Geum.ru

Валентин Максимилианович Макаров Концепции современного естествознания. Часть I учебное пособие

Вид материалаУчебное пособие

Содержание


Проблемы интерпретации квантовой механики. Принцип дополнительности.
Концепция атомизма и элементарные частицы.
Левкипп (современник и предполагаемый учитель Демокрита), а затем и глава школы атомистов Демокрит
Беккерелем Антуан Анри
Джойса Джеймса
Подобный материал:
1   ...   8   9   10   11   12   13   14   15   16

Проблемы интерпретации квантовой механики. Принцип дополнительности.


Созданный группой физиков в 1925–1927 гг. формальный математический аппарат квантовой механики убедительно продемонстрировал свои широкие возможности по количественной оценке значительного эмпирического материала; показал, что квантовая механика пригодна для описания определенного круга явлений. Вместе с тем её абстрактность и значительные отличия от классической механики создавали ощущение незавершенности, неполноты новой теории. В результате возникло мнение о необходимости ее завершения.

А. Эйнштейн и ряд физиков считали, что квантово - механическое описание физической реальности существенно неполно, т.е., созданная теория не является фундаментальной, а лишь промежуточной ступенью по отношению к ней, поэтому ее необходимо дополнить принципиально новыми постулатами и понятиями, т.е. дорабатывать ту часть оснований новой теории, которая связана с ее принципами.

Другие физики (Н. Бор, В. Гейзенберг) считали, что новая теория является фундаментальной и дает полное описание физической реальности, а прояснить положение вещей можно было здесь только путем более глубокого исследования проблемы наблюдений в атомной физике. Иначе говоря, Бор и его единомышленники полагали, что «доработку» квантовой механики следует вести по линии уточнения той части ее оснований, которые связаны не с принципами теории, а с ее методологическими установками, по линии интерпретации созданного математического формализма. Разработка методологических установок квантовой механики, являвшаяся важнейшим звеном в интерпретации этой теории, продолжалось вплоть до конца 40-х гг. завершение выработки этой интерпретации означало и завершение научной революции в физике, начавшейся в конце IX века.

Основной отличительной особенностью экспериментальных исследований в области квантовой механики является фундаментальная роль взаимодействия между физическим объектом и измерительным устройством. Это связано с корпускулярно-волновым дуализмом. И свет, и частицы проявляют в различных условиях противоречивые свойства, в связи с чем о них возникают противоречивые представления. В одном типе измерительных приборов (дифракционная решетка) они представляются в виде непрерывного поля, распределенного в пространстве, будь то световое поле или поле которое описывается волновой функцией. В другом типе приборов (пузырьковая камера) эти микроявления выступают как частицы. Причина корпускулярно-волнового дуализма по Бору, в том, что сам микрообъект не является ни волной, ни частицей в обычном понимании.

Невозможность провести резкую границу между объектом и прибором в квантовой физике выдвигает две задачи:
  1. каким образом можно отличить знания об объекте от знаний о приборе;
  2. каким образом, различив их, связать в единую картину, теорию объекта.

Вследствие того, что сведение о микрообъекте, о его характеристиках получают в результате его взаимодействия с классическим прибором (макрообъектом), микрообъект можно интерпретировать только в классических понятиях, т.е. использовать классические представления о волне и частице. Мы как бы вынуждены говорить на классическом языке, хотя с его помощью нельзя выразить все особенности микрообъекта, который не является классическим. Поэтому первая задача разрешается введением требования описывать поведение прибора на языке классической физики, а принципиальное поведение микрочастиц – на языке квантово-механических формализмов. Вторая задача разрешается с помощью принципа дополнительности: волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают и не заменяют друг друга, а взаимно дополняют друг друга.

При одном представлении микрообъекта используется причинное описание соответствующих процессов, а в другом случае – пространственно-временное. Единая картина объекта синтезирует эти два описания.

Контрольные вопросы
  1. Кем и когда были установлены основы матричной механики?
  2. Какой принцип является основой физической интерпретации квантовой механики?
  3. Кто первым пришёл к идее о существовании волновых свойств любых частиц материи?
  4. Кто является автором волновой механики?
  5. Обнаружение, какого явления дало экспериментальное подтверждение волновой механики?
  6. Какие теории позволила объяснить и построить теоретическая квантовая механика?
  7. Сформулируйте принцип дополнительности.



