Микромир: корпускулярно-волновой дуализм

Основы физики микромира начали закладываться на рубеже XIX века – века «пара и электричества» и XX «атомного» века. Именно тогда были сделаны открытия, поколебавшие основы старых физических представлений о строении материи. Глубина открытий и быстрота развития познания позволили назвать этот период революцией в естествознании. Вот хронология открытий:

1895 год – открытие рентгеновских лучей австрийским физиком В. Рентгеном. Это открытие опровергло старое представление о непроницаемости материи.

1896 год – открытие французским физиком А. Беккерелем явления самопроизвольного излучения химического элемента урана. Это открытие подтолкнуло к установлению сложного состава атома, считавшегося до этого неделимым и неизменяемым.

1897 год – открытие в атоме электрона, сделанное английским физиком Дж. Томсоном. Открытие показало, что отрицательное электричество состоит из электронов – отрицательно заряженных частиц, обладающих малыми значениями массы и заряда.

1898 год – открытие нового химического радиоактивного элемента радия супругами М. Склодовской-Кюри и П. Кюри.

1900 год – немецкий физик М. Планк заложил основы теории квантов.

1903 год – ученые Э. Резерфорд и Ф. Содди создали теорию радиоактивного распада атома, в результате которого атомы одних элементов (радиоактивных) превращаются в атомы других химических элементов.

1905 год – А. Эйнштейн ввел понятие фотона как частицы, или кванта света, создал специальную теорию относительности и вывел из нее закон соотношения массы и энергии ().

Все эти открытия привлекли внимание физиков к атому. Конструировать его начал Дж. Томсон, который открыл электрон. Томсон считал, что по своему строению атом похож на круглую булку с изюмом: положительно заряженное тесто с изюминками – электронами. Этим обеспечивалась электрическая нейтральность атома, но томсоновский атом не отвечал другим требованиям.

В 1911 году австралийский физик Э. Резерфорд экспериментально доказал наличие в атоме положительно заряженного ядра, возникла планетарная модель атома: малое тяжелое положительное ядро, на большом расстоянии от которого в виде облака вращаются электроны. Но эта модель вступила в противоречие с классической теорией Максвелла. Согласно этой теории электрон, вращаясь вокруг ядра, должен излучать электромагнитные волны и, следовательно, терять свою энергию. При этом он будет постепенно приближаться к положительному заряду, пока не упадет на ядро. Но атомы являются устойчивыми образованиями, так как из них построена окружающая нас материя.

В 1900 г. М. Планк, исследуя проблему излучения нагретого тела, сделал классически недопустимое предположение: энергия излучается и поглощается только целыми квантами (от лат. – «сколько») – дискретными порциями, кратными некоторой минимальной величине, которая является столь же постоянной, как скорость света или заряд электрона. Она была названа постоянной Планка или квантом действия.

В 1913 г. Н. Бор, опираясь на это открытие, пришел к выводу, что теория Максвелла неприменима к изучению строения атома. Бор утверждал, что электроны, вращаясь вокруг ядра по вполне определенным орбитам, не излучают энергии. Только когда электрон переходит с одной из «разрешенных» орбит на другую, происходит излучение порции – кванта света.

А. Эйнштейн, исследуя явление фотоэффекта, пришел к выводу, что световые частицы (впоследствии их назвали фотонами) одновременно имеют свойства волны и корпускулы. Это было нелегко понять и представить, в том числе лучшим физикам того времени. Среди них был и Н. Бор.

Французский физик Луи де Бройль развил идею А. Эйнштейна. В 1924 г. он математически доказал, что электрон, будучи частицей, должен обладать волновыми свойствами. Более того, из формул де Бройля следовало, что волнообразность есть свойство всякой движущейся массы, а значит она присуща и любой микрочастице, а не только электрону или фотону. Экспериментально открытие де Бройля было подтверждено в 1927 г.

В результате, в физике микромира утвердился корпускулярно-волновый дуализм (от лат. – «два»): любой микрообъект (как и любой материальный объект вообще) подобно мифическому кентавру объединяет в себе два свойства: корпускулярное (энергия и импульс) и волновое (частота и длина волны).

Продолжая идеи де Бройля, швейцарскийтеоретик Э. Шредингер в 1926 г. получил волновое уравнение, которое стало сердцем квантовой механики. Его суть состоит в том, что для заданной частицы (системы частиц) и заданной системы действующих на нее сил оно дает решение в виде волновых функций для всех возможных значений энергии.

Впоследствии немецкий физик М. Борн дал вероятностную интерпретацию волновой функции, которую сам ее создатель, Э. Шредингер, так и не принял: поведение элементарных частиц носит статистический характер, в среднем они распределяются в пространстве таким образом, что их поведение выглядит как распространение световой волны. Так выяснилось, что в микромире законы классической механики не применимы, здесь необходимо использовать статистические (вероятностные) законы.

Это выразили два знаменитых принципа квантовой механики. Первый – соотношение неопределенностей В. Гейзенберга (1927 год): нельзя одновременно узнать координату и скорость микрочастицы, поэтому у нее нет определенной траектории. Соотношение Гейзенберга составило теоретическую основу второго принципа – принципа дополнительности Н. Бора (1927 г.): единая картина микроявления составляется из двух дополняющих друг друга картин, ибо в одних опытах могут быть измерены только корпускулярные свойства микрочастиц, в других – только волновые. А значит, для полного их описания нужны два набора классических понятий – частиц и волн.

