ПЛАН

1. Квантова механіка

2. Вглиб матерії.

3. Фізичні взаємодії

Квантова механіка

Квантова механіка - це фізична теорія, що встановлює спосібопису і закони руху на мікрорівні. Її початок збігся з початкомстоліття. М. Планк в 1900 році припустив, що світло випускається неподільнимипорціями енергії - квантами, і математично представив це у вигляді формули
E = hv, де v - частота світла, а h - універсальна стала,характеризує міру дискретної порції енергії, якою обмінюютьсяречовина і випромінювання. У атомну теорію увійшли, таким чином, переривчастіфізичні величини, які можуть змінюватися лише стрибками.

Подальше вивчення явищ мікросвіту призвело до результатів, якірізко розходилися з загальноприйнятими в класичної фізики і навіть теоріївідносності уявленнями. Класична фізика бачила свою мету вописі об'єктів, що існують у просторі і у формулюванні законів,керуючих їх змінами в часі. Але для таких явищ, якрадіоактивний розпад, дифракція, випускання спектральних ліній можнастверджувати лише, що є певна ймовірність того, що індивідуальнийоб'єкт такий і що він має таку-то властивість. У квантової механіки немаємісця для законів, що керують змінами індивідуального об'єкта підчасу.

Для класичної механіки характерно опис частинок шляхом завдання їхположення і швидкостей і залежності цих величин від часу. У квантовоїмеханіці однакові частки в однакових умовах можуть вести себе по -різному. Експеримент з двома отворами, через які проходить електрон,дозволяє і вимагає застосування імовірнісних уявлень. Не можна сказати,через певний отвір пройде даний електрон, але якщо їх багато, то можнаприпустити, що частина їх проходить через один отвір, частина - черезінше. Закони квантової механіки - закони статистичного характеру. «Миможемо передбачити, скільки приблизно атомів (радіоактивної речовини -
А. Г.) розпадуться у наступні півгодини, але ми не можемо сказати ... чомусаме ці окремі атоми приречені на загибель »(А. Ейнштейн, Інфельд Л.
Цит. соч .- С. 232).

У мікросвіті панує статистика, а не рівняння Максвелла абозакони Ньютона. «Замість цього ми маємо закони, що керують змінами учасу »(Там само .- С. 237). Статистичні закони можна застосувати тільки довеликим сукупності, але не до окремих індивідуумів. Квантова механікавідмовляється від пошуку індивідуальних законів елементарних частинок івстановлює статистичні закони. На базі квантової механіки неможливоописати стан та швидкість елементарної частинки або передбачити їїмайбутній шлях. Хвилі ймовірності говорять нам про ймовірність зустрітиелектрон в тому чи іншому місці.

В. Гейзенберг робить такий висновок: «В експериментах з атомнимипроцесами ми маємо справу з речами і фактами, які настільки ж реальні,наскільки реальними є будь-які явища повсякденного життя. Але атоми або елементарнічастинки реальні не такою мірою. Вони утворюють швидше світ тенденцій абоможливостей, ніж світ речей і фактів »(Гейзенберг. Цит. соч .- С. 117).

У першій моделі атома, побудованої на основі експериментальноговиявлення квантування світла, H. Бор (1913 рік) пояснив це явище тим,що випромінювання відбувається при переході електрона з однієї орбіти на іншу,при цьому народжується квант світла з енергією, що дорівнює різниці енергій рівнів,між якими здійснювався перехід. Так виникає лінійчатий спектр --основна особливість атомних спектрів (у спектрах виявляються лишепевні довжини хвиль).

Важлива особливість явищ мікросвіту полягає в тім, що електронведе себе подібно до частці, коли рухається під віеш-ньому електричному абомагнітному полі, і подібно хвилі, коли диферен-рагірует, проходячи крізькристал. Поведінка потоку частинок-електронів, атомів, молекул - при зустрічіз перешкодами або отворами атомних розмірів підпорядковується хвильовимзаконам: спостерігаються явища дифракції, інтерференції, відображення,заломлення і т. п. Луї де Бройль припустив, що електрон - це хвиляпевної довжини.

