Наука - Физика

Если мы не будем использовать этих понятий для описания проводимых

экспериментов, то мы не сможем понять друг друга.

Идеалом классической физики является полная объективность знания. Но в

познании мы используем приборы, а тем самым, как говорит Гейнзерберг, в

описание атомных процессов вводится субъективный элемент, поскольку прибор

создан наблюдателем. "Мы должны помнить, что то, что мы наблюдаем, - это не

сама природа, а природа, которая выступает в том виде, в каком она

выявляется благодаря нашему способу постановки вопросов научная работа в

физике состоит в том, чтобы ставить вопросы о природе на языке, которым мы

пользуемся, и пытаться получить ответ в эксперименте, выполненном с помощью

имеющихся у нас в распоряжении средств. При этом вспоминаются слова Бора о

квантовой теории: если ищут гармонии в жизни, то никогда нельзя забывать,

что в игре жизни мы одновременно и зрители, и участники. Понятно, что в

нашем научном отношении к природе наша собственная деятельность становится

важной там, где нам приходится иметь дело с областями природы, проникнуть в

которые можно только благодаря важнейшим техническим средствам"[15]

Классические представления пространства и времени также оказалось

невозможным использовать для описания атомных явлений. Вот что писал по

этому поводу другой создатель квантовой теории: "существование кванта

действия обнаружило совершенно непредвиденную связь между геометрией и

динамикой: оказывается, что возможность локализации физических процессов в

геометрическом пространстве зависит от их динамического состояния. Общая

теория относительности уже научила нас рассматривать локальные свойства

пространства-времени в зависимости от распределения вещества во Вселенной.

Однако существование квантов требует гораздо более глубокого преобразования

и больше не позволяет нам представлять движение физического объекта вдоль

определенной линии в пространстве-времени (мировой линии). Теперь нельзя

определить состояние движения, исходя из кривой, изображающей

последовательные положения объекта в пространстве с течением времени.

Теперь нужно рассматривать динамическое состояние не как следствие

пространственно-временной локализации, а как независимый и дополнительный

аспект физической реальности"[16]

Дискуссии по проблеме интерпретации квантовой теории обнажили вопрос о

самом статусе квантовой теории - является ли она полной теорией движения

микрочастицы. Впервые вопрос таким образом был сформулирован Энштейном. Его

позиция получила выражение в концепции скрытых параметров. Эйнштейн исходил

из понимания квантовой теории как статистической теории, которая описывает

закономерности, относящиеся к поведению не отдельной частицы, а их

ансамбля. Каждая частица всегда строго локализована, одновременно обладает

определенными значениями импульса и координаты. Соотношение

неопределенностей отражает не реальное устройство действительности на

уровне микропроцессов, а неполноту квантовой теории - просто на ее уровне

мы не имеем возможности одновременно измерять импульс и координату, хотя

они в действительности существуют, но как скрытые параметры (скрытые в

рамках квантовой теории). Описание состояния частицы с помощью волновой

функции Эйнштейн считал неполным, а потому и квантовую теорию представлял в

виде неполной теории движения микрочастицы.

Бор в данной дискуссии занял противоположную позицию, исходящую из

признания объективной неопределенности динамических параметров микрочастицы

как причины статистического характера квантовой теории. По его мнению,

отрицание Энштейном существования объективно неопределенных величин

оставляет необъясненным присущие микрочастице волновые черты. Возврат к

классическим представлениям движения микрочастицы Бор считал невозможным.

В 50-х гг. ХХ века Д.Бом вернулся к концепции волны-пилота де Бройля,

представив пси-волну в виде реального поля, связанного с частицей.

Сторонники копенгагенской интерпретации квантовой теории и даже часть ее

противников позицию Бома не поддержали, однако она способствовала более

углубленной проработке концепции де Бройля: частица стала рассматриваться в

виде особого образования, возникающего и движущегося в пси-поле, но

сохраняющего свою индивидуальность. Работы П.Вижье, Л.Яноши,

разрабатывавших данную концепцию, были оценены многими физиками как

слишком "классичными".

