Учебно-методическое пособие Рекомендовано методической комиссией финансового факультета для студентов ннгу, обучающихся по специальностям 080105 «Финансы и кредит», 080301 «Коммерция»
| Вид материала | Учебно-методическое пособие |
- Учебно-методический комплекс по отечественной истории составлен в соответствии с требованиями, 909.22kb.
- Учебно-методическое пособие для студентов, обучающихся по специальностям Финансы, 495.45kb.
- Учебно методическое пособие Рекомендовано методической комиссией финансового факультета, 610.38kb.
- А. Ю. Лукьянова И. В. Меркулова М. А. Герасименко Банковский маркетинг Учебно-методическое, 325.81kb.
- Учебно-методический комплекс Для студентов, обучающихся по специальностям: 080109 Бухгалтерский, 793.02kb.
- Учебно методическое пособие Рекомендовано методической комиссией факультета вычислительной, 269.62kb.
- А. Ю. Лукьянова И. В. Меркулова М. А. Герасименко международные валютно-кредитные отношения, 1361.85kb.
- Методические рекомендации по выполнению курсовых работ по дисциплине «Экономическая, 649.86kb.
- Пособие для преподавателей русского языка, ведущих занятия с иностранными студентами,, 4956.75kb.
- Алексеев Николай Евгеньевич, доцент, к э. н. Финансы, денежное обращение и кредит:, 1013.26kb.
4.4. Квантовая механика. Дуализм материи
Вернемся к другим «облачкам Томсона», которые привели к возникновению совершенно нового раздела физики для изучения «распечатанного» микромира. Впрочем, дальнейшее развитие науки показало его значимость и для макро-, и для мегамира.
В 1897 году английский физик Томсон открыл электрон. Этот факт произвел большое впечатление на научное сообщество, поскольку ранее все думали, что самый маленький «кусочек» материи – атом (от греческого слова «неделимый»). После этого открытия стало ясно, что атом - не элементарен, существует более простая частица, которую пока все воспринимали как ньютоновскую, то есть подчиняющуюся законам классической механики.
В 1900 году немецкий физик М. Планк при изучении теплового излучения выдвинул предположение, что атом испускает энергию не непрерывно, «как в классике», а порциями (квантами). На основе этой гипотезы ему удалось разрешить противоречие «второго облачка Томсона», но это было только начало.
В 1905 году при объяснении фотоэффекта* Эйнштейн высказал еще идею, что атом поглощает энергию также квантами. Квант света был назван впоследствии фотоном. Все это вновь обострило дискуссию о природе света, который, с одной стороны, понимался как электромагнитная волна, а, с другой стороны – как поток частиц (фотонов). Ниже приведена табл. 4.2, поясняющая дуализм света.
Таблица 4.2
Дуализм света
| Свет | |
| Поток частиц-фотонов | Электромагнитная волна |
| Подтверждается давлением света, открытым в 1899 году П. Лебедевым, явлением фотоэффекта и т.д. | Подтверждается явлениями дифракции и интерференции света и т.д. |
Так, что же такое свет? Классическая физика, которая четко разделяла частицы и волны, ответ дать была не в состоянии.
В 1911 году Э. Резерфорд (английский физик, уроженец Новой Зеландии) предложил планетарную модель атома на основе опытов по «обстрелу» тонкой металлической фольги -частицами (ядрами гелия). Опыты дали неожиданный результат, поскольку вещество оказалось практически «пустым» по сути, и скорее дискретным, чем сплошным! Основная часть частиц пролетала сквозь фольгу без изменения направления движения, и лишь небольшая часть из них меняла направление или отскакивала. На этом основании Резерфорд предположил, что атомы вещества пусты внутри, практически вся масса атома сосредоточена в его ядре очень малого объема, вокруг которого по орбитам двигаются электроны, однако, в соответствии с классической электродинамикой, такая модель неустойчива. Электрон, двигаясь по орбите, должен постоянно излучать энергию, что привело бы к его падению на ядро.
