Основные концепції фізики сучасності

Основные концепції фізики ХХ века

Революция в физике

Физика ХІХ століття являла собою засновану на механіці Ньютона систему знань, яка творцям цією системою представлялася майже завершеною. Революція у фізиці вже в початку сучасності виявила обмеженість класичної механіки, ніж поставила під істинність подібних спектаклів. Класична фізика, з закладеного Декартом ідеалу, представляла Всесвіт як механічної системи, поведінка якої можна вже напевне передбачити, якщо відомі параметри, які визначають початкова стан цією системою. Інакше кажучи, основні затвердження класичної механіки мають цілком певний і однозначний характер. Різного роду невизначеності та неоднозначності, які можуть відбутися виміру атмосферного явища величин, пояснюються у її рамках неминучими похибками, складністю процедури вимірювання, і т.п.

Подобная картина виходила з припущеннях, які вважалися цілком очевидними. Перше полягала у тому, що ми живемо у надмірно жорсткому і певному світі, у якому будь-яке явище то, можливо суворо локалізовано, і всі розвиток фізичного світу є зміну розташування тіл у просторі з часом. Друге випливало з змозі зробити пренебрежимо малим обурення природного ходу досліджуваного процесу, внесене процедурою здійснення експерименту. Як виявилося, обидва пропозиції можуть бути справедливими тільки до певних условий.

Открытие кванта дії виявило протиріччя між концепцією суворої локалізації і концепцією динамічного розвитку. Кожна з цих концепцій, узята зокрема від інший, то, можливо успішно використана для досліджуваних явищ, але, будучи одночасно використаними, де вони дають точних результатів. Обидві вони — свого роду ідеалізація: перша — статистична, виключає всяке рух та розвитку, друга — динамічна, виключає поняття точного становища у просторі і моменту часу. У класичної механіці переміщення у просторі й визначення швидкості вивчаються поза залежність від того, як фізично ці переміщення реалізуються. Від абстрактного вивчення законів руху можна переходити динаміки. Що стосується явищам мікросвіту така ситуація, як виявилося, неможлива принципово. Тут просторово-тимчасова локалізація, що у основі кінематики, можлива тільки до деяких окремі випадки, які залежить від конкретних динамічних умов руху. У макромасштабах використання кінематики цілком можна. Для микромасштабов, де головна роль належить квантам, кінематика, вивчає рух незалежно від динамічних умов, втрачає смысл.

Для масштабів мікросвіту й інше становище виявляється неспроможним — то вона слушна тільки до явищ великого масштабу. Виявилося, що спроби виміряти якусь величину, що характеризує досліджувану систему, тягне у себе неконтрольоване зміна інших величин, характеризуючих цю систему: якщо робиться спроба встановити становище у просторі і часу, це призводить до неконтрольованого зміни відповідної пов’язаною величини, що визначає динамічний стан системи. Так, неможливо точно виміряти за одну і те час дві взаємно поєднані величини. Чим точніше визначається значення однієї величини, що характеризує систему, тим паче невизначеним виявляється значення пов’язаною їй величини. Ця обставина призвело до істотне зміна поглядів розуміння детермінізму, рівнів організації реальности.

Детерминизм класичної механіки виходив речей, що майбутнє яких у даному разі повністю міститься у теперішньому — цим правилом і визначається можливість точного передбачення поведінки системи у будь-якій майбутній час. Таку можливість йому пропонує одночасне визначення взаємно пов’язаних величин. У сфері мікросвіту це неможливим, як і вносить істотних змін у розуміння можливостей передбачення і взаємозв'язку явищ природи: раз значення величин, характеризуючих стан системи в нагальні моменти часу, можна встановити лише із часткою невизначеності, то виключається можливість точного передбачення значень цих величин в наступні моменти часу — можна лише передбачити можливість отримання тих чи інших величин. І тут зв’язок між результатами послідовних вимірів нічого очікувати відповідати вимогам класичного детермінізму. Тут можна казати про вероятностной зв’язку, що з невизначеністю, що з існування кванта действия.

Другая революційна ідея, що спричинило у себе зміна класичної фізичної картини світу, стосується створення теорії поля. Класична механіка намагалася зводити всі явища природи до сил, чинним між частинками речовини — у цьому грунтувалася концепція електричних рідин. У межах цю концепцію реальними були лише субстанція і його зміни — тут найважливішим визнавалося опис дії двох електричних зарядів з допомогою які стосуються ним понять. Опис ж поля між тими зарядами, а чи не самих зарядів був дуже істотним розуміння дії зарядів. Створеної нової реальності місця у механічної картині світу було. Через війну фізика стала поводитися з двома реальностями — речовиною і полем. Якщо класична фізика будувалася на понятті речовини, те з виявленням нової реальності фізичну картину світу доводилося переглядати. Спроби пояснити електромагнітні явища з допомогою ефіру виявилося невтішними. Ефір експериментально знайти зірвалася. Це спричинило створенню теорії відносності, яка змусила переглянути уявлення щодо простору і часу, характерні для класичної фізики. Отже, дві концепції - теорія квантів і теорія відносності - стали фундаментом нових фізичних концепцій. Д. Бернал виділив три фази у розвитку наукової революції. Першу фазу охоплювала період із 1895 по 1916 рік. Для неї характерно дослідження нових світів, створення нового бачення, переважно з допомогою технічних і теоретичних коштів науки сучасності. Це період основному індивідуальних досягнень подружжя Кюрі, Резерфорда, Планка, Ейнштейна, Бору та інших. Фізичні дослідження ведуть в університетських лабораторіях, вони слабко зв’язані з промисловістю, використовувана апаратура дешева і проста.

Вторая фаза (1919;1939 рр.) характеризується масовим впровадженням промислових методів і організованості в фізичні дослідження. Хоча у цей час фундаментальні дослідження ведуть головним чином університетських лабораторіях, окремі видатні вчені починають очолювати наукові групи, починають встановлювати зв’язку зі значними промисловими дослідницькими лабораторіями. Зростає кількість учених. Фізика розширює сферу своєї діяльності. Починається військове використання фізичних знань, починається встановлення зв’язок між керівниками фізичних досліджень з промисловими та державними організаціями у військових целях.

Третья фаза характеризується ще більшою розширенням участі фізики у військових програмах. Фізичні дослідження вимагають дорогої апаратури, стають дедалі більше дорогими, у тому організації дедалі більшу роль грає государство.

Современный етап розвитку фізичних досліджень стає більш дорогим, що порушує питання необхідності міжнародної кооперації, у здійсненні найбільших проектів. Фізика стала основою природознавства. Поява та розвитку таких розділів фізики, як квантова механіка, квантова електродинаміка, загальна теорія відносності, теорія будівлі атомів, фізика атомного ядра і субатомних частинок, квантова фізика твердого тіла, квантова фізична теорія будівлі хімічних сполук створило нової фізичної картини світу, до перетворення фізики з науки, що вивчає пояснює механізм явищ, до науки, разрабатывающую методи штучного відтворення фізичних процесів, в основу сучасному технічному пристроїв, на лідера сучасного естествознания.

Теория относительности

а) Криза класичних поглядів на просторі і времени

Вначале пригадаємо, що концепцію світла Френеля включала визнання існування ефіру, що заповнює все простір і що проникає у все тіла, у якому поширювалися світлові хвилі. Концепція світла Максвелла поняття ефіру не за потрібне. Попри це, концепція ефіру не зійшла зі арени фізики. Річ полягала у тому, що рівняння електродинаміки Максвелла були справедливими лише у системі координат і несправедливими на другий, що просувалася прямолінійно і рівномірно щодо першої. Класична механіка, що виходила з визнання існування абсолютного часу, єдиного всім систем відліку і будь-яких спостерігачів, визнавала, що відстань між двома точками простору повинен мати одне значення переважають у всіх системах координат, що використовуються визначення становища тіл у просторі (тобто. дане відстань є інваріантом). Перетворення Галілея визначало перетворення координат під час переходу від однієї системі відліку в іншу. Інакше висловлюючись, якщо, наприклад, рівняння Ньютона були справедливими у системі координат, що з нерухомими зірками, всі вони виявлялися справедливими та інших системах відліку, які рухалися прямолінійно і рівномірно стосовно згаданих нерухомих зірок. Отже, виходило, що рівняння Максвелла справедливі в одній системі відліку, що з певної середовищем, заполняющей весь світ. Ось якщо цю середовище, й продовжували вважати ефіром. Усі відмінності з початкової трактуванням ефіру полягала у тому, що раніше під ефіром розуміли особливу пружну середу, що була здатна передавати світлові коливання, нині ефіру стала виділяється роль абстракції, яка потрібна на фіксації тих систем відліку, у яких справедливі рівняння Максвелла. Але й цю роль ефір було грати.

Изучение світлових явищ в що просувалася системі координат припускало визначення швидкості даної системи координат щодо ефіру. Проте нікому не вдавалося експериментально знайти рух Землі щодо ефіру, коли у суперечності з класичної теорією. Знаменитий експеримент Майкельсона-Морли (1887 р.) всі сумніви, починаючи від недосконалість використовуваної під час проведення експерименту, повністю відкинув і навіть дозволив остаточно відмовитися від концепції ефіру. Г. А. Лоренц спробував негативний результат експерименту Майкельсона-Морли узгодити з теоріями, висловивши те, що тіла при своєму русі щодо ефіру скорочуються у розмірі цього руху. Такий їхній підхід дозволяв зберегти концепцію ефіру: ефір існує, він нерухомий, рух тіла щодо ефіру знайти неможливо, що у напрямі руху тіло змінює свої розміри. З рівнянь Лоренца слід було, що це світлові явища проходитимуть однаково у різних системах координат, тому за цими явищам знайти абсолютне рух щодо відношення до ефіру неможливо. У цього негативний результат експерименту Майкельсона-Морли виглядав цілком природним, а точна зв’язок спостерігачів, рухомих рівномірно і прямолінійно друг щодо друга, висловлюючись не перетвореннями Галілея, а перетвореннями Лоренца. Розуміння причин заміни перетворень Галілея перетвореннями Лоренца і з’ясування фізичних наслідків цієї заміни зажадало перегляду понять простору й часу.

Вспомним як і розвивалися ставлення до просторі і часу. Для аристотельской фізики характерно уявлення про спокої як природному стані будь-якого тіла. Це означає, що у рух тіло може з’явитися тільки під дією сили, чи імпульсу. Наслідком такого вистави був висновок у тому, що важкі тіла повинні падати з більшою швидкістю, ніж легкі т.к. вони притягуються до Землі. У межах цієї традиції закони, яким підпорядковувалася Всесвіт, виводилися умоглядно і перевірялися на опыте.

Галилей, котрий заклав початок сучасних поглядів на законах руху тіл, першим взяв під сумнів уявлення Арістотелевої фізики. Скачуючи по гладкому укосу кулі різного ваги, Галілей встановив, що швидкість збільшується незалежно ваги тіла — на катящееся тіло завжди діє сама й той самий сила (вагу тіла), у результаті швидкість тіла зростала. Це означало, що прикладена до тіла сила непросто змушує це тіло рухатися (вважали до Галілея), а змінює швидкість тіла. Ньютон на основі вироблених Галилеем вимірів вивів закони руху. Перший закон: всяке тіло перебуває у стані спокою чи рівномірного прямолінійного руху до того часу, поки які діють нього сили не змінять цей стан. Другий закон: твір маси тіла з його прискорення одно діючої силі, а напрям прискорення збігаються з напрямом сили. Третій закон: дії відповідає однакову і протилежно спрямоване дію (інакше: дії двох тіл друг на друга завжди рівні за величиною і передано супротивники). Крім цих законів Ньютоном відкритий закон всесвітнього тяжіння: всяке тіло притягує будь-який інший тіло з силою, пропорційної масам цих тіл. Чим більше перебувають тіла друг щодо друга, тим менше сила взаємодії. Гравітаційна сила тяжіння зірки становить четверту частина сили тяжіння той самий зірки, розташованої на вдвічі меншому відстані. Цей закон дозволяє собі з великий точністю вираховуватимуть орбіти планет.

