belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 128
Текст из файла (страница 128)
Мы выше подробно рассмотрели эволюцию наших знаний об электромагнитных взаимодействиях. Однако ядерные силы не похожи на электрические, опи действуют лишь на очень малых расстояниях, и квант., в результате обмена которым возникает притяжение между пуклопами, имеет ненулевую массу. Это впервые понял в 1935 г. Х. К)кава, а открьгга эта частица 77-мезон была в космических лучах Андерсоном в 1947 г. Пион не долго удержался на своей «должности».
В 60-х г. выяснилось, что переносчиком ядерных сил являются глюоны. Родилась новая наука .-- «квантовая хромодинамика», поменявшая в корне представление об элементарности известных частиц. На арену вышли кварки, являющиеся составной частью адронов и получившие название «фундаментальные частицы». В корне изменилось наше представление о слабых взаимодействиях. Вопервых. именно в слабых взаимодействиях обнаружено, что может нарушаться закон, казавшийся ранее незыблемым: неразличимость правого от левого; иначе говоря., было обнаружено, что в слабых взаимодействиях нарушается закон сохранения четности. Но наиболее значимым этапом в развитии теории взаимодействий было объединение слабого и электромагнитного взаимодействий в единое — электрослабое взаимодействие, переносчиками которого являются промежуточные И'- и Я-бозоны.
Мало того, оказалось, что влияние такого обмена можно заметить даже в атомах. Экспериментальное открытие этих частиц знаменовало новую эру в описании взаимодействий в природе. Теория электрослабого взаимодействия продолжает теорию Максвелла в область малых расстояний, или, что то же, в область болыпих энергий. В новой теории взаимодействуют не только заряженные частицы, но и, например, нейтрино с нейтроном. В чем красота такого объединения? Возникли неожиданные связи между разнородными явлениями. Так, постоянная, определяющая величину слабого взаимодействия, оказалась связанной с зарядом электрона.
Теория объяснила многие явления, казавшиеся ранее загадочными. Еще далека от заверни.'ния, но, можно надеяться, на верном пути теория Великого объединения, которая даст единое объяснение электромагнитным, слабым и сильным взаи»юдействиям. Согласно прсдсказаниям этой теории протон — нестабильная частица, время распада протона на позитрон и нейтральный пион или па нейтрино и положительный пион составляет примерно 102" — 10зз лет.
Уже поставлен ряд опытов по проверке этого предсказания. Если распад обнаружится, то по крайней мере подтвердится идея Великого объединения единого описания всех четырех фундаментальных взаимодействий. В последнее время многие теоретики пытаются создать теорию Суперобьединения, которая охватила бы все четыре взаимодействия. Картина только на4ала возникать. Она еще недостаточно красива и, по-видимому, достаточно далека от истины. И тем не менее уже сейчас ясно, что мы на пути к более глубокому пониманию гармонии, скрытой во Вселенной.
12.3. Симметрии История естественных наук учит, что по мере их развития все большее число явлений природы удается объяснить на основе все меньшего числа ьзл. квкнтовый миг основополагающих законов, а сами законы природы обусловлены теми или иными симметриями, заложенными в ней. Например, из классической механики известно, что всеобщие законы сохранения энергии, импульса и момента импульса вытекают из однородности и изотропности пространства-времени.
В атомной физике закономерности периодической таблицы Менделеева связаны с инвариаятностью относительно вращений. Теория относительности полностью зиждется па идее лоренц-инвариантности. Однако пе все симметрии природы оказывается возможным столь легко выявить и наглядно объяснить.
Ведь опи ие обязательно должны быть связаны со свойствами обы шого пространства-времени. Осознание этого факта привело к открытию нового класса так называемых внутренних симметрий. Внутренние симметрии обогатили нас такими понятиями, как калибровочная иивариаптность, изоспин, странность, «восьмеричный путь» и т.
п. Обнаружение любой новой симметрии природы является важным шагом на пути ее познания и зачастую приводит к далеко идущим практическим последствиям. Мы подробно обсуждали этот вопрос в гл. 12 части 4. 12.4. Квантовый мнр Исходным образом классической механики ямляется материальная точка, которая движется по определенной траектории. Последняя задается начальными условиями и силой, действующей на материальную точку. Открытие атомной структуры вещества, казалось бы, материализовало этот основной образ классической механики: материальные точки — это атомы, электроны, протоны, словом, те частицы, которые следует считать элементарными при рассмотрении того или иного движения. Исходя из такой концепции, свойства макроскопических тел должны быть поняты как свойства совокупности частиц (материальных точек), взаимодействующих между собой и движущихся по определенным траекториям.