  1. Концепция атомизма и элементарные частицы.


Составной частью научной картины мира являются представления о строении материи. В истории философии и естествознания самым плодотворным оказались идеи атомизма, уходящие своими корнями в античную философию. Поэтому с начало несколько слов об античных атомистах и их предшественниках. (Фалес (625–574 гг. до н. э.): основа всего, всех вещей – вода, из нее все возникло и в нее же все превращается в результате гибели. Анаксимен (585–525 гг. до н. э.) – такой основой является воздух; но Гераклиту (Эффесскому) (ок. 544–483 гг. до н. э.) – огонь, по Ксенофану Колофонскому (565–473 гг. до н. э.) – земля.

В V в. до н.э. древнегреческий мыслитель Левкипп (современник и предполагаемый учитель Демокрита), а затем и глава школы атомистов Демокрит (460–370 гг. до н. э.) заложили основы концепции атомизма. Однако спор между сторонниками и противниками идеи атомизма продолжался на протяжении многих веков. (Эпикур 341–270 гг. до н. э.) – наделил атомы свойством тяжести; Лукреций Кар (96–55 гг. до н. э.) объясняя природу магнита в своей поэме «О природе вещей» потоком мельчайших атомов, вытекающих из него).

Концепция атомизма была влиятельной и в античной культуре. И даже средневековая церковь по своему признавала ее, борясь с атомизмом на протяжении восьми столетий. В эпоху Возрождения античный атомизм получает «второе дыхание». Однако подлинно триумфальным было шествие концепции атомизма в естествознании Нового и Новейшего времени (с начала XVII в. до конца XIX в.). Правда, в классической механике оперировали понятием материальной точки, лишенной размера, в которой сосредоточена вся масса тела. Физики, однако, понимали, что это – абстракция, идеализации, приспособленная к нуждам теоретической физики. Реальным же (т.е. физическим) кирпичиком, из которого построено все мироздание, являются атомы. «Мне представляется, – отмечал И. Ньютон, – что Бог с самого начала сотворил вещество в виде твердых, весомых, непроницаемых, подвижных частиц и что этим частицам он придал такие размеры и такую форму и такие другие свойства и создал их в таких количествах, как ему нужно было для такой цели, для которой он их сотворил.

Эти первичные частицы абсолютны тверды: они неизмеримо более тверды, чем тела, которые из них состоят, настолько тверды, что они никогда не изнашиваются, не разбиваются вдребезги, так как нет такой силы, которая могла бы разделить на части то, что сам Бог создал нераздельным и целым в первый день творения…..они не изнашиваются».

В XIX в. концепция атомизма разрабатывается на почве естествознания и облекается в научную форму. В начале XIX в. для объяснения ранее открытых химических законов и законов идеального газа трудами английского ученого Джона Дальтона (1766–1844 гг.), итальянского ученого Амедео Авогадро (1776–1856 гг.), закладывается представление об атомах как мельчайших частицах химических элементов. В середине XIX в. проведены различие между атомом и молекулой. В то же время идея атомизма в термодинамике воплощается в форму молекулярно-кинетической теории.

«Даже когда Солнечная система распадется, на её развалинах возникнут новые миры; атомы, из которых она состоит, останутся целыми и неизношенными». Это высказывание Джеймса Клерка Максвелла (1831–1879 гг.), относящееся ко второй половине XIX в., созвучно со словами Ньютона. В своей речи, произнесенной на съезде Британской ассоциации в Бредфорде, Максвелл отмечал: «При мысленном делении вещества, следовательно, мы должны в воображении дойти до атома, который, как буквально значит это слово, не может быть разделен пополам, - такова атомистическая картина Демокрита, Эпикура, Лукреция, я могу прибавить, и вашего лектора».