Если для Аристотеля стан спокою вважалося кращим (якби тіло не діє якась сила), те з законів Ньютона слід було, що скасування єдиного еталона спокою немає. Це означає, що можна вважати тіло, А які йшли щодо спочиваючого тіла У і навпаки — вважати тіло У які йшли щодо спочиваючого тіла А. Звідси випливає, що організувати неможливо визначити, чи мали місце дві події лише у точці простору, якщо вони припадають на різні моменти часу. Інакше висловлюючись, ніякому події не можна приписати абсолютного положення у просторі (як вважав Аристотель). Це випливало із законів Ньютона. Але це суперечило ідеї абсолютного бога. Тому Ньютон не визнавав відсутності абсолютного простору, тобто. те, що випливало з відкритих законов.

Общим для Аристотеля і Ньютона було визнання абсолютного часу — обидва вважали, що час між двома подіями можна виміряти однозначне й що результати залежить від того, які здійснюють виміру, якби були в наявності в измеряющего правильні годинник. Час вважалося повністю відокремленим від простору й які залежать від него.

В 1676 р., протягом одинадцяти років до виходу «Математичних почав натуральної філософії «Ньютона, датський астроном О. Х. Ремер встановив, що світло поширюється з кінцевої, хоч і дуже великі швидкістю. Але як Д. К. Максвеллу — творцю класичної електродинаміки — вдалося поєднати дві приватні теорії, що описували електричні і магнітні сили. Відповідно до сформульованим Максвеллом рівнянням, що описує електромагнітні явища в довільних середовищах й у вакуумі, в електромагнітному полі можуть існувати що ширяться з постійної швидкістю хвилі (радіохвилі із довжиною метр і більше, хвилі сверхвысокочастотного діапазону із довжиною порядку сантиметри, хвилі інфрачервоного діапазону із довжиною до десяти тисячних сантиметри, хвилі видимого сектори із довжиною сорок — вісімдесят мільйонних часткою сантиметри, хвилі ультрафіолетового, рентгенівського й гамма-випромінювання із довжиною хвилі ще більше короткой.

Из теорії Максвелла випливало, що радіохвилі і світло мають фіксовану швидкість поширення. Але оскільки після появи теорії Ньютона уявлення про абсолютному спокої минули, постало питання: про який вимірювати швидкість. І тому було запроваджено поняття ефіру — особливої субстанції, заповнювала простір. Стали вважати, що світлові хвилі поширюються в ефірі (як звукові повітря), а швидкість поширення визначається щодо ефіру. Спостерігачі, рухомі щодо ефіру з різними швидкостями, мали бачити, що світло до них йде з різну швидкість, але швидкість світла щодо ефіру повинна залишатися незмінною. Це означало, що, рухаючись Землі в ефірі зі своєї орбіті навколо Сонця швидкість світла напрямі руху на бік джерела світла повинна перевищувати по порівнянню зі швидкістю світла за умови відсутності руху до джерела світла. Проте досвід, поставлений А. Майкельсоном і Э. Морли в 1887 р., де вони порівнювали швидкість світла, измеренную у бік руху Землі, зі швидкістю, вимірюваною в перпендикулярному цьому напрямку руху, показав, що обидві швидкості однакові. Датський фізик Х. Лоренц результат експерименту Майкельсона-Морли пояснював тим, що це рухомі в ефірі об'єкти скорочуються у розмірі, а годинник уповільнюють свій ход.

Следующий крок зробив А. Энштейн створенням спеціальної теорії відносності, з якої випливало. що за умови відмовитися від поняття абсолютного часу немає жодної потреби в ефірі. (Трохи згодом аналогічну позицію висловив і А.Пуанкаре.).

б) Спеціальна теорія относительности

Специальная теорія відносності виходила з постулаті відносності: закони науки повинні бути однаковими всім вільно рухомих спостерігачів незалежно від швидкості їх руху. Це означало, що швидкість світла для будь-яких спостерігачів, незалежно від своїх швидкості руху мусить бути однаковою. Важливо два слідства, що випливали з даного постулату. Перше — закон еквівалентності є і енергії. Друге — закон, яким ніщо неспроможна рухатися швидше світла.

Из закону еквівалентності є і енергії (Є =mc2, де Є - енергія, m — маса, з — швидкість світла) слід, чим більше енергія, важче збільшити швидкість, причому даний ефект більше проявляється при швидкостях, близьких до швидкості світла. (Так, наприклад, при швидкості тіла, складової 10% швидкості світла, маса даного тіла поповнюється 0,5%, тоді як із швидкості тіла, рівної 90% від швидкості світла, його маса збільшується вдвічі.) Із наближенням швидкості тіла до швидкості світла його маса збільшується дедалі швидше. Для подальшого прискорення потрібно дедалі більше енергії. Але швидкість тіла будь-коли може сягнути швидкості світла, що у цьому випадку маса тіла виявляється нескінченно великий, тому задля досягнення такий швидкості потрібно було нескінченно велику енергію. Отже, принцип відносності дозволяє рухатись зі швидкістю світла лише тілах, не які мають нульової масою (масою спокою), і накладає заборону для досягнення швидкості світла всім тілах, які мають нульової массой.

Второе слідство з постулату відносності стосується зміни поглядів на просторі і часу. Якщо теорії Ньютона час проходження світлового імпульсу, посланого з однієї точки до іншої і обмірюване різними спостерігачами, буде однаковим (бо час абсолютно), а пройдений їм шлях може бути різним в різних спостерігачів (бо простір не абсолютно), а різні спостерігачі отримають різні швидкості світла (бо швидкість світла є пройдене світлом відстань, ділене тимчасово), то теорії відносності в кожного спостерігача повинен бути свій масштаб часу, вимірюваного з допомогою наявних проблем нього годин, причому показання однакових годин, наявних проблем різних спостерігачів, можуть погодитися. Виявляється, у межах теорії відносності немає потреби з поняттями абсолютного часу й ефіру, зате відбувається зміна уявлень щодо простору і часу — тепер вони існують чимось не пов’язане друг з одним, а існує єдине простір-час. Подія, чимось що у нагальні моменти часу й у певному точці простору стало можливим характеризувати чотирма координатами.

Специальная теорія відносності пояснила сталість швидкості світла всім спостерігачів і дозволила описати, що відбувається за русі зі швидкостями, близькими до світловим. Але вона узгоджувалась з ньютоновской теорією гравітації, відповідно до якої тіла притягуються друг до друга з силою, яка від відстані між ними. Це вимагає нескінченну швидкість поширення гравітаційних ефектів, а чи не рівну чи меншу, як цього вимагає теорія відносності. Треба було створити модель гравітації, согласовывающуюся зі спеціальним теорією відносності. Ейнштейн своєї загальної теорії відносності висловив те, що гравітація є наслідком викривлення простору-часу, викликаного розподіленими у ньому масою і енергією. Искривленность простору-часу означає, що світло поширюється не прямолінійно, а викривляється в гравітаційних полях. У нормальних умов ефект викривлення променя зафіксувати спостерігачеві важко, але ці можна зробити під час сонячного затемнення, коли Місяць перекриває сонячне світло. Це пророцтво теорії було підтверджено спостереженнями у західній Африці в 1919 р. англійської экспедицией.

Другое пророцтво загальної теорії відносності йтиметься про те, що час поблизу масивних тіл має текти повільніше. Це пророцтво перевірили в 1962 р. Виявилося, що годинник, розташовані ближче до землі, справді йшли повільніше розташованих вище. Крім загального інтересу даний результат має значення для навігаційних систем — ігнорування пророцтв загальної теорії відносності призводить до помилок щодо координат на кілька кілометрів.

Таким чином, теорія руху Ньютона відкинула уявлення про абсолютному просторі, а теорія відносності - про абсолютному часу. У загальній теорії відносності немає єдиного абсолютного часу. До створення загальної теорії відносності простір та палестинці час виступали місцем для подій, яким всі події важить. У загальній теорії відносності простір та палестинці час змінюються під впливом подій і процесів і держава сама впливають ними. Виявилося, що казати про просторі і часу поза межами Всесвіту безглуздо. Старі ставлення до вічної і майже мінливих Всесвіту змінилися уявленнями про мінливих Всесвіту, що мала початок і, можливо матиме конец.

Таким чином, до початку сучасності виявилася потреба у про корінний перегляд поглядів на просторі і часу. Експерименти свідчили, що принцип відносності Галілея (в відповідно до цього механічні явища протікають однаково переважають у всіх інерційних системах відліку) можна віднести і до області електромагнітних явищ, тому рівняння Максвелла нічого не винні змінювати свою форму при переході від однієї инерциальной системи відліку в іншу, тобто. повинні прагнути бути інваріантними. Але це виявилося можливим тільки до випадків, коли перетворення координат і часу в такому переході від перетворень Галілея, які у ньютоновской механіці. Лоренц висловив ці перетворення, але з зміг обрати вірну інтерпретацію — вона була можливої у межах спеціальної теорії відносності, яка виявила обмеженість механічної картини світу. Усі спроби звести електромагнітні процеси до механічним процесів у ефірі виявили свою неспроможність, наслідком і він висновок у тому, поведінка форми матерії як електромагнітного поля не укладаються у рамки законів механики.

в) Загальна теорія относительности

Специальная теорія відносності оперує инерциальными системами координат, принцип відносності розглядається стосовно прямолінійному і рівномірному руху. Що ж до непрямолинейного чи прискореного руху, то принцип відносності у його колишньої формулюванні тут виявляється несправедливим, оскільки у що просувалася прискореної системі координат механічні, оптичні і електромагнітні явища протікають негаразд, як і інерціальних системах відліку. Правильне опис цих фізичних явищ, що враховує впливом геть них прискорення, стало можливим з урахуванням використання криволинейных координат в чотиривимірному просторі (чотиривимірному просторово-тимчасовому континуумі Минковского). Ейнштейн припустив, що особливість сил тяжіння залежить від тому, що вони пропорційні масі тіла, яким діють. Звідси слід було, що це тіла при одним і тієї ж початкових умовах рухаються в полі тяжіння незалежно від безлічі чи заряду, тобто. їх траєкторія руху не залежить від властивостей рушійної тіла, а визначається властивостями поля тяжіння. Це дозволяє вплив поля тяжіння, чинного у частині простору, враховувати шляхом введення локальної кривизни четырехмерного простору. У штатівській спеціальній теорії відносності четырехмерный просторово-часової континуум є эвклидовым (пласким). Можна припустити, що четырехмерное простір може бути неэвклидовым, тобто. мати перемінної кривизною. І тут визначення тіла у просторі можливе лише допомогою криволінійної системи координат. Отже, під дією сил тяжіння тіла змінюють свої розміри та палестинці час тече до залежності від величини цих сил, тобто. полі тяжіння змінює властивості простору й часу. Електромагнітне полі існує у просторі і часу, а гравітаційного поля висловлює геометрію простору й часу. Відповідно до загальної теорією відносності геометрія Евкліда застосовна тільки в порожнім просторами, де немає важких тіл. Поблизу ж важких тіл простір изогнуто.

Общая теорія відносності - загальна фізична теорія простору, часу й тяжіння — стала новим етапом у розвитку теорії тяжіння. Ейнштейн характеризував відмінність нову теорію тяжіння від старої так:

1. Гравітаційні рівняння загальної теорії відносності можна буде застосувати до будь-якої системі координат. Вибрати якусь особливу систему координат у спеціальній разі - річ лише зручності. Теоретично припустимі все системи координат. Ігноруючи тяжіння, ми автоматично повертаємося до инерциальной системі спеціальної теорії относительности.

2. Ньютонів закон тяжіння пов’язує рух тіла тут і тепер із дією іншого тіла до того ж саме час на далекому відстані. Цей Закон став зразком для механічного світогляду. Але механічне світогляд зазнали краху. У рівняннях Максвелла ми створили новий зразок для законів природи. Рівняння Максвелла суть структурні закони. Вони пов’язують події, що відбувається тепер і було тут, із подіями, які відбуваються трішки пізніше й у безпосередньому сусідстві. Вони суть закони, описують електромагнітне полі. Наші нові гравітаційні рівняння суть також структурні закони, описують зміна поля тяжіння. Схематично ми можемо сказати: перехід від ньютоновского закону тяжіння до спільної теорії відносності до певної міри аналогічний переходу від теорії електричних рідин і силою закону Кулона до теорії Максвелла.

3. Наш світ неевклидов. Геометрична природа його освічена масами та його швидкостями. Гравітаційні рівняння загальної теорії відносності прагнуть розкрити геометричні властивості нашого світу. «[1].