В 1913 году датский физик Н. Бор для разрешения этого противоречия предложил квантовую модель атома:
1. электроны в атоме имеют стационарные орбиты, на которых они не излучают;
2. при переходе с одной стационарной орбиты на другую электрон излучает или поглощает квант энергии.
У Бора частицы понимаются еще как ньютоновские, но привнесены уже квантовые ограничения.
В 1924 году французский физик Л. Де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи, поясняющую дуализм света как частный случай:
Материя в целом может в одних условиях вести себя как волна, а в других условиях – как поток частиц.
В 1927 году американские ученые К. Дэвиссон и Л. Джермер наблюдали дифракцию электронов на кристаллах, что подтвердило гипотезу де Бройля. Быстрые электроны, проходя сквозь тонкую металлическую фольгу, вели себя подобно свету, проходящему через малые отверстия. На экране, расположенном за фольгой на пути электронов, наблюдалась такая же дифракционная картина, как если бы на фольгу падал луч света с длиной волны, равной длине волны электрона, вычисленной по формуле де Бройля.
После этого можно было говорить о появлении новой, квантовой механики, которая сильно отличалась от классической.
Основные принципы квантовой теории.
1. Идея квантования Планка – Эйнштейна – Бора, которая обсуждалась в историческом экскурсе, изложенном выше.
2. Идея де Бройля о корпускулярно – волновом дуализме материи: элементарные частицы – волны (волновые пакеты, кванты), которая также обсуждалась выше.
3. Принцип неопределенностей В. Гейзенберга (1927 г.): нельзя одновременно точно определить местоположение частицы и ее импульс (скорость), то есть нельзя описать частицу полностью с точки зрения классической физики.
Классическое понятие траектории для частицы теряет смысл. Можно говорить лишь о вероятности того, где в данный момент находится частица. Так появляется, например, понятие электронного облака. Аналогично, залп реактивной установки «Град» накрывает определенную площадь, но невозможно сказать, куда попадет один отдельно взятый реактивный снаряд, в отличие от классического полета снаряда гаубицы, траекторию которого можно рассчитать согласно законам Ньютона.
4. Принцип дополнительности Бора.
Этот принцип состоит в двустороннем подходе к квантовому объекту. Концепция дополнительности решает проблему корпускулярно-волнового дуализма следующим образом: мы видим электрон (или фотон) то как корпускулу, то как волну, и в этом нет противоречия, поскольку корпускулу мы видим в одном эксперименте, а волну - в другом, и эти эксперименты несовместимы, так как для них нужны принципиально разные приборы. Вопрос о том, является ли электрон (или фотон) корпускулой или волной, некорректен, так как корпускула и волна - всего лишь проекции, создаваемые прибором, субъективные (в определённом смысле) образы объекта, который есть (кантианская) вещь в себе. Бор распространил концепцию дополнительности за пределы физики, и даже за пределы естествознания - в область гуманитарных дисциплин, что подчеркивает важность и значение данного принципа.
5. Вероятностный (статистический) подход.
Состояние микрообъекта в квантовой механике характеризуется волновой функцией (x,y,z,t), которая понималась сначала как реальный волновой процесс по де Бройлю, однако затем приобрела статистический (вероятностный) смысл. Фактически смысл имеет не сама волновая функция, а квадрат ее модуля ||2 – вероятность нахождения частицы в момент времени t в определенном квантовом состоянии в точке пространства (x,y,z).
6. Принцип целостности квантовой системы.
Микрообъекты (частицы), составлявшие ранее единую систему, разведенные друг от друга на расстояние, исключающее их взаимодействие, остаются взаимосвязанными, и любые изменения одного «партнера» ведут к коррелятивному поведению другого.
Совершенно необычный для классической физики принцип. Он берет свое начало из парадокса Эйнштейна – Подольского – Розена (1935 г.). Представим две частицы, образовавшиеся при распаде микрообъекта, которые разошлись на расстояние, исключающее их взаимодействие. Так вот, измерение над одной частицей делает возможным предсказание поведения второй частицы, исходя из законов квантовой теории, поскольку частицы – единая система в прошлом, что в корне отлично от классического подхода, который рассматривает их на таком расстоянии обособленно. Аналогично, братья-близнецы чувствуют друг друга на расстоянии, хотя они, конечно, не микрообъекты.