В 1869 г. Д. И. Менделеев открыл закон периодической зависимости свойств химических элементов от их атомного веса. Тем самым концепция атомизма получает не только теоретическое, но и эмпирический обоснование. Правда, поскольку самому Менделееву не удалось в полном объеме объяснить указанную периодичность атомными весами, то он вынужден был допустить существование более точного объяснения этой зависимости. И действительно, позже было найдено электронное, а еще позже – ядерное, или нуклонное, объяснение свойств химических элементов. Открытия в физике конца XIX – начала XX вв. существенно обогатили прежние представления об атомах.

В конце 90-х годах XIX в. в результате исследований радиоактивного распада французскими учеными Беккерелем Антуан Анри (1852–1908 гг.) и супругами Марией (1867–1934 гг.) и Пьером Кюри (1859–1906 гг.) были получены данные, свидетельствующие о делимости атомов. В 1897 г. английский физик Джозефер Томсон (1856–1940 гг.) открыл электрон, измерил величину его электрического заряда и массу.

Продолжая исследования радиоактивного распада, английские ученные – физик Эрнст Резерфорд и химик Ф. Содди в 1902 г. представили радиоактивность как изменение внутренней структуры атомов и превращение одних химических элементов в другие.

Сначала предположили, что ядро атома состоит из электронов и положительно заряженных частиц, которые назвали протонами, однако в 1932 г. Джеймс Чедвиг обнаружил, что в ядре есть еще и другие частицы – нейтроны, масса которых почти равна масса протона, но которые не заряжены.

Открытие волновой природы электрона раскрыло новый, своеобразный мир явлений. Изящная теория электрона была предложена выдающимся английским физиком-теоретиком Полем Адриеном Морисом Дираком (1902–1984 гг.) в 1928 г. Эта теория дает нам возможность определить, когда электрон сходен с частицей, а когда с волной. Одна из посылок теории Дирака об электроне заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как и электрон, но с положительным зарядом. Такая частица (или античастица) была обнаружена в 1932 г. в составе космических лучей и названа позитроном. Из теории Дирака также следовало, что позитрон и электрон, взаимодействуя между собой (реакция аннигиляции), образует пару фотонов, т.е. квантов электромагнитного излучения. Возможен и обратный процесс (процесс рождения), когда фотон, взаимодействия с ядром, превращается в пару электрон-позитрон.

В 1936 г. при исследовании космических лучей были обнаружены частицы, названные мюонами, с положительным и отрицательным знаком заряда (то есть частица и античастица). Мюоны по своим свойствам похожи на электроны и позитроны, но в двести раз тяжелее их. К строению вещества мюоны прямого отношения не имеют и поэтому казались «лишними».

В дальнейшем выяснилось, что «лишних» (не имеющих прямого отношения к веществу, подобно мюонам) частиц существует много. В 1947 г. также в космических лучах были обнаружены положительно и отрицательно заряженные π-мезоны. Эти частицы в 280 раз тяжелее электрона. В период с 1949 по 1952 годы открываются заряженные и нейтральные κ-мезоны с массой, в тысячу раз больше массы электрона, а также некоторые виды гиперонов – частицы разных знаков заряда, несколько тяжелее протонов, К-мезоны и гипероны в совокупности получили название «странных» частиц.

С начала 50-х годах ускорители стали главным инструментом исследования элементарных частиц. В 1955 г. был открыт антипротон, а в 1956 г. – античастица нейтрона (антинейтрон), в 1960 г. – антисигма – гиперон, а 1964 – самый тяжелый гиперон (Ω). В 1960-х годах на ускорителях было получено число крайне неустойчивых частиц, названных резонансами, со временем жизни 10-22 – 10-24 сек. К концу 90- х годов число открытых частиц и античастиц приблизилось к 400.

Как соотнести все это большое число микрочастиц с протонами, нейтронами и электронами (из которых непосредственно образовано вещество)? Следует ли все их рассматривать как элементарные образования? Специалисты называют все многообразие частиц «субъядерными частицами» в том смысле, что все они существовали на самой ранней стадии эволюции Вселенной (когда материя была еще плотной и горячей, когда еще не происходило образование ядер атомов), существовали и после образования вещества, существуют и в настоящее время.

