T.Redzhe "Etyudy o Vselennoi", Mir/NiT<< 2.5. Chelovek na Lune | Oglavlenie | 3.2. Kvantovanie >>
Glava 3. O sovremennoi fizike
3.1. Vvodnye zamechaniya
Predmet fiziki
Chto takoe materiya? V nastoyashee vremya ne sushestvuet ischerpyvayushego otveta na etot vopros, da i raz'yasnit' ego neposvyashennym na neskol'kih stranicah bylo by nevozmozhno. Chto eshe huzhe, v svoih rassuzhdeniyah my mogli by doiti do principial'noi nevozmozhnosti opredelit' absolyutnym obrazom sushnost' materii.
Zdes' ya mogu dat' otvety tol'ko na kakie-to chastnye voprosy, kotorye prol'yut svet na uzhe imeyushiesya rezul'taty issledovanii i perspektivy razvitiya fiziki, da rasskazat' ob usiliyah, kotorye predprinimayutsya dlya dostizheniya sinteza nashih znanii. Po opredeleniyu, fizika – eto nauka o materii (veshestve), i ona prizvana zanimat'sya vyrabotkoi teorii, kotorye szhato i yasno ob'yasnyali by vse bolee rasshiryayushiisya spektr yavlenii; ona dolzhna, krome togo, podvergat' eti teorii eksperimental'noi proverke, prezhde chem dat' im putevku v zhizn'.
Itak, veshestvo nablyudayut i izuchayut, vydelyaya kakie-to ego fizicheskie svoistva i opredelyaya, kak so vremenem menyaetsya ego sostoyanie. Dlya fizika samo veshestvo otozhdestvlyaetsya s sovokupnost'yu vseh nablyudaemyh svoistv, no takoi zhestkii podhod oslablyaetsya nashei nesposobnost'yu opredelyat' i izuchat' vse vozmozhnye harakteristiki veshestva.
Sredi naibolee vazhnyh svoistv veshestva imeyutsya takie, kotorye menyayutsya nepreryvno i smysl kotoryh intuitivno osobenno ocheviden. Takovy, naprimer, polozhenie, skorost' i energiya material'nogo tela. Sushestvuyut drugie, diskretnye, svoistva, oni nazyvayutsya kvantovymi: my mozhem sdelat' vybor mezhdu seroi i kislorodom, no promezhutochnoi vozmozhnosti prosto net.
Polozhenie tela zadaetsya v trehmernom prostranstve, i eto otrazhaet ochevidnyi empiricheskii fakt; soglasno teorii otnositel'nosti, vremya sleduet rassmatrivat' kak chetvertoe izmerenie. Takim obrazom, scenoi, ili arenoi, dlya fiziki sluzhit chetyrehmernoe prostranstvo-vremya. Vpolne vozmozhno, chto v ne slishkom dalekom budushem struktura prostranstva-vremeni smozhet byt' ponyata na osnove postulatov bolee prostyh i fundamental'nyh, chem sovremennye.
Ideal'naya teoriya dolzhna byt' sposobna vychislyat' sily, s kotorymi deistvuyut drug na druga raznye sostavnye chasti veshestva. Soglasno zhestkoi deterministskoi sheme, ili sheme Laplasa, znaya raspredelenie veshestva v kakoi-to zadannyi moment vremeni, my dolzhny imet' vozmozhnost' s pomosh'yu uravnenii dvizheniya predskazat' eto raspredelenie v posleduyushie momenty vremeni. Po raznym prichinam takuyu programmu osushestvit' ne udaetsya. My ne mozhem zadat' sostoyanie veshestva polnost'yu: chtoby opredelit' sostoyanie nekotorogo ob'ema, potrebovalsya by ustrashayushe dlinnyi spisok vseh otdel'nyh atomov v himicheskih soedineniyah, a sostavit' takoi spisok my zavedomo ne v sostoyanii. Sudya po sovremennomu urovnyu nauchnyh issledovanii, v blizhaishie gody pochti navernyaka budut vyyavleny kakie-to novye, eshe ne otkrytye svoistva materii, Tak chto fizicheskie teorii vsegda imeyut delo s nepolnym naborom eksperimental'nyh dannyh; horosho izvestnym primerom etogo yavlyaetsya n'yutonovskaya teoriya tyagoteniya.
