История науки
..pdfТаблица 3.1. Классификация элементарных частиц
По мере развития экспериментальной ядерной техники и технологии, с по явлением мощных ускорителей число открытых частиц все возрастало. Возник вопрос, насколько элементарная частица на самом деле элементарна. В поня тие элементарности включали первоначально два аспекта: неизменность и не делимость. Как выяснилось, неизменных частиц не существует. Но идея неде лимости, то есть неразложимости на составные части, до сих пор остается.
Все многообразие частиц, открытых к настоящему времени, охватывается обобщенной классификацией, представленной в таблице 3.1.
Элементарные частицы можно разделить на два класса: фермионы (названы так в честь Энрико Ферми) и бозоны (в честь Шатьендраната Бозе). Фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие. Фермионы, в свою оче редь, делятся на лептоны (греч. leptos —«легкий») и адроны (греч. adros — «силь ный»). В состав адронов входят кварки. Название «кварк» дал частицам аме риканский физик Марри Гел-Ман, заимствовав его из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где это слово означало нечто неопределенное. В квантовой теории установлено, что любому полю соответствуют частицы, осу ществляющие взаимодействия. Эти взаимодействия переносятся четырьмя типами бозонов. Фотон представляет собой квант излучения и переносит электромагнитные взаимодействия. Силу тяготения между телами, имеющи ми массу, переносит гравитон. Глюоны переносят сильные ядерные взаимо действия. Векторные бозоны осуществляют перенос слабых взаимодействий.
Напомним, что сильные или ядерные взаимодействия реализуются внутри ядра атома. Слабые взаимодействия в 10й раз слабее ядерных и не способны удерживать частицы. Они вызывают распады элементарных частиц, напри мер нейтронов. Считается, что к этим четырем типам взаимодействия сводят ся все силы в природе. Современная наука ищет пути теоретического объе динения четырех фундаментальных типов взаимодействий. Максвеллу уда лось объединить электрическое и магнитное взаимодействие в один тип — электромагнитное. В настоящее время существуют теории, объединяющие электромагнитное и слабое взаимодействие, теория Великого объединения (общая теория объединения электромагнитного, сильного и слабого взаимо действия) и Теория Всего Сущего, объединяющая все типы взаимодействия. Считается теоретически доказанным, что фундаментальные взаимодействия объединяются при очень высоких энергиях или температурах, эксперимен тальное получение которых в настоящее время невозможно.
2.5. Квантовая механика - механика микромира
Квантовая теория света, разрешив противоречия, связанные с тепловым излуче нием, обострила вопрос о природе света. Физики были вынуждены признать и корпускулярные, и волновые его свойства. Волновой природой объяснялись одни явления (например, интерференция, дифракция), корпускулярными свойства ми —другие (комптоновское рассеяние, фотоэффект). По остроумному замеча нию Уильяма Брэгга, каждый физик вынужден по понедельникам, средам и пят ницам считать свет, состоящим из частиц, а в остальные дни недели —из волн.
Пытаясь «объединить точку зрения волновой теории с точкой зрения корпускулярной», французский физик Луи де Бройль (1892 — 1987) выдви нул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализ ма. Луи де Бройль утверждал, что не только фотоны, но и электроны и лю бые другие частицы материи обладают и корпускулярными, и волновыми свойствами. Корпускулярными параметрами частицы являются ее энергия Е и импульс р, волновыми — частота v и длина волны X. Следуя теории от носительности, Луи де Бройль связывает с массой покоя т0 энергию вол нового процесса Е= hv, так что hv0= /«„с2, отсюда импульс р = И/Х.
Таким образом, по теории Луи де Бройля выходило, что любая частица, обладающая массой покоя т0 и, соответственно, импульсом р, порождает волновой процесс с длиной волны
X = h/p = h/m0v,
где v — скорость частицы.
Свою теорию Луи де Бройль изложил в трех статьях, опубликованных в 1923 г. Эти статьи стали основой докторской диссертации, защищенной Луи де Бройлем в 1924 г. В 1925 г. Эйнштейн, советуя М. Борну прочесть эту дис сертацию, сказал: «Прочитайте ее! Хотя и кажется, что ее писал сумасшедший, написана она солидно».
«Можно сказать, что для атомного объекта существует потенциальная возмож ность проявлять себя, в зависимости от внешних условий, либо как волна, либо как частица, либо промежуточным образом. Именно в этой потенциальной воз можности различных проявлений свойств, присущих микрообъекту, и состоит дуализм волна — частица. Всякое иное, более буквальное, понимание этого ду ализма в виде какой-нибудь модели неправильно».
