Концепции физики

Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, в соответствии с которым координаты и импульс не могут одновременно принимать точные значения. Для предсказания положения и скорости частицы важно иметь возможность точно измерять ее положение и скорость. При этом чем точнее измеряется положение частицы (ее координаты), тем менее точными оказываются измерения скорости.

Хотя световое излучение состоит из волн, однако в соответствии с идеей Планка, свет ведет себя как частица, ибо излучение и поглощение его осуществляется в виде квантов. Принцип неопределенности же свидетельствует о том, что частицы могут вести себя как волны - они как бы "размазаны" в пространстве, поэтому можно говорить не об их точных координатах, а лишь о вероятности их обнаружения в определенном пространстве. Таким образом, квантовая механика фиксирует корпускулярно-волновой дуализм - в одних случаях удобнее частицы считать волнами, в других, наоборот, волны частицами. Между двумя волнами-частицами можно наблюдать явление интерференции. Если гребни одной волны совпадают с впадинами другой волны, то они гасят друг друга, а если гребни и впадины одной волны совпадают с гребнями и впадинами другой волны, то они усиливают друг друга.

д) Интерпретации квантовой теории.

Принцип дополнительности

Возникновение и развитие квантовой теории привело к изменению классических представлений о структуре материи, движении, причинности, пространстве, времени, характере познания и т.д., что способствовало коренному преобразованию картины мира. Для классического понимания материальной частицы было характерно резкое ее выделение из окружающей среды, обладание собственным движением и местом нахождения в пространстве. В квантовой теории частица стала представляться как функциональная часть системы, в которую она включена, не имеющая одновременно координат и импульса. В классической теории движение рассматривалось как перенос частицы, остающейся тождественно самой себе, по определенной траектории. Двойственный характер движения частицы обусловил необходимость отказа от такого представления движения. Классический (динамический) детермизм уступил место вероятностному (статистическому). Если ранее целое понималось как сумма составляющий частей, то квантовая теория выявила зависимость свойств частицы от системы, в которую она включена. Классическое понимание познавательного процесса было связано с познанием материального объекта как существующего самого по себе. Квантовая теория продемонстрировала зависимость знания об объекте от исследовательских процедур. Если классическая теория претендовала на завершенность, то квантовая теория с самого начала развертывалась как незавершенная, основывающаяся на ряде гипотез, смысл которых вначале был далеко не ясен, а поэтому ее основные положения получали разное истолкование, разные интерпретации.

Разногласия выявились прежде всего по поводу физического смысла двойственности микрочастиц. Де Бройль вначале выдвинул концепцию волны-пилота, в соответствии с которой волна и частица сосуществуют, волна ведет за собой частицу. Реальным материальным образованием, сохраняющим свою устойчивость, является частица, поскольку именно она обладает энергией и импульсом. Волна, несущая частицу, управляет характером движения частицы. Амплитуда волны в каждой точке пространства определяет вероятность локализации частицы рядом с этой точкой. Шредингер проблему двойственности частицы решает по сути путем ее снятия. Для него частица выступает как чисто волновое образование. Иначе говоря, частица есть место волны, в котором сосредоточена наибольшая энергия волны. Интерпретации де Бройля и Шредингера представляли собой по сути попытки создать наглядные модели в духе классической физики. Однако это оказалось невозможным.

Гейзенбергом была предложена интерпретация квантовой теории, исходя (как было показано ранее) из того, что физика должна пользоваться только понятиями и величинами, основанными на измерениях. Гейзенберг поэтому и отказался от наглядного представления движения электрона в атоме. Макроприборы не могут дать описание движения частицы с одновременной фиксацией импульса и координат (т.е. в классическом смысле) по причине принципиально неполной контролируемости взаимодействия прибора с частицей - в силу соотношения неопределенностей измерение импульса не дает возможности определить координаты и наоборот. Иначе говоря, по причине принципиальной неточности измерения предсказания теории могут иметь лишь вероятностный характер, причем вероятность является следствием принципиальной неполноты информации о движении частицы. Это обстоятельство привело к выводу о крушении принципа причинности в классическом смысле, предполагавшим предсказание точных значений импульса и координаты. В рамках квантовой теории, таким образом, речь идет не об ошибках наблюдения или эксперимента, а о принципиальном недостатке знаний, которые и выражаются с помощью функции вероятности.

Интерпретация квантовой теории, осуществленная Гейзенбергом, была развита Бором и получила название копенгагенской. В рамках данной интерпретации основным положением квантовой теории выступает принцип дополнительности, означающий требование применять для получения в процессе познания целостной картины изучаемого объекта взаимоисключающие классы понятий, приборов и исследовательских процедур, которые используются в своих специфических условиях и взаимозаполняют друг друга. Данный принцип напоминает соотношение неопределенностей Гейзенберга. Если речь идет об определении импульса и координаты как взаимоисключающих и взаимодополняющих исследовательских процедур, то для отождествления этих принципов есть основания. Однако смысл принципа дополнительности шире, чем соотношения неопределенностей. Для того, чтобы объяснить устойчивость атома, Бор соединил в одной модели классические и квантовые представления о движении электрона. Принцип дополнительности, таким образом, позволил классические представления дополнить квантовыми. Выявив противоположность волновых и корпускулярных свойств света и не найдя их единства, Бор склонился к мысли о двух, эквивалентных друг другу, способах описания - волновом и корпускулярном - с последующем их совмещением. Так что точнее говорить о том, что принцип дополнительности выступает развитием соотношения неопределенности, выражающих связи координаты и импульса.

