Учебник - Как понимать квантовую механику - Иванов М.Г. (1238820), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Для многих теорий эта ограниченность очевидна, но для гравитационного поля это не так. Гравитация описывает притяжение частиц, изза чего гравитационная энергия, как правило, отрицательна. Достигает лиона минимума, или может неограниченно уходить в область отрицательныхзначений? Поскольку у нас пока нет квантовой теории гравитации, ответана этот вопрос мы пока не знаем. Если энергия гравитационного поля неограничена снизу, то вакуум-3 вообще не существует. В этом случае можетоказаться, что каждый очередной вакуум-1 — это на самом деле псевдовакуум, распад которого может порождать всё новые и новые частицы (илидаже Вселенные).1.2.
Откуда пошла квантовая теорияВ начале XX века, когда создавалась квантовая механика, физики незнали большую часть того зоопарка частиц, которые рождаются на ускорителях сегодня. Из четырёх известных сегодня взаимодействий было известно только два «школьных»: гравитационное и электромагнитное.Постепенно становилось понятно, что должно быть ещё какое-то«ядерное взаимодействие», связанное с взаимодействием частиц внутриатомных ядер. По мере развития физики различие в скоростях ядерных реакций подсказало, что ядерных взаимодействий на самом деле два — сильное («склеивающее» частицы в ядрах) и слабое (отвечающее за β-распад).Первоначально квантовая механика была теорией фотонов и нерелятивистских заряженных частиц (электронов и атомных ядер).
Более того,тяжёлые (по сравнению с электронами) атомные ядра в большинстве первоначальных задач можно было рассматривать как классические объекты.Так что первоначальные объекты квантовой механики — фотоныи нерелятивистские электроны во внешних полях. Этот сравнительно узкий1.3. К ВАНТОВАЯМЕХАНИКА И СЛОЖНЫЕ СИСТЕМЫ21Рис. 1.9. Электронные орбитали для молекулы воды — попытка изобразить волновую функцию валентных электронов.раздел физики охватывает львиную часть всех задач, которые нужны человечеству в повседневной жизни, потому что всё окружающее нас обычноевещество состоит именно из этих ингредиентов. Квантовая механика сталафизической основой химии, отобрав у химии некоторые разделы, такие какспектроскопия и теория химической связи. Получил объяснения открытыйМенделеевым в 1869 году периодический закон. Те «воздушные шарики»–орбитали, которыми морочат нам голову химики, — всего лишь попыткадать представление о квантовомеханических эффектах, не прибегая к квантовой механике.Однако полностью свести химию к физике так и не удалось, по причине очень быстрого роста (существенно более быстрого, чем в классической физике) вычислительной сложности квантовомеханических расчётовс ростом числа частиц.1.3.
Квантовая механика и сложные системыМы уже упоминали, что с ростом числа частиц сложность квантовыхвычислений растёт существенно быстрее, чем сложность классических вычислений. Тем не менее, квантовая механика успешно применяется в статистической физике и, в частности, в физике конденсированного состояния.При этом оказывается, что очень многие (почти все) макроскопическиеявления могут быть объяснены только с привлечением квантовой теории.1.3.1. Феноменология и квантовая теорияМы можем в рамках классической теории описывать, например, намагниченность, но только на феноменологическом уровне: кто-то должен22ГЛАВА 1экспериментально промерить эмпирические зависимости намагниченностиот поля, температуры и т.
д., после чего из экспериментальных данных будут извлечены несколько подгоночных параметров, которые будут вставлены в теорию. Если такая феноменологическая теория построена с учётомобщих законов термодинамики, то на макроуровне она будет замечательноработать, но ответить на вопрос о том, почему подгоночные параметры теории оказались именно такими, классический (т.
е. неквантовый) теоретик неможет.Квантовая теория позволяет вывести из первых принципов (хотя быв принципе, но часто и на практике) те параметры феноменологическойтеории, которые классические физики могли получать только из эксперимента как подгоночные. Зная, например, что в атоме углерода содержится по 6 штук протонов, нейтронов и электронов, мы можем попробоватьопределить спектр углерода, его кристаллическую решётку, теплоёмкость,проводимость, точки и параметры фазовых переходов и т.
