С. Трейман - Этот странный квантовый мир (1129358), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Представление о рождении и уничтожении фотонов было введено Эйнштейном, предложившим частицеподобную интерпретацию электромагнитного излучения. Но концепция фотонов не имеет вполне определенной даты рождения, во всяком случае, фотон есть является особой частицей. Она не имеет массы; это квант поля, которое мы называем классическим. Так или иначе, для фотонов возможность рождения и уничтожения, как таковых, не вызвала значительных философских обсуждений в ранние годы нашего столетия. В любом случае, оставалась надежда цепляться за идею того, что реальные массивные частицы, т.е. частицы с ненулевой массой, такие как электроны, протоны и нейтроны, действительно являются неизменными. Но возможность считать их неизменными вскоре исчезла. Впервые это стало заметно при открытии нейтрона и понимания его роли в ядерном )3-распаде.

Основная реакция ~3-распада имеет вид: нейтрон — протон + электрон+ антинейтрино. Нейтрон уничтожен; протон, электрон и антинейтрино родились. Анти- нейтрино, который очень неактивен, легко покидает ядра и проходит сквозь Землю, Солнечную систему, Галактику и уходит в открытый космос, не оставляя каких-либо следов. Но это уже совсем другая история. Где же возникла квантовая теория? Квантовая теория электромагнитного поля бере~ начало в героический период середины 20-х годов, когда были установлены основы квантовой механики. Квантовая электродинамика с самого начала была предназначена для того, чтобы учесть рождение и уничтожение фотонов. Фотон естественным образом получается в теории как квант электромагнитного поля. Начиная с этого момента физики придумали много других полей, которые не известны нам в классическом проявлении, но которые необходимы для квантования других частиц по аналогии с электродинамикой.

Так, для примера, существует поле, которое создает и разрушает электроны. В старых теориях для каждого типа частиц: протонов, нейтронов, пионов и т. д. использовался отдельный набор полей. Сейчас мы достигли более фундаментального уровня понимания, включающего в себя, кроме прочего, кварки и глюоны.

Но они также могут рождаться и уничтожаться. 18 Глава 1 Истоки В своей современной форме структура квантовой теории была изложена в середине 20-х годов в результате концентрированного взрыва творчества и прогресса, не имевшего аналогов в истории научной мысли. Ее основные создатели были очень молоды: Вернер Гейзенберг, Поль Дирак, Паскуаль Йордан и Вольфганг Паули, всем им было около двадцати. Немного постарше были Эрвин Шредингер, который опубликовал свое знаменитое уравнение в возрасте ЗЗ-х лет, и Макс Борн, которому было 43 и его дружеская помощь понадобилась Гейзенбергу. Новый взгляд привел к неочевидной концепции реальности и сопровождался большим числом курьезов различного сорта.

Не все современные им физики оказались способными воспринять новую доктрину. Они возражали и открещивались от нее. Но уже первое применение квантового подхода к описанию микроскопических явлений привело к потрясающему успеху. Противники нового подхода, среди которых, в первую очередь, был Альберт Эйнштейн, вскоре были вынуждены согласиться с корректностью квантовой механики. Им осталось лишь надеяться на то, что классическая реальность превалирует на некотором, более глубоком уровне природы, недостижимом при непосредственных наблюдениях. Этот более глубокий уровень, если он существует, в настоящее время все еще остается в перспективе.

Насколько мы можем сегодня видеть, принципы квантовой механики остаются ненарушенными и эмпирически неизменными. В случаях, когда с достаточно высокой точностью могут быть выполнены сложный эксперимент и соответствующие теоретические вычисления, между ними наблюдается качественное согласие. Как это часто происходит во время интеллектуальных революций, юное поколение легче воспринимает новые пути мышления, чем старое. Но еще легче было воспринять новые идеи поколению, которое выросло с ними. Тем не менее, общий взгляд на квантовую механику достаточно необычен.