Ряд ученых истолковали нарушение принципа классического детерминизма в рамках квантовой теории в пользу индетернизма. В действительности же здесь принцип детерминизма изменял свою форму. В рамках классической физики, если в начальный момент времени известны положения и состояние движения элементов системы, можно полностью предсказать ее положение в любой будущий момент времени. Все макроскопические системы были подчинены этому принципу. Даже в тех случаях, когда приходилось вводить вероятности, всегда предполагалось, что все элементарные процессы строго детернизированы и что только их большое число и беспорядочность поведения заставляет обращаться к статистическим методам. В квантовой теории ситуация принципиально иная. Для реализации принципов детернизации здесь необходимо знать координаты и импульсы, и это соотношением неопределенности запрещается. Использование вероятности здесь имеет иной смысл по сравнению со статистической механикой: если в статистической механике вероятности использовались для описания крупномасштабных явлений, то в квантовой теории вероятности, наоборот, вводятся для описания самих элементарных процессов. Все это означает, что в мире крупномасштабных тел действует динамический принцип причинности, а в микромире - вероятностный принцип причинности.

Копенгагенская интерпретация предполагает, с одной стороны, описание экспериментов в понятиях классической физики, а с другой - признание этих понятий неточно соответствующими действительному положению вещей. Именно эта противоречивость и обусловливает вероятность квантовой теории. Понятия классической физики составляют важную составную часть естественного языка. Если мы не будем использовать этих понятий для описания проводимых экспериментов, то мы не сможем понять друг друга.

Идеалом классической физики является полная объективность знания. Но в познании мы используем приборы, а тем самым, как говорит Гейнзерберг, в описание атомных процессов вводится субъективный элемент, поскольку прибор создан наблюдателем. "Мы должны помнить, что то, что мы наблюдаем, - это не сама природа, а природа, которая выступает в том виде, в каком она выявляется благодаря нашему способу постановки вопросов научная работа в физике состоит в том, чтобы ставить вопросы о природе на языке, которым мы пользуемся, и пытаться получить ответ в эксперименте, выполненном с помощью имеющихся у нас в распоряжении средств. При этом вспоминаются слова Бора о квантовой теории: если ищут гармонии в жизни, то никогда нельзя забывать, что в игре жизни мы одновременно и зрители, и участники. Понятно, что в нашем научном отношении к природе наша собственная деятельность становится важной там, где нам приходится иметь дело с областями природы, проникнуть в которые можно только благодаря важнейшим техническим средствам" Гейзенберг В. Физика и философия. М., 1963. С. 36-37.

Классические представления пространства и времени также оказалось невозможным использовать для описания атомных явлений. Вот что писал по этому поводу другой создатель квантовой теории: "существование кванта действия обнаружило совершенно непредвиденную связь между геометрией и динамикой: оказывается, что возможность локализации физических процессов в геометрическом пространстве зависит от их динамического состояния. Общая теория относительности уже научила нас рассматривать локальные свойства пространства-времени в зависимости от распределения вещества во Вселенной. Однако существование квантов требует гораздо более глубокого преобразования и больше не позволяет нам представлять движение физического объекта вдоль определенной линии в пространстве-времени (мировой линии). Теперь нельзя определить состояние движения, исходя из кривой, изображающей последовательные положения объекта в пространстве с течением времени. Теперь нужно рассматривать динамическое состояние не как следствие пространственно-временной локализации, а как независимый и дополнительный аспект физической реальности" Бройль де Л. Революция в физике.М.,1963.С.187-188.

Дискуссии по проблеме интерпретации квантовой теории обнажили вопрос о самом статусе квантовой теории - является ли она полной теорией движения микрочастицы. Впервые вопрос таким образом был сформулирован Энштейном. Его позиция получила выражение в концепции скрытых параметров. Эйнштейн исходил из понимания квантовой теории как статистической теории, которая описывает закономерности, относящиеся к поведению не отдельной частицы, а их ансамбля. Каждая частица всегда строго локализована, одновременно обладает определенными значениями импульса и координаты. Соотношение неопределенностей отражает не реальное устройство действительности на уровне микропроцессов, а неполноту квантовой теории - просто на ее уровне мы не имеем возможности одновременно измерять импульс и координату, хотя они в действительности существуют, но как скрытые параметры (скрытые в рамках квантовой теории). Описание состояния частицы с помощью волновой функции Эйнштейн считал неполным, а потому и квантовую теорию представлял в виде неполной теории движения микрочастицы.

Бор в данной дискуссии занял противоположную позицию, исходящую из признания объективной неопределенности динамических параметров микрочастицы как причины статистического характера квантовой теории. По его мнению, отрицание Энштейном существования объективно неопределенных величин оставляет необъясненным присущие микрочастице волновые черты. Возврат к классическим представлениям движения микрочастицы Бор считал невозможным.

В 50-х гг. ХХ века Д.Бом вернулся к концепции волны-пилота де Бройля, представив пси-волну в виде реального поля, связанного с частицей. Сторонники копенгагенской интерпретации квантовой теории и даже часть ее противников позицию Бома не поддержали, однако она способствовала более углубленной проработке концепции де Бройля: частица стала рассматриваться в виде особого образования, возникающего и движущегося в пси-поле, но сохраняющего свою индивидуальность. Работы П.Вижье, Л.Яноши, разрабатывавших данную концепцию, были оценены многими физиками как слишком "классичными".