Итак, механічна картина світу виявилася непрацездатною через те, було неможливо пояснити все явища, виходячи з припущення дії між незмінними частинками простих сил. Спроби переходу від механічних уявлень до поняття поля були успішні у сфері електромагнітних явищ. Структурні закони, сформульовані для електромагнітного поля, пов’язали події, суміжні у просторі і часу. Це були закони спеціальної теорії відносності. Загальна теорія відносності сформулювала структурні закони, описують полі тяжіння між матеріальними тілами, звернула увагу до ту роль, що її відіграє геометрія описання фізичної реальности.

В час спеціальна теорія відносності підтверджено експериментально. Так. наприклад, передбачене цієї теорією збільшення маси електронів з наближенням їх до швидкості світла підтвердилося неодноразово. Еквівалентність є і енергії також доведено експериментами в ядерній фізиці. Що ж до загальної теорії відносності, все одно настільки ж позитивні експериментальні доказу її істинності відсутні. Багато фізики доки вважають досить стверджувальними факти, наведені у її користь: мале одвічну усунення перигелію Меркурія, слабке відхилення проходять поблизу Сонця світлових променів інтерпретуються по-різному. Більше переконливим представляється аргумент, пов’язані з виміром червоного усунення спектральних ліній, які випромінюються супутником Сиріуса. Але ж єдина аргумент перестав бути доказом достовірності. Ця теорія перестав бути закінченою. Є різноманітні погляду розуміння сутності загальної теорії відносності, які від эйнштейновской. Разом про те дана теорія одна із найвидатніших теоретичних побудов, котрі демонструють внутрішню логічний стійкість і які у фізику безліч різноманітних идей.

Завершая цей розділ, важливо зафіксувати вкотре наступний факт. Існують речовина і полі як різні фізичні реальності. Спроби фізиків ХІХ століття побудувати фізику з урахуванням лише поняття речовини виявилися невтішними. Побудувати фізику з урахуванням лише поняття поля поки зірвалася. Тож у всіх теоретичних побудовах доводиться визнавати обидві реальності. Однак у з цим постає проблема взаємодії елементарних часток отримують за полем. Спроби вирішення цієї проблеми призводять до квантової физике.

Квантовая теория

а) Передумови квантової теории

В кінці ХІХ століття виявилася неспроможність спроб створити теорію випромінювання чорного тіла з урахуванням законів класичної фізики. З законів класичної фізики слід було, що речовина має випромінювати електромагнітні хвилі за будь-якої температурі, втрачати енергію та знижувати температуру нанівець. Інакше кажучи. теплове рівновагу між речовиною і випромінюванням не міг. Але це перебував у суперечності з повсякденним опытом.

Более детально це можна зробити пояснити так. Існує поняття абсолютно чорного тіла — тіла, яка поглинає електромагнітне випромінювання будь-який довжини хвилі. Спектр його випромінювання визначається її температурою. У природі абсолютно чорних тіл немає. Найточніше абсолютно чорному тілу відповідає замкнутий надання у непрозорий порожнє тіло з отвором. Будь-який шматок речовини при нагріванні світиться і за подальше підвищення температури стає спочатку червоним, та був — білим. Колір від речовини майже залежною, для абсолютно чорного тіла він визначається виключно його температурою. Уявімо таку замкнуту порожнину, яка підтримується при постійної певній температурі й що містить матеріальні тіла, здатні випускати і поглинати випромінювання. Якщо тем-пература цих тіл в початковий момент відрізнялася від температури порожнини, те із часом система (порожнину плюс тіла) буде йти до термодинамическому рівноваги, що характеризується рівновагою між поглощаемой і вимірюваною в одиницю часу енергією. Г. Кирхгоф встановив, що цей стан рівноваги характеризується певним спектральним розподілом щільності енергії випромінювання, укладеного у порожнини, як і того, що функція, визначальна спектральне розподіл (функція Кирхгофа), залежить від температури порожнини та залежною ні від розмірів порожнини чи його форм, ні від властивостей поміщених у неї матеріальних тіл. Оскільки функція Кирхгофа універсальна, тобто. однакова нічого для будь-якого чорного тіла, то виникло припущення, що їхній вигляд визначається якимись положеннями термодинаміки і електродинаміки. Проте спроби що така виявилися невтішними. З закону Д. Рэлея слід було, що спектральна щільність енергії випромінювання повинна монотонно зростати зі збільшенням частоти, але експеримент свідчив про іншому: спочатку спектральна щільність зі збільшенням частоти зростала, та був падала. Рішення проблеми випромінювання чорного тіла вимагало принципово нового підходу. Він знайшли М.Планком.

Планк в 1900 р. сформулював постулат, відповідно до якому речовина може випускати енергію випромінювання лише кінцевими порціями, пропорційними частоті цього випромінювання (див. розділ «Виникнення атомної і НДІ ядерної фізики »). Ця концепція призвела до зміни традиційних положень, що у основі класичної фізики. Існування дискретності дії вказувало на взаємозв'язок між локалізацією об'єкта у просторі і часу й його динамічним станом. Л. де Бройль підкреслював, що «з погляду класичної фізики цей зв’язок можна вважати цілком незрозумілою й більш незрозумілою по слідством, яких вона наводить, ніж зв’язок між просторовими перемінними і часом, встановлена теорією відносності. «[2] Квантової концепції у розвитку фізики було судилося зіграти величезну роль.

Следующим кроком у розвитку квантової концепції було розширення А. Ейнштейном гіпотези Планка, що дозволило йому пояснити закономірності фотоефекту, не вкладаються до рамок класичної теорії. Сутність фотоефекту залежить від випущенні речовиною швидких електронів під дією електромагнітного випромінювання. Енергія испускаемых електронів у своїй від інтенсивності поглощаемого випромінювання залежною й його частотою і властивостями даного речовини, але від інтенсивності випромінювання залежить число испускаемых електронів. Дати пояснення механізму звільнювалися електронів не вдавалося, що у відповідність до хвильової теорією світлова хвиля, падаючи на електрон, безупинно передає йому енергію, причому її кількість в одиницю часу має бути пропорційно інтенсивності хвилі, падаючої нею. Ейнштейн 1905 року висловив те, що фотоефект свідчить про дискретному будову світла, тобто. у тому, що випромінювана электромагнитная енергія поширюється і поглинається подібно частинки (названої потім фотоном). Інтенсивність падаючого світла у своїй визначається числом світлових квантів, падаючих однією квадратний сантиметр освітлюваної площини у секунду. Звідси число фотонів, які испускаются одиницею поверхні в одиницю часу. має бути пропорційно інтенсивності висвітлення. Багаторазові досліди підтвердили це пояснення Ейнштейна, причому не лише з світлом, але й рентгенівськими і гама-променями. Ефект А. Комптона, виявлений у 1923 року, дав нові докази існування фотонів — було виявлено пружне розсіювання електромагнітного випромінювання малих довжин хвиль (рентгенівського й гамма-випромінювання) на вільних електронах, яке супроводжується збільшенням довжини хвилі. Відповідно до класичної теорії, в такому розсіянні довжина хвилі не має змінюватися. Ефект Комптона підтвердив правильність квантових уявлень про електромагнітне випромінювання як і справу потоці фотонів — може розглядатися як пружне зіткнення фотона й електрону, у якому фотон передає електрону частину свого енергії, тому його частота зменшується, а довжина хвилі увеличивается.

Появились та інші підтвердження фотонної концепції. Особливо плідної виявилася теорія атома Н. Бора (1913 р.), що виявила зв’язок будівлі матерії з тривалим існуванням квантів і яка б, що енергія внутрішньоатомних рухів не може змінюватися також лише стрибкоподібно. Отже, визнання дискретної природи світла відбулося. Але ж за суті своїй це були відродження відкинутої раніше корпускулярної концепції світла. Тож цілком природно виникла проблема: як поєднати дискретність структури світла з хвильової теорією (тим паче, що хвилева теорія світла підтверджувалася цілим поруч експериментів), як поєднати існування кванта світла з явищем інтерференції, як явища інтерференції пояснити з позиції квантової концепції? Отже, виникла потреба у концепції, яка узгоджувала б корпускулярний і хвильової аспекти излучения.

б) Принцип соответствия

Для усунення труднощі, посталої під час використання класичної фізики для обгрунтування стійкості атомів (пригадаємо, що втрата енергії електроном призводить до його падіння на ядро), Бор припустив, що атом в стаціонарному стані не випромінює (див. попередній розділ). Це означало, що электромагнитная теорія випромінювання для описи електронів, які за стабільним орбітам, не годиться. Але квантова концепція атома, відмовившись від електромагнітної концепції, не могла пояснити властивості випромінювання. Виникла завдання: спробувати встановити певне відповідність між квантовими явищами і рівняннями електродинаміки з єдиною метою зрозуміти, чому класична электромагнитная теорія дає правильне опис явищ великого масштабу. У класичної теорії рухомий в атомі електрон випромінює безупинно і водночас світло різних частот. У квантової ж теорії електрон, які перебувають всередині атома на стаціонарної орбіті, навпаки, не випромінює - випромінювання кванта відбувається лише момент переходу з одного орбіти в іншу, тобто. випромінювання спектральних ліній певного елемента є дискретним процесом. Отже, очевидна два дуже різних уявлення. Чи можна привезти у відповідність і якщо так, то який форме?

Очевидно, що відповідність до класичної картиною можливе лише за одночасному випущенні всіх спектральних ліній. У той самий час очевидно, що з квантовою позиції випромінювання кожного кванта є актом індивідуальним, тож щоб одержати одночасного випущення всіх спектральних ліній необхідно розглядати цілий великий ансамбль атомів однаковою природи, у якому здійснюються різні індивідуальні переходи, що призводять до випускання різних спектральних ліній конкретного елемента. У цьому випадку поняття інтенсивності різних ліній спектра необхідно представляти статистично. Для визначення інтенсивності індивідуального випромінювання кванта необхідно розглядати ансамбль значної частини однакових атомів. Электромагнитная теорія дозволяє дати опис макроскопічних явищ, а квантова теорія тих явищ, у яких важливе значення мають безліч квантів. Тому цілком імовірно, що результати, отримані квантової теорією, прагнутимуть класичним у сфері безлічі квантів. Узгодження класичною та квантової теорій слід шукати у цій галузі. Для обчислення класичних і квантових частот необхідно з’ясувати, збігаються ці частоти для стаціонарних станів, що відповідають великим квантовим числам. Бор висунув те, що з наближеного обчислення реальної інтенсивності і поляризації можна використовувати класичні оцінки інтенсивностей і поляризаций, екстраполюючи галузь малих квантових чисел то відповідність, що було встановлено для великих квантових чисел. Цей принцип відповідності знайшов підтвердження: фізичні результати квантової теорії на великих квантових числах мають співпадати з результатами класичної механіки, а релятивістська механіка при малих швидкостях переходить в класичну механіку. Узагальнена формулювання принципу відповідності може полягати як твердження, за яким нова теорія, яка претендує більш широку область застосовності порівняно з старої, повинна містити останню як окреме питання. Використання принципу відповідники надання їй точнішою форми сприяли створенню квантової і хвильової механики.

К кінцю у першій половині ХХ століття в дослідженнях природи світла склалися дві концепції - хвилева і корпускулярна, які залишилися неспроможна подолати розмежує їх розрив. Виникла нагальна потреба створити нову концепцію, у якій квантові ідеї повинні лягти у її основу, а чи не в ролі нікого «доважка ». Реалізація цієї потреби було здійснено створенням хвильової механіки і квантової механіки, які склали єдину нову квантову теорію — відмінність полягала у використовуваних математичних мовами. Квантова теорія як нерелятивистская теорія руху мікрочастинок стала найглибшої старості і широкої фізичної концепцією, яка пояснюватиме властивості макроскопічних тіл. Як її основи було покладено ідея квантування Планка-Эйнштейна-Бора і гіпотеза — про хвилях матерії де Бройля.