Такой перенос состояния с одной частицы на другую, независимо от расстояния между ними, в дальнейшем назвали квантовой телепортацией, которая на данный момент экспериментально подтверждена. Возможно, это будет основой нового способа передачи информации 21 века.
Таким образом, мир предстает перед нами как единая целостность, единая система, которая не сводится к простой механической сумме частей. Тронешь один элемент в такой системе - все остальные начнут видоизменяться. Это важно понимать с мировоззренческой точки зрения, так как это основа нашего мира.
Мировоззренческое значение квантовой механики.
1. Позволила определенным образом понять особенности микромира и описать его.
2. Расширила наши знания о структуре и свойствах материи.
3. Расширила системный взгляд на мир, который не сводится к простой сумме его составных частей, а представляется целостной системой уже на физическом уровне.
4. Сделала еще один шаг на пути утверждения релятивистского подхода в науке на смену механистическим воззрениям.
4.5. Квантовая теория поля. Синтез квантового и релятивистского подходов
Важный этап развития квантовой теории связан с работами английского физика П. Дирака, который в конце двадцатых годов 20 века соединяет квантовый подход и релятивистский. Он также применяет квантовые принципы к теории электромагнитного поля, что приводит к созданию квантовой электродинамики, а затем и квантовой теории поля (КТП), которая стала в дальнейшем одним из основных инструментов современной физики.
В 1931 году Дирак предсказал на основе новой теории позитрон и явления взаимопревращения частиц, что в дальнейшем было подтверждено опытом.
В 1932 году позитрон открыт в космических лучах американским ученым Андерсоном (далее, открыт антипротон в 1955 году и антинейтрон в 1956 году). Фундаментальное открытие, ведь позитрон не входит в состав земного вещества. Появляются понятия античастиц, антивещества, антимиров.
В 1933 году экспериментально подтверждается предсказание Дирака о взаимопревращении частиц. Электрон и позитрон аннигилируют в фотон, а также обратное рождение пары электрон – позитрон. Новая теория работает!
Особенности поля в КТП.
1. Поле не рассматривается более как непрерывная сущность с любыми значениями характеристик.
2. Атрибутами поля становятся квантовость, дискретность, то есть значения параметров поля квантуются.
3. Поле понимается как поток частиц, волновых пакетов.
4. Каждая частица понимается как определенное возмущение поля в пространстве-времени (аналогия: удар кнутом, волна по длинной веревке).
5. Каждому виду физических взаимодействий ставится в соответствие поле, а каждому полю – определенные частицы.
А какие известны на сегодняшний день физические взаимодействия?
4.6. Виды физических взаимодействий, их поля и частицы. Перспективы создания единой теории поля
Известны следующие физические взаимодействия.
1. Электромагнитное взаимодействие – электромагнитное поле – фотоны (-кванты).
2. Гравитационное взаимодействие – гравитационное поле – гравитоны (еще не обнаружены).
3. Сильное взаимодействие – поле ядерных сил – мезоны.
Почему стабилен атом было понятно, поскольку отрицательные электроны притягиваются к положительному ядру за счет электромагнитного взаимодействия, а вот почему стабильно ядро? Протоны в ядре - все положительные, почему они не отталкиваются? Изучая этот вопрос, пришли к выводу, что существует новое взаимодействие, отличное от всех других – сильное (ядерное) взаимодействие, которое характеризуется 1) малым радиусом действия (~ 10-13 см), 2) сохранностью величины заряда, но отсутствием зависимости от него, 3) частицей-носителем мезоном, который был предсказан японским физиком Х. Юкавой в 1935 году и экспериментально открыт в 1947 году английским ученым Пауэллом. Таким образом, сильное взаимодействие – это взаимодействие между нуклонами, то есть между протонами и нейтронами в ядре атома. Они обмениваются мезонами, поэтому ядро стабильно и не распадается.