В отечественной философской литературе советского периода копенгагенская интерпретация квантовой теории была подвергнута критике за "приверженность к позитивистским установкам" в трактовке процесса познания. Однако рядом авторов отстаивалась справедливость копенгагенской интерпретации квантовой теории. См., напр.: Алексеев И.С. Развитие представлений о структуре атома. Философский очерк. Новосибирск,1968. Смена классического идеала научного познания неклассическим сопровождалась пониманием того, что наблюдатель, пытаясь построить картину объекта, не может отвлечься от процедуры измерения, т.е. исследователь оказывается не в состоянии измерять параметры изучаемого объекта такими, какими они были до процедуры измерения. В.Гейзенберг, Э.Шредингер и П.Дирак положили принцип неопределенности в основу квантовой теории, в рамках которой частицы уже не имели определенных и не зависящих друг от друга импульса и координат. Квантовая теория, таким образом, внесла в науку элемент непредсказуемости, случайности. И хотя Эйнштейн не смог согласиться с этим, квантовая механика согласовывалась с экспериментом, а потому стала основой многих областей знания.

е) Квантовая статистика

Одновременно с развитием волновой и квантовой механики развивалась другая составная часть квантовой теории - квантовая статистика или статистическая физика квантовых систем, состоящих из большого числа частиц. На основе классических законов движения отдельных частиц была создана теория поведения их совокупности - классическая статистика. Аналогично этому на основе квантовых законов движения частиц была создана квантовая статистика, описывающая поведение макрообъектов в случаях когда законы классической механики не применимы для описания движения составляющих их микрочастиц - в данном случае квантовые свойства проявляются в свойствах макрообъектов. Важно иметь в виду, что под системой в данном случае понимаются лишь взаимодействующие друг с другом частицы. Квантовая система при этом не может рассматриваться как совокупность частиц, сохраняющих свою индивидуальность. Иными словами, квантовая статистика требует отказа от представления различимости частиц - это получило название принципа тождественности. В атомной физике две частицы одной природы считались тождественными. Однако эта тождественность не признавалась абсолютной. Так, две частицы одной природы можно было различать хотя бы мысленно.

В квантовой статистике возможность различить две частицы одинаковой природы полностью отсутствует. Квантовая статистика исходит из того, что два состояния системы, которые отличаются друг от друга лишь перестановкой двух частиц одинаковой природы, тождественны и неразличимы. Таким образом, основное положение квантовой статистики - принцип тождественности одинаковых частиц, входящих в квантовую систему. Этим квантовые системы отличаются от классических систем.

Во взаимодействии микрочасти важная роль принадлежит спину - собственному моменту количества движения микрочастицы. (В 1925 г. Д.Уленбеком и С.Гаудсмитом впервые было открыто существование спина у электрона). Спин д электронов, протонов, нейтронов, нейтрино и др. частиц выражается полуцелой величиной, у фотонов и пи-мезонов - целочисленной величиной (1 или 0). В зависимости от спина микрочастица подчиняется одному из двух разных типов статистики. Системы тождественных частиц с целым спином (бозоны) подчиняются квантовой статистике Бозе-Эйнштейна, характерной особенностью которой является то, что в каждом квантовом состоянии может находиться произвольное число частиц. Данный тип статистики был предложен в 1924 г. Ш.Бозе и затем усовершенствована Энштейном). В 1925 г. для частиц с полуцелым спином (фермионов) Э.Ферми и П.Дирак (независимо друг от друга) предложили другой тип квантовой статики, получивший имя Ферми-Дирака. Характерной особенностью этого типа статики является то, что в каждом квантовом состоянии может находиться произвольное число частиц. Это требование называется принципом запрета В.Паули, который был открыт в 1925 г. Статистика первого типа подтверждается при исследовании таких объектов, как абсолютно черное тело, второго типа - электронный газ в металлах, нуклоны в атомных ядрах и т.д.

Принцип Паули позволил объяснить закономерности заполнения электронами оболочек в многоэлектронных атомах, дать обоснование периодической системе элементов Менделеева. Этот принцип, выражает специфическое свойство частиц, которые ему подчиняются. И сейчас трудно понять, почему две тождественные частицы взаимно запрещают друг другу занимать одно и то же состояние. Подобного типа взаимодействия в классической механике не существует. Какова его физическая природа, каковы физические источники запрета - проблема, ждущая разрешения. Сегодня ясно одно: физическая интерпретация принципа запрета в рамках классической физики невозможна.

Важным выводом квантовой статистики является положение о том, что частица, входящая в какую-либо систему, не тождественна такой же частице, но входящей в систему другого типа или свободную. Отсюда следует важность задачи выявления специфики материального носителя определенного свойства систем.

ж) Квантовая теория поля

Квантовая теория поля представляет собой распространение квантовых принципов на описание физических полей в их взаимодействиях и взаимопревращениях. Квантовая механика имеет дело с описанием взаимодействий сравнительно малой энергии, при которых число взаимодействующих частиц сохраняется. При больших энергиях взаимодействия простейших частиц (электронов, протонов и т.д.) происходит их взаимопревращение, т.е. одни частицы исчезают, другие рождаются, причем число их меняется. Большинство элементарных частиц нестабильно, спонтанно распадается до тех пор, пока не образуются стабильные частицы - протоны, электроны, фотоны и нейтроны. При столкновениях элементарных частиц, если энергия взаимодействующих частиц достаточно велика, происходит множественное рождение частиц различного спектра. Поскольку квантовая теория поля предназначена для описания процессов при высоких энергиях, поэтому должна удовлетворять требованиям теории относительности.

Современная квантовая теория поля включает три типа взаимодействия элементарных частиц: слабые взаимодействия, обусловливающие главным образом распад неустойчивых частиц, сильные и электромагнитные, ответственные за превращение частиц при их столкновении.

Квантовая теория поля, описывающая превращение элементарных частиц, в отличие от квантовой механики, описывающей их движение, не является последовательной и завершенной, она полна трудностей и противоречий. Наиболее радикальным способом их преодоления считается создание единой теории поля, в основу которой должен быть положен единый закон взаимодействия первичной материи - из общего уравнения должен выводиться спектр масс и спинов всех элементарных частиц, а также значения зарядов частиц. Таким образом, можно сказать, что квантовая теория поля ставит задачу выработки более глубокого представления об элементарной частице, возникающей за счет поля системы других элементарных частиц.

