлений. Квантовая теория «копает» гораздо глубже того уровня, о котором нам могут что-либо рассказать наши органы чувств, например зрение или осязание, так как даже в электронный микроскоп различимы только очень большие атомы. Квантовая теория занимается изучением невидимого безмолвного мира. И хотя этот мир сам по себе неощутим, производимые им эффекты столь же реальны, как стол, стул и наше собственное тело. Возможно, наиболее близко этому миру электромагнитное излучение. Мы не воспринимаем его физически, но его воздействие известно каждому. Вспомним, к примеру, радио или телевидение.
Природа некоторых открытий квантовой теории не до конца понятна, тем не менее, они нашли практическое воплощение. Атомная бомба - реальность, и нам приходится считаться с ней гораздо больше, чем с некоторыми величайшими творениями математической мысли прошлого.
Хотя наши ощущения убеждают нас в том, что звук, свет, вода и вещество в целом непрерывны, вопрос об элементарной структуре всех явлений (например, света) и вещества уходит своими корнями в античную эпоху. Еще Левкипп (V в. до н.э.) и вслед за ним Демокрит из Абдеры (ок. 460-370 до н.э.) учили, что материя состоит из неделимых атомов. (Само слово атом происходит от греческого «атомос» - неделимый.) Демокрит считал, что существует много разновидностей атомов, отличающихся по величине, форме, твердости и порядку положения. Большие тела состоят из множества атомов, отличающихся числом и расположением, но сами атомы неделимы. И Левкипп, и Демокрит заявляли, что все чувственные восприятия - лишь видимости, порождаемые различными расположениями атомов. В то время как форму, размеры и другие перечисленные выше качества древние атомисты считали реальными физическими свойствами атомов, остальные качества, такие, как вкус, тепло и цвет, по их мнению, не присущи самим атомам, а являются результатом воздействия атомов на человека. Чувственное знание ненадежно, ибо оно зависит от ощущения субъекта.
Иных взглядов придерживался Аристотель. Согласно его учению, восходящему к Эмпедоклу (490-430 до н.э.), в основе всего лежат четыре элемента - земля, огонь, воздух и вода, свойства которых в той или иной степени присущи всем вещам. Комбинациями этих сущностей, возникающими под действием притяжения (любви) и отталкивания (ненависти), объясняются все явления в мире. В действительности древним грекам (и даже их предшественникам) были известны и другие элементы, например медь, олово и ртуть, но ни Аристотель, ни его последователи не брали их в расчет. Аристотель считал, что атомы делимы (даже бесконечно делимы), поэтому материя, по его мнению, непрерывна и мельчайших структурных частиц не существует. Взгляды Аристотеля господствовали в Европе, подавляя все иные воззрения, до XVI в.
С XVII в. и вплоть до начала XX в. признание получила теория, согласно которой атомы неделимы. Предполагалось, что атомы различных химических элементов, например водорода, кислорода, меди, золота и ртути, различны. Считалось также, что атомы одного и того же элемента одинаковы по весу, а атомы различных элементов имеют разный вес. Обычные вещества, скажем, вода, состоят из молекул, представляющих собой комбинации различных атомов. Именно эти представления были положены в основу современной химии. Первые шаги к ее созданию предпринял Роберт Бойль (1627-1691) в сочинении «Химик-скептик» (1661).
Более глубокое изложение основ химии (согласующееся со взглядами Бойля) предложил в 1803 г. Джон Дальтон (1766-1844). Основная идея Дальтона заключалась в следующем: многие законы химии можно без труда объяснить, если предположить, что каждому химическому элементу соответствуют специфические атомы. Каждое вещество состоит из определенных комбинаций различных «сортов» неделимые атомов.
К 60-м годам XIX в. было известно около шестидесяти различных типов атомов. В том же десятилетии Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) предпринял попытку классифицировать известные химические элементы, расположив их в порядке возрастание атомных весов. Он обратил внимание на то, что среди первых шестнадцати элементов химические свойства повторяются через семь элементов на восьмой. Менделеев обнаружил также, что если подмеченную им закономерность распространить на остальные элементы, расположенные в порядке возрастания атомных масс, то наблюдаемая повторяемость химических свойств наводит на мысль о необходимости оставлять в системе классификации кое-где «пустые клетки». Менделеев счел вполне обоснованным предположить, что такие «клетки» принадлежат пока еще неизвестным элементам. Необходимость поиска неведомых элементов не вызывала у Менделеева ни малейших сомнений, и вскоре было действительно открыто три новых элемента (называемые ныне скандием, галлием и германием), свойства которых Менделеев предсказал заранее, опираясь на установленную им систему периодичности химических свойств. Дальнейшие исследования внесли некоторые изменения в периодическую систему Менделеева, но открытая им последовательность элементов и поныне составляет основу современной периодической системы. Хотя Менделеев понимал, что не располагает физическим объяснением выявленной им закономерности в свойствах химических элементов, он всячески отстаивал важность использования закона периодичности для поиска новых элементов, определения их атомных масс и предсказания химических свойств, в частности способности образовывать соединения с другими элементами.
Элементы, как известные ранее, так и предсказанные Менделеевым и обнаруженные впоследствии другими исследователями, расположены в порядке возрастания сложности строения их атомов и соответственно перенумерованы. Например, водород значится в периодической системе под номером 1. Под номером 2 стоит гелий, и так далее до элемента с номером 103 - лоуренсия. Атомные массы элементов показывают, во сколько раз атом данного элемента «тяжелее» атома водорода. Атомная масса водорода принята за 1, атомная масса гелия равна 4 и так далее до атомной массы лоуренсия, равного 257.
Хотя спор о неделимости атомов продолжался до начала XX в., большинство естествоиспытателей склонялись к мнению, что атомы неделимы и являются мельчайшими составными частями материи. В 1907 г. Кельвин заявил, что атом неразрушим. Однако некоторые замечательные открытия ниспровергли утвердившееся было мнение о неделимости атома. В 70-х годах XIX в. становилось все более очевидным, что атом, возможно, состоит из каких-то более мелких частиц. В 1897 г. Джозеф Джон Томсон (1856-1940) экспериментально доказал, что атом действительно состоит из частиц, и, в частности, с высокой точностью измерил электрический заряд и массу очень легких заряженных частиц, получивших название «электрон». В 1900 г. Хендрик Антон Лоренц подтвердил существование таких отрицательно заряженных частиц. Масса электрона оказалась равной примерно 10 ? 27 г (точнее 0,91 10 ? 27 г), что почти в 2000 раз меньше массы самого легкого из атомов - водорода. Заряд электрона также невообразимо мал: около 4,80325 10 ?10 электростатических единиц. Примерно в 1903 г. Хантаро Нагаока в Токио предложил так называемую «модель Сатурна», согласно которой расположенное в центре ядро было окружено вращающимися вокруг него электронами. Это была первая попытка порвать с традиционным убеждением в неделимости атома.
Атомная теория в те годы выглядела весьма примитивно. Она утверждала, что все атомы состоят из протонов (заряженных положительно) и электронов. Считалось, что протоны образуют ядро атома. Вскоре стало ясно, что масса атома почти полностью сосредоточена в ядре. Самое малое из ядер - ядро атома водорода - имеет массу 1,6726 10 ?24 г. Вокруг ядра любого атома располагаются электроны, число которых равно атомному номеру.
Еще один удар по традиционной теории был нанесен в 1896 г., когда Антуан Анри Беккерель (1852-1908) совершенно случайно открыл радиоактивность. Изучением этого явления занялись супруги Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934). Стало очевидно, что атом обладает гораздо более сложной структурой, чем предполагалось. О природе радиоактивности мы расскажем чуть позднее. Но вскоре стало ясно, что ядра некоторых атомов, в частности очень тяжелых атомов, обладают способностью испускать частицы и электромагнитное излучение, получившие соответственно названия альфа- и бета-частиц и гамма-излучения. Альфа-частицы - это ионизованные атомы гелия, бета-частицы - электроны, а гамма-излучение - электромагнитное излучение очень высокой частоты. Выяснилось, что при испускании альфа-частицы атом превращается в атом более легкого элемента. В ранних работах по строению атома продукты радиоактивного распада использовались для изучения частиц, составляющих атомное ядро.
К 1910 г. Эрнест Резерфорд (1871-1937), экспериментировавший с радиоактивными атомами, пришел к мысли, что атом по своему строению напоминает Солнечную систему, в которой вокруг расположенного в центре Солнца обращаются планеты. В модели атома Резерфорда вокруг расположенного в центре ядра по различным орбитам двигались электроны. Резерфорд был абсолютно уверен в том, что объем ядра не превышает «одной миллионной от одной миллионной» (т.е. 10 ?12) объема атома. Например, в атоме золота (атомный номер 79) вокруг ядра движется 79 электронов. Атомное ядро в модели Резерфорда состояло главным образом из протонов, о чем мы уже упоминали. Но для восполнения «недостающей» массы ядра Резерфорд предположил, что оно помимо протонов содержит также электрически нейтральные частицы, которые он назвал нейтронами. Ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами.
Пока Резерфорд и другие исследователи изучали атом, строили его модели, Макс Планк (1858-1947) в 1900 г. совершил необычайно важное открытие, оказавшее влияние на все последующее развитие атомной физики. Планк занимался изучением так называемого теплового излучения, или излучения абсолютно черного тела. Известно, например, что раскаленный докрасна металл излучает свет, который, как мы знаем, является одной из разновидностей электромагнитного излучения. Опираясь в основном на интуитивные физические представления, Планк выдвинул в 1900 г. гипотезу (теоретически пока не обоснованную), согласно которой излучение испускается не сплошным, непрерывным «потоком», а небольшими порциями, или квантами, энергия которых зависит от частоты излучения, испускаемого атомом. Энергия излучения, согласно Планку, определяется по формуле
E = nhv ,
где n - число испущенных квантов, которое может быть равно 0, 1, 2, …; h - постоянная, называемая ныне постоянной Планка (h = 6,626 10 ?34 Дж с = 6,686 10 ?27 эрг c ~ 10 ?26 эрг с), v - частота излучения, состоящего из квантов подобно тому, как, например, волны на воде состоят из молекул воды. Излучение, допустим, свет, кажется непрерывным, так как число образующих его квантов очень велико. Так, число квантов, испускаемых за 1 с обычной 100-ваттной электрической лампой, составляет порядка 10 20 .
Падая на поверхность металла, свет с частотой v высвобождает энергию. Из формулы Планка следует, что энергия каждого электрона, выбитого из поверхности металла, пропорциональна hv . Позднее кванты излучения стали называть фотонами. Формула Планка была гипотезой, счастливой догадкой, плодом замечательной физической интуиции. Однако Планку понадобилось произвести немало математических выкладок, чтобы изложить свои рассуждения и хотя бы в какой-то мере придать им убедительность.
