Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Современные концепции естествознания. Учебное пособие
.pdf
61
гда не проходит половины электрона. В этом сущность атомизма, который совместим с гипотезой о том, что интенсивность волны за щелью А характеризует
вероятность найти электрон (целиком!) в этом месте. Более того, если детектор
поместить за щелью А, то интерференционная картина сгладится и получится
классический результат. Наличие детектора изменяет результат, превращая интерференционную картину в классическую. Многие физики, включая Эйнштейна, пытались придумать такой опыт, в результате которого можно было
бы, не нарушая интерференционной картины, установить, через какую именно
щель прошла данная частица; однако все эти попытки потерпели неудачу. Один
из таких экспериментов описан Э. Ферми (1981 г.). В этом эксперименте нужно
было установить, через какую щель проходят фотоны. Для этого можно менять
ориентацию поляроида, расположенного у экрана. Однако всякий раз при соответствующем повороте поляроида картина интерференции на двух щелях будет
превращаться в картину, характерную для одной щели.
Но что же все-таки представляют собой «волны», отвечающие электронам? На этот вопрос следует ответить так же, как в случае фотонов. Электромагнитные волны свободно распространяются в пустом пространстве. В отличие от механически волн в этом случае не существует средь совершающей ко-
лебательное движение. Волновая функция Ψ не является непосредственно
наблюдаемой величиной, и в это (смысле ничто не совершает колебательного
движения. Проблемы квантовой механики решаются с математической точки
зрения аналогично задаче о волнах в жидкости или другим классическим волновым проблемам. Классические волны и волны, отвечающие частицам, подчиняются математическим уравнениям одного и того же типа. Но в классическом
случае амплитуд; волны непосредственно наблюдаема, а Ψ нет.
В настоящее время подробно изучены интерференционные картины, создаваемые не только электронами, но и нейтронами, протонами и даже целыми
атомами. Волновая природа вещества сейчас твердо установлена и всесторонне
проверена. Никаких отклонений от теории пока обнаружить не удавалось.
Мы в замечательную эпоху, когда самые смелые научные гипотезы наконец находят свое разрешение на основе экспериментальных результатов. Ни в
одной области науки не было получено столь захватывающих результатов, как
в квантовой механике. Начиная с 20-х гг. эта теория неоднократно подтверждалась в экспериментах. Великолепно оправдались ее предсказания относительно
многих явлений атомной, молекулярной и ядерной физики, оптики, физики
твердого тела и элементарных частиц. Однако законы квантовой механики причудливы и не находят опоры в наших интуитивных представлениях, почерпну-
62
тых из обыденной практики. Поэтому, невзирая на успехи квантовой механики,
многие ученые, в том числе и Эйнштейн, полагали, что квантово-механическое
описание физических систем неполно, что к нему необходимо еще что-то добавить. Недавно проведенные эксперименты приводят к выводу, что такое мнение, скорее всего, ошибочно. Полученные результаты отчетливее, чем когдалибо показывают, что мы живем в странном «квантовом мире», не поддающемся интерпретации на основе очевидного здравого смысла.
Вот несколько новых необычных выводов, справедливость которых мы
вынуждены признать. Во-первых, два объекта, разделенных многометровым
расстоянием и никак между собой не связанных, тем не менее «чувствуют»
присутствие друг друга. Их поведение поразительным образом скоррелировано,
так что измерения, выполненные над одним из них, мгновенно влияют на результаты измерений, выполняемых над другим. Этот вывод невозможно объяснить с точки зрения классической науки, но он полностью согласуется с квантовой механикой. Во-вторых, фотон — квант электромагнитного излучения —
может вести себя и как частица, и как волна. В таком неопределенном состоянии он существует до тех пор, пока над ним не проведут какого-то физического
измерения. Если при этом измеряются частицеподобные характеристики, то
фотон предстанет перед нами частицей; если будут измеряться его волновые
характеристики, то он будет вести себя подобно волне. Пока не указаны условия эксперимента, невозможно сказать, является ли фотон волной или частицей. Наконец, идея квантовых неопределенностей вышла за пределы атомного
и субатомного мира. Ученые обнаружили, что при некоторых условиях макроскопические системы существуют в таком состоянии, когда наблюдаемые макроскопические величины не имеют определенного значения. Каждый из этих
выводов коренным образом изменяет представления об окружающем нас мире.