Взаимодействие электромагнитного поля с заряженными частицами (главным образом электронами, позитронами, мюонами) изучается квантовой электродинамикой, в основе которой лежит представление о дискретности электромагнитного излучения. Электромагнитное поле состоит из фотонов, обладающих корпускулярно-волновыми свойствами. Взаимодействие электромагнитного излучения с заряженными частицами квантовая электродинамика рассматривает как поглощение и испускание частицами фотонов. Частица может испустить фотоны, а затем поглотить их.

Итак, отход квантовой физики от классической заключается в отказе от того, чтобы описывать индивидуальные события, происходящие в пространстве и времени, и использовании статистического метода с его волнами вероятности. Цель классической физики заключается в описании объектов в пространстве и времени и в формировании законов, которые управляют изменением этих объектов во времени. Квантовая физика, имеющая дело с радиоактивным распадом, дифракцией, испусканием спектральных линий и тому подобными явлениями, не может удовлетвориться классическим подходом. Суждение типа "такой-то объект имеет такое-то свойство", характерное для классической механики, в квантовой физике заменяется суждением типа "такой-то объект имеет такое-то свойство с такой-то степенью вероятности". Таким образом, в квантовой физике имеют место законы, управляющие изменениями вероятности во времени, в классической же физике мы имеем дело с законами, управляющими изменениями индивидуального объекта во времени. Разные реальности подчиняются различным по характеру законам.

Квантовая физика в развитии физических идей и вообще стиля мышления занимает особое место. К числу величайших созданий человеческого ума относится, несомненно и теория относительности - специальная и общая, представляющая собой новую систему идей, объединившую механику, электродинамику и теорию тяготения и давшую новое понимание пространства и времени. Но это была теория, которая в определенном смысле была завершением и синтезом физики XIX века, т.е. она не означала полного разрыва с классическими теориями. Квантовая же теория порывала с классическими традициями, она создала новый язык и новый стиль мышления, позволяющий проникать в микромир с его дискретными энергетическими состояниями и дать его описание с помощью введения характеристик, отсутствовавших в классической физике, что в конечном счете позволило понять сущность атомных процессов. Но вместе с тем квантовая теория внесла в науку элемент непредсказуемости, случайности, чем она отличалась от классической науки.

7.4 Концепции физики атомных и ядерных процессов

а) Модели атома

Решающим моментом в развитии теории строения атома было открытие электрона. Наличие в электрически нейтральном атоме отрицательно заряженной частицы побуждало предполагать наличие частицы с положительным зарядом. Модель Д.Томсона, не будучи в состоянии объяснить характер атомных спектров, излучаемых атомами, уступила место планетарной модели Э.Резерфорда. Исследуя рассеяние атомами вещества альфа-частиц, излучаемых радиоактивными веществами, он открыл атомное ядро и построил планетарную модель атома. Оказалось, что атом состоит не из положительно заряженного облака, в котором (подобно изюму в булке) находятся электроны, как это предполагал Д.Томсон, а из электрона и ядра размером около 10-13 см., в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом подобен Солнечной системе: в центре него находится тяжелое ядро, вокруг него вращаются электроны. Однако, согласно электродинамике Максвелла, такой атом не может быть устойчивым: двигаясь по круговым (или эллиптическим) орбитам, электрон испытывает ускорение, а поэтому он должен излучать электромагнитные волны, несущие энергию. Потеря энергии приведет электрон к падению на ядро. Таким образом, подобный атом не может быть устойчивым, а потому в реальности не может существовать. Таким образом, классическая физика не могла найти объяснения устойчивости атомов.

Разработка следующей модели атома принадлежит Н.Бору. Взяв за основу модель Резерфорда, он использовал и идеи квантовой теории. Бор выдвинул предположение, согласно которому в атомах существуют особые стационарные состояния, в которых электроны не излучают - излучение происходит лишь при переходе из одного стационарного состояния в другое.

Внутреннее строение атома изучать непосредственно невозможно, поскольку микроскопические размеры недоступны прямому восприятию, поэтому о структуре атома можно судить по ее косвенным проявлениям макроскопического масштаба. Таким проявлением является излучение атомов под воздействием нагрева или внешнего электрического поля. Изучение спектров излучения позволяет получить данные о внутренней структуре атома - для каждого атома характерны особенности спектра. Классическая физика не могла объяснить законы, которым подчинялись атомные спектры. Модель Бора выявила истинное значение спектральных законов и позволила установить, как эти законы отражают квантовый характер внутренней структуры атома - устойчивость структуры атома оказалась неразрывно связанной с существованием квантов. В модели Бора каждый атом обладает некоторой последовательностью квантовых (стационарных) состояний. Каждый вид атома имеет свою последовательность квантовых значений энергии, соответствующих различным возможным стационарным состояниям. Вывод о том, что в устойчивом состоянии атом не должен излучать, не соответствовал данным классической электродинамики, согласно которым электроны, движущиеся с ускорением, должны были непрерывно излучать электромагнитные волны. Бор и предположил, что каждая спектральная линия соответствует мгновенному переходу атома из одного квантового состояния в другое, которое характеризуется меньшим значением энергии. Избыток энергии при этом уносится в виде отдельных квантов (фотонов).

