Копенгагенская интерпретация квантовой теории

4.3. Копенгагенская интерпретация квантовой теории

В основу объяснения был положен принцип неопределенности В.Гейзенберга. Точно описать поведение электрона нельзя, невозможно одновременно измерить точные значения двух параметров любой микрочастицы. Проверка колоссального количества эксперименгов по измерению различных параметров микрочастиц выявила неопределённость. Неопределённость в положении частицы, умноженная на неопределённость в её импульсе (скорость, умноженная на массу) не может быть меньше постоянной Планка. Эго число не зависит от эксперимента и от частицы, являясь фундаментальным свойством мира. Но можно указать вероятность, что в определённый следующий момент времени электрон будет найден в определённой точке камеры Вильсона. Функция вероятности описывает не само течение событий во времени, а тенденцию события.

В мысленном эксперименте В. Гейзенберг показал, что в микромире реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы её или нет. В принципе можно наблюдать электрон на его орбите, для этого нужен микроскоп с большой разрешающей силой. Будет пригоден микроскоп, использующий лучи с длиной волны меньшей размеров атома. В процессе наблюдения по меньшей мере один квант света пройдёт через микроскоп и столкнётся с электроном, что изменит его импульс и скорость. Следовательно, событие должно быть ограничено наблюдением. Результат наблюдения не может быть предсказан, предсказывается вероятность (не определённое событие, а ансамбль возможных событий). В описание атомных процессов вводится субъективный элемент, так как измерительный прибор создан наблюдателем. Мы должны помнить, что то, чго мы наблюдаем, - это не сама природа, а природа, которая выступает в том виде, в каком она выявляется благодаря нашему способу постановки вопросов (Гейзенберг 1989: 27).

Н.Бор, исходя из принципа неопределённости, разрешил карпускулярно-волновой парадокс. Согласно принципу неопределённости две характе истики частицы в одном эксперименте нельзя наблюдать одновременно, следовательно, существуют дополнительные языки описания одной реальности, каждое может быть верным только отчасти. Электрон в атоме - волна материи (Л. де Бройль), но электрон вылетает из атома и где-то находится, проявляется как частица. Н.Бор советовал применять обе картины как дополнительные, они исключают друг друга (одновременно одно и то же не может быть и волной и частицей), но и дополняют друг друга.- открьггое признание необходимости метафорического мышления в науке (В. В. Налимов). А. Эйншгейн не был готов к признанию принципиально статистического характера новой теории и не хотел допустить невозможность познания всех определяющих моментов, необходимых для полной детерминации рассматриваемых процессов - Бог не играет в кости (Гейзенберг 1989: 203-207). Окончательный ответ был получен в 1982 году в экспериментах А. Аспека: Эжшггейн был неправ, квантовую неопределённость невозможно обойти (Дэвис 1989: 53- 54).

Квантовая теория изменила представления о реальности. Во-первых, атомные явления представляют более сложную реальность, чем та, с которой сталкиваются в классической макроскопической физике. Чувствительность объекта к вмешательству приборов демонстрирует свойства, не наблюдающиеся у объектов макроскопических исследований. Значит, описание объекта нельзя считать, как раньше, "обособленным" от процесса наблюдения. Великим открытием квантовой физики явилось обнаружение индивидуальных квантовых состояний, каждое из которых представляет собой неделимое целое, пока не подвергается воздействию средств наблюдения (Вайскопф 1977: 39-40). Во-вторых, квантовая теория принесла идею тождественности, идентичности, точности, определённости веществ в природе. Атомным явлениям свойственны определённые формы в противоположность произвольно меняющимся формам в классической механике. В рамках классической физики трудно понять, почему бы не существовать электронам с немного меньшим зарядом, или с другой массой. В квантовой теории объекты квантованны, возможны не любые орбиты, а только определённые. Два атома железа идентичны, поскольку их орбиты квантованны. В классической физике имеется неограниченное число вариантов и нет объяснения определённости материи. Но определённость существует только до некоторого порога, существуют пороговые уровни энергии, выше которых атомы разрушаются, существует порог, выше которого и ядро атома разлетается на части (Вайскопф 1977: 36-37, 46-48). В третьих, то, что выводится из эксперимекгов, есть функция вероятности, которая описывает не определённое событие, а совокупность возможных событий. Переход от возможности к действительности совершается в процессе наблюдения (Гейзенберг 1989: 23-25). В четвёртых, квантовая механика изменила представление о "неизменных" час~ицах, неделимых атомах Ньютона -. атомы можно разрушить, открылся мир субатомных и виртуальных частиц.

