ФОРМИРОВАНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ И КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ

1.       ФОРМИРОВАНИЕ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ И КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ.

СПЕЦИФИКА ЕЁ ЗАКОНОВ И ПРИНЦИПОВ.

Квантовая механика и квантовая физика в основном сфор­мировались в первые два десятилетия XX в. усилиями М. Планка, А. Эйнштейна, Н. Бора, Л. де Бройля, В, Гейзенберга, Э. Шрёдингера и других ученых. Динамическое, однознач­ное, с указанием точной траектории описание движения клас­сической механикой отрицается здесь вероятностно-статисти­ческой картиной взаимодействий. Непрерывность обмена энер­гией в макромире заменяется строгой порционностыо излуче­ний в мире элементарных частиц. В квантовой физике каче­ственно изменились представления о структуре, простоте и сложности микрочастиц, о роли приборов в их познании и т.д.

До конца XIX в. мельчайшей структурной единицей материи считались атомы химических элементов. Открытие Д.И. Мен­делеевым в 1869 г. периодического закона подтолкнуло ученых к выводу о существовании более мелких частиц, свойства ко­торых обусловливают свойства атомов, в том числе и периоди­ческий закон их взаимосвязи. В 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл электрон — первую элементарную части­цу. В 1932 г. после открытия нейтрона картина строения веще­ства казалась в общих чертах окончательно выясненной. Изве­стных к тому времени частиц (протона, нейтрона и электрона) полностью хватало для того, чтобы объяснить строение и свой­ства всех веществ. Протоны и нейтроны, взаимодействуя друг с другом посредством особых ядерных сил (радиус действия 10"¹³ см), образуют атомные ядра, внешнюю оболочку атомов составля­ют электроны, притягивающиеся к ядру дальнодействующими кулоновскими силами (одно из проявлений электромагнитного взаимодействия).

Открытие нового структурного уровня строения материи и квантовых законов движения электронов заложило основы фи­зики твердого тела. Были поняты строение металлов, диэлект­риков, полупроводников, их термодинамические, электричес­кие и магнитные свойства. Открылись пути целенаправленно­го поиска новых материалов с необходимыми свойствами, пути создания новых производств, новых технологий. Большие ус­пехи были достигнуты в результате применения квантовой ме­ханики к ядерным явлениям. Квантовая механика и ядерная физика объяснили, что источником колоссальной энергии звезд являются ядерные реакции синтеза, протекающие при звезд­ных температурах в десятки и сотни миллионов градусов.

Плодотворным оказалось применение квантовой механики к физическим полям. Была построена квантовая теория элект­ромагнитного поля — квантовая электродинамика, объяснив­шая много новых явлений. Свое место в ряду элементарных частиц занял фотон — частица электромагнитного поля, не имеющая массы покоя. Синтез квантовой механики и специ­альной теории относительности привел к предсказанию анти­частиц. Оказалось, что у каждой частицы должен быть как бы свой «двойник» — другая частица с той же массой, но с проти­воположным электрическим или каким-либо другим зарядом. Английский физик П.А. Дирак, основатель релятивистской квантовой теории поля, предсказал существование позитрона и возможность превращения фотона в пару электрон—позитрон и обратно. Позитрон — античастица электрона — эксперимен­тально был открыт в 1934 г.

Замечательным подтверждением незыблемости закона со­хранения энергии и предсказательной силы теоретической мысли явилось открытие нейтрино. Экспериментально было установ­лено, что при радиоактивном р-распаде из атомного ядра ис­пускаются электроны (или позитроны), обладающие различ­ной энергией. Чтобы согласовать этот факт с законом сохране­ния энергии, швейцарский физик-теоретик В. Паули предпо­ложил, что одновременно с электроном (или позитроном) ядро испускает еще какую-то электрически нейтральную частицу, которая и уносит недостающую часть энергии. Она и была на­звана «нейтрино». Эта частица вылетает из ядра вместе с по­зитроном, а в случае испускания электрона из ядра вылетает «антинейтрино. В случае испускания электрона (<?) и анти­нейтрино (v,) при р-распаде происходит превращение нейтро­на (п) в протон (р): п-*р+ е + v, .В случае испускания по­зитрона (е⁺) и нейтрино (v) протон превращается в нейтрон: р -» п + е⁺ + v_t.

В классической физике вплоть до второй половины XIX в. под материей обычно понималось вещество. Электродинами­кой Максвелла положено основание физическому учению о поле как особой форме материи. Но вещество и поле рассматрива­лись отделенными друг от друга. Квантовая механика впервые позволила установить связь вещества и поля. Эксперименталь­ное открытие в 1927 г. диффракции электронов доказало, что микрочастицы вещества и поля имеют двуединую природу — одновременно и корпускулярную, дискретную, и волновую, непрерывную.