Эйнштейн в своей работе по фотоэлектрическому эффекту (1905), в детали которой мы намеренно не будем входить, ибо это увело бы нас далеко в сторону, не только подтвердил формулу Планка, но и сумел найти ей применение. Свет, освещая поверхность металла, выбивает из нее электроны. Из гипотезы Планка следовало, что падающее на поверхность металла излучение состоит из квантов, каждый из которых несет энергию hv . Энергия каждого вылетевшего из металла электрона пропорциональна hv . Гипотеза квантов позволила Эйнштейну объяснить взаимодействие света и атомов, образующих поверхность металла. Выбивание электронов происходит только при достаточно высокой энергии квантов, т.е. при больших частотах, но не зависит от интенсивности света. Что же касается числа выбиваемых электронов, то оно действительно определяется интенсивностью света. Работы Планка и Эйнштейна вновь подняли проблему: из чего состоит электромагнитное излучение и, в частности, свет? Из волн или из частиц? К этой проблеме мы обратимся в дальнейшем. А пока заметим лишь то, что уже ясно из сказанного: электромагнитное излучение ведет себя и как волны, и как частицы.
Но вернемся к работам, связанным с изучением структуры атома. Модель Резерфорда не позволяла объяснить, почему электроны, обращающиеся вокруг ядра, не испускают света или энергии какого-нибудь другого вида, как того требует теория электромагнитного поля, и не падают по спирали на ядро. Нильс Хенрик Давид Бор (1885-1962) «вгляделся» в структуру атома пристальнее, чем его предшественники. Приняв за исходную планетарную модель Резерфорда, Бор на основании некоторых математических соображений постулировал, что электроны в атоме не излучают, если движутся по вполне определенным («разрешенным») орбитам подобно тому, как движутся планеты. Обращающийся вокруг атомного ядра электрон обладает энергией, а именно механической энергией, которую имеет любой объект, обращающийся вокруг центрального тела. Но стоит лишь электрону перейти с одной орбиты на другую, как он либо испускает, либо поглощает излучение. И испускание, и поглощение энергии происходят скачками. Каждый скачок представляет собой квант энергии, его величина кратна hv . При поглощении атомом излучения электрон переходит с внутренней, более близкой к ядру, орбиты на внешнюю, - более далекую от ядра. При обратном переходе, напротив, атом излучает кванты, или фотоны.
Теория Бора объясняла далеко не все результаты, касающиеся частот испускаемого атомами излучения, поэтому работа по выяснению структуры атома продолжалась.
До сих пор речь шла о квантах, или фотонах, т.е. о «частицах» электромагнитного излучения. В 1922 г. на сцене появился Луи Виктор де Бройль (1892-1987); он высказал идею, которая стала центральной в разделе физики, получившем название «волновая механика». Зная о корпускулярных свойствах световых волн (о фотонах), де Бройль задумался над вопросом: если световые волны могут вести себя и как частицы, и как волны, то почему бы аналогичным образом не вести себя частицам? Нельзя ли с любым веществом связать волны? Следовало попытаться определить частоту и скорость волн материи.
Пользуясь методами математической теории дифференциальных уравнений с частными производными, де Бройль установил, что длина волны ? к любой частицы должна быть равна постоянной Планка h , деленной на произведение массы частицы m и ее скорости v , т.е.
? = h /mv .
Произведение mv называется импульсом частицы и обычно обозначается p. Для частиц массой 1 г, движущейся со скоростью 1 см/с, длина волны де Бройля ? = 10 ?26 см, т.е. в 10 млн. раз меньше размеров атомного ядра. Следовательно, в шкале масштабов окружающего нас макроскопического мира все объекты чудовищно велики по сравнению с длинами соответствующих им волн материи, поэтому мы не наблюдаем этих волн.
Развивая идею де Бройля о том, что всем микрочастицам и, в частности, электронам соответствуют волны, Эрвин Шрёдингер (1887-1961) вывел в 1926 г. дифференциальное уравнение с частными производными для так называемой ?- функции, описывающей форму этих волн. Решая уравнение Шрёдингера, мы находим параметры волн. Его решения называются собственными, или характеристическими, функциями. Если коэффициентам, входящим в уравнение Шрёдингера, придать конкретные численные значения, то эти функции отличны от тождественного нуля только при определенных значениях некоторой постоянной. Эти значения называются собственными, или характеристическими. Дискретные значения энергии электронов в атоме оказываются собственными значениями волнового уравнения Шрёдингера и согласуются с теми величинами, которые дает теория Бора.
Следующая весьма грубая картина позволит нам хотя бы в общих чертах понять, как ведут себя волны электронов в представлении Шрёдингера. На рис. 38 показана часть волны протяженностью 2?. Если такую волну создать, проведя смычком по скрипичной струне, то она будет колебаться вверх-вниз, занимая положения, показанные сплошной и штриховой кривыми. Можно возбудить и некую последовательность волн, длины которых составляют лишь дробные части основной длины волны (например, половину и треть ее). В представлении Шрёдингера полная волна, соответствующая любому электрону, окружая ядро, может простираться на две, три и даже пять основных длин волн. В каждом случае в полной волне электрона укладывается целое число основных волн и конец последней волны совпадает с началом первой (на рис. 38 точка B должна совпадать с точкой A )
Введенная Шрёдингером ?- функция задает амплитуду волн материи, изменяющихся от точки к точке и от одного момента времени к другому. Это стоячие волны, сосредоточенные преимущественно в небольшой области пространства вблизи ядра. По мере увеличения расстояния от ядра волны постепенно затухают, но амплитуда их остается отличной от нуля в области, размеры которой совпадают с экспериментально установленными размерами соответствующего атома. Например, для атома водорода, находящегося в основном (самом нижнем) энергетическом состоянии, амплитуда волн заметно отлична от нуля только в пределах сферы диаметром около 10 ?8 см. Для любого атома решение волнового уравнения Шрёдингера позволяет получить дискретный набор волн атомных электронов, и с каждым состоянием атома оно связывает определенное значение энергии.
Подчеркнем еще раз, что волна Шрёдингера, описывающая электрон в атоме, представляет не простую волну с одной-единственной частотой, а состоит из целого набора волн с различными частотами. В этом отношении волна Шрёдингера аналогична сложным звуковым волнам, создаваемым музыкальными инструментами.
В связи с волнами де Бройля - Шрёдингера естественно напрашивается вопрос: из чего они «сделаны», или, иначе говоря, из чего они состоят? Подобный вопрос вставал перед физиками и в XIX в., когда было открыто световое и другие виды электромагнитного излучения. Сначала физики полагали, что электромагнитные волны представляют собой колебания таинственной субстанции, называемой эфиром, и придумывали различные механические модели, объясняющие действие эфира. Но со временем физики поняли несостоятельность такого рода идей и стали считать электромагнитные волны самостоятельными сущностями. Нечто похожее произошло и с волнами электронов. Первоначально Шрёдингер предположил, что эти волны действительно описывают распределение заряда электрона, т.е. что в атоме заряд и плотность электрона физически распределены в той области пространства, где амплитуда волны отлична от нуля. Но ничего подобного не наблюдалось. Наоборот, после открытия электрона выяснилось, что весь его заряд сосредоточен в небольшой области пространства и что электрон имеет корпускулярную природу.
Строго говоря, когда мы рассуждаем о возможных видах волн, соответствующих различным энергетическим состояниям электрона, то имеем в виду один электрон, не испытывающий воздействия других частиц. Если же в атоме много электронов, то они утрачивают свою «индивидуальность» и соответствующие им волны сливаются в общую волну, «одну на все электроны».
В представлении Шрёдингера электроны подобны облакам с переменной плотностью. Они трехмерны. Электронные облака образуют несколько «ярусов» вокруг ядра. Плотность каждого облака возрастает от нуля до максимума и снова убывает до нуля. Электронные облака простираются и за пределы атома, но для каждого электрона их плотность максимальна на таком расстоянии от ядра, которое предсказывается теорией Бора. Электронное облако как интерпретация абстрактного математического понятия с неизбежностью неточно. Представить себе наглядно без ущерба для точности ?- функцию Шрёдингера невозможно. Нахождение аналитических решений уравнения Шрёдингера - задача настолько трудная, что решить ее удается лишь в отдельных исключительных случаях. Тем не менее полученные решения превосходно согласуются с экспериментальными данными, а другие решения, хотя и приближенные, также достаточно хорошо соответствуют результатам экспериментов. В частности, удалось полностью решить уравнение Шрёдингера для случая атома водорода. Полученное решение позволяет ответить на любой вопрос, допускающий экспериментальную проверку.
То, что электроны при определенных условиях ведут себя как волны, было продемонстрировано в 1927 г. знаменитым экспериментом Клинтона Дж. Дэвиссона (1881-1958) и Лестера Джермера (1896-1971) и независимо Джорджем П. Томсоном (1892-1975). Все эти исследователи обнаружили дифракцию электронов (в качестве дифракционной решетки использовался кристалл) Дифракция как явление, состоит в том, что волны огибают встречающееся на пути препятствие и заходят за него в область «тени». Нечто подобное мы наблюдаем, когда волны на воде огибают корпус судна. Опыты Дэвиссона и Джермера, а также Томсона показали, что в некоторых случаях частицы ведут себя как волны. Физики окончательно убедились в том, что всем субатомным частицам соответствуют свои волны, длины которых определяются формулой де Бройля. Так, работы де Бройля и Шрёдингера выдвинули на передний план понятие корпускулярно-волнового дуализма (волна - частица), доставившее немало хлопот и физикам, и философам.
Несмотря на экспериментальное подтверждение того, что электроны при определенных условиях ведут себя как волны, далеко не все физики смирились с представлением об электронах, «размазанных» вокруг атомного ядра. Некоторые усматривали, в частности, противоречие в следующем: с одной стороны, в любой физически бесконечно малой области плотность заряда электрода должна быть бесконечно мала, а с другой - электрический заряд электрона является величиной вполне определенной. Все электрические заряды кратны заряду электрона. Руководствуясь этими соображениями и пытаясь избежать корпускулярно-волнового дуализма, Макс Борн (1882-1970) в 1926 г. предложил совершенно иную интерпретацию теории Шрёдингера: ввел ее вероятностную интерпретацию.
Теория вероятностей вошла в математику благодаря случаю, а именно в связи с задачами об азартных играх. Но в конце XIX в. Максвелл и Людвиг Больцман (1844-1906), воспользовавшись в своих исследованиях вероятностными соображениями, пришли к законам, описывающим движение газов, - к кинетической теории газов. Одна из знаменитых работ, опубликованных Эйнштейном в 1905 г., также была посвящена вероятностной задаче о так называемом броуновском движении. Вместо того чтобы рассматривать электрон как распределенный в некоем пространственном облаке, плотность которого меняется от точки к точке, Борн интерпретировал плотность как вероятность обнаружить электрон как частицу в той или иной точке пространства.
Обращаясь к ?- функции, входящей в дифференциальное уравнение Шрёдингера, Борн предложил трактовать величину ? как вероятность того, что частица находится в данном элементе пространства в данный момент времени. Следовательно, местонахождение электронов как частиц может быть указано лишь с большей или меньшей вероятностью. Например, если в некоторой области пространства |?| 2 = 0,8 , то вероятность обнаружить частицу (электрон) в ней составляет 80 шансов из 100. Вероятностная интерпретация Борна общепринята и поныне.