4.4. Мир субатомных частиц В 1897 году английский физик Дж. Дж. Томсон при исследовании катодных лучей доказал существование электронов (от греч. янтарь), частиц отрицательного электричества, составных частей атома. Годом раньше французский физик А. Беккерель открыл радиоактивный распад урановой соли - испускание альфа-частиц (ядра гелия), эти частицы использовал Э. Резерфорд, экспериментально доказавший существование ядра атома. В 1919 году Э. Резерфорд осуществил и первую искусственную ядерную реакцию: облучая азот альфа-частицами, он получил изотоп кислорода и доказал, что в состав ядра атома азота входит протон (от греч. первичный, положительно заряженное ядро водорода). В 1932 году Дж. Чэдвик открыл ещё одну ядерную частицу - незаряженный нейрон и В. Гейзенберг, и независимо от него Д. Д. Иваненко, И. Е. Тамм, высказали гипотезу о строении атомного ядра из протонов и нейтронов (ядро углерода, например, состоит из шести протонов и шести нейтронов) (Фолта, Новы 1987).

В том же году Э. О. Лоуренс построил первый циклотрон (ускоритель элементарных частиц (Фолта, Новы 1987). Ускорители частиц - это установки, на которых осуществляется столкновение частиц высокой энергии. При столкновении субатомных частип. движущихся с большими скоростями, достигается высокий уровень энергии и происходит рождение мира взаимодействий, полей и частиц, поскольку уровень элементарности зависит от уровня энергии (Дэвис 1989: 90-91). Частицы открывают и в природных ускорителях, космические лучи сталкиваются с атомами экспериментального устройства, а результаты воздействия исследуются (так были открыты предсказанные позитрон и мезон). С помощью ускорителей и исследований космического излучения открылся многочисленный и разнообразный мир субатомных частиц: "кирпичики" вещества и множество нестабильных, короткоживущих ("резонансы" живут 10 ~ с.) частиц, распадающихся на обычные частицы. Позже стало ясно, что новые частицы (резонансы, гипероны, мезоны) - возбуждённые состояния других частиц (протона, лепгона) (Вайскопф 1977: 50), что частицы не распадаются, а взаимопревращаются, переходят в "своё иное", любая частица может быть составной частью любой другой. Частицы могут "исчезать" в излучение и проявлять волновые свойства.

Все известные частицы Вселенной можно разделить на две группы: частицы вещества и частицы-переносчики взаимодействий ("окинг 1990: 63). Частицы вещества делятся на адроны (участвующие в сильном взаимодействии) и лептоны - лёгкие (Дэвис 1989: 93-102). В 1963 году М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг предложили гипотезу кварков (слово "кварк" взято из стихотворной строки Дж. Джойса). Все адроны построены из более мелких частиц, кварков. Из трёх кварков состоят протон и нейтрон (их ещё называют барионами - тяжёлыми или нуклонами - ядерными частицами). Протон стабилен, заряжен положительно, нейтрон нестабилен, превращается в протон. Пары кварк-антикварк (у каждой частицы есть античастица) образуют мезоны (промежуточные по массе между электроном и протоном). Известно шесть ароматов (типов) кварков. Большинство физиков считает их подлинно элементарными, не обладающими структурой (Дэвис 1989; 100, "окинг 1990: 69). В соответствии же с бутстрэпной гипотезой (бутстрэп - от англ. шнурки ботинок) природа не может быть сведена к "кирпичикам" материи типа кварков, но должна пониматься на основе связности. С бутстрэпной картиной частиц как динамических паттернов во взаимосвязанной сети событий был согласен В. Гейзенберг, который не верил в модель кварков (Капра 1996: 43-49).

