Вопрос 17. Непрерывность и дискретность. Квантовая механика

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 7Следующая ⇒

С древнейших времен существовали два противоположных представления о структуре материального мира. Одно из них: континуальная концепция Анаксагора - Аристотеля - базировалось на идее непрерывности, внутренней однородности, " сплошности" и, по-видимому, было связано с непосредственными чувственными впечатлениями, которые производят вода, воздух, свет и т.п. Материю, согласно этой концепции, можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя не оставляет пустоты внутри себя.

Другое представление: атомистическая (корпускулярная) концепция Левкиппа - Демокрита - было основано на дискретности пространственно-временного строения материи, " зернистости" реальных объектов и отражало уверенность человека в возможность деления материальных объектов на части лишь до определенного предела - до атомов, которые в своем бесконечном разнообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. При таком подходе необходимым условием движения и сочетания реальных атомов является существование пустого пространства. Надо признать, что корпускулярный подход оказался чрезвычайно плодотворным в различных областях естествознания. Прежде всего, это, конечно, относится к ньютоновской механике материальных точек. Очень эффективной оказалась и основанная на корпускулярных представлениях молекулярно-кинетическая теория вещества, в рамках которой были интерпретированы законы термодинамики. Правда, механистический подход в чистом виде оказался здесь неприменимым, так как проследить за движением 1023 материальных точек, находящихся в одном моле вещества, не под силу даже современному компьютеру. Однако если интересоваться только усредненным вкладом хаотически движущихся материальных точек в непосредственно измеряемые макроскопические величины (например, давление газа на стенку сосуда), то получалось прекрасное согласие теоретических и экспериментальных результатов. Законы К. м. составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение ядер атомных, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы К. м. лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. К.м. позволила, напр., объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоёмкости газов и твёрдых тел, определить строение и понять многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников). Только на основе К. м. удалось последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звёзды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звёздах.

В квантовой механике довольно распространенной является ситуация, когда некоторая наблюдаемая имеет парную наблюдаемую. Например, импульс – координата, энергия – время. Такие наблюдаемые называются дополнительными или сопряженными. Ко всем им применим принцип неопределенности Гейзенберга.

Существует несколько различных эквивалентных математических описаний квантовой механики:

При помощи уравнения Шрёдингера;

При помощи операторных уравнений фон Неймана и уравнений Линдблада;

При помощи операторных уравнений Гейзенберга;

При помощи метода вторичного квантования;

При помощи интеграла по траекториям;

При помощи операторных алгебр, так называемая алгебраическая формулировка;

При помощи квантовой логики.

Вопрос 18. Концепции микромира. Разнообразие элементарных частиц.

Микромир — это мир молекул, атомов и элементарных частиц. Один из трех (наряду с мега- и макромиром) масштабных уровней физического мира, для которого характерны расстояния и размеры менее 10–8 м.

Элементарные частицы

Элементарными частицами называют такие частицы, которые не удается расщепить на составные части. В соответствии с этим определением атомы и молекулы не являются элементарными частицами. Термин " элементарные частицы" не следует воспринимать слишком буквально. Элементарными частицами следует считать электроны, протоны, нейтроны, фотоны и нейтрино. Нейтрино - это частица была предсказана в 1930 г. физиком Пауэлем. Она уникальна, подвержена действию только слабых сил, ее взаимодействие с веществом ничтожно, поэтому эта частичка может легко проходить сквозь землю. Античастицы отличаются от соответствующих им частиц только зарядом. Все остальные характеристики подобны им. Из этого следует, что в системе частиц и античастиц сумма зарядов равна нулю. Когда говорят о частицах, выделяют стабильные (указанные выше фотоны, нейтрино и т.п.) и нестабильные. В 1932 г. в составе космических лучей был открыт позитрон, имеющий такую же массу как электрон, но противоположный по знаку заряда. В 1936 г. были открыты частицы - мюоны, с положительным и отрицательным зарядом. По своим свойствам они похожи на электроны, но в 200 раз тяжелее. В 1947 г. в космических лучах обнаружены положительные и отрицательные частицы п-мезоны, они в 280 раз тяжелее электрона. С 1949-52 были открыты к-мезоны и гипероны - эти частицы получили название странных частиц, поскольку оказалось, что прямого отношения к образованию вещества эти частицы не имеют.

