Va eng muhimi, biz ular faqat ba'zi muntazam vaziyatlarda qo'llanilishini va koinotning tuzilishini tushuntirish uchun noto'g'ri ekanligiga e'tibor berishdan bosh tortamiz.
Shunga o'xshash narsa asrlar oldin Sharq faylasuflari va tasavvuf olimlari tomonidan ifodalangan bo'lsa-da, Eynshteyn G'arb fanida birinchi bo'lib bu haqda gapirgan. Bu bizning ongimiz qabul qilmagan inqilob edi. Biz kamsitish bilan takrorlaymiz: "hamma narsa nisbiy", "vaqt va makon bitta", bu bizning odatiy barqaror voqeligimiz bilan juda kam umumiylikga ega bo'lgan faraz, ilmiy abstraksiya ekanligini doimo yodda tutamiz. Aslida, bizning g'oyalarimiz haqiqat bilan yomon bog'liq - hayratlanarli va aql bovar qilmaydigan.
Atomning tuzilishi umumiy ma'noda kashf etilgandan va uning "sayyoraviy" modeli taklif qilingandan so'ng, olimlar fizikaning butun bir tarmog'i - kvant mexanikasi paydo bo'lganligini tushuntirish uchun ko'plab paradokslarga duch kelishdi. U tez rivojlandi va koinotni tushuntirishda katta yutuqlarga erishdi. Ammo bu tushuntirishlarni tushunish shunchalik qiyinki, hozirgacha kam odam ularni hech bo'lmaganda umumiy ma'noda tushuna oladi.
Darhaqiqat, kvant mexanikasi yutuqlarining aksariyati shu qadar murakkab matematik apparat bilan birga keladiki, uni hech qanday inson tiliga tarjima qilib bo'lmaydi. Musiqa kabi matematika ham nihoyatda mavhum mavzu bo‘lib, olimlar hali ham, masalan, funksiyalarning konvolyutsiyasi yoki ko‘p o‘lchovli Furye seriyasining ma’nosini yetarlicha ifodalash uchun kurashmoqda. Matematika tili qat'iy, ammo bizning bevosita idrokimizga unchalik aloqasi yo'q.
Bundan tashqari, Eynshteyn bizning vaqt va makon haqidagi tushunchalarimiz xayoliy ekanligini matematik tarzda ko'rsatdi. Haqiqatda makon va vaqt bir-biridan ajralmas va yagona to'rt o'lchovli kontinuumni tashkil qiladi. Buni tasavvur qilish qiyin, chunki biz faqat uch o'lchov bilan shug'ullanishga odatlanganmiz.
Sayyora nazariyasi. To'lqin yoki zarracha
19-asrning oxirigacha atomlar boʻlinmas “elementlar” hisoblanardi. Nurlanishning kashf etilishi Ruterfordga atomning "qobig'i" ostiga kirib, uning tuzilishining sayyoraviy nazariyasini shakllantirishga imkon berdi: atomning asosiy qismi yadroda to'plangan. Yadroning musbat zaryadi manfiy zaryadlangan elektronlar bilan qoplanadi, ularning o'lchamlari shunchalik kichikki, ularning massasini e'tiborsiz qoldirish mumkin. Elektronlar yadro atrofida sayyoralarning Quyosh atrofida aylanishiga o'xshash orbitalarda aylanadi. Nazariya juda chiroyli, ammo bir qator qarama-qarshiliklar paydo bo'ladi.
Birinchidan, nega manfiy zaryadlangan elektronlar musbat yadroga “tushilmaydi”? Ikkinchidan, tabiatda atomlar sekundiga millionlab marta to‘qnashadi, bu ularga hech qanday zarar keltirmaydi – butun tizimning ajoyib kuchini qanday izohlash mumkin? Kvant mexanikasining "otalaridan" biri Geyzenbergning so'zlariga ko'ra, "Nyuton mexanikasi qonunlariga bo'ysunadigan hech qanday sayyora tizimi boshqa shunga o'xshash tizim bilan to'qnashgandan keyin asl holatiga qaytmaydi".
Bundan tashqari, deyarli barcha massa to'plangan yadroning o'lchamlari butun atomga nisbatan juda kichikdir. Aytishimiz mumkinki, atom bu bo'shliq bo'lib, unda elektronlar keskin tezlikda aylanadi. Bunday holda, bunday "bo'sh" atom juda qattiq zarracha sifatida paydo bo'ladi. Ushbu hodisani tushuntirish klassik tushunchadan tashqariga chiqadi. Darhaqiqat, subatomik darajada, zarrachaning tezligi u harakat qiladigan bo'shliq qanchalik cheklangan bo'lsa, oshadi. Demak, elektron yadroga qanchalik yaqinroq tortilsa, u shunchalik tez harakat qiladi va undan itariladi. Harakat tezligi shunchalik yuqoriki, "tashqaridan" atom "qattiq ko'rinadi", xuddi aylanadigan fanning pichoqlari diskka o'xshaydi.
Klassik yondashuvga mos kelmaydigan ma'lumotlar Eynshteyndan ancha oldin paydo bo'lgan. Birinchi marta yorug'lik xususiyatlarini tushuntirishga harakat qilgan Nyuton va Gyuygens o'rtasida bunday "duel" bo'lib o'tdi. Nyuton bu zarralar oqimi ekanligini ta'kidlagan, Gyuygens yorug'likni to'lqin deb hisoblagan. Klassik fizika doirasida ularning pozitsiyalarini kelishib bo'lmaydi. Axir, uning uchun to'lqin - bu muhit zarralarining uzatilgan qo'zg'alishi, bu tushuncha faqat ko'plab ob'ektlarga tegishli. Erkin zarrachalarning hech biri to'lqinsimon traektoriya bo'ylab harakatlana olmaydi. Ammo elektron chuqur vakuumda harakat qiladi va uning harakatlari to'lqin harakati qonunlari bilan tavsiflanadi. Agar vosita bo'lmasa, bu erda nima hayajonlanadi? Kvant fizikasi Solomoniy yechimni taklif qiladi: yorug'lik ham zarracha, ham to'lqindir.
Ehtimoliy elektron bulutlari. Yadro tuzilishi va yadro zarralari
Asta-sekin bu yanada aniqroq bo'ldi: atom yadrosi atrofidagi orbitalarda elektronlarning aylanishi sayyoralarning yulduz atrofida aylanishidan butunlay farq qiladi. To'lqin tabiatiga ega bo'lgan elektronlar ehtimollik nuqtai nazaridan tavsiflanadi. Biz elektron haqida uni fazoning falon nuqtada joylashganligini ayta olmaymiz, faqat taxminan qaysi sohalarda va qanday ehtimollik bilan joylashishi mumkinligini tasvirlashimiz mumkin. Yadro atrofida elektronlar arvohlarning fotosuratlariga o'xshash eng oddiy sharsimon shakllardan juda g'alati shakllarga qadar bunday ehtimolliklarning "bulutlarini" hosil qiladi.
Ammo atom tuzilishini nihoyat tushunishni istagan har bir kishi uning asosiga, yadro tuzilishiga murojaat qilishi kerak. Uni tashkil etuvchi yirik elementar zarralar - musbat zaryadlangan protonlar va neytral neytronlar ham kvant tabiatiga ega, ya'ni ular o'ralgan hajm qanchalik kichik bo'lsa, ular qanchalik tez harakatlanadi. Yadroning o'lchamlari atom bilan solishtirganda ham juda kichik bo'lganligi sababli, bu elementar zarralar yorug'lik tezligiga yaqin bo'lgan juda yaxshi tezlikda aylanadi. Ularning tuzilishi va xatti-harakatlarini yakuniy tushuntirish uchun biz "kesishimiz" kerak bo'ladi. kvant nazariyasi nisbiylik nazariyasi bilan. Afsuski, bunday nazariya hali yaratilmagan va biz o'zimizni bir nechta umumiy qabul qilingan modellar bilan cheklashimiz kerak.
Nisbiylik nazariyasi massa energiyaning faqat bitta shakli ekanligini ko'rsatdi (va tajribalar isbotladi). Energiya - bu jarayonlar yoki ish bilan bog'liq dinamik miqdor. Shuning uchun elementar zarrani energiyaning uzluksiz o'zgarishi bilan bog'liq bo'lgan o'zaro ta'sirlar sifatida ehtimoliy dinamik funktsiya sifatida qabul qilish kerak. Bu elementar elementar zarralar qanday ekanligi va ularni "bundan ham oddiyroq" bloklarga bo'lish mumkinmi degan savolga kutilmagan javob beradi. Agar tezlatgichda ikkita zarrachani tezlatsak va keyin to'qnashsak, biz ikkita emas, balki uchta zarrachani va butunlay bir xil zarralarni olamiz. Uchinchisi shunchaki ularning to'qnashuvi energiyasidan paydo bo'ladi - shuning uchun ular bir vaqtning o'zida ajraladi va ajralmaydi!
