Квантовая механика и Квантово-Полевая картина мира (КПКМ)

В основе квантовой механики лежат фундаментальные идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновом дуализме (единстве корпускулярного и континуального подхода к описанию мира).

Гипотеза Планка фактически стала началом новой физики – квантовой физики (старая при этом получила название классической). Согласно этим представлениям энергия кванта e = h×, где  - частота, а h – постоянная Планка, равная 6,626×10^-34 Дж×с. Она является фундаментальной физической константой (квант действия).

Таким образом, если в классической физике считалось, что энергия может изменяться непрерывно и принимать любые, сколь угодно близкие значения, то согласно квантовым представлениям, она может принимать лишь дискретные значения, равному целому числу квантов энергии W =n×h×, где n = 1,2,3… - целые числа.
Модели строения атома

Открытие протона – Гольдштейн, 1886 – анодные лучи – это положительно заряженные частицы, впоследствии названные протонами. Нейтроны были открыты позже, в начале 20 в.

В конце 19 в. в результате экспериментов были установлены законы фотоэффекта – явления выбивания электронов из вещества под действием света: 1) независимость энергии выбиваемых электронов от интенсивности света, а зависимость ее только от частоты световой волны и 2) наличие для каждого вещества «красной» границы фотоэффекта, т.е. минимальной частоты, при которой фотоэффект еще возможен. Эти законы не могли быть объяснены на основе представлений ЭМКМ.

В 1905 г. А. Эйнштейн, приняв гипотезу Планка, расширил ее, предположив, что свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается тоже квантами (названными впоследствии фотонами). Таким образом, свет представляет собой поток световых частиц – фотонов. Как видно, это возвращает нас к корпускулярным воззрениям Ньютона, но на новом уровне.

Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества.

В истории развития учения о свете сменяли друг друга корпускулярная теория света (Ньютон) и волновая (Р. Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель), представлявшая свет как механическую волну. В 70-х годах после утверждения теории Максвелла под светом стали понимать электромагнитную волну.

В начале 20-го века на основе экспериментов было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Было также обнаружено, что в проявлении этих свойств существуют вполне определенные закономерности: чем меньше длина волны, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света.

В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул смелую гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы, имеющие конечный импульс, обладают волновыми свойствами. Так в физике появилась знаменитая формула де Бройля , где m – масса частицы, V – ее скорость, h – постоянная Планка.

В настоящее время волновые свойства микрочастиц находят широкое применение, например, в электронном микроскопе. Современные электронные микроскопы позволяют видеть молекулы и даже атомы вещества (увеличение в 10⁵-10⁶ раз).

При проявлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальная возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность (диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств материи).

По современным представлениям квантовый объект – это не частица, не волна, и даже не то и не другое одновременно. Квантовый объект – это нечто третье, не равное простой сумме свойств частицы и волны. Для выражения свойства квантового объекта у нас в языке просто нет соответствующих понятий. Но, поскольку сведения о микрообъекте, о его характеристиках мы получаем в результате взаимодействия его с прибором (макрообъектом), то и описывать этот микрообъект приходится в классических понятиях, т.е. используя понятия волны и частицы.

Итак, из сказанного выше следует, что корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Эта идея была высказана Н. Бором и положена им в основу важнейшего методологического принципа современной науки, охватывающего в настоящее время не только физические науки, но и все естествознание – принципа дополнительности (1927). Суть принципа дополнительности по Н. Бору сводится к следующему: как бы далеко не выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных.

Важно отметить, что идея дополнительности рассматривалась Бором как выходящая за рамки чисто физического познания. Он считал (и эта точка зрения разделяется в настоящее время), что интерпретация квантовой механики «имеет далеко идущую аналогию с общими трудностями образования человеческих понятий, возникающих из разделения «субъекта и объекта».

Принцип дополнительности, как общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинное явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизнь, психика и др. Бор, в частности, видел необходимость применения принципа дополнительности в биологии, что обусловлено чрезвычайно сложным строением и функциями живых организмов, которые обеспечивают им практически неисчерпаемые скрытые возможности.

Двойственная природа микрочастиц поставила науку перед вопросом о границах применимости понятий классической физики в микромире. В классической механике всякая частица движется по определенной траектории и всегда имеет вполне определенные (точные) значения координаты, импульса, энергии. По-другому обстоит дело с микрочастицей. Микрочастица, обладая волновыми свойствами, не имеет траектории, а значит, не может иметь одновременно определенных (точных) значений координаты и импульса. Другими словами, мы можем говорить о значениях координаты и импульса микрочастицы только с некоторой степенью приближения. Меру этой неопределенности (неточности) в значениях координаты и импульса, энергии и времени нашел в 1927 г. В Гейзенберг.

