"სილამაზის კონცეფცია სამყაროს გულშია": ფიზიკოსი ხსნის ველის კვანტურ თეორიას. ველის კვანტური თეორია დაარსდა კვანტური თეორია

და რაც მთავარია, ჩვენ უარს ვამბობთ იმაზე, რომ ისინი გამოიყენება მხოლოდ ზოგიერთ რუტინულ სიტუაციებში და სამყაროს სტრუქტურის ასახსნელად ისინი უბრალოდ არასწორი აღმოჩნდებიან.

მიუხედავად იმისა, რომ მსგავსი რამ საუკუნეების წინ გამოხატეს აღმოსავლელმა ფილოსოფოსებმა და მისტიკოსებმა, აინშტაინი იყო პირველი, ვინც ამის შესახებ ისაუბრა დასავლურ მეცნიერებაში. ეს იყო რევოლუცია, რომელიც ჩვენმა ცნობიერებამ არ მიიღო. დათმობით ვიმეორებთ: „ყველაფერი ფარდობითია“, „დრო და სივრცე ერთია“, ყოველთვის გვახსოვდეს, რომ ეს არის ვარაუდი, მეცნიერული აბსტრაქცია, რომელსაც მცირე საერთო აქვს ჩვენს ჩვეულებრივ სტაბილურ რეალობასთან. სინამდვილეში, ეს არის ზუსტად ჩვენი იდეები, რომლებიც ცუდად არის დაკავშირებული რეალობასთან - საოცარი და წარმოუდგენელი.

მას შემდეგ, რაც ატომის სტრუქტურა ზოგადი თვალსაზრისით იქნა აღმოჩენილი და მისი „პლანეტარული“ მოდელის შემოთავაზება, მეცნიერებს მრავალი პარადოქსი შეექმნათ, რის ასახსნელადაც გამოჩნდა ფიზიკის მთელი ფილიალი - კვანტური მექანიკა. ის სწრაფად განვითარდა და დიდ პროგრესს მიაღწია სამყაროს ახსნაში. მაგრამ ამ ახსნა-განმარტებების გაგება იმდენად რთულია, რომ აქამდე ცოტას შეუძლია მათი გაგება, სულ მცირე, ზოგადი თვალსაზრისით.

მართლაც, კვანტური მექანიკის მიღწევების უმეტესობას თან ახლავს ისეთი რთული მათემატიკური აპარატი, რომ მისი თარგმნა არცერთ ადამიანურ ენაზე შეუძლებელია. მათემატიკა, ისევე როგორც მუსიკა, უკიდურესად აბსტრაქტული საგანია და მეცნიერები ჯერ კიდევ იბრძვიან ადეკვატურად გამოხატონ, მაგალითად, ფუნქციების კონვოლუცია ან ფურიეს მრავალგანზომილებიანი სერიების მნიშვნელობა. მათემატიკის ენა მკაცრია, მაგრამ მცირე კავშირი აქვს ჩვენს პირდაპირ აღქმასთან.

უფრო მეტიც, აინშტაინმა მათემატიკურად აჩვენა, რომ ჩვენი ცნებები დროისა და სივრცის შესახებ მოჩვენებითია. სინამდვილეში სივრცე და დრო განუყოფელია და ქმნიან ერთ ოთხგანზომილებიან კონტინიუმს. ძნელად წარმოსადგენია, რადგან ჩვენ მიჩვეული ვართ მხოლოდ სამ განზომილებასთან.

პლანეტარული თეორია. ტალღა ან ნაწილაკი

მე-19 საუკუნის ბოლომდე ატომები განუყოფელ „ელემენტებად“ ითვლებოდა. რადიაციის აღმოჩენამ რეზერფორდს საშუალება მისცა შეაღწია ატომის „გარსის“ ქვეშ და ჩამოაყალიბა მისი სტრუქტურის პლანეტარული თეორია: ატომის ძირითადი ნაწილი კონცენტრირებულია ბირთვში. ბირთვის დადებითი მუხტი კომპენსირდება უარყოფითად დამუხტული ელექტრონებით, რომელთა ზომები იმდენად მცირეა, რომ მათი მასა შეიძლება უგულებელყო. ელექტრონები ბირთვის გარშემო ბრუნავენ მზის გარშემო პლანეტების ბრუნვის მსგავსი ორბიტებში. თეორია ძალიან ლამაზია, მაგრამ არაერთი წინააღმდეგობა ჩნდება.

ჯერ ერთი, რატომ არ "ვარდებიან" უარყოფითად დამუხტული ელექტრონები დადებით ბირთვზე? მეორეც, ბუნებაში ატომები წამში მილიონჯერ ეჯახებიან, რაც მათ ზიანს არ აყენებს - როგორ ავხსნათ მთელი სისტემის საოცარი სიძლიერე? კვანტური მექანიკის ერთ-ერთი „მამის“, ჰაიზენბერგის სიტყვებით, „არც ერთი პლანეტარული სისტემა, რომელიც ემორჩილება ნიუტონის მექანიკის კანონებს, არასოდეს დაუბრუნდება პირვანდელ მდგომარეობას სხვა მსგავს სისტემასთან შეჯახების შემდეგ“.

გარდა ამისა, ბირთვის ზომები, რომელშიც თითქმის მთელი მასა გროვდება, უკიდურესად მცირეა მთელ ატომთან შედარებით. შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ატომი არის სიცარიელე, რომელშიც ელექტრონები ბრუნავენ საშინელი სიჩქარით. ამ შემთხვევაში, ასეთი "ცარიელი" ატომი ძალიან მყარ ნაწილაკად გვევლინება. ამ ფენომენის ახსნა სცილდება კლასიკურ გაგებას. სინამდვილეში, სუბატომურ დონეზე, ნაწილაკების სიჩქარე იზრდება, რაც უფრო შეზღუდულია სივრცე, რომელშიც ის მოძრაობს. ასე რომ, რაც უფრო ახლოს არის ელექტრონი ბირთვთან, მით უფრო სწრაფად მოძრაობს იგი და უფრო მეტად იხევს მისგან. მოძრაობის სიჩქარე იმდენად მაღალია, რომ "გარედან" ატომი "მყარად გამოიყურება", ისევე როგორც მბრუნავი ვენტილატორის პირები ჰგავს დისკს.

მონაცემები, რომლებიც კარგად არ ჯდება კლასიკური მიდგომის ჩარჩოებში, აინშტაინამდე დიდი ხნით ადრე გამოჩნდა. პირველად ასეთი „დუელი“ შედგა ნიუტონსა და ჰაიგენსს შორის, რომლებიც ცდილობდნენ აეხსნათ სინათლის თვისებები. ნიუტონი ამტკიცებდა, რომ ეს იყო ნაწილაკების ნაკადი, ჰაიგენსმა სინათლე ტალღად მიიჩნია. კლასიკური ფიზიკის ფარგლებში მათი პოზიციების შეჯერება შეუძლებელია. ყოველივე ამის შემდეგ, მისთვის ტალღა არის საშუალო ნაწილაკების გადამდები აგზნება, კონცეფცია, რომელიც გამოიყენება მხოლოდ ბევრ ობიექტზე. არცერთ თავისუფალ ნაწილაკს არ შეუძლია გადაადგილება ტალღის მსგავსი ტრაექტორიის გასწვრივ. მაგრამ ელექტრონი მოძრაობს ღრმა ვაკუუმში და მისი მოძრაობები აღწერილია ტალღის მოძრაობის კანონებით. რა არის აქ აღფრთოვანებული, თუ მედიუმი არ არის? კვანტური ფიზიკა გვთავაზობს სოლომონის გადაწყვეტას: სინათლე არის ნაწილაკიც და ტალღაც.

სავარაუდო ელექტრონული ღრუბლები. ბირთვული სტრუქტურა და ბირთვული ნაწილაკები

თანდათან უფრო და უფრო ნათელი ხდებოდა: ატომის ბირთვის გარშემო ორბიტებში ელექტრონების ბრუნვა სრულიად განსხვავდება ვარსკვლავის გარშემო პლანეტების ბრუნისაგან. ტალღური ბუნების მქონე ელექტრონები აღწერილია ალბათობით. ელექტრონზე ვერ ვიტყვით, რომ ის მდებარეობს სივრცის ასეთა და ასეთ წერტილში, შეგვიძლია მხოლოდ დაახლოებით აღვწეროთ, რომელ ზონებში შეიძლება და რა ალბათობით. ბირთვის ირგვლივ ელექტრონები ქმნიან ასეთი ალბათობის „ღრუბლებს“ უმარტივესი სფერულიდან ძალიან უცნაურ ფორმებამდე, მოჩვენებების ფოტოების მსგავსი.

მაგრამ ვისაც სურს საბოლოოდ გაიგოს ატომის სტრუქტურა, უნდა მიმართოს მის საფუძველს, ბირთვის სტრუქტურას. მსხვილ ელემენტარულ ნაწილაკებს, რომლებიც მას ქმნიან - დადებითად დამუხტულ პროტონებს და ნეიტრონებს - ასევე აქვთ კვანტური ბუნება, რაც ნიშნავს, რომ ისინი უფრო სწრაფად მოძრაობენ, რაც უფრო მცირეა მათი მოცულობა. ვინაიდან ბირთვის ზომები ძალიან მცირეა თუნდაც ატომთან შედარებით, ეს ელემენტარული ნაწილაკები საკმაოდ ღირსეული სიჩქარით მოძრაობენ, სინათლის სიჩქარესთან ახლოს. მათი სტრუქტურისა და ქცევის საბოლოო ახსნისთვის დაგვჭირდება "გადაკვეთა" კვანტური თეორიაფარდობითობის თეორიასთან. სამწუხაროდ, ასეთი თეორია ჯერ არ შექმნილა და მოგვიწევს შემოვიფარგლოთ რამდენიმე ზოგადად მიღებული მოდელით.

ფარდობითობის თეორიამ აჩვენა (და ექსპერიმენტებმა დაამტკიცა), რომ მასა ენერგიის მხოლოდ ერთი ფორმაა. ენერგია არის დინამიური რაოდენობა, რომელიც დაკავშირებულია პროცესებთან ან სამუშაოებთან. ამრიგად, ელემენტარული ნაწილაკი უნდა აღიქმებოდეს, როგორც ალბათური დინამიური ფუნქცია, როგორც ურთიერთქმედებები, რომლებიც დაკავშირებულია ენერგიის უწყვეტ ტრანსფორმაციასთან. ეს იძლევა მოულოდნელ პასუხს კითხვაზე, თუ როგორია ელემენტარული ელემენტარული ნაწილაკები და შეიძლება თუ არა მათი დაყოფა „კიდევ უფრო მარტივ“ ბლოკებად. თუ ამაჩქარებელში ორ ნაწილაკს ვაჩქარებთ და შემდეგ შევჯახებთ, მივიღებთ არა ორ, არამედ სამ ნაწილაკს და სრულიად იდენტურ ნაწილაკებს. მესამე უბრალოდ წარმოიქმნება მათი შეჯახების ენერგიიდან - ამდენად, ისინი დაშორდებიან და არა ერთდროულად!