Predely primenimosti fiziki N'yutona
"Mir" N'yutona sostoyal iz material'nyh tel, edinstvennoi harakteristikoi kotoryh, esli ne schitat' polozheniya, skorosti i energii, sluzhila massa m. Dlya izmereniya m k telu prikladyvayut izvestnuyu silu F, zatem izmeryayut uskorenie tela a i vychislyayut massu, ispol'zuya znamenituyu formulu F = ma; takim obrazom, velichina m sluzhit meroi inercii tela, ego soprotivleniya dvizheniyu pod deistviem zadannoi sily. Chudesnym obrazom okazalos', chto silu prityazheniya mezhdu n'yutonovskimi telami mozhno opredelit', znaya tol'ko ih massy i rasstoyaniya mezhdu nimi. Etogo dostatochno takzhe dlya opisaniya ih dvizheniya.
Takaya idealizaciya dopustima, esli tela ne rassmatrivayutsya na slishkom blizkom rasstoyanii: tak, Zemlya ne yavlyaetsya tochkoi, ona imeet okeany, tverduyu koru i zhidkie nedra. Na nei rozhdayutsya prilivy i otlivy, kotorye hot' i neznachitel'no, no vse zhe vliyayut na dvizhenie Zemli vokrug Solnca, da i na dvizhenie Luny. Naskol'ko sushestvenny takie effekty, zavisit ot sostava zemnogo veshestva i ego atomnoi struktury. No sily, deistvuyushie mezhdu atomami, ne gravitacionnoi prirody, i poetomu zdes' teorii N'yutona nedostatochno.
Vplot' do 1900 g. svoistva materii i nalichie isklyuchitel'nogo raznoobraziya form ee proyavleniya ob'yasnyali himicheskim vzaimodeistviem primerno sta elementov, sootvetstvuyushih razlichnym atomam. Kak svidetel'stvuet ogromnoe kolichestvo himicheskih opytov, rech' idet o fenomenologicheskom opisanii, osnovannom na ponyatii valentnosti i vpolne podhodyashem s tochki zreniya mnogih tehnicheskih prilozhenii.
Otkrytie elektrona v konce proshlogo stoletiya polozhilo konec mifu o nedelimosti atoma. Soglasno modeli Bora – Rezerforda, atom podoben miniatyurnoi solnechnoi sisteme, sostoyashei iz polozhitel'no zaryazhennogo tyazhelogo yadra, vokrug kotorogo vrashayutsya elektrony, zaryazhennye otricatel'no. V celom atom neitralen.
Elektromagnitnye i yadernye sily
Takim obrazom, my stolknulis' s siloi novogo tipa – elektromagnitnoi siloi. V nashem vvedenii my ne budem rasskazyvat' ob istoricheskom puti, privedshem v 1859 g. k otkrytiyu Dzh.K. Maksvellom uravnenii elektromagnitnogo polya, otkrytiyu, stoyashemu v odnom ryadu s teoriei N'yutona. Soglasno teorii Maksvella, material'noe telo harakterizuetsya eshe odnim svoistvom – elektricheskim zaryadom. Znaya ego, my znaem, kak telo vzaimodeistvuet s elektricheskim i magnitnym polyami, a takzhe kak ono ih sozdaet. Protivopolozhnye zaryady prityagivayutsya, a zaryady odinakovogo znaka ottalkivayutsya. Itak, sushestvuyut polozhitel'nye i otricatel'nye zaryady; v teorii zhe N'yutona massy vsegda polozhitel'ny i vsegda prityagivayutsya.