Kuzatuvchi o'rniga ishtirokchi
Bo'sh makon va ajratilgan materiya tushunchalari o'z ma'nosini yo'qotadigan dunyoda zarracha faqat uning o'zaro ta'siri orqali tasvirlanadi. Bu haqda biror narsa aytish uchun biz uni dastlabki o'zaro ta'sirlardan "olib tashlashimiz" va uni tayyorlab, boshqa o'zaro ta'sirga - o'lchovga bo'ysundirishimiz kerak. Xo'sh, biz oxirida nimani o'lchaymiz? Va agar bizning aralashuvimiz zarracha ishtirok etadigan o'zaro ta'sirlarni o'zgartirsa va shuning uchun zarrachaning o'zini o'zgartirsa, bizning o'lchovlarimiz qanchalik qonuniy?
Elementar zarralarning zamonaviy fizikasida ko'proq tanqid... olim-kuzatuvchining qiyofasiga sabab bo'lmoqda. Uni “ishtirokchi” deb atash to‘g‘riroq bo‘lardi.
Kuzatuvchi-ishtirokchi nafaqat subatomik zarrachaning xususiyatlarini o'lchash, balki aynan shu xususiyatlarni aniqlash uchun ham zarur, chunki ular faqat kuzatuvchi bilan o'zaro ta'sir doirasida muhokama qilinishi mumkin. U o'lchovlarni amalga oshiradigan usulni tanlagandan so'ng va shunga qarab, mumkin bo'lgan xususiyatlar zarralar. Agar siz kuzatuvchi tizimni o'zgartirsangiz, kuzatilayotgan ob'ektning xususiyatlari ham o'zgaradi.
Bu muhim nuqta hamma narsa va hodisalarning chuqur birligini ochib beradi. Doimiy ravishda bir-biriga va boshqa energiya shakllariga aylanadigan zarralarning o'zlari doimiy yoki aniq xususiyatlarga ega emas - bu xususiyatlar biz ularni qanday ko'rishni tanlashimizga bog'liq. Agar zarraning bir xususiyatini o'lchash kerak bo'lsa, boshqasi albatta o'zgaradi. Bunday cheklash qurilmalarning nomukammalligi yoki boshqa butunlay tuzatiladigan narsalar bilan bog'liq emas. Bu haqiqatning o'ziga xos xususiyati. Zarrachaning o'rnini aniq o'lchashga harakat qiling va siz uning harakat yo'nalishi va tezligi haqida hech narsa ayta olmaysiz - shunchaki ular bo'lmagani uchun. Zarrachaning aniq harakatini tasvirlab bering - uni kosmosda topa olmaysiz. Shunday qilib, zamonaviy fizika bizni butunlay metafizik xususiyatga ega bo'lgan muammolarga duch kelmoqda.
Noaniqlik printsipi. Joy yoki impuls, energiya yoki vaqt
Biz allaqachon gaplashayotganimizni aytdik subatomik zarralar Kvant dunyosida biz o'rganib qolgan shartlar bilan ishlashning iloji yo'q; Bu, albatta, odamlar ot poygalariga pul tikishda gapiradigan ehtimollik turi emas, balki elementar zarralarning asosiy xususiyatidir. Bu ularning mavjudligi emas, balki ular mavjud bo'lishi mumkin. Bu ularning o'ziga xos xususiyatlariga ega emas, balki ularga ega bo'lishi mumkin. Ilmiy nuqtai nazardan, zarracha dinamik ehtimolli sxema bo'lib, uning barcha xususiyatlari doimiy harakatlanuvchi muvozanatda bo'lib, qadimgi Xitoy ramzi Tay Chidagi Yin va Yang kabi muvozanatlashadi.
Nobel mukofoti sovrindori, zodagonlik darajasiga ko‘tarilgan Nils Bor o‘z gerbi uchun aynan mana shu belgi va shiorni tanlagani bejiz emas: “Qarama-qarshiliklar bir-birini to‘ldiradi”. Matematik jihatdan, ehtimollik taqsimoti notekis to'lqin tebranishlarini ifodalaydi. To'lqinning ma'lum bir joyda amplitudasi qanchalik katta bo'lsa, u erda zarrachaning mavjudligi ehtimoli shunchalik yuqori bo'ladi. Bundan tashqari, uning uzunligi doimiy emas - qo'shni tepaliklar orasidagi masofalar bir xil emas va to'lqinning amplitudasi qanchalik baland bo'lsa, ular orasidagi farq shunchalik katta bo'ladi. Amplituda zarrachaning kosmosdagi holatiga mos kelsa, to'lqin uzunligi zarrachaning impulsi, ya'ni harakat yo'nalishi va tezligi bilan bog'liq. Amplituda qanchalik katta bo'lsa (zarrachani kosmosda aniqroq lokalizatsiya qilish mumkin), to'lqin uzunligi shunchalik noaniq bo'ladi (zarrachaning impulsi haqida kamroq gapirish mumkin). Agar biz zarrachaning o'rnini o'ta aniqlik bilan aniqlay olsak, u umuman aniq impulsga ega bo'lmaydi.
Ushbu asosiy xususiyat matematik jihatdan to'lqinlarning xususiyatlaridan kelib chiqadi va noaniqlik printsipi deb ataladi. Bu tamoyil elementar zarrachalarning boshqa xarakteristikalari uchun ham amal qiladi. Yana bir shunday o'zaro bog'langan juftlik kvant jarayonlarining energiyasi va vaqtidir. Jarayon qanchalik tez bo'lsa, undagi energiya miqdori shunchalik noaniq bo'ladi va aksincha - energiya faqat etarli davomiylikdagi jarayon uchun aniq tavsiflanishi mumkin.
Shunday qilib, biz tushunamiz: zarracha haqida aniq hech narsa aytish mumkin emas. Bu tomonga harakat qiladi yoki u erda emas, to'g'rirog'i, na bu erda, na u erda. Uning xarakteristikalari u yoki bu, aniqrog'i, u yoki bu emas. U shu erda, lekin u erda bo'lishi mumkin yoki hech qaerda bo'lmasligi mumkin. Xo'sh, u hatto mavjudmi?
Kvant maydon nazariyasining asosiy tamoyillari: 1). Vakuum holati. Norelativistik kvant mexanikasi doimiy miqdordagi elementar zarrachalarning harakatini o'rganishga imkon beradi. Kvant maydon nazariyasi elementar zarrachalarning tug'ilishi va yutilishi yoki yo'q qilinishini hisobga oladi. Shuning uchun kvant maydon nazariyasi ikkita operatorni o'z ichiga oladi: yaratish operatori va elementar zarrachalarni yo'q qilish operatori. Kvant maydon nazariyasiga ko'ra, na maydon, na zarrachalar mavjud bo'lmagan holat mumkin emas. Vakuum - bu eng past energiya holatidagi maydon. Vakuum mustaqil, kuzatilishi mumkin bo'lgan zarralar bilan emas, balki paydo bo'ladigan va bir muncha vaqt o'tgach yo'q bo'lib ketadigan virtual zarralar bilan tavsiflanadi. 2.) Elementar zarrachalarning o'zaro ta'sirining virtual mexanizmi. Elementar zarralar maydonlar natijasida bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiladi, lekin agar zarracha o'z parametrlarini o'zgartirmasa, u o'zaro ta'sirning haqiqiy kvantini, bunday energiya va impulsni va shunday vaqt va masofani chiqara olmaydi yoki yuta olmaydi, ular bilan belgilanadi. munosabatlar ∆E∙∆t≥ħ, ∆rx∙∆x≥ħ( kvant konstantasi) noaniqlik munosabati. Virtual zarralarning tabiati shundayki, ular bir muncha vaqt o'tgach paydo bo'ladi, yo'qoladi yoki so'riladi. Amer. Fizik Feynman elementar zarrachalarning virtual kvantlar bilan o'zaro ta'sirini tasvirlashning grafik usulini ishlab chiqdi:
Erkin zarrachaning virtual kvantining emissiyasi va yutilishi
Ikki elementning o'zaro ta'siri. zarralarni bitta virtual kvant yordamida.
Ikki elementning o'zaro ta'siri. zarralarni ikkita virtual kvant yordamida.
Shakldagi ma'lumotlar bo'yicha. Grafika zarrachalarning tasviri, lekin ularning traektoriyalari emas.
3.)