При описании поведения микрочастицы, таким образом, необходимы и корпускулярные, и волновые параметры, но приписывать микрочастицам все свойства частиц и все свойства волн нельзя. К примеру, в классической механике движение частицы описывается координатами и траекторией. Микрочастица, обладая волновыми свойствами, не имеет траектории, а по этому и координаты ее неопределенны. С другой стороны, понятие «длина волны в данной точке» не имеет физического смысла, а поскольку импульс выражается через длину волны, то импульс также оказывается неопределен ным. Таким образом, если точно определить координату микрочастицы, импульс будет полностью неопределен (волна в точке не существует), если же определить импульс, то полностью неопределенной оказывается коор дината (волна не имеет траектории). Учитывая волновые свойства микроча стиц и связанные с этими свойствами ограничения, В. Гейзенберг в 1927 г. сформулировал соотношение неопределенностей, по которому микрочас тица не может иметь одновременно определенную координату и соответ ствующую проекцию импульса px,py,pzна оси координат X, Y, Z при этом не определенности этих величин удовлетворяют условиям:
АхАрх > А; АуАру >И\ АхАpz>h]
то есть произведение неопределенности координат на соответствующую про екцию импульса не может быть меньше значения постоянной Планка. Из этих соотношений видно, что как только уменьшается неопределенность коорди нат, неопределенность импульса возрастает, например при Ах - » О,Арх ->
Невозможность одновременно точного определения координаты и им пульса частиц указывает, по сути дела, границы применения понятий клас сической механики к микрочастицам. С учетом того, что Ар = mAv, выра зим соотношение неопределенностей в виде
AxAvx >h/m.
Отсюда следует, что чем больше масса частицы, тем меньше неопределен ность . Для микроскопических тел волновые свойства вообще не сказывают ся, их координата и импульс могут быть измерены достаточно точно, к ним применимы законы классической механики. Эти законы применимы, напри мер, к пылинке массой Ю-12 кг и диаметром 1 мкм. Даже для электрона, дви жущегося прямолинейно со скоростью v = 108м/с, координата может быть
указана с неопределенностью в тысячные доли миллиметра. Но для электро на, движущегося в атоме по круговой орбите радиусом порядка 0,5-1 0 10 м со скоростью v = 2,3-106 м/с, неопределенность скорости больше самой скорос ти, поэтому нельзя говорить о движении электрона по определенной траек тории, то есть пользоваться законами классической механики.
Соотношение неопределенностей может быть записано для энергии и времени в виде:
AEAt>h,
где АЕ — неопределенность энергии некоторого состояния системы, At — промежуток времени, в течение которого это состояние существует. Отсю да следует, что при излучении фотона частота излучения будет иметь раз брос Av = AE/h, поскольку Av = 1/АЛ
Измеряя ширину спектральных линий Av, можно, таким образом, оце нить время существования атома в возбужденном состоянии.
Ограниченность применения законов классической механики к микро миру диктовала необходимость создания новой механики — механики мик ромира. Ее создание началось с формулировки Планком квантовой гипо тезы (теории квант). Усилиями австрийского физика Э. Шредингера (1887 — 1961), немецкого физика В. Гейзенберга и английского физика П. Дирака (1902 — 1984) было создано новое направление в теоретической физике, по лучившее название квантовой механики, предметом которой является опи сание движения и взаимодействия микрочастиц с учетом их волновых свойств. Важнейшей отличительной особенностью квантовой механики яв ляется необходимость вероятностного подхода к описанию микрочастиц. Для описания вероятностного состояния микрообъекта была введена так называемая волновая функция \|/(х, у, z). Ее физический смысл заключает ся в следующем: квадрат модуля волновой функции (квадрат модуля амп литуды волн де Бройля) определяет вероятность нахождения частицы в мо мент времени t в области с координатами (х + cbc, у + dy, z + dz), то есть ф и зический смысл имеет не сама \|/-функция, а квадрат ее модуля |у|2, который называют интенсивностью волн де Бройля.
Вероятность нахождения частицы в объеме равна
с1W= H 2dK,
откуда
M2= dW/dV
имеет смысл плотность вероятности.
Вероятность найти частицу в объеме в момент равна
W = jd lV = j\y\* dV
VV
Э.Шредингер сформулировал уравнение, ставшее основным уравнением
квантовой механики. Оно записано относительно волновой функции (у-функ-
Квантовая механика к настоящему времени выступает как одна из самых плодотворных теорий. Без нее невозможно понять многие актуальные про блемы строения вещества, его взаимодействия с излучением. Квантовая ме ханика широко применяется в ядерной физике, химии, космологии, био логии и многих отраслях науки и техники.
2.6. Философские уроки микромира
Проникновение в глубь микромира не только во многом изменило картину мира, но и дало науке новые принципы познания. Общефилосовское зна чение имеют рожденные квантовой механикой принципы запрета, соответ ствия и дополнительности.
В сжатом виде принцип дополнительности был изложен его автором Н. Бо ром в докладе на Международном конгрессе физиков в Комо в 1927 году сле дующим образом:
«В своем докладе я высказал тогда точку зрения, которую кратко можно охарак теризовать словом «дополнительность». Для этого решающим является призна ние следующего основного положения: как бы далеко не выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий... Для полного описания кван тово-механических явлений необходимо применить два взаимоисключающих («дополнительных») понятия, совокупность которых дает полную информацию об этих явлениях как целостных».