დამკვირვებლის ნაცვლად მონაწილე

სამყაროში, სადაც ცარიელი სივრცისა და იზოლირებული მატერიის ცნებები კარგავს თავის მნიშვნელობას, ნაწილაკი აღწერილია მხოლოდ მისი ურთიერთქმედებით. იმისათვის, რომ რამე ვთქვათ მასზე, ჩვენ მოგვიწევს მისი „გამოტვირთვა“ თავდაპირველი ურთიერთქმედებიდან და, მომზადების შემდეგ, დავემორჩილოთ სხვა ურთიერთქმედებას - გაზომვას. მაშ, რას ვზომავთ საბოლოოდ? და რამდენად ლეგიტიმურია ჩვენი გაზომვები ზოგადად, თუ ჩვენი ჩარევა ცვლის ურთიერთქმედებებს, რომელშიც ნაწილაკი მონაწილეობს - და შესაბამისად ცვლის თავად ნაწილაკს?

ელემენტარული ნაწილაკების თანამედროვე ფიზიკაში სულ უფრო მეტ კრიტიკას იწვევს... თავად მეცნიერ-დამკვირვებლის ფიგურა. უფრო მიზანშეწონილი იქნება მას "მონაწილე" ვუწოდოთ.

დამკვირვებელი-მონაწილე აუცილებელია არა მხოლოდ სუბატომური ნაწილაკების თვისებების გასაზომად, არამედ სწორედ ამ თვისებების დასადგენად, რადგან მათი განხილვა შესაძლებელია მხოლოდ დამკვირვებელთან ურთიერთქმედების კონტექსტში. მას შემდეგ რაც ის აირჩევს მეთოდს, რომლითაც განახორციელებს გაზომვებს და ამის მიხედვით, შესაძლო თვისებებინაწილაკები. თუ შეცვლით დაკვირვების სისტემას, შეიცვლება დაკვირვებული ობიექტის თვისებებიც.

ეს მნიშვნელოვანი წერტილიავლენს ყველა ნივთისა და ფენომენის ღრმა ერთიანობას. თავად ნაწილაკებს, რომლებიც მუდმივად იცვლებიან ერთმანეთში და ენერგიის სხვა ფორმებად, არ აქვთ მუდმივი ან ზუსტი მახასიათებლები - ეს მახასიათებლები დამოკიდებულია იმაზე, თუ როგორ ვირჩევთ მათ დანახვას. თუ თქვენ გჭირდებათ ნაწილაკების ერთი თვისების გაზომვა, მეორე აუცილებლად შეიცვლება. ასეთი შეზღუდვა არ უკავშირდება მოწყობილობების არასრულყოფილებას ან სხვა სრულიად გამოსწორებულ ნივთებს. ეს რეალობის მახასიათებელია. შეეცადეთ ზუსტად გაზომოთ ნაწილაკის პოზიცია და ვერაფერს გეტყვით მისი მოძრაობის მიმართულებისა და სიჩქარის შესახებ - უბრალოდ იმიტომ, რომ მას არ ექნება ისინი. აღწერეთ ნაწილაკის ზუსტი მოძრაობა - მას სივრცეში ვერ ნახავთ. ამრიგად, თანამედროვე ფიზიკა სრულიად მეტაფიზიკური ხასიათის პრობლემებს გვიდგას.

გაურკვევლობის პრინციპი. ადგილი ან იმპულსი, ენერგია ან დრო

ჩვენ უკვე ვთქვით, რომ ჩვენ ვსაუბრობთ სუბატომიური ნაწილაკებიშეუძლებელია კვანტურ სამყაროში ჩვენთვის ზუსტად ნაცნობი ტერმინებით წარმართვა მხოლოდ ალბათობით. ეს, რა თქმა უნდა, არ არის ალბათობა, რაზეც ადამიანები საუბრობენ დოღზე ფსონების დადებისას, არამედ ელემენტარული ნაწილაკების ფუნდამენტური თვისებაა. ეს არ არის ის, რომ ისინი არსებობენ, არამედ მათ შეუძლიათ არსებობა. ეს არ არის ის, რომ მათ აქვთ მახასიათებლები, არამედ ის, რომ მათ შეუძლიათ ჰქონდეთ ისინი. მეცნიერულად რომ ვთქვათ, ნაწილაკი არის დინამიური ალბათური წრე და მისი ყველა თვისება მუდმივ მოძრავ წონასწორობაშია, დაბალანსებულია, როგორც იინი და იანგი ძველ ჩინურ სიმბოლოში, ტაი ჩიში.

ტყუილად არ არის, რომ ნობელის პრემიის ლაურეატმა ნილს ბორმა, კეთილშობილების რანგში ამაღლებულმა, სწორედ ეს ნიშანი და დევიზი აირჩია თავისი გერბისთვის: „საპირისპიროები ავსებენ ერთმანეთს“. მათემატიკურად, ალბათობის განაწილება წარმოადგენს არათანაბარ ტალღის რხევებს. რაც უფრო დიდია ტალღის ამპლიტუდა გარკვეულ ადგილას, მით უფრო მაღალია ნაწილაკების იქ არსებობის ალბათობა. უფრო მეტიც, მისი სიგრძე არ არის მუდმივი - მიმდებარე თხემებს შორის მანძილი არ არის იგივე და რაც უფრო მაღალია ტალღის ამპლიტუდა, მით უფრო დიდია განსხვავება მათ შორის. მიუხედავად იმისა, რომ ამპლიტუდა შეესაბამება ნაწილაკების პოზიციას სივრცეში, ტალღის სიგრძე დაკავშირებულია ნაწილაკების იმპულსთან, ანუ მისი მოძრაობის მიმართულებასთან და სიჩქარესთან. რაც უფრო დიდია ამპლიტუდა (რაც უფრო ზუსტად შეიძლება ნაწილაკის ლოკალიზება სივრცეში), მით უფრო გაურკვეველი ხდება ტალღის სიგრძე (მით ნაკლები შეიძლება ითქვას ნაწილაკების იმპულსზე). თუ ჩვენ შეგვიძლია განვსაზღვროთ ნაწილაკების პოზიცია უკიდურესი სიზუსტით, მას საერთოდ არ ექნება გარკვეული იმპულსი.

ეს ფუნდამენტური თვისება მათემატიკურად მიღებულია ტალღების თვისებებიდან და ეწოდება გაურკვევლობის პრინციპი. პრინციპი ასევე ვრცელდება ელემენტარული ნაწილაკების სხვა მახასიათებლებზე. კიდევ ერთი ასეთი ურთიერთდაკავშირებული წყვილი არის კვანტური პროცესების ენერგია და დრო. რაც უფრო სწრაფია პროცესი, მით უფრო გაურკვეველია მასში ჩართული ენერგიის რაოდენობა და პირიქით - ენერგიის ზუსტად დახასიათება შესაძლებელია მხოლოდ საკმარისი ხანგრძლივობის პროცესისთვის.

ასე რომ, ჩვენ გვესმის: ნაწილაკზე რაიმეს თქმა არ შეიძლება. ის მოძრაობს ამ გზით, ან არა იქ, უფრო სწორად, არც აქ და არც იქ. მისი მახასიათებლებია ესა თუ ის, უფრო სწორად, არა ესა თუ ის. აქ არის, მაგრამ შეიძლება იქ იყოს, ან არსად არ იყოს. ისე კი არსებობს?

ველის კვანტური თეორიის ძირითადი პრინციპები: 1). ვაკუუმის მდგომარეობა. არარელატივისტური კვანტური მექანიკა საშუალებას გვაძლევს შევისწავლოთ ელემენტარული ნაწილაკების მუდმივი რაოდენობის ქცევა. ველის კვანტური თეორია ითვალისწინებს ელემენტარული ნაწილაკების დაბადებას და შთანთქმას ან განადგურებას. ამრიგად, ველის კვანტური თეორია შეიცავს ორ ოპერატორს: შექმნის ოპერატორს და ელემენტარული ნაწილაკების განადგურების ოპერატორს. ველის კვანტური თეორიის მიხედვით, შეუძლებელია მდგომარეობა, სადაც არც ველია და არც ნაწილაკები. ვაკუუმი არის ველი მისი ყველაზე დაბალი ენერგიის მდგომარეობაში. ვაკუუმი ხასიათდება არა დამოუკიდებელი, დაკვირვებადი ნაწილაკებით, არამედ ვირტუალური ნაწილაკებით, რომლებიც ჩნდება და შემდეგ ქრება გარკვეული პერიოდის შემდეგ. 2.) ელემენტარული ნაწილაკების ურთიერთქმედების ვირტუალური მექანიზმი. ელემენტარული ნაწილაკები ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან ველების შედეგად, მაგრამ თუ ნაწილაკი არ ცვლის თავის პარამეტრებს, ის ვერ ასხივებს ან შთანთქავს ურთიერთქმედების რეალურ კვანტს, ისეთ ენერგიას და იმპულსს და დროთა და მანძილით, რომლებიც განისაზღვრება ურთიერთობები ∆E∙∆t≥ħ, ∆рх∙∆х≥ħ(კვანტური მუდმივი) განუსაზღვრელობის მიმართება. ვირტუალური ნაწილაკების ბუნება ისეთია, რომ ისინი გარკვეული დროის შემდეგ ჩნდებიან, ქრება ან შეიწოვება. ამერ. ფიზიკოსმა ფეინმანმა შეიმუშავა გრაფიკული გზა ელემენტარული ნაწილაკების ურთიერთქმედების გამოსახვისთვის ვირტუალურ კვანტებთან:

თავისუფალი ნაწილაკების ვირტუალური კვანტის ემისია და შთანთქმა

ორი ელემენტის ურთიერთქმედება. ნაწილაკები ერთი ვირტუალური კვანტის საშუალებით.

ორი ელემენტის ურთიერთქმედება. ნაწილაკები ორი ვირტუალური კვანტის საშუალებით.

ნახ. გრაფიკული ნაწილაკების გამოსახულება, მაგრამ არა მათი ტრაექტორია.