д. Конечно, будутполучаться громоздкие уравнения, но квантовая механика, по крайней мере, говорит нам как эти уравнения записать. А дальше нам надо упроститьполучившиеся уравнения так, чтобы их можно было решить, и при этомони продолжали адекватно описывать интересующие нас явления. Возможно, нам это не удастся, но даже в этом случае у нас есть веские основанияутверждать, что квантовая теория должна описывать эти явления, хотя мыпока не можем это показать.1.3.2. Макроскопические квантовые явленияВсе макроявления можно считать квантовыми, но некоторые из нихболее квантовые, чем другие. Это явления, которые с макроскопическойточки зрения выглядят слишком необычно.К макроскопическим квантовым явлениям обычно относят:• индуцированное излучение и связанные с ним явления (лазеры);• сверхпроводимость:– квантование магнитного потока через сверхпроводник;– суперпозиция токовых состояний (ток течёт по кольцу сразу в обестороны);• сверхтекучесть:– вихревые нити;– течение сверхтекучей и нормальной фазы в одном объёме в разные стороны.1.3.
К ВАНТОВАЯМЕХАНИКА И СЛОЖНЫЕ СИСТЕМЫ23Список, разумеется, неполон, в том числе и потому, что раз уж вся физикав основе своей квантовая, то относить ли то или иное макроскопическоеявление к квантовым во многом зависит от произвола конкретного автора.Особенно много неясностей с макроскопическими квантовыми явлениями возникает тогда, когда к физике примешивается философия (интерпретации квантовой теории), а возможность проверить слова экспериментом в настоящее время отсутствует. Например, ряд авторов (в том числеРоджер Пенроуз) полагает, что макроскопическим квантовым явлением является сознание человека.Сверхтекучесть и сверхпроводимостьНа всякий случай напомним читателю,что́ из себя представляют явления сверхтекучести и сверхпроводимости.Сверхтекучесть жидкого гелия была открыта в 1937 году П.
Л. Капицей.В сверхтекучем состоянии жидкость ведётсебя так, как будто один и тот же объём занимают две разные жидкости, одна из которыхимеет нулевую вязкость, а другая — нормальная (вязкая) жидкость. Нормальная и сверхтекучая компоненты беспрепятственно текутдруг сквозь друга.При различных способах измерения сверх- Рис. 1.10. Пётр ЛеонидовичКапица (1894–1984).текучая жидкость демонстрирует нулевую, либо отличную от нуля вязкость, поскольку к подобной двухкомпонентной жидкости понятие вязкости в классическомсмысле не применимо.
При движении тела в среде нормальная компонентасоздаёт силу сопротивления, и мы видим ненулевую вязкость. При течении жидкости через капилляры поток определятся почти исключительносверхтекучей компонентой, и мы видим нулевую вязкость. Сверхтекучаяжидкость при прохождении через капилляр охлаждается, т. к. сверхтекучейкомпоненте можно приписать нулевую температуру, а через капилляр проходит главным образом она.Сверхтекучую жидкость нельзя рассматривать как механическую смесьдвух фаз, мы не можем сказать, что одни частицы относятся к сверхтекучей компоненте, а другие к нормальной. При описании сверхтекучей жидкости степени свободы, относящиеся к обоим компонентам, нельзя связатьс отдельными частицами — это коллективные степени свободы, описываю-24ГЛАВА 1щие коллективные возбуждения (квазичастицы), параметры которых (масса, спин, заряд) отличны от параметров отдельных частиц жидкости.Сверхпроводимость — сверхтекучесть электронной жидкости в сверхпроводнике.
Квазичастицы сверхпроводящей компоненты отчасти ведут себя как связанные состояния двух электронов (куперовские пары). Притяжение электронов в паре обеспечивается за счёт взаимодействия с колебаниями кристаллической решётки (за счёт обмена фононами).Переход в сверхпроводящее состояние открыл в 1911 году КамерлингОннес для ртути (температура перехода 4,1 К). В настоящее время (согласноВикипедии) наиболее высокая подтверждённая температура перехода получена для Hg12 Tl3 Ba30 Ca30 Cu45 O127 — 138 К при нормальном давлениии 164 К при давлении 3,5 · 105 атм.Переходы в сверхпроводящее (сверхтекучее) состояние в отсутствие внешних полейявляются фазовыми переходами второго рода,т.
е. в точке перехода нормальное и сверхтекучее (сверхпроводящее) состояния не различаются: концентрация сверхтекучей компонентыв точке перехода равна нулю, и становится отлична от нуля при более глубоком охлаждении.Сверхтекучая (сверхпроводящая) компонента рассматривается как бозе-конденсат квазичастиц (коллективных возбуждений) среды.Все квазичастицы конденсата описываютсяРис. 1.11. Хейке Камерлинг– общей волновой функцией, квадрат которойОннес в 1878 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