Дифракція підтверджує хвильову гіпотезу, відсутність збільшенняенергії вибивані світлом часток - квантову. Це і отримало назвукорпускулярно-хвильового дуалізму. Як же описувати процеси в мікросвіті,якщо «немає ніяких шансів послідовно описати світлові явища, вибравшитільки яку-небудь одну з двох можливих теорій - хвильову або квантову »
(А. Ейнштейн, Інфельд Л. Цит. Соч .- С. 215)?

Деякі ефекти пояснюються хвильової теорії, деякі інші --квантової. Тому слід використовувати різні формули і з хвильової і зквантової теорії для більш повного опису процесів - такий сенспринципу додатковості Н. Бора. «Зусилля Бора були спрямовані на те, щоб зберегти за обома наочними уявленнями, корпускулярним іхвильовим, однакове право на існування, причому він намагався показати,що хоча ці уявлення можливо виключають одне одного, але вони лишеразом роблять можливим повний опис процесів в атомі »(Гейзенберг В.
Цит. соч .- 203 С.).

З принципом додатковості пов'язано і так зване «співвідношенняневизначеностей », сформульоване в 1927 році Вернером Гейзенбергом, ввідповідно до якого до квантової механіки не існує станів, уяких і місце розташування, і кількість руху (добуток маси нашвидкість) мали б цілком певне значення. Частка зі строговизначеним імпульсом зовсім не локалізована. Чим більш визначенимстає імпульс, тим менш визначено її положення.

Співвідношення невизначеностей свідчить, що для абсолютно точноїлокалізації мікрочастинки необхідні нескінченно великі імпульси, щофізично не може бути здійснено. Більш того, сучасна фізикаелементарних частинок показує, що при дуже сильних впливах начастинку, вона взагалі не зберігається, а відбувається навіть множинненародження частинок.

У більш загальному плані можна сказати, що тільки частина що відносяться доквантової системі фізичних величин може мати одночасно точнізначення, інші величини виявляються невизначеними. Тому в кожнійквантової системі не можуть одночасно дорівнювати нулю всі фізичнівеличини.

Енергію системи також, можна виміряти з точністю, що не перевищуєпевної величини. Причина цього - у взаємодії системи звимірювальним приладом, що перешкоджає точному вимірюванню енергії. Зспіввідношення невизначеностей випливає, що енергії збуджених станіватомів, молекул, ядер не можуть бути строго визначеними. На цьому висновку ізаснована гіпотеза походження Всесвіту з «порушеної вакууму».

Значення експерименту зросло в квантової механіки до такої міри,що, як пише Гейзенберг, «спостереження грає вирішальну роль в атомномуподію, і що реальність розрізняється залежно від того, ми спостерігаємоїї чи ні »(Гейзенберг В. Цит. соч .- С. 24). З даної обставини,що полягає в тому, що сам вимірювальний прилад впливає на результативимірювання і бере участь у формуванні досліджуваного явища, слід, по -перше, уявлення про особливу "фізичної реальності», якій притаманнийцього феномену, а, по-друге, уявлення про суб'єкт-об'єктних єдностіяк єдність вимірювального приладу і досліджуваної реальності. «Квантоватеорія вже не допускає цілком об'єктивного опису природи »(Там же .- С.
61). Людина перейшов на той рівень дослідження, де його впливвиявляється анулювання в ході експерименту і фіксуються результатомє взаємодія досліджуваного об'єкта і вимірювального приладу.
Отже, принципово новими моментами в дослідженні мікросвіту стали: 1)кожна елементарна частинка має як корпускулярним, так і хвильовимивластивостями; 2) речовина може переходити у випромінювання (анігіляція частинки іантичастинки дає фотон, тобто квант світла); 3) можна передбачити місце іімпульс елементарної частинки тільки з певною вірогідністю; 4)прилад, який досліджує реальність, впливає на неї; 5) точне вимірюванняможливо тільки при потоці частинок, але не однієї частинки.