Паули даже предложил называть квантовую механику «теорией допол нительности» и не без оснований. Из-за соотношения неопределенностей корпускулярные и волновые свойства никогда не предстают эксперимен татору одновременно, поэтому соответствующие модели частиц не входят
впротиворечие. Квантовый объект — это не частица, не волна и даже не то и другое одновременно. Это нечто третье, для выражения свойств ко торого требуется наблюдать и измерять как волновые его свойства, так и корпускулярные. В одних условиях измерительная процедура выявляет корпускулярные свойства, в других — волновые, но каждый раз для выра жения тех и других свойств используются взаимоисключающие классичес кие понятия. При исследовании заряда и массы квантовых объектов ис пользуется отклонение их траектории под воздействием электромагнитно го поля. Волновые свойства в этом случае не рассматриваются. Квантовый объект предстает перед исследователем как частица. При исследовании волновых свойств квантовых объектов используется дифракция, дающая зависимость отклонения траектории от длины волны. Квантовый объект
вэтом случае является волной. Таким образом, квантовый объект может являться исследователю то частицей, то волной, но никогда тем и другим одновременно, а полученные при его исследовании параметры дополня
ют друг друга.
Принцип дополнительности, как общий принцип познания, предпола гает, что сложное явление природы для своего описания может требовать двух и более взаимоисключающих понятий, дополняющих друг друга. Но этот принцип применим не только в естествознании. Примером может быть наука и религия, как формы духовной культуры. Наука в своих методах при звана ничего не принимать на веру, искать во всем доказательства. Религия, напротив, требует веры в Бога, доказать существование которого какимилибо научными методами нельзя. Науку и религию можно рассматривать как дополняющие друг друга формы духовной культуры.
Мы уже отмечали, что классическая механика может рассматриваться как предельный случай теории относительности и квантовой механики. В этом проявляется принцип соответствия, сформулированный Бором в 1913 году для квантовых объектов и ставший впоследствии общим методологическим принципом. По этому принципу законы, установленные новыми научны ми теориями только тогда могут рассматриваться как истинные, когда они не отвергают предыдущие теории, справедливость которых достоверно ус тановлена, а включают их как частные случаи. Математический аппарат ста рой теории при определенных допущениях должен переходить в математи ческий аппарат новой. Этот принцип в настоящее время широко использу ется в научных исследованиях как критерий достоверности полученных ре зультатов. Новые научные результаты должны согласовываться с ранее ус тановленными фактами.
Принцип Паули также может быть возведен в ранг общенаучного прин ципа, запрещающего те или иные явления (хотя бы в рамках существующих теорий). Так, невозможно превысить скорость света, построить вечный дви гатель, преодолеть соотношение неопределенностей и так далее.
Одним из важнейших методологических результатов развития квантовой механики можно считать осознание того, что миром управляют вероятнос тные законы. Понятие вероятности после создания квантовой механики прочно вошло в науку XX века.
3. Мегамир
3.1. Ньютоновская Вселенная
Закон тяготения Ньютона называют всемирным, поскольку он представил свойства Вселенной в целом. На основе этого может быть описано движе ние Луны, планет, приливы, орбиты планет. Вселенная Ньютона — хорошо отлаженный «часовой механизм». Образ «мировых часов» введен в космо логию Лейбницем. Модель Вселенной Ньютона стала классической. По этой модели Вселенная бесконечна в пространстве и времени, вечна. Простран ство играет роль вместилища материи и никак не связано с находящимися внутри этого вместилища материальными объектами. Пространство суще ствует всегда и останется существовать, если из него изъять всю материю. Количество звезд, планет, звездных систем в бесконечном пространстве бес конечно велико. В то же время каждое небесное тело проходит свой жиз ненный путь, рождается и погибает. Это классическая концепция существо вания до сравнительно недавнего времени и, несмотря на успехи научной космологии XX века, изучалась в школе.
Вот цитата из учебника астрономии профессора Б.А. Воронцова-Вельями нова (издание 1951 г.):
«Подобно тому, как Вселенная в свете научных данных оказывается бесконеч ной в пространстве, она оказывается бесконечной и во времени, то есть вечной. Вселенная никогда не имела начала и никогда не будет иметь конца, она всегда существовала и всегда будет существовать. Все это касается Вселенной в целом, точнее говоря — материи, из которой она состоит, отдельные же ее части, как, например, Земля, Солнечная система, звезды и даже системы галактик, посто янно то тут, то там возникают, зарождаются, совершая длительный путь разви тия, и, наконец, прекращают свое существование в этом виде, с тем, чтобы об разующая их материя приняла новую форму. Сама же материя, постоянно из меняя свою форму, не уничтожается никогда, она вечна и вечно ее движение. На смену отжившим мирам возникают новые, на которых с течением времени также возникает жизнь, путем постепенного усложнения воспроизводящая свое высшее выражение — разумные мыслящие существа».