Модель атома Бора показала свою плодотворность в применении к атому водорода, позволив понять структуру оптического спектра. Но попытка применить данную модель к более сложным атомам, имеющим большее число электронов, выявила ограниченность данной модели - результаты ее применения лишь весьма приблизительно соответствовали данным эксперимента. Кроме того, модель атома Бора располагала методом квантования действия лишь для одномерного движения (предложенного еще Планком). Поэтому необходимо было найти методы квантования для случаев многомерного движения. Этот метод был найден в 1916 г. Ч.Вильсоном и А.Зоммерфельдом (почти одновременно друг с другом) и использован для решения тех задач, которые не могли быть решены с помощью модели атома Бора. Таким путем была создана концепция тонкой структуры линии спектра. Излучение линий спектра водорода с помощью спектрографов с высокой разрешающей способностью позволило выявить тонкую структуру спектра - оказалось, что спектральные линии сами состоят из ряда близко расположенных друг к другу линий. Зоммерфельд высказал предположение о связи тонкой структуры спектральных линий с релятивистскими эффектами и предположил вместо уравнений ньютоновской механики использовать уравнения релятивистской механики. Предположения Зоммерфельда дали результаты, согласуемые с экспериментальными данными. Вместе с тем полученная Зоммерфельдом картина спектральных линий оказалась значительно беднее реальной, поэтому его модель не могла дать достаточно полные объяснения тонкой структуры спектральных линий.

Для модели атома Бора основополагающим является утверждение о том, что электроны внутри атома могут находиться лишь в стационарных состояниях, которые соответствуют определенным квантовым значениям энергии. Следовательно, существуют определенные энергетические уровни, на которых находятся электроны. Как известно, атом каждого последующего элемента имеет на один электрон больше, чем предыдущего. Значит, по мере возрастали атомного номера усложняется структура электронных оболочек атомов. На основе знания этой структуры можно устанавливать физические и химические свойства элементов. В периодической системе Д.И.Менделеева элементы расположены в порядке возрастали атомного веса, причем в расположенных таким образом элементах обнаруживается определенная периодичность в химических свойствах этих элементов. Физическая природа этой периодичности оказывается весьма сложной. Теория атома должна иметь возможность объяснить эту природу. Для этого модель Бора необходимо было дополнить требованием, чтобы на одном энергетическом уровне могло находиться лишь ограниченное число электронов (явление насыщения энергетического уровня электронами). Если бы данного насыщения не существовало, то в нормальном (стабильном) состоянии атома все электроны атома были бы на низшем уровне, который соответствует наименьшей энергии. Но вследствие насыщения уровней подобная ситуация оказывается невозможной.

Двигаясь по периодической системе элементов, можно видеть, как постепенно заполняются друг за другом низшие энергетические уровни - как только низший уровень оказывается заполненным, настает очередь следующего уровня. Тонкая структура спектральных линий при этом свидетельствует о расщеплении энергетических уровней электронов внутри атома на ряд подуровней. Заполняющие эти уровни подуровни электроны (обладающие почти одинаковой энергией) образуют оболочку. При заполнении друг за другом последующих уровней, таким образом, образуются различные оболочки. Изменяемая при движении по таблице Менделеева периодичность свойств объясняется характером заполнения оболочек электронами. Таким образом, исследование спектров играет огромную роль в изучении внутренней структуры атома.

Модель Бора, позволяя определить частоту излучения, не давала возможности определять интенсивность излучения и его поляризацию, что совершенно необходимо для уточнения природы излучения, которое возникает при переходах электронов внутри атома из одного стационарного состояния в другое. Бор этот недостаток пытался устранить с помощью принципа соответствия. Кроме того, модель Бора была непоследовательной: отвергая ряд положений классической механики и электродинамики, она использовала как классические понятия и формулы, так и квантовые. Бор понимал ограниченный характер собственной модели атома. Принцип соответствия указывал на одно из новых направлений. Однако впоследствии, с созданием квантовой механики, было выяснено, что при описании строения атома классические представления не могут иметь места.

б) Структура атомного ядра

Исследование структуры атома поставило вопрос о том, что представляет собой ядро, какова его структура. В ядре сосредоточена почти вся масса атома (масса электронов, входящих в атом, пренебрежительно мала по сравнению с массой ядра), оно имеет положительный заряд, эквивалентный суммарному заряду входящих в него электронов. Заряд ядра любого элемента равен его порядковому номеру в периодической системе элементов. Проблема структуры атомного ядра получила разрешение с открытием в 1932 году Д.Чедвиком нейтрона - третьей элементарной частицы после электрона и протона. Масса нейтрона близка к массе протона. Электрический заряд у протона отсутствует Д.Д.Иваненко сформулировал протоно-нейтронную концепцию строения атомного ядра, которую затем разработал В.Гейзенберг. Ядра, состоящие из протонов и нейтронов получили название нуклонов. В том же 1932 году в космических лучах К.Андерсоном был открыт позитрон - положительно заряженный электрон, обеспечивший симметрию между положительным и отрицательным зарядами во взаимоотношениях частиц. Его существование было предсказано П.Дираком, исходившим из того, что положительные заряды во Вселенной представляют собой своего рода недостающие части мирового отрицательного заряда - позитрон есть "дырка" в распределении электронов с отрицательной энергией. Столкновение электрона и позитрона приводит к аннигиляции - их превращению в два фотона, испускаемые в противоположных направлениях.

в) Процессы ядерного превращения

Следующий вопрос, который встал перед физиками после выявления структуры атомного ядра, касался сил, скрепляющих нуклоны в ядре. В связи с его расширением выяснилось, что взаимоотношения между нейтроном и протоном не столь просты, как казалось вначале. Оказалось, что точнее говорить о структуре атомного ядра, состоящей из протонов, нейтронов и мезонов. Мезоны, существование которых было в 1935 году предсказано Г.Юкавой и открыто Ч.Андерсоном и С.Неддермейером, и оказались силами притяжения, которые по величине превосходят электрические силы, действующие между одноименно заряженными протонами. Ядерные силы - это вид основных физических сил, действующих в природе, наряду с гравитационными и электромагнитными.