Такой подход позволяет точно оценивать, с какой вероятностью электрон может находиться в любом данном объеме. При подобной интерпретации электрон локализован, а не «размазан», как в волновой механике Шрёдингера. Тем не менее остается вопрос, является ли вероятностная интерпретация наилучшей из возможных или же она просто порождена неполнотой наших представлений об электроне.
Использование вероятности может показаться отчаянной попыткой спасти положение, но статистическая механика убедительно доказала ценность вероятностного подхода. Любой газ представляет собой совокупность множества хаотически движущихся молекул, однако давление газа и другие его свойства удается вычислять на основе наиболее вероятных значений, и эти параметры имеют физический смысл.
Эйнштейн, Планк и Шрёдингер выступали против вероятностной интерпретации квантовой механики. Свои возражения Эйнштейн, в частности, изложил в 1955 г., аргументируя их ссылкой на приближенный характер и неполноту квантовой теории:
Я отвергаю основную идею современной статистической квантовой теории… Я не верю, что такая фундаментальная концепция может стать надлежащей основой для всей физики в целом… Я твердо убежден, что существенно статистический характер современной квантовой теории следует приписать исключительно тому, что эта теория оперирует с неполным описанием физических систем.
((, т. 4, с. 295.))
Хотя вероятностная интерпретация квантовой теории получила широкое признание, в душе некоторых физиков робко теплилась надежда на то, что будущие исследования все же откроют возможность точного и достоверного определения положения электрона в пространстве. Но одна из принципиально новых особенностей квантовой теории как раз и состоит в неизбежности некоторого индетерминизма. Мы имеем в виду принцип неопределенности, открытый в 1927 г. Вернером Гейзенбергом (1901-1976). Грубо говоря, принцип неопределенности утверждает, что невозможно получить одновременно точную информацию и о положении, и о скорости (или импульсе) частицы. Точнее Гейзенберг показал, что произведение неопределенностей в оценке положения и импульса должно быть не менее h/2? (?x ?p ? h = h/2?). Гейзенберг был убежден в правильности сформулированного им принципа и объяснял его тем, что частицы обладают и волновыми, и корпускулярными свойствами. И положение, и импульс частицы можно измерить сколь угодно точно, но только не одновременно, а порознь - либо координату, либо импульс. Тогда же Гейзенберг высказал предположение, что при столь тонких измерениях, как квантовомеханические, становится существенным сам объект, посредством которого производится измерение, - пробная частица.
Этот источник неопределенности начинает играть важную роль потому, что при измерении положения или импульса, например, электрона в качестве пробной частицы можно использовать только либо другие электроны, либо фотоны, но и те и другие оказывают сильное воздействие на исследуемую частицу. Следовательно, в мире атома мы не можем наблюдать явления, не создавая при этом возмущения. Так как положение и скорость микрочастиц невозможно измерить одновременно сколь угодно точно, мы лишены возможности точно предсказывать их поведение. И нам не остается ничего другого, как довольствоваться вероятностными предсказаниями. Наблюдения и эксперименты классической физики здесь ничем не помогут.
Если бы постоянная Планка была достаточно велика, то квантовая неопределенность распространялась бы и на макроскопические явления. Например, мы не могли бы с уверенностью сказать, попадет ли снайпер в мишень, даже тщательно прицелившись. Но вследствие крайне малой величины постоянной Планка между квантовомеханическим миром и нашей макроскопической реальностью нет прямого соответствия. Неопределенность внутренне присуща волновой механике. Что же касается наблюдаемых макроскопических объектов, то неопределенность в определении их положения и импульса очень мала и потому практически неощутима.
Квантовомеханический принцип неопределенности подрывает классическую концепцию объективности, т.е. идею о том, что мир находится во вполне определенном состоянии независимо от наблюдения его. Квантовомеханический подход противоречит нашему повседневному опыту, свидетельствующему в пользу классической концепции объективности, согласно которой мир продолжает существовать своим путем, даже если мы не воспринимаем его. Просыпаясь утром, мы застаем мир примерно таким, каким оставили его накануне вечером. Что же касается квантовомеханической интерпретации принципа неопределенности, то она приводит к иному выводу: стоит вглядеться в мир пристальнее (на атомном уровне), как окажется, что его состояние зависит и от того, каким именно образом мы его наблюдаем и что выбираем за объект наблюдения. Классический идеал объективной реальности нуждается в пересмотре с учетом реальности, создаваемой наблюдателем.
В дальнейшем усилия ученых, занимающихся исследованием структуры атома, сосредоточились в основном на атомном ядре. Явление радиоактивности давало основания считать, что ядро атома отнюдь не является неделимой частицей. Радиоактивные атомы испускают альфа-, бета- и гамма-излучение. Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц, имеющих положительный электрический заряд, по абсолютной величине вдвое больший заряда электрона, и массу, в четыре раза превосходящую массу атома водорода. Бета-излучение - это поток бета-частиц, т.е. электронов. Наконец, гамма-излучение есть не что иное, как «жесткое» электромагнитное излучение, т.е. характеризующееся самыми высокими из известных частот. Все три вида излучения испускают ядра тяжелых атомов.
Последующие экспериментальные исследования структуры атомного ядра, производимые главным образом на ускорителях - своего рода «молотах», способных расколоть атомное ядро, - показали, что ядро действительно не является цельным, неделимым образованием, а состоит из множества различных частиц: протонов, нейтронов, пионов, состоящих в свою очередь из кварков. Сообщения об открытии новых частиц продолжают поступать и поныне: анализируя результаты экспериментов, физики приходят к выводу о существовании той или иной частицы. Многие частицы, входящие в состав атомного ядра, определенным образом связаны между собой, но для наших целей вполне достаточно того, что они существуют.
Хотя атомное ядро образуют самые различные частицы, основными «строительными блоками» всякого вещества остаются протоны и нейтроны. Из них на 99,99 % состоят наши тела. Ядра всех элементов, которые тяжелее водорода, помимо протонов содержат нейтроны.
Некоторые структурные единицы атомных ядер, как и электроны, обладают волновыми свойствами. В частности, это относится к ядрам атомов водорода и гелия. Вместе с тем при столкновениях ядра ведут себя как частицы.
Множество частиц, как входящих в состав атомного ядра, так и существующих самостоятельно, обладают еще одним удивительным свойством: они способны претерпевать превращения. Например, протон может превращаться в нейтрон с испусканием нейтрино и позитрона, обладающего такой же массой, как электрон, но имеющего положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. (Существование позитрона предсказал в 1932 г. Поль А.М. Дирак (1902-1984), руководствуясь чисто теоретическими соображениями.) Возможно и обратное превращение: нейтрон, испуская электрон и нейтрино, переходит в протон.
Квант электромагнитного поля, или фотон, - если он обладает достаточной энергией - может, взаимодействуя с электрическим полем атомного ядра, породить пару электрон - позитрон. Существует и обратный процесс, в котором электрон и позитрон при соударении исчезают (аннигилируют), образуя два фотона.
Таким образом, можно сказать, что способность претерпевать разнообразные превращения является основным свойством элементарных частиц, многие из которых нестабильны и получаются в лаборатории или образуются в космическом излучении. Протоны и электроны, насколько это известно в настоящее время, относятся к стабильным частицам, т.е. не распадаются на другие элементарные частицы. Правда, современные гипотетические модели так называемого Великого объединения предполагают, что протон претерпевает распад, но, видимо, не чаще, чем примерно раз за 10 30 лет.
Картина микромира еще более усложняется существованием античастиц. Это группа элементарных частиц, массы и ряд других физических характеристик которых имеют ту же величину, что и у их «двойников», в то же время некоторые их характеристики (например, электрический заряд) противоположны по знаку. Как уже говорилось, при столкновении электрона и позитрона образуются два и более фотонов. Столкновение протона и антипротона приводит к возникновению мезонов. Подобно тому как из частиц строится вещество, из античастиц может быть построено антивещество.
До сих пор мы ни словом не обмолвились о силах, действующих между частицами. Что удерживает протоны в ядре? Ведь, имея одноименные (положительные) заряды, они должны были бы испытывать электростатическое отталкивание. Помимо уже известных нам взаимодействий, гравитационного и электромагнитного, физики постулировали существование слабого и сильного взаимодействий; последнее и удерживает протоны и нейтроны в ядре. Разработанная в 70-е годы теория электрослабого взаимодействия указывает на единую природу электромагнитного и слабого взаимодействий (она получила убедительное экспериментальное подтверждение). Ученые ведут исследования по созданию так называемой теории Великого объединения, унифицирующей сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия.
К чему же мы пришли после многочисленных попыток создать связную картину микроскопического мира? Понятия и выводы квантовой механики ниспровергают все привычные основы. Они ставят наш «здравый смысл» перед неразрешимыми проблемами, отрицают его или по крайней мере бросают ему вызов. Прежде чем пытаться как-то «сгладить» наши первые впечатления, отметим, что к реальности, с которой имеет дело квантовая теория, следует относиться со всей серьезностью. Мы знаем, что теория атомных структур в полном ее объеме позволяет многое объяснить в строении молекул и даже в химических процессах. Однако существуют более ощутимые и наглядные реальности: атомная бомба, принцип действия которой основан на делении атомных ядер, и водородная бомба, основанная на термоядерном синтезе.
При столкновении атома урана с нейтроном, происходит деление атома урана, при этом часть его массы превращается в огромное количество энергии. При определенных условиях процесс деления может протекать как цепная реакция. На этом принципе основано действие атомной бомбы и ядерного реактора. Такого рода реальность мы уже наблюдали.
Противоположный процесс происходит при термоядерном синтезе, которым еще нужно научиться управлять. Если четыре ядра обычных атомов водорода сливаются в один атом гелия, масса которого чуть меньше учетверенной массы водорода (равна 3,97 атомной массы водорода), то огромное количество энергии выделяется в виде света и тепла. Процесс термоядерного синтеза с превращением водорода в гелий непрерывно происходит на Солнце; именно он является источником солнечной энергии. В земных условиях для термоядерного синтеза используют изотопы водорода - дейтерий и тритий, атомные массы которых соответственно в два и три раза больше массы обычного, «легкого», водорода. Осуществление термоядерного синтеза тяжелого водорода требует невероятно высоких температур.
Интересно, что еще в 1920 г. Оливер Лодж высказал поистине пророческую мысль: «Настанет время, когда атомная энергия придет на смену углю… Я надеюсь, что человеческий род начнет применять эту энергию не раньше, чем у него достанет ума использовать ее должным образом». Но Резерфорд еще в 1933 г. считал мысль об использовании атомной энергии абсурдной.
В нашем, по необходимости, беглом обзоре процессов в микромире мы, помимо прочего, отмечали, что материя в виде частиц может превращаться в излучение (волны) и наоборот, в то же время их квантовомеханическое описание исходит из того, что материя в виде частиц в определенных условиях проявляет волноподобные свойства, а излучение - частицеподобные. Но что же в таком случае представляет собой «подлинная» физическая реальность?
