Отличие квантовой механики от классических теорий

Важное отличие состоит в том, что в классических теориях описываются свойства объектов вне их отношения к тем приборам, с помощью которых обнаруживаются эти свойства, в то время как в квантовой механике учет условий наблюдения неотъемлем от самой теоретической постановки проблемы (при этом в различных макроскопических ситуациях микроявления обнаруживают различные, порой прямо противоположные свойства, например, частицы или волны).

Классическим теориям был свойственен «лапласовский детерминизм», названый в честь французского физика и математика Пьера Симона Лапласа. В своей работе «Опыт философии теории вероятности» (1814 г.) Лаплас предполагал, что досканально зная состояние системы в данный момент, можно с уверенностью предсказать ее будущее. Он считал, что Мир устроен таким образом, что для предсказания любых явлений в этом мире достаточно знать координаты и импульсы всех частиц во Вселенной, подставить их значения в математические уравнения и решить их.

Примерно 100 лет назад лапласовский детерминизм был основой мировоззрения ученых, базой научной рациональности вообще. Ученые стремились придавать результатам своей деятельности форму абсолютной необходимости, т.е. абсолютного детерминизма. Открываемые в этот период законы получили название динамических законов.

Другим существенным отличием квантовой механики от классической, вызвавшим острые дискуссии, является ее принципиально вероятностный характер.

С позиций лапласовского детерминизма, ньютоновская механика с ее однозначными законами причины и следствия является каноном, идеалом научного знания вообще, всякой научной теории. Любая теория, с этой точки зрения, должна исчерпывающим образом описывать свойства реальности на базе строго однозначных законов, как это делает механика.

Активное применение теории вероятностей в физике, которое началось с середины XIX века, привело к появлению нового типа законов и теорий – статистических.

Важно подчеркнуть, что использование вероятностно-статистических методов в науке не противоречит концепции лапласовского детерминизма. На эмпирическом уровне объекты даны в единстве существенных и несущественных, случайных свойств, поэтому использование вероятностных представлений вполне обосновано. На теоретическом уровне использование вероятностей предполагало однозначную детерминированность тех индивидуальных явлений, которые в совокупности дают статистический закон.

С позиций лапласовского детерминизма, использование вероятностных представлений в науке вполне оправдано, но познавательный статус динамических и статистических теорий существенно различен. Статистические теории с этих позиций – это неподлинные теории; они могут быть практически очень полезны, но в познавательном плане они неполноценны, они дают лишь первое приближение к истине, и за каждой статистической теорией должна стоять теория, однозначно описывающая реальность. Одна из интерпретаций квантовой механики была построена с позиций лапласовского детерминизма.

Фактически такую интерпретацию развивали Эйнштейн, Шредингер и их сторонники, когда утверждали, что принципиально вероятностный характер квантовой механики говорит о ее неполноте как физической теории. Они ориентировали физиков на поиск такой теории микроявлений, которая по своей структуре и характеру законов была бы подобна классической механике или классической электродинамике. В этом русле строилась программа элиминации вероятностных представлений из теории микромира путем обнаружения "скрытых параметров", т.е. таких свойств элементарных частиц, знание которых позволило бы достичь их строго однозначного описания.

Против такой интерпретации квантовой механики выступили Борн и другие, кто видел в квантовой механике полноценную и полноправную физическую теорию.

Хотя дискуссии в отношении статуса вероятностных представлений в современной физике не закончены до сих пор, тем не менее, развитие квантовой механики ослабляет позиции сторонников лапласовского детерминизма.

 

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ

Элементарные частицы, в первоначальном значении этого термина, – это первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя.

Элементарные частицы современной физики не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку большинство из них по современным представлениям являются составными системами. Общее свойство этих систем заключается в том, что они не являются атомами или ядрами (исключение составляет протон). Поэтому иногда их называют субъядерными частицами. Частицы, претендующие на роль первичных элементов материи, иногда называют "истинно элементарные частицы". Первой открытой элементарной частицей был электрон. Его открыл английский физик Томсон в 1897 году.

Первой открытой античастицей был позитрон – частица с массой электрона, но положительным электрическим зарядом. Это античастица была обнаружена в составе космических лучей американским физиком Андерсеном в 1932 году.

В современном физике в группу элементарных относятся более 350 частиц, в основном нестабильных, и их число продолжает расти.