Чтобы понять суть проведенных экспериментов и оценить их влияние на
философские концепции, нужно хотя бы бегло выделить основные идеи квантовой механики. При любом обсуждении этой теории самым существенным
понятием является квантовое состояние, описываемое волновой функцией.
Конкретное квантовое состояние определяет все численные характеристики
физической системы в той степени, в какой это вообще можно сделать. Последняя оговорка крайне важна, так как, согласно квантовой механике, не все характеристики системы могут одновременно иметь определенные значения. Так, известный принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что частица не может
занимать определенное положение и иметь при этом определенный импульс.
Это, возможно, самый известный пример приведенного выше утверждения.
63
В квантовой механике ясно и недвусмысленно можно говорить лишь о
вероятностях каждого возможного исхода конкретного эксперимента, выполняемого над системой, находящейся в данном квантовом состоянии. Если эта вероятность оказывается равна единице, то результат эксперимента предопределен. Если она оказывается равной нулю, то данный исход эксперимента невозможен. Но если вероятность заключена между единицей и нулем, то заранее
нельзя сказать, каков будет исход каждого отдельного эксперимента. В таком
случае можно предсказать лишь среднее число для результатов, если один и тот
же эксперимент выполняется над большим числом идентичных систем.
Представим себе, что мы проводим измерения с фотоном. Квантовое состояние фотона фиксируется тремя величинами: направлением распространения, частотой и линейной поляризацией (т. е. направлением вектора электрического поля, связанного с фотоном). Подходящим прибором для измерения поляризации является так называемая поляризующая пленка. Если свет линейно
поляризован вдоль некоторого направления на пленке, которое называется оптической осью, то идеальная пленка полностью пропустит его. Если же поляризация перпендикулярна этой оси, то свет будет поглощен. (Здесь и далее имеется в виду, что свет падает на пленку под прямым углом.)
Вращая пленку, можно поставить ряд экспериментов. Если свет поляризован вдоль оптической оси, то вероятность его прохождения через пленку равна единице. Если свет линейно поляризован перпендикулярно оси, то вероятность его прохождения равна нулю. Мы не обсуждали еще случая, когда фотон
линейно поляризован в направлении, составляющем некоторый угол с оптической осью. Тогда вероятность прохождения света есть число между нулем и
единицей (точнее, квадрат косинуса этого угла). Если, скажем, угол равен 45°,
то вероятность прохождения равна 1/2. Это означает, что из 100 фотонов, линейно поляризованных в данном направлении, в среднем только 50 пройдут
сквозь пленку.
Другая основная идея квантовой механики — принцип суперпозиции, согласно которому из любых двух квантовых состояний системы можно получить
другие состояния, представляющие «смесь» первых двух. Физически такая операция сводится к получению состояния, которое «перекрывает» каждое из исходных состояний. Идею можно проиллюстрировать на примере двух квантовых состояний фотона, в которых направления линейной поляризации взаимно
перпендикулярны. Из них можно получить несколько квантовых состояний,
также имеющих линейную поляризацию, направление которой, однако, состав-
64
ляет произвольный угол по отношению к направлениям поляризации исходных
состояний.
Уже только из двух основных идей — принципа неопределенности и
принципа суперпозиции — становится ясно, что квантовая механика в сильной
степени противоречит так называемому здравому смыслу. Если квантовое состояние системы дает ее полное описание, то величина, не имеющая в данном
состоянии определенного значения, не просто неизвестна ученому, стремящемуся описать эту систему. Неопределенность этой величины носит объективный характер. Кроме того, поскольку исход эксперимента по измерению объективно неопределенной величины не детерминирован квантовым состоянием, а
последнее является носителем полной информации о системе, этот исход принципиально случаен. Случаен даже не в смысле его непредсказуемости ученым.