Так, фотон не является волной в традиционном смысле. Это волна-частица, единое образование, обладающее двойственной природой: и волны, и частицы. Аналогичным образом электрон не является частицей в традиционном смысле, это волна-частица. Как именно ведет себя фотон или электрон - как волна или как частица, - зависит исключительно от того, какой эксперимент мы производим над ними. Ни электрон, ни фотон не ведут себя только как волна или только как частица. Если мы ставим эксперимент по дифракции света, то фотон ведет себя как волна. Но если с тем же светом мы исследуем фотоэффект, то фотон ведет себя как частица. В электронных лампах или в телевизионных кинескопах электроны ведут себя как частицы. Но стоит лишь пропустить пучок электронов через кристалл, как мы получим интерференционные эффекты - такие же, как в случае световых волн. В своей книге «Физика и философия» Гейзенберг писал: «Мы наблюдаем не природу саму по себе, а природу в том виде, в каком она открывается нашему умению ставить вопросы».
Естественно спросить: есть ли в таком случае сколько-нибудь существенные различия между частицей-волной и волной-частицей? Такие различия имеются, причем их достаточно много. Наиболее фундаментальное различие опять же связано со скоростью света. В то время как волна-частица никогда не достигает скорости света (в противном случае ее масса обратилась бы в бесконечность), частица-волна, будучи световой волной, имеет скорость, в точности равную скорости света. Частица-волна фотон не может иметь отличную от нуля массу покоя (т.е. обладать массой, если фотон не движется), ибо при движении со скоростью света масса фотона была бы бесконечной. Что же касается волны-частицы, то ее масса покоя не равна нулю. Можно назвать и другие различия.
Однако в данном случае нам важно подчеркнуть тот основной вывод, к которому вплотную подводит нас современное развитие физики элементарных частиц в симбиозе с космологией, а именно, что все вещество в наблюдаемой нами Вселенной нестабильно. Атомные ядра могут превращаться в лептоны, например в электроны, позитроны, кванты электромагнитного излучения (фотоны) и т.д. В свою очередь элементарные частицы могут исчезать и возникать, превращаясь друг в друга. К этому еще следует добавить, что мы живем в расширяющейся Вселенной. Естественно возникает вопрос: а есть ли вообще в этой изменчивой картине разнообразных трансформаций нечто вечное, неизменное и стабильное? На этот счет высказываются разные мнения.
Во всяком случае субстанция, в ее традиционном понимании неуничтожимая, делимая, телесная, твердая и протяженная, исчезла из наших рук и более не существует. Мы располагаем лишь некоторой совокупностью массы и энергии. Общая сумма их сохраняется, но любое из ее слагаемых может превращаться в другое. Например, при некоторых взаимодействиях частиц (скажем их столкновения в ускорителях) рождаются новые частицы, но наряду с ними присутствуют и частицы, находившиеся в пучке с самого начала. Как такое возможно? Энергия, сообщаемая частице в ускорителе, превращается в массу. Как известно, энергия и масса связаны между собой формулой Эйнштейна E = mc 2 . Всюду, где присутствует энергия, присутствует и масса. Энергия и масса - взаимодополняющие проявления реальности, не поддающиеся наглядной интерпретации. Не всякое макроскопическое описание применимо к микроскопическим явлениям, как и не всякий вопрос, имеющий смысл в рамках ньютоновской физики, имеет разумный ответ в области атомных явлений.
Но коль скоро вся материя состоит из квантов и частиц, то почему мы не замечаем их в повседневной жизни? По той простой причине, что даже пылинка окажется горой по сравнению с любой субатомной частицей. Если бы такие частицы двигались даже с очень малой скоростью (с какой они никогда не движутся), то и тогда длина волны де Бройля была бы слишком незначительна, чтобы заметить эффекты квантования движения. Есть все основания утверждать, что когда мы выходим за рамки мира атомных явлений и приближаемся к миру обычных макроскопических явлений, квантовые понятия переходят в понятия классические. Последние действуют в мире промежуточных масштабов, или мезомасштабов, но не применимы ни к атомному, ни к космологическому мирам.
Квантовая теория с большой точностью предсказывает результаты экспериментов. Но в рамках ее адекватное понимание физических процессов пока не достигнуто. Например, квантовая теория описывает электрон математически, с помощью волновой функции. Электрон «размазан» по пространству. Его волновая функция задает вероятность, с которой электрон может быть обнаружен в любой заданной точке пространства. Но, будучи обнаружен, электрон перестает быть «размазанным»: его положение становится вполне определенным. Можно ли считать такую картину корректной? Квантовая теория правильно предсказывает положения стрелок приборов, но лежащие в основе физические явления остаются неясными. Работают математические правила, а разумная интерпретация квантового мира, как ни печально, отсутствует. По-видимому, для описания реальности нужны и волны, и частицы.
Порядок Вселенной может быть также и порядком нашего разума. Мы не просто наблюдатели реальности, мы - ее активные участники. Природа - не открытая книга, которую мы можем читать как независимые наблюдатели. Такой отказ от привычных требований физического объяснения заставил многих физиков и философов усомниться в том, что мы располагаем адекватным описанием атомных явлений. В частности, вероятностное описание, по их мнению, надлежит рассматривать как временную меру, на смену которой придет описание детерминистическое.
Не следует забывать, однако, о том, что квантовая теория возникла сравнительно недавно. Вполне возможно, что через какие-нибудь пятьдесят лет неуклюжий гибрид корпускулярной и корпускулярно-волновой теорий превратится в простую и ясную теорию. Много из того, что мы знаем о различных частицах, почерпнуто из «пунктирных следов», оставленных ими в различного рода регистрирующих устройствах. Такие следы возникают при бомбардировке частицами мишеней в ускорителях. С другой стороны, в ускорителях бомбардирующие частицы приобретают огромную энергию, и можно было бы заключить, что эта энергия превращается в массу. Можно ли считать рождающуюся таким образом массу подлинной реальностью или перед нами обманчивое ощущение, рожденное нашими ненадежными и поверхностными чувственными восприятиями? Если не вдаваться в подробности, то массу заведомо следует считать статистическим эффектом.
Как видим, понимание структуры атома имеет первостепенное значение для физики, но оно приносит поистине неоценимую пользу и химии, и биологическим исследованиям. Возможно, биохимии удастся раскрыть секреты жизни и наследственности и тем самым укрепить здоровье человека и продлить его жизнь. Как бы то ни было, можно с уверенностью сказать, что исследования природы атома оказались весьма плодотворными.
Для нас наиболее существенно было понять, что наши модели структуры атома не физические. Они от начала и до конца математические. Математика позволяет открыть и установить порядок там, где царил хаос. По словам Дирака и Гейзенберга, непротиворечивое математическое описание природы - путь к истине в физике. Необходимость наглядного представления или физического объяснения - не более чем пережиток классической физики.
В. Гейзенберг
Понятие "материи" на протяжении истории человеческого мышления неоднократно претерпевало изменения. В различных философских системах его интерпретировали по-разному. Когда мы употребляем слово "материя", то надо иметь в виду, что различные значения, которые придавались понятию "материя", пока еще в большей или меньшей степени сохранились в современной науке.
Ранняя греческая философия от Фалеса до атомистов, искавшая единое начало в бесконечном изменении всех вещей, сформулировала понятие космической материи, мировой субстанции, претерпевающей все эти изменения, из которой все единичные вещи возникают и в которую они в конце концов снова превращаются. Эта материя частично идентифицировалась с некоторым определенным веществом -- водой, воздухом или огнем, -- частично же ей не приписывали никаких других качеств, кроме качеств материала, из которого сделаны все предметы.
Позднее понятие материи играло важную роль в философии Аристотеля -- в его идеях о связи формы и материи, формы и вещества. Все, что мы наблюдаем в мире явлений, представляет собой оформленную материю. Материя, следовательно, является реальностью не сама по себе, но представляет собой только возможность, "потенцию", она существует лишь благодаря форме 13. В явлениях природы "бытие", как называет его Аристотель, переходит из возможности в действительность, в актуально свершившееся, благодаря форме. Материя у Аристотеля представляет собой не какое-либо определенное вещество, как, например, воду или воздух, не является она также и чистым пространством; она оказывается в известной степени неопределенным телесным субстратом, который содержит в себе возможность перейти благодаря форме в актуально свершившееся, в действительность. В качестве типичного примера этого соотношения между материей и формой в философии Аристотеля приводится биологическое развитие, в котором материя преобразуется в живые организмы, а также создание человеком произведения искусства. Статуя потенциально содержится в мраморе уже до того, как ее высекает скульптор.
Только значительно позднее, начиная с философии Декарта, материю как нечто первичное стали противопоставлять духу. Имеются два дополняющих друг друга аспекта мира, материя и дух, или, как выражался Декарт, "res extensa" и "res cogitans". Поскольку новые методологические принципы естествознания, особенно механики, исключали сведение телесных явлений к духовным силам, то материя могла быть рассматриваема только как особая реальность, независимая от человеческого духа и от каких-либо сверхъестественных сил. Материя в этот период представляется уже сформировавшейся материей, и процесс формирования объясняется причинной цепью механических взаимодействий. Материя уже утеряла связь с "растительной душой" аристотелевской философии, и поэтому дуализм между материей и формой в это время уже не играет никакой роли. Это представление о материи внесло, пожалуй, наибольший вклад в то, что мы ныне понимаем под словом "материя".
Наконец, в естествознании XIX столетия важную роль играл другой дуализм, а именно дуализм между материей и силой, или, как тогда говорили, между силой и веществом. На материю могут воздействовать силы, и материя может вызывать появление сил. Материя, например, порождает силу тяготения, и эта сила в свою очередь воздействует на нее. Сила и вещество являются, следовательно, двумя ясно различимыми аспектами физического мира. Поскольку силы являются также формирующими силами, это различие снова приближается к аристотелевскому различению материи и формы. С другой стороны, именно в связи с новейшим развитием современной физики, это различие силы и вещества полностью исчезает, так как всякое силовое поле содержит энергию и в этом отношении представляет собой также часть материи. Каждому силовому полю соответствует определенный вид элементарных частиц. Частицы и силовые поля -- только две различные формы проявления одной и той же реальности.
Когда естествознание изучает проблему материи, ему следует прежде всего исследовать формы материи. Бесконечное многообразие и изменчивость форм материи должны стать непосредственным объектом исследования; усилия должны быть направлены на то, чтобы найти законы природы, единые принципы, которые могли бы служить направляющей нитью в этом бесконечном поле исследований. Поэтому точное естествознание и особенно физика уже давно концентрируют свои интересы на анализе строения материи и сил, которые это строение определяют.
Со времени Галилея основным методом естествознания является эксперимент. Этот метод сделал возможным перейти от общих исследований природы к специфическим исследованиям, выделить характеристические процессы в природе, на основе которых ее законы можно изучать более непосредственно, чем в общих исследованиях. То есть при изучении строения материи необходимо произвести над ней эксперименты. Необходимо поставить материю в необычные условия, чтобы изучить ее превращения в этих обстоятельствах, надеясь познать тем самым определенные фундаментальные черты материи, которые сохраняются при всех ее видимых изменениях.