В отечественной философской литературе советского периода копенгагенская

интерпретация квантовой теории была подвергнута критике за "приверженность

к позитивистским установкам" в трактовке процесса познания. Однако рядом

авторов отстаивалась справедливость копенгагенской интерпретации квантовой

теории.[17] Смена классического идеала научного познания неклассическим

сопровождалась пониманием того, что наблюдатель, пытаясь построить картину

объекта, не может отвлечься от процедуры измерения, т.е. исследователь

оказывается не в состоянии измерять параметры изучаемого объекта такими,

какими они были до процедуры измерения. В.Гейзенберг, Э.Шредингер и П.Дирак

положили принцип неопределенности в основу квантовой теории, в рамках

которой частицы уже не имели определенных и не зависящих друг от друга

импульса и координат. Квантовая теория, таким образом, внесла в науку

элемент непредсказуемости, случайности. И хотя Эйнштейн не смог согласиться

с этим, квантовая механика согласовывалась с экспериментом, а потому стала

основой многих областей знания.

е) Квантовая статистика

Одновременно с развитием волновой и квантовой механики развивалась другая

составная часть квантовой теории - квантовая статистика или статистическая

физика квантовых систем, состоящих из большого числа частиц. На основе

классических законов движения отдельных частиц была создана теория

поведения их совокупности - классическая статистика. Аналогично этому на

основе квантовых законов движения частиц была создана квантовая статистика,

описывающая поведение макрообъектов в случаях когда законы классической

механики не применимы для описания движения составляющих их микрочастиц - в

данном случае квантовые свойства проявляются в свойствах макрообъектов.

Важно иметь в виду, что под системой в данном случае понимаются лишь

взаимодействующие друг с другом частицы. Квантовая система при этом не

может рассматриваться как совокупность частиц, сохраняющих свою

индивидуальность. Иными словами, квантовая статистика требует отказа от

представления различимости частиц - это получило название принципа

тождественности. В атомной физике две частицы одной природы считались

тождественными. Однако эта тождественность не признавалась абсолютной. Так,

две частицы одной природы можно было различать хотя бы мысленно.

В квантовой статистике возможность различить две частицы одинаковой

природы полностью отсутствует. Квантовая статистика исходит из того, что

два состояния системы, которые отличаются друг от друга лишь перестановкой

двух частиц одинаковой природы, тождественны и неразличимы. Таким образом,

основное положение квантовой статистики - принцип тождественности

одинаковых частиц, входящих в квантовую систему. Этим квантовые системы

отличаются от классических систем.

Во взаимодействии микрочасти важная роль принадлежит спину - собственному

моменту количества движения микрочастицы. (В 1925 г. Д.Уленбеком и

С.Гаудсмитом впервые было открыто существование спина у электрона). Спин д

электронов, протонов, нейтронов, нейтрино и др. частиц выражается полуцелой

величиной, у фотонов и пи-мезонов - целочисленной величиной (1 или 0). В

зависимости от спина микрочастица подчиняется одному из двух разных типов

статистики. Системы тождественных частиц с целым спином (бозоны)

подчиняются квантовой статистике Бозе-Эйнштейна, характерной особенностью

которой является то, что в каждом квантовом состоянии может находиться

произвольное число частиц. Данный тип статистики был предложен в 1924 г.

Ш.Бозе и затем усовершенствована Энштейном). В 1925 г. для частиц с

полуцелым спином (фермионов) Э.Ферми и П.Дирак (независимо друг от друга)

предложили другой тип квантовой статики, получивший имя Ферми-Дирака.

Характерной особенностью этого типа статики является то, что в каждом

квантовом состоянии может находиться произвольное число частиц. Это

требование называется принципом запрета В.Паули, который был открыт в 1925

г. Статистика первого типа подтверждается при исследовании таких объектов,

как абсолютно черное тело, второго типа - электронный газ в металлах,

нуклоны в атомных ядрах и т.д.