3.) კვანტური ობიექტების ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებელია სპინი. ეს არის ნაწილაკის საკუთარი კუთხოვანი იმპულსი და თუ ზედა კუთხური იმპულსი ემთხვევა ბრუნვის ღერძის მიმართულებას, მაშინ ტრიალი არ განსაზღვრავს რაიმე კონკრეტულ სასურველ მიმართულებას. სპინი ადგენს მიმართულებას, მაგრამ ალბათობით. სპინი არსებობს ისეთი ფორმით, რომლის ვიზუალიზაცია შეუძლებელია. სპინი აღინიშნება s=I∙ħ-ით და მე ვიღებ ორივე მთელ რიცხვს I=0,1,2,... და ნახევრად რიცხვით მნიშვნელობებს I = ½, 3/2, 5/2, ... კლასიკურ ფიზიკაში იდენტური ნაწილაკები სივრცით არ განსხვავდებიან, რადგან იკავებს სივრცის ერთსა და იმავე უბანს, სივრცის ნებისმიერ რეგიონში ნაწილაკის პოვნის ალბათობა განისაზღვრება ტალღის ფუნქციის მოდულის კვადრატით. ტალღის ფუნქცია ψ არის ყველა ნაწილაკების მახასიათებელი. ‌‌. შეესაბამება ტალღური ფუნქციების სიმეტრიას, როდესაც 1 და 2 ნაწილაკები იდენტურია და მათი მდგომარეობა ერთნაირია. ტალღური ფუნქციების ანტისიმეტრიის შემთხვევა, როდესაც 1 და 2 ნაწილაკები ერთმანეთის იდენტურია, მაგრამ განსხვავდებიან ერთ-ერთი კვანტური პარამეტრით. მაგალითად: ტრიალი. პავლეს გამორიცხვის პრინციპის მიხედვით, ნახევრად მთელი რიცხვის სპინის მქონე ნაწილაკები არ შეიძლება იყვნენ ერთსა და იმავე მდგომარეობაში. ეს პრინციპი საშუალებას გვაძლევს აღვწეროთ ატომებისა და მოლეკულების ელექტრონული გარსების სტრუქტურა. იმ ნაწილაკებს, რომლებსაც აქვთ მთელი სპინი, ეწოდება ბოზონები. I =0 პი მეზონებისთვის; I =1 ფოტონებისთვის; I = 2 გრავიტონებისთვის. ნახევრად რიცხვითი სპინის მქონე ნაწილაკები ეწოდება ფერმიონები. ელექტრონისთვის, პოზიტრონი, ნეიტრონი, პროტონისთვის, I = ½. 4) იზოტოპური სპინი. ნეიტრონის მასა მხოლოდ 0,1%-ით აღემატება პროტონის მასას, თუ ელექტრული მუხტის აბსტრაქციას (იგნორირებას მოვახდენთ), მაშინ ეს ორი ნაწილაკი შეიძლება ჩაითვალოს ერთი და იგივე ნაწილაკების ორ მდგომარეობად; ანალოგიურად, არსებობს მეზონები, მაგრამ ეს არის არა სამი დამოუკიდებელი ნაწილაკი, არამედ ერთი და იგივე ნაწილაკის სამი მდგომარეობა, რომლებსაც უბრალოდ პი - მეზონი ეწოდება. ნაწილაკების სირთულის ან სიმრავლის გასათვალისწინებლად შემოღებულია პარამეტრი, რომელსაც იზოტოპური სპინი ეწოდება. იგი განისაზღვრება ფორმულიდან n = 2I+1, სადაც n არის ნაწილაკების მდგომარეობების რაოდენობა, მაგალითად ნუკლეონისთვის n=2, I=1/2. იზოსპინის პროექცია დანიშნულია Iз = -1/2; Iз = ½, ე.ი. პროტონი და ნეიტრონი ქმნიან იზოტოპურ ორეულს. Pi მეზონებისთვის მდგომარეობების რაოდენობა = 3, ანუ n=3, I =1, Iз=-1, Iз=0, Iз=1. 5) ნაწილაკების კლასიფიკაცია: ელემენტარული ნაწილაკების ყველაზე მნიშვნელოვანი მახასიათებელია დასვენების მასა, ამის საფუძველზე ნაწილაკები იყოფა ბარიონებად (ტრანს. მძიმე), მეზონებად (ბერძნულიდან: საშუალო), ლეპტონებად (ბერძნულიდან: მსუბუქი). ურთიერთქმედების პრინციპის მიხედვით, ბარიონები და მეზონები ასევე მიეკუთვნებიან ჰადრონების კლასს (ბერძნულიდან ძლიერი), რადგან ეს ნაწილაკები მონაწილეობენ ძლიერ ურთიერთქმედებაში. ბარიონებს მიეკუთვნება: პროტონები, ნეიტრონები, ჰიპერონები, ამ ნაწილაკებიდან, მხოლოდ პროტონია სტაბილური, ყველა ბარიონი არის ფერმიონები, მეზონები არის ბოზონები, არასტაბილური ნაწილაკებია, მონაწილეობენ ყველა სახის ურთიერთქმედებაში, ისევე როგორც ბარიონები, ლეპტონებს მიეკუთვნება: ელექტრონი, ნეიტრონი, ეს ნაწილაკები ფერმიონებია და არ მონაწილეობენ ძლიერ ურთიერთქმედებებში. განსაკუთრებით გამოირჩევა ფოტონი, რომელიც არ მიეკუთვნება ლეპტონებს და ასევე არ მიეკუთვნება ჰადრონების კლასს. მისი სპინი = 1 და დასვენების მასა = 0. ზოგჯერ ურთიერთქმედების კვანტები კლასიფიცირდება სპეციალურ კლასად, მეზონი არის სუსტი ურთიერთქმედების კვანტი, ხოლო გლუონი არის გრავიტაციული ურთიერთქმედების კვანტი. ზოგჯერ კვარკები კლასიფიცირდება სპეციალურ კლასად, რომელთა წილადი ელექტრული მუხტი ტოლია ელექტრული მუხტის 1/3 ან 2/3. 6) ურთიერთქმედების სახეები. 1865 წელს შეიქმნა ელექტროენერგიის თეორია მაგნიტური ველი(მაქსველი). 1915 წელს აინშტაინმა შექმნა გრავიტაციული ველის თეორია. ძლიერი და სუსტი ურთიერთქმედებების აღმოჩენა მე-20 საუკუნის პირველი მესამედით თარიღდება. ნუკლეონები ბირთვში მჭიდროდ არიან შეკრული ძლიერი ურთიერთქმედებით, რომელსაც ძლიერი ეწოდება. 1934 წელს ფერმეტმა შექმნა სუსტი ურთიერთქმედების პირველი თეორია, რომელიც საკმარისად ადეკვატური იყო ექსპერიმენტული კვლევისთვის. ეს თეორია წარმოიშვა რადიოაქტიურობის აღმოჩენის შემდეგ, საჭირო იყო ვივარაუდოთ, რომ მცირე ურთიერთქმედებები წარმოიქმნება ატომის ბირთვებში, რაც იწვევს მძიმე ქიმიური ელემენტების სპონტანურ დაშლას, როგორიცაა ურანი, და სხივების გამოსხივება. სუსტი ურთიერთქმედების თვალსაჩინო მაგალითია ნეიტრონული ნაწილაკების შეღწევა მიწაში, ხოლო ნეიტრონებს აქვთ ბევრად უფრო მოკრძალებული შეღწევის უნარი, ისინი ინარჩუნებენ ტყვიის ფურცელს რამდენიმე სანტიმეტრის სისქით. ძლიერი: ელექტრომაგნიტური. სუსტი: გრავიტაციული = 1: 10-2: 10-10: 10-38. განსხვავება ელექტრომაგნიტურს შორის და გრავიტაციული ურთიერთქმედება არის ის, რომ ისინი შეუფერხებლად მცირდება მანძილის მატებასთან ერთად. ძლიერი და სუსტი ურთიერთქმედება შემოიფარგლება ძალიან მცირე მანძილზე: 10-16 სმ სუსტისთვის, 10-13 სმ ძლიერისთვის. მაგრამ მანძილზე< 10-16 см слабые взаимодействия уже не являются малоинтенсивными, на расстоянии 10-8 см господствуют ელექტრომაგნიტური ძალები. ჰადრონები ურთიერთქმედებენ კვარკების გამოყენებით. კვარკებს შორის ურთიერთქმედების მატარებლები არიან გლუონები. ძლიერი ურთიერთქმედება ჩნდება 10-13 სმ დისტანციებზე, ანუ გლუონები მოკლე დიაპაზონია და შეუძლიათ ასეთ დისტანციებზე მიღწევა. სუსტი ურთიერთქმედებები ხორციელდება ჰიგსის ველების გამოყენებით, როდესაც ურთიერთქმედება გადადის კვანტების გამოყენებით, რომლებსაც უწოდებენ W+, W- - ბოზონებს, ასევე ნეიტრალურ Z0 - ბოზონებს (1983). 7) ატომის ბირთვების დაშლა და სინთეზი. ატომების ბირთვები შედგება პროტონებისგან, რომლებიც აღინიშნება Z-ით, ხოლო ნეიტრონები N-ით, ნუკლეონების საერთო რაოდენობა აღინიშნება ასოთი - A. A = Z + N. ბირთვიდან ნუკლეონის ამოსაღებად საჭიროა ენერგიის დახარჯვა, ამიტომ ბირთვის ჯამური მასა და ენერგია ნაკლებია მისი ყველა კომპონენტის ვირისა და ენერგიის ჯამზე. ენერგეტიკული განსხვავებას ეწოდება შებოჭვის ენერგია: Eb=(Zmp+Nmn-M)c2 ბირთვში არსებული ნუკლეონების შებოჭვის ენერგია – Eb. ნუკლეონზე გამავალ შეკავშირების ენერგიას ეწოდება სპეციფიკური შებოჭვის ენერგია (Eb/A). სპეციფიკური შებოჭვის ენერგია იღებს მაქსიმალურ მნიშვნელობას რკინის ატომების ბირთვებისთვის. რკინის შემდეგ ელემენტებში ხდება ნუკლეონის მატება და ყოველი ნუკლეონი სულ უფრო მეტ მეზობელს იძენს. ძლიერი ურთიერთქმედება მოკლე დიაპაზონია, ეს იწვევს იმ ფაქტს, რომ ნუკლეონების ზრდით და ნუკლეონების მნიშვნელოვანი ზრდით, ქიმიური ელემენტი მიდრეკილია დაშლისკენ (ბუნებრივი რადიოაქტიურობა). დავწეროთ ის რეაქციები, რომლებშიც გამოიყოფა ენერგია: 1. ნუკლეონების დიდი რაოდენობით ბირთვების დაშლის დროს: n+U235→ U236→139La+95Mo+2n ნელა მოძრავი ნეიტრონი შეიწოვება U235-ით (ურანი), რის შედეგადაც წარმოიქმნება U236, რომელიც იყოფა 2 ბირთვად La(ლაპტამი) და Mo(მოლიბდენი), რომლებიც მიფრინავს წარმოიქმნება მაღალი სიჩქარე და 2 ნეიტრონი, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს 2 ასეთი რეაქცია. რეაქცია იღებს ჯაჭვურ ხასიათს ისე, რომ საწყისი საწვავის მასა აღწევს კრიტიკულ მასას.2. მსუბუქი ბირთვების შერწყმის რეაქცია.d2+d=3H+n, თუ ადამიანებს შეეძლოთ ბირთვების სტაბილური შერწყმა უზრუნველეყოთ ენერგეტიკული პრობლემებისგან. ოკეანის წყალში შემავალი დეიტერიუმი არის იაფის ამოუწურავი წყარო ბირთვული საწვავი, ხოლო მსუბუქი ელემენტების სინთეზს არ ახლავს ინტენსიური რადიოაქტიური მოვლენები, როგორც ურანის ბირთვების დაშლის დროს.

კეთილი იყოს თქვენი მობრძანება ბლოგზე! ძალიან მიხარია შენი ნახვა!