Механика материальных точек пе может быть построена, если це известны силы взаимодействия между ними. Итак, основным объектом классического механического мировоззрения является материальная точка, частица, о которой можно точно сказать, где оца находится в данный момент времени и с какой скоростью опа движется. Однако классические представления этим пе ограничиваются. Открытие радиоволн, выяснение волновой природы света показали, что материя существует не только в форме частиц вещества (корпускул), ио и в виде волн. Привычно думать, что после слова «волпа» должно следовать разъяснение, что «волнуется». Когда речь идет об обычных механических колебаниях (например, звуковых волнах в газе), то всегда ясно, что колебательное движение совершают частицы (газа, жидкости, твердого тела).
Когда же речь идет об электромагнитных колебаниях, то привычные модельные представления отказывают. Ничто (в смысле часгицы) пс колеблется. В этом смысле волна . первичный, «несводимый» образ. Электромагнитная волна, точнее, ее простейшая форма плоская волна определенной частоты есть элементарная форма существования особого вида материи, именуемого электромагнитным полем. Элементарной формой, т.
е, формой, из которой конструируются всевозможные электромагвитные поля, является бесконечно протяженная в пространстве и во времени волна. 476 Гл. пь злключение Казалось бы, волна и частица понятия несовместимые, взаимно исключающие друг друга. Перед нами либо частица нечто очень маленькое, находящееся в каждый момент времени в определенном месте и движущееся с определенной скоростьн>, либо волна нечто распространенное, заполняющее все пространство. Правда с волной также связана некоторая скорость, даже две. Во-первых, скорость перемещения фазы волны фазовая скорость иф= 67,776, где ш — круговая частота, а й волновое число, связанное с длиной волны соотношением 6 = 277,7Л.
Фазовая скорость характеризует структуру волны, но не определяет непосредственно скорость переноса энергии волны, которую характеризует другая скорость групповая., равная и,р — — ди7,7дк. Особенно отчетливо различие между частицей и волной проявляется при изучении двух частиц или двух волн. Характерное свойство волн --- интерференция возможность уменьшения интенсивности при сложении двух (или нескольких) волн.
Подобный результат представляется совершенно невозможным для классических корпускул. Если две одинаковые частицы попадают в одну точку, то реакция должна быть удвоенная. Итак, классическая картина мира строится из двух сущностей: частиц и волн. В какой мере классическая картина изображает истинную природу? Пока мы интересуемся макроскопическими движениями, классическая механика прекрасно описывает результаты опьггов. Но когда мы входим в мир атомных частиц (не только принадлежащих атому, а атомных размеров), благополучие оказывается иллюзорным.
Само существование стабильных атомов и молекул нельзя понять, оставаясь на позициях классической механики. Речь идет пе о количественном несогласии, а о принципиальной невозможности объяснить самые фундаментальные факты. Если бы была справедлива классическая механика в микромире, то электрон в атоме потерял бы всю свои> энергию, излучая электромагнитные волны, за 10 '6 с. Именно для того, чтобы ликвидировать это противоречие, и была создана квантовая механика, основанная на совершенно новых представлениях. При описании микромира приходится отказаться от наиболее наглядного представления классической механики понятия траектории частицы.
Существование принципа неопределенностей означает, что атомная частица по своей природе требует для описания своего поведения статистического (вероятностного) подхода. На первый взгляд кажется, что соотношение неопределенностей означает предел человеческих возможностей: мы не можем точнее узнать одновременно импульс и координату частицы. Но это неправильно просто частица не имеет одновременно определенного значения и импульса и координаты. Вдумываясь в соотношение неопределенностей, можно прийти к выводу, что оно имеет волновое происхождение.
Действительно, соотношение такого типа имеет место в волновой оптике. Противоречие между волной и частицей (точнее, альтернативность понятий «волна» и «чвстица»: либо волна, либо частица!) разрушилось с двух сторон. И со стороны частиц они приобрели волновые свойства, и со стороны волн . опи приобрели корпускулярные свойства. Подверглись ревизии основные понятия, из которых классическая механика строила мир, — частицы и волны, из них родилось новос понятие корпускулярно-волновой дуализм.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