По суті, відносність восторжествувала і в квантової механіки,тому що вчені визнали, що не можна: 1) знайти об'єктивну істинубезвідносно до вимірювального приладу; 2) знати 'одночасно іположення і швидкість часток; 3) встановити, чи маємо ми в мікросвіті справу зчастинками або хвилями. Це і є торжество відносності у фізиці XXстоліття.

Вглиб матерії

У хімії елементом назвали субстанцію, яка не могла бути розкладенаабо розщеплена якими завгодно засобами, що були в той час урозпорядженні вчених: кип'ятінням, спалюванням, розчиненням, змішуванням зіншими речовинами. Потім у фізиці з'явилося поняття атома, запозиченев Демокріта (з грец. «неподільний»), яким була названа найдрібніша одиницяматерії, що входить до складу хімічного елементу. Хімічний елемент складаєтьсяз однакових атомів.

Потім з'ясувалося, що сам атом складається з елементарних часток. Уперші моделі атома, запропонованої Е. Резерфордом, електрони рухаються навколоядра, як планети навколо Сонця (планетар-. ва модель атома). Встановлено,що поперечник атома становить 10'8 см, а ядра - 10'12 см. Маса протонабільше маси електрона у 2000 разів. Щільність ядра 1014 г/см3. Перетворенняхімічних речовин одне в одного, про що мріяли алхіміки, можливо, але дляцього треба змінити атомне ядро, а це вимагає енергій в мільйони разівпереважаючих ті, які мають місце при хімічних процесах.

У XX столітті відкрито величезну кількість елементарних частинок і виявленозакономірності їх взаємодії. Їх можна розділити на кілька груп:адрони (з них складаються ядра), лептони (електрони, нейтрино), фотони (квантисвітла без маси спокою). Фотони і нейтрино рухаються зі швидкістю світла.

Німецький фізик П. Дірак передбачив в 1936 році існуванняантичастинок з тією ж масою, що і частинки, але зарядом протилежногознака. До теперішнього часу на прискорювачах високих енергій отриманіпозитрони (античастинки електронів) і антипротонів. При зіткненні частка іантичастинка анігілюють з виділенням фотонів - безмассових частинок світла
(речовина переходить у випромінювання). В результаті взаємодії фотонів можутьнароджуватися пари «частка - античастинка».

Відкриття все більшої кількості елементарних частинок підтвердиловзаємоперетворення речовини та енергії (казали, втім, ще
Анаксимандр), так що матерія, яка раніше ототожнювалася зречовиною, все більше почало скидатися на матерію як «потенцію» у сенсі
Аристотеля, яка має потребу у формі, щоб стати дійсноїреальністю.

Поняття «хімічного елемента» і «елементарної частинки»свідчать про те, що і те, і інше колись передбачалося простим ібезструктурними. Потім вчені перестали вживати для кожного новогорівня одне й те ж слово елемент-неподільний і для наступного рівня взялинічого конкретно не значуще слово з художнього твору «кварк».
Може так точніше і ближче до істини. Усе здається елементарним, поки невиявиш його складові частини. Чи буде кінець можливості розщепленнявизначить тільки прогрес наукового знання.

Теоретично передбачені кварки, головною рисою якихє дрібний заряд, були потім експериментально знайдені. За повідомленнямиамериканських вчених у 1994 році виявлено останній з шестирізновидів, найважчий кварк.

Фізичні взаємодії

Відомі чотири основних фізичних взаємодії, які визначаютьструктуру нашого світу: сильні, слабкі, електромагнітні і гравітаційні.