С новым багажом корпускулярно-волновых представлений физики продолжили исследовать строение атома, но уже на уровне его ядра, которое, как оказалось, само обладает сложной структурой: состоит из положительно заряженных протонов и нейтронов (гипотеза об этом была высказана в 1931 г.). Прогресс в исследовании строения материи был связан с возможностью наблюдать все меньшие величины со все более близких расстояний. Для микромира роль таких «микроскопов» играют ускорители. Когда стали создавать мощные ускорители, способные разгонять протоны и электроны до гигантских энергий и скоростей, приближающихся к скорости света, число известных элементарных частиц стало постоянно возрастать и к настоящему времени их известно более 300 разновидностей. Возникла систематика элементарных частиц, которая делит их на семейства: легкие (лептоны), тяжелые (адроны), входящие в ядро (нуклоны), «странные» частицы и т.д.

Выяснилось, что у большинства частиц есть античастицы (проявление зарядовой симметрии), что элементарные частицы (электроны, протоны, мезоны и др.) в отличие от атомов и их ядер нельзя разделить на более простые части. В любых известных сегодня процессах эти частицы только переходят друг в друга, т.е. взаимопревращаются.

Дальнейшее углубление в ядро атома состоялось, когда удалось заглянуть вглубь протона, радиус которого 10^-15 м. Его центральный остов, керн, представляет собой как бы комочек мелкозернистой «икры», состоящий из кварков. Так возникла кварковая модель элементарных частиц. Теоретические расчеты показали, что кварки имеют дробный заряд, и хотя кварковая модель подтверждается экспериментально, никто в свободном виде кварков не наблюдал. Многие физики приходят к выводу, что свободных, изолированных кварков в природе вообще нет. Дело в том, что с увеличением расстояния между кварками сила взаимодействия между ними не убывает, а, наоборот, неограниченно возрастает, что исключает их пребывание вне структуры частиц. Для описания этого явления используют образ резиновой «кварковой тюрьмы».

Такое поведение кварков связано, как предположили, с тем, что их взаимодействие осуществляется посредством обмена глюонами (от англ. – «клей»). Глюонное поле, подобно натягиваемой резине, возрастает при удалении от породившего их кварка и не дает ему покинуть «кварковую тюрьму».

Все элементарные частицы участвуют в четырех типах фундаментальных взаимодействий (они лежат в основе всех других известных науке взаимодействий):

1) гравитационном (для микрообъектов оно исчезающе мало, универсальное, проявляет; себя также в макро- и мегамасштабах.);

2) электромагнитном, во много раз превышающем гравитационное;

3) слабом, сопровождающимся излучением нейтрино и антинейтрино (радиус действия 10^-17 м). Оно в 10¹⁰ раз слабее электромагнитного;

 

3) сильном, объединяющем нуклоны (протоны и нейтроны) в ядра (радиус действия 10^-15 м). Это взаимодействие примерно в триллион раз больше слабого взаимодействия. При этом взаимодействия, обеспечиваемые глюонами, во много раз превышают силы взаимодействия между протонами и нейтронами.

Частицы и поля в микромире оказываются неразрывно связанными, их разделение относительно: поля состоят из квантов (гравитационное – из гипотетических пока гравитонов, электромагнитное – из фотонов и т.д.), а частицы вещества неотделимы от различных полей. В итоге оказывается, что нет четкой границы между тем, где «кончается» частица и где «начинается» ее внешнее поле. В пограничной области существует непрерывный взаимопереход полей и частиц.

Относительность разграничения вещества и поля обнаруживается и при исследовании такого состояния поля, как вакуум. Обнаружилось, что вакуум не есть абсолютное ничто. В нем постоянно происходят сложные процессы, связанные с появлением виртуальных частиц, т.е. таких, которые потенциально содержатся в вакууме и при определенных условиях могут как бы «материализоваться», выделиться из породившей их вакуумной среды и взаимодействовать с ней.

Открытие последней трети XX века показало, что при очень высоких энергиях роль слабого взаимодействия увеличивается и оно становится неотличимым от электромагнитного взаимодействия. Такое объединенное взаимодействие было названо электрослабым.

Установлено далее, что для последующего объединения нужны недостижимые в экспериментальных условиях(но, возможно, существовавшие при образовании нашей Вселенной) энергии и температуры. Теоретически рассчитано, что при температуре 10²⁸К электрослабое взаимодействие сливается с сильным и все вещество существует в форме кварков и лептонов. Физики назвали это Великим объединением. При еще более высоких температурах порядка 10³²К частицы сближаются так тесно, что гравитационное взаимодействие сравнивается по величине с Великим объединением. Такое взаимодействие, в котором сливаются все четыре взаимодействия, назвали Суперобъединением.

Таким образом, выявляется тесная связь между физикой элементарных частиц (полей) и космологией – наукой, изучающей свойства и развитие Вселенной. А это уже – мега-, и макромир. Символом единения знаний о микро- и мегамире является внутреннее сходство между квантом действия (постоянная Планка) и скоростью света – величинами, представляющими предельно малое и предельно большое.