Важно заметить, что эта неопределенность не связана с несовершенством наших приборов. Речь о том, что принципиально нельзя определить одновременно координату и импульс частицы точнее, чем это допускает соотношение неопределенностей. Этого нельзя сделать точно, так же как нельзя превысить скорость света, достичь абсолютного нуля температур, поднять себя за волосы, вернуть вчерашний день.

Из соотношения неопределенностей следует, что с увеличением массы частицы ограничения, накладываемые им уменьшаются. Для макроскопических тел соотношение неопределенностей не будет вносить никаких ограничений в возможность применить для них понятия координаты и скорости одновременно. Дело в том, что постоянная Планка, являющаяся мерилом применимости соотношения неопределенности, в этих случаях может рассматриваться пренебрежимо малой. Это приводит к тому, что квантовые свойства изучаемых объектов оказываются несущественными, а представления классической физики – полностью справедливыми. Аналогично при скоростях, намного меньших скорости света, выводы теории относительности совпадают с выводами классической механики.

Это положение связано с так называемым принципом соответствия, имеющим важное философское и методологическое значение. Принцип соответствия может быть сформулирован следующим образом:

Как и все предшествующие картины Мира, КПКМ представляет собой процесс дальнейшего развития и углубления наших знаний о сущности физических явлений. Процесс становления и развития КПКМ продолжается и прошел уже ряд стадий, в частности:

1) утверждение корпускулярно-волновых представлений о материи;
2) изменение методологии познания и отношения к физической реальности. Ранее считалось, что устройство мира можно познавать, не вмешиваясь в него, не влияя на протекающие в нем процессы, т.е. находясь как бы вне его, вне абсолютной физической реальности. Эйнштейн не включал в понятие «физическая реальность» акт наблюдения, а Бор считал его важным элементом физической реальности. Картина реальности в квантовой механике становится как бы двуплановой: с одной стороны в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой – условия наблюдения. Таким образом, в КПКМ появляется принцип относительности к средствам наблюдения.

Все рассмотренные ранее картины мира отличались своей трактовкой таких фундаментальных понятий как пространство и время, движение, принцип причинности, взаимодействия. Рассмотрим, как они представлены в КПКМ.

Независимость пространства, времени и причинности в МКМ позволяет говорить о точной локализации объекта в пространстве, его траектории, об однозначной причинно-следственной связи (лапласовский детерминизм), об одновременном, точном измерении координат и скорости, энергии и времени.

В квантовой механике относительность пространства-времени и причинности приводит к неопределенности координат и скорости в данный момент, к отсутствию траектории движения микрообъекта. И если в классической физике вероятностным законам подчинялось поведение большого числа частиц, то в квантовой механике поведение каждой частицы подчиняется не динамическим (детерминистским), а статистическим законам. Таким образом, причинность в современной КПКМ имеет вероятностный характер (вероятностная причинность).

Взаимодействие. Все многообразие взаимодействий подразделяется в современной физической картине мира на 4 типа: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. По современным представлениям все взаимодействия имеют обменную природу, т.е. реализуются в результате обмена фундаментальными частицами – переносчиками взаимодействий. Каждое из взаимодействий характеризуется так называемой константой взаимодействия, которое определяет его сравнительную интенсивность, временем протекания и радиусом действия. Рассмотрим кратко эти взаимодействия.

1. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа взаимодействия равна приблизительно 10⁰, радиус действия порядка 10^-15, время протекания t ~10^-23с. Частицы – переносчики - p-мезоны.

2. Электромагнитное взаимодействие: константа порядка 10^-2, радиус взаимодействия не ограничен, время взаимодействия t ~ 10^-20с. Оно реализуется между всеми заряженными частицами. Частица-переносчик – фотон (g-квант).

3. Слабое взаимодействие связано со всеми видами b-распада, многие распады элементарных частиц и взаимодействие нейтрино с веществом. Константа взаимодействия порядка 10^-13, t ~ 10^-10с. Это взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим: радиус взаимодействия r~10^-18м. Частица – переносчик - векторный бозон.

4. Гравитационное взаимодействие является универсальным, однако в микромире не учитывается, так как из всех взаимодействий является самым слабым и проявляется только при наличии достаточно больших масс. Его радиус действия не ограничен, время также не ограничено. Обменный характер гравитационного взаимодействия до сих пор остается под вопросом, так как гипотетическая фундаментальная частица гравитон пока не обнаружена.
Структурные уровни организации материи

Характерной чертой материи является ее структура, поэтому одной из важнейших задач естествознания является исследование этой структуры.