Вероятность каждого возможного исхода измерения есть объективная вероятность. Классическая физика не вступает в столь разительное противоречие со
здравым смыслом.
Еще к более поразительным выводам приводит квантовая механика при
описании системы, состоящей из двух удаленных друг от друга частей. Представим себе два фотона, разлетающихся в противоположных направлениях.
Одно из возможных квантовых состояний этой системы есть состояние, в котором фотоны поляризованы вдоль вертикальной оси. Другое возможное состояние — поляризация обоих фотонов вдоль горизонтальной оси. Нет ничего
странного или удивительного в таких двухфотонных квантовых состояниях, за
исключением уже обсуждавшихся особенностей, присущих однофотонным состояниям. Но если принять во внимание принцип суперпозиции, то могут возникнуть необычные эффекты.
В частности, используя принцип суперпозиции, можно получить смешанное состояние, содержащее равные вклады вертикально и горизонтально поляризованных состояний.
Из всего сказанного следует, что материя и физические явления, описываемые современной физикой, коренным образом изменили картину мира, созданную классической физикой.
Некоторые сведения к истории изучения ядра и ядерных сил. Не проходит
и дня, чтобы в наше сознание так или иначе не проникали два понятия: атомная
бомба и атомный реактор. В основе того и другого — и оружия, ставящего под
угрозу жизнь на Земле, и источника энергии, необходимого для удовлетворения
наших насущных потребностей, — лежат одни и те же силы природы — ядерные силы, или, как их называют физики, сильные взаимодействия.
65
В отличие от таких известных уже не одно столетие фундаментальных
сил природы, как гравитация и электромагнитные силы, сильное взаимодействие было открыто лишь несколько десятилетий назад. Это связано с тем, что
ядерные силы действуют на чрезвычайно малых расстояниях порядка 10
-13
см, в
то время как гравитация проявляется на сколь угодно больших расстояниях.
Исследование строения атома началось около 70 лет назад в Манчестерском университете. Два молодых сотрудника Э. Резерфорда Г. Гейгер
и H Э. Марсден бомбардировали тонкую золотую фольгу альфа-частицами
(быстрыми ядрами гелия) из радиоактивного источника и наблюдали на флюоресцирующем экране их дальнейший путь после прохождения через фольгу.
Большинство частиц пролетало сквозь многочисленные слои атомов в золотой
фольге, не испытывая заметных отклонений от своей первоначальной траектории (угол отклонения < 1°). Но в редких случаях альфа-частицы рассеивались
на очень большой угол. Резерфорд первым понял, что означает результат этого
эксперимента: рассеяние альфа-частиц на большой угол возможно лишь в том
случае, если атом обладает плотным, компактным ядром, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, а отрицательно заряженные электроны
вращаются вокруг ядра по орбитам, радиус которых значительно превышает
его размер.
Так Резерфорд открыл атомное ядро. В то же время эксперимент, проведенный его сотрудниками, обогатил экспериментальную физику методом, позволившим в дальнейшем все более глубоко исследовать строение материи.
В 30-е гг. эксперименты но рассеянию позволили сделать вывод о наличии структуры и у самого атомного ядра. Оказалось, что оно состоит из протонов с положительным электрическим зарядом и близких к ним по массе
нейтронов п, не имеющих электрического заряда.
Ныне мы знаем, что протон и нейтрон также обладают внутренней структурой. Они состоят, насколько известно, из элементарных «точечных кирпичиков» — кварков q. Внутренняя структура протона была исследована так же, как
в свое время внутреннее строение атома. Но «снарядами» для обстрела служили
не альфа-частицы, испускаемые радиоактивным источником, а электроны,
разогнанные на мощном ускорителе до высоких энергий.
