Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

Законы сохранения электрического, барионного и лептонного

зарядов выражают особую симметрию -функции. Наконец, закон

сохранения изотопического спина отражает изотропность

изотопического пространства. Несоблюдение одного из законов

сохранения означает нарушение в данном взаимодействии

соответствующего вида симметрии.

Кварки. Частиц, называемых элементарными, стало так много,

что возникли серьезные сомнения в их элементарности. Каждая из

сильно взаимодействующих частиц характеризуется тремя

независимыми аддитивными квантовыми числами: зарядом Q,

гиперзарядом У и барионным зарядом В. В связи с этим появилась

гипотеза о том, что все частицы построены из трех

фундаментальных частиц — носителей этих зарядов. В 1964 г. Гелл-

Манн и независимо от него швейцарский физик Цвейг выдвинули

гипотезу, согласно которой все элементарные частицы построены из

трех частиц, названных кварками. Этим частицам приписываются

дробные квантовые числа, в частности электрический заряд, равный

+2/3, -1/3, +1/3 соответственно для каждого из трех кварков. Эти

кварки обычно обозначаются буквами U, D, S. Кроме кварков

рассматриваются антикварки (u, d, s). Мезоны образуются из пары

кварк—антикварк, а бари-оны — из трех кварков.

Каждому кварку приписывается одинаковый магнитный

момент величина которого из теории не определяется.

Расчеты, произведенные на основании такого предположения, дают

для протона значение магнитного момента а для

нейтрона:

Таким образом, для отношения магнитных моментов

получается значение

превосходно согласующихся с экспериментальным значением.

140

В основном цвет кварка (подобно знаку электрического заряда)

стал выражать различие в свойстве, определяющем взаимное

притяжение и отталкивание кварков. По аналогии с квантами полей

различных взаимодействий (фотонами в электромагнитных

взаимодействиях, -мезонами в сильных взаимодействиях и т. д.)

были введены частицы — переносчики взаимодействия между

кварками. Эти частицы были названы глюонами. Они переносят

цвет от одного кварка к другому, в результате чего кварки

удерживаются вместе.

Идея кварков оказалась весьма плодотворной. Она позволила

не только систематизировать уже известные частицы, но и

предсказать целый ряд новых. Положение, сложившееся в физике

элементарных частиц, напоминают положение, создавшееся в

физике атома после открытия в 1869 г. Д. И. Менделеевым

периодического закона. Хотя сущность этого закона была выяснена

только спустя примерно 60 лет после создания квантовой механики,

он позволил систематизировать известные к тому времени

химические элементы и, кроме того, привел к предсказанию

существования новых элементов и их свойств. Точно так же физики

научились систематизировать элементарные частицы, причем

разработанная систематика в ряде случаев позволила предсказать

существование новых частиц и предвосхитить их свойства.

В мире элементарных частиц действует правило: разрешено

все, что не запрещают законы сохранения. Последние играют роль

правил запрета, регулирующих взаимопревращения частиц. Прежде

всего отметим законы сохранения энергии, импульса и

электрического заряда. Например, эти три закона объясняют

стабильность электрона. Из сохранения энергии и импульса следует,

что суммарная масса покоя продуктов распада должна быть меньше

массы покоя распадающейся частицы. Значит, электрон мог бы

распадаться только на нейтрино и фотоны. Но эти частицы

электрически нейтральны. Вот и получается, что электрону просто

некому передать свой электрический заряд; поэтому он стабилен.

141

7.2. Корпускулярно-волновая природа

микрообъектов

Электрон так же неисчерпаем, как

и атом, природа бесконечна.

В. И. Ленин

Микромир образуют микрочастицы, которыми являются

элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны, фотоны и

другие простые частицы), а также сложные частицы, образованные

из сравнительно небольшого числа элементарных частиц (молекулы,

атомы, ядра атомов и т. п.). Термин "микрочастица" отражает только

одну сторону объекта, к которому он применяется. Всякий

микрообъект (молекула, атом, электрон, фотон и т. д.) представляет

собой образование особого рода, сочетающее в себе свойства и

частицы, и волны. Может быть, правильнее было бы называть его

"частицей-волной". Микрообъект не способен воздействовать

непосредственно на наши органы чувств — ни видеть, ни осязать

его нельзя. Ничего подобного микрообъектам в воспринимаемом

нами мире не существует. Микротела не похожи ни на что из того,

что нам хоть когда-нибудь приходилось видеть.