Со времени формирования естествознания нового времени это было одной из важнейших целей химии, в которой довольно рано пришли к понятию химического элемента. Субстанция, которая не могла быть разложена или расщеплена далее какими угодно средствами, имевшимися в то время в распоряжении химиков: кипячением, сжиганием, растворением, смешиванием с другими веществами, была названа "элементом". Введение этого понятия было первым и исключительно важным шагом в понимании строения материи. Многообразие имеющихся в природе веществ было тем самым сведено по крайней мере к сравнительно малому числу более простых веществ, элементов, и благодаря этому среди различных явлений химии был установлен определенный порядок. Слово "атом" поэтому и было применено к мельчайшей единице материи, которая входит в состав химического элемента, и самая маленькая частица химического соединения могла быть наглядно представлена в виде маленькой группы различных атомов. Мельчайшей частицей элемента железа оказался, например, атом железа, и наименьшая частица воды, так называемая молекула воды, оказалась состоящей из атома кислорода и двух атомов водорода.
Следующим и почти столь же важным шагом было открытие сохранения массы в химических процессах. Если, например, сжигается элемент углерода и при этом образуется двуокись углерода, то масса двуокиси углерода равна сумме масс углерода и кислорода до того, как процесс начался. Это открытие придало понятию материи прежде всего количественный смысл. Независимо от химических свойств материя могла быть измерена ее массой.
В течение следующего периода, главным образом в XIX столетии, было открыто большое число новых химических элементов. В наше время их число перешагнуло за 100. Это число, однако, совершенно ясно говорит о том, что понятие химического элемента еще не привело нас к тому пункту, исходя из которого можно было бы понять единство материи. Предположение о том, что существует очень много качественно различных видов материи, между которыми нет никаких внутренних связей, не было удовлетворительным.
К началу XIX столетия были уже найдены свидетельства в пользу наличия взаимосвязи между различными химическими элементами. Эти свидетельства заключались в том факте, что атомные веса многих элементов казались целочисленно кратными некоторой наименьшей единице, которая приблизительно соответствует атомному весу водорода. Подобие химических свойств некоторых элементов также говорило в пользу существования этой взаимосвязи. Но только благодаря применению сил, которые во много раз сильнее, чем те, которые действуют в химических процессах, можно было действительно установить связь между различными элементами и подойти ближе к пониманию единства материи.
Внимание физиков было привлечено к этим силам в связи с открытием радиоактивного распада, осуществленного Беккерелем в 1896 году. В последовавших затем исследованиях Кюри, Резерфорда и других превращение элементов в радиоактивных процессах было показано со всей очевидностью. Альфа-частицы испускались в этих процессах в виде обломков атомов с энергией, которая приблизительно в миллион раз больше, чем энергия единичной частицы в химическом процессе. Следовательно, эти частицы могли быть теперь использованы в качестве нового инструмента для исследования внутреннего строения атома. Ядерная модель атома, предложенная Резерфордом в 1911 году, явилась результатом экспериментов по рассеянию альфа-частиц. Важнейшей чертой этой известной модели было разделение атома на две совершенно различные части -- атомное ядро и окружающие атомное ядро электронные оболочки. Атомное ядро занимает в центре только исключительно малую долю всего пространства, которое занято атомом, -- радиус ядра приблизительно в сто тысяч раз меньше радиуса всего атома; но оно все-таки содержит почти всю массу атома. Его положительный электрический заряд, являющийся целочисленно кратным так называемому элементарному заряду, определяет общее число окружающих ядро электронов, ибо атом как целое должен быть электрически нейтрален; он определяет тем самым и форму электронных траекторий.
Это различие между атомным ядром и электронной оболочкой сразу дало согласованное объяснение тому факту, что в химии именно химические элементы являются последними единицами материи и что для превращения элементов друг в друга необходимы очень большие силы. Химические связи между соседними атомами объясняются взаимодействием электронных оболочек, и энергии взаимодействия при этом сравнительно малы. Электрон, ускоренный в разрядной трубке потенциалом всего в несколько вольт, обладает достаточной энергией, чтобы "разрыхлить" электронные оболочки и вызвать испускание света или разрушить химическую связь в молекуле. Но химическое поведение атома, хотя в основе его и лежит поведение электронных оболочек, определяется электрическим зарядом атомного ядра. Если хотят изменить химические свойства, нужно изменить само атомное ядро, а это требует энергий, которые примерно в миллион раз больше, чем те, которые имеют место при химических процессах.
Но ядерная модель атома, рассматриваемого как система, в которой выполняются законы ньютоновской механики, не может объяснить стабильность атома. Как было установлено в одной из предыдущих глав, только применение к этой модели квантовой теории может объяснить тот факт, что, например, атом углерода, после того как он взаимодействовал с другими атомами или излучил квант света, по-прежнему остается в конечном счете атомом углерода, с той же самой электронной оболочкой, какую он имел ранее. Эту стабильность можно просто объяснить на основе тех самых черт квантовой теории, которые делают возможным объективное описание атома в пространстве и во времени.
Этим путем было, следовательно, создано первоначальное основание для понимания строения материи. Химические и другие свойства атомов можно было объяснить, применяя к электронным оболочкам математическую схему квантовой теории. Исходя из этого основания, далее можно было пытаться вести анализ строения материи в двух различных направлениях. Можно было или изучать взаимодействие атомов, их отношение к более крупным единицам, таким, как молекулы или кристаллы или биологические объекты, или же можно было пытаться, исследуя атомное ядро и его составные части, продвинуться до того пункта, в котором стало бы понятным единство материи. Физические исследования форсированно развивались в прошедшие десятилетия в обоих направлениях. Последующее изложение и будет посвящено выяснению роли квантовой теории в обеих этих областях.
Силы между соседними атомами являются в первую очередь электрическими силами -- речь идет о притяжении противоположных зарядов и об отталкивании между одноименными; электроны притягиваются атомным ядром и отталкиваются другими электронами. Но эти силы действуют здесь не по законам ньютоновской механики, а по законам квантовой механики.
Это ведет к двум различным типам связи между атомами. При одном типе связи электрон одного атома переходит к другому атому, -- например для того, чтобы заполнить еще не совсем заполненную электронную оболочку. В этом случае оба атома оказываются в конечном счете электрически заряженными и получают название "ионов"; поскольку их заряды в таком случае противоположны, они взаимно притягиваются. Химик говорит в этом случае о "полярной связи".
При втором типе связи электрон определенным образом, характерным только для квантовой теории, принадлежит обоим атомам. Если использовать картину электронных орбит, то можно приблизительно сказать, что электрон обращается вокруг обоих атомных ядер и значительную долю времени проводит как в одном, так и в другом атоме. Этот второй тип связи соответствует тому, что химик называет "валентной связью".
Эти два типа связи, которые могут существовать во всевозможных комбинациях, вызывают в конечном счете образование различных совокупностей атомов и оказываются в конце концов определяющими все сложные структуры, которые изучаются физикой и химией. Итак, химические соединения образуются благодаря тому, что из атомов различного рода возникают небольшие замкнутые группы, и каждая группа может быть названа молекулой химического соединения. При образовании кристаллов атомы располагаются в виде упорядоченных решеток. Металлы образуются тогда, когда атомы расположены так плотно, что внешние электроны покидают свои оболочки и могут проходить сквозь весь кусок металла. Магнетизм некоторых веществ, особенно некоторых металлов, возникает вследствие вращательного движения отдельных электронов в этом металле и т. д.
Во всех этих случаях дуализм между материей и силой еще может быть сохранен, так как ядра и электроны можно рассматривать как строительные кирпичи материи, которые удерживаются вместе с электромагнитными силами.
В то время как физика и химия (там, где они имеют отношение к строению материи) составляют единую науку, в биологии с ее более сложными структурами положение складывается несколько по-другому. Правда, несмотря на бросающуюся в глаза целостность живых организмов, резкое различие между живой и неживой материей, вероятно, проведено быть не может. Развитие биологии дало нам большое число примеров, из которых можно видеть, что специфически биологические функции могут выполняться особыми большими молекулами или группами, или цепями таких молекул. Эти примеры подчеркивают тенденцию в современной биологии объяснять биологические процессы как следствие законов физики и химии. Но род стабильности, который мы усматриваем в живых организмах, по своей природе несколько отличен от стабильности атома или кристалла. В биологии речь идет скорее о стабильности процесса или функции, чем о стабильности формы. Несомненно, квантово-механические законы играют в биологических процессах очень важную роль. Например, для понимания больших органических молекул и их разнообразных геометрических конфигураций существенны специфические квантово-механические силы, которые только несколько неточно могут быть описаны на основе понятия химической валентности. Опыты по биологическим мутациям, вызываемым излучением, показывают также как важность статистического характера квантово-механических законов, так и существование механизмов усиления. Тесная аналогия между процессами в нашей нервной системе и процессами, которые имеют место при функционировании современной электронной счетной машины, снова подчеркивает важность для живого организма отдельных элементарных процессов. Но все эти примеры все-таки не доказывают, что физика и химия, дополненные учением о развитии, сделают возможным полное описание живых организмов. Биологические процессы должны трактоваться естествоиспытателями-экспериментаторами с большей осторожностью, чем процессы физики и химии. Как пояснил Бор, вполне может оказаться, что описания живого организма, которое с точки зрения физика может быть названо полным, совсем не существует, потому что данное описание потребовало бы таких экспериментов, которые должны были бы прийти в слишком сильный конфликт с биологическими функциями организма. Бор описал эту ситуацию следующим образом: в биологии мы имеем дело скорее с реализацией возможностей в той части природы, к которой мы принадлежим, чем с результатами экспериментов, которые мы сами можем произвести. Ситуация дополнительности, в которой действенна эта формулировка, отражается как тенденция в методах современной биологии: с одной стороны, полностью использовать методы и результаты физики и химии и, с другой стороны, все же постоянно употреблять понятия, которые относятся к тем чертам органической природы, которые не содержатся в физике и химии, как, например, понятие самой жизни.
Пока мы провели, следовательно, анализ строения.материи в одном направлении -- от атома к более сложным структурам, состоящим из атомов: от атомной физики к физике твердого тела, к химии и, наконец, к биологии. Теперь мы должны повернуть в противоположном направлении и проследить линию исследований, направленную от внешних областей атома к внутренним областям, к атомному ядру и, наконец, к элементарным частицам. Только эта вторая линия приведет нас, быть может, к пониманию единства материи. Здесь не нужно бояться того, что характеристические структуры будут сами разрушены в опытах. Если поставлена задача проверить в опытах принципиальное единство материи, то мы можем подвергнуть материю действию самых сильных из возможных сил, воздействию самых предельных условий, чтобы увидеть, может ли,в конце концов материя быть превращена в какую-нибудь другую материю.