I. Сильні взаємодії мають місце між адронний (від грец. «Адрос»
- Сильний), до яких відносяться баріони (грец. «ба-рис» - важкий) - ценуклони (протони і нейтрони) і гіперонів, і мезони. Сильні взаємодіїможливі тільки на великих відстанях (радіус приблизно 10 "13 см.).

Один з проявів сильних взаємодій - ядерних сил. Сильнівзаємодії відкриті Е. Резерфордом в 1911 році одночасно з відкриттяматомного ядра (цими силами пояснюється розсіювання а-частинок, що проходятьчерез речовину). Відповідно до гіпотези Юкави (1935 р.) сильні взаємодіїполягають у випусканні проміжної частки - переносника ядерних сил. Цепі-мезон, виявлений в 1947 році, з масою в 6 разів менше маси нуклона,і знайдені пізніше інші мезони. Нуклони оточені «хмарами» мезонів.

Нуклон можуть приходити в збуджений стан-баріонів резонанси
- І обмінюватися при цьому іншими частками. При зіткненні баріонів їххмари перекриваються і «порушуються», випускаючи частки в напрямкурозлітаються хмар. З центральної області зіткнення можутьщо випускаються в різних напрямках більш повільні вторинні частки.
Ядерні сили не залежать від заряду частинок. У сильних взаємодіяхвеличина заряду зберігається.

II. Електромагнітна взаємодія в 100-1000 разів слабкіше сильноговзаємодії. При ньому відбувається випускання і поглинання «частинок світла» --фотонів.

III. Слабкі взаємодії слабкіше електромагнітного, але сильнішегравітаційного. Радіус дії на два порядки менше радіуса сильноговзаємодії. За рахунок слабкої взаємодії світить Сонце (протонперетворюється на нейтрон, позитрон і нейтрино). Випускається нейтрино маєвеличезною проникною здатністю - воно проходить через залізну плитутовщиною мільярд км. При слабких взаємодіях змінюється заряд частинок.

Слабка взаємодія являє собою не контактна взаємодія,а здійснюється шляхом обміну проміжними важкими частинками - бозона,аналогічними фотону. Бозон неизобильна і нестабільний.

IV. Гравітаційне взаємодія у багато разів слабкішеелектромагнітного. «Через 100 років після того, як Ньютон відкрив законтяжіння, Кулон виявив таку ж залежність від електричної силивідстані. Але закон Ньютона і закон Кулона істотно розрізняютьсянаступних двох відносинах. Гравітаційне тяжіння існує завжди, утой час як електричні сили існують тільки в тому випадку, якщо тілаволодіють електричними зарядами. У законі тяжіння є тількитяжіння, а електричні сили можуть як притягати, так і відштовхувати »
(А. Ейнштейн, Інфельд Л. Цит. Соч .- С. 65).

Одна з головних завдань сучасної фізики - створити загальну теорію поля іфізичних взаємин. Але дійсний розвиток науки далеко незавжди збігається з запланованим.

Новий діалог з природою виникає і в результаті вивчення механізмівеволюції неживих систем в новій науці - синергетики. «Що встановилися врезультаті її (науки - А. Г.) успіхів, що став для європейців традиційнимбачення світу - погляд з боку. Людина ставить досліди, шукає пояснення їхрезультатів, але сам себе частиною досліджуваної природи не вважає. Він - поза нею,вище. Тепер же починають вивчати природу зсередини, враховувати і наше особистеприсутність у Всесвіті, приймати до уваги наші почуття і емоції »(І.
Пригожин. Короткий мить торжества .- С. 315).
Список літератури

Ейнштейн А., Інфельд Л. Еволюція фізики. М., 1965.
Гейзенберг В. Фізика і філософія. Частина і ціле. М., 1989.
Пригожий І., Стенгерс І. Порядок з хаосу. М., 1986.
Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. М., 1994.
Мечников Л. И. Цивілізація і великі історичні ріки. М., 1995.
Сельє Г. Від мрії до відкриття. М., 1987.
Короткий мить торжества. М., 1989.