Spin kvant ob'ektlarining eng muhim xususiyatidir. Bu zarrachaning o'ziga xos burchak momentumidir va agar tepaning burchak momentumi aylanish o'qi yo'nalishiga to'g'ri kelsa, spin hech qanday aniq afzal yo'nalishni aniqlamaydi. Spin yo'nalishni belgilaydi, lekin ehtimollik bilan. Spin tasavvur qilib bo'lmaydigan shaklda mavjud. Spin s=I∙ħ bilan belgilanadi va men I=0,1,2,... butun son qiymatlarini va I = ½, 3/2, 5/2, yarim raqamli qiymatlarni qabul qilaman. .. Klassik fizikada bir xil zarralar fazoviy jihatdan farq qilmaydi, chunki fazoning bir xil mintaqasini egallagan holda, fazoning istalgan hududida zarrachani topish ehtimoli to'lqin funksiyasi modulining kvadrati bilan belgilanadi. ps to'lqin funksiyasi barcha zarrachalarga xos xususiyatdir. .
1 va 2 zarralar bir xil va ularning holatlari bir xil bo'lganda to'lqin funktsiyalarining simmetriyasiga mos keladi. 
1 va 2 zarralar bir-biriga o'xshash, lekin kvant parametrlaridan birida farq qiladigan to'lqin funktsiyalarining antisimmetriya holati. Masalan: aylanish. Polning istisno qilish printsipiga ko'ra, yarim butun spinli zarralar bir xil holatda bo'lolmaydi. Bu tamoyil atomlar va molekulalarning elektron qobiqlarining tuzilishini tasvirlash imkonini beradi. Butun spinga ega bo'lgan zarralar deyiladi bozonlar. Pi mezonlari uchun I =0; fotonlar uchun I =1; Gravitonlar uchun I = 2. Yarim sonli spinli zarralar deyiladi fermionlar. Elektron, pozitron, neytron, proton uchun I = ½. 4)
Izotopik aylanish. Neytronning massasi protonning massasidan atigi 0,1% kattaroqdir, agar biz elektr zaryadini mavhum qilsak (e'tiborsiz qoldirsak), u holda bu ikki zarrani bir xil zarrachaning ikkita holati deb hisoblash mumkin. Xuddi shunday, mezonlar ham bor, lekin bular uchta mustaqil zarracha emas, balki bir xil zarrachaning uchta holati bo'lib, ular oddiygina Pi - mezon deb ataladi. Zarrachalarning murakkabligi yoki ko'pligini hisobga olish uchun izotopik spin deb ataladigan parametr kiritiladi. U n = 2I+1 formuladan aniqlanadi, bu erda n - zarracha holatlar soni, masalan, nuklon uchun n=2, I=1/2. Izospin proyeksiyasi Iz = -1/2; Iz = ½, ya'ni. proton va neytron izotopik dublet hosil qiladi. Pi mezonlari uchun holatlar soni = 3, ya'ni n=3, I =1, Iz=-1, Iz=0, Iz=1. 5)
Zarrachalarning tasnifi: elementar zarralarning eng muhim xarakteristikasi - bu asosda zarralar barionlarga (trans. og'ir), mezonlarga (yunoncha: o'rta), leptonlarga (yunoncha: engil) bo'linadi; O'zaro ta'sir printsipiga ko'ra, barionlar va mezonlar ham adronlar sinfiga kiradi (yunoncha kuchli), chunki bu zarralar kuchli o'zaro ta'sirda ishtirok etadi. Barionlarga quyidagilar kiradi: protonlar, neytronlar, giperonlar, bu zarrachalardan faqat proton barqaror, barcha barionlar fermionlar, mezonlar bozonlar, beqaror zarralar, barionlar kabi barcha turdagi o'zaro ta'sirlarda ishtirok etadilar, leptonlar: elektron, neytron , bu zarralar fermionlar bo'lib, kuchli o'zaro ta'sirlarda qatnashmaydi. Foton ayniqsa ajralib turadi, u leptonlarga tegishli emas, shuningdek, adronlar sinfiga kirmaydi. Uning spini = 1, tinch massasi = 0. Ba'zan o'zaro ta'sir kvantlari maxsus sinfga bo'linadi, mezon kuchsiz o'zaro ta'sir kvanti, glyuon esa tortishish o'zaro ta'sir kvantidir. Ba'zan kvarklar elektr zaryadining 1/3 yoki 2/3 qismiga teng bo'lgan kasr elektr zaryadiga ega bo'lgan maxsus sinfga bo'linadi. 6)
O'zaro ta'sir turlari. 1865 yilda elektr toki nazariyasi yaratildi magnit maydon(Maksvell). 1915 yilda Eynshteyn tortishish maydoni nazariyasini yaratdi. Kuchli va zaif o'zaro ta'sirlarning kashf etilishi 20-asrning birinchi uchdan biriga to'g'ri keladi. Nuklonlar yadroda kuchli o'zaro ta'sirlar orqali bir-biriga qattiq bog'langan bo'lib, ular kuchli deb ataladi. 1934 yilda Fermet eksperimental tadqiqotlar uchun etarlicha adekvat bo'lgan zaif o'zaro ta'sirlarning birinchi nazariyasini yaratdi. Bu nazariya radioaktivlik kashf etilgandan so'ng paydo bo'lgan, atom yadrolarida kichik o'zaro ta'sirlar paydo bo'lib, uran kabi og'ir kimyoviy elementlarning o'z-o'zidan parchalanishiga olib keladi va nurlar chiqariladi deb taxmin qilish kerak edi. Zaif o'zaro ta'sirlarning yorqin misoli - bu neytron zarralarining yerga kirib borishi, neytronlar esa bir necha santimetr qalinlikdagi qo'rg'oshin qatlami bilan saqlanib qoladi; Kuchli: elektromagnit. Zaif: gravitatsiyaviy = 1: 10-2: 10-10: 10-38. Elektromagnit o'rtasidagi farq va tortishish kuchi O'zaro ta'sirlar, ular masofaning ortishi bilan silliq ravishda kamayadi. Kuchli va zaif shovqinlar juda kichik masofalar bilan chegaralanadi: zaiflar uchun 10-16 sm, kuchlilar uchun 10-13 sm. Ammo uzoqda< 10-16 см слабые взаимодействия уже не являются малоинтенсивными, на расстоянии 10-8 см господствуют elektromagnit kuchlar. Adronlar kvarklar yordamida o'zaro ta'sir qiladi. Kvarklar orasidagi o'zaro ta'sirning tashuvchilari glyuonlardir. Kuchli shovqinlar 10-13 sm masofada paydo bo'ladi, ya'ni glyuonlar qisqa masofaga ega bo'lib, bunday masofalarga etib borishga qodir. Zaif o'zaro ta'sirlar Xiggs maydonlari yordamida amalga oshiriladi, bunda o'zaro ta'sir kvantlar yordamida uzatiladi, ular W+, W- - bozonlar, shuningdek neytral Z0 - bozonlar deb ataladi (1983). 7)
Atom yadrolarining bo'linishi va sintezi. Atomlarning yadrolari protonlardan iborat bo'lib, ular Z va neytronlar N bilan belgilanadi, nuklonlarning umumiy soni - A. A = Z + N harfi bilan belgilanadi. Nuklonni yadrodan olib tashlash uchun energiya sarflash kerak, shuning uchun yadroning umumiy massasi va energiyasi uning barcha tarkibiy qismlarining eshak va energiyalari yig'indisidan kamroq. Energiya farqi boglanish energiyasi deyiladi: Eb=(Zmp+Nmn-M)c2 yadrodagi nuklonlarning boglanish energiyasi – Eb. Nuklonga oʻtadigan bogʻlanish energiyasi xususiy bogʻlanish energiyasi (Eb/A) deb ataladi. Temir atomlarining yadrolari uchun o'ziga xos bog'lanish energiyasi maksimal qiymatga etadi. Temirdan keyingi elementlarda nuklonlarning ko'payishi sodir bo'ladi va har bir nuklon tobora ko'proq qo'shnilarga ega bo'ladi. Kuchli o'zaro ta'sirlar qisqa muddatli bo'lib, bu nuklonlarning o'sishi va nuklonlarning sezilarli o'sishi bilan kimyoviy element parchalanishga intiladi (tabiiy radioaktivlik). Energiya ajraladigan reaksiyalarni yozamiz: 1. Ko'p sonli nuklonli yadrolarning bo'linishi paytida: n+U235→ U236→139La+95Mo+2n sekin harakatlanuvchi neytron U235 (uran) tomonidan soʻriladi, natijada U236 hosil boʻladi, u 2 yadroga boʻlingan La(laptam) va Mo(molibden), ular uchib ketadi. yuqori tezlik va 2 ta neytron hosil bo'ladi, bu esa 2 ta shunday reaksiyaga olib kelishi mumkin. Reaksiya zanjirli xususiyatga ega bo'lib, boshlang'ich yoqilg'ining massasi kritik massaga etadi.2. Yengil yadrolarning sintez reaksiyasi.d2+d=3H+n, agar odamlar yadrolarning barqaror sintezini ta'minlay olsalar, o'zlarini energiya muammolaridan qutqargan bo'lardilar. Okean suvidagi deyteriy arzonning bitmas-tuganmas manbaidir yadro yoqilg'isi, va yorug'lik elementlarining sintezi uran yadrolarining bo'linishi paytida bo'lgani kabi, kuchli radioaktiv hodisalar bilan birga kelmaydi.