Первым шагом в этом направлении был экспериментальный анализ атомного ядра. В начальные периоды этих исследований, которые заполняют примерно первые три десятка лет нашего столетия, единственным инструментом для экспериментов над атомным ядром были альфа-частицы, испускаемые радиоактивными веществами. С помощью этих частиц Резерфорду удалось в 1919 году превратить друг в друга атомные ядра легких элементов. Он смог, например, ядро азота превратить в ядро кислорода, присоединяя к ядру азота альфа-частицу и в то же самое время выбивая из него протон. Это был первый пример процесса на расстояниях порядка радиусов атомных ядер, который напоминал химические процессы, но который вел к искусственному превращению элементов. Следующим решающим успехом было искусственное ускорение протонов в приборах высокого напряжения до энергий, достаточных для ядерных превращений. Для этой цели необходимы разности напряжений примерно в миллион вольт, и Кокрофту и Уолтону в их первом решающем эксперименте удалось превратить атомные ядра элемента лития в атомные ядра элемента гелия. Это открытие выявило для исследований совершенно новое поле, которое может быть названо ядерной физикой в собственном смысле слова и которое очень быстро привело к качественному пониманию строения атомного ядра.
На самом деле строение атомного ядра оказалось очень простым. Атомное ядро состоит всего из двух различных видов элементарных частиц. Одна из элементарных частиц -- протон, являющаяся одновременно ядром атома водорода. Другая была названа нейтроном, частица, обладающая примерно той же массой, что и протон, и, кроме того, электрически нейтральная. Каждое атомное ядро можно, таким образом, охарактеризовать общим числом протонов и нейтронов, из которых оно состоит. Ядро обычного атома углерода состоит из 6 протонов и 6 нейтронов. Но есть также и другие ядра атомов углерода, которые являются несколько более редкими -- они были названы изотопами первых -- и которые состоят из 6 протонов и 7 нейтронов и т. д. Так в конце концов пришли к описанию материи, в котором вместо многих различных химических элементов использовались только три основные единицы, три фундаментальных строительных кирпича -- протон, нейтрон и электрон. Вся материя состоит из атомов и построена поэтому в конечном счете из этих трех основных строительных кирпичей. Это еще, конечно, не означает единства материи, но несомненно означает важный шаг в направлении этого единства и, что было, пожалуй, еще важнее, означает существенное упрощение. Правда, впереди был еще длинный путь от знания этих основных строительных кирпичей атомного ядра к полному пониманию его строения. Здесь проблема была несколько отличной от соответствующей проблемы относительно внешней оболочки атома, решенной в середине двадцатых годов. В случае электронной оболочки силы между частицами были известны с большой точностью, но, кроме того, должны были быть найдены динамические законы, и они в конце концов были сформулированы в квантовой механике. В случае атомного ядра можно было вполне предположить, что динамическими законами являются в основном законы квантовой теории, но здесь были прежде всего неизвестны силы между частицами. Их необходимо было вывести из экспериментальных свойств атомных ядер. Эта проблема не может быть решена полностью еще до сих пор. Силы, вероятно, не имеют такого простого вида, как в случае электростатических сил между электронами во внешних оболочках, и поэтому математически вывести свойства атомных ядер из более сложных сил труднее, и, кроме того, прогрессу препятствует неточность экспериментов. Но качественные представления о структуре ядра приобрели вполне определенный вид.
В конце концов, в качестве последней важнейшей проблемы остается проблема единства материи. Являются ли эти элементарные частицы -- протон, нейтрон и электрон последними, неразложимыми строительными кирпичами материи, иными словами, "атомами" в смысле философии Демокрита, без каких-либо взаимных связей (отвлекаясь от действующих между ними сил), или же они являются только различными формами одного и того же вида материи? Далее, могут ли они превращаться друг в друга или даже в другие формы материи? Если решать эту проблему экспериментально, то для этого требуются силы и сконцентрированные на атомных частицах энергии, которые должны быть во много раз больше, чем те, которые были использованы для исследования атомного ядра. Так как запасы энергии в атомных ядрах недостаточно велики, чтобы обеспечить нам средства для проведения таких экспериментов, то физики должны или воспользоваться силами в космосе, то есть в пространстве между звездами, на поверхности звезд, или же они должны довериться умению инженеров.
На самом деле успехи были достигнуты на обоих путях. Прежде всего физики использовали так называемое космическое излучение. Электромагнитные поля на поверхности звезд, простирающиеся на гигантские пространства, при благоприятных условиях могут ускорить заряженные атомные частицы, электроны и атомные ядра, которые, как оказалось, вследствие своей большей инерции имеют больше возможностей более долгое время оставаться в ускоряющем поле, и когда они в конце концов уходят с поверхности звезды в пустое пространство, то иногда успевают пройти потенциальные поля во много миллиардов вольт. Дальнейшее ускорение при благоприятных условиях происходит еще в переменных магнитных полях между звездами. Во всяком случае, оказывается, что атомные ядра долгое время удерживаются переменными магнитными полями в пространстве Галактики, и в конце концов они, таким образом, заполняют пространство Галактики тем, что называют космическим излучением. Это излучение достигает Земли извне и, следовательно, состоит из всех возможных атомных ядер -- водорода, гелия и более тяжелых элементов, -- энергии которых изменяются примерно от сотен или тысяч миллионов электрон-вольт до величин, в миллион раз больших. Когда частицы этого высотного излучения вторгаются в верхние слои атмосферы Земли, они сталкиваются здесь с атомами азота или кислорода атмосферы или атомами какого-либо экспериментального устройства, которое подвергают воздействию космического излучения. Результаты воздействия могут быть затем исследованы.
Другая возможность состоит в конструировании очень больших ускорителей элементарных частиц. В качестве прототипа для них может считаться так называемый циклотрон, который был сконструирован в Калифорнии в начале тридцатых годов Лоуренсом. Основная идея конструкции этих установок состоит в том, что благодаря сильному магнитному полю заряженные атомные частицы принуждают многократно вращаться по кругу, так что они на этом круговом пути могут снова и снова ускориться электрическим полем. Установки, в которых могут быть достигнуты энергии во много сотен миллионов электрон-вольт, в настоящее время действуют во многих местах земного шара, главным образом в Великобритании. Благодаря сотрудничеству 12 европейских стран в Женеве строится очень большой ускоритель такого рода, который, как надеются, будет давать протоны энергией до 25 миллионов электрон-вольт. Эксперименты, проведенные с помощью космического излучения или очень больших ускорителей, выявили новые интересные черты материи. Кроме трех основных строительных кирпичей материи -- электрона, протона и нейтрона, -- были открыты новые элементарные частицы, которые порождаются в этих происходящих при высоких энергиях столкновениях и которые по истечении исключительно малых промежутков времени исчезают, превращаясь в другие элементарные частицы. Новые элементарные частицы имеют свойства, подобные свойствам старых, за исключением своей нестабильности. Даже самые стабильные среди новых элементарных частиц имеют продолжительность жизни только около миллионной доли секунды, а время жизни других -- еще в сотни или тысячи раз меньше. В настоящее время известно приблизительно 25 различных видов элементарных частиц. Самая "молодая" из них -- отрицательно заряженный протон, который называют антипротоном.
Эти результаты кажутся на первый взгляд опять уводящими в сторону от идей о единстве материи, так как число фундаментальных строительных кирпичей материи, по-видимому, снова увеличилось до количества, сравнимого с количеством различных химических элементов. Но это было бы неточным толкованием действительного положения вещей. Ведь эксперименты одновременно показали, что частицы возникают из других частиц и могут быть превращены в другие частицы, что они образуются просто из кинетической энергии таких частиц и могут снова исчезнуть, так что из них возникнут другие частицы. Стало быть, другими словами: эксперименты показали полную превращаемость материи. Все элементарные частицы в столкновениях достаточно большой энергии могут превратиться в другие частицы или могут быть просто созданы из кинетической энергии; и они могут превратиться в энергию, например в излучение. Следовательно, мы имеем здесь фактически окончательное доказательство единства материи. Все элементарные частицы "сделаны" из одной и той же субстанции, из одного и того же материала, который мы теперь можем назвать энергией или универсальной материей; они -- только различные формы, в которых может проявляться материя.
Если сравнить эту ситуацию с понятием материи и формы у Аристотеля, то можно сказать, что материю Аристотеля, которая в основном была "потенцией", то есть возможностью, следует сравнивать с нашим понятием энергии; когда элементарная частица рождается, энергия выявляет себя благодаря форме как материальная реальность.
Современная физика не может, естественно, удовлетвориться только качественным описанием фундаментальной структуры материи; она должна попытаться на основе тщательно проведенных экспериментов углубить анализ до математической формулировки законов природы, определяющих формы материи, а именно элементарные частицы и их силы. Четкое разграничение между материей и силой или силой и веществом в этой части физики больше проведено быть не может, так как любая элементарная частица не только сама порождает силы и сама испытывает воздействие сил, но и в то же самое время сама представляет в данном случае определенное силовое поле. Квантово-механический дуализм волн и частиц является причиной того, что одна и та же реальность проявляет себя и как материя, и как сила.
Все попытки найти математическое описание для законов природы в мире элементарных частиц до сих пор начинались с квантовой теории волновых полей. Теоретические исследования в этой области были предприняты в начале тридцатых годов. Но уже первые работы в этой области выявили очень серьезные трудности в области, где квантовую теорию пытались объединить со специальной теорией относительности. С первого взгляда кажется, будто две теории, квантовая и теория относительности, относятся к столь различным сторонам природы, что практически они никак не могут влиять друг на друга и что поэтому требования обеих теорий должны быть легко выполнимы в одном и том же формализме. Но более точное исследование показало, что обе эти теории вступают в определенном пункте в конфликт, в результате чего и проистекают все дальнейшие трудности.
Специальная теория относительности раскрыла структуру пространства и времени, которая оказалась несколько отличной от структуры, приписывавшейся им со времени создания ньютоновской механики. Наиболее характерная черта этой вновь открытой структуры -- существование максимальной скорости, которая не может быть превзойдена любым движущимся телом или распространяющимся сигналом, то есть скорости света. Как следствие этого два события, имеющие место в двух весьма удаленных друг от друга точках, не могут иметь никакой непосредственной причинной связи, если они происходят в такие моменты времени, когда световой сигнал, выходящий в момент первого события из этой точки, достигает другой только после момента свершения другого события и наоборот. В этом случае оба события можно назвать одновременными. Поскольку никакое воздействие любого рода не может передаться от одного процесса в один момент времени другому процессу в другой момент времени, оба процесса не могут быть связаны никаким физическим воздействием.
По этой причине действие на большие расстояния так, как оно выступает в случае сил тяготения в ньютоновской механике, оказалось несовместимым со специальной теорией относительности. Новая теория должна была заменить такое действие "близкодействием", то есть передачей силы из одной точки только непосредственно соседней точке. Естественным математическим выражением взаимодействий этого рода оказались дифференциальные уравнения для волн или полей, инвариантные относительно преобразования Лоренца. Такие дифференциальные уравнения исключают какое-либо прямое воздействие одновременных событий друг на друга.