ალბათ ბევრჯერ გსმენიათ კვანტური ფიზიკისა და კვანტური მექანიკის აუხსნელი საიდუმლოებების შესახებ. მისი კანონები ხიბლავს მისტიკით და თავად ფიზიკოსებიც კი აღიარებენ, რომ მათ ბოლომდე არ ესმით. ერთი მხრივ, საინტერესოა ამ კანონების გაგება, მაგრამ, მეორე მხრივ, დრო არ არის ფიზიკაზე მრავალტომიანი და რთული წიგნების წასაკითხად. ძალიან მესმის თქვენი, რადგან მეც მიყვარს ცოდნა და სიმართლის ძიება, მაგრამ ყველა წიგნისთვის დრო არ არის საკმარისი. თქვენ მარტო არ ხართ, ბევრი ცნობისმოყვარე ადამიანი იბარებს: "კვანტური ფიზიკა დუმებისთვის, კვანტური მექანიკა დუმებისთვის, კვანტური ფიზიკა დამწყებთათვის, კვანტური მექანიკა დამწყებთათვის, კვანტური ფიზიკის საფუძვლები, კვანტური მექანიკის საფუძვლები, კვანტური ფიზიკა ბავშვებისთვის, რა არის კვანტური მექანიკა." ეს პუბლიკაცია ზუსტად თქვენთვისაა.

თქვენ გაიგებთ კვანტური ფიზიკის ძირითად ცნებებსა და პარადოქსებს. სტატიიდან შეიტყობთ:

• რა არის ჩარევა?
• რა არის სპინი და სუპერპოზიცია?
• რა არის "გაზომვა" ან "ტალღის ფუნქციის კოლაფსი"?
• რა არის Quantum Entanglement (ან კვანტური ტელეპორტაცია დუმებისთვის)? (იხილეთ სტატია)
• რა არის შრედინგერის კატის სააზროვნო ექსპერიმენტი? (იხილეთ სტატია)

რა არის კვანტური ფიზიკა და კვანტური მექანიკა?

კვანტური მექანიკა კვანტური ფიზიკის ნაწილია.

რატომ არის ასე რთული ამ მეცნიერებების გაგება? პასუხი მარტივია: კვანტური ფიზიკა და კვანტური მექანიკა (კვანტური ფიზიკის ნაწილი) სწავლობენ მიკროსამყაროს კანონებს. და ეს კანონები აბსოლუტურად განსხვავდება ჩვენი მაკროკოსმოსის კანონებისგან. ამიტომ, ჩვენთვის ძნელი წარმოსადგენია, რა ემართებათ ელექტრონებსა და ფოტონებს მიკროსამყაროში.

მაკრო და მიკროსამყაროს კანონებს შორის განსხვავების მაგალითი: ჩვენს მაკროსამყაროში, თუ თქვენ ჩადებთ ბურთს 2 ყუთიდან ერთში, მაშინ ერთი მათგანი ცარიელი იქნება, მეორეს კი ბურთი ექნება. მაგრამ მიკროსამყაროში (თუ ბურთის ნაცვლად ატომია), ატომი შეიძლება იყოს ერთდროულად ორ ყუთში. ეს არაერთხელ დადასტურდა ექსპერიმენტულად. ძნელი არ არის ამის გარშემო თავის შემოხვევა? მაგრამ ფაქტებთან კამათი არ შეიძლება.

კიდევ ერთი მაგალითი.თქვენ გადაიღეთ სწრაფი სარბოლო წითელი სპორტული მანქანის ფოტო და ფოტოზე დაინახეთ ბუნდოვანი ჰორიზონტალური ზოლი, თითქოს მანქანა ფოტოს გადაღების დროს სივრცეში რამდენიმე წერტილში მდებარეობდა. მიუხედავად იმისა, რასაც ფოტოზე ხედავთ, მაინც დარწმუნებული ხართ, რომ მანქანა იმ წამს მდებარეობდა, როცა გადაიღეთ. სივრცეში ერთ კონკრეტულ ადგილას. მიკრო სამყაროში ყველაფერი სხვაგვარადაა. ელექტრონი, რომელიც ბრუნავს ატომის ბირთვის გარშემო, სინამდვილეში არ ბრუნავს, მაგრამ მდებარეობს ერთდროულად სფეროს ყველა წერტილშიატომის ბირთვის გარშემო. როგორც ფუმფულა მატყლის თავისუფლად დაჭრილი ბურთი. ამ ცნებას ფიზიკაში ე.წ "ელექტრონული ღრუბელი" .

მოკლე ექსკურსია ისტორიაში.მეცნიერები პირველად ფიქრობდნენ კვანტურ სამყაროზე, როდესაც 1900 წელს გერმანელი ფიზიკოსი მაქს პლანკი ცდილობდა გაერკვია, რატომ იცვლებიან ლითონები ფერს გაცხელებისას. სწორედ მან შემოიტანა კვანტური ცნება. მანამდე მეცნიერები ფიქრობდნენ, რომ სინათლე განუწყვეტლივ მოგზაურობდა. პირველი ადამიანი, ვინც პლანკის აღმოჩენა სერიოზულად მიიღო, იყო მაშინ უცნობი ალბერტ აინშტაინი. მან გააცნობიერა, რომ სინათლე არ არის მხოლოდ ტალღა. ხანდახან ნაწილაკივით იქცევა. აინშტაინმა მიიღო ნობელის პრემიამისი აღმოჩენისთვის, რომ სინათლე გამოიყოფა ნაწილებად, კვანტებად. სინათლის კვანტს ფოტონი ეწოდება ( ფოტონი, ვიკიპედია) .

კვანტური კანონების გასაადვილებლად ფიზიკოსებიდა მექანიკა (ვიკიპედია)ჩვენ, გარკვეული გაგებით, აბსტრაცია უნდა მივიღოთ კლასიკური ფიზიკის ჩვენთვის ნაცნობი კანონებიდან. და წარმოიდგინეთ, რომ ალისავით ჩაყვინთეთ კურდღლის ხვრელში, საოცრებათა ქვეყანაში.

და აქ არის მულტფილმი ბავშვებისთვის და მოზრდილებისთვის.აღწერს კვანტური მექანიკის ფუნდამენტურ ექსპერიმენტს 2 ჭრილით და დამკვირვებლით. გრძელდება მხოლოდ 5 წუთი. უყურეთ სანამ ჩავუღრმავდებით კვანტური ფიზიკის ფუნდამენტურ კითხვებსა და ცნებებს.

კვანტური ფიზიკა დუმებისთვის ვიდეო. მულტფილმში ყურადღება მიაქციეთ დამკვირვებლის „თვალს“. ის ფიზიკოსებისთვის სერიოზულ საიდუმლოდ იქცა.

რა არის ჩარევა?

მულტფილმის დასაწყისში, სითხის მაგალითის გამოყენებით, ნაჩვენები იყო, თუ როგორ იქცევა ტალღები - მონაცვლეობითი მუქი და ღია ვერტიკალური ზოლები ჩნდება ეკრანზე ნაპრალებიანი ფირფიტის უკან. ხოლო იმ შემთხვევაში, როდესაც დისკრეტული ნაწილაკები (მაგალითად, კენჭები) თეფშზე "გასროლილია", ისინი დაფრინავენ 2 ჭრილში და ეშვებიან ეკრანზე პირდაპირ ჭრილების მოპირდაპირედ. და ისინი "ხატავენ" მხოლოდ 2 ვერტიკალურ ზოლს ეკრანზე.

სინათლის ჩარევა- ეს არის სინათლის "ტალღური" ქცევა, როდესაც ეკრანზე ჩანს მრავალი მონაცვლეობითი ნათელი და მუქი ვერტიკალური ზოლები. ასევე ეს ვერტიკალური ზოლები ე.წ. ჩარევის ნიმუში.

ჩვენს მაკროკოსმოსში ხშირად ვაკვირდებით, რომ სინათლე ტალღის მსგავსად იქცევა. თუ ხელს სანთლის წინ მოათავსებთ, მაშინ კედელზე არ იქნება მკაფიო ჩრდილი თქვენი ხელიდან, არამედ ბუნდოვანი კონტურებით.

ასე რომ, ყველაფერი არც ისე რთულია! ჩვენთვის ახლა სრულიად ნათელია, რომ სინათლეს აქვს ტალღური ბუნება და თუ 2 ჭრილი განათებულია შუქით, მაშინ მათ უკან ეკრანზე დავინახავთ ჩარევის ნიმუშს.

ახლა გადავხედოთ მე-2 ექსპერიმენტს. ეს არის ცნობილი შტერნ-გერლახის ექსპერიმენტი (რომელიც გასული საუკუნის 20-იან წლებში ჩატარდა).

მაგრამ... შედეგი განსაცვიფრებელი იყო. მეცნიერებმა დაინახეს ჩარევის ნიმუში - ბევრი ვერტიკალური ზოლი. ანუ, ელექტრონებს, ისევე როგორც სინათლეს, ასევე შეიძლება ჰქონდეთ ტალღური ბუნება და შეუძლიათ ჩაერიონ. მეორეს მხრივ, გაირკვა, რომ სინათლე არის არა მხოლოდ ტალღა, არამედ პატარა ნაწილაკი - ფოტონი (საწყისიდან ისტორიული ინფორმაციასტატიის დასაწყისში გავიგეთ, რომ აინშტაინმა მიიღო ნობელის პრემია ამ აღმოჩენისთვის).

იქნებ გახსოვთ, სკოლაში ფიზიკაში გვითხრეს "ტალღა-ნაწილაკების ორმაგობა"? ეს ნიშნავს, რომ როდესაც ვსაუბრობთ მიკროკოსმოსის ძალიან მცირე ნაწილაკებზე (ატომები, ელექტრონები), მაშინ ისინი ორივე ტალღები არიან და ნაწილაკები

დღეს მე და შენ ძალიან ჭკვიანები ვართ და გვესმის, რომ ზემოთ აღწერილი 2 ექსპერიმენტი - ელექტრონებით სროლა და შუქით ჭრილების განათება - იგივეა. იმიტომ, რომ ჩვენ კვანტურ ნაწილაკებს ვსროლავთ ჭრილებში. ჩვენ ახლა ვიცით, რომ სინათლეც და ელექტრონებიც კვანტური ხასიათისაა, რომ ისინი ერთდროულად ტალღებიც არიან და ნაწილაკებიც. და მე-20 საუკუნის დასაწყისში ამ ექსპერიმენტის შედეგები სენსაცია იყო.

ყურადღება! ახლა გადავიდეთ უფრო დახვეწილ საკითხზე.

ჩვენ ვანათებთ ფოტონების (ელექტრონების) ნაკადს ჩვენს ჭრილებზე და ვხედავთ ინტერფერენციის ნიმუშს (ვერტიკალური ზოლები) ეკრანზე ჭრილების უკან. ეს გასაგებია. მაგრამ ჩვენ გვაინტერესებს ვნახოთ, როგორ დაფრინავს თითოეული ელექტრონი ჭრილში.

სავარაუდოდ, ერთი ელექტრონი მიფრინავს მარცხენა ჭრილში, მეორე კი მარჯვნივ. მაგრამ შემდეგ 2 ვერტიკალური ზოლი უნდა გამოჩნდეს ეკრანზე პირდაპირ სლოტების საპირისპიროდ. რატომ ჩნდება ჩარევის ნიმუში? შესაძლოა, ელექტრონები როგორღაც ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან უკვე ეკრანზე ჭრილებში გაფრენის შემდეგ. და შედეგი არის ასეთი ტალღის ნიმუში. როგორ შეგვიძლია თვალყური ადევნოთ ამას?