Vnutri veshestva polozhitel'nye zaryady (yadra) stremyatsya k otricatel'nym (elektrony), chtoby vmeste sozdat' neitral'noe veshestvo (atomy); ostavlennoe v pokoe veshestvo stremitsya "spryatat'" elektromagnitnoe pole. S drugoi storony, bol'shomu kolichestvu veshestva, sobrannogo vmeste, svoistvenny bol'shaya massa i, sledovatel'no, gravitacionnoe prityazhenie. Poetomu, dazhe esli elektricheskaya sila vzaimodeistviya elektrona i yadra nesravnimo bol'she sil tyagoteniya, v konce koncov nachinayut dominirovat' imenno poslednie, kogda v igru vstupayut bol'shie kolichestva veshestva.
Atom Bora vmig svel himiyu k odnoi iz glav fiziki, a klassifikaciyu elementov – k klassifikacii atomnyh yader. V svoyu ochered' okazalos', chto yadra sostoyat iz nuklonov, polozhitel'nyh (protonov) i neitral'nyh (neitronov), s massoi primerno v dve tysyachi raz bol'shei massy elektrona. No, kak skazal Feinman, uspeh fizicheskoi teorii opredelyaetsya ne stol'ko zadachami, kotorye s ee pomosh'yu reshayutsya, skol'ko znacheniem novyh zadach, voznikayushih na ee osnove.
Gravitony, fotony, i piony
Odna iz pervyh zadach kasalas' prirody sil, za schet kotoryh nuklony derzhatsya vmeste vnutri yadra; vskore okazalos', chto oni primerno v sto raz bol'she elektricheskih i chto na rasstoyaniyah v neskol'ko fermi (1 fermi raven odnoi trillionnoi dole millimetra) ih deistvie prekrashaetsya. Drugoi vopros kasalsya samoi prirody elektromagnitnogo polya. Vydayushimsya dostizheniem Maksvella bylo osoznanie togo, chto svetovye volny naryadu s radiovolnami, rentgenovskim i 
-izlucheniem predstavlyayut soboi ochen' bystrye kolebaniya elektromagnitnogo polya; vse oni imeyut odnu i tu zhe prirodu i razlichayutsya tol'ko chastotoi.
Svet, padaya na metallicheskuyu poverhnost', mozhet poglotit'sya i peredat' svoyu energiyu elektronu, kotoryi pri etom vyletaet iz atoma (fotoelektricheskii effekt). V svoei pervoi rabote, opublikovannoi v 1905 g., Einshtein ob'yasnil nekotorye rashozhdeniya nablyudavshegosya fotoelektricheskogo effekta s teoriei Maksvella. V sushnosti, Einshtein vydvinul gipotezu o sushestvovanii novoi chasticy – kvanta sveta, ili fotona, gipotezu, prinyavshuyu okonchatel'nyi vid k koncu 1923 g.
Energiya elektromagnitnoi volny ne mozhet peredavat'sya nepreryvno, a vydaetsya, soglasno zakonu Planka, paketami (kvantami) opredelennoi velichiny, proporcional'noi chastote. Chastota radiovoln stol' nizka, i sootvetstvuyushie pakety stol' maly, chto sozdaetsya vpechatlenie nepreryvnogo izlucheniya. V sluchae zhe -izlucheniya foton vedet sebya kak nastoyashaya chastica, kak "atom sveta". Foton imeet dvoistvennuyu prirodu: on odnovremenno predstavlyaet soboi i chasticu, i volnu. Dazhe gravitacionnye volny, predskazyvaemye obshei teoriei otnositel'nosti, dolzhny byt' kvantovany: im sootvetstvuet graviton.