В квантовой механике корпускулярные и волновые поня­тия теряют свою «классическую» независимость. Движение мик­рообъектов лишь приближенно может трактоваться в одних слу­чаях как движение «классических» частиц, а в других случаях как распространение «классических» волн. Поэтому при опи­сании явлений атомного масштаба нельзя отвлекаться от тех физических условий, в которых они наблюдаются.

Квантовым величинам присущ характер относительности к средствам на­блюдения, что и делает их отличными от классических вели­чин, которые безотносительны к средствам наблюдения. По­нятие и термин «относительность к средствам наблюдения» ввел впервые наш соотечественник академик В.А. Фок.

Из основных положений квантовой механики вытекает «со­отношение неопределенностей», установленное В. Гейзенбергом.

Для объяснения соотношения неопределенностей Н. Бор выдвинул «принцип дополнительности», противопоставив его принципу причинности. При использовании прибора, позво­ляющего точно измерить координаты частиц, импульс может быть любым и, следовательно, причинная связь отсутствует. Применяя приборы другого класса, можно точно измерить им­пульс, а координаты становятся произвольными. В этом слу­чае процесс, по Н. Бору, совершается якобы вне пространства и времени, т.е. следует говорить либо о причинности, либо о пространстве и времени, но не о том и другом вместе.

В. Гейзенберг выдвинул принцип «неконтролируемого вза­имодействия» частицы с прибором. Неопределенность в зна­чении импульса и координаты, якобы, обусловлена тем, что взаимодействие частицы и прибора может быть познано лишь до некоторого предела, за которым принципиально невозмож­но познать объективные процессы микромира.

Борьбу против индетерминизма в квантовой физике, против отрицания объективных причинных, закономерных связей в мик­ромире вели П. Ланжевен, М.Лауэ, Л. де Бройль, М. Планк, А. Эйнштейн, советские физики С.И. Вавилов, В.А. Фок, Д.И. Блохинцев и другие. Они показывают, что соотношение неопределенностей свидетельствует лишь об ограниченной воз­можности применения понятий классической механики при описании «расплывшихся», одновременно дискретных и вол­новых объектов, какими являются электроны и другие микро­частицы.

Следует различать собственные положения кван­товой физики и естествознания вообще (в данном случае соот­ношение неопределенностей) и их философско-мировоззренческие трактовки, которые могут сильно отличаться друг от друга. И только в результате тщательного анализа можно уста­новить, какая из этих трактовок в наибольшей мере соответ­ствует самому естествознанию, самой объективной природе.

Классическое описание, основанное на законах Ньютона и электродинамике Максвелла, приближенно отражает закономер­ности реальных явлений, применимо при определенных огра­ничениях и являет частные случаи более общих законов Природы.

Современный подход к построению единой теории основы­вается на двух фундаментальных устоях:

• теории относительно­сти

•  квантовой механики.

Внутренняя цветовая симметрия, проявляющаяся в законах сохранения, лежит в основе динами­ческой теории взаимодействия кварков, открытых в 1979 г.: по­левая форма материи возникает только при высоких энергиях взаимодействующих частиц (теория цветовых сил).

Но и эти фундаментальные теории не дают универсальных зако­нов. Поэтому в настоящее время формулируются только прин­ципы подхода к установлению всеобщих законов Природы.

Анализируя роль принципов инвариантности, Ю. Вигнер ис­пользовал теорию групп и выделил ряд этапов в познании При­роды:

— в хаосе замечается ряд фактических эмпирических зако­номерностей;

— при выделении свойств природных явлений и их анализе выводятся математические формулировки законов Природы;

— синтез законов выстраивает ряд принципов, позволяющих перейти к новым утверждениям, предсказывающим иные физи­ческие явления и процессы;

— анализируются сами принципы и границы (условия) их выполнения.

Для описания поведения микрочастиц в 20-е годы нашего столетия началась разработка квантовой теории. Впервые на такую необходимость указал В. Гейзенберг в 1927 г., когда сфор­мулировал принцип, ограничивший возможности классическо­го описания поведения микрочастиц.

 

Принцип неопределенностей (Гейзенберг)

В классической механике можно определить положение и импульс движущейся точки на ее траектории в любой последо­вательный момент времени, если известны силы, действующие на нее.

Микрочастица, обладая и волновыми свойствами, является как бы протяженным объектом и не может одновременно иметь определенную координату и импульс, то есть нельзя утверж­дать, что микрочастица занимает определенное положение, и обладает определенным импульсом.  Это особенность поведе­ния микрочастицы. Иными словами, невозможно предсказать поведение каждого атома (как состоящего из этих частиц), а можно вычислить лишь среднее значение экспериментально наблюдаемых величин.

Этот принцип является фундаментальным, определяющим границы применимости классических представлений при опи­сании свойств микромира.