Раз поведение атомов так непохоже на наш обыденный опыт, то

к нему очень трудно привыкнуть. И новичку в науке, и опытному

физику — всем оно кажется своеобразным и туманным. Даже

большие ученые не понимают его настолько, как им хотелось бы, и

это совершенно естественно, потому что весь непосредственный

опыт человека, вся его интуиция — все прилагается к крупным

телам. Мы знаем, что будет с большим предметом; но именно так

мельчайшие тельца не поступают. Поэтому, изучая их, приходится

прибегать к различного рода абстракциям, напрягать воображение и

не пытаться связывать их с нашим непосредственным опытом. В

доквантовой физике "понять" означало составить себе наглядный

образ объекта или процесса. Квантовую физику нельзя понять в

таком смысле слова. Всякая наглядная модель неизбежно будет

действовать по

142

классическим законам и поэтому непригодна для представления

квантовых процессов. Поэтому самое правильное, что можно

сделать, — это отказаться от попыток строить наглядные модели

поведения квантовых объектов. Отсутствие наглядности поначалу

может вызвать чувство неудовлетворенности, но со временем это

чувство проходит, и все становится на свои места.

В первое время физики были поражены необычными

свойствами тех мельчайших частиц материи, которые они изучали в

микромире. Попытки описать, а тем более объяснить свойства

микрочастиц с помощью понятий и принципов классической физики

потерпели явную неудачу. Поиски новых понятий и методов

объяснения в конце концов привели к возникновению новой

квантовой механики, в окончательное построение и обоснование

которой значительный вклад внесли Э. Шредингер, В. Гейзенберг,

М. Борн. В самом начале эта механика была названа волновой в

противоположность обычной механике, которая рассматривает свои

объекты как состоящие из корпускул, или частиц. В дальнейшем для

механики микрообъектов утвердилось название квантовой

механики.

Для облегчения понимания корпускулярно-волновой природы

микрочастиц полезно рассмотреть такую же двойственную природу

повреждения электромагнитных волн, в частности света. В

результате углубления представлений о природе света выяснилось,

что в оптических явлениях обнаруживается своеобразный дуализм.

Наряду с такими свойствами света, которые самым

непосредственным образом свидетельствуют о его волновой

природе (интерференция, дифракция), имеются и другие свойства,

столь же непосредственно обнаруживающие его корпускулярную

природу (фотоэффект, явление Комптона). Рассмотрим их.

Фотоэлектрическим эффектом, или фотоэффектом, называется

испускание электронов веществом под действием света. В 1905 г. А.

Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта легко

объясняются, если предположить, что свет поглощается такими же

порциями (квантами) энергии Е = hv, какими он, по предположению

Планка, испускается. По мысли Эйнштейна,

143

энергия, полученная электроном, доставляется ему в виде кванта ,

который усваивается им целиком. Часть этой энергии, равная работе

выхода, т. е. наименьшей энергии, необходимой электрону, чтобы

удалиться из тела в вакуум, затрачивается на то, чтобы электрон мог

покинуть тело. Остаток энергии образует кинетическую энергию Е

электрона, покинувшего вещество. В этом случае должно

выполняться соотношение

которое называется формулой Эйнштейна. Отсюда вытекает, что в

случае, когда работа выхода А превышает энергию кванта

электроны не могут покинуть металл. Следовательно, для

возникновения фотоэффекта необходимо, чтобы энергия кванта была

больше работы выхода. Частота , ниже которой не наблюдается

фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. Эйнштейн

выдвинул гипотезу, что свет распространяется в виде дискретных

частиц, названных световыми квантами. Впоследствии эти частицы

получили название фотонов. Энергия фотона определяется его

частотой , масса покоя фотона

равна нулю и фотон всегда движется со скоростью с. Сказанное

означает, что фотон представляет собой частицу особого рода,

отличную от таких частиц, как электрон, протон и т. п., которые

могут существовать, двигаясь со скоростями, меньшими с, и даже

покоясь.