в) Хвилева механика

Ее основні ідеї з’явилися торік у 1923;1924 рр., коли Л. де Бройлем пролунала думка, що електрон повинен мати і хвилевими властивостями, навіяна аналогією зі світлом. На той час ставлення до дискретної природі випромінювання та існуванні фотонів вже зміцнилися, для повний опис властивостей випромінювання треба було по черзі представляти її те, як частку, те, як хвилю. Позаяк Ейнштейн вже показав, що дуалізм випромінювання пов’язані з існуванням квантів, то природно було порушити питання можливості виявлення подібного дуалізму й у поведінці електрона (і взагалі матеріальних частинок). Гіпотеза де Бройля хвилі матерії підтвердження виявлених 1927 р. явищем дифракції електронів: виявилося, що пучок електронів дає дифракционную картину. (Пізніше буде виявлено дифракція і в молекул.).

Исходя ідеєю де Бройля хвилі матерії, Э. Шредингер в 1926 р. вивів основне рівняння механіки (що він назвав хвильової), що дозволяє визначити можливі стану квантової системи та їх зміну у часу. Рівняння містив так звану хвилясту функцію y (пси-функцию), описує хвилю (в абстрактному, конфигурационном просторі). Шредингер дав загальне правило перетворення даних класичних рівнянь в хвильові, які належать до багатовимірному конфигурационному простору, а чи не реальному тривимірному. Пси-функция визначала щільність ймовірності перебування частки у цій точці. У межах хвильової механіки атом можна було у вигляді ядра, оточеного своєрідним хмарою ймовірності. З допомогою пси-функции визначається ймовірність присутності електрона у сфері пространства.

г) Квантова (матрична) механика.

Принцип неопределенности

В 1926 р. В. Гейзенберг розробляє свій варіант квантової теорії як матричної механіки, відштовхуючись у своїй від принципу відповідності. Зіткнувшись із тим, що з переході від класичної погляду до квантової потрібно розкласти все фізичні розміру й звести до набору окремих елементів, відповідних різним можливим переходами квантового атома, вона до тому, щоб кожну фізичну характеристику квантової системи представляти таблицею чисел (матрицею). Заодно він свідомо керувався метою побудувати феноменологическую концепцію, аби внеможливити з неї всі, що організувати неможливо спостерігати безпосередньо. І тут немає жодної необхідності вводити в теорію становище, швидкість чи траєкторію електронів в атомі, оскільки ми можемо ні вимірювати, ні спостерігати ці характеристики. У розрахунки слід вводити лише ті величини, пов’язані з реально наблюдаемыми стаціонарними станами, переходами з-поміж них та які їх випромінюваннями. У матрицях елементи було розміщено у поетичні рядки і стовпчики, причому кожен із новачків мав два індексу, одна з яких відповідав номера шпальти, а інший — номера рядки. Діагональні елементи (тобто. елементи, індекси яких збігаються) описують стаціонарне стан, а недіагональні (елементи з різними індексами) — описують переходи вже з стаціонарного стану до іншого. А величина цих елементів пов’язують із величинами, котрі характеризують випромінювання при даних переходах, отриманими з допомогою принципу відповідності. Саме такою способом Гейзенберг будував матричну теорію, все величини якої мають описувати лише спостережувані явища. І хоча його присутність серед апараті його теорії матриць, що зображують координати і імпульси електронів в атомах, залишає сумнів щодо повному виключення ненаблюдаемых величин, Гейзенберту удалося створити нову квантову концепцію, составившую новий щабель у розвитку квантової теорії, суть якого у заміні фізичних величин, які мають місце в атомної теорії, матрицями — таблицям чисел. Результати, яких наводили методи, використовувані у хвильовій і матричної механіці, виявилися однаковими, тому обидві концепції, й входять у єдину квантову теорію як еквівалентні. Методи матричної механіки, через свою більшої компактності часто швидше призводять до за потрібне результатам. Методи хвильової механіки, як вважають, краще узгоджується з способом мислення фізиків та його інтуїцією. Більшість фізиків під час розрахунків користується хвилевим методом та «використовує хвильові функции.

Гейзенберг сформулював принцип невизначеності, в відповідно до цього координати і імпульс що неспроможні одночасно приймати точні значення. Для передбачення стану та швидкості частки важливо мати можливість точно вимірювати її ситуацію і швидкість. У цьому ніж точніше вимірюється становище частки (її координати), проте точними виявляються виміру скорости.

Хотя світлове випромінювання складається з хвиль, однак у відповідність до ідеєю Планка, світло поводиться мов частка, бо випромінювання і поглинання його ввозяться вигляді квантів. Принцип невизначеності ж свідчить у тому, що частки можуть поводитися, як хвилі - вони стоять ніби «розмазані «у просторі, можна говорити не про їхнє точних координатах, а лише про можливість їх виявлення у певному просторі. Отже, квантова механіка фіксує корпускулярно-волновой дуалізм — в одних випадках зручніше частки вважати хвилями, за іншими, навпаки, хвилі частинками. Між двома волнами-частицами можна спостерігати явище інтерференції. Якщо гребені однієї хвилі збігаються з западинами інший хвилі, всі вони гасять друг друга, і якщо гребені і западини однієї хвилі збігаються з гребенями і западинами інший хвилі, всі вони посилюють друг друга.

д) Інтерпретації квантової теории.

Принцип дополнительности

Возникновение та розвитку квантової теорії призвело до зміни класичних поглядів на структурі матерії, русі, причинності, просторі, часу, характері пізнання тощо., що сприяло корінному перетворенню картини світу. Для класичного розуміння матеріальної частки характерне його виділення з довкілля, володіння власним рухом й місцем перебування у просторі. У квантової теорії частка стала представлятися як функціональна частина системи, яку вона включена, яка має одночасно координат і імпульсу. У класичної теорії рух розглядалося як перенесення частки, що залишається тотожний сама собі, за визначеною траєкторії. Двоїстий характер руху частки зумовив необхідність відмовитися від такого уявлення руху. Класичний (динамічний) детермизм поступився вероятностному (статистичному). Якщо раніше ціле розумілося як сума що становить частин, то квантова теорія виявила залежність властивостей частки не від системи, яку вона включена. Класичне розуміння пізнавального процесу було з пізнанням матеріального об'єкта як існуючого самого собою. Квантова теорія продемонструвала залежність знання об'єкт від дослідницьких процедур. Якщо класична теорія претендувала на завершеність, то квантова теорія від початку розгорталася як незавершене, яка грунтується ряд гіпотез, зміст яких спочатку було далеко ще не ясний, тож її основні тези отримували різне тлумачення, різні интерпретации.

Разногласия було виявлено насамперед із приводу фізичного сенсу двоїстості мікрочастинок. Де Бройль спочатку висунув концепцію волны-пилота, відповідно до якої хвиля і частка співіснують, хвиля веде у себе частку. Реальним матеріальним освітою, яке зберігає свою стійкість, є частка, оскільки вона має енергією і імпульсом. Хвиля, несуча частку, управляє характером руху частки. Амплітуда хвилі у кожному точці простору визначає ймовірність локалізації частки з цією точкою. Шредингер проблему двоїстості частки вирішує власне шляхом її зняття. Він частка постає як суто хвилеве освіту. Інакше висловлюючись, частка є хвилі, у якому зосереджена найбільша енергія хвилі. Інтерпретації де Бройля і Шредінгера представляли собою власне спроби створити наочні моделі у дусі класичної фізики. Проте виявилося невозможным.

Гейзенбергом було запропоновано інтерпретація квантової теорії, виходячи (як було зазначено показано раніше) речей, що фізика повинна користуватися тільки поняттями і чи величинами, заснованими на вимірах. Гейзенберг тому й відмовився від наочного уявлення руху електрона в атомі. Макроприборы що неспроможні дати опис руху частки з одночасної фіксацією імпульсу і координат (тобто. у «класичному сенсі) через принципово неповної контрольованості взаємодії приладу із часткою — в силу співвідношення невизначеностей вимір імпульсу дає можливості визначити координати і навпаки. Інакше висловлюючись, через принципової неточності виміру передбачення теорії можуть лише імовірнісний характер, причому ймовірність є наслідком принципової неповноти інформації про рух частки. Ця обставина дійшли висновку про при крахові принципу причинності у «класичному сенсі, предполагавшим пророцтво точних значень імпульсу і координати. У межах квантової теорії, в такий спосіб, мова іде помилки спостереження чи експерименту, йдеться про принциповому нестачі знань, що й виражаються з допомогою функції вероятности.

Интерпретация квантової теорії, здійснена Гейзенбергом, була розвинена Бором й одержала назву копенгагенської. У межах інтерпретації основним становищем квантової теорії виступає принцип додатковості, що означає вимога застосовувати щоб одержати у процесі пізнання цілісної картини досліджуваного об'єкта взаємовиключні класи понять, приладів та дослідницьких процедур, які використовуються у своїх специфічних умовах і взаимозаполняют одне одного. Цей принцип нагадує співвідношення невизначеностей Гейзенберга. Якщо йдеться про визначення імпульсу і координати як взаємовиключні й взаємодоповнюючих дослідницьких процедур, то тут для ототожнення цих принципів і є підстави. Проте сенс принципу додатковості ширше, ніж співвідношення невизначеностей. А, щоб пояснити стійкість атома, Бор поєднав лише у моделі класичні і квантові ставлення до русі електрона. Принцип додатковості, таким чином, дозволив класичні уявлення доповнити квантовими. Виявивши протилежність хвильових і корпускулярних властивостей світла, і не знайшовши їх єдності, Бор схилився до думку про двох, еквівалентних одна одній, засобах описи — хвильовому і корпускулярном — з наступному їх поєднанням. Отож точніше говорити, що принцип додатковості виступає розвитком співвідношення невизначеності, виражають зв’язку координати і импульса.

Ряд учених витлумачили порушення принципу класичного детермінізму у межах квантової теорії на користь индетернизма. У дійсності ж тут принцип детермінізму зраджував свою форму. У межах класичної фізики, тоді як початковий час відомі стану та стан руху елементів системи, можна повністю б його становище у будь-якій майбутній час. Усі макроскопічні системи підпорядковані цьому принципу. Навіть у випадках, коли доводилося вводити ймовірності, завжди передбачалося, що це елементарні процеси суворо детернизированы і що тільки їх велика кількість і безладність поведінки змушує звертатися до статистичним методам. У квантової теорії ситуація принципово інша. Для реалізації принципів детернизации тут слід знати координати і імпульси, і це співвідношенням невизначеності забороняється. Використання ймовірності має тут інший зміст порівняно з статистичної механікою: тоді як статистичної механіці ймовірності використовувалися для описи великомасштабних явищ, то квантової теорії ймовірності, навпаки, вводяться для описи самих елементарних процесів. Усе це означає, у світі великомасштабних тіл діє динамічний принцип причинності, а мікросвіті - імовірнісний принцип причинності.

Копенгагенская інтерпретація передбачає, з одного боку, опис експериментів з поняттями класичної фізики, з другого — визнання цих понять неточно відповідними справжньому стану речей. Саме ця суперечливість і обумовлює ймовірність квантової теорії. Поняття класичної фізики становлять важливу складової частини природного мови. Якщо не будемо використовувати цих понять для описи проведених експериментів, то не зможемо зрозуміти одне одного.

Идеалом класичної фізики є повна об'єктивність знання. Однак у пізнанні ми використовуємо прилади, а цим, як каже Гейнзерберг, на змалювання атомних процесів вводиться суб'єктивний елемент, оскільки прилад створено спостерігачем. «Ми повинні пам’ятати, що той, що ми бачимо, — це саму природу, а природа, що виступає у цьому вигляді, у якому вона виявляється завдяки нашому способу постановки питань наукові праці у фізиці у тому, щоб ставити питання природі на мові, яких ми користуємося, і намагатися одержати відповідь експериментально, виконаному з допомогою тих у розпорядженні коштів. У цьому згадуються слова Бору про квантової теорії: якщо шукають гармонії у житті, то ніколи не слід забувати, що у грі життя ми це й глядачі, і учасники. Зрозуміло, що в науковому ставлення до природі наша власна діяльність стає важливою там, де нам має справу з областями природи, поринути у які можна тільки завдяки найважливішим технічним засобам «[3].