Blogga xush kelibsiz! Sizni ko'rganimdan juda xursandman!
Siz buni ko'p marta eshitgandirsiz kvant fizikasi va kvant mexanikasining tushunarsiz sirlari haqida. Uning qonunlari tasavvufni hayratda qoldiradi va hatto fiziklarning o'zlari ham ularni to'liq tushunmasliklarini tan olishadi. Bir tomondan, bu qonunlarni tushunish qiziq, biroq ikkinchi tomondan, fizika bo'yicha ko'p jildli va murakkab kitoblarni o'qishga vaqt yo'q. Men sizni juda yaxshi tushunaman, chunki men ham bilimni va haqiqatni izlashni yaxshi ko'raman, lekin hamma kitoblar uchun vaqt etarli emas. Siz yolg'iz emassiz, ko'plab qiziquvchan odamlarni ishga olishmoqda: "qo'g'irchoqlar uchun kvant fizikasi, qo'g'irchoqlar uchun kvant mexanikasi, yangi boshlanuvchilar uchun kvant fizikasi, yangi boshlanuvchilar uchun kvant mexanikasi, kvant fizikasi asoslari, kvant mexanikasi asoslari, bolalar uchun kvant fizikasi, kvant mexanikasi nima." Ushbu nashr aynan siz uchun.
Kvant fizikasining asosiy tushunchalari va paradokslarini tushunasiz. Maqolada siz quyidagilarni bilib olasiz:
- Interferentsiya nima?
- Spin va superpozitsiya nima?
- "O'lchov" yoki "to'lqin funksiyasining qulashi" nima?
- Kvant entangment (yoki qo'g'irchoqlar uchun kvant teleportatsiyasi) nima? (maqolaga qarang)
- Shredinger mushukining fikrlash tajribasi nima? (maqolaga qarang)
Kvant fizikasi va kvant mexanikasi nima?
Kvant mexanikasi kvant fizikasining bir qismidir.
Nima uchun bu fanlarni tushunish juda qiyin? Javob oddiy: kvant fizikasi va kvant mexanikasi (kvant fizikasining bir qismi) mikrodunyo qonunlarini o‘rganadi. Va bu qonunlar bizning makrokosmos qonunlaridan mutlaqo farq qiladi. Shuning uchun mikrokosmosdagi elektronlar va fotonlar bilan nima sodir bo'lishini tasavvur qilish biz uchun qiyin.
Ibratli va mikro dunyo qonunlari o'rtasidagi farqga misol: bizning makro dunyomizda, agar siz 2 qutining biriga to'p qo'ysangiz, ulardan biri bo'sh, ikkinchisida esa to'p bo'ladi. Ammo mikrokosmosda (agar to'p o'rniga atom bo'lsa) atom bir vaqtning o'zida ikkita qutida bo'lishi mumkin. Bu ko'p marta eksperimental ravishda tasdiqlangan. Buni boshingizga o'rash qiyin emasmi? Lekin faktlar bilan bahslasha olmaysiz.
Yana bir misol. Siz tez yugurayotgan qizil sport avtomobilini suratga oldingiz va fotosuratda siz loyqa gorizontal chiziqni ko'rdingiz, go'yo suratga olish vaqtida mashina kosmosning bir necha nuqtasida joylashgan edi. Suratda ko'rgan narsangizga qaramay, siz hali ham mashina bo'lganiga ishonchingiz komil kosmosning ma'lum bir joyida. Mikro dunyoda hamma narsa boshqacha. Atom yadrosi atrofida aylanadigan elektron aslida aylanmaydi, lekin sferaning barcha nuqtalarida bir vaqtning o'zida joylashgan atom yadrosi atrofida. Yumshoq junning yumshoq o'ralgan to'pi kabi. Fizikada bu tushuncha deyiladi "elektron bulut" .
Tarixga qisqa ekskursiya. Olimlar kvant olami haqida ilk bor 1900 yilda nemis fizigi Maks Plank metallar qizdirilganda nima uchun rangini o‘zgartirishini aniqlashga harakat qilganda o‘ylashgan. Aynan u kvant tushunchasini kiritgan. Shu paytgacha olimlar yorug'lik uzluksiz harakat qiladi deb o'ylashgan. Plankning kashfiyotini jiddiy qabul qilgan birinchi odam o'sha paytdagi noma'lum Albert Eynshteyn edi. U yorug'lik shunchaki to'lqin emasligini tushundi. Ba'zan u o'zini zarra kabi tutadi. Eynshteyn qabul qildi Nobel mukofoti yorug'likning porsiya, kvantlarda tarqalishini kashf etgani uchun. Yorug'lik kvantiga foton deyiladi ( foton, Vikipediya) .
Kvant qonunlarini tushunishni osonlashtirish uchun fiziklar Va mexanika (Vikipediya), biz ma'lum ma'noda klassik fizikaning bizga tanish bo'lgan qonunlaridan mavhum bo'lishimiz kerak. Tasavvur qiling-a, siz Elis singari quyon teshigiga, mo''jizalar mamlakatiga sho'ng'dingiz.
Va bu erda bolalar va kattalar uchun multfilm. 2 tirqish va kuzatuvchi bilan kvant mexanikasining fundamental tajribasini tavsiflaydi. Faqat 5 daqiqa davom etadi. Kvant fizikasining asosiy savollari va tushunchalariga sho'ng'ishdan oldin buni tomosha qiling.
Dummies video uchun kvant fizikasi. Multfilmda kuzatuvchining "ko'ziga" e'tibor bering. Bu fiziklar uchun jiddiy sirga aylandi.
Interferentsiya nima?
Multfilmning boshida suyuqlik misolidan foydalanib, to'lqinlar qanday harakat qilishi ko'rsatildi - tirqishli plastinka ortida ekranda o'zgaruvchan quyuq va och vertikal chiziqlar paydo bo'ladi. Diskret zarrachalar (masalan, toshlar) plastinkada "otilgan" bo'lsa, ular 2 tirqishdan uchib o'tadi va ekranga to'g'ridan-to'g'ri tirqishlarga qo'nishadi. Va ular ekranda faqat 2 ta vertikal chiziqni "chizadilar".
Yorug'likning interferentsiyasi- Bu yorug'likning "to'lqinli" harakati, ekranda ko'plab o'zgaruvchan yorqin va quyuq vertikal chiziqlar ko'rsatilganda. Bundan tashqari, bu vertikal chiziqlar interferentsiya modeli deb ataladi.
Bizning makrokosmosimizda yorug'lik o'zini to'lqin kabi tutishini tez-tez kuzatamiz. Agar siz qo'lingizni sham oldiga qo'ysangiz, devorda sizning qo'lingizdan aniq soya bo'lmaydi, lekin loyqa konturlar bilan.
Demak, hammasi unchalik murakkab emas! Endi bizga yorug'lik to'lqinli tabiatga ega ekanligi aniq bo'ldi va agar 2 ta yoriq yorug'lik bilan yoritilgan bo'lsa, ularning orqasidagi ekranda biz interferentsiya naqshini ko'ramiz.
Endi 2-tajribani ko'rib chiqamiz. Bu mashhur Stern-Gerlach tajribasi (o'tgan asrning 20-yillarida amalga oshirilgan).
Lekin... Natija ajoyib bo'ldi. Olimlar interferentsiya naqshini ko'rdilar - ko'plab vertikal chiziqlar. Ya'ni, elektronlar ham yorug'lik kabi to'lqinli tabiatga ega bo'lishi mumkin va xalaqit berishi mumkin. Boshqa tomondan, yorug'lik nafaqat to'lqin, balki kichik zarracha - foton (dan tarixiy ma'lumotlar Maqolaning boshida Eynshteyn ushbu kashfiyot uchun Nobel mukofotini olganini bilib oldik).
Esingizda bo'lsa kerak, maktabda bizga fizikadan aytilgan edi "to'lqin-zarralar ikkiligi"? Bu shuni anglatadiki, biz mikrokosmosning juda kichik zarralari (atomlar, elektronlar) haqida gapirganda, u holda Ular ham to'lqinlar, ham zarralardir
Bugun siz va men juda aqllimiz va biz yuqorida tavsiflangan ikkita tajriba - elektronlar bilan tortishish va yoriqlarni yorug'lik bilan yoritish - bir xil ekanligini tushunamiz. Chunki biz kvant zarralarini yoriqlarga otamiz. Biz endi bilamizki, yorug'lik ham, elektron ham kvant tabiatiga ega, ular bir vaqtning o'zida ikkala to'lqin va zarrachadir. Va 20-asrning boshlarida bu tajriba natijalari shov-shuv bo'ldi.
Diqqat! Endi nozikroq masalaga o'tamiz.