Itak, sushestvovali chasticy "normal'nye", k kotorym otnosilis' elektron i proton, i "chasticy-volny", kak foton i graviton. Iz neobhodimosti oboiti etu nepriyatnuyu asimmetriyu i rodilas' kvantovaya mehanika, postuliruyushaya dvoistvennuyu prirodu volna – chastica vsei materii. Elektrony i protony takzhe predstavlyayut soboi volny; ih volnovaya priroda proyavlyaetsya tol'ko togda, kogda oni nahodyatsya v ogranichennoi oblasti prostranstva (kak v atomah ili yadrah) ili v stolknoveniyah so stol' zhe melkimi prepyatstviyami. Takim obrazom, stiraetsya gran' mezhdu materiei (veshestvom) i svetom, svet vystupaet kak osobaya forma materii.
Isklyuchitel'no slozhnaya teoriya, nazyvaemaya kvantovoi elektrodinamikoi i razvitaya v poslevoennye gody Feinmanom, Tomonagoi, Shvingerom i Daisonom, daet ochen' tochnoe opisanie slozhnogo prostranstvenno-vremennogo ping-ponga, proishodyashego v mire, sostoyashem iz elektricheskih zaryadov i fotonov. Zaryady obmenivayutsya fotonami; eti poslednie otvetstvenny za elektromagnitnye sily vzaimodeistviya samih zaryadov. V sushnosti, otmenyaetsya n'yutonovskoe mgnovennoe deistvie na rasstoyanii, fotony vystupayut kak "nositeli" sily ili, esli ugodno, kak elektromagnitnyi "klei". Tochno takim zhe obrazom gravitacionnym kleem sluzhit graviton. Yadernye sily mozhno predstavit' kak rezul'tat obmena l-mezonami, predskazannymi Yukavoi i nazvannymi pionami. Piony obrazuyut semeistvo iz treh chastic (polozhitel'noi, neitral'noi i otricatel'noi), kotorye vse rozhdayutsya v yadernyh reakciyah na nashih uskoritelyah.
Dualizm volna – chastica
Kvantovaya mehanika gluboko zatronula nashi predstavleniya ob atome i voobshe lyuboi sisteme, gde chasticy, ob'edinennye chrezvychaino bol'shoi siloi, nahodyatsya v ochen' malen'kom ob'eme. Nel'zya i dal'she schitat' chasticy material'nymi tochkami, kotorye peremeshayutsya po orbitam, strogo opredelyaemym ih vzaimnym prityazheniem. Naoborot, elektron v atome Bora rassmatrivaetsya kak volna, a pole prityazheniya – kak linza, kotoraya ee zagibaet i zastavlyaet vrashat'sya vokrug yadra. Atom stanovitsya rezonansnoi polost'yu dlya elektronnyh voln. Imenno takoe sravnenie dolzhno navesti na mysl', chto vnutri atoma vozmozhny ne lyubye kolebaniya. Eshe vo vremena Pifagora znali, chto natyanutaya struna ili truba organa mogut kolebat'sya, izdavaya zvuk tol'ko opredelennoi osnovnoi chastoty i ee garmonik.
Itak, elektron mozhet obrashat'sya vokrug yadra tol'ko v sootvetstvii s diskretnoi (preryvistoi) posledovatel'nost'yu vozmozhnyh chastot kolebanii, kazhdaya iz kotoryh sootvetstvuet v obshem odnoi klassicheskoi orbite staroi planetarnoi modeli. Govoryat o "kvantovanii" orbit i ih energii. Samyi nizkii ton, ispuskaemyi strunoi, sootvetstvuet kolebaniyu bez kakih-libo uzlov (esli by v seredine struny byl uzel, to struna vyglyadela by kak dve struny polovinnoi dliny, koleblyushiesya s udvoennoi chastotoi). V atome takzhe sushestvuet sostoyanie minimal'noi energii (osnovnoe sostoyanie), sootvetstvuyushee naimen'shei iz orbit, kotorye elektron mozhet opisyvat' vokrug yadra. Esli peredat' atomu dostatochno energii, to on "vozbuzhdaetsya" i elektron peremeshaetsya v sostoyanie s bolee vysokoi energiei, chtoby zatem snova vernut'sya v osnovnoe sostoyanie, izluchiv pri etom raznost' energii v vide fotona (sveta). Etomu svetu prisush opredelennyi cvet, zavisyashii ot proisshedshego perehoda i predstavlyayushii soboi "avtograf" atoma. Tak, krasnyi cvet reklamnyh ognei vydaet prisutstvie neona. Svet zvezd, oprovergaya zlopoluchnoe predskazanie Konta, raskryvaet ih himicheskii sostav.