Классические уявлення простору й часу також неможливо було використовуватиме описи атомних явищ. Ось що писав з цього приводу інший творець квантової теорії: «існування кванта дії виявило цілком непередбачену зв’язок між геометрією і динамікою: виявляється, можливість локалізації фізичних процесів в геометричному просторі залежить від своїх динамічного стану. Загальна теорія відносності навчило нас розглядати локальні властивості простору-часу залежно від розподілу речовини у Всесвіті. Проте існування квантів потребує значно більш глибокого перетворення і большє нє дозволяє нам представляти рух фізичного об'єкта вздовж певний спосіб в просторі-часі (світової лінії). Тепер не можна визначити стан руху, з кривою, яка зображує послідовні становища об'єкта у просторі із поліциклічним перебігом часу. Тепер потрібно розглядати динамічний стан не як наслідок просторово-часової локалізації, бо як незалежна і додатковий аспект фізичної реальності «[4].

Дискуссии на проблеми інтерпретації квантової теорії оголили питання самому статусі квантової теорії - є вона повної теорією руху мікрочастинки. Вперше питання завдяки цьому сформульований Энштейном. Його позиція отримала вираження у концепції прихованих параметрів. Ейнштейн виходив з усвідомлення квантової теорії як статистичної теорії, що описує закономірності, які стосуються поведінці не окремої частки, які ансамблю. Кожна частка завжди суворо локалізована, одночасно має певними значеннями імпульсу і координати. Співвідношення невизначеностей відбиває не реальне пристрій дійсності лише на рівні микропроцессов, а неповноту квантової теорії - просто на її рівні ми можемо одночасно вимірювати імпульс і координату, хоча й вони насправді існують, але, як приховані параметри (приховані у межах квантової теорії). Опис стану частки з допомогою хвильової функції Ейнштейн вважав неповним, тож і квантову теорію представляв у вигляді неповної теорії руху микрочастицы.

Бор у цій дискусії зайняв протилежну позицію, яка з визнання об'єктивної невизначеності динамічних параметрів мікрочастинки як причини статистичного характеру квантової теорії. За його думці, заперечення Энштейном існування об'єктивно невизначених величин залишає непоясненим властиві микрочастице хвильові риси. Повернення до класичним уявленням руху мікрочастинки Бор вважав невозможным.

В 50-х рр. сучасності Д. Бом повернувся до концепції волны-пилота де Бройля, представивши пси-волну як реального поля, пов’язаного із часткою. Прибічники копенгагенської інтерпретації квантової теорії та навіть частину їх противників позицію Бома не підтримали, проте вона сприяла більш поглибленої опрацюванні концепції де Бройля: частка стала розглядатися в вигляді особливого освіти, виникає і рушійної в пси-поле, але сохраняющего свою індивідуальність. Роботи П. Вижье, Л. Яноши, які розробляли цю концепцію, оцінили багатьма фізиками як занадто «классичными » .

В вітчизняної філософської літературі радянського періоду копенгагенская інтерпретація квантової теорії було за «відданість позитивістським настановам «у трактуванні процесу пізнання. Проте поруч авторів відстоювалася справедливість копенгагенської інтерпретації квантової теории. 5] Зміна класичного ідеалу наукового пізнання некласичним супроводжувалася розумінням те, що спостерігач, намагаючись побудувати картину об'єкта, неспроможна абстрагуватися від процедури виміру, тобто. дослідник не може вимірювати параметри досліджуваного об'єкта такими, якими вони були до процедури виміру. В. Гейзенберг, Э. Шредингер і П. Дірак поклали принцип невизначеності основою квантової теорії, у межах якої частки не мали певних політичних і які залежать друг від друга імпульсу і координат. Квантова теорія, в такий спосіб, внесла до науки елемент непередбачуваності, випадковості. І хоча Ейнштейн не зміг погодитися на це, квантова механіка узгоджувалась з експериментом, тому стала основою багатьох областей знания.

е) Квантова статистика

Одновременно з недостатнім розвитком хвильової і квантової механіки розвивалася інша складова частина квантової теорії - квантова статистика чи статистична фізика квантових систем, які з значної частини частинок. На основі класичних законів руху окремих частинок було створено теорія поведінки їхніх сукупності - класична статистика. Аналогічно цьому з урахуванням квантових законів руху частинок було створено квантова статистика, яка описувала поведінка макрообъектов коли закони класичної механіки неспроможні для описи руху складових мікрочастинок — в тому випадку квантові властивості виявляється у властивості макрообъектов. Важливо пам’ятати, під системи у даному випадку розуміють лише взаємодіючі друг з одним частки. Квантова система у своїй неспроможна розглядатися як сукупність частинок, які зберігали свою індивідуальність. Інакше кажучи, квантова статистика вимагає відмовитися від уявлення розрізнення частинок — це явище набуло назва принципу тотожності. У атомній фізиці дві частки однієї природи вважалися тотожними. Однак це тотожність зізнавалася абсолютної. Так, дві частки однієї природи можна було розрізняти хоча б подумки.

В квантової статистиці можливість розрізнити дві частки однаковою природи геть відсутнє. Квантова статистика виходить речей, що дві стану системи, які відрізняються одна від друга лише перестановкою двох частинок однаковою природи, тотожні і нерозрізнимі. Таким чином, основне становище квантової статистики — принцип тотожності однакових частинок, які входять у квантову систему. Цим квантові системи від класичних систем.

Во взаємодії микрочасти важлива роль належить спину — власному моменту кількості руху мікрочастинки. (1925;го р. Д. Уленбеком і С. Гаудсмитом було вперше відкрито існування спина у електрона). Спін буд електронів, протонів, нейтронів, нейтрино та інших. частинок виражається полуцелой величиною, у фотонів і пи-мезонов — целочисленной величиною (1 чи 0). Залежно від спина микрочастица підпорядковується одного з різних типів статистики. Системи тотожних часток отримують за цілим спіном (бозоны) підпорядковуються квантової статистиці Бозе-Ейнштейна, характерною рисою якої і те, що у кожному квантовому стані може бути довільне число частинок. Цей тип статистики було запропоновано в 1924 р. Ш. Бозе і далі вдосконалена Энштейном). 1925;го р. для часток отримують за полуцелым спіном (фермионов) Э. Ферми і П. Дірак (незалежно друг від друга) запропонували інший тип квантової статики, який одержав ім'я Ферми-Дирака. Характерною ознакою цього статики і те, що у кожному квантовому стані може бути довільне число частинок. Це вимога називається принципом заборони В. Паулі, який було відкрито 1925 р. Статистика першого типу підтверджується для дослідження таких об'єктів, як абсолютно чорне тіло, другого типу — електронний газ металах, нуклони в атомних ядрах і т.д.

Принцип Паулі дозволив пояснити закономірності заповнення електронами оболонок в многоэлектронных атомах, дати обгрунтування періодичної системі елементів Менделєєва. Цей принцип, висловлює специфічне властивість частинок, що йому підпорядковуються. І тепер важко зрозуміти, чому дві тотожні частки взаємно забороняють одна одній займати один і той ж стан. Такого типу взаємодії класичної механіці немає. Яка його фізична природа, які фізичні джерела заборони — проблема, чекає дозволу. Сьогодні зрозуміло одне: фізична інтерпретація принципу заборони у межах класичної фізики невозможна.

Важным висновком квантової статистики є положення у тому, що частка, що входить у якусь систему, не тотожна той самий частинки, але що входить у систему іншого типу чи вільну. Звідси випливає важливість завдання виявлення специфіки матеріального носія певного властивості систем.

ж) Квантова теорія поля

Квантовая теорія поля є поширення квантових принципів на опис фізичних полів у тому взаємодію і взаимопревращениях. Квантова механіка оперує описом взаємодій порівняно малої енергії, у яких число взаємодіючих частинок зберігається. При великих енергії взаємодії найпростіших частинок (електронів, протонів тощо.) відбувається їх взаємоперетворенням, тобто. одні частки зникають, інші народжуються, причому їх збереглося змінюється. Більшість елементарних частинок нестабільно, спонтанно розпадається до того часу, доки утворюються стабільні частки — протони, електрони, фотони і нейтрони. При зіткненнях елементарних частинок, якщо енергія взаємодіючих частинок досить великий, відбувається множинне народження частинок різного спектра. Оскільки квантова теорія поля варта описи процесів при високих енергії, чому повинна задовольняти вимогам теорії относительности.

Современная квантова теорія поля включає три типу взаємодії елементарних частинок: слабкі взаємодії, що зумовлюють переважно розпад нестійких частинок, сильні й електромагнітні, відповідальні перетворення частинок за її столкновении.

Квантовая теорія поля, яка описувала перетворення елементарних частинок, на відміну квантової механіки, яка описує їх рух, перестав бути послідовною й завершеною, постать сповнена труднощів і протиріч. Найрадикальнішим способом подолання вважається створення єдиної теорії поля, основою якої повинен бути покладено єдиний закон взаємодії первинної матерії - із загального рівняння повинен виводитися спектр мас і спинов всіх елементарних частинок, а також значення зарядів частинок. Отже, можна сказати, що квантова теорія поля ставить за мету вироблення глибшого уявлення про елементарної частинки, виникає з допомогою поля системи інших елементарних частиц.

Взаимодействие електромагнітного половіючі жита із зарядженими частинками (переважно електронами, позитронами, мюонами) вивчається квантової электродинамикой, основу якої лежить уявлення про дискретності електромагнітного випромінювання. Електромагнітне полі складається з фотонів, які мають корпускулярно-волновыми властивостями. Взаємодія електромагнітного випромінювання з зарядженими частинками квантова електродинаміка розглядає як поглинання і випущення частинками фотонів. Частка може испустить фотони, а потім поглинути их.

Итак, відхід квантової фізики від класичної полягає у відмові від цього, щоб описувати індивідуальні події, які у просторі і часу, й використанні статистичного методу з його хвилями ймовірності. Мета класичної фізики залежить від описі об'єктів у просторі і часу й у формуванні законів, які керують зміною цих об'єктів у часі. Квантова фізика, має працювати з радіоактивним розпадом, дифракцией, испусканием спектральних ліній й інші подібними явищами, неспроможна задовольнитися класичним підходом. Судження типу «такий-то об'єкт має таке-то властивість », притаманне класичної механіки, в квантової фізиці замінюється судженням типу «такий-то об'єкт має таке-то властивість з такий-то ступенем ймовірності «. Отже, в квантової фізиці мають місце закони, управляючі змінами ймовірності у часі, у «класичній ж фізиці ми маємо працювати з законами, управляючими змінами індивідуального об'єкта у часу. Різні реальності підпорядковуються різним характером законам.

Квантовая фізика у розвитку фізичних ідей взагалі стилю мислення посідає особливе місце. До найбільших створінь людського розуму належить, безсумнівно і теорія відносності - спеціальна і загальна, що є нової судової системи ідей, яка об'єднала механіку, электродинамику і теорію тяжіння і яка дала нове розуміння простору й часу. Але це був теорія, що у певному значенні була завершенням і синтезом фізики XIX століття, тобто. вона означала повного розриву з класичними теоріями. Квантова ж теорія поривала з класичними традиціями, він створив новий язик, і новий стиль мислення, дозволяє проникати у мікросвіт з його дискретними енергетичними станами, і дати його опис з допомогою запровадження характеристик, відсутніх у «класичній фізиці, що в рахунку дозволило зрозуміти сутність атомних процесів. Але з тим квантова теорія внесла в науку елемент непередбачуваності, випадковості, що вона відрізнялася від класичної науки.

Концепции фізики атомних і ядерних процессов

а) Моделі атома

Решающим моментом у розвитку теорії будівлі атома було відкриття електрона. Наявність у електрично нейтральному атомі негативно зарядженої частки спонукало припускати наявність частки з позитивним зарядом. Модель Д. Томсона, не в стані пояснити характер атомних спектрів, випромінюваних атомами, поступилося місцем планетарної моделі Е.Резерфорда. Досліджуючи розсіювання атомами речовини альфа-частинок, випромінюваних радіоактивними речовинами, от воно відкрило атомне ядро та побудував планетарну модель атома. Виявилося, що атом не з позитивно зарядженого хмари, у якому (подібно родзинок в булці) перебувають електрони, як і припускав Д. Томсон, та якщо з електрона і ядра близько 10−13 див., у якому зосереджена майже всю масу атома. Атом подібний до Сонячну систему: у центрі нього важке ядро, навколо обертаються електрони. Проте, відповідно до електродинаміки Максвелла, такий атом може бути стійким: рухаючись у круговим (чи эллиптическим) орбітам, електрон відчуває прискорення, тож він має випромінювати електромагнітні хвилі, які мають енергію. Втрата енергії призведе електрон до падіння на ядро. Отже, такий атом може бути стійким, а тому реальності неспроможна існувати. Отже, класична фізика шукати пояснення стійкості атомов.