Поэтому структура пространства и времени, выражаемая специальной теорией относительности, предельно резко отграничивает область одновременности, в которой не может быть передано никакое воздействие, от других областей, в которых непосредственное воздействие одного процесса на другой может иметь место.
С другой стороны, соотношение неопределенностей квантовой теории устанавливает жесткую границу точности, с которой могут быть одновременно измерены координаты и импульсы или моменты времени и энергии. Так как предельно резкая граница означает бесконечную точность фиксации положения в пространстве и во времени, то соответствующие импульсы и энергии должны быть полностью неопределенными, то есть с подавляющей вероятностью должны выступить на первый план процессы даже со сколь угодно большими импульсами и энергиями. Поэтому всякая теория, которая одновременно выполняет требования специальной теории относительности и квантовой теории, ведет, оказывается, к математическим противоречиям, а именно к расходимостям в области очень больших энергий и импульсов. Эти выводы не обязательно могут носить необходимый характер, так как всякий формализм рассмотренного здесь рода является ведь очень сложным, и возможно еще, что будут найдены математические средства, которые помогут устранить в этом пункте противоречие между теорией относительности и квантовой теорией. Но до сих пор все-таки все математические схемы, которые были исследованы, приводили в самом деле к таким расходимостям, то есть к математическим противоречиям, или же они оказывались недостаточными, чтобы удовлетворить всем требованиям обеих теорий. Кроме того, было очевидно, что трудности в самом деле проистекают из только что рассмотренного пункта.
Тот пункт, в котором сходящиеся математические схемы не удовлетворяют требованиям теории относительности или квантовой теории, оказался очень интересным уже сам по себе. Одна из таких схем вела, например, когда ее пытались интерпретировать с помощью реальных процессов в пространстве и времени, к некоторого рода обращению времени; она описывала процессы, в которых в определенной точке внезапно происходило рождение нескольких элементарных частиц, а энергия для этого процесса поступала только позднее благодаря каким-то другим процессам столкновения между элементарными частицами. Физики же на основании своих экспериментов убеждены, что процессы такого рода в природе не имеют места, по крайней мере тогда, когда оба процесса отделены друг от друга некоторым измеримым расстоянием в пространстве и во времени.
В другой теоретической схеме попытка устранить расходимости формализма делалась на основе математического процесса, который был назван "перенормировкой". Этот процесс заключается в том, что бесконечности формализма можно было передвинуть в такое место, где они не могут помешать получению строго определяемых соотношений между наблюдаемыми величинами. Действительно, эта схема уже привела до определенной степени к решающим успехам в квантовой электродинамике, так как она дает способ расчета некоторых очень интересных особенностей в спектре водорода, которые до этого были необъяснимы. Более точный анализ этой математической схемы сделал, однако, правдоподобным вывод о том, что те величины, которые в обычной квантовой теории должны быть истолкованы как вероятности, могут в данном случае при некоторых обстоятельствах, после того как процесс перенормировки проведен, стать отрицательными. Это исключало бы, разумеется, непротиворечивое истолкование формализма для описания материи, так как отрицательная вероятность -- бессмысленное понятие.
Тем самым мы уже пришли к проблемам, которые ныне стоят в центре дискуссий в современной физике. Решение будет получено когда-нибудь благодаря постоянно обогащающемуся экспериментальному материалу, который добывается во все более и более точных измерениях элементарных частиц, их порождения и уничтожения, сил, действующих между ними. Если искать возможные решения этих трудностей, то, может быть, следует вспомнить о том, что такие процессы с видимым обращением времени, обсужденные выше, нельзя исключить на основании экспериментальных данных в том случае, если они имеют место только внутри совсем малых пространственно-временных областей, внутри которых с нашим теперешним экспериментальным оборудованием детально проследить процессы еще невозможно. Разумеется, при теперешнем состоянии нашего знания мы едва ли готовы признать возможность таких процессов с обращением времени, если из этого и следует возможность на какой-то более поздней стадии развития физики наблюдать подобного рода процессы таким же образом, каким наблюдают обычные атомные процессы. Но здесь сравнение анализа квантовой теории и анализа теории относительности позволяет представить проблему в новом свете.
Теория относительности связана с универсальной постоянной природы -- со скоростью света. Эта постоянная имеет решающее значение для установления связи между пространством и временем и поэтому должна сама по себе содержаться во всяком законе природы, удовлетворяющем требованиям инвариантности относительно преобразований Лоренца. Наш обычный язык и понятия классической физики могут быть применены только к явлениям, для которых скорость света может рассматриваться практически бесконечно большой. Если мы в наших экспериментах в какой-либо форме приближаемся к скорости света, то мы должны быть подготовлены к появлению результатов, которые более не могут быть объяснены с помощью этих обыкновенных понятий.
Квантовая теория связана с другой универсальной постоянной природы -- с планковским квантом действия. Объективное описание процессов в пространстве и во времени оказывается возможным только тогда, когда мы имеем дело с предметами и процессами сравнительно больших масштабов, а именно тогда постоянную Планка можно рассматривать как практически бесконечно малую. Когда мы в наших экспериментах приближаемся к области, в которой планковский квант действия становится существенным, мы приходим ко всем тем трудностям с применением обычных понятий, которые были обсуждены в предыдущих главах этой книги.
Но должна быть еще третья универсальная постоянная природы. Это следует просто, как говорят физики, из соображений размерности. Универсальные постоянные определяют величины масштабов в природе, они дают нам характеристические величины, к которым можно свести все другие величины в природе. Для полного набора таких единиц необходимы, однако, три основные единицы. Проще всего заключить об этом можно из обычных соглашений о единицах, как, например, из использования физиками системы CQS (сантиметр -- грамм -- секунда). Единицы длины, единицы времени и единицы массы вместе достаточно, чтобы образовать полную систему. Необходимы по меньшей мере три основные единицы. Их можно было бы заменить также единицами длины, скорости и массы или единицами длины, скорости и энергии и т. д. Но три основные единицы необходимы во всяком случае. Скорость света и планковский квант действия дают нам, однако, только две из этих величин. Должна быть еще третья, и только теория, содержащая такую третью единицу, возможно, способна вести к определению масс и других свойств элементарных частиц. Если исходить из наших современных познаний об элементарных частицах, то, пожалуй, самым простым и самым приемлемым путем введения третьей универсальной постоянной является предположение о том, что существует универсальная длина порядка величины 10-13 см, длина, стало быть, сравнимая примерно с радиусами легких атомных ядер. Если из. этих трех единиц образовать выражение, имеющее размерность массы, то эта масса имеет порядок величины массы обычных элементарных частиц.
Если предположить, что законы природы действительно содержат такую третью универсальную постоянную размерности длины порядка величины 10-13 см, то тогда вполне возможно, что наши обычные представления могут быть применимы только к таким областям пространства и времени, которые велики по сравнению с этой универсальной постоянной длины. По мере приближения в своих экспериментах к областям пространства и времени, малым по сравнению с радиусами атомных ядер, мы должны быть готовы к тому, что будут наблюдаться процессы качественно нового характера. Явление обращения времени, о котором говорилось выше и пока что только как о возможности, выводимой из теоретических соображений, могло бы поэтому принадлежать этим мельчайшим пространственно-временным областям. Если это так, то, вероятно, его было бы нельзя наблюдать таким образом, что соответствующий процесс мог бы быть описан в классических понятиях. И все же в той мере, в какой такие процессы могут быть описаны классическими понятиями, они должны обнаруживать также и классический порядок следования во времени. Но пока о процессах в самых малых пространственно-временных областях -- или (что согласно соотношению неопределенностей приблизительно соответствует этому высказыванию) при самых больших передаваемых энергиях и импульсах -- известно слишком мало.
В попытках достичь на основе экспериментов над элементарными частицами большего знания о законах природы, определяющих строение материи и тем самым структуру элементарных частиц, особенно важную роль играют определенные свойства симметрии. Мы напомним о том, что в философии Платона самые маленькие частицы материи были абсолютно симметричными образованиями, а именно правильными телами -- кубом, октаэдром, икосаэдром, тетраэдром. В современной физике, правда, эти специальные группы симметрии, получающиеся из группы вращений в трехмерном пространстве, не стоят больше в центре внимания. То, что имеет место в естествознании нового времени, ни в коем случае не является пространственной формой, а представляет собой закон, стало быть, в определенной степени пространственно-временную форму, и поэтому применяемые в нашей физике симметрии должны всегда относиться к пространству и времени совместно. Но определенные типы симметрии, кажется, в действительности играют в теории элементарных частиц наиболее важную роль.
Мы познаем их эмпирически благодаря так называемым законам сохранения и благодаря системе квантовых чисел, с помощью которых можно упорядочить соответственно опыту события в мире элементарных частиц. Математически мы можем их выразить с помощью требования, чтобы основной закон природы для материи был инвариантным относительно определенных групп преобразований. Эти группы преобразований являются наиболее простым математическим выражением свойств симметрии. Они выступают в современной физике вместо тел Платона. Наиболее важные здесь кратко перечислены.
Группа так называемых преобразований Лоренца характеризует вскрытую специальной теорией относительности структуру пространства и времени.
Группа, исследованная Паули и Гюрши, соответствует по своей структуре группе трехмерных пространственных вращений -- она ей изоморфна, как говорят математики, -- и проявляет себя в появлении квантового числа, которое эмпирически было открыто у элементарных частиц уже двадцать пять лет назад и получило название "изоспин".
Две следующие группы, ведущие себя формально как группы вращений вокруг жесткой оси, приводят к законам сохранения для заряда, для числа барионов и для числа лептонов.
Наконец, законы природы должны быть инвариантны еще относительно определенных операций отражения, которые здесь нет нужды перечислять подробно. По этому вопросу особенно важными и плодотворными оказались исследования Ли и Янга, согласно идее которых величина, называемая четностью и для которой ранее предполагался справедливым закон сохранения, в действительности не сохраняется.
Все известные до сих пор свойства симметрии удается выразить с помощью простого уравнения. Причем под этим понимается, что это уравнение инвариантно относительно всех названных групп преобразований, и поэтому можно думать, что это уравнение уже правильно отображает законы природы для материи. Но решения этого вопроса еще нет, оно будет получено только со временем с помощью более точного математического анализа этого уравнения и с помощью сравнения с экспериментальным материалом, собираемым во все больших размерах.
Но и отвлекаясь от этой возможности, можно надеяться, что благодаря согласованию экспериментов в области элементарных частиц наивысших энергий с математическим анализом их результатов когда-нибудь удастся прийти к полному пониманию единства материи. Выражение "полное понимание" означало бы, что формы материи -- приблизительно в том смысле, в каком употреблял этот термин в своей философии Аристотель, -- оказались бы выводами, то есть решениями замкнутой математической схемы, отображающей законы природы для материи.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.philosophy.ru/
Репетиторство
Нужна помощь по изучению какой-либы темы?
Наши специалисты проконсультируют или окажут репетиторские услуги по интересующей вас тематике.
Отправь заявку
с указанием темы прямо сейчас, чтобы узнать о возможности получения консультации.
