Принцип неопределённости Гейзенберга и принцип дополнительности Бора

Необходимо заметить, что основная идея квантовой механики состоит в том, что в микромире определяющим является представление о вероятности событий. На микроскопическом уровне мы не можем точно предсказать результат конкретного эксперимента, например, указать на экране точку, в которую должен попасть фотон. Всё что мы можем сделать, - это лишь рассчитать вероятность различных исходов опыта. И только при наличии очень большого количества частиц наши предсказания хода эксперимента обретают необходимую точность. Эта мысль отражает принципиальную ограниченность наших возможностей предсказывать развитие событий.

Ясность в эту специфическую особенность квантовой механики в 1927 г. внёс немецкий физик В. Гейзенберг (1901-1976), автор знаменитого принципа неопределённости. Согласно этому принципу, любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых её координаты и импульс одновременно принимают вполне определённые, точные значения.

Гейзенберг наглядно объяснял свой принцип на примере гипотетического микроскопа. Если бы вы захотели установить координату электрона, точное значение импульса которого уже известно, то для того чтобы увидеть электрон и определить его положение, нам пришлось бы осветить его, т.е. направить на него пучок фотонов. Однако фотоны, сталкиваясь с электроном, передадут ему часть своей энергии и тем самым изменят его импульс на неопределённую величину. Таким образом, мы измерим точную координату частицы, но её импульс окажется неопределённым. Принцип неопределённости вносит квантовую поправку в классический смысл понятий координаты и импульса и выражает невозможность наблюдать микромир, не нарушая его.

Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с принципом неопределённости, является принцип дополнительности датского физика Н. Бора: понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего.

Таким образом, в микромире корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как в макромире. Обе картины законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными.

Элементарные частицы и силы в природе.

Дальнейшее проникновение в глубины микромира связано с переходом от уровня атомов к уровню элементарных частиц. В качестве первой элементарной частицы в 1897 г. был открыт электрон. Ещё шесть десятков лет назад были известны только четыре элементарные частицы: электрон, протон, нейтрон и фотон. После второй мировой войны, благодаря развитию науки и техники, было установлено существование свыше трёхсот элементарных частиц. Термин «элементарная частица» является сложившимся исторически, так как сейчас не подлежит сомнению факт существования у таких частиц структуры. Эксперименты по взаимодействию движущихся с большими скоростями протонов и электронов показали, что на самом деле протоны и нейтроны состоят из ещё более мелких частиц – кварков. Это название в науку ввёл американский физик-теоретик М. Гелл-Манн, оно было заимствовано из стихотворной строки Джойса: «Три кварка для мистера Марка».

Основными характеристиками элементарных частиц являются масса покоя, заряд, среднее время жизни, спин (см. табл. 1).

Частицы вещества с полуцелым спином подчиняются принципу запрета швейцарского физика В. Паули (1927 г.): две или более тождественные частицы с полуцелым спином, входящие в одну физическую систему, не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии.

Таблица 1

Характеристики элементарных частиц
Масса покоя	1. не имеющие массы покоя – фотоны; 2. лёгкие частицы – лептоны (электрон и нейтрино); 3. средние частицы – мезоны (1 mэл <mчаст < 1000 mэл) 4. тяжёлые частицы – барионы (mчаст > 1000 mэл)
Электрический заряд	1. с положительным зарядом; 2. с отрицательным зарядом; 3. с нулевым зарядом. Почти каждой частице соответствует античастица с противоположным зарядом
Время жизни	1. стабильные (всего пять: фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон); 2. нестабильные (t жизни ≈ 10^-10 – 10^-24 сек.)
Спин (S) – собственный момент количества движения	1. с целым спином: S = 0, 1, 2. Создают силы и взаимодействия, действующие между частицами вещества (фотоны, мезоны) 2. с полуцелым спином: S = 1/2. Из них состоит любое вещество во Вселенной (нейтроны, протоны, лептоны, барионы)

 

Итак, согласно принципу запрета Паули, если частицы вещества имеют очень близкие значения координат, то их скорости должны быть разными, и, следовательно, они не смогут долго находиться в точке с этими координатами. Если бы в сотворении мира не учитывался принцип Паули, кварки не могли бы объединится в единые чётко определённые частицы – нейтроны и протоны, а те в свою очередь, не смогли бы вместе с электронами образовать отдельные, чётко определённые атомы. Без принципа Паули все эти частицы сколлапсировали бы и превратились в более или менее однородное желе.