Biz tirqishlarimizga fotonlar (elektronlar) oqimini yoritamiz va ekrandagi yoriqlar orqasida interferentsiya naqshini (vertikal chiziqlar) ko'ramiz. Bu aniq. Ammo biz elektronlarning har biri tirqish orqali qanday uchishini ko'rishga qiziqamiz.
Ehtimol, bitta elektron chap uyaga, ikkinchisi o'ngga uchadi. Ammo keyin ekranda to'g'ridan-to'g'ri uyalar qarshisida ikkita vertikal chiziq paydo bo'lishi kerak. Nima uchun interferentsiya sxemasi paydo bo'ladi? Ehtimol, elektronlar qandaydir yoriqlar orqali uchib o'tgandan keyin ekranda bir-biri bilan o'zaro ta'sir qiladi. Va natijada bu kabi to'lqin namunasi. Buni qanday kuzatishimiz mumkin?
Biz elektronlarni nurga emas, birma-bir tashlaymiz. Keling, tashlaylik, kuting, keling, keyingisini tashlaymiz. Endi elektron yolg'iz uchayotgani sababli, u ekrandagi boshqa elektronlar bilan o'zaro ta'sir qila olmaydi. Otishdan keyin har bir elektronni ekranga yozib olamiz. Bir yoki ikkitasi, albatta, biz uchun aniq rasmni "bo'yamaydi". Ammo biz ularning ko'pini birma-bir tirqishlarga yuborganimizda, biz ko'ramiz ... oh dahshat - ular yana interferentsiya to'lqini naqshini "chizdilar"!
Biz asta-sekin aqldan ozishni boshlaymiz. Axir, biz slotlarning qarshisida 2 ta vertikal chiziq bo'lishini kutgan edik! Ma’lum bo‘lishicha, biz fotonlarni birma-bir uloqtirganimizda, ularning har biri go‘yo bir vaqtning o‘zida 2 ta tirqishdan o‘tib, o‘ziga xalaqit bergan.
Ajoyib! Keling, keyingi bo'limda ushbu hodisani tushuntirishga qaytaylik.
Endi biz aralashuv nima ekanligini bilamiz. Bu mikro zarralarning to'lqin harakati - fotonlar, elektronlar, boshqa mikro zarralar (oddiylik uchun ularni bundan buyon fotonlar deb ataymiz).
Tajriba natijasida 1 ta fotonni 2 tirqishga tashlaganimizda, u bir vaqtning o'zida ikkita tirqishdan uchib o'tayotgandek ekanligini angladik. Aks holda, ekrandagi interferentsiya naqshini qanday izohlashimiz mumkin?
Ammo fotonning bir vaqtning o'zida ikkita tirqishdan uchib o'tishini qanday tasavvur qilishimiz mumkin? 2 ta variant mavjud.
- 1-variant: foton, xuddi to'lqin kabi (suv kabi) bir vaqtning o'zida 2 bo'lakdan "suzadi"
- 2-variant: foton, zarracha kabi, bir vaqtning o'zida 2 traektoriya bo'ylab uchadi (hatto ikkita emas, balki bir vaqtning o'zida)
Aslida, bu bayonotlar ekvivalentdir. Biz "yo'l integrali" ga keldik. Bu Richard Feynmanning kvant mexanikasi formulasi.
Aytgancha, aniq Richard Feynman tegishli mashhur ifoda, Nima Ishonch bilan aytishimiz mumkinki, kvant mexanikasini hech kim tushunmaydi
Ammo uning bu ifodasi asr boshlarida ishlagan. Ammo endi biz aqllimiz va foton ham zarracha, ham to'lqin sifatida o'zini tutishi mumkinligini bilamiz. U qaysidir ma'noda biz uchun tushunarsiz bo'lib, bir vaqtning o'zida ikkita tirqishdan uchib o'tishi mumkin. Shunday qilib, kvant mexanikasining quyidagi muhim bayonotini tushunish biz uchun oson bo'ladi:
To'g'ri aytganda, kvant mexanikasi bizga bu foton harakati istisno emas, balki qoida ekanligini aytadi. Har qanday kvant zarrasi, qoida tariqasida, bir vaqtning o'zida bir nechta holatda yoki kosmosning bir nechta nuqtasida bo'ladi.
Makrodunyo ob'ektlari faqat ma'lum bir joyda va ma'lum bir holatda bo'lishi mumkin. Ammo kvant zarrasi o'z qonunlariga ko'ra mavjud. Va u bizning ularni tushunmasligimizga parvo ham qilmaydi. Gap shundaki.
Biz shunchaki aksioma sifatida qabul qilishimiz kerakki, kvant ob'ektining "superpozitsiyasi" bir vaqtning o'zida 2 yoki undan ortiq traektoriyada, bir vaqtning o'zida 2 yoki undan ortiq nuqtada bo'lishi mumkinligini anglatadi.
Xuddi shu narsa boshqa foton parametriga ham tegishli - spin (o'zining burchak momentumi). Spin vektor. Kvant ob'ektini mikroskopik magnit deb hisoblash mumkin. Biz magnit vektorining (spin) yuqoriga yoki pastga yo'naltirilganligiga o'rganib qolganmiz. Ammo elektron yoki foton bizga yana shunday deydi: “Bolalar, siz nimaga o'rganib qolganingiz bizga farqi yo'q, biz bir vaqtning o'zida ikkala spin holatida ham bo'lishimiz mumkin (vektor yuqoriga, vektor pastga), xuddi 2 traektoriyada bo'lishimiz mumkin. bir vaqtning o'zida yoki bir vaqtning o'zida 2 nuqtada!
"O'lchov" yoki "to'lqin funksiyasining qulashi" nima?
Bizga "o'lchov" nima ekanligini va "to'lqin funktsiyasi qulashi" nima ekanligini tushunish uchun juda oz narsa qoldi.
To'lqin funktsiyasi kvant ob'ektining (bizning foton yoki elektron) holatining tavsifi.
Aytaylik, bizda elektron bor, u o'ziga uchadi noaniq holatda uning aylanishi bir vaqtning o'zida ham yuqoriga, ham pastga yo'naltiriladi. Biz uning holatini o'lchashimiz kerak.
Keling, magnit maydon yordamida o'lchaymiz: spini maydon yo'nalishi bo'yicha yo'naltirilgan elektronlar bir yo'nalishda, spini maydonga qarshi qaratilgan elektronlar esa boshqa yo'nalishda og'adi. Ko'proq fotonlarni polarizatsiya filtriga yo'naltirish mumkin. Agar fotonning spini (polarizatsiyasi) +1 bo'lsa, u filtrdan o'tadi, lekin -1 bo'lsa, u o'tmaydi.
STOP! Bu erda sizda muqarrar savol tug'iladi: O'lchovdan oldin elektronning aniq aylanish yo'nalishi yo'q edi, to'g'rimi? U bir vaqtning o'zida barcha shtatlarda edi, shunday emasmi?
Bu kvant mexanikasining hiylasi va hissiyotidir. Kvant ob'ektining holatini o'lchamasangiz, u har qanday yo'nalishda aylanishi mumkin (o'z burchak momentum vektorining istalgan yo'nalishi - spin). Ammo siz uning holatini o'lchaganingizda, u qaysi aylanish vektorini qabul qilish haqida qaror qabul qilganga o'xshaydi.
Bu kvant ob'ekti juda ajoyib - u o'z holati haqida qaror qabul qiladi. Va biz uni o'lchaydigan magnit maydonga uchib ketganda qanday qaror qabul qilishini oldindan taxmin qila olmaymiz. Uning "yuqoriga" yoki "pastga" aylanish vektoriga ega bo'lishga qaror qilish ehtimoli 50 dan 50% gacha. Ammo u qaror qilishi bilanoq, u ma'lum bir aylanish yo'nalishi bilan ma'lum bir holatda bo'ladi. Uning qaroriga sabab bizning "o'lchamimiz"!
Bu deyiladi " to'lqin funksiyasining qulashi". O'lchovdan oldin to'lqin funktsiyasi noaniq edi, ya'ni. elektron spin vektori bir vaqtning o'zida barcha yo'nalishlarda bo'lgan o'lchovdan so'ng, elektron o'z spin vektorining ma'lum bir yo'nalishini qayd etdi;
Diqqat! Tushunish uchun ajoyib misol - bizning makrokosmosimizdan birlashma:
Stol ustidagi tangani aylanuvchi tepa kabi aylantiring. Tanga aylanayotganda, u o'ziga xos ma'noga ega emas - boshlar yoki dumlar. Ammo siz ushbu qiymatni "o'lchash" va tangani qo'lingiz bilan urishga qaror qilganingizdan so'ng, siz tanganing o'ziga xos holatini - boshlari yoki dumlarini olasiz. Endi tasavvur qiling-a, ushbu tanga sizga qaysi qiymatni "ko'rsatishni" hal qiladi - boshlar yoki dumlar. Elektron taxminan xuddi shunday harakat qiladi.