Поток фотонов, падающих перпендикулярно на поглощающую

свет поверхность, оказывает на нее давление. Если плотность

фотонов равна п, то давление света равно = так

как каждый фотон сообщает стенке импульс

Особенно отчетливо проявляются корпускулярные свойства

света в явлении, которое получило название эффекта Комптона. В

1923 г. А. Комптон, исследуя рассеяние рентгеновских лучей

различными веществами, обнаружил, что в рассеянных лучах

144

наряду с излучением первоначальной длины волны содержатся

также лучи большей длины волны. Разность между этими длинами

волн оказалась зависящей только от угла, образуемого

направлением рассеянного излучения с направлением первичного

пучка. От первоначальной длины волны и от природы

рассеивающего вещества разность длин волн не зависит. Все

особенности эффекта Комптона можно объяснить, рассматривая

рассеяние как процесс упругого столкновения рентгеновских

фотонов с практически свободными электронами. Свободными

можно считать слабее всего связанные с атомами электроны,

энергия связи которых значительно меньше той энергии, которую

фотон может передать электрону при соударении.

Таким образом, мы рассмотрели ряд явлений, в которых свет

ведет себя как поток частиц (фотонов). Однако не надо забывать,

что такие явления, как интерференция и дифракция света, могут

быть объяснены только на основе волновых представлений. Таким

образом, свет обнаруживает корпускулярно-волновой дуализм

(двойственность): в одних явлениях проявляется его волновая

природа, и он ведет себя как электромагнитная волна, в других

явлениях проявляется корпускулярная природа света, и он ведет

себя как поток фотонов.

Новый радикальный шаг в развитии физики был связан с

распространением корпускулярно-волнового дуализма на

мельчайшие частицы вещества — электроны, протоны, нейтроны и

другие микрообъекты. В классической физике вещество всегда

считалось состоящим из частиц, и потому волновые свойства

казались явно чуждыми ему. Тем удивительнее оказалось открытие

о наличии у микрочастиц волновых свойств, первую гипотезу о

существовании которых высказал в 1924 г. известный французский

ученый Луи де Бройль. "В оптике, — писал он, — в течение

столетия слишком пренебрегали корпускулярным способом

рассмотрения по сравнению с волновым; не делалась ли в теории

вещества обратная ошибка?". Допуская, что частицы вещества

наряду с корпускулярными свойствами имеют также и волновые, де

Бройль перенес на случай частиц вещества те же правила перехода

от одной картины к другой, какие справед-

145

ливы в случае света. По идее де Бройля, движение электрона или

какой-либо другой частицы связано с волновым процессом, с

частотой

Гипотеза де Бройля была вскоре подтверждена

экспериментально в 1927 г. американскими физиками К.

Дэвиссоном и Л. Джермером, впервые обнаружившими явление

дифракции электронов на кристалле никеля, т. е. типично волновую

картину. Формула

называется формулой де Бройля и является одним из соотношений,

лежащих в основе современной физики. Для частицы массой m,

движущейся с малой скоростью

Сочетая в себе свойства частицы и волны, микротела не ведут

себя ни как волны, ни как частицы. Отличие микрочастицы от волны

заключается в том, что она всегда обнаруживается как неделимое

целое. Никто никогда не наблюдал, например, пол-электрона. В то

же время волну можно разделить на части (например, направив

световую волну на полупрозрачное зеркало) и воспринимать затем

каждую часть в отдельности. Отличие микрочастицы от привычной

нам макрочастицы заключается в том, что она не обладает

одновременно определенными значениями координаты и импульса,

вследствие чего понятие траектории применительно к микрочастице

утрачивает смысл.

Своеобразие свойств микрочастиц отчетливее всего

обнаруживается в следующем мысленном эксперименте.

Достоверность наблюдаемого в мысленном эксперименте эффекта

вытекает из наблюдений, полученных в ряде реальных

экспериментов. Направим на преграду с двумя узкими щелями

параллельный пучок моноэнергетических (т. е. обладающих

одинаковой кинетической энергией) электронов (рис. 7.1, а). За

преградой поставим фотопластинку ФП. Вначале закроем вторую

щель и произведем

146

экспонирование в течение определенного времени. Почернение на

обработанной фотопластинке будет характеризоваться кривой 1 на

рис. 7.1, б. Вторую фотопластинку подвергнем экспозиции в течение

того же времени, закрыв первую щель. Характер почернения

передается в этом кривой 2 на рис. 7.1, б. Наконец, откроем обе

щели и подвергнем экспонированию в течение того же времени

третью пластинку. Картина почернения, получающаяся в последнем

случае, изображена на рис. 7.1, в.