Из всех названных частиц нейтрон оказался наиболее пригодным для осуществления процесса ядерного превращения, поскольку ввиду отсутствия у него заряда он способен глубже проникнуть в вещество, входить в положительно заряженные ядра атомов, которые отталкивают положительно заряженные протоны и альфа-частицы. Благодаря этому в краткий срок было изучено действие нейтронов на различные ядра, что привело к открытию искусственной радиоактивности. Решающее достижение в этой области принадлежит Ф.Жолио Кюри и И.Кюри, установившим, что почти все подвергнутые бомбардировке атомы становятся радиоактивными. Это означало, что естественная радиоактивность является лишь остаточной активностью атомов, которые еще не успели достичь устойчивых состояний. Знание атомных превращений могло помочь объяснить, каким образом возникли элементы.

Начавшееся с 30-х гг. ХХ века создание ускорителей дало возможность повысить эффективность исследований в этой области. Х.А.Бете и Г.А.Гамов способствовали установлению вероятных циклов термоядерных реакций, являющихся источниками внутризвездной энергии. Стало ясно, что источником большей части энергии Вселенной являются ядерные процессы. Встала задача выяснения механизма высвобождения этой энергии. Э.Ферми, подвергнув бомбардировке нейтронами тяжелые элементы, обнаружил огромную эффективность медленных нейтронов. О.Ган и Ф.Штрасман открыли деление ядер урана под действием нейтронов. О.Ган и Л.Мейтнер исследовали продукты распада облученного урана и отыскали среди них элементы до атомного номера 96. Деление ядер стало установленным фактом.

Тяжелые ядра могут иметь больше нейтронов по отношению к числу протонов по сравнению с легкими ядрами. При расщеплении атома урана освобождается несколько нейтронов. Так открылась возможность цепной реакции. Если в ходе ядерного процесса можно было добиться получения больше чем одного эффективного нейтрона на каждый первоначально затраченный нейтрон, реакция убыстрялась. И если этим процессом не управлять, а дать возможность развиваться, то он приводил к взрыву. В случае же управления мы имеем дело с ядерным реактором. Все это привело к созданию Ферми ядерного реактора, осуществлению цепной реакций деления ядер, атомного и термоядерного оружия, атомных электростанций. (О перипетиях всего этого можно познакомиться в специальной литературе). В истории человечества началась новая атомная эра, открытая атомной физикой.

Считается, что реализация концепций атомной ядерной физики стала примером самого быстрого практического применения науки. Оценивая это, Д.Бернал писал: "Если бы это открытие было совершено в более спокойные времена XIX века, оно разрабатывалось бы в конечном счете для практического применения и, быть может, лет через 50 или около того нашло бы свое воплощение в новых машинах для выработки энергии. Отсутствие материальной заинтересованности и тот факт, что капиталы были вложены в уже существовавшие источники энергии, могли бы, однако, еще на бесконечно долгое время задержать развитие производства атомной энергии. Но, как известно, открытие ядерного деления произошло в канун новой мировой войны. По счастью для правительства Англии и Америки, некоторые из тех, кто был изгнан из своей родины нацистами и фашистами, отдавали себе ясный отчет в военных возможностях сделанного открытия. Однако более удивительным было, быть может, то обстоятельство, что им удалось убедить военные и гражданские власти в необходимости крайне энергичной разработки проекта, главным образом потому, что если бы они этого не сделали, то противник, несомненно, первым создал бы свою бомбу“. Бернал Дж. Наука в истории общества.М.,1956.С.414-415

Так или иначе, появление подобных научных концепций не только определяет характер современной эпохи, но и будущее общества. Появление концепций, неумение распорядится которыми может грозить уничтожением человечества, активно влияет на характер и формы и формы социального устройства. Человечество, высвободив колоссальные силы, теперь обречено постоянно думать над тем, как распорядиться ими. Эта проблема человечества в практически обозримое время - вечная. Поэтому человечество должно научиться жить с этой проблемой.

7.5 Концепции физики элементарных частиц

а) Современный статус понятия Элементарной частицы

Представление о том, что все во Вселенной делится на вещество и силы, бытующие и в настоящее время, возникло давно. Еще Аристотель (см. раздел "Аристотельская физика") полагал, что на вещество, состоящее из земли, воздуха, огня и воды, действуют две силы: сила тяжести и сила легкости. Первая влечет землю и воду вниз, вторая поднимает огонь и воздух вверх. Аристотелю вещество представлялось непрерывным, а Демокриту - зернистым, состоящим из атомов. Спор между сторонниками данных концепций дошел до ХХ века. В его разрешении важный вклад принадлежит Эйнштейну, который в 1905 г. (еще до публикации статьи о специальной теории относительности) высказал предположение, что броуновское движение (нерегулярное, хаотическое движение мельчайших частичек, взвешенных в воде) можно объяснить ударами атомов жидкости об эти частички. Как было показано ранее, первая попытка доказать структурированность атома предпринял Дж.Томсон. В 1911 г. Э.Резерфорд доказал, что атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него, отрицательно заряженных электронов. В 1932 г. Дж.Чэдвик обнаруживает, что ядро кроме положительного протона содержит не заряженный нейтрон с массой почти равной массе протона. В 1969 г. эксперименты М.Гелл-Мана по взаимодействию движущихся с большими скоростями протонов и электронов показывают, что протоны состоят из Кварков. Таким образом, было установлено, что ни атомы, ни протоны, ни нейтроны не являются неделимыми. Перед физиками и встал вопрос: что же считать элементарными частицами? Может быть при переходе к еще большим энергиям и эти элементарные частицы окажутся делимыми?