Разработка наступній моделі атома належить Н.Бору. Узявши в основі модель Резерфорда, він використовував і ідеї квантової теорії. Бор висунув припущення, що у атомах існують особливі стаціонарні стану, у яких електрони не випромінюють — випромінювання відбувається лише за перехід з одного стаціонарного стану в другое.

Внутреннее будова атома вивчати безпосередньо неможливо, оскільки мікроскопічні розміри недоступні прямому сприйняттю, тому про структуру атома можна судити з її непрямим проявам макроскопічного масштабу. Таким проявом є випромінювання атомів під впливом нагріву чи зовнішнього електричного поля. Вивчення спектрів випромінювання дозволяє їм отримати даних про внутрішньої структурі атома — кожному за атома характерні особливості спектра. Класична фізика не могла пояснити закони, яким підпорядковувалися атомні спектри. Модель Бору виявила справжнє значення спектральних законів і дозволила встановити, щоб ці закони відбивають квантовий характер внутрішньої структури атома — стійкість структури атома виявилася нерозривно що з існуванням квантів. У моделі Бору кожен атом має деякою послідовністю квантових (стаціонарних) станів. Кожен вид атома має власну послідовність квантових значень енергії, відповідних різним можливим стаціонарним станам. Висновок у тому, що у усталеному стані атом ні випромінювати, не відповідав даним класичної електродинаміки, за якими електрони, рухомі з прискоренням, мали безупинно випромінювати електромагнітні хвилі. Бор і припустив, кожна спектральна лінія відповідає миттєвому переходу атома вже з квантового стану до іншого, що характеризується меншим значенням енергії. Надлишок енергії у своїй несеться як окремих квантів (фотонов).

Модель атома Бору виявили плідність в застосування до атома водню, дозволивши зрозуміти структуру оптичного спектра. Але спроба застосувати цю модель до складнішим атомам, у яких більше електронів, виявила обмеженість даної моделі - результати застосування сили лише приблизно відповідали даним експерименту. З іншого боку, модель атома Бору мала методом квантування дії тільки до одномірного руху (запропонованого ще Планком). Тому потрібно було знайти методи квантування для випадків багатовимірного руху. Цей метод знайшли у 1916 р. Ч. Вильсоном і А. Зоммерфельдом (майже одночасно друг з одним) і використаний на вирішення тих завдань, які були вирішені з допомогою моделі атома Бору. Таким шляхом було створено концепція тонкої структури лінії спектра. Випромінення ліній спектра водню з допомогою спектрографов із високою розрізнювальною здатністю дозволило виявити тонку структуру спектра — виявилося, що спектральні лінії самі складаються з низки близько розташованих друг до друга ліній. Зоммерфельд висловив припущення щодо зв’язку тонкої структури спектральних ліній з релятивістськими ефектами і заявив замість рівнянь ньютоновской механіки використовувати рівняння релятивістської механіки. Припущення Зоммерфельда дали результати, узгоджувані з експериментальними даними. Разом про те отримана Зоммерфельдом картина спектральних ліній була значно біднішими реальної, тому його модель не дати досить повні пояснення тонкої структури спектральних линий.

Для моделі атома Бору основним є твердження у тому, що електрони всередині атома можуть бути лише стаціонарних станах, які відповідають певним квантовим значенням енергії. Отже, є певні енергетичні рівні, на розташовані електрони. Як відомо, атом кожного наступного елемента тримає в один електрон більше, ніж попереднього. Отже, принаймні зростали атомного номери ускладнюється структура електронних оболонок атомів. За підсумками знання цієї структури можна встановлювати фізичні і хімічні властивості елементів. У періодичної системі Д. И. Менделеева елементи перебувають у порядку зростали атомної ваги, причому у розташованих в такий спосіб елементах можна знайти певна періодичність в хімічних властивості цих елементів. Фізична природа цієї періодичності видається дуже складної. Теорія атома повинен мати можливість пояснити цю природу. І тому модель Бору потрібно було доповнити вимогою, щоб у одному енергетичному рівні могло перебувати лише обмежену кількість електронів (явище насичення рівня електронами). Якби даного насичення немає, то нормальному (стабільному) стані атома все електрони атома було б на нижчому рівні, що відповідає найменшої енергії. Але насичення рівнів така ситуація виявляється невозможной.

Двигаясь по періодичної системі елементів, можна побачити, як поступово заповнюються друг за іншому нижчі енергетичні рівні - як лише нижчий рівень виявляється заповненим, настає чергу наступного рівня. Тонка структура спектральних ліній у своїй свідчить про розщепленні енергетичних рівнів електронів всередині атома на цілий ряд підрівнів. Заповнюють ці рівні подуровни електрони (які мають майже однаковою енергією) утворюють оболонку. При заповненні друг за іншому наступних рівнів, в такий спосіб, утворюються різні оболонки. Змінювана на своєму шляху по таблиці Менде-лєєва періодичність властивостей пояснюється характером заповнення оболонок електронами. Отже, дослідження спектрів грає величезну роль до вивчення внутрішньої структури атома.

Модель Бору, дозволяючи визначити частоту випромінювання, не давала можливості визначати інтенсивність випромінювання та його поляризацію, що необхідно для уточнення природи випромінювання, що виникає при переходах електронів всередині атома вже з стаціонарного стану до іншого. Бор цей недолік намагався відсунути з допомогою принципу відповідності. Крім того, модель Бору була непослідовною: відкидаючи деякі положення класичної механіки і електродинаміки, вона використовувала як класичні поняття і формули, і квантові. Бор розумів обмежений характер власної моделі атома. Принцип відповідності символізував одна з нових напрямів. Проте згодом, зі створенням квантової механіки, з’ясовано, що з описі будівлі атома класичні уявлення що неспроможні мати места.

б) Структура атомного ядра

Исследование структури атома поставило питання, чим є ядро, яка її структура. У ядрі зосереджена майже всю масу атома (маса електронів, які входять у атом, зневажливо мала по порівнянню з безліччю ядра), він має позитивного заряду, еквівалентний сумарному заряду назв електронів. Заряд ядра будь-якого елемента дорівнює його порядковому номера в періодичної системі елементів. Проблема структури атомного ядра отримала дозвіл з відкриттям в 1932 року Д. Чедвиком нейтрона — третьої елементарної частки після електрона і протона. Маса нейтрона близька до масі протона. Електричний заряд у протона відсутня Д. Д. Иваненко сформулював протоно-нейтронную концепцію будівлі атомного ядра, що потім розробив В.Гейзенберг. Ядра, які з протонів і нейтронів отримали назва нуклонів. У тому ж 1932 року у космічних променях К. Андерсоном був відкритий позитрон — позитивно заряджений електрон, забезпечив симетрію між позитивним і негативним зарядами у відносинах частинок. Його існування передбачене П. Дираком, исходившим речей, що позитивні заряди у Всесвіті є свого роду відсутні частини світового негативного заряду — позитрон є «дірка «у розподілі електронів із від'ємною енергією. Зіткнення електрона і позитрона призводить до анігіляції - їх перетворення на два фотона, генеровані в протилежних направлениях.

в) Процеси ядерного превращения

Следующий питання, що постало перед фізиками після виявлення структури атомного ядра, стосувався сил, скрепляющих нуклони в ядрі. У зв’язки з його розширенням з’ясувалося, що відносини між нейтроном і протоном менш прості, як здавалося спочатку. Виявилося, що точніше говорити про структуру атомного ядра, що з протонів, нейтронів і мезонів. Мезони, існування яких неможливо було в 1935 року передбачено Г. Юкавой й відкрито Ч. Андерсоном і С. Неддермейером, і були силами тяжіння, котрі за величині перевершують електричні сили, діючі між однойменно зарядженими протонами. Ядерні сили — це вид основних фізичних сил, які у природі, поруч із гравітаційними і электромагнитными.

Из всіх названих частинок нейтрон виявився найбільш придатним здійснення процесу ядерного перетворення, оскільки через відсутності в нього заряду він може глибше поринути у речовина, укладати позитивно заряджені ядра атомів, які відштовхують позитивно заряджені протони і альфа-частинки. Завдяки цьому на короткий термін було вивчено дію нейтронів різні ядра, що призвело на відкриття штучної радіоактивності. Вирішальне досягнення у цій галузі належить Ф. Жолио Кюрі і И. Кюри, установившим, що всі піддані бомбардуванню атоми стають радіоактивними. Це означало, що природна радіоактивність є лише залишкової активністю атомів, котрі встигли досягти стійких станів. Знання атомних перетворень могло допомогти пояснити, як виникли элементы.

Начавшееся з 30-х рр. сучасності створення прискорювачів дозволило збільшити ефективність досліджень у цій області. Х. А. Бете і Г. А. Гамов сприяли встановленню ймовірних циклів термоядерних реакцій, що є джерелами внутризвездной енергії. Стало ясно, що джерелом більшої частини енергії Всесвіту є ядерні процеси. Стала завдання з’ясування механізму вивільнення цієї енергії. Э. Ферми, піддавши бомбардуванню нейтронами важкі елементи, виявив величезну ефективність повільних нейтронів. О. Ган і Ф. Штрасман відкрили розподіл ядер урану під впливом нейтронів. О. Ган і Л. Мейтнер досліджували продукти розпаду опроміненого урану і відшукали у тому числі елементи до атомного номери 96. Розподіл ядер стало встановленим фактом.

Тяжелые ядра може мати більше нейтронів стосовно до протонів проти легкими ядрами. При розщепленні атома урану звільняється кілька нейтронів. Так з’явилася можливість ланцюгову реакцію. Якщо під час ядерного процесу можна було домогтися отримання більш ніж одного ефективного нейтрона за кожен спочатку витрачений нейтрон, реакція убыстрялась. І якщо перемоги цим процесом не управляти, а дати можливість розвиватися, він приводив до вибуху. У разі управління ми маємо справу з ядерним реактором. Усе це створило Фермі ядерного реактора, здійсненню ланцюгової реакцій розподілу ядер, атомної та термоядерного зброї, атомних електростанцій. (Про перипетії усього цього познайомитися в спеціальної літературі). У історії всього людства почалася нова атомна ера, відкрита атомної физикой.

Считается, що реалізація концепцій атомної ядерної фізики стала прикладом найшвидшої практичного застосування науки. Оцінюючи це, Д. Бернал писав: «Якби це відкриття було скоєно більш спокійні часи ХІХ століття, воно розробляли в кінцевому підсумку для практичного застосування і, можливо, років за 50 або близько того знайшло б своє втілення у нових машинах розробки енергії. Відсутність матеріальної зацікавленості і те що, що капітали було у вже існуючі джерела, міг би, проте, поки що не нескінченно довгий час затримати розвиток виробництва атомної енергії. Але, як відомо, відкриття ядерного розподілу відбулося переддень нової Першої світової. На щастя перед урядом Англії й Америки, декотрі з тих, хто був вигнали з своєї батьківщини нацистами і фашистами, віддавали собі ясний звіт у військових можливостях зробленого відкриття. Однак понад дивовижним було, можливо, та обставина, що він вдалося переконати військові й громадянські власті у необхідності вкрай енергійної розробки проекту, головним чином тому, якби він цього не зробили, то противник, безсумнівно, першим створив би бомбу». 6].

Так чи інакше, появу таких наукових концепцій не лише визначає характер сучасної епохи, а й майбутнє суспільства. Поява концепцій, невміння розпорядиться якими може загрожувати знищенням людства, активно впливає характері і форми і форми соціального устрою. Людство, визволивши колосальні сили, тепер приречене постійно думати з того, як розпорядитися ними. Проблема людства в практично найближчому майбутньому — вічна. Тому людство має навчитися жити з цим проблемой.