Если раньше элементарные частицы обычно обнаруживали в космических лучах, то с начала 50-х годов ускорители превратились в основной инструмент для исследования элементарных частиц.

Микроскопические массы и размеры элементарных частиц обусловливают квантовую специфику их поведения: квантовые закономерности являются определяющими в поведении элементарных частиц.

Наиболее важное квантовое свойство всех элементарных частиц – это способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при взаимодействии с другими частицами. Все процессы с элементарными частицами протекают через последовательность актов их поглощения и испускания.

Различные процессы с элементарными частицами заметно отличаются по интенсивности протекания.

В соответствии с различной интенсивностью протекания взаимодействия элементарных частиц феноменологически делят на несколько классов: сильное, электромагнитное и слабое. Кроме того, все элементарные частицы обладают гравитационным взаимодействием.

Сильное взаимодействие элементарных частиц вызывает процессы, протекающие с наибольшей по сравнению с другими процессами интенсивностью, и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов.

Электромагнитное взаимодействие отличается от других участием электромагнитного поля. Электромагнитное поле (в квантовой физике – фотон) либо излучается, либо поглощается при взаимодействии, либо переносит взаимодействие между телами.

Электромагнитное взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества и тем самым определяет (на основе законов квантовой механики) возможность устойчивого состояния таких микросистем.

Слабое взаимодействие элементарных частиц вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных частиц.

Слабое взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного.

Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наиболее слабым из всех известных. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях дает чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.

Слабое взаимодействие гораздо сильнее гравитационного, но в повседневной жизни роль гравитационного взаимодействия гораздо заметнее роли слабого взаимодействия. Это происходит потому, что гравитационное взаимодействие (как, впрочем, и электромагнитное) имеет бесконечно большой радиус действия. Поэтому, например, на тела, находящиеся на поверхности Земли, действует гравитационное притяжение со стороны всех атомов, из которых состоит Земля. Слабое же взаимодействие обладает настолько малым радиусом действия, что он до сих пор не измерен.

В современной физике фундаментальную роль играет релятивистская квантовая теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы – квантовая теория поля. Эта теория построена для описания одного из самых общих свойств микромира – универсальной взаимной превращаемости элементарных частиц. Для описания такого рода процессов требовался переход к квантовому волновому полю. Квантовая теория поля с необходимостью является релятивистской, поскольку если система состоит из медленно движущихся частиц, то их энергия оказаться недостаточной для образования новых частиц с ненулевой массой покоя. Частицы же с нулевой массой покоя (фотон, возможно нейтрино) всегда релятивистские, т.е. всегда движутся со скоростью света.

Универсальный способ ведения всех взаимодействий, основанный на калибровочной симметрии, дает возможность их объединения.

Квантовая теория поля оказалась наиболее адекватным аппаратом для понимания природы взаимодействия элементарных частиц и объединения всех видов взаимодействий.

Квантовая электродинамика – та часть квантовой теории поля, в которой рассматривается взаимодействие электромагнитного поля и заряженных частиц (или электронно-позитронного поля).

В настоящее время квантовая электродинамика рассматривается как составная часть единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.

В зависимости от участия в тех или иных видах взаимодействия все изученные элементарные частицы, за исключением фотона, разбиваются на две основные группы – адроны и лептоны.

Адроны (от греч. – большой, сильный) – класс элементарных частиц, участвующих в сильном взаимодействии (наряду с электромагнитным и слабым). Лептоны (от греч. – тонкий, легкий) – класс элементарных частиц, необладающих сильным взаимодействием, участвующих только в электромагнитном и слабом взаимодействии (наличие гравитационного взаимодействия у всех элементарных частиц, включая фотон, подразумевается).

 

 

Группы элементарных частиц

Наиболее известные элементарные частицы – электрон, фотон, пи-мезоны, мюоны, лептоны и нейтрино.

1. Фотоны (кванты электромагнитного поля).

2. Лептоны (легкие частицы).

3. Бозоны (квазичастицы).

4. Кварки (самые микроскопические).

5. Адроны (большие, сильные частицы):

а) барионы (тяжелые) – комбинация из трех кварков;

б) мезоны (средние) – переносчики ядерных сил.

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, среднее время жизни, заряд, спин и квантовые числа.

Массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Некоторые элементарные частицы, например, фотоны не имеют массы покоя. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны, мезоны, барионы.