Таким образом, понятие элементарных частиц в настоящее время утратило свой первоначальный смысл как частиц далее неразложимых, поскольку многие из частиц, считавшихся элементарными, имеют сложную структуру (например, протоны и нейтроны). Но осталась сама идея о существовании элементарных частиц. Термин "элементарные частицы" сейчас употребляется в менее строгом значении, а именно для названия большой группы мельчайших частиц материи, которые не являются атомами или атомными ядрами (за исключением протона - простейшего ядра атома водорода). Их число велико (с нестабильными частицами насчитывается более 350) и продолжает расти.

В процессе исследования выявленных элементарных частиц устанавливались их свойства. У электронов и протонов были выявлены масса, размеры, электрический разряд, механический и магнитный момент. В рамках теории Бора были установлены механический и магнитный моменты электрона и протона, являвшихся чисто квантовыми свойствами. Было установлено, что спин - собственный момент количества микрочастицы, имеющий квантовую природу и измеряемый в единицах Планка, - может быть целым (0,1,2...) или полуцелым (1/2, 3/2...).

Исследование бета-распада позволило открыть новое свойство элементарных частиц - их превращаемости друг в друга: при бета-распаде из ядра вылетает электрон, который рождается в результате превращения нейтрона в протон и электрон. Было обнаружено при этом, что электроны, вылетающие из ядра при бета-распаде, обладают различными скоростями и энергией, а оставшиеся после бета-распада ядра обладают примерно одинаковой энергией. Измерения установили, что в случае вылета медленных электронов баланс энергии при бета-распаде не сохраняется, что казалось нарушением закона сохранения в микропроцессах. Идея существования нейтрино, рождающегося при бета-распаде и уносящего недостающую энергию, сохранило справедливость закона сохранения энергии и в микромире. Открытие превращения нейтрона в протон и нейтрон положило начало открытиям других форм превращения элементарных частиц друг в друга.

Следующим выявленным свойством элементарных частиц была способность определенных частиц взаимодействовать друг с другом. В классической физике электрическое взаимодействие между заряженными частицами осуществляется с помощью электромагнитного поля. С точки зрения квантовой физики взаимодействие частиц есть процесс обмена фотонами, в котором фотоны пропадают, отдавая свою энергию заряженным частицам. По аналогии с образованием фотонов появилась идея о том, что подобным образом могут рождаться и электроны. Поиски сил, связывающих в ядре протоны и нейтроны, побудили И.Е.Тамма и Д.Д.Иваненко предположить, что ядерные силы есть результат обмена электронами между нуклонами. Эксперимент эту гипотезу не подтвердил. Юкава показал, что ядерные силы могут быть объяснены как результат обмена между нуклонами частицами с массой больше массы электрона и меньшей массы нуклонов (частицы получили название мезонов-промежуточных частиц), которые и были обнаружены в космических лучах. Переносчиками ядерных сил оказались положительно и отрицательно заряженные мезоны с массой, равной 273 массам электрона, получившие название -мезонов или пионов. У нейтральных мезонов масса оказалась равной 264 массам электрона.

Дирак высказал мысль о существовании античастицы для электрона, которая была открыта и названа позитроном. Оказалось, что свойством элементарных частиц является существование античастиц , имеющих противоположный заряд и противоположно направленные механический и магнитный моменты. При столкновении частицы и античастицы происходит аннигиляция, т.е. их уничтожение с возникновением других частиц. Так, столкновение электрона и позитрона дает два фотона, протона и антипротона - четыре мезона и т.д.

У частиц было установлено также свойство спонтанного превращения. Элементарные частицы имеют "время жизни" - среднее время своего существования. В настоящее время к числу стабильных частиц с бесконечным временем существования относят электроны и позитроны. К стабильным относят также протоны и антипротоны (хотя высказываются соображения о конечном сроке жизни протонов), а также нейтрино, антинейтрино, фотоны. К настоящему времени назрела необходимость в классификации элементарных частиц (подобной периодической системе Д.И.Менделеева). Эта работа далеко не завершена.

б) Современные представления о характере фундаментальных физических взаимодействий и типах элементарных частиц

В физике под взаимодействием понимается воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению состояния их движения. В механике Ньютона взаимодействия характеризуются силой, более общей характеристикой взаимодействия является потенциальная энергия. В трактовке взаимодействия исторически сменяли друг друга разные концепции. Первой возникла концепция дальнодействия, сущность которой заключается в представлении, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно через пустое пространство, которое участвует в передаче взаимодействия не принимает, причем передача взаимодействия происходит мгновенно. После открытия электромагнитного поля возникла концепция близкодействия. Было установлено, что взаимодействие электрически заряженных частиц осуществляется не мгновенно, а с некоторой конечной скоростью, равной скорости света. Электромагнитное поле выступает посредником, осуществляющим передачу взаимодействия между электрически заряженными частицами. Данная концепция была перенесена и на другие взаимодействия. В рамках данной концепции взаимодействия между телами осуществляется посредствам разнообразных полей. В рамках квантовой теории трактовке взаимодействия был придан квантовый характер. Поскольку каждое тело состоит из квантов, то, например, электромагнитное взаимодействие осуществляется путем обмена фотонами и т.п.

Существует четыре разновидности взаимодействия (сил), которые физики надеются представить как проявление одной и той же силы (взаимодействия). Оказалось, что классификацию элементарных частиц удобнее всего осуществлять по типам их взаимодействий.