Наиболее высокие энергии достигаются с помощью встречных пучков частиц, например, при столкновении электронного пучка с пучком позитронов е+
(античастиц по отношению к электронам е-). При высокоэнергетическом соударении происходит не только рассеяние обеих сталкивающихся частиц. Более
частый процесс — взаимодействие, приводящее к рождению большого числа
66
частиц и античастиц, разлетающихся во все стороны от той точки, в которой
произошло взаимодействие. Поэтому современные экспериментальные установки — это не флюоресцирующие экраны, а, как правило, сложные сооружения, состоящие из различных электронных детекторов, расположенных вокруг
точки, в которой происходит взаимодействие частиц. Эти установки позволяют
регистрировать почти все рожденные частицы и измерять такие их параметры,
как заряд, энергия и импульс.
Частицы с высокой энергией служат своеобразными зондами, с помощью
которых экспериментатор прощупывает тонкую структуру материи. Чем выше
энергия сталкивающихся частиц, тем более тонкая структура вещества может
быть исследована.
Например, экспериментами по упругому рассеянию электронов на позитронах установлено, что даже при самых высоких энергиях, достижимых в
настоящее время в накопительных кольцах обе сталкивающиеся частицы не обнаруживают никакой структуры вплоть до расстояний около 10
-16
см. По срав-
нению с протоном, характерные размеры которого равны 10
-13
см, электрон и
его античастицу — позитрон можно с полным основанием считать точечными
элементарными частицами.
Естественно напрашивается мысль использовать точечные электроны высокой энергии для исследования структуры протонов и нейтронов, которые часто объединяют под общим названием — нуклоны. Такой эксперимент действительно был проведен в конце 60-х годов на линейном ускорителе SLAC в
Стэнфорде (С физиков предположить, что внутри протона и нейтрона имеются
какие-то объекты с диаметром, малым по сравнению с диаметром нуклона.
В 70-х гг. аналогичные эксперименты по рассеянию были проведены при
еще более высоких энергиях. Нуклоны подвергались бомбардировке не только
электронами, но и другими лептонами: мюонами (частицами, по всем свойствам неотличимыми от электронов, но с массой, превосходящей их массу в
200 раз) и нейтрино. Последние лишены электрического заряда и обладают исчезающе малой массой покоя.
Все эксперименты по рассеянию лептонов на нуклонах привели к согласующимся результатам. Они показали, что протоны и нейтроны состоят из трех
по существу точечных (< 10
-16
см) элементарных «кирпичиков» — кварков, об-
ладающих собственным моментом импульса, или спином, 1/2 (в единицах кванта действия h Планка) и дробным электрическим зарядом. Идея рассматривать
кварки как элементарны «кирпичики» адронной материи почти на десять лет
старше экспериментов по глубоко неупругому рассеянию, доказавших существование самих кварков.
67
В 30-х гг. физики знали только о трех элементарных частицах: протоне р,
нейтроне п и электроне е- и строили предположения о существовании нейтрино
ve, которое возникает при радиоактивном распаде нестабильного нейтрона
(n---p + е- + ve).
В середине 30-х гг. X. Юкава предложил для объяснения короткодействующих ядерных сил следующую схему. Ядерные силы возникают из-за обмена между нуклонами гипотетическими частицами — мезонами. Чтобы радиус действия сил был равен 10
-13
см, мезон должен обладать массой покоя при-
мерно в 300 раз большей, чем электрон.
В конце 40-х гг. С. Ф. Пауэлл и его сотрудники обнаружили в космических лучах нестабильные частицы, свойства которых совпадали со свойствами
предложенных Юкавой мезонов.
В следующие два десятилетия в космических лучах и с помощью больших ускорителей, например, синхроциклотрона Объединенного института
ядерных исследований в Дубне, было открыто несколько десятков новых частиц. Открытые короткоживущие частицы можно разделить на две большие
группы: мезоны с целым спином J и барионы с полуцелым спином. Мезоны и
барионы определяют сильные взаимодействия, поэтому их стали называть
адронами.
