9.5 Принцип неопределенности Гейзенберга

Корпускулярно – волновой дуализм накладывает ограничения на применение аппарата классической механики к описанию явлений микромира в виде математических ограничений, известных как принцип неопределенности. Выделим из них два. Первое гласит: одновременное и точное указание координат и импульса частицыневозможно

а) б)

Рис. 9.6.

Потенциальная яма а) и барьер б)

где неопределенности в значениях соответствующих координат, анеопределенности в соответствующих значениях проекций импульсов. Указанные неопределенности имеют объективную причину. В силу природы микромира локализация частицы в процессе ее движения затруднена или практически невозможна.

Второе связано с энергией частицы и временем, в течение которого она фиксируется

Частица – электрон с массой (рисунок 9.6 а), находящаяся в потенциальной яме, обладает нулевым значением потенциальной энергии. На границе этой ямы и вне нее она обладает потенциальной энергией, равной

На рисунке 9.6 б представлен потенциальный барьер. В области потенциальная энергия частицы имеет энергиюПусть некоторый электрон движется со скоростьюи падает в область пространства, где поле препятствует его движению. Такая область называется потенциальным барьером. Так как электрон находится в областиI достаточно долго, то неопределенность в значении энергии мала, и мы можем ее рассчитать с необходимой точностью. Взаимодействие с барьером кратковременно, а неопределенность в значении энергии столь велика, что может сравняться с высотой барьера. В этом случае электрон, не имея в области I необходимой энергии для преодоления потенциального барьера, тем не менее, окажется в области II. Этот факт носит название туннельного эффекта или подбарьерного просачивания. Туннельный эффект может наблюдаться и через стенки потенциальной ямы.

9.6 Виртуальные частицы и состояния

Существование виртуальных частиц можно отнести к специфическим свойствам микромира. Ядерные частицы в ядре связаны между собой специфическими силами, относящимися к классу сильных взаимодействий. Это взаимодействие (притяжение протонов и нейтронов) возникает на очень малых расстояниях порядка 10^-13 см, поэтому оно является короткодействующим. Именно сильное взаимодействие определяет высокую устойчивость атомного ядра. Японский физик Юкава предположил, что материальным носителем этих сил являются частицы – виртуальные мезоны, а само взаимодействие реализуется через обмен мезонами. Размеры атомного ядра составляют величину порядка 10^-15 м, мезоны движутся со скоростью порядка скорости света и время их переброса от нуклона к нуклону составит величину порядка 10^-24 с. Этому значению времени взаимодействия соответствует неопределенность энергии  ~10^-10 Дж. Эта энергия соответствует массе мезона, составляющей приблизительно 210 электронных масс.

Виртуальные частицы не наблюдаемы, их расхождения, и смерть не связаны с законом сохранения энергии. Это обстоятельство позволяет принципиально иначе взглянуть на физический вакуум – незаполненное веществом пространство не является пустым, оно заполнено виртуальными частицами.

Применение идей Дирака к вакууму показало, что он обладает сложной структурой, из которой могут рождаться пары «частица – античастица». В соответствии с принципом неопределенности напряженность электромагнитного поля и число фотонов не могут быть определены точно одновременно. Нулевое число частиц означает неопределенность напряженности поля в вакуумном состоянии. Это состояние следует воспринимать не как отсутствие поля, а как одно из его возможных проявлений, возможных состояний, обладающих определенными свойствами. В современной квантовой теории под полем понимается система с переменным числом частиц (квантов поля). Наинизшее состояние поля, в котором реальные частицы отсутствуют, принято называть вакуумом. Вакуум не содержит материи в вещественной форме, тела при движении в нем не испытывают трения. Однако наличие виртуальных эффектов (частиц) приводит к специфическим эффектам, основанным на взаимодействии вакуума с реальными частицами. В вакуумных флуктуациях участвуют кванты релятивистских волновых полей, называемые виртуальными частицами. Они возникают в промежуточных состояниях процессов перехода и взаимодействия частиц, и имеют те же квантовые числа, что и обычные реальные частицы. Однако для них не выполняется релятивистское соотношение между энергией и импульсом

Возможность отмеченного нарушения вытекает из соотношения неопределенностей между энергией и временем и может происходить лишь на очень маленьком промежутке времени, что не позволяет осуществлять регистрацию виртуальных частиц опытным путем.

Виртуальные частицы – переносчики взаимодействия. Два электрона взаимодействуют друг с другом излучением одним электроном виртуального фотона и его поглощения другим электроном. Таким образом, каждая частица создает вокруг себя поле, непрерывно излучая и поглощая фотоны. В рамках современного естествознания структура элементарных частиц описывается через непрерывно возникающие и распадающие виртуальные частицы. Взаимодействие между нуклонами, как уже отмечалось, передается через виртуальные мезоны.

Нуклон окружен облаком виртуальных мюонов (пи – мезонов), образующих поле взаимодействия ядерных сил.

Элементарные частицы – группа мельчайших наблюдаемых частиц материи, не являющихся атомами или атомными ядрами (исключение составляет протон – ядро атома водорода), характеризующиеся массой, зарядом, средним временем жизни, спином и квантовыми числами.

Всего открыто более 350 элементарных частиц, которые разбиты на несколько характерных групп.

Барионы – самые тяжелые частицы, мезоны – частицы средней массы и самые легкие частицы – лептоны.

Фотоны не имеют массы покоя и существуют лишь в движении.

91