Но самое необычное состоит в том, что до сих пор, через многие десятилетия после появления квантовой механики, она продолжает казаться необычной даже научным работникам, которые имеют с ней дело каждый день, знают и используют многие ее тонкости и особенности. Необычность квантовой механике проявляется скорее не на операционном, а на философском уровне понимания. На этом уровне остаются скрытыми многие глубокие вопросы.Мы не можем пока решить их полностью.

Скромная цель данной книги состоит в том, чтобы познакомить читателя с некоторыми основами квантовой механики: ее принципами, следствиями и даже курьезами. Многие вопросы, рассматриваемые в рамках классической физики, оставались нерешенными вплоть до конца Х!Х столетия, особенно вопросы, имеющие отношение к природе атомов, а для некоторых твердолобых людей — даже сам факт существования атомов.

Но рамки нью- Истоки 19 тоновой механики не вызывали сомнений. Тем не менее, сегодня в ее недостатках можно обнаружить квантовые эффекты, вследствие которых эмпирические отклонения от классически ожидаемых результатов были указаны исследователями Х1Х столетия. Однако это лишь недостатки. В целом они не являются ошибками, не портят общей системы взглядов, но далеки от ясности и не могут быть решены в рамках по-прежнему развивающейся классической картины. До снх пор существуют обширные области современной макроскопической науки и инженерии, которые успешно существуют без какого-либо отношения к квантовомеханическим основам природы.

Это происходит потому, что классическое ньютоновское поведение для большинства явлений дает очень хорошее приближение к квантовой механике макроскопических систем. Но такое утверждение надо понимать в качественном смысле. Эту оговорку можно проиллюстрировать на примерах. Рассмотрим течение масла по гладкой цилиндрической трубе. В этом случае течение управляется разностью давлений, которая устанавливается на концах трубы. Если разность давлений не слишком большая, то течение будет ламинарным; его описание является стандартной задачей во всех учебниках по динамике жидкости. Можно рассчитать скорость движения и объем масла, переносимого за единицу времени.

Ответ зависит от длины и диаметра цилиндра, а также разности давлений на концах трубы. Они являются параметрами, которые либо задаются экспериментально, либо определяются условиями. Но ответ зависит и от вязкости масла. Если значение этого параметра воспринимать как данный факт природы, т. е. как величину, определяемую эмпирически, тогда вычисление скорости течения можно произвести по чисто классическим линиям, и никак не связывать с квантовой механикой. Однако, чтобы понять, почему масло имеет вязкость и другие свойства, которые у него есть, надо опуститься на атомный уровень.

А здесь уже разница между классической и квантовой механикой просто потрясающа. Нужно сделать и другую оговорку. Квантовомеханические правила и конкретные уравнения уже давно определены и хорошо проверены. В приниипе, можно установить структуру молекул масла, изучить, как эти молекулы взаимодействуют между собой в объеме и отсюда получить вязкость масла. Но полное летальное вычисление того, что происходит на различных масштабах, начиная с одной молекулы масла и ее ингредиентов и кончая астрономическим числом (около 10~~) молекул, представленных даже в маленькой капле масла, является совершенно немыслимым. Даже отдельная молекула уже довольно сложна.

Поэтому здесь должны быть использованы и собраны вместе подходы, основанные на богатых и активных областях научного исследования; например, на области статистической механики. Оператор, который хочет знать точное значение расхода жидкости, конечно, должен обратиться к эмпирическому значению вязкости. Но тот же оператор может проявить лю- 90 Глава 1 бопытство, а почему окружающие вещи именно такие, какие они есть? Более того, существует возможность научиться проектировать молекулы на микроскопическом уровне, так, чтобы изменять вязкость в желаемом направлении. Точно также, как с вязкостью, дела обстоят и с другой информацией, которая в параметрической форме входит в различные области классической науки и инженерии: упругие свойства материалов, теплопроводность, электрическое сопротивление, уравнения состояния (соотношения между давлением, плотностью и температурой) для различных газов и жидкостей, оптические коэффициенты отражения и т.д.

Характеристики

Список файлов книги