Пытаясь систематизировать открытые до 1964 г. адроны, М. Гелл-Манн и
Цвейг высказали предположение, что все адроны состоят из трех различных
кварков q или соответствующих антикварков q. Сначала кварки рассматривались как чисто математические объекты, позволяющие упростить классификацию адронов и свести их в большие семейства.
Рис. 3. На огромных ускорителях бомбардирующиеся частицы разгоняются до высоких
энергий. В зонах взаимодействия пучки электронов и позитронов сталкиваются.
Происходящие при этом процессы столкновения регистрируются
детекторными устройствами
68
Однако по мере накопления экспериментальных данных и развития теоретических представлений, в особенности после открытия в середине 70-х гг.
Б. Рихтером и С. Тингом с сотрудниками новой частицы (кси-мезона), физики
стали все более склоняться к убеждению в реальности существования кварков,
хотя эти частицы, в отличие от всех известных, обладают дробным электрическим зарядом. При исследовании свойств кси-мезонов было получено подтверждение гипотезы, высказанной ранее М. Гелл-Манном о том, что существуют
не три, а четыре различных типа кварков.
Квантовая электродинамике показывает нам, что рождение на малое время частиц — возможный и реализуемый в природе процесс. В частности в вакууме могут рождаться и снова уничтожаться электрон-позитронные пары.
Квантовая хромодинамика постулирует существование восьми цветных бесмассовых глюонов, имеющих спин J = 1. Глюоны рассматриваются как переносчики ядерных сил. Сильное взаимодействие между кварками переносится
глюонами, участвующими в обмене кварков.
Выводы:
1. Всем элементарным частицам присущи волновые свойства.
2. Первым примером, демонстрировавшим волновые свойства элементар-
ных частиц, был фотоэффект, теорию которого разработал А. Энштейн.
3. Квантовая механика формирует научные знания, которые противоречат
классической физике.
4. Законы квантовой механики не находят опоры в наших интуитивных
представлениях, почерпнутых из обыденной практики (их невозможно интерпретировать на основе очевидного здравого смысла).
5. Принцип неопредленности и принцип суперпозиции являются приме-
рами того, что квантовая механика в сильной степени противоречит так называемому здравому смыслу.
6. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что частица не может
занимать определенное положение и при этом иметь определенный импульс.
7. Принцип суперпозиции утверждает, что из двух квантовых состояний
системы можно получить другие состояния, представляющие «смесь» первых
двух.
Вопросы для повторения и самоконтроля
1. Как вы представляете мировоззренческое значение классической физики?
2. Какое новое мировоззренческое значение квантовая механика?
3. Каков возраст Земли?
4. Приведите примеры «странностей» квантового мира.
69
ГЛАВА 7. ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
И КОСМОЛОГИЯ
В последнее десятилетие два раздела науки, космология и физика элементарных частиц, стали тесно взаимосвязаны и дали ряд впечатляющих результатов. Прежде всего, это возможность понимания сущности процессов рождения
пространства-времени и вещества в коротком интервале от 10
-43
до 10
-35
с после
первичной сингулярности, называемой Большим взрывом. Появились надежды
подобрать «ключ» к разгадке природы Большого взрыва. Они связаны с разрабатываемыми в настоящее время так называемыми Теориями Всего Сущего
(ТВС), которые должны объединить описание всех фундаментальных взаимодействий между частицами.
Совпадение предмета исследований изменило даже методологию этих
наук. Астрономия традиционно была скорее наблюдательной, чем экспериментальной наукой. Пассивные наблюдатели работали с телескопами, активное
вмешательство в изучаемые процессы в результате контролируемого эксперимента было вообще невозможным. Ускорители же были традиционным инструментом физики элементарных частиц. Теперь же космология стала делать
предсказания о свойствах частиц и их взаимодействиях, поэтому можно было
подумать о том, как их проверить в контролируемых экспериментах на ускорителях. Потребовалось, правда, более 10 лет, прежде чем на ускорителях стали
осуществимы подобные эксперименты. Эти опыты уже идут, и предварительные результаты подтверждают предсказания космологии.