ელექტრონებს ჩავყრით არა სხივში, არამედ სათითაოდ. გადავაგდოთ, დაველოდოთ, გადავაგდოთ შემდეგი. ახლა, როდესაც ელექტრონი მარტო დაფრინავს, ის ვეღარ შეძლებს სხვა ელექტრონებთან ურთიერთქმედებას ეკრანზე. ჩვენ ჩავწერთ თითოეულ ელექტრონს ეკრანზე გასროლის შემდეგ. ერთი-ორი, რა თქმა უნდა, არ „დაგვიხატავს“ ნათელ სურათს. მაგრამ როცა ბევრ მათგანს გავგზავნით ჭრილებში ერთდროულად, შევამჩნევთ... ოჰ საშინელება - მათ კვლავ „დახატეს“ ჩარევის ტალღის ნიმუში!

ნელ-ნელა გიჟობას ვიწყებთ. ყოველივე ამის შემდეგ, ჩვენ ველოდით, რომ სლოტების საპირისპიროდ იქნებოდა 2 ვერტიკალური ზოლი! თურმე, როცა ერთ დროს ვყრიდით ფოტონებს, თითოეულმა მათგანმა გაიარა, თითქოსდა, ერთდროულად 2 ჭრილში და თავისთავად ერეოდა.

ფანტასტიკური! მოდით დავუბრუნდეთ ამ ფენომენის ახსნას შემდეგ ნაწილში.

ახლა ჩვენ ვიცით რა არის ჩარევა. ეს არის მიკრო ნაწილაკების ტალღური ქცევა - ფოტონები, ელექტრონები, სხვა მიკრო ნაწილაკები (სიმარტივისთვის მათ ამიერიდან ფოტონები ვუწოდოთ).

ექსპერიმენტის შედეგად, როდესაც 1 ფოტონი ჩავყარეთ 2 ჭრილში, მივხვდით, რომ თითქოს ერთდროულად დაფრინავდა ორ ჭრილში. წინააღმდეგ შემთხვევაში, როგორ შეგვიძლია ავხსნათ ინტერფერენციის ნიმუში ეკრანზე?

მაგრამ როგორ წარმოვიდგინოთ ფოტონი, რომელიც ერთდროულად ორ ჭრილში გაფრინდება? არის 2 ვარიანტი.

• 1 ვარიანტი:ფოტონი, ტალღის მსგავსად (წყლის მსგავსად) ერთდროულად 2 ჭრილში „ცურავს“
• მე-2 ვარიანტი:ფოტონი, როგორც ნაწილაკი, ერთდროულად დაფრინავს 2 ტრაექტორიის გასწვრივ (ორი კი არა, ერთდროულად)

პრინციპში, ეს განცხადებები ექვივალენტურია. მივედით "გზა განუყოფელთან". ეს არის რიჩარდ ფეინმანის კვანტური მექანიკის ფორმულირება.

სხვათა შორის, ზუსტად რიჩარდ ფეინმანიეკუთვნის ცნობილი გამოთქმა, რა თამამად შეგვიძლია ვთქვათ, რომ არავის ესმის კვანტური მექანიკა

მაგრამ მისი ეს გამოთქმა საუკუნის დასაწყისში მუშაობდა. მაგრამ ახლა ჩვენ ჭკვიანები ვართ და ვიცით, რომ ფოტონს შეუძლია მოიქცეს როგორც ნაწილაკად, ასევე ტალღად. რომ მას შეუძლია ჩვენთვის რაღაცნაირად გაუგებარი ფრენა ერთდროულად 2 ჭრილში. აქედან გამომდინარე, ჩვენთვის ადვილი იქნება კვანტური მექანიკის შემდეგი მნიშვნელოვანი განცხადების გაგება:

მკაცრად რომ ვთქვათ, კვანტური მექანიკა გვეუბნება, რომ ფოტონის ეს ქცევა წესია და არა გამონაკლისი. ნებისმიერი კვანტური ნაწილაკი, როგორც წესი, იმყოფება რამდენიმე მდგომარეობაში ან სივრცის რამდენიმე წერტილში ერთდროულად.

მაკრო სამყაროს ობიექტები შეიძლება იყოს მხოლოდ ერთ კონკრეტულ ადგილას და ერთ კონკრეტულ მდგომარეობაში. მაგრამ კვანტური ნაწილაკი არსებობს თავისი კანონების მიხედვით. და მას არც კი აინტერესებს, რომ ჩვენ არ გვესმის მათი. ამაშია საქმე.

ჩვენ უბრალოდ უნდა მივიღოთ, როგორც აქსიომა, რომ კვანტური ობიექტის „სუპერპოზიცია“ ნიშნავს, რომ ის შეიძლება იყოს 2 ან მეტ ტრაექტორიაზე ერთდროულად, 2 ან მეტ წერტილში ერთდროულად.

იგივე ეხება სხვა ფოტონის პარამეტრს - სპინს (საკუთარი კუთხური იმპულსი). სპინი არის ვექტორი. კვანტური ობიექტი შეიძლება მივიჩნიოთ როგორც მიკროსკოპული მაგნიტი. ჩვენ მიჩვეულები ვართ, რომ მაგნიტის ვექტორი (სპინი) არის მიმართული ზემოთ ან ქვემოთ. მაგრამ ელექტრონი ან ფოტონი კვლავ გვეუბნება: ”ბიჭებო, ჩვენ არ გვაინტერესებს რას მიჩვეული ხართ, ჩვენ შეგვიძლია ვიყოთ ორივე სპინის მდგომარეობაში ერთდროულად (ვექტორი ზემოთ, ვექტორი ქვემოთ), ისევე როგორც ჩვენ შეგვიძლია ვიყოთ 2 ტრაექტორიაზე. ერთსა და იმავე დროს ან 2 ქულაზე ერთდროულად!

რა არის "გაზომვა" ან "ტალღის ფუნქციის კოლაფსი"?

ცოტა დაგვრჩა იმის გასაგებად, თუ რა არის „გაზომვა“ და რა არის „ტალღური ფუნქციის კოლაფსი“.

ტალღის ფუნქციაარის კვანტური ობიექტის (ჩვენი ფოტონის ან ელექტრონის) მდგომარეობის აღწერა.

დავუშვათ, ჩვენ გვაქვს ელექტრონი, ის თავისკენ მიფრინავს განუსაზღვრელ მდგომარეობაში მისი ტრიალი ერთდროულად მიმართულია ზევით და ქვევით. ჩვენ უნდა გავზომოთ მისი მდგომარეობა.

მოდით გავზომოთ მაგნიტური ველის გამოყენებით: ელექტრონები, რომელთა სპინი მიმართული იყო ველის მიმართულებით, გადაიხრება ერთი მიმართულებით, ხოლო ელექტრონები, რომელთა სპინი მიმართულია ველის წინააღმდეგ - მეორე მიმართულებით. მეტი ფოტონი შეიძლება იყოს მიმართული პოლარიზებულ ფილტრში. თუ ფოტონის სპინი (პოლარიზაცია) არის +1, ის გადის ფილტრში, მაგრამ თუ არის -1, მაშინ არა.

გაჩერდი! აქ აუცილებლად გაგიჩნდებათ შეკითხვა:გაზომვამდე ელექტრონს არ ჰქონდა რაიმე კონკრეტული სპინის მიმართულება, არა? ყველა შტატში იყო ერთდროულად, არა?

ეს არის კვანტური მექანიკის ხრიკი და შეგრძნება. სანამ არ გაზომავთ კვანტური ობიექტის მდგომარეობას, მას შეუძლია ბრუნოს ნებისმიერი მიმართულებით (აქვს საკუთარი კუთხური იმპულსის ვექტორის ნებისმიერი მიმართულება - სპინი). მაგრამ იმ მომენტში, როდესაც თქვენ გაზომეთ მისი მდგომარეობა, ის, როგორც ჩანს, იღებს გადაწყვეტილებას, თუ რომელი სპინის ვექტორი მიიღოს.

ეს კვანტური ობიექტი ძალიან მაგარია - ის იღებს გადაწყვეტილებებს მისი მდგომარეობის შესახებ.და ჩვენ წინასწარ ვერ ვიწინასწარმეტყველებთ, თუ რა გადაწყვეტილებას მიიღებს ის, როდესაც ის გადაფრინდება მაგნიტურ ველში, რომელშიც ჩვენ გავზომავთ მას. ალბათობა იმისა, რომ ის გადაწყვეტს სპინის ვექტორს "ზევით" ან "ქვემოთ" არის 50-დან 50%-მდე. მაგრამ როგორც კი გადაწყვეტს, ის გარკვეულ მდგომარეობაშია კონკრეტული სპინის მიმართულებით. მისი გადაწყვეტილების მიზეზი ჩვენი „განზომილებაა“!

ამას ჰქვია " ტალღის ფუნქციის კოლაფსი". ტალღის ფუნქცია გაზომვამდე იყო გაურკვეველი, ე.ი. ელექტრონის სპინის ვექტორი ერთდროულად იყო ყველა მიმართულებით გაზომვის შემდეგ, ელექტრონმა ჩაიწერა თავისი სპინის ვექტორის გარკვეული მიმართულება.

ყურადღება! გაგებისთვის შესანიშნავი მაგალითია ასოციაცია ჩვენი მაკროკოსმოსიდან:

დაატრიალეთ მონეტა მაგიდაზე, როგორც დაწნული ზედაპირი. სანამ მონეტა ტრიალებს, მას არ აქვს კონკრეტული მნიშვნელობა - თავები ან კუდები. მაგრამ როგორც კი გადაწყვეტთ ამ მნიშვნელობის „გაზომვას“ და მონეტას ხელით დაჭერით, სწორედ მაშინ მიიღებთ მონეტის სპეციფიკურ მდგომარეობას - თავები ან კუდები. ახლა წარმოიდგინეთ, რომ ეს მონეტა წყვეტს, თუ რომელი ღირებულება "გაჩვენოთ" - თავები თუ კუდები. ელექტრონი დაახლოებით იგივენაირად იქცევა.

ახლა გაიხსენეთ მულტფილმის ბოლოს ნაჩვენები ექსპერიმენტი. როდესაც ფოტონები გადიოდა ჭრილებში, ისინი იქცეოდნენ ტალღის მსგავსად და ეკრანზე აჩვენეს ჩარევის ნიმუში. და როდესაც მეცნიერებს სურდათ ჩაეწერათ (გაზომეთ) ჭრილში გაფრენილი ფოტონების მომენტი და მოათავსეს "დამკვირვებელი" ეკრანის მიღმა, ფოტონებმა დაიწყეს ქცევა არა როგორც ტალღები, არამედ ნაწილაკები. და მათ "დახატეს" 2 ვერტიკალური ზოლი ეკრანზე. იმათ. გაზომვის ან დაკვირვების მომენტში კვანტური ობიექტები თავად ირჩევენ რა მდგომარეობაში უნდა იყვნენ.