Принцип Паули позволил объяснить закономерности заполнения электронами

оболочек в многоэлектронных атомах, дать обоснование периодической системе

элементов Менделеева. Этот принцип, выражает специфическое свойство частиц,

которые ему подчиняются. И сейчас трудно понять, почему две тождественные

частицы взаимно запрещают друг другу занимать одно и то же состояние.

Подобного типа взаимодействия в классической механике не существует. Какова

его физическая природа, каковы физические источники запрета - проблема,

ждущая разрешения. Сегодня ясно одно: физическая интерпретация принципа

запрета в рамках классической физики невозможна.

Важным выводом квантовой статистики является положение о том, что

частица, входящая в какую-либо систему, не тождественна такой же частице,

но входящей в систему другого типа или свободную. Отсюда следует важность

задачи выявления специфики материального носителя определенного свойства

систем.

ж) Квантовая теория поля

Квантовая теория поля представляет собой распространение квантовых

принципов на описание физических полей в их взаимодействиях и

взаимопревращениях. Квантовая механика имеет дело с описанием

взаимодействий сравнительно малой энергии, при которых число

взаимодействующих частиц сохраняется. При больших энергиях взаимодействия

простейших частиц (электронов, протонов и т.д.) происходит их

взаимопревращение, т.е. одни частицы исчезают, другие рождаются, причем

число их меняется. Большинство элементарных частиц нестабильно, спонтанно

распадается до тех пор, пока не образуются стабильные частицы - протоны,

электроны, фотоны и нейтроны. При столкновениях элементарных частиц, если

энергия взаимодействующих частиц достаточно велика, происходит

множественное рождение частиц различного спектра. Поскольку квантовая

теория поля предназначена для описания процессов при высоких энергиях,

поэтому должна удовлетворять требованиям теории относительности.

Современная квантовая теория поля включает три типа взаимодействия

элементарных частиц: слабые взаимодействия, обусловливающие главным образом

распад неустойчивых частиц, сильные и электромагнитные, ответственные за

превращение частиц при их столкновении.

Квантовая теория поля, описывающая превращение элементарных частиц, в

отличие от квантовой механики, описывающей их движение, не является

последовательной и завершенной, она полна трудностей и противоречий.

Наиболее радикальным способом их преодоления считается создание единой

теории поля, в основу которой должен быть положен единый закон

взаимодействия первичной материи - из общего уравнения должен выводиться

спектр масс и спинов всех элементарных частиц, а также значения зарядов

частиц. Таким образом, можно сказать, что квантовая теория поля ставит

задачу выработки более глубокого представления об элементарной частице,

возникающей за счет поля системы других элементарных частиц.

Взаимодействие электромагнитного поля с заряженными частицами (главным

образом электронами, позитронами, мюонами) изучается квантовой

электродинамикой, в основе которой лежит представление о дискретности

электромагнитного излучения. Электромагнитное поле состоит из фотонов,

обладающих корпускулярно-волновыми свойствами. Взаимодействие

электромагнитного излучения с заряженными частицами квантовая

электродинамика рассматривает как поглощение и испускание частицами

фотонов. Частица может испустить фотоны, а затем поглотить их.

Итак, отход квантовой физики от классической заключается в отказе от

того, чтобы описывать индивидуальные события, происходящие в пространстве и

времени, и использовании статистического метода с его волнами вероятности.

Цель классической физики заключается в описании объектов в пространстве и

времени и в формировании законов, которые управляют изменением этих

объектов во времени. Квантовая физика, имеющая дело с радиоактивным

распадом, дифракцией, испусканием спектральных линий и тому подобными

явлениями, не может удовлетвориться классическим подходом. Суждение типа

"такой-то объект имеет такое-то свойство", характерное для классической

механики, в квантовой физике заменяется суждением типа "такой-то объект

имеет такое-то свойство с такой-то степенью вероятности". Таким образом, в

квантовой физике имеют место законы, управляющие изменениями вероятности во

времени, в классической же физике мы имеем дело с законами, управляющими

изменениями индивидуального объекта во времени. Разные реальности

подчиняются различным по характеру законам.