Открытие большого числа микрочастиц вызвало потребность их классификации. В качестве существенного признака деления был принят вид, или тип взаимодействия – сильные и слабые. Сильное взаимодействие обуславливает очень сильное сцепления нуклонов (протонов и нейтронов) в атомных ядрах, а порождаемые им процессы протекают с большой интенсивностью, то есть «сильно». Частицы, обладающие сильным взаимодействием назвали адронами (от древнегреческого «адрос» - большой, сильный). Подавляющее большинство субъядерных частиц относят к адронам. Вне этой группы оказываются лишь электроны, мюоны, тау-частицы и все нейтрино. Эти частицы в совокупности назвали летонами (от древнего греческого «лептос» - мелкий, тонкий).

Все элементарные частицы являются объектами исключительно малых масс и размеров. У большинства из них массы имеют порядок величины массы протона равной 1,6 х 10-24 г (для частиц ненулевой массой заметно меньше лишь масса электрона – 0,9 х 10-27 г). Размеры протона, нейтрона, π - мезона и других адронов порядка 10-13 см, а для электрона и мюона размеры неопределенны, но они меньше 10-16см. Микроскопические массы и размеры элементарных частиц подчиняются законам квантовой и волновой механики.

Не случайно, поэтому само понятие элементарной частицы связывают с волновыми характеристиками микрочастиц – с их энергией и импульсом. Энергия элементарных частиц определяется как произведение постоянной Планка на длину волны микрочастицы.

Элементарная частица – это квант поля, т. е. плоская (возможно сферическая или другой формы) единичная волна. Представить элементарную частицу как бесструктурное дискретное образование, как некую песчинку трудно и даже невозможно. Но и абсолютизировать одну только волновую характеристику элементарных частиц не правомерно, поскольку идея «состоит из ….», выражающая дискретные свойства материи, продолжает служить науке. Подтверждением этого явления стало установление кварков как частиц материи.

Идею кварков выдвинули в 1964 г. американские физики-теоретики (Д. Цвейг) (р. 1937 г.) и независимо от него М. Геля-Ман (р. 1929 г.) из теоретических соображений. Кварки трактовались как гипотетические пра – частицы, из которых образовались адроны. Таким образом теория кварков – это теория строения адронов.

Термин «кварк» выбран совершенно произвольно. В романе ирландского писателя Джойса Джеймса (1882–1941 гг.) «поминки по Финнегаму» герою снится сон, в котором мечущиеся над бурным морем чайки кричат резкими голосами: «Три кварка для мистера Марка!» Такая произвольность вполне созвучно абстрактно-ненаглядному характеру понятий современных физических теорий.

Основная идея этой теории очень проста: все адроны построены из более мелких частиц – кварков. Кварки несут дробный электрический заряд который составляет либо –1/3 , либо +2/3 заряда электрона.. Комбинация из двух и трех кварков может иметь суммарный заряд, равный 0 или 1. Все кварки имеют спин ½. Основоположники теории кварков М. Геля-Ман и Д. Цвейг, чтобы учесть все известные в 60-е гг. адроны ввели три сорта (аромата) кварков: и (от ир - верхний); и d (от доwп - нижний) и s (от strange - странный).

Кварки могут соединяться друг с другом одним из двух возможных способов: либо тройками либо парами кварк - антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяжелые частицы – барионы; наиболее известные барионы – нейтрон и протон. Более легкие пары кварк - антикварк образуют частицы получившие название – мезоны. Например, протон состоит из двух и и одного d - кварка, а нейтрон из двух d - кварков и одного и - кварка. Чтобы это «трио» кварков не распадалось, необходима удерживающая их сила, некий «клей».

Оказалось, что результирующее взаимодействие между нейтронами и протонами в ядре представляет собой просто остаточный эффект более мощного взаимодействия между самими кварками. Это объяснило, почему сильное взаимодействие кажется столь сложным. Когда протон «прилипает к нейтрону или другому протону, во взаимодействии участвуют шесть кварков, каждый из которых взаимодействует со всеми остальными. Значительная часть энергии тратится на прочное «склеивание» трио кварков, а небольшая – на скрепление двух трио кварков друг с другом.

То обстоятельство, что из различных комбинаций трех основных частиц можно получить все известные адроны, стало триумфом теории кварков.