Endi multfilm oxirida ko'rsatilgan tajribani eslang. Fotonlar tirqishlardan o'tkazilganda, ular o'zlarini to'lqin kabi tutdilar va ekranda interferentsiya naqshini ko'rsatdilar. Olimlar tirqishdan uchib o‘tayotgan fotonlar momentini qayd qilmoqchi (o‘lchab) va ekran orqasiga “kuzatuvchi” qo‘ymoqchi bo‘lganlarida, fotonlar o‘zini to‘lqinlardek emas, balki zarrachalar kabi tuta boshladi. Va ular ekranda 2 ta vertikal chiziqni "chizdilar". Bular. o'lchash yoki kuzatish paytida kvant ob'ektlari qanday holatda bo'lishlarini o'zlari tanlaydilar.
Ajoyib! Bu rost emasmi?
Lekin bu hammasi emas. Nihoyat biz Biz eng qiziqarli qismga keldik.
Ammo... menimcha, ma'lumotlar haddan tashqari yuk bo'ladi, shuning uchun biz ushbu 2 tushunchani alohida postlarda ko'rib chiqamiz:
- Nima bo'ldi?
- Fikrlash tajribasi nima?
Endi ma'lumotlarning tartiblanishini xohlaysizmi? Kanada nazariy fizika instituti tomonidan tayyorlangan hujjatli filmni tomosha qiling. Unda 20 daqiqadan so'ng siz 1900 yilda Plank kashfiyotidan boshlab kvant fizikasining barcha kashfiyotlari haqida juda qisqa va xronologik tartibda aytib berasiz. Va keyin ular sizga hozirda kvant fizikasidagi bilimlar asosida qanday amaliy ishlanmalar amalga oshirilayotganini aytib berishadi: eng aniq atom soatlaridan kvant kompyuterining o'ta tezkor hisoblarigacha. Men ushbu filmni tomosha qilishni tavsiya etaman.
Ko‘rishguncha!
Barchaga barcha rejalari va loyihalari uchun ilhom tilayman!
P.S.2 Izohlarda savol va fikringizni yozing. Yozing, kvant fizikasi bo'yicha yana qanday savollar sizni qiziqtiradi?
P.S.3 Blogga obuna bo'ling - obuna shakli maqola ostida.
Fizika bizga atrofimizdagi dunyo haqida ob'ektiv tushuncha beradi va uning qonunlari mutlaqdir va ijtimoiy mavqei va shaxslaridan qat'i nazar, istisnosiz barcha odamlarga taalluqlidir.
Ammo bu fanning bunday tushunchasi har doim ham mavjud emas edi. 19-asrning oxirida klassik fizika qonunlariga asoslangan qora jismoniy jismning nurlanishi nazariyasini yaratish yo'lida birinchi nomaqbul qadamlar qo'yildi. Bu nazariya qonunlaridan kelib chiqqan holda, modda har qanday haroratda ma'lum elektromagnit to'lqinlarni chiqarishi, amplitudani mutlaq nolga kamaytirishi va o'z xususiyatlarini yo'qotishi kerak. Boshqacha qilib aytganda, radiatsiya va ma'lum bir element o'rtasidagi issiqlik muvozanati mumkin emas edi. Biroq, bunday bayonot haqiqiy kundalik tajribaga zid edi.
Kvant fizikasini quyidagicha batafsilroq va tushunarliroq tushuntirish mumkin. Har qanday to'lqin spektrining elektromagnit nurlanishini o'zlashtirishga qodir bo'lgan mutlaqo qora jismning ta'rifi mavjud. Uning nurlanishining uzunligi faqat uning harorati bilan belgilanadi. Tabiatda teshikli shaffof bo'lmagan yopiq moddaga mos keladigan mutlaqo qora jismlar bo'lishi mumkin emas. Qizdirilganda, elementning har qanday bo'lagi porlashni boshlaydi va darajaning oshishi bilan u qizilga, keyin esa oq rangga aylanadi. Rang deyarli moddaning xususiyatlariga bog'liq emas, u faqat uning harorati bilan tavsiflanadi.
Eslatma 1
Kvant kontseptsiyasining rivojlanishining keyingi bosqichi Plank gipotezasi ostida ma'lum bo'lgan A. Eynshteyn ta'limoti bo'ldi.
Bu nazariya olimga noyob fotoelektr effektining klassik fizika chegaralariga to‘g‘ri kelmaydigan barcha qonunlarini tushuntirish imkonini berdi. Ushbu jarayonning mohiyati elektromagnit nurlanishning tezkor elektronlari ta'sirida materiyaning yo'qolishidir. Chiqaruvchi elementlarning energiyasi so'rilgan nurlanish koeffitsientiga bog'liq emas va uning xususiyatlari bilan belgilanadi. Biroq, chiqarilgan elektronlar soni nurlarning to'yinganligiga bog'liq
Tez orada takroriy tajribalar Eynshteynning ta'limotini nafaqat fotoelektr effekti va yorug'lik, balki rentgen va gamma nurlari bilan ham tasdiqladi. 1923-yilda kashf etilgan A.Kompton effekti erkin, kichik elektronlarda elektromagnit nurlanishning diapazoni va toʻlqin uzunligining ortishi bilan birga elastik sochilishini tartibga solish orqali maʼlum fotonlarning mavjudligi haqidagi yangi faktlarni omma eʼtiboriga havola etdi.
Kvant maydon nazariyasi
Ushbu ta'limot mexanik tushunchaning umumiy harakatini ko'rsatish uchun juda muhim bo'lgan ma'lum miqdordagi mustaqil koordinatalarni o'z ichiga olgan fanda erkinlik darajalari deb ataladigan kvant tizimlarini kiritish jarayonini aniqlashga imkon beradi.
Oddiy so'zlar bilan aytganda, bu ko'rsatkichlar harakatning asosiy belgilaridir. Shuni ta'kidlash kerakki, elementar zarralarning garmonik o'zaro ta'siri sohasidagi qiziqarli kashfiyotlar neytral oqimni, ya'ni leptonlar va kvarklar o'rtasidagi munosabatlar printsipini kashf etgan tadqiqotchi Stiven Vaynberg tomonidan amalga oshirildi. 1979 yilda kashfiyoti uchun fizik Nobel mukofoti laureati bo'ldi.
Kvant nazariyasida atom yadro va o'ziga xos elektron bulutidan iborat. Ushbu elementning asosi atomning deyarli butun massasini o'z ichiga oladi - 95 foizdan ortiq. Yadro aniq musbat zaryadga ega kimyoviy element, atomning o'zi uning bir qismidir. Atom tuzilishidagi eng g'ayrioddiy narsa shundaki, yadro uning deyarli barcha massasini tashkil etsa ham, uning hajmining o'ndan mingdan bir qismini o'z ichiga oladi. Bundan kelib chiqadiki, atomda haqiqatan ham juda oz zich materiya mavjud va fazoning qolgan qismini elektron bulut egallaydi.
Kvant nazariyasining talqinlari - bir-birini to'ldirish tamoyili
Kvant nazariyasining jadal rivojlanishi bunday elementlar haqidagi klassik g'oyalarning tubdan o'zgarishiga olib keldi:
- materiyaning tuzilishi;
- elementar zarrachalarning harakati;
- sababiy bog'liqlik;
- bo'sh joy;
- vaqt;
- bilishning tabiati.
Odamlar ongidagi bunday o'zgarishlar dunyo manzarasining yanada aniq tushunchaga tubdan o'zgarishiga yordam berdi. Moddiy zarrachaning klassik talqini to'satdan ajralish bilan tavsiflangan muhit, o'z harakatining mavjudligi va kosmosdagi ma'lum bir joy.
Kvant nazariyasida elementar zarracha o'zi kiritilgan tizimning eng muhim qismi sifatida tasvirlana boshladi, lekin ayni paytda uning o'z koordinatalari va impulslari yo'q edi. Harakatning klassik idrokida o'zlari bilan bir xil bo'lib qolgan elementlarni oldindan rejalashtirilgan traektoriya bo'ylab ko'chirish taklif qilingan.
Zarrachalar bo'linishining noaniq tabiati harakatning bunday tasavvuridan voz kechishni taqozo etdi. Klassik determinizm o'z o'rnini statistik yo'nalishga etakchi mavqega ega bo'ldi. Agar ilgari elementdagi butun yaxlit tarkibiy qismlarning umumiy soni sifatida qabul qilingan bo'lsa, kvant nazariyasi atomning individual xususiyatlarining tizimga bog'liqligini aniqladi.
Intellektual jarayonni klassik tushunish bevosita moddiy ob'ektni o'zida to'liq mavjud deb tushunish bilan bog'liq edi.