С 1950-х гг. началась новая эра в изучении элементарных (субъядерных) частиц. Это было связано с тем, что удалось создать ускорители заряженных частиц, на которых было получено очень большое число так называемых неустойчивых частиц. Их еще назвали резонансами, т.к. у них очень малое время жизни. Открытие странных частиц внесло определенный вклад в понимание эволюции Вселенной в начальный период. Предполагается, что эти странные частицы существовали на самой ранней стадии эволюции Вселенной. Ускорители частиц. Они сейчас разнообразны и предназначены для разных целей. Обязательно наличие вакуума в ускорителях. Исследования на ускорителях стоят безумных денег, поэтому сначала предсказывают теоретически процессы, и только потом они проверяются на практике. Всем элементарным частицам присущи две основные черты:

все частицы пока существуют остаются неизменными. Все частицы одного сорта остаются абсолютно одинаковыми, т.е. они неразличимы;

все частицы могут рождаться и исчезать, эти процессы, как правило, происходят при взаимодействии частиц. При столкновении двух и более энергетических частиц могут рождаться множество новых. Теоретики при рассмотрении взаимодействия частиц исходят из закона сохранении энергии и закона сохранения импульса при прогнозировании процессов. В настоящее время определено богатство свойств известных наук элементарных частиц. Причем у многих этих свойств нет аналогов среди известных свойств макроскопических объектов. Основные характеристики элементарных частиц, описанных абстрактным языком математики, следующие: масса, заряд, средний период существования, спин, изотропный спин, одиночность, парность, лептиновый заряд, заряд бориона, взаимное влияние. Постараемся дать характеристики этим свойством элементарных частиц. Одно из самых главных свойств, характеризующих элементарные частицы – масса. Отметим, что масса покоя элементарных частиц определяется относительно массы покоя электрона (me=9, 1× 10–31 кг). В настоящее время более широко распространена классификация элементарных частиц в зависимости от величины их массы покоя. Согласно этой классификации все элементарные частицы длятся на 4 группы:

1) легкие элементарные частицы – лептоны. Сюда входят электрон, нейтрино и их античастицы – позитрон, антинейтрино, а так же положительные и отрицательные мю-мезоны. За исключением последних лептоны перед вступлением во взаимное влияние стабильны и в свободном состоянии существуют более 1020 лет. Мю-мезоны же не являются стабильными частицами, прожив две стомиллионные секунды распадаются, превращаются в электрон, нейтрон и антинейтрон. Масса покоя нейтрино и антинейтрино очень мала, взятые вместе они равны 0, 0005 части массы электрона.

2) частицы средней массы – мезоны. Сюда входят положительные, отрицательные и нейтральные пи-мезоны с массой 270 me – масса покоя, и некоторые виды кА-мезоны с массой 970 me. Все мезоны нестабильны, обладают очень маленьким периодом существования (до 7-19 секунд).

3)тяжелые частицы – нуклоны. Сюда входят протон, нейтрон и их античастицы – антипротон и антинейтрон. Протон и антипротон стабильны, нейтрон и антинейтрон – нестабильные частицы, обладают относительно длинным периодом существования – 17 минут.

4) гипероны – самые тяжелые частицы. В эту группу входит очень много частиц и античастиц. Масса гиперонов от 2182 me до 2585 me. Срок существования всех гиперонов одинаков – 10–10 секунды.

Иногда нуклоны и гипероны объединяют в единую группу под названием барионы. В эту группу также можно включит образующий особую группу и являющийся квантом электромагнитного поля фотон. Несмотря на то что подобная классификация элементарных частиц не раскрывает объединяющие их основные закономерности, в любом случае она предоставляет возможность изучить целый ряд свойств и превращений частиц и даже предсказать существование некоторых частиц.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 Следующая ⇒