ფანტასტიკური! მართალია არა?

მაგრამ ეს ყველაფერი არ არის. ბოლოს ჩვენ მივედით ყველაზე საინტერესო ნაწილამდე.

მაგრამ... მეჩვენება, რომ ინფორმაციის გადატვირთვა იქნება, ამიტომ ცალკე პოსტებში განვიხილავთ ამ 2 კონცეფციას:

• რა მოხდა?
• რა არის აზროვნების ექსპერიმენტი?

ახლა, გსურთ ინფორმაციის დალაგება? ნახეთ კანადის თეორიული ფიზიკის ინსტიტუტის მიერ წარმოებული დოკუმენტური ფილმი. მასში 20 წუთში ძალიან მოკლედ და ქრონოლოგიური თანმიმდევრობით მოგითხრობთ კვანტური ფიზიკის ყველა აღმოჩენაზე, დაწყებული პლანკის აღმოჩენით 1900 წელს. შემდეგ კი ისინი გეტყვიან, რა პრაქტიკული განვითარება მიმდინარეობს ამჟამად კვანტური ფიზიკის ცოდნის საფუძველზე: ყველაზე ზუსტი ატომური საათებიდან კვანტური კომპიუტერის სუპერსწრაფ გამოთვლებამდე. უაღრესად გირჩევთ ამ ფილმის ყურებას.

გნახავ!

ვუსურვებ ყველას შთაგონებას ყველა მათი გეგმისა და პროექტისთვის!

P.S.2 დაწერეთ თქვენი შეკითხვები და მოსაზრებები კომენტარებში. დაწერეთ, კიდევ რა კითხვები გაინტერესებთ კვანტურ ფიზიკაზე?

P.S.3 გამოიწერეთ ბლოგი - გამოწერის ფორმა სტატიის ქვეშ დევს.

ფიზიკა გვაძლევს ჩვენს გარშემო არსებული სამყაროს ობიექტურ გაგებას და მისი კანონები აბსოლუტურია და ვრცელდება ყველა ადამიანზე გამონაკლისის გარეშე, განურჩევლად სოციალური სტატუსისა და პიროვნებისა.

მაგრამ ამ მეცნიერების ასეთი გაგება ყოველთვის არ იყო. XIX საუკუნის ბოლოს გადაიდგა პირველი გაუსაძლისი ნაბიჯები შავი ფიზიკური სხეულის გამოსხივების თეორიის შესაქმნელად კლასიკური ფიზიკის კანონებზე დაყრდნობით. ამ თეორიის კანონებიდან გამომდინარეობდა, რომ ნივთიერება ნებისმიერ ტემპერატურაზე უნდა ასხივებდეს გარკვეულ ელექტრომაგნიტურ ტალღებს, შეამციროს ამპლიტუდა აბსოლუტურ ნულამდე და დაკარგოს თავისი თვისებები. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, თერმული წონასწორობა გამოსხივებასა და კონკრეტულ ელემენტს შორის შეუძლებელი იყო. თუმცა, ასეთი განცხადება ეწინააღმდეგებოდა რეალურ ყოველდღიურ გამოცდილებას.

კვანტური ფიზიკა უფრო დეტალურად და გასაგებად შეიძლება აიხსნას შემდეგნაირად. არსებობს აბსოლუტურად შავი სხეულის განმარტება, რომელსაც შეუძლია ნებისმიერი ტალღის სპექტრის ელექტრომაგნიტური გამოსხივების შთანთქმა. მისი გამოსხივების სიგრძე განისაზღვრება მხოლოდ მისი ტემპერატურით. ბუნებაში არ შეიძლება იყოს აბსოლუტურად შავი სხეულები, რომლებიც შეესაბამება გაუმჭვირვალე დახურულ ნივთიერებას ხვრელით. როდესაც თბება, ელემენტის ნებისმიერი ნაწილი იწყებს ნათებას, ხოლო ხარისხის შემდგომი მატებასთან ერთად ის წითლდება, შემდეგ კი თეთრდება. ფერი პრაქტიკულად არ არის დამოკიდებული ნივთიერების თვისებებზე, აბსოლუტურად შავი სხეულისთვის იგი ხასიათდება მხოლოდ მისი ტემპერატურით.

შენიშვნა 1

კვანტური კონცეფციის შემუშავების შემდეგი ეტაპი იყო ა.აინშტაინის სწავლება, რომელიც ცნობილია პლანკის ჰიპოთეზის მიხედვით.

ამ თეორიამ მეცნიერს საშუალება მისცა აეხსნა უნიკალური ფოტოელექტრული ეფექტის ყველა კანონი, რომელიც არ ჯდება კლასიკური ფიზიკის საზღვრებში. ამ პროცესის არსი არის მატერიის გაქრობა ელექტრომაგნიტური გამოსხივების სწრაფი ელექტრონების გავლენის ქვეშ. გამოსხივებული ელემენტების ენერგია არ არის დამოკიდებული შთანთქმის გამოსხივების კოეფიციენტზე და განისაზღვრება მისი მახასიათებლებით. თუმცა, გამოსხივებული ელექტრონების რაოდენობა დამოკიდებულია სხივების გაჯერებაზე

განმეორებითმა ექსპერიმენტებმა მალევე დაადასტურა აინშტაინის სწავლებები, არა მხოლოდ ფოტოელექტრული ეფექტისა და სინათლის, არამედ რენტგენის და გამა სხივების გამოყენებით. A. Compton ეფექტი, რომელიც აღმოაჩინეს 1923 წელს, საზოგადოებას წარუდგინა ახალი ფაქტები გარკვეული ფოტონების არსებობის შესახებ თავისუფალ, მცირე ელექტრონებზე ელექტრომაგნიტური გამოსხივების ელასტიური გაფანტვის მოწყობის გზით, რასაც თან ახლავს დიაპაზონის და ტალღის სიგრძის ზრდა.

ველის კვანტური თეორია

ეს დოქტრინა საშუალებას გვაძლევს განვსაზღვროთ კვანტური სისტემების შემოღების პროცესი მეცნიერებაში თავისუფლების ხარისხში, რომელიც ითვალისწინებს დამოუკიდებელ კოორდინატთა გარკვეულ რაოდენობას, რაც ძალზე მნიშვნელოვანია მექანიკური კონცეფციის საერთო მოძრაობის მითითებისთვის.

მარტივი სიტყვებით, ეს ინდიკატორები მოძრაობის ძირითადი მახასიათებლებია. აღსანიშნავია, რომ ელემენტარული ნაწილაკების ჰარმონიული ურთიერთქმედების სფეროში საინტერესო აღმოჩენები გააკეთა მკვლევარმა სტივენ ვაინბერგმა, რომელმაც აღმოაჩინა ნეიტრალური დენი, კერძოდ, ლეპტონებისა და კვარკების ურთიერთობის პრინციპი. 1979 წელს მისი აღმოჩენისთვის ფიზიკოსი ნობელის პრემიის ლაურეატი გახდა.

კვანტურ თეორიაში ატომი შედგება ბირთვისა და ელექტრონების სპეციფიკური ღრუბლისგან. ამ ელემენტის საფუძველი მოიცავს თავად ატომის თითქმის მთელ მასას - 95 პროცენტზე მეტი. ბირთვს აქვს ექსკლუზიურად დადებითი მუხტი, რომელიც განსაზღვრავს ქიმიური ელემენტი, რომლის ნაწილია თავად ატომი. ყველაზე უჩვეულო რამ ატომის სტრუქტურაში არის ის, რომ მიუხედავად იმისა, რომ ბირთვი შეადგენს მის თითქმის მთელ მასას, ის შეიცავს მისი მოცულობის მხოლოდ მეათათასედს. აქედან გამომდინარეობს, რომ ატომში მართლაც ძალიან ცოტაა მკვრივი მატერია, ხოლო დანარჩენი სივრცე იკავებს ელექტრონულ ღრუბელს.

კვანტური თეორიის ინტერპრეტაციები - კომპლემენტარობის პრინციპი

კვანტური თეორიის სწრაფმა განვითარებამ გამოიწვია კლასიკური იდეების რადიკალური ცვლილება ასეთი ელემენტების შესახებ:

• მატერიის სტრუქტურა;
• ელემენტარული ნაწილაკების მოძრაობა;
• მიზეზობრიობა;
• სივრცე;
• დრო;
• შემეცნების ბუნება.

ადამიანების ცნობიერებაში ამგვარმა ცვლილებებმა ხელი შეუწყო სამყაროს სურათის რადიკალურ ტრანსფორმაციას უფრო ნათელ კონცეფციად. მატერიალური ნაწილაკების კლასიკურ ინტერპრეტაციას ახასიათებდა უეცარი განცალკევება გარემო, საკუთარი მოძრაობისა და კონკრეტული მდებარეობის არსებობა სივრცეში.

კვანტურ თეორიაში ელემენტარულმა ნაწილაკმა დაიწყო წარმოდგენა, როგორც სისტემის ყველაზე მნიშვნელოვანი ნაწილი, რომელშიც ის შედიოდა, მაგრამ ამავე დროს მას არ გააჩნდა საკუთარი კოორდინატები და იმპულსი. მოძრაობის კლასიკურ შემეცნებაში შემოთავაზებული იყო ელემენტების გადატანა, რომლებიც იდენტური რჩებოდნენ წინასწარ დაგეგმილი ტრაექტორიის გასწვრივ.

ნაწილაკების გაყოფის ორაზროვანი ბუნება განაპირობებდა მოძრაობის ასეთი ხედვის მიტოვებას. კლასიკურმა დეტერმინიზმმა ადგილს დაუთმო წამყვანი პოზიცია სტატისტიკურ მიმართულებას. თუ ადრე ელემენტში მთლიანი მთლიანობა აღიქმებოდა, როგორც შემადგენელი ნაწილების მთლიანი რაოდენობა, მაშინ კვანტური თეორია განსაზღვრავდა ატომის ინდივიდუალური თვისებების დამოკიდებულებას სისტემაზე.

ინტელექტუალური პროცესის კლასიკური გაგება პირდაპირ იყო დაკავშირებული მატერიალური ობიექტის, როგორც თავისთავად სრულად არსებულის გაგებასთან.

კვანტურმა თეორიამ აჩვენა:

• ცოდნის დამოკიდებულება ობიექტის შესახებ;
• კვლევის პროცედურების დამოუკიდებლობა;
• მოქმედებების სისრულე მთელ რიგ ჰიპოთეზებზე.

შენიშვნა 2

ამ ცნებების მნიშვნელობა თავდაპირველად შორს იყო მკაფიო და, შესაბამისად, კვანტური თეორიის ძირითადი დებულებები ყოველთვის იღებდნენ სხვადასხვა ინტერპრეტაციებს, ისევე როგორც სხვადასხვა ინტერპრეტაციებს.