Наука
Квантовая физика работает с изучением поведения самых маленьких вещей в нашей Вселенной: субатомных частиц. Это относительно новая наука, лишь в начале 20 века она стала таковой после того, как физиков стал интересовать вопрос, почему они не могут объяснить некоторые эффекты радиации. Один из новаторов того времени Макс Планк (Max Planck) при исследовании крошечных частиц с энергией использовал термин "кванты", отсюда и пошло название "квантовая физика". Планк отметил, что количество энергии, содержащейся в электронах, не является произвольным, а соответствует стандартам "квантовой" энергии. Одно из первых результатов практического применения этого знания стало изобретение транзистора.
В отличие от негибких законов стандартной физики, правила квантовой физики можно нарушать. Когда ученые полагают, что имеют дело с одним из аспектов исследования материи и энергии, появляется новый поворот событий, что напоминает им о том, как непредсказуема бывает работа в этой области. Тем не менее, они, даже если не полностью понимают происходящее, могут использовать результаты своей работы для разработки новых технологий, которые порой могут быть названы не иначе, как фантастическими.
В будущем, квантовая механика сможет помочь сохранить военные секреты, а также обеспечить безопасность и защитить ваш банковский счет от кибер-воров. Ученые в настоящее время работают на квантовых компьютерах, возможности которых выходят далеко за пределы обычного ПК. Разделенные на субатомные частицы, предметы в мгновение ока легко могут быть перенесены с одного места на другое. И, возможно, квантовая физика сможет дать ответ на самый интригующий вопрос относительно того, из чего состоит вселенная и как зародилась жизнь.
Ниже представлены факты, как квантовая физика может изменить мир. Как сказал Нильс Бор (Niels Bohr): "Тот, кто не шокирован квантовой механикой, просто еще не понял принцип ее работы".
Управление турбулентностью
Вскоре, возможно, благодаря квантовой физике, можно будет устранить турбулентные зоны, из-за которых вы проливаете сок в самолете. Путем создания квантовой турбулентности в ультрахолодных атомах газа в лаборатории, бразильские ученые, возможно, поймут работу турбулентных зон, с которыми сталкиваются самолеты и лодки. На протяжении веков, турбулентность ставила в тупик ученых из-за трудности ее воссоздания в лабораторных условиях.
Турбулентность вызывается сгустками газа или жидкости, но в природе кажется будто она формируется хаотично и формируется неожиданно. Хотя турбулентные зоны могут образовываться в воде и в воздухе, ученые обнаружили, что они также могут формироваться и в условиях ультрахолодных атомов газа или в среде сверхтекучего гелия. При помощи изучения этого явления в контролируемых лабораторных условиях, ученые в один прекрасный день смогут точно предсказывать место появления турбулентных зон, и, возможно, контролировать их в природе.
Спинтроника
Новый магнитный полупроводник, разработанный в Массачусетском технологическом институте, может привести к появлению еще более быстрого энергоэффективного электронного устройства в будущем. Называемая «спинтроника», эта технология использует спиновое состояние электронов для передачи и хранения информации. В то время, как обычные электронные схемы используют только зарядовое состояние электрона, спинтроника пользуется преимуществами спинового направления электрона.
Обработка информации с помощью схем спинтроники позволит данным накапливаться сразу с двух направлений одновременно, что так же уменьшит размер электронных схем. Этот новый материал внедряет электрон в полупроводник на основе его спиновой ориентации. Электроны проходят через полупроводник и становятся готовыми быть спин-детекторами на стороне выхода. Ученые утверждают, что новые полупроводники могут работать при комнатной температуре и являются оптически прозрачными, что означает возможность работы с сенсорными экранами и солнечными батареями. Они также полагают, что это поможет изобретателям придумать еще более многофункциональные устройства.
Параллельные миры
Вы никогда не задумывались о том, какой бы была наша жизнь, если у нас была возможность путешествовать во времени? Вы бы убили Гитлера? Или присоединились бы к римским легионам для того, чтобы увидеть древний мир? Тем не менее, пока мы все фантазируем на тему, чтобы мы сделали, если бы у нас была возможность вернуться в прошлое, ученые из калифорнийского университета Санта-Барбары уже очищают путь к восстановлению обид прошлых лет.
В эксперименте 2010 года ученым удалось доказать, что объект может одновременно существовать в двух разных мирах. Они изолировали крошечных кусочек металла и в специальных условиях обнаружили, что он двигался и стоял на месте одновременно. Однако, кто-то может посчитать это наблюдение бредом, вызванным переутомлением, все же физики говорят, что наблюдения за объектом действительно показывают, что он распадается во Вселенной на две части – одну из них мы видим, а другую нет. Теории параллельных миров в один голос говорят о том, что абсолютно любой объект распадается.
Сейчас ученые пытаются выяснить, как можно "перепрыгнуть" момент распада и войти в тот мир, который нам не видим. Это путешествие в параллельные вселенные во времени теоретически должно работать, поскольку квантовые частицы движутся и вперед, и назад во времени. Теперь, все, что ученые должны сделать – это построить машину времени с помощью квантовых частиц.
Квантовые точки
В скором времени, квантовые физики смогут помочь докторам обнаруживать раковые клетки в организме и точно определять, куда они распространились. Ученые обнаружили, что некоторые мелкие полупроводниковые кристаллы, называемые квантовыми точками, могут светиться под воздействием ультрафиолетового излучения, а также их удалось сфотографировать при помощи специального микроскопа. Затем их соединили с особым, «привлекательным» для раковых клеток материалом. При попадании в организм светящиеся квантовые точки притягивались к раковым клеткам, показывая тем самым, врачам, где именно искать. Свечение продолжается достаточно длительное время, и для ученых процесс настройки точек под характеристики конкретного вида рака относительно несложен.
Хотя высокотехнологичная наука, безусловно, несет ответственность за многие медицинские достижения, человек на протяжении веков зависим от многих других средств борьбы с заболеванием.
Молитва
Трудно представить себе, что может быть общего между коренным американцем, целителем-шаманом и пионерами квантовой физике. Однако, между ними все же есть нечто общее. Нильс Бор, один из ранних исследователей этой странной области науки, полагал, что многое из того, что мы называем реальностью зависит от "эффекта наблюдателя", то есть связь между тем, что происходит, и как мы это видим. Эта тема породила развитие серьезных дебатов между специалистами квантовой физики, однако, эксперимент, проведенный Бором более полувека назад, подтвердил его предположение.
Все это означает, что наше сознание влияет на реальность и может изменить ее. Повторяющиеся слова молитвы и ритуалы церемонии шамана-целителя могут быть попытками изменить направление "волны", которая создает реальность. Большинство обрядов проводятся также в присутствии многочисленных наблюдателей, указывая на то, что чем больше "волн исцеления" исходит от наблюдателей, тем мощнее они оказывают воздействие на реальность.
Взаимосвязь объектов
Взаимосвязь объектов может в дальнейшем оказать огромное влияние на солнечную энергию. Взаимосвязь объектов подразумевает квантовую взаимозависимость атомов, разделенных в реальном физическом пространстве. Физики полагают, что взаимосвязь может образоваться в части растений, ответственных за фотосинтез, или преобразование света в энергию. Структуры, ответственные за фотосинтез, хромофоры, могут превращать 95 процентов получаемого света в энергию.
Сейчас ученые изучают, как эта взаимосвязь на квантовом уровне может повлиять на создание солнечной энергии в надежде создания эффективных естественных солнечных элементов. Специалисты также обнаружили, что водоросли могут использовать некоторые положения квантовой механики для перемещения получаемой от света энергии, а также сохранять ее в двух местах одновременно.
Квантовые вычисления
Другой не менее важный аспект квантовой физики может быть применен в компьютерной сфере, где особый тип сверхпроводящего элемента дает компьютеру беспрецедентную скорость и силу. Исследователи объясняют, что элемент ведет себя как искусственные атомы, поскольку они могут только либо получить, либо потерять энергию путем перемещения между дискретными уровнями энергии. Самый сложный по строению атом обладает пятью уровнями энергии. Эта сложная система («кудит») обладает значительными преимуществами по сравнению с работой предыдущих атомов, у которых было лишь два уровня энергии («кубит»). Кудиты и кубиты это часть битов, используемых в стандартных компьютерах. Квантовые компьютеры в своей работе будут использовать принципы квантовой механики, что позволит им выполнять вычисления гораздо быстрее и точнее по сравнению с традиционными компьютерами.
Существует, однако, проблема, которая может возникнуть, если квантовые вычисления станут реальностью – криптография, или кодирование информации.
Квантовая криптография
Вся информация, начиная от номера вашей кредитной карты и заканчивая сверхсекретными военными стратегиями, есть в сети интернета, а квалифицированный хакер с достаточным количеством знаний и мощным компьютером может опустошить ваш банковский счет или подвергнуть мировую безопасность угрозе. Специальная кодировка держит эту информацию под секретом, а компьютерные специалисты постоянно работают над созданием новых, более безопасных методов кодирования.
Кодирование информации внутри отдельной частицы света (фотон) уже давно является целью квантовой криптографии. Казалось, что ученые университета Торонто уже очень близко подошли к созданию этого метода, поскольку им удалось закодировать видео. Шифрование включает в себя строки из нулей и единиц, которые и являются «ключом». Добавление ключа один раз кодирует информацию, добавление его повторно, декодирует ее. Если постороннему человеку удается получить ключ, то информация может быть взломана. Но даже если ключи будут использованы на квантовом уровне, уже сам факт их применения будет наверняка подразумевать наличие хакера.
Телепортация
Это научная фантастика, не более. Однако, она была осуществлена, но только не с участием человека, а с участием больших молекул. Но в этом то и заключается проблема. Каждая молекула в организме человека должна быть отсканирована с двух сторон. Но это вряд ли произойдет в ближайшее время. Есть еще одна проблема: как только вы сканируете частицу, по законам квантовой физики, вы меняете ее, то есть у вас нет возможности сделать ее точную копию.
Вот где проявляется взаимосвязь объектов. Она связывает два объекта так, будто они являются единым целым. Мы сканируем одну половину частицы, а телепортируемая копия будет сделана другой половиной. Это будет точная копия, поскольку мы не измеряли саму частицу, мы измеряли ее двойника. То есть частица, которую мы измерили, будет разрушена, но ее точная копия реанимирована ее двойником.
Частицы Бога
Ученые используют очень огромное свое творение – большой адронный коллайдер – для того, чтобы исследовать нечто крайне маленькое, но очень важное – фундаментальные частицы, которые, как полагаются, лежат в основе зарождения нашей Вселенной.
Частицы Бога – это то, что, как утверждают ученые, дает массу элементарным частицам (электронам, кваркам и глюонам). Специалисты считают, что частицы Бога должны пронизывать все пространство, но до сих пор существование этих частиц не доказано.
Обнаружение этих частиц помогло бы физикам понять, как Вселенная оправилась после Большого Взрыва и превратилась в то, что нам известно о ней сегодня. Это также помогло бы объяснить, как вещество балансирует с антивеществом. Короче говоря, выделение этих частиц поможет объяснить все.