Концепции фізики елементарних частиц

а) Сучасний статус поняття Елементарного частицы

Представление у тому, що це у Всесвіті ділиться на речовина і сили, існуючі й у час, виникло давно. Ще Аристотель (див. розділ «Аристотельская фізика ») думав, що у речовина, що складається з землі, повітря, вогню й води, діють дві сили: гравітація і сила легкості. Перша тягне землі і воду вниз, друга піднімає вогонь й повітря вгору. Арістотелеві речовина уявлялося безперервним, а Демокриту — зернистим, що складається з атомів. Суперечка між прихильниками даних концепцій сягнув сучасності. У її розв’язанні важливий внесок належить Ейнштейну, що у 1905 р. (ще до його публікації статті про спеціальної теорії відносності) висловив припущення, що броунівський рух (нерегулярне, хаотичне рух дрібних частинок, зважених у питній воді) можна пояснити ударами атомів рідини про ці частинки. Як засвідчили раніше, перша спроба довести структурованість атома зробив Дж.Томсон. У 1911 р. Е. Резерфорд довів, що атом складається з позитивно зарядженого ядра і що обертаються довкола нього, негативно заряджених електронів. 1932;го р. Дж. Чэдвик виявляє, що ядро крім позитивного протона містить не заряджений нейтрон з безліччю що дорівнює масі протона. У 1969 р. експерименти М. Гелл-Мана у стосунках рухомих з більшими на швидкостями протонів і електронів показують, що протони складаються з Кварків. Отже, було встановлено, що атоми, ні протони, ні нейтрони є неподільними. Перед фізиками і став питання: що саме вважати елементарними частинками? Можливо за переходу до ще більшою енергіям й інші елементарні частки виявляться делимыми?

Таким чином, поняття елементарних частинок на цей час втратило свій початковий сенс, як частинок далі нерозкладних, оскільки частина з частинок, вважалися елементарними, мають складну структуру (наприклад, протони і нейтрони). Але залишилася сама ідея про існування елементарних частинок. Термін «елементарні частки «зараз вживається менш суворому значенні, саме для назви великий групи дрібних частинок матерії, які є атомами чи атомними ядрами (за винятком протона — найпростішого ядра атома водню). Їх кількість велике (з нестабільними частинками налічується понад 350) і продовжує расти.

В ході дослідження виявлених елементарних частинок встановлювалися їх властивості. У електронів і протонів виявлено маса, розміри, електричний розряд, механічний і магнітний момент. У межах теорії Бору було встановлено механічний і магнітний моменти електрона і протона, були суто квантовими властивостями. Встановлено, що спін — власний момент кількості мікрочастинки, має квантову природу і вимірюваний в одиницях Планка, — то, можливо цілим (0,1,2…) чи полуцелым (½, 3/2…).

Исследование бета-распада дозволило відкрити нове властивість елементарних частинок — їх превращаемости один одного: при бета-распаде з ядра вилітає електрон, що внаслідок перетворення нейтрона в протон і електрон. Було виявлено у своїй, що електрони, вылетающие з ядра при бета-распаде, мають різними швидкостями і енергією, а решта після бета-распада ядра мають приблизно однаковою енергією. Виміри встановили, у разі вильоту повільних електронів баланс енергії при бета-распаде не зберігається, що здавалося порушенням закону збереження в микропроцессах. Ідея існування нейтрино, народжуваного при бета-распаде і уносящего відсутню енергію, зберегло справедливість закону збереження енергії й у мікросвіті. Відкриття перетворення нейтрона в протон і нейтрон поклало початок відкриттям за інші форми перетворення елементарних частинок один у друга.

Следующим виявленими властивістю елементарних частинок була здатність певних частинок взаємодіяти друг з одним. У класичній фізиці електричне взаємодія між зарядженими частинками здійснюється з допомогою електромагнітного поля. З погляду квантової фізики взаємодія частинок є процес обміну фотонами, у якому фотони пропадають, віддаючи свою енергію зарядженим частинкам. За аналогією із заснуванням фотонів виникла думка у тому, саме так можуть народжуватися і електрони. Пошуки сил, що пов’язують в ядрі протони і нейтрони, спонукали И. Е. Тамма і Д. Д. Иваненко припустити, що ядерні сили є результатом обміну електронами між нуклонами. Експеримент цю гіпотезу підтвердити. Юкава показав, що ядерні сили можна пояснити як наслідок обміну між нуклонами частинками з безліччю більше маси електрона і меншою маси нуклонів (частки отримали назва мезонов-промежуточных частинок), які були виявлено в космічних променях. Переносниками ядерних сил виявилися позитивно і негативно заряджені мезони з безліччю, рівної 273 масам електрона, що отримали назву p-мезонов чи півоній. У нейтральних мезонів маса дорівнювала 264 масам электрона.

Дирак висловив думку про існування античастинки для електрона, відчинені і називається позитроном. Виявилося, що властивістю елементарних частинок є існування складу, мають протилежний заряд і протилежно спрямовані механічний і магнітний моменти. При зіткненні частинки й античастинки відбувається анігіляція, тобто. їх знищення з появою інших часток. Так, зіткнення електрона і позитрона дає два фотона, протона і антипротона — чотири мезона і т.д.

У частинок було встановлено також властивість спонтанного перетворення. Елементарні частки мають «тривалість життя «- середнє час свого існування. Нині до стабільних часток отримують за нескінченним часом існування відносять електрони і позитроны. До стабільним відносять також протони і антипротони (хоча висловлюються міркування щодо кінцевому терміні життя протонів), і навіть нейтрино, антинейтрино, фотони. На цей час назріла потреба в класифікації елементарних частинок (як і періодичної системі Д.И.Менделеева). Ця робота далеко ще не завершено.

б) Сучасні уявлення про характер фундаментальних фізичних взаємодій і типах елементарних частиц

В фізиці під взаємодією розуміється вплив тіл чи частинок друг на друга, який підвів зміну стану їх руху. У механіці Ньютона взаємодії характеризуються силою, більш загальної характеристикою взаємодії є потенційна енергія. У трактуванні взаємодії історично зміняли одне одного різні концепції. Першої виникла концепція дальнодействия, сутність якої в поданні, що взаємодія між тілами може здійснюватися безпосередньо через порожній простір, що у передачі взаємодії так само, причому передача взаємодії відбувається миттєво. Після відкриття електромагнітного поля виникла концепція близкодействия. Встановлено, що взаємодія електрично заряджених частинок здійснюється не миттєво, і з деякою кінцевої швидкістю, рівної швидкості світла. Електромагнітне полі виступає посередником, що забезпечує передачу взаємодії між електрично зарядженими частинками. Ця концепція було покладено і інші взаємодії. У межах даної концепції взаємодії між тілами здійснюється посредствам різноманітних полів. У рамках квантової теорії трактуванні взаємодії було надано квантовий характер. Оскільки кожне тіло складається з квантів, то, наприклад, електромагнітне взаємодія здійснюється шляхом обміну фотонами і т.п.

Существует чотири різновиду взаємодії (сил), які фізики сподіваються уявити, як прояв одному й тому ж сили (взаємодії). Виявилося. що класифікацію елементарних частинок зручніше всього здійснювати за типами їх взаимодействий.

Все відомі частки прийнято розділяти на дві групи, однієї із яких входять частки зі спіном ½ (полягає речовина Всесвіту), а іншу — частки зі спіном 0, 1 і 2 (створюють сили, діючі між частинками вещества).Первые підпорядковуються принципу заборони Паулі, (гласящему, дві однакові частки що неспроможні існувати щодо одного і тому самому стані). Якби діяв принцип Паулі, кварки ми змогли б об'єднається в протони і нейтрони, які, своєю чергою, разом із електронами ми змогли б об'єднатись у атоми. У 1928 р. П. Дірак розробив теорію, описує ці частки, яка погоджували й ніхто з квантовою механікою, і з спеціальної теорією відносності. Теорія пояснила, чому електрон зі спиною ½ за одного повному обороті не повертається у колишній стан і повертається у нього лише за дворазовому обороті. Ця теорія пророкувала також існування позитрона (антиелектрона). Виявилося, що після кожної частинки відповідає античастинки, які за зіткненні анігілюють (уничтожаются).

Силы між частинками речовини переносяться частинками з целочисленным спіном, рівним 0, 1 чи 2. Ці частицы-переносчики не підпорядковуються принципу заборони Паулі. Це означає, що обмеження числа обмінюваних частинок відсутні, оскільки що виникає сила взаємодії то, можливо большой:

Первая їх — гравітаційна сила, має універсальному характері. Будь-яка частка перебуває під впливом гравітаційної сили. Її величина залежить від безлічі чи енергії частки. Гравітаційна сила діє великих відстанях і завжди постає як сила тяжіння. Гравітаційні сили проти іншими дуже слабкі. Вважається, що гравітаційна сила, діюча між двома частинками, переноситься часткою зі спіном 2 (її ще називають гравітон). Гравітон власної масою не має, тому стерпна їм сила є дальнодействующей. Вважається, що гравитоны поширюються як гравітаційних хвиль, які поки що зафіксувати вдасться внаслідок їх слабкої силы.

Вторая сила — электромагнитная, діюча між електричними зарядженими частинками. Електромагнітні взаємодії значно сильніші за гравітаційних. Існують два виду електричного заряду — позитивний і негативний. Між двома позитивними чи негативними зарядами діє сила відштовхування, між позитивним і негативним — сила тяжіння. У великих тілах электромагнитная сила слабка, що у них позитивних і негативних зарядів майже однаково вони компенсують друг друга. У малих масштабах ситуація інша — в атомах і молекулах домінують електромагнітні силы.

Третий тип — слабке взаємодія, відповідальна за радіоактивність і існуюче між всіма частинками речовини зі спіном ½ — в ньому беруть участь частки зі спіном 0, 1, 2 (фотони і гравитоны). В1967 р. А. Салам і С. Вайнберг розробили теорію, що об'єднує слабке взаємодія суспільства та електромагнітне (подібно об'єднанню Максвеллом електрики і магнетизму). (Трохи пізніше до них приєднався Ш. Глэшоу.) Теорія пророкувала, що частки, зовсім різні при низьких енергії, при високих енергії виявляються одному й тому ж часткою, але що у різних состояниях.

Четвертый тип — сильне ядерне взаємодія, утримуюче кварки всередині протона і нейтрона, а протони і нейтрони — всередині атомного ядра. Переносником цього взаємодії вважається частка зі спіном 1 — глюон. Глюоны взаємодіють лише з глюонами і кварками.

Существует ідея об'єднати електромагнітне, слабка й сильне взаємодії теорію великого об'єднання (насправді вона настільки велика, оскільки враховує гравітацію, але створення такої теорії було б кроком шляху до створенню повної теорії об'єднання, що охоплює всі чотири типи взаємодії - докладніше концепцію об'єднання фізики див. розділ 6). Ідея великого об'єднання ось у чому. Відомо, що сильні взаємодії при високих енергії стають слабше, аніж за низьких. Електромагнітні і слабкі сили при високих енергії ростуть. При якомусь дуже великому значенні енергії ці три сили міг би зрівнятися між собою — і стати різновидами однієї сили — у своїй частки зі спіном ½ (кварки і електрони) перестали б різнитися. Перешкода цьому шляху залежить від тому, що з прискорення частинок про таку енергії знадобився б прискорювач розміром із Сонячну систему. 7] Тож можливості експериментально перевірити теорію великого об'єднання немає. Проте можлива перевірка низькоенергетичних наслідків. Одне з наслідків — можливість розпаду протонів, складових більшу частину маси звичайного речовини більш легкі частки (антиэлектроны).

Такого роду експерименти, дозволяють дати певні інформацію про розпаді протона, утруднені. Проте, як С. Хокинг,[8] цілком можливо, що саме наше існування є слідство зворотного процесу — процесу освіти протонів чи кварків на початковою стадії, коли кварків максимум, ніж антикварков. Він вважає, що ця картина початку Всесвіту видається найбільш природною. Адже земне речовина переважно складається з протонів і нейтронів, які у своє чергу з кварків. У нашій Галактиці також немає ні антипротонів, ні антинейтронов (за винятком тих випадків, що вони народжуються в зіткненнях частинки й античастинки при високих енергії) — якби наша Галактика мала ділянки антиречовини, то, на межі поділу речовини і антиречовини спостерігалося б випромінювання високої енергії внаслідок анігіляції. У межах одного Галактики суміші речовини і антивеществ не може. Тому імовірніше те, що це галактики складаються з кварків, а чи не з антикварков.