Введём понятие взаимодействия. Взаимодействие – это развёртывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путём обмена материей и движением.

У элементарных частиц процесс взаимодействия происходит следующим образом. Частица вещества (например, электрон) испускает частицу-переносчика взаимодействия (например, фотон). В результате отдачи скорость частицы вещества (электрона) меняется. Затем частица-переносчик «налетает» на другую частицу вещества и поглощается ею. Это соударение изменяет скорость второй частицы, как будто между этими двумя частицами вещества действует сила.

Частицы-переносчики, которыми обмениваются частицы вещества, называются виртуальными, потому что в отличие от «реальных» их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора частиц. Однако они существуют, потому что они создают эффекты, которые поддаются измерению.

Частицы-переносчики можно классифицировать на четыре типа в зависимости от величины переносимого ими взаимодействия (табл.2).

Необходимо отметить, что удовлетворительной теории происхождения и структуры элементарных частиц пока нет. Многие учёные считают, что такую теорию можно создать только при учёте космологических обстоятельств (т.е. обстоятельств возникновения Вселенной).

Большинство физиков верят в создание полной теории объединения, в которой все четыре силы оказались бы разновидностью одной.

Таблица 2

Тип взаимодействия	Характеристика взаимодействия	Особенности взаимодействия	Частица-переносчик
Сильное ядерное	Удерживает кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри атомного ядра	Действует на расстоянии порядка 10^–13см	Глюон (от англ. glue – клей) – частица с S = 1 и нулевой массой покоя.
Электромагнитное	Свойственно электрически заряженным частицам: одинаковые по знаку заряды отталкиваются, разноимённые – притягиваются	В тысячу раз слабее сильного ядерного взаимодействия, но значительно более дальнодействующее	Фотоны (от греч. Phōtos – свет) – частица с S = ± 1, электрически нейтральна, с нулевой массой покоя.
Слабое ядерное	Отвечает за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества с S = ½	Действует на расстоянии порядка 10^–15 – 10^–22см. Гораздо слабее сильного и электромагнитного взаимодействий, но гораздо сильнее гравитационного	Тяжёлые векторные бозоны W^-+, W^-, Z^0 – частицы c S = 1 и большой массой покоя.
Гравитацион-ное	Гравитационные силы действуют на больших расстояниях и всегда является силами притяжения	Самое слабое взаимодействие, не учитываемое в микромире.	Гравитон – частица с S = 2 и нулевой массой покоя и нулевым зарядом. Экспериментально пока не обнаружен.

Выводы:

1. Научные открытия конца XIX – начала XX веков в области физики опровергли представления классического естествознания об атомах, как о последних неделимых единицах вещества;

2. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств;

3. В микромире корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как в макромире. Обе картины законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными;

4. Под взаимодействием понимается развёртывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путём обмена материей и движением;

5. Взаимодействие между частицами вещества осуществляется посредством виртуальных частиц;

6. Существуют четыре типа фундаментальных взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное ядерное.

 

Контрольные вопросы:

1. Приведите примеры фундаментальных научных открытий в области физики, которые опровергли представление об атомах, как последних неделимых единицах вещества?

2. Что означает понятие «квант»? Расскажите об основных этапах развития представлений о квантах.

3. Что означает понятие «корпускулярно-волновой дуализм»?

4. Какое значение имеет принцип дополнительности Н.Бора в описании физической реальности микромира?

5. Какова структура атома с точки зрения современной физики?

6. Какое содержание вкладывается в понятие «элементарная частица»? Дайте характеристику свойствам элементарных частиц.

7. Какой из видов взаимодействий имеет для нашего существования первостепенное значение?