Kvant nazariyasi quyidagilarni ko'rsatdi:
- ob'ekt haqidagi bilimlarning bog'liqligi;
- tadqiqot jarayonlarining mustaqilligi;
- bir qator farazlar bo'yicha harakatlarning to'liqligi.
Eslatma 2
Ushbu tushunchalarning ma'nosi dastlab tushunarli emas edi va shuning uchun kvant nazariyasining asosiy qoidalari har doim turli xil talqinlar bilan bir qatorda turli xil talqinlarni ham oldi.
Kvant statistikasi
Kvant va to'lqin mexanikasi rivojlanishi bilan bir qatorda, kvant nazariyasining boshqa tarkibiy qismlari - juda ko'p sonli zarralarni o'z ichiga olgan kvant tizimlarining statistikasi va statistik fizikasi jadal rivojlandi. Aniq elementlar harakatining klassik usullari asosida ularning yaxlitligi xatti-harakatlari nazariyasi - klassik statistika yaratildi.
Kvant statistikasida bir xil tabiatdagi ikkita zarrachani ajratishning mutlaqo imkoni yo'q, chunki bu beqaror kontseptsiyaning ikkita holati bir-biridan faqat o'ziga xoslik printsipiga bir xil ta'sir kuchiga ega bo'lgan zarralarning qayta joylashishi bilan farqlanadi. Kvant tizimlari klassik ilmiy tizimlardan asosan shu bilan farq qiladi.
Kvant statistikasining kashfiyotining muhim natijasi har qanday tizimning bir qismi bo'lgan har bir zarracha bir xil element bilan bir xil emasligi haqidagi fikrdir. Bu tizimlarning muayyan segmentida moddiy ob'ektning o'ziga xos xususiyatlarini aniqlash vazifasining muhimligini anglatadi.
Kvant fizikasi va klassika o'rtasidagi farq
Demak, kvant fizikasining klassik fizikadan asta-sekin chekinishi vaqt va makonda sodir bo'layotgan alohida hodisalarni tushuntirishdan bosh tortish va uning ehtimollik to'lqinlari bilan statistik usuldan foydalanishdan iborat.
Eslatma 3
Klassik fizikaning maqsadi ma'lum bir sohadagi alohida ob'ektlarni tavsiflash va bu ob'ektlarning vaqt o'tishi bilan o'zgarishini tartibga soluvchi qonunlarni shakllantirishdir.
Kvant fizikasi fizik g'oyalarni global tushunishda fanda alohida o'rin tutadi. Inson ongining eng esda qolarli ijodi orasida elektrodinamika, mexanika va tortishish nazariyasini o‘zida mujassam etgan yo‘nalishlarning mutlaqo yangi kontseptsiyasi bo‘lgan nisbiylik nazariyasi - umumiy va maxsusdir.
Kvant nazariyasi nihoyat klassik an'analar bilan aloqalarni uzib, yangi, universal til va g'ayrioddiy fikrlash uslubini yaratib, olimlarga mikrodunyoga uning baquvvat tarkibiy qismlari bilan kirib borishga va klassik fizikada mavjud bo'lmagan o'ziga xos xususiyatlarni kiritish orqali uning to'liq tavsifini berishga imkon berdi. Bu usullarning barchasi oxir-oqibat barchaning mohiyatini batafsilroq tushunishga imkon berdi atom jarayonlari, va shu bilan birga, bu nazariya fanga tasodifiylik va oldindan aytib bo'lmaydiganlik elementini kiritdi.
Kvant maydonining barcha mumkin bo'lgan qo'zg'alishlarini tavsiflovchi fok fazosi. QFTda kvant-mexanik to'lqin funksiyasining analogi maydon operatori (aniqrog'i, "maydon" bu operator tomonidan baholanadigan umumlashtirilgan funksiya bo'lib, undan faqat asosiy funktsiya bilan konvolyutsiyadan so'ng biz Gilbert holati fazosida ishlaydigan operatorni olamiz) , Fok fazosining vakuum vektoriga ta'sir qilish qobiliyatiga ega (vakuumga qarang) va kvant maydonining bir zarracha qo'zg'alishlarini hosil qiladi. Bu yerdagi fizik kuzatiladiganlar maydon operatorlaridan tashkil topgan operatorlarga ham mos keladi [ uslub!] .
Barcha elementar zarralar fizikasi aynan kvant maydon nazariyasiga asoslanadi.
Kvant maydon nazariyasini qurishda asosiy nuqta renormalizatsiya hodisasining mohiyatini tushunish edi.
Kelib chiqish tarixi
Kvant mexanikasining asosiy tenglamasi - Shredinger tenglamasi nisbiy jihatdan o'zgarmasdir, buni tenglamaga vaqt va fazoviy koordinatalarning assimetrik kiritilishidan ko'rish mumkin. 1926 yilda erkin (spinsiz yoki nol spinli) zarra uchun nisbiy invariant tenglama (Klayn-Gordon-Fok tenglamasi) taklif qilindi. Ma'lumki, klassik mexanikada (jumladan, relativistik bo'lmagan kvant mexanikasida) erkin zarrachaning energiyasi (kinetik, chunki potentsial nolga teng deb taxmin qilinadi) va impulsi . Energiya va impuls o'rtasidagi relativistik munosabat shaklga ega. Relyativistik holatda impuls operatori relyativistik bo'lmagan mintaqadagi bilan bir xil deb faraz qilib, analogiya bo'yicha relativistik Gamiltonianni qurish uchun ushbu formuladan foydalanib, Klein-Gordon tenglamasini olamiz:
yokiyoki qisqacha, qo'shimcha ravishda natural birliklardan foydalanish:
, D'Alembert operatori qayerda.Biroq, bu tenglama bilan bog'liq muammo shundaki, bu erda to'lqin funksiyasini ehtimollik amplitudasi sifatida talqin qilish qiyin, chunki - ko'rsatilgandek - ehtimollik zichligi ijobiy aniq miqdor bo'lmaydi.
1928 yilda u tomonidan taklif qilingan Dirak tenglamasi biroz boshqacha asosga ega. Dirak birinchi tartibli differentsial tenglamani olishga harakat qildi, bunda vaqt koordinatasi va fazoviy koordinatalarning tengligi ta'minlanadi. Impuls operatori koordinatalariga nisbatan birinchi hosilaga proporsional bo‘lganligi sababli, Dirak Gamiltonian impuls operatorida chiziqli bo‘lishi kerak.
va energiya va impuls o'rtasidagi bog'liqlik formulasini hisobga olgan holda, ushbu operatorning kvadratiga va shuning uchun "koeffitsientlarga" cheklovlar qo'yiladi - ularning kvadratlari birga teng bo'lishi kerak va ular o'zaro antikommutativ bo'lishi kerak. Shunday qilib, bular, albatta, raqamli koeffitsientlar bo'lishi mumkin emas. Biroq, ular kamida 4 o'lchamli matritsalar bo'lishi mumkin va "to'lqin funktsiyasi" bispinor deb ataladigan to'rt komponentli ob'ektdir. Bunday holda, Dirak tenglamasi rasmiy ravishda Shredinger tenglamasiga o'xshash shaklga ega (Dirak Gamiltonian bilan).
Biroq, bu tenglama, Klein-Gordon tenglamasi kabi, salbiy energiyaga ega bo'lgan echimlarga ega. Bu holat keyinchalik eksperimental ravishda tasdiqlangan (pozitronning kashfiyoti) antizarralarni bashorat qilish uchun sabab bo'ldi. Antizarralarning mavjudligi energiya va impuls o'rtasidagi relativistik munosabatning natijasidir.
Shu bilan birga, 20-yillarning oxiriga kelib, zarralarni yaratish va yo'q qilish operatorlariga asoslangan ko'p zarrali tizimlarni (shu jumladan, zarrachalar soni o'zgaruvchan bo'lgan tizimlarni) kvant tavsifi uchun formalizm ishlab chiqildi. Kvant maydon nazariyasi ham shu operatorlarga asoslanadi (ular orqali ifodalanadi).
Klein-Gordon va Dirak tenglamalarini Shredinger tenglamasini qanoatlantiradigan kvant maydonlar tizimining holat vektoriga ta'sir qiluvchi maydon operatori funktsiyalari tenglamalari sifatida ko'rib chiqish kerak.