Все известные частицы принято разделять на две группы, в одну из которых входят частицы со спином 1/2 (из них состоит вещество Вселенной), а в другую - частицы со спином 0, 1 и 2 (создающие силы, действующие между частицами вещества). Первые подчиняются принципу запрета Паули, (гласящему, что две одинаковые частицы не могут существовать в одном и том же состоянии). Если бы не действовал принцип Паули, кварки не смогли бы объединится в протоны и нейтроны, которые, в свою очередь, вместе с электронами не смогли бы объединиться в атомы. В 1928 г. П.Дирак разработал теорию, описывающую эти частицы, которая согласовывалась и с квантовой механикой, и со специальной теорией относительности. Теория объяснила, почему электрон со спиной 1/2 при одном полном обороте не возвращается в прежнее положение и возвращается в него лишь при двукратном обороте. Эта теория предсказывала также существование позитрона (антиэлектрона). Оказалось, что каждой частице соответствует античастицы, которые при столкновении аннигилируют (уничтожаются).

Силы между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0, 1 или 2. Эти частицы-переносчики не подчиняются принципу запрета Паули. Это значит, что ограничения для числа обмениваемых частиц отсутствуют, поскольку возникающая сила взаимодействия может быть большой:

Первая из них - гравитационная сила, имеющая универсальный характер. Любая частица находится под действием гравитационной силы. Ее величина зависит от массы или энергии частицы. Гравитационная сила действует на больших расстояниях и всегда выступает как сила притяжения. Гравитационные силы по сравнению с другими очень слабые. Считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами, переносится частицей со спином 2 (ее называют гравитон). Гравитон собственной массой не обладает, поэтому переносимая им сила является дальнодействующей. Считается, что гравитоны распространяются в виде гравитационных волн, которые пока зафиксировать не удается вследствие их слабой силы.

Вторая сила - электромагнитная, действующая между электрическими заряженными частицами. Электромагнитные взаимодействия значительно сильнее гравитационных. Существуют два вида электрического заряда - положительный и отрицательный. Между двумя положительными или отрицательными зарядами действует сила отталкивания, между положительным и отрицательным - сила притяжения. В больших телах электромагнитная сила слаба, поскольку в них положительных и отрицательных зарядов почти одинаково и они компенсируют друг друга. В малых масштабах ситуация иная - в атомах и молекулах доминируют электромагнитные силы.

Третий тип - слабое взаимодействие, отвечающее за радиоактивность и существующее между всеми частицами вещества со спином 1/2 - в нем не участвуют частицы со спином 0, 1, 2 (фотоны и гравитоны). В1967 г. А.Салам и С.Вайнберг разработали теорию, объединяющую слабое взаимодействие и электромагнитное (подобно объединению Максвеллом электричества и магнетизма). (Несколько позже к ним присоединился Ш.Глэшоу.) Теория предсказывала, что частицы, совершенно различные при низких энергиях, при высоких энергиях оказываются одной и той же частицей, но находящейся в разных состояниях.

Четвертый тип - сильное ядерное взаимодействие, удерживающее кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны - внутри атомного ядра. Переносчиком этого типа взаимодействия считается частица со спином 1 - глюон. Глюоны взаимодействуют лишь с глюонами и кварками.

Существует идея объединить электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия в теорию великого объединения (на самом деле она не столь великая, поскольку не учитывает гравитацию, но создание такой теории явилось бы шагом на пути к созданию полной теории объединения, охватывающей все четыре типа взаимодействия - подробнее о концепции объединения физики см. раздел 6). Идея великого объединения заключается в следующем. Известно, что сильные взаимодействия при высоких энергиях становятся слабее, чем при низких. Электромагнитные же и слабые силы при высоких энергиях растут. При каком-то очень большом значении энергии эти три силы могли бы сравняться между собой и стать разновидностями одной силы - при этом частицы со спином 1/2 (кварки и электроны) перестали бы различаться. Препятствие на этом пути заключается в том, что для ускорения частиц до такой энергии понадобился бы ускоритель размером с Солнечную систему. Хокинг С. От большого взрыва до черных дыр. Краткая история времени. М.,1990. С.70. Так что возможности экспериментально проверить теорию великого объединения нет. Однако возможна проверка низкоэнергетических следствий. Одно из таких следствий - возможность распада протонов, составляющих большую часть массы обычного вещества на более легкие частицы (антиэлектроны).

Такого рода эксперименты, позволяющие дать определенные сведения о распаде протона, затруднены. Однако, как полагает С.Хокинг, Хокинг С. Там же. С.71-72 не исключено, что само наше существование есть следствие обратного процесса - процесса образования протонов или кварков на самой начальной стадии, когда кварков не больше, чем антикварков. Он полагает, что такая картина начала Вселенной выглядит наиболее естественной. Ведь земное вещество в основном состоит из протонов и нейтронов, состоящих в свою очередь из кварков. В нашей Галактике тоже нет ни антипротонов, ни антинейтронов (за исключением тех случаев, когда они рождаются в столкновениях частицы и античастицы при высоких энергиях) - если бы наша Галактика имела участки антивещества, то на границе раздела вещества и антивещества наблюдалось бы излучение высокой энергии вследствие аннигиляции. В пределах одной Галактики смеси вещества и антивеществ быть не может. Поэтому более вероятно предположение о том, что все галактики состоят из кварков, а не из антикварков.

Но почему при образовании Вселенной кварков стало больше, чем антикварков? Ранее считалось, что законы физики одинаковы для частиц и античастиц, т.е. все процессы в природе не меняются (симметричны) при одновременном проведении трех преобразований: переходе от частиц к античастицам (зарядовое сопряжение или преобразование симметрии С), зеркальном отражении (пространственная инверсия или преобразование симметрии Р) и замене времени t на -t (обращение времени или преобразование симметрии Т).