კვანტური სტატისტიკა

კვანტური და ტალღური მექანიკის განვითარების პარალელურად, სწრაფად ვითარდებოდა კვანტური თეორიის სხვა კომპონენტები - კვანტური სისტემების სტატისტიკა და სტატისტიკური ფიზიკა, რომელიც მოიცავდა ნაწილაკების დიდ რაოდენობას. კონკრეტული ელემენტების გადაადგილების კლასიკური მეთოდების საფუძველზე შეიქმნა მათი მთლიანობის ქცევის თეორია - კლასიკური სტატისტიკა.

კვანტურ სტატისტიკაში აბსოლუტურად არ არის შესაძლებლობა განასხვავოს ერთი და იგივე ბუნების ორი ნაწილაკი, რადგან ამ არასტაბილური კონცეფციის ორი მდგომარეობა ერთმანეთისგან განსხვავდება მხოლოდ იდენტურობის პრინციპზე გავლენის იდენტური ძალის ნაწილაკების გადანაწილებით. ამით კვანტური სისტემები ძირითადად განსხვავდება კლასიკური სამეცნიერო სისტემებისგან.

კვანტური სტატისტიკის აღმოჩენის მნიშვნელოვანი შედეგია წინადადება, რომ თითოეული ნაწილაკი, რომელიც რომელიმე სისტემის ნაწილია, არ არის იგივე ელემენტის იდენტური. ეს გულისხმობს სისტემის კონკრეტულ სეგმენტში მატერიალური ობიექტის სპეციფიკის განსაზღვრის ამოცანის მნიშვნელობას.

განსხვავება კვანტურ ფიზიკასა და კლასიკას შორის

ასე რომ, კვანტური ფიზიკის ეტაპობრივი გასვლა კლასიკური ფიზიკიდან შედგება დროში და სივრცეში მომხდარი ცალკეული მოვლენების ახსნაზე უარს და სტატისტიკური მეთოდის გამოყენებას მისი ალბათობის ტალღებით.

შენიშვნა 3

კლასიკური ფიზიკის მიზანია აღწეროს ცალკეული ობიექტები გარკვეულ სფეროში და ჩამოაყალიბოს კანონები, რომლებიც მართავენ ამ ობიექტების ცვლილებას დროთა განმავლობაში.

კვანტურ ფიზიკას განსაკუთრებული ადგილი უჭირავს მეცნიერებაში ფიზიკური იდეების გლობალურ გაგებაში. ადამიანის გონების ყველაზე დასამახსოვრებელ ქმნილებებს შორის არის ფარდობითობის თეორია - ზოგადი და სპეციალური, რომელიც არის მიმართულებების სრულიად ახალი კონცეფცია, რომელიც აერთიანებს ელექტროდინამიკას, მექანიკას და გრავიტაციის თეორიას.

კვანტურმა თეორიამ საბოლოოდ შეძლო კლასიკურ ტრადიციებთან კავშირის გაწყვეტა, შექმნა ახალი, უნივერსალური ენა და აზროვნების უჩვეულო სტილი, რაც მეცნიერებს საშუალებას აძლევდა შეაღწიონ მიკროსამყაროში მისი ენერგეტიკული კომპონენტებით და მიეცით მისი სრული აღწერა კლასიკურ ფიზიკაში არსებული სპეციფიკის შემოღებით. ყველა ამ მეთოდმა საბოლოოდ შესაძლებელი გახადა ყველაფრის არსის უფრო დეტალურად გაგება ატომური პროცესებიდა ამავე დროს, სწორედ ამ თეორიამ შემოიტანა მეცნიერებაში შემთხვევითობისა და არაპროგნოზირებადობის ელემენტი.

ფოკის სივრცე, რომელიც აღწერს კვანტური ველის ყველა შესაძლო აგზნებას. QFT-ში კვანტური მექანიკური ტალღის ფუნქციის ანალოგი არის ველის ოპერატორი (უფრო ზუსტად, „ველი“ არის ოპერატორის მნიშვნელობით განზოგადებული ფუნქცია, საიდანაც მხოლოდ მთავარ ფუნქციასთან კონვოლუციის შემდეგ ვიღებთ ოპერატორს, რომელიც მოქმედებს ჰილბერტის მდგომარეობის სივრცეში). , რომელსაც შეუძლია იმოქმედოს ფოკის სივრცის ვაკუუმ ვექტორზე (იხ. ვაკუუმი) და წარმოქმნას კვანტური ველის ერთნაწილაკიანი აგზნება. ფიზიკური დაკვირვებები აქ ასევე შეესაბამება ოპერატორებს, რომლებიც შედგენილნი არიან საველე ოპერატორებისგან [ სტილი!] .

ველის კვანტურ თეორიაზეა დაფუძნებული ყველა ელემენტარული ნაწილაკების ფიზიკა.

ველის კვანტური თეორიის აგებისას მთავარი პუნქტი იყო რენორმალიზაციის ფენომენის არსის გაგება.

წარმოშობის ისტორია

კვანტური მექანიკის ძირითადი განტოლება - შროდინგერის განტოლება - რელატივისტურად არაინვარიანტულია, როგორც ჩანს განტოლებაში დროისა და სივრცის კოორდინატების ასიმეტრიული ჩართვით. 1926 წელს შემოთავაზებული იქნა რელატივისტურად ინვარიანტული განტოლება თავისუფალი (სპინი ან ნულოვანი სპინი) ნაწილაკისთვის (კლაინ-გორდონი-ფოკის განტოლება). როგორც ცნობილია, კლასიკურ მექანიკაში (არარელატივისტური კვანტური მექანიკის ჩათვლით) ენერგია (კინეტიკური, რადგან პოტენციალი ვარაუდობენ ნულის ტოლფასია) და თავისუფალი ნაწილაკების იმპულსი დაკავშირებულია ურთიერთობით. ენერგიასა და იმპულსს შორის რელატივისტურ ურთიერთობას აქვს ფორმა. თუ ვივარაუდებთ, რომ იმპულსის ოპერატორი რელატივისტურ შემთხვევაში იგივეა, რაც არარელატივისტურ რეგიონში და ამ ფორმულის გამოყენებით რელატივისტური ჰამილტონიანის ანალოგიით ასაგებად, მივიღებთ განტოლებას კლეინ-გორდონის განტოლებას:

ან

ან, მოკლედ, დამატებით ბუნებრივი ერთეულების გამოყენებით:

სად არის D'Alembert ოპერატორი.

თუმცა, ამ განტოლების პრობლემა ის არის, რომ ტალღის ფუნქცია აქ ძნელია ინტერპრეტაცია, როგორც ალბათობის ამპლიტუდა, მხოლოდ იმიტომ, რომ - როგორც ჩანს - ალბათობის სიმკვრივე არ იქნება დადებითი განსაზღვრული სიდიდე.

მის მიერ 1928 წელს შემოთავაზებული დირაკის განტოლებას ოდნავ განსხვავებული დასაბუთება აქვს. დირაკი ცდილობდა მიეღო პირველი რიგის დიფერენციალური განტოლება, რომელშიც უზრუნველყოფილი იყო დროის კოორდინატის და სივრცის კოორდინატების თანასწორობა. ვინაიდან იმპულსის ოპერატორი პროპორციულია პირველი წარმოებულის კოორდინატებთან მიმართებაში, დირაკ ჰამილტონიანი იმპულსის ოპერატორში წრფივი უნდა იყოს.

და ენერგიასა და იმპულსს შორის კავშირის ფორმულის გათვალისწინებით, დაწესებულია შეზღუდვები ამ ოპერატორის კვადრატზე და, შესაბამისად, "კოეფიციენტებზე" - მათი კვადრატები უნდა იყოს ერთის ტოლი და ისინი უნდა იყოს ორმხრივი ანტიკომუტაციური. ასე რომ, ეს ნამდვილად არ შეიძლება იყოს რიცხვითი შანსები. თუმცა, ისინი შეიძლება იყოს მატრიცები, რომელთა ზომებია მინიმუმ 4, ხოლო „ტალღის ფუნქცია“ არის ოთხკომპონენტიანი ობიექტი, რომელსაც ეწოდება ბისპინორი. ამ შემთხვევაში დირაკის განტოლებას ფორმალურად აქვს შრედინგერის განტოლების იდენტური ფორმა (დირაკ ჰამილტონიანთან).

თუმცა, ამ განტოლებას, ისევე როგორც კლაინ-გორდონის განტოლებას, აქვს ამონახსნები უარყოფითი ენერგიებით. ეს გარემოება იყო ანტინაწილაკების წინასწარმეტყველების მიზეზი, რაც მოგვიანებით ექსპერიმენტულად დადასტურდა (პოზიტრონის აღმოჩენა). ანტინაწილაკების არსებობა ენერგიისა და იმპულსის რელატივისტური ურთიერთობის შედეგია.

ამავდროულად, 20-იანი წლების ბოლოს, შემუშავდა ფორმალიზმი მრავალნაწილაკიანი სისტემების კვანტური აღწერისთვის (მათ შორის ნაწილაკების ცვლადი რაოდენობის სისტემები), რომელიც დაფუძნებულია ნაწილაკების შექმნისა და განადგურების ოპერატორებზე. ველის კვანტური თეორიაც თურმე ამ ოპერატორებს ეფუძნება (მათი მეშვეობით გამოხატული).

კლაინ-გორდონის და დირაკის განტოლებები უნდა ჩაითვალოს, როგორც შრედინგერის განტოლების დამაკმაყოფილებელი კვანტური ველების სისტემის მდგომარეობის ვექტორზე მოქმედი ველის ოპერატორის ფუნქციების განტოლებები.

ველის კვანტური თეორიის არსი

ლაგრანჟის ფორმალიზმი

კლასიკურ მექანიკაში მრავალნაწილაკიანი სისტემები შეიძლება აღწერილი იყოს ლაგრანგის ფორმალიზმის გამოყენებით. მრავალნაწილაკიანი სისტემის ლაგრანგია უდრის ცალკეული ნაწილაკების ლაგრანგის ჯამს. ველის თეორიაში მსგავსი როლი შეიძლება შეასრულოს ლაგრანგის სიმკვრივემ (ლაგრანგის სიმკვრივე) სივრცის მოცემულ წერტილში. შესაბამისად, სისტემის (ველის) ლაგრანგიანი ტოლი იქნება ლაგრანგის სიმკვრივის ინტეგრალი სამგანზომილებიან სივრცეზე. მოქმედება, როგორც კლასიკურ მექანიკაში, ვარაუდობენ, რომ დროთა განმავლობაში ლაგრანგის ინტეგრალის ტოლია. შესაბამისად, ველის თეორიაში მოქმედება შეიძლება მივიჩნიოთ, როგორც ლაგრანგის სიმკვრივის ინტეგრალი ოთხგანზომილებიან სივრცე-დროზე. შესაბამისად, ამ ოთხგანზომილებიან ინტეგრალზე შეიძლება გამოვიყენოთ უმცირესი (სტაციონარული) მოქმედების პრინციპი და მივიღოთ ველის მოძრაობის განტოლებები - ეილერ-ლაგრანჟის განტოლებები. მინიმალური მოთხოვნა ლაგრანგურისთვის (ლაგრანგის სიმკვრივე) არის რელატივისტური ინვარიანტობა. მეორე მოთხოვნა არის ის, რომ ლაგრანგიანი არ უნდა შეიცავდეს პირველ ხარისხზე მაღალი ველის ფუნქციის წარმოებულებს, რათა მოძრაობის განტოლებები იყოს „სწორი“ (შეესაბამება კლასიკურ მექანიკას). ასევე არსებობს სხვა მოთხოვნები (ადგილობრივობა, ერთიანობა და ა.შ.). ნოეთერის თეორემის მიხედვით, მოქმედების უცვლელობა k-პარამეტრული გარდაქმნების პირობებში იწვევს k დინამიური ველის ინვარიანტებს, ანუ კონსერვაციის კანონებს. კერძოდ, მოქმედების უცვლელობა თარგმანებთან (ცვლილებებთან) მიმართებაში იწვევს 4-იმპულსის კონსერვაციას.