4. Слабое взаимодействие.
Когда физики стали разбираться с радиоактивностью химических элементов, с радиоактивным распадом, то бета-распад* (-распад) никак не объяснялся с применением известных физических взаимодействий. В 1934 году итальянский физик Э. Ферми при создании теории -распада впервые вводит новое, так называемое, слабое взаимодействие. В 1957 году группа физиков из США (Гелл-Ман, Фейнман, Маршак, Сударшан) создали теорию слабого взаимодействия, в соответствии с которой:
1) это взаимодействие очень короткодействующее (~2*10-16 см, короче сильного и действует в ядре атома);
2) в нем могут участвовать все элементарные частицы;
3) величина заряда в слабом взаимодействии не сохраняется;
4) оно обуславливает взаимопревращения частиц, например, протон превращается в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино (обладает уникальной проникающей способностью);
5) обуславливает тем самым энергию звезд (водород превращается в гелий с испусканием нейтрино);
6) частицы, соответствующие слабому взаимодействию – векторные бозоны W+, W-, Z0, обнаруженные экспериментально в 1983 году.
В соответствии с константами связи (по своей силе) физические взаимодействия располагаются следующим образом: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное (самое слабое).
Одна из главных задач современной физики – создание единой теории поля и физических взаимодействий, объясняющей разные явления с единых позиций и позволяющей создать картину мира на единой основе. Каковы ее история и перспективы поясняет следующая табл. 4.3.
Таблица 4.3
История и перспективы создания единой теории поля и физических взаимодействий
| Электричество | Электромагнетизм Фарадей, 1831 Максвелл, 1873 | Электрослабое теория, 1967 (Глэшоу Вайнберг Салам) опыт, 1983 | Великое Объединение (уже есть теоретические модели) | Суперобъединение |
| Магнетизм | ||||
| Слабое (не было известно) | Слабое | |||
| Сильное (не было известно) | Сильное | Сильное | ||
| Инерция | Гравитация Эйнштейн, 1916 | Гравитация | Гравитация | |
| Гравитация |
4.7. Строение микромира. Структура материи
Сегодняшняя ситуация в физике микромира похожа на ситуацию, которая была в химии до открытия таблицы Менделеева. Частиц много, а как их сортировать - до конца не ясно. Ранний максимализм (1932 год, открытие нейтрона и первая модель ядра) по строению микромира (1. вещество состоит из молекул – мельчайших частиц вещества, сохраняющих его свойства; 2. молекулы состоят из атомов химических элементов; 3. атомы состоят из ядра и электронов; 4. ядро состоит из протонов и нейтронов) давно в прошлом. Что сейчас?
Рассмотрим поэтапно взгляды на структуру материи.
1 этап (до появления КТП, см. табл. 4.4)
Таблица 4.4
Структура материи
| Материя | |
| Частицы вещества | Поле |
2 этап (на основе КТП, см. табл. 4.5)
Таблица 4.5
Структура материи
| Материя | |||||
| Частицы вещества или Фермионы (Ферми-частицы) | Кванты полей или Бозоны (Бозе-частицы, названы в честь индийского физика Бозе) | ||||
| Адроны (протоны, нейтроны и др. частицы ядра) состоят из кварков | Лептоны (электроны, нейтрино) | Фотоны | Гравитоны | Глюоны | Векторные бозоны |
Прибавим к этому античастицы (позитроны, антипротоны и т.д.). Получается пестрая картина. Почти о всех частицах мы уже разговаривали, кроме кварков и глюонов. Рассмотрим их чуть подробнее.
В 60-х годах ХХ века наука, идя по пути дальнейшего разложения материи на «кирпичики», выдвигает гипотезу о кварках – частицах, из которых состоят протоны, нейтроны и другие адроны (1964 год, Гелл-Ман, Цвейг (США)). Кварк – слово, которое ничего не значит, поскольку ученые «устали» давать частицам значащие названия типа «атом» - неделимый (а он, вдруг, взял и разделился). Чтобы это не повторилось, дали ничего не значащее название.