В 1969 г., удалось получить прямые физические доказательства существования кварков в серии экспериментов по рассеянию (разогнанных до высоких энергией) электронов на протонах. Эксперимент показал, что рассеяние электронов происходило так, как если бы электроны налетали на крохотные твердые вкрапления и отскакивали от них под самыми невероятными углами. Такими твердыми вкраплениями внутри протонов являются кварки.

Но в 70-е гг. были открыты новые адроны (ψ - частицы, и υ - мезон и др). этим был нанесен чувствительный удар первому варианту теории кварков, поскольку в том варианте уже не было места ни для одной новой частицы. Все возможные комбинации из кварков и их антикварков были уже исчерпаны. Проблему удалось решить за счет введения трех новых ароматов. Они получили названия – charm (очарование) или с; b - кварк (от beauty – красота или прелесть); впоследствии (1994 г.) введен еще один аромат – t (от top – верхний).

Итак, к настоящему времени открыть 6 кварков u, d, c, s, t, b; a соответствующие им антикварки обозначают теми же буквами, но с чертой над каждой из них. Таким образом, 6 кварков и 6 антикварков, т. е. 12 фундаментальных частиц призваны объяснить почти все многообразие микрочастиц, кроме лептонов – это триумф идей атомизма в современной научной форме. Но тогда следует признать, что и лептоны относятся к числу фундаментальных микрочастиц, поскольку они не выводимы из кварков. В таком случае из кварков и антикварков, лептонов и антилептонов должно быть выведено и объяснено все многообразие элементарных частиц.

В теории кварков каждый кварк может быть носителем одного из трех основных «зарядов» или цветов, - синего, зеленого, красного, а каждый антикварк может иметь антикрасный, или антисиний, или антизеленый «заряд» сильного взаимодействия. Это – «заряды» основных цветов, но могут быть и не основные цветовые «заряды».

При объединении кварков их цвета («заряды» сильного ядерного взаимодействия) соединяются также как в оптике, где сложение красного, синего и зеленого дает белый (бесцветный) цвет. Поэтому тяжелые частицы (протоны и нейтроны) образуются соединением цветов, чтобы в сумме получался белый цвет. Такому простому правилу подчиняются соединения кварков в адронах. Белый цвет получается и от сложения двух цветов – одного из основных и дополнительного к нему, например зеленого и пурпурного. Поэтому более легкие адроны, например мезоны, образуются соединением двух кварков. Из цветовых особенностей зарядов кварков и вытекает особенность, названия теории кварков – квантовой хромодинамикой.

Таким образом, 6 кварков, каждый из которых может находится в одном из трех состояний (63), в итоге дают 18 типов кварков. Существует столько же типов антикварков [(63)2=36]. Лептоны – тоже бесструктурные образования (как и кварки) и также обладают свойством симметрии: с каждым лептоном сопоставляются антилептон, кроме того, кварки одного поколения сопоставляются с лептонами того же поколения. Тогда общее количество фундаментальных прачастиц определяется суммой всех антикварков и суммой всех лептонов и антилептонов. [лептонов (62)=12+кварков(63)2=36;∑=48].

Указанное нарастание бесструктурных прачастиц в количественном отношении пугает отдельных ученых: искали простоты в основе сложного и казалось, что нашли её, но она снова ускользнула от них. Поэтому некоторые физики выдвинули предположение, что даже кварки состоят из более мелких частиц – прекварков. Возможно, что и лептоны построены из прекварков. Может быть, эта последовательность все более мелких строительных блоков матери неисчерпаема, поэтому истинно элементарных частиц не существует?

Так рисует положение дел английский астрофизик Пол Девис в книге «Случайная Вселенная», но если, как считает автор, «отвлечься от априотных предложений и держаться данных современной науки, что мы должны признать, что кварки и лептоны являются фундаментальными бесструктурными строительными блоками всего вещества».

Далее П. Девис приводит интересное наблюдение, оказывается шесть исходных кварков не равноценны, они отчетливо подразделяются на три пары, которые Девис классифицирует как три поколения кварков. К первому поколению относятся кварки u и d, ко второму- c и s, к третьему- t и b. Оказывается так же, что квантовые параметры всех трех пар (всех поколений) аналогичны. То есть природа почему-то дважды дублирует эти строительные блоки (второе и третье поколение дублируют первое). Дублирование имеет место и между соответствующими парами (поколениями) лептонов. Поэтому для объяснения всего вещества Вселенной достаточно только первой пары кварков (u и d) и первой пары лептонов (электрона ē и нейтронного нейтрино νē).