Космология превратилась в настоящую науку в том смысле, что в ней не
только развиваются теоретические идеи, но появилась возможность проверить
эти идеи в лабораторных условиях за время, меньшее времени жизни одного
поколения ученых. Это большой прогресс по сравнению с прежними годами,
когда появлялись различные космологические теории, но было мало оснований
придерживаться какой-либо из них, если не считать соображений, основанных
на их эстетической привлекательности. И наоборот, сейчас телескопы могут
использоваться для проверки фундаментальных гипотез физики, подобных,
например, предлагаемым в ТВС. Действительно, проверка теорий, описывающих взаимодействия частиц огромных энергий, возможна только в одной лаборатории: Вселенной, родившейся в Большом взрыве.
Среди наиболее впечатляющих результатов, появившихся вследствие
тесного взаимодействия космологии и физики элементарных частиц, следует
назвать представления о первичных объектах. Вселенная не выглядела бы такой, какой она есть, если бы существовало слишком много типов фундамен-
70
тальных частиц. Иными словами, из космологии следует, что число типов фундаментальных частиц должно быть невелико. Это конкретное предсказание получено из анализа процессов первичного нуклеосинтеза для времени, когда
возраст Вселенной составлял около 1 с. Был сделан смелый шаг, использовав
космологические величины (такие, как средняя плотность энергии) для вывода
величин, интересующих физику (например, число фундаментальных частиц).
Данное предсказание до сих пор не потеряло своего значения, но особенно сильную роль оно сыграло в то время, когда было сделано. Тогда широко
было распространено мнение, что по мере достижения все более высоких энергий на ускорителях будут обнаруживать все новые и новые частицы. Теории
элементарных частиц не накладывали сколько-нибудь существенных ограничений на число типов фундаментальных объектов. Ряд фундаментальных частиц
представлялся бесконечным. В настоящее время предсказания космологии противоречат этому эмпирическому выводу. С течением времени указанное предположение все более подкрепляется, а установленные ограничения становятся
только сильнее. Должен существовать предел числа элементарных частиц, иначе Вселенная была бы отличной от той, в которой мы живем.
Чтобы объяснить, каким образом космология устанавливает указанные
пределы, сначала мы сделаем краткий обзор достижений и идей физики элементарных частиц. За прошедшие 50 лет в экспериментах на ускорителях было
обнаружено, что все частицы подразделяются на два обширных класса — фермионы и бозоны (названия связаны с именами итальянского физика Э. Ферми и
индийского физика Ш. Бозе). Фермионы — это частицы, образующие вещество, а бозоны — частицы, которые переносят взаимодействия. В свою очередь
фермионы делятся на два класса — кварки и лептоны. Слово «кварк» появилось
из произведения Дж. Джойса «Поминки по Финнегану» («Три кварка для мистера Марка!»), а слово «лептон» происходит от греческого leptos — «маленькая частица». Кварки входят в состав протонов, нейтронов и других подобных
частиц, называемых адронами. Лептоны, если они электрически заряжены, как
электрон, могут вращаться вокруг ядер, образуя атомы. Если же лептон не заряжен, как нейтрино, то он может пройти насквозь всю Землю, не взаимодействуя ни с чем. У каждой частицы есть античастица, имеющая такую же массу
и время жизни, но противоположные электрические свойства.
Между частицами могут осуществляться четыре фундаментальных взаимодействия, каждое из которых переносится каким-то отдельным бозоном или
семейством бозонов. Фотон, квант света, переносит электромагнитные силы,
действующие между электрическими зарядами. Гравитон — силы тяготения,
действующие между любыми телами. Восемь глюонов являются переносчика-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]