Эта картина отнюдь не эквивалентна положению первых двух

картин. Она оказывается аналогичной картине, получающейся при

интерференции двух когерентных световых волн. Характер картины

свидетельствует о том, что на движение каждого электрона

оказывают влияние оба отверстия. Такой вывод несовместим с

представлением о траекториях. Если бы электрон в каждый момент

времени находился в определенной точке пространства и двигался

по траектории, он проходил бы

147

через определенное отверстие — первое или второе. Явление же

дифракции доказывает, что в прохождении каждого электрона

участвуют оба отверстия — и первое, и второе. Не следует, однако,

представлять дело так, что какая-то часть электрона проходит через

одно отверстие, а другая часть — через второе. Мы уже отмечали,

что электрон, как и другие микрочастицы, всегда обнаруживается

как целое, с присущей ему массой, зарядом и другими характерными

для него величинами.

Таким образом, электрон, протон, атомное ядро представляют

собой частицы с весьма своеобразными свойствами. Обычный

шарик, даже и очень малых размеров (макроскопическая частица),

не может служить прообразом микрочастицы. С уменьшением

размеров начинают проявляться качественно новые свойства, не

обнаруживающиеся у микрочастиц. Однако при определенных

условиях понятие траектории оказывается приближенно

применимым к движению микрочастиц, подобно тому, как

оказывается справедливым закон прямолинейного распространения

света. В формуле де Бройля нет ничего специфического для

электрона как определенной частицы. Волновые свойства должны

быть присущи любой частице вещества, имеющей массу m и

скорость . Убедительное доказательство справедливости формулы

де Бройля и наличия волновых свойств у частиц было получено в

опытах по дифракции нейтронов на кристаллах. В ряде случаев с

помощью дифракции нейтронов можно успешнее исследовать

строение веществ, чем с помощью рентгеновских лучей или

электронов.

7.3. Концепция дополнительности

Мы — люди, и наш удел —

познавать таинственные новые

миры и вторгаться в них.

Б. Шоу

Изложенное приводит к выводу о том, что наличие волновых

свойств у движущихся частиц, обладающих массой покоя,

148

представляет универсальное явление, не связанное с какой-либо

спецификой движущейся частицы. В силу такой кажущейся

противоречивости корпускулярных и волновых свойств датский

физик Нильс Бор выдвинул принцип дополнительности для

квантово-механического описания микрообъектов, согласно

которому корпускулярная картина такого описания должна быть

дополнена альтернативным волновым описанием. Действительно, в

одних экспериментах микрочастицы, например электроны, ведут

себя как типичные корпускулы, в других — как волновые структуры.

Таким образом, дуализм микрообъектов, заключающийся в

объединении в одном микрообъекте одновременно волновых и

корпускулярных свойств, представляет собой фундаментальную

характеристику объектов микромира. Опираясь именно на эту

характеристику, мы можем понять и объяснить другие особенности

микромира.

Вторым независимым от формулы де Бройля соотношением,

углубляющим представление о двойственной корпускулярно-

волновой природе вещества, является перенесенная на эти частицы

связь между полной энергией свободной частицы Е и частотой

волн де Бройля: . Волны де Бройля, связанные с

движущимися частицами вещества, имеют специфическую

квантовую природу, не имеющую аналогии в классической физике.

Для понимания физического смысла волн де Бройля существенную

помощь может оказать рассмотренное нами взаимоотношение между

корпускулярными и волновыми свойствами света. Вопрос о природе

волн, связанных с частицами вещества, можно сформулировать как

вопрос о физическом смысле амплитуды этих волн. Вместо

амплитуды А удобнее рассматривать интенсивность волны,

пропорциональную квадрату модуля амплитуды.

Из опытов по дифракции электронов следует, что в этих

экспериментах обнаруживается неодинаковое распределение пучков

электронов по сравнению с другими. С волновой точки зрения

наличие максимумов числа электронов в некоторых направлениях

означает, что эти направления соответствуют наибольшей

интенсивности волн де Бройля. Другими словами,

149