 

Принцип дополнительности (Бор)

Характеризует двойственность свойств Природы, противо­речивость которых только кажущаяся, а неопределенность ог­раничена лишь возможностями измерительных приборов или методов подхода (см. принцип Гейзенберга) фактически эти па­раметры лишь дополняют друг друга. Как-то: дуализм и нео­пределимость параметров элементарных частиц в физике; целостность и делимость живой природы в биологии; преем­ственность даже отвергнутых концепций в науке и т. д.

На сегодняшний день формирование квантовой и иных уни­версальных теорий не завершено, поэтому укажем лишь основ­ные, отправные ее принципы.

 

Принцип эквивалентности (Эйнштейна)

Поле сил инерции оказывает на все физические процессы такое же влияние, как и поле тяготения подобной структуры. Таким образом определяется равенство ускорения всех тел в одном и том же гравитационном поле, то есть эффекты тяго­тения и инерции до известной степени эквивалентности.

 

Принцип относительности (Эйнштейна)

Этот принцип справедлив и в оптике, и электродинамике, и других разделах физики и звучит так: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, равномер­но прямолинейно движущейся, или законы физики имеют оди­наковую форму во всех инерционных системах отсчета. Все системы отсчета были признаны равнозначными, и принцип относительности стал универсальным.

 

Принцип запрета (Паули)

В данном квантовом состоянии, может, находится только один электрон. Это логически вытекает из модели атома, пред­ложенной Бором: вокруг ядра электроны находятся на кольце­вых орбитах, а положение орбиты зависит от энергетического состояния электрона. На одном кольце может быть не более двух электронов с противо спинами, то есть с таким зарядовым чис­лом они взаимодействуют с окружающим магнитным полем.

Этот принцип позволил не только обосновать периодичес­кую систему элементов, но и объяснить насыщаемость элект­ронных оболочек, свойства пара- и диамагнетиков, квантовую химию и др.; построить современную теорию элементарных ча­стиц и квантовую теорию поля. А на базе квантовой механики затем создали целый ряд современных технологий.

Принцип соответствия

 

Электроны в атомах движутся по законам, отличным от законов классической механики и электродинамики, но в предельном случае они идентичны.

 

Вариационный принцип

 

Устанавливает связь между свойствами пространства-времени и законами сохранения.

 

Принцип инвариантности

 

Смещение во времени и в пространстве не влияет на протекание физических процессов. Здесь речь о переносах начала координат и начале отсчета времени.

 

Принцип суперпозиции

 

Этот принцип фиксирует независимость полей взаимо­действия при их наложении. Так, если в данную точку прихо­дят две волны одинаковой частоты, то результирующее поле равно их геометрической сумме.

 

Принцип положительной обратной связи

 

Неравномерность и неустойчивость, возникающая в от­крытой системе, вследствие взаимодействия системы со средой со временем не ликвидируется, а наоборот, усили­вается. Это приводит, в конечном счете, к разрушению пре­жних симметрии и, как следствие, к возникновению новой структуры.

 

Принцип корреляций (Кювье)

Ни одна часть организма (системы) не может меняться без соответствующего изменения других частей.

Подтверждение основных принципов является главной за­дачей экспериментальных и теоретических исследований в об­ласти элементарных частиц. Порядок в их многообразии стал наводиться после открытия новых данных и новых типов сим­метрии, а также математического анализа на основе теории групп.

Элементарные частицы — основа мироздания, но путь от частных теорий до всеобщей еще достаточно протяжен.

Из классических теорий наиболее близки к фундаменталь­ным описывающие законы сохранения Ньютона, Майера, Джо­уля, Гельмгольца, Фарадея, Пастера.

Однако законы сохранения, к примеру электрического заря­да, носят совсем иную природу, чем законы сохранения энергии, импульса или момента импульса. Так, закон сохранения энергии есть прямое следствие "однородности" времени (законы При­роды не меняются со временем). Из однородности простран­ства (независимость законов Природы относительно переноса начала координат) следует закон сохранения импульса. Нако­нец, из однородности пространства (повороты системы отсче­та) следует закон сохранения момента импульса .

При обобщении экспериментальных данных было установ­лено, что, кроме закона сохранения электрического заряда, мож­но ввести законы сохранения для новых квантовых чисел. В первую очередь они должны проявиться в реакциях взаимодей­ствующих частиц.

Общие законы Природы должны описываться уравнениями, справедливыми во всех системах координат — принцип общей ковариантности, то есть эти уравнения не меняют своей формы со сменой системы координат (если даже одна движется с уско­рением по отношению к другой).

Наиболее фундаментальной областью исследований являет­ся область, связанная со структурой материи и выяснения зако­нов взаимодействия составляющих ее частиц.