Во всех взаимодействиях элементарные частицы ведут себя как единое целое. Характеристиками элементарных частиц являются, кроме массы покоя, электрического заряда, спина, также такие специфические характеристики (квантовые числа), как барионный заряд, лептонный заряд, гиперзаряд, странность и т.п. Существует несколько групп элементарных частиц, различающихся по своим свойствам и характеру взаимодействия. Принято делить их на два больших класса.

Между частицами существует четыре типа взаимодействия, каждое из которых переносится своим типом бозонов. Фотон, или квант света переносит электромагнитное взаимодействие. Глюоны осуществляют перенос сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки. Векторные бозоны переносят слабые взаимодействия, ответственные за некоторые распады частиц.

Согласно современным представлениям, при очень высоких температурах (и, соответственно, энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно. Так, при энергии 100 ГэВ объединяются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая энергия соответствует температуре Вселенной через 10 ¹⁰ с после Большого Взрыва. Это открытие, сделанное в ЦЕРНе, позволяет предположить, что при энергии порядка 10¹⁵ ГэВ произойдет объединение электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий, а при 10¹⁹ ГэВ к ним присоединится и гравитационное. Эти теории называются Теориями Великого Объединения (ТВО).

Проблема элементарных частиц связана с самыми основами естественнонаучной картины мира, и изучается она в некотором отрыве от других областей физики. Здесь особенно интересно то, что ответы на многие вопросы, связанные с элементарными частицами ищутся в современной космологии, в моделях первичного нуклеосинтеза, т.е. ядерного синтеза в первые мгновения после Большого Взрыва – гипотетического Начала Вселенной. Именно в этот период, как считается, были порождены элементарные частицы. Дело еще и в том, что ускорителей, на которых можно было бы получить энергии, соответствующие энергиям объединения трех и четырех взаимодействий пока не предвидится, поэтому и обращаются к Вселенной, чтобы найти в ней возможные ограничения для огромного числа элементарных частиц. Таким образом, в последние 30 лет между физикой элементарных частиц и космологией существует тесная связь. Совокупность астрофизических данных можно рассматривать как «экспериментальный материал», накопленный в результате работы Вселенной как гигантского ускорителя частиц.
Атомное ядро

Под ядром атома понимается его центральная часть, в которой сосредоточена практически вся масса атома и весь его положи­тельный заряд. Ядро состоит из нуклонов – протонов и нейтро­нов (обозначение p и n). Масса протона m_P = 1,673×10^-27 =1,836m_e , m_n = 1,675×10^-27 = 1835,5m_e. Масса ядра не равна сумме масс протонов и нейтронов, входящих в него (т.н. «дефект масс»). Протон несет элементарный положительный заряд, нейтрон – частица незаряженная. Число электронов в атоме равно порядковому номеру Z элемента в таблице Менделеева, а число протонов, поскольку в целом атом нейтрален, равно числу электронов. Тогда число нейтронов в ядре определяется следующим образом: N_P = A – Z, где А – массовое число, т.е. целое число, ближайшее к атомной массе элемента в таблице Менделеева, Z – зарядовое число (число протонов). Для обозначения ядер применяется запись _ZX^A, где Х – символ химического элемента в таблице Менделеева. Ядра с одинаковыми Z, но разными А называются изотопами. Сейчас известно более 300 устойчивых и более 1000 неустойчивых изотопов. С неустойчивыми изотопами связано явление радиоактивности – ядерного распада.

Ядро в целом – устойчивая система, для его разрушения необходимо затратить энергию. Эта энергия называется энергией связи ядра. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи. Нуклоны в ядре удерживаются ядерными силами, представляющими сильное взаимодействие, и имеющими обменный характер. Ядерные силы обладают рядом свойств:

1. Ядерные силы являются короткодействующими (радиус действия порядка 10^-15 м) На этих расстояниях они значительно превышают кулоновские силы отталкивания протонов. При значительном уменьшении расстояния притяжение нуклонов сменяется отталкиванием.

2. Ядерные силы обладают зарядовой независимостью, т.е. действуют как между заряженными, так и между нейтральными частицами.

3. Ядерные силы обладают свойствами насыщения. Это означает, что каждый нуклон в ядре взаимодействует лишь с ограниченным числом ближайших к нему нуклонов.

4. Ядерные силы не являются центральными. Их величина зависит от ориентации спинов частиц.