К лепгонам относятся электрон, мюон, тау-лептон и три типа нейтрино. Сегодня принято считать электрон элементарным, точечным объектом (Вайскопф 1997: 79, Дэвис 1989: 93). Электрон отрицательно заряжен, в 1836 раз легче протона. В 1931 году В. Паули (1900-1958) предсказал существование нейтральной частицы нейтрино, в 1955 году в ядерном реакторе нейтрино родилась из протона сообразованием электрона и нейтрона. Эго самая удивительная частица. Её масса меньше одной десятитысячной массы электрона, но она является самой распространённой частицей во Вселенной и может вызвать её коллапс. Нейтрино почти не взаимодействует с веществом, проникая через него, как будто его вообще нет, пример существования неодномерных форм. Есть три типа нейтрино, электронное, мюонное и тау. В 1936 году в продуктах взаимодействия космических лучей обнаружили мюон, нестабильную частицу, распадающуюся на электрон и два нейтрино. В конце 70-х открыли самый тяжёлый лепгон, тау-лептон (Дэвис 1989: 93-95).

В 1928 году П. Дирак предсказал, а в 1932 году открыли анти-электрон или позитрон (из одного гамма-кванта рождаются электрон и позитрон, положительно заряженный электрон). Позже оказалось, что все частицы имеют античастицы, взаимодействуя, частицы и античастицы аннигилируют с образованием квантов энергии. В ранней Вселенной частиц было больше, чем античастиц, иначе бы аннигиляция наполнила Вселенную излучением и вещества не было ("окинг 1990: 64, 71-72, Силк 1982: 123-125). "арактеризуются частицы наличием или отсутствием массы, электрического заряда, спином (вращательная характеристика, частицы вещества имеют спин +1/2,-1/2, частицы-переносчики взаимодействий 0, 1 и 2) и временем жизни (Дэвис 1989: 38-41, 92, "окинг 1990: 62-63). Состояние электрона в атоме определяется квантовыми числами (радиус, форма орбиты-поля, зарядом поля и спином). Частицы вещества подчиняются принципу запрета В. Паули: две одинаковые частицы не могут находится в одном и том же состоянии, т. е. не могут иметь одинаковые координаты, скорости, квантовые числа. Без принципа Паули не было бы чёпсо организованных структур, частицы превратились бы в однородное и плотное желе ("окинг 1990: 64). Но есть частицы, не подчиняющиеся принципу запрета В. Паули (отсутствует ограничение для числа обмениваемых частиц, сила взаимодействия может оказаться большой), частицы- переносчики или виртуальные частицы, создающие силы между частицами вещества ("окинг 1990: 65).

4.5. Взаимодействия (силы) в природе С точки зрения современной физики всё, что происходит в природе, можно свести к четырём фундаментальным взаимодействиям (силам), которые являются источником всех изменений. Гравитация (сила тяготения) первой из четырёх сил стала предметом исследования науки, после появления в "Ч11 в. теории гравитации И. Ньютона (закон всемирного тяготения). Гравитация, по Ньютону, действует на любых расстояниях (дальнодействие), например, приливы океана вызваны притяжением Луны, сила тяготения зависит от массы и удалённости от источника силы. Гравитация удерживает планеты на орбитах, звёзды в галактиках, притягивает к Земле, вызывает вращение Земли вокруг Солнца. Каждая частица Вселенной испытьвает действие гравитации и сама является источником этой силы притяжения. Несмотря на всеобщий характер гравитационного взаимодействия, это самая слабая сила природы, она не проявляется в мире микрочастиц, незаметна на уровне макроскопических объектов. Возрастает же гравитация по мере образования всё больших скоплений вещества.

В 1915 году А. Эйнштейн построил новую теорию гравитации - общую теорию относительности. По Ньютону гравитационное взаимодействие передаегся через пространство мгновенно, согласно же теории относительности, невозможно распространение сигнала со скоростью выше скорости света. Эйнштейн рассматривал гравитацию как поле, в котором могут зарождаться волны. По Эйншгейну тяготение связано не с массой, а с геометрией пространства, пространство испьгиявает воздействия масс, следовательно, если изменяется гравитационное поле, то изменяется и пространство (искривляется). Геометрия мира должна быть подобной геометрии искривлённых поверхностей. Гравитация влияет и на течение времени (Гейзенберг 1989: 72-73, Дэвис 1989: 83).

Сегодня считается, что сила гравитации между двумя частицами материи переносится безмассовой частицей со спином 2, которая называется гравигоном. Гравитоны распростраюпотся в виде волн ("окинг 1990: 65-66).

