С. Трейман - Этот странный квантовый мир (1129358), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Откуда берется эта энергия'. 2) как делятся ядра при распаде? Ответ на первый из этих вопросов следует из формулы Эйнштейна (Е = пгсз, полученной в 1905 г.), но она воспринималась как некоторое концептуальное допущение до тех пор, пока не была проведена экспериментальная проверка по точному измерению масс родительских и дочерних ядер. Более глубокий второй вопрос связан с интерпретацией квантовой механики. Если взять некоторый набор идентичных атомов радиоактивного вещества, то легко обнаружить, что не все атомы распадутся к некоторому характерному моменту, поскольку распад будет происходить за различные времена — случайно.
Если испускание детектируется счетчиком, вы услышите отдельные щелчки по мере того, как распадается тот или иной атом. По истечение времени, конечно, будет оставаться все меньше и меньше родительских атомов. По мере того, как это происходит, количество оставшихся атомов уменьшается по экспоненциальному закону, с характерным временем (называемым временем жизни), которое является вполне определенной величиной для данного вещества. С классической точки зрения проблема состоит в следующем. Атомы данного вещества предполагаются тождественными. Если они подчиняются временной зависимостью в духе классической науки, то почему не все распады происходят за одинаковое время, какой бы ни был механизм, управляющий радиоактивным распадом? Квантово-механический ответ состоит в том, что мир является вероятностным.
Ансамбль тождественных атомов, находящихся в одинаковых условиях, будет иметь вероятностное распределение распадов по времени. Невозможно предсказать, какое событием за каким последует. То, что мы можем предсказать на достаточно общем уровне — это экспоненциальный характер кривой распада. Но среднее время жизни меняется от вещества к веществу и существенно зависит от деталей, лежащих в основе этого квантовомеханического процесса. Можно было бы здесь сказать, что традиционные классы ядерной нестабильности о, д и ч — это всего лишь три класса среди значительно более широкой категории процессов распада, существующих в природе, включая реакции с участием субъядерных частиц: распады пи-мезонов, мюонные распады и т. д.
Средние времена жизни могут меняться в очень больших масштабах, от = 10 ™ с для некоторых субъядерных частиц до миллиардов лет и более для некоторых о-распадов (среди которых ()~~~, для которого время полураспада сравнимо с возрастом Земли). Обзор Туннелирование Вероятностная структура квантовой механики дает частице возможность оказаться в области, где ее появление абсолютно запрещено классической механикой. Для примера можно рассмотреть случай, когда существует энергетический барьер, который отделяет одну область от другой так, что частицы с энергией, меньшей энергии барьера, не могут его преодолеть и перейти из одной области в другую.
(Строго говоря, вам может не хватить энергии, чтобы взобраться на холм, который лежит между тем местом, где вы находитесь, и тем местом, куда вы хотите попасть.) С точки зрения квантовой механики существует конечная вероятность, что такие странные вещи могут происходить. Частицы могут быть обнаружены в классически запрещенных областях и такой процесс называется туннелироаанием. Антиматерии Пытаясь обнаружить релятивистское обобщение квантового уравнения Шредингера для электрона, П.А. Дирак изменил теорию так, что она оказалась чрезвычайно успешной по отношению к теории атома водорода, но вместе с тем привнесла некоторые странные вещи, к которым можно отнести состояния с отрицательной энергией для свободного электрона. Попытки интерпретации подхода Дирака привели к предсказанию новой частицы с массой электрона, но противоположным (положительным) зарядоьь Антиэлектрон, названный позитроном, вскоре был открыт экспериментально. После этого ситуация была обобщена.
Релятивистская квантовая теория предсказывает, что частицы, имеющие электрический заряд, должны появляться парами с противоположными зарядами, но тождественными массами (и одинаковым временем жизни, если они нестабильны). Одна из них называется частицей, другая — античастицей. Имя каждой из них — это результат истории или соображения удобства. Сейчас можно утверждать, что существуют другие типы «зарядов«ч кроме электрического, например, барионный заряд. Необходимость появления пар частица-античастица связана с зарядами любого типа. Так, существует не только антипротон для протона, но и антинейтрон для нейтрона. Нейтрон электрически нейтрален, но он имеет барионный заряд.