Особенности кварков (их насчитывают уже десятки видов):
- обладают дробными электрическими зарядами, что не характерно для других частиц;
- предположительно, не могут существовать в свободном виде;
- участвуют в сильном взаимодействии и обладают зарядом сильного взаимодействия – цветом (цветным зарядом – 3 вида) – новая характеристика;
- обладают ароматом (6 видов) – еще одна новая характеристика – и, если каждый кварк может иметь только один цвет и один аромат, то получается 18 различных видов кварков!
Кварки, как было отмечено, составляют адроны. В табл. 4.6 приведена классификация адронов.
Таблица 4.6
Классификация адронов
| Адроны (бесцветны как белый свет, состоящий из разных цветов радуги) | |
| Барионы (протоны, нейтроны) Состоят из трех разноцветных кварков | Мезоны Состоят из пары кварк-антикварк |
Особенности глюонов. Это - носители связей между кварками, то есть являются «переносчиками» сильного взаимодействия. Характеризуются цветным зарядом и массой покоя равной нулю.
3 этап (современная постнеклассическая физика, см. табл. 4.7)
Таблица 4.7
Структура материи
| Материя | ||
| Вещество | Поле | Вакуум |
Вакуум (от латинского слова «пустота», ничто) сейчас рассматривается физикой скорее как «нечто по имени ничто», имеет большое значение и его исследование – одна из важнейших задач физики.
Рассмотрим современную концепцию вакуума.
1. Рассматривается особой формой материи.
2. Рассматривается прародителем всех частиц (других форм материи), поскольку
- квантовые эффекты могут на время нарушать закон сохранения энергии и приводить к рождению короткоживущих виртуальных частиц,
- предполагается возможным спонтанное нарушение симметрии исходного вакуума, приводящее к дальнейшему развитию (переход от неустойчивой симметрии к устойчивой асимметрии, что приводит к образованию реальных частиц из виртуальных и дальнейшему развитию мира),
- энергетическую асимметричность вакуума выражает поле Хиггса, которому соответствует бозон Хиггса, предсказанный шотландским ученым Хиггсом в 1964 году, но пока не обнаруженный (виртуальные частицы, взаимодействуя с ним, возможно, переходят в реальные, обретая массу),
- предполагается, что первичный вакуум обладал высокой энергией, в отличие от нынешнего (низкоэнергетического), который уже отдал свою энергию для образования других форм материи (вещества и поля),
- в ходе процесса преобразования исходного вакуума в вещество и поле, нарушение симметрий привело к сегодняшнему состоянию структуры материи и физических взаимодействий (сейчас мы видим разные частицы, разные физические взаимодействия и другое разнообразие мира, а ранее все было едино).
3. Рассматривается как сущность, выражающая момент неразложимости мира на обособленные составляющие (другими словами, выражает целостность, единство мира на физическом уровне).
Мировоззренческое значение КТП и физических концепций в целом, поскольку КТП соединила в себе основные подходы современной физики – релятивистский и квантовый.
1. Окончательно сокрушили механистическую парадигму и механистическую картину мира, на смену которой пришла современная картина мира, базирующаяся, прежде всего, на релятивистской исследовательской программе.
2. Кардинальным образом пересмотрели основополагающие понятия материи и движения, пространства и времени, а также их взаимосвязи. Расширили наши знания об их свойствах и структурах.
3. Развили целостный системный взгляд на мир, который представляется единым и не сводимым к простой сумме составляющих его частей уже на физическом уровне.
4. Утвердили применение полевого подхода в науке и сделали еще шаг на пути унификации физических явлений, ранее понимаемых обособленно.
5. Развили научную космологию, которая опирается сейчас на ОТО и КТП.
6. Преодолели разобщенность мира, которая имела место в классической физике между физической картиной мира и человеком (изучение природы с учетом присутствия человека, субъекта познания, поскольку без учета этого влияния немыслимо дальнейшее продвижение познания). Развили антропный принцип.