Между электрически заряженными частицами (электроны, кварки, ионы) действуют электромагнитные силы. Электромагнитные взаимодействия намного сильнее гравитационных и проявляются как притяжение (разные заряды) или отталкивание (одинаковые заряды). Если количество положительных и отрицательных зарядов одинаково, то они компенсируют друг друга. Электромагнитное притяжение есть результат обмена виртуальных частиц со спином 1, которые называются фотонами ("окинг 1990: 66-67).

Третий тип взаимодействия называется слабым взаимодействием (сильнее гравитации, слабее электромагнитного и ядерного взаимодействий). Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии большем 10 " см от источника и не влияет на макроскопические объекты, действуя между всеми субатомными частицами. Физики долго не понимали, откуда берутся из ядер атомов частицы, которых там нет (из нейтрона - протон, электрон и нейтрино)? Превращение одних частиц в другие - главное проявление этого взаимодействия. При взрывах и коллапсах звёзд испускается огромное количество нейтрино. Слабовзаимодействующие нейтрино тем не менее разрывают наружные слои звезды и образуются клочья облаков расширяющегося газа. Слабое взаимодействие проявляется при испускании некоторыми атомами ядер гелия и электронов (радиоактивность) (А. Беккерель, Э. Резерфорд).

В 1967 году А. Салам и С. Вайнберг предложили объединить электромагнитное и слабое взаимодействия: кроме фотона существуют ещё три частицы со спином 1, так называемые тяжёлые векторные бозоны (%+, %- и "~), которые и переносят слабое взаимодействие. В основе гипотезы Вайнберга-Салама лежала идея о спонтанном нарушении симметрии; частицы,

разные при низких энергиях, при высоких энергиях оказываются одной частицей в разных состояниях. Гипотеза предсказывала, что при высоких энергиях фотоны и бозоны ведут себя одинаково, а при низких энергиях в обычных ситуациях эта симметрия нарушается. Через десять лет их гипотеза подтвердилась экспериментально, физикам была присуждена Нобелевская премия (Ва$Ыберг 1981: 133, Дэвис 1989: 128-136, "окинг 1990: 67-68).

Сильное ядерное взаимодействие удерживает кварки внутри адронов, протоны и нейтроны внутри атомного ядра, действует на расстоянии не больше 10 'м см. Переносчиком ядерных сил считается ещё одна частица со спином 1, которая называется глюон (англ. клей). Сильное взаимодействие обладает свойством ограничения, удерживания в связном состоянии: кварки не могут существовать сами по себе, так как 99% энергии-массы кварка - это энергия связи. Сильное взаимодействие является источником огромной энергии, например энергии Солнца, энергии водородной бомбы. На мощных ускорителях, при высоких энергиях сильное взаимодействие ослабевает и кварки, глюоны ведут себя почти как свободные частицы. При столкновениях протона и антипротона высокой энергии рождаются кварки, "струи" треков которых можно наблюдать ("окинг 1990: 68-69).

Похожие работы

Концепции современного естествознания

Скачать

18195

0

0

... логической обусловленностью и органической взаимосвязью абстрактного и конкретного, материального и духовного, внутреннего и внешнего, единичного и всеобщего, теоретического и прикладного. Курс "Концепции современного естествознания" - продукт совместных усилий специалистов, обеспечивших анализ творческих возможностей мыслящего человечества. Стержневым, для дальнейшего прогресса науки, ...

Интересные концепции современного естествознания

Скачать

43048

1

2

... величина— дефектом массы ядра. Дефект массы связан с энергией соотношением А = Есв/с2. 3.Структура и химический состав Земли   Земля как планета Солнечной системы имеет важнейшее значение для естествознания не столько потому, что она – наиболее доступное для исследования космическое тело, а потому, что на ней существует жизнь, причем достигшая наивысшей формы – разумной. Земля – это планета ...

Основы концепции современного естествознания

Скачать

42356

0

0

... , или концепция биогенеза). В XIX веке ее окончательно опроверг Л. Пастер, доказав, что появление жизни там, где она не существовала, связано с бактериями (пастеризация – избавление от бактерий). 3. Концепция современного состояния предполагает, что Земля и жизнь на ней существовали всегда, причем в неизменном виде. 4. Концепция панспермии связывает появление жизни на Земле с ее занесением из ...