Квантовая физика в развитии физических идей и вообще стиля мышления

занимает особое место. К числу величайших созданий человеческого ума

относится, несомненно и теория относительности - специальная и общая,

представляющая собой новую систему идей, объединившую механику,

электродинамику и теорию тяготения и давшую новое понимание пространства и

времени. Но это была теория, которая в определенном смысле была завершением

и синтезом физики XIX века, т.е. она не означала полного разрыва с

классическими теориями. Квантовая же теория порывала с классическими

традициями, она создала новый язык и новый стиль мышления, позволяющий

проникать в микромир с его дискретными энергетическими состояниями и дать

его описание с помощью введения характеристик, отсутствовавших в

классической физике, что в конечном счете позволило понять сущность атомных

процессов. Но вместе с тем квантовая теория внесла в науку элемент

непредсказуемости, случайности, чем она отличалась от классической науки.

4. Концепции физики атомных и ядерных процессов

а) Модели атома

Решающим моментом в развитии теории строения атома было открытие

электрона. Наличие в электрически нейтральном атоме отрицательно заряженной

частицы побуждало предполагать наличие частицы с положительным зарядом.

Модель Д.Томсона, не будучи в состоянии объяснить характер атомных

спектров, излучаемых атомами, уступила место планетарной модели

Э.Резерфорда. Исследуя рассеяние атомами вещества альфа-частиц, излучаемых

радиоактивными веществами, он открыл атомное ядро и построил планетарную

модель атома. Оказалось, что атом состоит не из положительно заряженного

облака, в котором (подобно изюму в булке) находятся электроны, как это

предполагал Д.Томсон, а из электрона и ядра размером около 10-13 см., в

котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом подобен Солнечной

системе: в центре него находится тяжелое ядро, вокруг него вращаются

электроны. Однако, согласно электродинамике Максвелла, такой атом не может

быть устойчивым: двигаясь по круговым (или эллиптическим) орбитам, электрон

испытывает ускорение, а поэтому он должен излучать электромагнитные волны,

несущие энергию. Потеря энергии приведет электрон к падению на ядро. Таким

образом, подобный атом не может быть устойчивым, а потому в реальности не

может существовать. Таким образом, классическая физика не могла найти

объяснения устойчивости атомов.

Разработка следующей модели атома принадлежит Н.Бору. Взяв за основу

модель Резерфорда, он использовал и идеи квантовой теории. Бор выдвинул

предположение, согласно которому в атомах существуют особые стационарные

состояния, в которых электроны не излучают - излучение происходит лишь при

переходе из одного стационарного состояния в другое.

Внутреннее строение атома изучать непосредственно невозможно, поскольку

микроскопические размеры недоступны прямому восприятию, поэтому о структуре

атома можно судить по ее косвенным проявлениям макроскопического масштаба.

Таким проявлением является излучение атомов под воздействием нагрева или

внешнего электрического поля. Изучение спектров излучения позволяет

получить данные о внутренней структуре атома - для каждого атома характерны

особенности спектра. Классическая физика не могла объяснить законы, которым

подчинялись атомные спектры. Модель Бора выявила истинное значение

спектральных законов и позволила установить, как эти законы отражают

квантовый характер внутренней структуры атома - устойчивость структуры

атома оказалась неразрывно связанной с существованием квантов. В модели

Бора каждый атом обладает некоторой последовательностью квантовых

(стационарных) состояний. Каждый вид атома имеет свою последовательность

квантовых значений энергии, соответствующих различным возможным

стационарным состояниям. Вывод о том, что в устойчивом состоянии атом не

должен излучать, не соответствовал данным классической электродинамики,

согласно которым электроны, движущиеся с ускорением, должны были непрерывно

излучать электромагнитные волны. Бор и предположил, что каждая спектральная

линия соответствует мгновенному переходу атома из одного квантового

состояния в другое, которое характеризуется меньшим значением энергии.