Kvant maydon nazariyasining mohiyati
Lagranj rasmiyatchiligi
Klassik mexanikada ko'p zarrali tizimlarni Lagranj formalizmi yordamida tasvirlash mumkin. Ko'p zarrachalar sistemasining Lagranjiyani alohida zarrachalarning Lagranjiyalari yig'indisiga teng. Maydon nazariyasida xuddi shunday rolni fazoning ma'lum bir nuqtasida Lagranj zichligi (Lagranj zichligi) o'ynashi mumkin. Shunga ko'ra, tizimning (maydonning) Lagrangiani uch o'lchovli fazodagi Lagrangian zichligi integraliga teng bo'ladi. Harakat, klassik mexanikada bo'lgani kabi, vaqt o'tishi bilan Lagrangian integraliga teng deb hisoblanadi. Demak, maydon nazariyasidagi harakatni to'rt o'lchovli fazo-vaqt bo'yicha Lagranj zichligining integrali sifatida ko'rish mumkin. Shunga ko'ra, ushbu to'rt o'lchovli integralga eng kichik (statsionar) ta'sir tamoyilini qo'llash va maydon uchun harakat tenglamalarini - Eyler-Lagrange tenglamalarini olish mumkin. Lagrangian (Lagrangian zichligi) uchun minimal talab relativistik o'zgarmaslikdir. Ikkinchi talab - harakat tenglamalari "to'g'ri" bo'lishi uchun (klassik mexanikaga to'g'ri keladi) Lagrangian birinchi darajadan yuqori maydon funktsiyasi hosilalarini o'z ichiga olmaydi. Bundan tashqari, boshqa talablar (mahalliylik, birlik va boshqalar) mavjud. Noeter teoremasiga ko'ra, k-parametrik o'zgarishlarda harakatning o'zgarmasligi k dinamik maydon invariantlariga, ya'ni saqlanish qonunlariga olib keladi. Xususan, harakatning tarjimalarga (siljishlarga) nisbatan o'zgarmasligi 4-momentumning saqlanishiga olib keladi.
Misol: Lagrangian bilan skalyar maydon
Berilgan maydon uchun harakat tenglamalari Klein-Gordon tenglamasiga olib keladi. Ushbu tenglamani yechish uchun Furye konvertatsiyasi orqali impuls ko'rinishiga o'tish foydalidir. Klein-Gordon tenglamasidan Furye koeffitsientlari shartni qondirishini tushunish oson.
Ixtiyoriy funksiya qayerda
Delta funktsiyasi chastota (energiya), to'lqin vektori (momentum vektori) va parametr (massa) o'rtasidagi bog'liqlikni o'rnatadi: . Shunga ko'ra, ikkita mumkin bo'lgan belgi uchun biz impulsni ifodalashda ikkita mustaqil echimga egamiz (Furye integrali)
Impuls vektori teng bo'lishini ko'rsatish mumkin
Shuning uchun funktsiyani massa, impuls va energiyaga ega bo'lgan zarralarning o'rtacha zichligi sifatida talqin qilish mumkin. Kvantlashdan so'ng, bu mahsulotlar butun sonli o'z qiymatlariga ega bo'lgan operatorlarga aylanadi.
Maydonni kvantlash. Kvantlarni yaratish va yo'q qilish operatorlari
Kvantlash maydonlardan holat vektoriga (amplitudasiga) ta'sir qiluvchi operatorlarga o'tishni anglatadi Φ . Oddiy kvant mexanikasiga o'xshab, holat vektori kvantlangan to'lqin maydonlari tizimining fizik holatini to'liq tavsiflaydi. Holat vektori qandaydir chiziqli fazodagi vektordir.
To'lqin maydonlarini kvantlashning asosiy postulati shundan iboratki, dinamik o'zgaruvchilar operatorlari klassik maydonlar bilan bir xil tarzda (ko'paytirish tartibini hisobga olgan holda) maydon operatorlari bilan ifodalanadi.
Kvant garmonik osilator uchun energiyani kvantlashning taniqli formulasi olingan. Gamiltonning ko'rsatilgan xos qiymatlariga mos keladigan xos funktsiyalar ma'lum operatorlar - ortib borayotgan operator - kamayuvchi operator tomonidan bir-biriga bog'langan bo'ladi. Shuni ta'kidlash kerakki, bu operatorlar kommutativ emas (ularning kommutatori birga teng). Ortib borayotgan yoki kamayuvchi operatordan foydalanish n kvant sonini bittaga oshiradi va osilator energiyasining teng ravishda oshishiga olib keladi (spektrning teng masofasi), bu yangisining tug'ilishi yoki maydon kvantining yo'q qilinishi deb talqin qilinishi mumkin. energiya bilan. Aynan shu talqin yuqoridagi operatorlardan foydalanishga imkon beradi, masalan yaratish va yo'q qilish operatorlari berilgan maydonning kvantlari. Garmonik osilatorning Gamiltoniani ko'rsatilgan operatorlar orqali quyidagicha ifodalanadi, bu erda - kvant raqamlari operatori dalalar. Ko'rsatish oson - ya'ni ushbu operatorning o'ziga xos qiymatlari - kvantlar soni. Har qanday n-zarracha maydon holatini vakuumda yaratish operatorlarining harakati bilan olish mumkin
Vakuum holati uchun annigilyatsiya operatorini qo'llash natijasi nolga teng (buni vakuum holatining rasmiy ta'rifi sifatida qabul qilish mumkin).
N osilatorlarda tizimning Gamiltoniani alohida osilatorlarning Gamiltonianlari yig‘indisiga teng. Har bir bunday osilator uchun o'zining yaratilish operatorlarini belgilash mumkin. Shuning uchun bunday tizimning ixtiyoriy kvant holatini foydalanib tasvirlash mumkin raqamlarni to'ldirish- vakuumda ishlaydigan ma'lum k turdagi operatorlar soni:
Ushbu vakillik deyiladi to'ldiruvchi raqamlarning ifodalanishi. Ushbu tasvirning mohiyati shundan iboratki, koordinatalar funktsiyasini (koordinatalarni ko'rsatish) yoki impulslar funktsiyasini (impulsni ko'rsatish) belgilash o'rniga, tizimning holati qo'zg'atilgan holatning soni - to'ldirish raqami bilan tavsiflanadi. .
Ko'rsatish mumkinki, masalan, Klein-Gordon skalyar maydonini osilatorlar to'plami sifatida ko'rsatish mumkin. Maydon funktsiyasini uch o'lchovli impuls vektorida cheksiz Furye qatoriga kengaytirib, Klein-Gordon tenglamasidan shuni ko'rsatish mumkinki, kengayish amplitudalari parametrli (chastota) osilator uchun klassik ikkinchi tartibli differentsial tenglamani qanoatlantiradi. ). Cheklangan kubni ko'rib chiqamiz va davr bilan har bir koordinataga davriylik sharti qo'yiladi.
Maydon operatorlari, dinamik o'zgaruvchilar operatorlari
Fokning vakili
Bose-Eynshteyn va Fermi-Dirak kvantlash. Spin bilan ulanish.
Bose-Eynshteyn kommutatsion munosabatlari oddiy kommutatorga (operatorlarning "to'g'ridan-to'g'ri" va "teskari" mahsuloti o'rtasidagi farq), Fermi-Dirak kommutatsion munosabatlari esa antikommutatorga ("to'g'ridan-to'g'ri" va operatorlarning "teskari" mahsuloti). Birinchi maydonlarning kvantlari Bose-Eynshteyn statistikasiga bo'ysunadi va bozonlar deb ataladi, ikkinchi maydonlarning kvantlari esa Fermi-Dirak statistikasiga bo'ysunadi va fermionlar deb ataladi. Maydonlarni Bose-Eynshteyn kvantlashi butun spinli zarralar uchun, yarim butun spinli zarralar uchun esa Fermi-Dirak kvantlash izchil bo'lib chiqadi. Shunday qilib, fermionlar yarim butun spinli zarralar, bozonlar esa butun spinli zarralardir.
S-matritsaning formalizmi. Feynman diagrammasi
Divergentsiya muammosi va ularni hal qilish yo'llari
Aksiomatik kvant maydon nazariyasi
Shuningdek qarang
Adabiyot
- Kvant maydon nazariyasi - Fizika ensiklopediyasi (bosh muharrir A. M. Proxorov).
- Richard Feynman, "Jismoniy qonunlarning tabiati" - M., Nauka, 1987, 160 b.
- Richard Feynman, "QED - yorug'lik va materiyaning g'alati nazariyasi" - M., Nauka, 1988, 144 p.
- Bogolyubov N. N., Shirkov D. V. Kvantlangan maydon nazariyasiga kirish. - M.: Nauka, 1984. - 600 b.
- Wentzel G. To'lqin maydonlarining kvant nazariyasiga kirish. - M.: GITTL, 1947. - 292 b.
- Itsikson K., Zuber J.-B. Kvant maydon nazariyasi. - M.: Mir, 1984. - T. 1. - 448 b.
- Rayder L. Kvant maydon nazariyasi. - M.: Mir, 1987. - 512 b.
| Asosiy bo'limlar |
|
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Amaliy fizika | Plazma fizikasi Atmosfera fizikasi Lazer fizikasi Tezlashtiruvchi fizika | ||||||||
| Tegishli fanlar | Agrofizika Fizika kimyo Matematik fizika Kosmologiya Astrofizika Geofizika Biofizika Metrologiya Materialshunoslik | ||||||||
| Shuningdek qarang | |||||||||