С другой стороны, только фотон и яо-мезон не имеют античастиц, каждая из них является античастицей для себя самой. Рождение и уничтожение вещества Чтобы объяснить эти понятия, скажем, что нечто подобное уже происходило с другими явлениями, испытавшими революционное преобразование в этом столетии. Если вы разберете часы, то обнаружите 16 Глава 1 механизмы, источники, рычаги и т.д. (или может быль кристалл кварца и батарейку). В этом случае вы говорите, что часы состоят из этих частей.
Если разбирать эти части на все более и более мелкие детали, в конце концов можно дойти до атомов. Если разбирать атомы, то можно обнаружить электроны и ядра различных сортов. Двигаясь дальше, вы обнаружите, что ядра сделаны нз протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из кварков и глюонов. На микроскопическом уровне, кстати, разложение на части означает разрушение объекта, который представляется в виде некоторых частей, соединенных вместе с помощью дополнительных средств.
В начале столетия большое удивление вызывал тот факт, что разложение не останавливается на атомах. Тогда, продолжая вековые традиции, в конечном счете можно прийти к неизменяемым составляющим мира, строительные блоки которого можно расположить и перестроить в различных комбинациях, но сами по себе они являются вечными и неразрушимыми. Так, для примера, ядерная реакция: г(+1 -«Не+и может восприниматься как простая перестановка нейтронных (и) и протонных (р) частей ядер дейтерия («1) и трития (1), при котором эти части сливаются в ядро гелия (Не) с одним остающимся нейтроном. Можно считать, что реакция (1) я+р — Л+К показывает, что частицы, участвующие в ней— пион, протон, лямбда-частица, каон — составлены из более мелких частиц, иначе говоря, кварков, которые подобным же образом переставляются между собой. Но если это так, что же тогда приводит к реакции (й) тг+р — Лл-КЭ-я, в которой лишний пион появляется из нноткудай Не все ли кварки уже были полностью «использованыв для осуществления реакции («), что при этом не остается ингредиентов для объяснения реакции (й)1 Как можно осуществить реакцию р+ р «р+ р+ я~? Никакое суммирование перестановок не может объяснить, почему конечная система содержит такие же объекты, как начальная система плюс нечто другое.
Чтобы разрешить этот вопрос, можно предположить, что то просто рождается заново; иначе говоря, его ингредиенты возникают независимо от протекания реакции. Короче, переходя на субъядерный уровень, мы обнаруживаем, что частицы могут быть рождены и уничтожены! Это рождение и уничтожение вещества не наблюдается в нашей каждодневной действительности. Это явление, которое начинает играть роль в ускорителях частиц высокой энергии, в столкновениях, индуцированных космическими лучами (которые представляют из себя поток быстрых частиц, падающих на Землю нз космоса), в звездах, в открытом космосе и в определенных процессах радиоактивного распада, Процессы, связанные с наукой, технологией и повседневной жизнью имеют в основном дело с простыми движениями и перестановками электронов и ядер.
Однако даже в повседневной жизни нз этого имеется очень известное исключение. Я говорю о хорошо известном явлении, которое можно интерпретировать на основе современных представлений, а имен- 17 Обзор но, о свете! Луч света есть не что иное, как семейство безмассовых частиц — фотонов, движущихся (как же иначе?) со скоростью света. Благодаря своей безмассовости фотоны легко рождаются, причем это происходит независимо от того, включен источник света или выключен. На микроскопическом уровне их появление соответствует процессам, которые протекают при столкновении электронов и атомов в источнике света, в случае, когда последний нагрет или, другими словами, «возбужден»ч Фотоны разрушаются, когда они соприкасаются и поглощаются непрозрачными материальными телами (стены, книги, сетчатка глаза).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