Избыток энергии при этом уносится в виде отдельных квантов (фотонов).

Модель атома Бора показала свою плодотворность в применении к атому

водорода, позволив понять структуру оптического спектра. Но попытка

применить данную модель к более сложным атомам, имеющим большее число

электронов, выявила ограниченность данной модели - результаты ее применения

лишь весьма приблизительно соответствовали данным эксперимента. Кроме того,

модель атома Бора располагала методом квантования действия лишь для

одномерного движения (предложенного еще Планком). Поэтому необходимо было

найти методы квантования для случаев многомерного движения. Этот метод был

найден в 1916 г. Ч.Вильсоном и А.Зоммерфельдом (почти одновременно друг с

другом) и использован для решения тех задач, которые не могли быть решены с

помощью модели атома Бора. Таким путем была создана концепция тонкой

структуры линии спектра. Излучение линий спектра водорода с помощью

спектрографов с высокой разрешающей способностью позволило выявить тонкую

структуру спектра - оказалось, что спектральные линии сами состоят из ряда

близко расположенных друг к другу линий. Зоммерфельд высказал предположение

о связи тонкой структуры спектральных линий с релятивистскими эффектами и

предположил вместо уравнений ньютоновской механики использовать уравнения

релятивистской механики. Предположения Зоммерфельда дали результаты,

согласуемые с экспериментальными данными. Вместе с тем полученная

Зоммерфельдом картина спектральных линий оказалась значительно беднее

реальной, поэтому его модель не могла дать достаточно полные объяснения

тонкой структуры спектральных линий.

Для модели атома Бора основополагающим является утверждение о том, что

электроны внутри атома могут находиться лишь в стационарных состояниях,

которые соответствуют определенным квантовым значениям энергии.

Следовательно, существуют определенные энергетические уровни, на которых

находятся электроны. Как известно, атом каждого последующего элемента имеет

на один электрон больше, чем предыдущего. Значит, по мере возрастали

атомного номера усложняется структура электронных оболочек атомов. На

основе знания этой структуры можно устанавливать физические и химические

свойства элементов. В периодической системе Д.И.Менделеева элементы

расположены в порядке возрастали атомного веса, причем в расположенных

таким образом элементах обнаруживается определенная периодичность в

химических свойствах этих элементов. Физическая природа этой периодичности

оказывается весьма сложной. Теория атома должна иметь возможность объяснить

эту природу. Для этого модель Бора необходимо было дополнить требованием,

чтобы на одном энергетическом уровне могло находиться лишь ограниченное

число электронов (явление насыщения энергетического уровня электронами).

Если бы данного насыщения не существовало, то в нормальном (стабильном)

состоянии атома все электроны атома были бы на низшем уровне, который

соответствует наименьшей энергии. Но вследствие насыщения уровней подобная

ситуация оказывается невозможной.

Двигаясь по периодической системе элементов, можно видеть, как постепенно

заполняются друг за другом низшие энергетические уровни - как только низший

уровень оказывается заполненным, настает очередь следующего уровня. Тонкая

структура спектральных линий при этом свидетельствует о расщеплении

энергетических уровней электронов внутри атома на ряд подуровней.

Заполняющие эти уровни подуровни электроны (обладающие почти одинаковой

энергией) образуют оболочку. При заполнении друг за другом последующих

уровней, таким образом, образуются различные оболочки. Изменяемая при

движении по таблице Менделеева периодичность свойств объясняется характером

заполнения оболочек электронами. Таким образом, исследование спектров

играет огромную роль в изучении внутренней структуры атома.

Модель Бора, позволяя определить частоту излучения, не давала возможности

определять интенсивность излучения и его поляризацию, что совершенно

необходимо для уточнения природы излучения, которое возникает при переходах

электронов внутри атома из одного стационарного состояния в другое. Бор

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13