Дело в том, что кварки второго и третьего поколений последовательно тяжелее предыдущих, т.е кварки первого поколения самые легкие, энергетически выгодные для природы. Время существования микрочастиц, образованных из кварков второго и третьего поколений, очень мало, и они быстро превращаются в частицы, образованные из кварков первого поколения. Только микрочастицы, образованные из кварков первого поколения (u и d) и лептонов первого поколения (ē и νē), оказываются стабильными. Еще нужно учесть античастицы этих двух кварков и двух лептонов. Таким образом, из восьми фундаментальных прачастиц можно объяснить все вещество Вселенной.

Это значит, что квантовая и волновая механика необычно развила идеи атомизма и естественнонаучного атомизма, нового и новейшего времени включает в себя их положительное содержание. Поэтому в современной форме атомизма сфокусирована в сжатом виде богатая научная информации. Образно и эмоционально эту мысль выразил известный американский физик-теоретик Ричард Филипс Фейнман (1918–1988 гг.) в начале чтения своего оригинального курса физики в начале 60-х г. в Калифорнийском технологическом институте (США): «Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего числа слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это – атомная гипотеза (можете называть ее не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет: все тела состоят из атомов – маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать к другому. В одной этой фразе, как вы убедитесь, содержится невероятное количество информации о мире, стоит лишь приложить к ней немного воображения и чуть соображения»

До сих пор мы акцентировали внимание на преемственности в развитии идей атомизма от древности до наших дней. Отметим имеющиеся различия.

Между античной и естественнонаучной (XVII–XIX века) формами атомизма различия в основном терминологические. Но зато между современной и двумя предыдущими формами разница необычайно существенно, если прежде материя представлялась косной, поскольку она сводилась к неизменной массе, что в квантовой и волновой механике от этого не осталось и следа. По современным представлениям материальные объекты подвижны, изменчивы и превращаются из одних форм в другие. Так, электрон и позитрон, обладающий вещественной массой, при взаимодействии аннигилируют, превращаясь в излучения, фотоны, которые как бы не имеют вещественной массы. Однако взаимодействие фотонов снова рождает пару электрон – позитрон, которые опять таки обладают определенной массой. Каждая элементарная частица окружена квантами соответствующего поля и существенно зависит от их влияния. В этом смысле можно сказать, что «вся» (каждая частица) зависит от «всего» (от всех других частиц).

Современная физика показывает, что природа глубоко диалектична. В настоящее время свести материю к прерывному или непрерывному, к вещественной или не вещественной массе, к изменчивости или устойчивости – значит вступить в противоречия не только с современной физикой но и с диалектикой потому что материя и прерывна и непрерывна и вещественна и не вещественна и количественна.

Современная наука подняла идею атомизма на небывалую высоту. Оказывается, что исходя всего лишь из восьми фундаментальных прачастиц можно объяснить обычное вещество всей Вселенной! О такой сильной форме атомизма прежние мыслители и естествоиспытатели не могли и мечтать. Вместе с тем трактовка материи в современной форме атомизма придает современной естественнонаучной картине мира относительную завершенность.

Контрольные вопросы
  1. На основании каких экспериментов был сделан вывод о делимости атомов?
  2. Кем и когда был открыт электрон?
  3. Когда и кем были обнаружены нейтрон и позитрон?
  4. Кем и когда была предложена теория электрона?
  5. На какие частицы по свойствам похожи мюоны и чем они от них отличаются?
  6. Расскажите о свойствах пи-мезонов?
  7. Какие элементарные частицы были открыты в период с 1949 по 1952 гг., в 1955 г., 1956 г., 1960 г.,1964 г.?
  8. Как называются частицы, обладающие сильным взаимодействием; слабым взаимодействием?
  9. Кем и в каком году была выдвинута идея о существовании гипотетических частиц – кварков?
  10. Перечислите все известные в настоящее время кварки, и какой заряд они несут.