Вихман Э. Квантовая физика (Вихман Э. Квантовая физика.djvu), страница 5

В действительности она охватывает всю физику, и ее законы в том виде, как они известны теперь, являются наиболее общими законами природы. 2. В предыдуших томах Берклеевского курса мы изучали физические явления макромира. Законы природы, с которыми мы там познакомились, относятся к классической физике. В общем, можно сказать, что классическая физика имеет дело с явлениями, где вопрос о микростроении вещества не играет большой роли.

В этом томе мы специально займемся изучением элементарных частиц и рассмотрим законы, объясняющие их свойства. Наше внимание мы, естественно,обратим к тем явлениям, в которых действие этих законов выявлено наиболее ясно. Это означает, что мы будем рассматривать ли»ць ситуации, в которых участвует небольшое число частиц. Таким образом, ббльшая часть рассматриваемых в этой книге явлений относится к микрофизике. Зная законы, управляющие поведением элементарных частиц, мы можем в принципе предсказать поведение макроскопических систем, которые состоят из очень большого числа таких частиц. Это означает, что законы классической физики следуют из законов микрофизики, и поэтому квантовая механика является основой для понимания как микромира, так и макромира.

3. Когда мы применяем законы классической физики к макроскопическим системам, то пытаемся описать лишь глобальные свойства таких систем. Нас интересует, например, движение твердого тела как целого, но мы отвлекаемся от движения элементарных частиц, из которых оно состоит. Такова характерная особенность классических теорий: применяя их к макросистемам, мы игнорируем тонкие детали, поведения последних и не делаем попыток рассмотреть все аспекты ситуации. Таким образом, заковы классической физики имеют приближенный характер. Они являются предельным случаем более мощных и общих законов квантовой физики. 15 Иными словами, классические теории являются ф~номе"о" ое"че скими теориями.

Такая теория описывает н обобщает экспериментальные данные в определенных областях физики. Феноменологические теории не претендуют иа объяснение всех явлений в физике, но хорошая феноменологическая теория должна очень точно объяснить все явления в своед ограниченной области применения. Философски настроеньый читатель, возможно, скажет, что, в сущности, любая физическая теория является «феноменологической» и различие между «фундаментальной» и «феноменологической» теориями есть всего лишь вопрос подхода.

Как физики, мы ясно ощущаем, однако разлн чие между обоими типами теорий. Фундамент«ь«ьные законы природы отличаются большой общностью, их применимость не знает исключений. Мы рассматриваем их как универсальные и точные, пока эксперимент не докажет нам противного. Что касается законов, полученных из феноменологической теории, то мы с самого начала не считаем их универсальными; мы знаем, что они годятся (т.

е. достаточно точны) лишь для ограниченной области явлений н за ее пределами могут полностью потерять свое значение. 4. Не следует, конечно, уменьшать значение феноменологических теорий. Они служат очень полезной цели — обобщают наш опыт в различных областях физики. Во многих случаях мы считаем, что располагаемтеорией, основанной на фундаментальных законах, но явление настолько сложно, что точные предсказания с помощью такой теории оказываются весьма затруднительными.

В подобных случаях мы обращаемся к упрощеннойфеноменологической теории, основанной частично на прямых экспериментальных фактах, частично на основных принципах фундаментальной теории. Иными словами, мы даем возможность самой физической системе выполнить часть теоретической работы. Кроме того, в физике возможна и такая ситуация, когда нам неизвестны фундаментальные законы.

В этом случае любая феноменологическая теория (основанная на простой модели), которую мы способны построить, может оказаться путеводной нитью в поисках более мощной теории. Когда мы пытаемся понять непривычное физическое явление, то весьма полезно сначала прибегнуть к наиболее простому — к теории или модели, которые уже себя оправдали в аналогичной ситуации. Если наша модель окажется подходящей, то мы чему-то научимся, если же она не годится, то и в этом случае мы чему-то научились. Важно помнить, что модели — это только модели и что вся физика не описывается единственной моделью.

5. Часто говорят, что открытие квантовой механики привело к «революции» в физике. Это драматическое выражение, обладающее странной притягательной силой, предполагает решительный и полный переворот во взглядах. Необходимо, однако, иметь в виду, что законы классической физики остались непоколебленными, если ограничить их область применения явлениями, для которых классическая физика была создана. Движение маятника, например, и сегодня описывается так же, как оно описывалось в Х1Х веке. 16 Более того, классические концепции зачастую оказываются хорошим приближением для рассмотрения некоп«орь»х особенностей микрофизических явлений, Очень важно, что мы понимаем пределы применимости классических концепций.