Но чому за освіті Всесвіту кварків стало більше, ніж антикварков? Раніше вважалося, що фізики однакові частинок і складу, тобто. всі у природі не змінюються (симетричні) при одночасне проведення трьох перетворень: переході від частинок до античастицам (зарядовое поєднання чи перетворення симетрії З), дзеркальному відображенні (просторова інверсія чи перетворення симетрії Р) й заміни часу t наt (звернення часу, чи перетворення симетрії Т).

в) Зв’язок принципів симетрії фізичної системи та законів збереження (теорема Э. Нетер)

Считается, що фізичні теорії по початковому стану об'єкта визначає її поведінка батьків у майбутньому. Принципи симетрії (інваріантності) носять загальний характер, тобто. їм підпорядковуються все фізичні теорії. Симетрія фізичних законів щодо деякого перетворення означає, що з здійсненні даного перетворення цих законів не змінюються. Саме тому принципи симетрії виявляється можливим встановлювати на підставі відомих фізичних законів. У 1918 р. Э. Нетер було сформульовано теорема, що встановлює зв’язок між властивостями симетрії фізичної системи та законами збереження: якщо властивості системи не змінюються при якомусь перетворення змінних, цьому відповідає збереження деякою фізичної величини — незалежності властивостей системи від вибору початку відліку часу відповідає закон збереження енергії. Проте, якщо теорія будь-якого фізичного явища ще побудована, ті симетрії, відкриті на досвіді, мають для побудови теорії велике значення. Звідси цілком зрозуміла важливість експериментально встановлених симетрій сильно взаємодіючих елементарних частинок — адронов, теорія яких ще побудована.

В 1956 р. Г. Ли і Ч. Янг показали, що у насправді закони фізики ні однакові частинок і складу. Виявилося, що слабкі взаємодії не підпорядковуються симетрії Р і симетрії З. Це означало, у результаті слабкого взаємодії розвиток Всесвіту може бути інакшим, ніж розвитку її дзеркального зображення, що Всесвіт, що складається з складу поводитиметься інакше, ніж наш Всесвіт, що складається з частинок. Була надія те що, що слабке взаємодія має таки підпорядковуватися комбінованої симетрії, тобто., інакше кажучи розвиток Всесвіту має відбуватися адже й розвитку її дзеркального відображення, якщо, вклавши Всесвіт у дзеркалі, замінити кожну частку античастицей. Проте ця надія впала, коли Д. Кронин і В. Фитч в 1964 р. виявили, що порушується і комбінована (З Р) симетрія. (З — заміна частки античастицей; Р — дзеркальне відображення, коли ліве і праве змінюються місцями; Т — зміна руху всіх частинок на зворотне.) З Р Т — теорема стверджувала, будь-яка теорія, підпорядковується принципам квантової механіки і теорії відносності, завжди мусить бути инвариантна щодо комбінованої симетрії З Р Т, тобто. поведінка Всесвіту не зміниться, якщо частки замінити античастицами, відбити всі у дзеркалі та змінити напрям часу на зворотне. Результати, які отримали Д. Кронин і В. Фитч, свідчили у тому, що з заміні частки античастицей, здійсненні дзеркального відображення, але за збереженні попереднього напрями часу, закони фізики мають змінитися, тобто. вона буде инвариантны щодо симетрії Т, отже, Всесвіт поводитиметься за цих умов иначе.

Что з цього витікає? На думку С. Хокинга, принаймні розширення Всесвіту під впливом сил, не інваріантних щодо симетрії Т, антиэлектроны повинні перетворюватися на кварки частіше, ніж електрони в антикварки. Коли Всесвіт розширилася і охолоджувалась, антикварки і кварки повинні були аннигилировать. Та оскільки кварків було більш ніж антикварков, то кварки мали залишитися у якомусь невеличкому надлишку. З положень цих то кварків і полягає сьогоднішнє речовина і ми. Тому саме наше існування можна розглядати, як якісне підтвердження теорії великого об'єднання. Останні не містять у собі гравітаційного взаємодії. С. Хокинг вважає це дуже вагомі, т.к. гравітаційними силами через їх неважливості можна знехтувати у разі, ми маємо працювати з елементарними частинками чи атомами. Разом про те важливо враховувати те що, що гравітаційні сили є дальнодействующими і виявляються як сили тяжіння, результати їхнього впливу завжди сумуються. Звідси випливає, що за наявності достатньої кількості частинок речовини гравітаційні сили можуть перевищувати решти. Тому еволюція Всесвіту визначається саме гравитацией. 9].

Сейчас можна говорити, що з взаємодію і перетвореннях елементарних частинок діють законні збереження (тобто. закони, за якими чисельні значення деяких фізичних величин не змінюються з часом що за різних процесах) — як найважливіші, суворі їх (закони збереження енергії, імпульсу, моменту кількості руху), і наближені, справедливі для певного кола процесів (закони збереження лептонного заряду, барионного заряду, четности).

Концепции об'єднання физики

Единую повну теорію всього того що відбувається у Всесвіті побудувати неможливо, тому спочатку створюються приватні теорії, які б поєднували якісь частини Всесвіту. Надії створення несуперечливої єдиної теорії, в яку ввійдуть всі приватні теорії, позбавляють фізиків. Cоздание такий теорії прийнято називати об'єднанням фізики. Його створенню Ейнштейн безуспішно віддав останні роки свого життя. Але, відмовившись прийняти реальність квантової механіки, її принцип невизначеності як фундаментальний принцип світобудови, не змогла досягнути успіхом цьому поприще.

С.Хокинг та інші фізики-теоретики оптимістично (хоча і обережним) сприймають можливість побудови єдиної теорії, завершальній пошуки остаточних законів природы.

Сейчас має місце загальна теорія відносності, що є приватну теорію гравітації. Є окремі теорії, описують слабкі, сильні й електромагнітні взаємодії, — їх можна поєднати у теорії великого об'єднання. Але фізиками зізнається задовільною, оскільки включає гравітацію і має величини, які виводяться теоретично, а підбираються шляхом їх найкращого згоди з експериментом (наприклад, відносні маси різних частинок). Вважається, що основний труднощами побудови теорії, об'єднуючою гравітацію коїться з іншими силами, є невключенность квантово-механічного принципу невизначеності в класичну загальну теорію відносності. Тому вихідним моментом створення єдиної теорії є об'єднання загальної теорії відносності принципу невизначеності квантової механіки. Через війну такого поєднання чорні діри (див. розділ про концепціях астрономії) перестають бути такими, зникають сингулярності, Всесвіт стає замкнутої і безмежної. Але цього разі виникають труднощі, зумовлені тим, що, в відповідно до принципу невизначеності, простір має бути заповнене п’арами віртуальних частинок і складу, які мають безкінечною енергією і безкінечною масою. Створювану ними гравітаційне тяжіння повинно призвести до згортання Всесвіту до нескінченно малих розмірів. Такі парадокси нескінченності зазвичай усуваються з допомогою перенормировки — процедури запровадження нових бесконечностей як компенсація старих. У більшості приватних теоріях отримані з допомогою перенормировки передбачення узгоджуються з результатами спостережень. У плані ж створення повної теорії метод перенормировок Демшевського не дозволяє теоретично пророкувати справжні значення мас й снаги, тому їх підбирати підгонкою до експерименту. Є лише два числа, які можна підганяти включення принципу невизначеності в загальну теорію відносності. Це — величина гравітаційної сили та космологічна стала. Проте зміни що неспроможні усунути нескінченність. Виходить, що маємо теорію, відповідно до якої деякі величини (наприклад, кривизна простору-часу) є нескінченними, хоча з змін випливає, що вони кінцеві. Тож виходу з положення використовують так звану теорію супергравитации, яка нескінченності усувала, хоча залишалося підозру, чи всі нескінченності усувалися, та був фізики звернулися до теорій струн у яких прогнозувалося скорочення бесконечностей. 10].

С.Хокинг допускає три варіанти відповіді питанням, чи можлива єдина теорія. Перший варіант: повна теорія то, можливо сформульована. Другий варіант: єдиної повної теорії немає, а є лише нескінченна послідовність теорій, дають дедалі більше точне опис Всесвіту. Третій варіант єдиної повної теорії Всесвіту немає, події у вищій відбуваються довільно і безладно не можуть бути передбачити далі деякого краю. Коли висувати мета — знайти систему законів, що дає змогу пророкувати події у межах точності, яка встановлюється принципом невизначеності, тим самим третій варіант виключається. Друга можливість, яка виходить із існування безкінечною послідовності дедалі більше точних теорій, цілком узгоджується з нашим досвідом. Але послідовність дедалі більше точних теорій за переходу до вищим енергіям може мати межа. При якихось енергії і має існувати єдина теорія Всесвіту. Настільки високі енергії могли виникнути на ранніх стадіях розвитку Всесвіту. Тому вивчення ранньої Всесвіту можуть призвести до створення повної єдиної теории.

Если б повна єдина теорія виявилася математично несуперечливої і його передбачення збігалися із досвідом, то «цим завершилася б довгий і дивовижна глава історія інтелектуальної боротьби людства за пізнання Всесвіту «. 11] Створення такий теорії значить, що ми зможемо пророкувати події взагалі, бо можливості пророцтв обмежуються, по-перше, принципом невизначеності та, по-друге, невмінням знаходити точні рішення що описують теорію рівнянь (тому необхідна розробка наближених методів, дозволяють пророкувати результати в реальних ситуациях).

До останнього часу вважалося, що Всесвіт не змінюється згодом — речей, що гравітаційні сили є завжди силами тяжіння, слід, що Всесвіт повинна або розширюватися, або стискатися. Із загальної теорії відносності відомо, у минулому було стан із безкінечною щільністю і великий вибух, котра поклала початок відліку часу. Якщо Всесвіт почне стискатися, то майбутньому має з’явитися ще одне стан із безкінечною щільністю станеться великий бавовну, що означає кінець течії часу. У які утворилися чорні діри виникнуть сингулярності, в яких закони перестануть діяти. (Див. розділ «Концепції астрономії «).

При об'єднанні квантової механіки і загальної теорії відносності може виникнути нова можливість, коли простір та палестинці час утворюють кінцеве четырехмерное простір без сингулярностей і національних кордонів. З допомогою такої можливості можна було б засвідчити однорідність Всесвіту більше і відхилення від однорідності в менших розмірах (галактики, зірки, людські істоти), а також живучість можна побачити стріл времени.

Предположим, що єдина повна теорія створена — це буде набір правив і рівнянь. Вона і не відповідає питанням, чому має бути Всесвіт, яку описує ця теорія" Поки більшість учених занадто зайняті розвитком нових теорій, що описують, що є Всесвіт, і це колись запитати себе, чому її є. Філософи ж, чия праця у тому полягає, щоб ставити запитання «чому », що неспроможні встигнути за розвитком наукових теорій. У у вісімнадцятому сторіччі філософи вважали все людські знання, у цьому, однині і науку, полем своєї роботи і займалися обговоренням питань на кшталт: було у Всесвіту початок? Але розрахунки і математичний апарат науки XIX і XX ст. стали занадто складні для філософів і взагалі всім, крім фахівців. Філософи настільки звузили коло своїх запитів, що відомий філософ ХХ століття Уитгенштейн (ВітгенштейнО.К.) з цього приводу сказав: «Єдине, що ще є філософії, — це аналіз мови ». Яке приниження для філософії з її великими традиціями від Аристотеля до Канта «. 12].

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із сайту internet.

[1] Ейнштейн А., Інфельд Л. Еволюція фізики. М., 1965. С. 196.

[2] Бройль Л. де. Революція у фізиці. М., 1963. С. 84.

[3] Гейзенберг У. Та фізика і філософія. М., 1963. З. 36−37.

[4] Бройль де Л. Революція в физике.М., 1963.С.187−188.

[5] Див., напр.: Алексєєв І.С. Розвиток уявлень про структуру атома. Філософський нарис. Новосибирск, 1968.

[6] Бернал Дж. Наука історія общества.М., 1956.С.414−415.

[7] Гокінг З. Від великого вибуху до чорних дір. Коротка історія часу. М., 1990. С. 70.

[8] Гокінг З. Саме там. С.71−72.

[9] Гокінг З. Цит.соч. С. 74.

[10] Див.: Гокінг С.Цит.соч.С.137−143.

[11] Див.: Гокінг З. Там же.С.142.

[12] Гокінг З. Цит.соч. С. 147.