9.3. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц

Важнейшей особенностью квантоводинамического состояния является его целостность. Это состояние напоминает вектор в обычном эвклидовом пространстве, который можно спроецировать на любую ось или разложить на базисные векторы по осям координат. Но в любом случае любая проекция вектора «помнит» о том, из какого вектора она получена, т.е., будучи проекцией с определенными свойствами, она сохраняет принадлежность к «своему» вектору.

В конкретных условиях наблюдения можно добиться изменения исходного микросостояния, спроецировав его в состояние с определенными свойствами. Но при этом целостность исходного состояния не нарушается, если не разрушается сам микрообъект. С этой точки зрения, утверждение о том, что, например, двухатомная молекула «состоит» из двух атомов носит чисто классический характер. В неклассической стратегии познания, необходимо говорить о целостном «ядерно-электронном» состоянии, в котором находится молекула.

Особенно ярко подобная непривычная классическому взгляду целостность микросостояний проявляется в некоторых опытах по разлету микрочастиц, когда соответствующие объекты удаляются на макроскопические расстояния.

Фундаментальные проявления целостности микросостояния особенно сказываются для систем, состоящих из одинаковых микрочастиц. В связи с этим понятие одинаковости объектов одного сорта приобретает важнейшее значение.

В классической физике критерий одинаковости объектов отсутствует. В то же время на опыте наблюдается удивительная одинаковость атомов одного сорта, электронов и т.п. независимо от способа и условий их получения. Это приводит к появлению специфических свойств состояния систем одинаковых микрочастиц.

Как следует из опыта, в природе реализуются обе эти возможности. Одинаковые микрочастицы, способные находиться лишь в полностью симметричных состояниях, называются бозонами (в честь Ш. Бозе), а одинаковые микрочастицы, способные находиться лишь в полностью антисимметричных состояниях, называются фермионами (в честь Э. Ферми). Как показал В. Паули, отнесение конкретных микрочастиц к классам бозонов или фермионов зависит от их спина. Все микрочастицы, обладающие целым спином (s = 0, , , …), являются бозонами, а все микрочастицы с полуцелым спином ( , .) – фермионами. Эксперимент полностью подтвердил этот обобщенный принцип Паули.

Из числа элементарных частиц к бозонам относятся фотоны ( ), а к фермионам – электроны, протоны, нейтроны (у всех спин ). Различие в свойствах систем бозонов и фермионов проявляется, на макроскопическом уровне. Так, когерентное электромагнитное излучение в лазерах и мазерах – это совокупность большого числа фотонов, находящихся в одном и том же квантоводинамическом состоянии. В то же время у электронов нет предельного состояния классического электронного поля. Оно в принципе не может существовать, ибо даже два электрона нельзя поместить в одно и то же микросостояние. С тем же обстоятельством связана и наблюдаемая на опыте взаимная непроницаемость макроскопических тел, отсутствующая для электромагнитных волн. Иными словами, материя на макроуровне, существующая в двух качественно различных формах – вещества и электромагнитного излучения, – это отражение принципиально различных свойств совокупностей фермионов и бозонов на микроуровне.

Контрольные вопросы:

1. Как можно отличить большие объекты от маленьких?

1. У макрообъектов минимальным квантовым воздействием можно пренебречь.

2. У микрообъектов минимальным квантовым воздействием пренебречь нельзя.По энергиям связи.

3. У макрообъектов минимальным квантовым воздействием пренебречь нельзя

4. У микрообъектов минимальным квантовым воздействием пренебречь можно.По строению кристаллической решетки.

2. Кому принадлежит заслуга распространения принципа анотамизма?

1. М. Планк.

2. Н.Тесла.

3. В.Паули.

4. Стефан-Больцман.

3. От чего зависели и не зависели результаты опыта Планка?

1. Зависят- от частоты,ω.Не зависят- от типа вещества.

2. Зависят- от температуры, Т.Не зависят- от частоты, ω.

3. Зависят- от типа вещества.Не зависят-от частоты, ω.

4. Зависят- от энергетической светимости.Не зависят- от типа вещества.

4. Какое значение имело открытие Планка

1. Принципиальное изменение взгляда на природу и методы познания ее человеком.

2. Построение новой фундаментальной физической теории.

3. Позволяет выразить любые физические характеристики.

4. Сокращает решение задач.

5. Какие микрочастицы вы знаете?

1. Составные и элементарные.

2. Протоны и электроны.

3. Атомы и молекулы.

4. Микро и макро частицы.

6. Что является для микрочастицы, столь же фундаментальным, как заряд и масса?

1. Энергия.

2. Импульс.

3. Спин.

4. Момент.

7. Опишите опыт, проведенный О.Штерном и В. Герлахом.

1. Они пропускали поток «одинаковых» электронов через сильно неоднородное магнитное поле.

2. Они пропускали поток «неодинаковых» электронов через сильно неоднородное магнитное поле.

3. Они пропускали поток «одинаковых» электронов через однородное магнитное поле.

8. Какие модели применялись к описанию свойств света?

1. Корпускулярная.

2. Волновая.

3. Корпускулярная и волновая.

9. Какие выводы можно сделать из опытов по пропусканию фотонов?

1. Локальность регистрации свидетельствует о том, что к фотону в момент регистрации все-таки можно применить модель частицы.

2. Эффект колоколообразного распределения числа попаданий одинаковых фотонов в разные участки щели следует приписать неконтролируемому воздействию щели на каждый фотон, которое и вызывает изменение его первоначального состояния.

3. Признаками волны, т.е. способностью к дифракции, следует наделить состояние фотона до щели.

4. Все из вышеперечисленных.