მაგალითი: სკალარული ველი ლაგრანგით

მოცემული ველის მოძრაობის განტოლებები მივყავართ კლეინ-გორდონის განტოლებამდე. ამ განტოლების ამოსახსნელად სასარგებლოა იმპულსის წარმოდგენაზე გადასვლა ფურიეს ტრანსფორმაციის საშუალებით. კლეინ-გორდონის განტოლებიდან ადვილად ჩანს, რომ ფურიეს კოეფიციენტები დააკმაყოფილებს პირობას

სად არის თვითნებური ფუნქცია

დელტა ფუნქცია ამყარებს კავშირს სიხშირეს (ენერგია), ტალღის ვექტორს (იმპულსის ვექტორი) და პარამეტრს (მასას) შორის. შესაბამისად, ორი შესაძლო ნიშნისთვის გვაქვს ორი დამოუკიდებელი ამონახსნები იმპულსის წარმოდგენით (ფურიეს ინტეგრალი)

შეიძლება აჩვენოს, რომ იმპულსის ვექტორი ტოლი იქნება

ამრიგად, ფუნქცია შეიძლება განიმარტოს, როგორც ნაწილაკების საშუალო სიმკვრივე მასით, იმპულსით და ენერგიით. კვანტიზაციის შემდეგ, ეს პროდუქტები გადაიქცევა ოპერატორებად, რომლებსაც აქვთ მთელი საკუთრივ მნიშვნელობები.

ველის კვანტიზაცია. კვანტების შექმნისა და განადგურების ოპერატორები

კვანტიზაცია ნიშნავს ველებიდან გადასვლას მდგომარეობის ვექტორზე (ამპლიტუდაზე) მოქმედ ოპერატორებზე. Φ . ჩვეულებრივი კვანტური მექანიკის ანალოგიით, მდგომარეობის ვექტორი მთლიანად ახასიათებს კვანტური ტალღის ველების სისტემის ფიზიკურ მდგომარეობას. მდგომარეობის ვექტორი არის ვექტორი ზოგიერთ წრფივ სივრცეში.

ტალღის ველების კვანტიზაციის მთავარი პოსტულატი არის ის, რომ დინამიური ცვლადების ოპერატორები გამოიხატება ველის ოპერატორების სახით ისევე, როგორც კლასიკური ველებისთვის (გამრავლების რიგის გათვალისწინებით)

კვანტური ჰარმონიული ოსცილატორისთვის მიღებულია ენერგიის კვანტიზაციის ცნობილი ფორმულა. საკუთრივ ფუნქციები, რომლებიც შეესაბამება ჰამილტონის მითითებულ საკუთრივ მნიშვნელობებს, აღმოჩნდება, რომ დაკავშირებულია ერთმანეთთან გარკვეული ოპერატორების მიერ - მზარდი ოპერატორი, - კლებადი ოპერატორი. უნდა აღინიშნოს, რომ ეს ოპერატორები არის არაკომუტაციური (მათი კომუტატორი ერთის ტოლი). მზარდი ან კლებადი ოპერატორის გამოყენება ზრდის n კვანტურ რიცხვს ერთით და იწვევს ოსცილატორის ენერგიის თანაბარ ზრდას (სპექტრის თანაბარი მანძილი), რაც შეიძლება განიმარტოს როგორც ახლის დაბადება ან ველის კვანტის განადგურება. ენერგიით. ეს არის ეს ინტერპრეტაცია, რომელიც საშუალებას აძლევს ზემოაღნიშნული ოპერატორების გამოყენებას, მაგ შექმნისა და განადგურების ოპერატორებიმოცემული ველის კვანტები. ჰარმონიული ოსცილატორის ჰამილტონიანი გამოიხატება მითითებული ოპერატორების მეშვეობით შემდეგნაირად, სადაც - კვანტური რიცხვების ოპერატორიველები. ადვილია ჩვენება - ანუ ამ ოპერატორის საკუთრივ მნიშვნელობები - კვანტების რაოდენობა. ნებისმიერი n-ნაწილაკების ველის მდგომარეობა შეიძლება მიღებულ იქნეს ვაკუუმზე შექმნის ოპერატორების მოქმედებით

ვაკუუმური მდგომარეობისთვის, ანიჰილაციის ოპერატორის გამოყენების შედეგი არის ნული (ეს შეიძლება მივიღოთ, როგორც ვაკუუმის მდგომარეობის ოფიციალური განმარტება).

N ოსცილატორების შემთხვევაში სისტემის ჰამილტონიანი უდრის ცალკეული ოსცილატორების ჰამილტონიელთა ჯამს. თითოეული ასეთი ოსცილატორისთვის შეიძლება განისაზღვროს საკუთარი შექმნის ოპერატორები. ამრიგად, ასეთი სისტემის თვითნებური კვანტური მდგომარეობა შეიძლება აღწერილი იყოს გამოყენებით შეავსეთ ნომრები- მოცემული k ტიპის ოპერატორების რაოდენობა, რომლებიც მოქმედებენ ვაკუუმზე:

ამ წარმომადგენლობას ე.წ შევსების ნომრების წარმოდგენა. ამ წარმოდგენის არსი მდგომარეობს იმაში, რომ ნაცვლად კოორდინატების ფუნქციის (კოორდინატების წარმოდგენა) ან იმპულსების ფუნქციის (პულსის წარმოდგენა) ფუნქციის დაზუსტების ნაცვლად, სისტემის მდგომარეობას ახასიათებს აღგზნებული მდგომარეობის რიცხვი - შევსების ნომერი. .

შეიძლება აჩვენოს, რომ, მაგალითად, კლეინ-გორდონის სკალარული ველი შეიძლება წარმოდგენილი იყოს როგორც ოსცილატორების კოლექცია. ველის ფუნქციის გაფართოებით უსასრულო ფურიეს სერიად სამგანზომილებიანი იმპულსის ვექტორში, შეიძლება აჩვენოს, რომ კლეინ-გორდონის განტოლებიდან გამომდინარეობს, რომ გაფართოების ამპლიტუდები აკმაყოფილებს კლასიკურ მეორე რიგის დიფერენციალურ განტოლებას ოსცილატორისთვის პარამეტრით (სიხშირე). ). განვიხილოთ შეზღუდული კუბი და დავაწესოთ პერიოდულობის პირობა ყოველ კოორდინატზე პერიოდულობით.

საველე ოპერატორები, დინამიური ცვლადი ოპერატორები

ფოკის წარმომადგენლობა

ბოზე-აინშტაინის და ფერმი-დირაკის კვანტიზაცია. კავშირი სპინთან.

ბოზე-აინშტაინის კომუტაციური ურთიერთობები ეფუძნება ჩვეულებრივ კომუტატორს (განსხვავება ოპერატორების „პირდაპირ“ და „შებრუნებულ“ ნამრავლს შორის), ხოლო ფერმი-დირაკის კომუტაციური ურთიერთობები ემყარება ანტიკომუტატორს („პირდაპირი“ და ჯამი. ოპერატორების „შებრუნებული“ პროდუქტი). პირველი ველების კვანტები ემორჩილებიან ბოზე-აინშტაინის სტატისტიკას და უწოდებენ ბოზონებს, ხოლო მეორე ველების კვანტები ემორჩილებიან ფერმი-დირაკის სტატისტიკას და უწოდებენ ფერმიონებს. ველების ბოზე-აინშტაინის კვანტიზაცია თანმიმდევრულია მთელი რიცხვის სპინის მქონე ნაწილაკებისთვის, ხოლო ნახევარმთლიანი სპინის მქონე ნაწილაკებისთვის ფერმი-დირაკის კვანტიზაცია თანმიმდევრული გამოდის. ამრიგად, ფერმიონები არის ნაწილაკები ნახევრად მთელი რიცხვის სპინით, ხოლო ბოზონები არის ნაწილაკები მთელი რიცხვის სპინით.

S-მატრიცის ფორმალიზმი. ფეინმანის დიაგრამები

განსხვავებების პრობლემა და მათი გადაჭრის გზები

აქსიომური კვანტური ველის თეორია

აგრეთვე იხილეთ

ლიტერატურა

• ველის კვანტური თეორია - ფიზიკური ენციკლოპედია (მთავარი რედაქტორი ა. მ. პროხოროვი).
• რიჩარდ ფეინმანი, „ფიზიკური კანონების ბუნება“ - მ., ნაუკა, 1987, 160 გვ.
• რიჩარდ ფეინმანი, „QED - სინათლისა და მატერიის უცნაური თეორია“ - M., Nauka, 1988, 144 გვ.
• ბოგოლიუბოვი ნ.ნ., შირკოვი დ.ვ.შესავალი ველის კვანტიზებული თეორიაში. - მ.: ნაუკა, 1984. - 600გვ.
• ვენცელ გ.ტალღის ველების კვანტური თეორიის შესავალი. - M.: GITTL, 1947. - 292გვ.
• Itsikson K., Zuber J.-B.ველის კვანტური თეორია. - M.: Mir, 1984. - T. 1. - 448გვ.
• რაიდერ ლ.ველის კვანტური თეორია. - მ.: მირი, 1987. - 512გვ.

ძირითადი სექციები	ზოგადი (ფიზიკური) აკუსტიკა გეომეტრიული აკუსტიკა ფსიქოაკუსტიკა ბიოაკუსტიკა ელექტროაკუსტიკა ჰიდროაკუსტიკა ულტრაბგერითი აკუსტიკა კვანტური აკუსტიკა (აკუსტოელექტრონიკა) აკუსტიკური ფონეტიკა (მეტყველების აკუსტიკა) გამოყენებითი აკუსტიკა არქიტექტურული აკუსტიკა (შენობის აკუსტიკა) აეროაკუსტიკა მუსიკალური აკუსტიკა სატრანსპორტო აკუსტიკა სამედიცინო აკუსტიკა ციფრული აკუსტიკა დაკავშირებული მიმართულებები აკუსტო-ოპტიკა
გამოყენებითი ფიზიკა	პლაზმის ფიზიკა ატმოსფერული ფიზიკა ლაზერული ფიზიკა ამაჩქარებლის ფიზიკა
მონათესავე მეცნიერებები	აგროფიზიკა ფიზიკური ქიმია მათემატიკური ფიზიკა კოსმოლოგია ასტროფიზიკა გეოფიზიკა ბიოფიზიკა მეტროლოგია მასალების მეცნიერება
აგრეთვე იხილეთ