В этой главе мы дадим читателю лишь общее представление об этих пределах. По мере расширения знаний он познакомится в последующих главах с квантовыми явлениями и приобретет более точное понимание этой важной проблемы. Классические теории, как было с определенностью установлено огромным числом опытов, выполненных в нашем столетии, не имеют универсальной применимости.Мы познакомим читателя с некоторыми экспериментальными доказательствами, и он убедится в том, что действительно таковы свойства нашего мира. 6. Размышляя об изменениях, происшедших в физике в течение этого столетия, мы должны иметь в виду, что классическая физика не дала нам исчерпыааюп(ей теории строения вещества.

Законы классической физики являются хорошими феноменологическими законами, но они не говорят нам всего о макроскопических телах. С помощью этих законов мы можем описать поведение (движение) механизмов, состоящих из пружин, рычагов, маховых колес и т. д., если мы располагаем такими «физическими константами», как плотность, модуль упругости и т.

д., характеризующими вещество, из которого эти механизмы сделаны. Но классическая теория не может ответить, почему плотность или модуль упругости имеют именно такие значения, почему стержень ломается, когда напряжение становится больше определенного предела, и т, д. Она не объясняет, почему медь плавится при 1083'С, почему пары натрия испускают желтый свет, почему водород обладает присущими ему химическими свойствами, почему светит Солнце, почему ядро урана спонтанно делится, почему серебро — проводник, а сера — изолятор и почему постоянные магниты можно делать только из стали. Можно без конца перечислять обычные экспериментальные факты, о которых классическая теория может сказать мало или совсем ничего не говорит.

7, Читатель спросит, обладаемли мы сейчас исчерпывающей теорией строения вещества? Ответ будет отрицательным: у нас нет детальной теории, которая могла бы объяснить все явления в нашем мире. Но за последнее столетие наше понимание природы вещей чрезвычайно расширилось. Мы узнали о новых свойствах природьп о которых не имели ни малейшего представления, и успешно решили множество старых проблем. С удовлетворением можно сказать, что теперь мы понимаем химические явления и макроскопические свойства вещества. В этих областях физики мы уже можем ответить на те вопросы, которые не могла разрешить классическая теория.

Атомы и элементарные частицы 8. Перейдем к идее элементарных частиц. Греческим философам принадлежит заслуга введения в теорию вещества идеи об атомах. (Не исключено, что аналогичные соображения развивались другими !7 народами гораздо раньше.) Следует сразу же отметить, что «атомы» древних сильно отличаются от атомов, с которыми ~меем дело мы. Нелегко точно понять, что подразумевали греческие философы под этим термином, но основной проблемой, интересовавшей их, был вопрос о том, бесконечна ли делимость вещества. ясли нашест~о нельзя дробить бесконечно, то в конце концов мы придем к идее аб элементарной частице вещества, т.

е. об «атоме». Возьмем некоторое вещество и будет делить его на все более мелкие части. В конце копцов настанет предел, когда дальнейшее деление невозмож1«о. Слово «атом» как раз означает «неделимый».' ЯСсь)) (я~ Я и 8 Рнс. ВЛ. Схематическое представление химическое реакции Н,+С1, «НС1. показывающее, что оиа заключается в перераспре. делеяни исходных «элементов». В де«ствнтельностн процессы, праискодящне при сто. раааа» газообразного водорода в атмосФере . ор, с» сг о кны.

происходит выделение энергии в Форме света и кинетической энергои продуктов реакции, газы нагреваются, и молекулы П, н С1, диссоцнируют иа атомы. которые соединяются в молекулы »1С1. Кграгот роль и другие процессы, которые заключаются в возбуждении атомов и молекул светом илн через столкновение Греческие атомисты верили, что любое вещество построено из «атомов», и, вероятно, чувствовали, что бесконечное многообразие свойств вещества должно быть объяснено конфигурацией (и движениему) «атомов». Эти идеи довольно близки к современным, но существует огромное различие между нашими количественными теориямн, основанными на опыте, и туманными размышлениями древних.

9. В этой книге мы не будем заниматься ранней историей атомной теории, но читатель должен вспомнить, что в Х1Х веке атомная гипотеза привела к замечательным успехам в понимании ряда явлений. Она объяснила основной факт, известный химикам: данное сложное химическое вещество состоит из определенных химических элементов, причем пропорции, в которых входят эти элементы, определяют вещество. рассмотрим, в частности, тот замечательный факт, что химически сложные вещества можно представить такими простыми формулами, как Н,О, Н,оО4, 1ча,Ю4 или 4чаОН.

Замечательным в этих формулах является появление небольших целых чисел, показывающих, например, что две единица водорода, объединяясь с одной единицей кислорода, образуют одну единицу воды, и т. п. Этот опытный факт легко объяснить, предположив, что вещество состоит из атомов; химические соединения состоят нз молекул, которые в свою очередь являются сложными системами, состоящими из небольшого числа атомов. Два атома водорода совместно с одним атомом кислорода образуют молекулу воды.