Dazhe intuitivno my chuvstvuem, chto volna – eto uskol'zayushii ob'ekt, kotoryi "ne daetsya v ruki". Geizenberg sformuliroval sootnoshenie neopredelennosti, pridayushee konkretnyi smysl etomu intuitivnomu predstavleniyu. My uzhe govorili, chto polozhenie i skorost' chasticy – harakteristiki, poddayushiesya izmereniyu. Kvantovaya mehanika, naprotiv, opredelyaet granicy, za kotorymi nel'zya odnovremenno izmeryat' takie velichiny; esli by my znali tochnoe mestonahozhdenie elektrona, to o ego skorosti (na samom dele nado govorit' o kolichestve dvizheniya, ravnom skorosti, umnozhennoi na massu) nam nichego by ne bylo izvestno.
Naoborot, znanie skorosti vlechet za soboi neznanie polozheniya. Sledovatel'no, nesmotrya na sil'noe prityazhenie k yadru, elektron nikogda na nego ne padaet. Esli by my popytalis' pomestit' elektron vnutr' yadra (kotoroe chrezvychaino malyh razmerov), to on tut zhe obrel by stol' bol'shuyu skorost', chto nemedlenno ostavil eto yadro. Takim obrazom, kvantovaya mehanika ob'yasnyaet stabil'nost' atomov, yader i vseh drugih sostavnyh sistem.
Pereidem teper' v mir chastic elementarnyh, ili schitayushihsya takovymi. Do sih por my govorili ob elektronah, nuklonah, pionah, fotonah i gravitonah. Mezhdu tem neitron nestabilen i primerno za dvadcat' minut raspadaetsya na proton, elektron i neitrino, pohozhee na neitral'nyi elektron, kotoryi neobychaino slozhno nablyudat' (neitrino ne chuvstvuet ni elektricheskih sil, ni yadernyh). Pri raspade piona rozhdayutsya myuon i neitrino, a pri raspade myuona obrazuyutsya elektron i eshe dva neitrino; myuon (l-mezon) predstavlyaet soboi chto-to vrode tyazhelogo brata elektrona. K 1980 g. perechen' izvestnyh chastic s ih opisaniem zanimal celuyu knigu i uzhe mog sostavit' konkurenciyu tablicam himicheskih elementov. Po etoi prichine uchenye vedut poiski sub'yadernyh struktur, kotorye by sveli etu slozhnuyu fenomenologiyu k dostatochno prostym povtoryayushimsya shemam, kak v svoe vremya sdelal Bor. Seichas poluchaet vse bol'shee priznanie shema, osnovannaya na kvarkah i glyuonah (kvantovaya hromodinamika).
Zdes' my prervem obshee vvedenie, chtoby glubzhe poznakomit'sya s nekotorymi osnovopolagayushimi predstavleniyami, edva upomyanutymi nami ranee. Posle rassmotreniya naibolee elementarnyh s sovremennoi tochki zreniya sostavnyh chastei veshestva my pereidem k obsuzhdeniyu yavlenii, proishodyashih v makroskopicheskom masshtabe, takih, naprimer, kak sverhtekuchest', chtoby pokazat', kak na etom urovne proyavlyayutsya naibolee skrytye svoistva materii.
<< 2.5. Chelovek na Lune | Oglavlenie | 3.2. Kvantovanie >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy
Publikacii so slovami: Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