По времени жизни частицы делятся на стабильные и нестабильные. К стабильным относят фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон. В структуре макротел стабильные частицы играют важнейшую роль. Остальные частицы нестабильны, они существуют около 10^-10 – 10^-24 с, после чего распадаются.

Элементарные частицы со средним временем жизни 10^-23 – 10^-22 с называют резонансами, которые распадаются еще до того, как успевают покинуть атом или атомное ядро.

Все элементарные частицы обладают электрическим зарядом: положительным, отрицательным либо нулевым. Почти каждой частице соответствует античастица с противоположным зарядом.

Состояние элементарных частиц выражается понятием «сп и на», или моментом движения микрочастицы.

В современной теории элементарных частиц концепция симметрии законов относительно некоторых преобразований является ведущей. «Если законы, устанавливающие соотношение между величинами, характеризующими физическую систему, или определяющие изменение этих величин со временем, не меняются при определенных преобразованиях, которым может быть подвергнута система, то говорят, что эти законы обладают симметрией (или инвариантны) относительно данных преобразований». Симметрия рассматривается как фактор, определяющий существование различных групп и семейств элементарных частиц.

Для класса внутренних симметрий уравнений теории поля (т.е. симметрий, связанных со свойствами элементарных частиц, а не со свойствами пространства-времени) применяется общее название – калибровочная симметрия.

Калибровочная симметрия приводит к необходимости существования векторных калибровочных полей, обмен квантами которых обуславливает взаимодействия частиц. Идея калибровочной симметрии оказалась наиболее плодотворной в единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.

Интересной проблемой квантовой теории поля является включение в единую калибровочную схему и сильного взаимодействия ("великое объединение").

Другим перспективным направлением объединения считается суперкалибровочная симметрия, или просто суперсимметрия.

В 60-х годах американскими физиками С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу, пакистанским физиком А. Саламом и др. была создана единая теория слабого и электромагнитного взаимодействий, позднее получившая название стандартной теории электрослабого взаимодействия. В этой теории наряду с фотоном, осуществляющим электромагнитное взаимодействие, появляются промежуточные векторные бозоны – частицы, переносящие слабое взаимодействие. Это частицы были экспериментально обнаружены в 1983 году.

Открытие на опыте промежуточных векторных бозонов подтверждает правильность основной (калибровочной) идеи стандартной теории электрослабого взаимодействия.

В основе "Великого объединений" лежит тот факт, что при переходе к малым расстояниям (т.е. к высоким энергиям) увеличивается константа электрослабого взаимодействия и уменьшается константа сильного взаимодействия. Экстраполяция такой тенденции на сверхвысокие энергии приводит к равенству констант всех трех взаимодействий при некотором энергетическом масштабе, при котором происходит спонтанное нарушение симметрии "великого объединения", приводящее к возникновению масс у космических объектов.

В разных моделях "великого объединения" предсказывается различная величина энергетического масштаба, но в любом случае такие энергии недостижимы в обозримом будущем ни на ускорителях, ни в космических лучах. Для проверки моделей "Великого объединения" могут использоваться либо их предсказания в низкоэнергетической области, либо космологические следствия этих моделей (по современным представлениям, на очень ранних стадиях расширения Вселенной могли достигаться температуры много большие, чем энергетический масштаб "Великого объединения").

Одним из предсказаний моделей "Великого объединения" является несохранение барионного заряда и, как следствие, нестабильность протона.

Супергравитация – калибровочная теория суперсимметрии, представляющая собой суперсимметричное обобщение общей теории относительности (теории тяготения).

Расширенная теория супергравитации обладает симметрией, в принципе позволяющей объединить все известные виды взаимодействий – гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное. Однако имеющиеся модели пока далеки от реальной действительности (в частности, в них нет места некоторым фундаментальным частицам).

Таким образом, современная физика пришла к выводу, что все четыре фундаментальных взаимодействия необходимы для создания из элементарных частиц сложного и разнообразного материального мира, получаемого из одного фундаментального взаимодействия – супкрсилы. Доказательством является факт объединения электромагнитного и слабого взаимодействия при энергии 100 млрд. электрон-вольт, что теоретически соответствовало температуре Вселенной через 10^-10 с после Большого взрыва. При энергии 10¹⁵ ГэВ к ним присоединяется сильное взаимодействие, а при энергии 10¹⁹ ГэВ происходит объединение всех четырех взаимодействий. Косвенно эти идеи подтверждаются в астрофизике.