Імовірнісний підхід

ПЛАН.

1. Квантова механика.

2. Всередину матерії .

3. Фізичні взаимодействия.

Квантова механика.

Квантова механіка — це фізична теорія, що встановлює спосіб описи і закони руху на мікрорівні. Її початок збіглося з початком століття. М. Планк в 1900 року припустив, що світло випускається неподільними порціями енергії — квантами, і математично представив це у вигляді формули E=hv, де v — частота світла, а h — універсальна стала, характеризує міру дискретної порції енергії, якої обмінюються речовина і випромінювання. У атомну теорію ввійшли, в такий спосіб, переривчасті фізичні величини, які можуть змінюватися лише скачками.

Наступне вивчення явищ мікросвіту призвело до результатам, які різко йшли супроти загальноприйнятими у «класичній фізики й навіть теорії відносності уявленнями. Класична фізика бачила свою ціль десь у описі об'єктів, що у просторі й у формулюванні законів, управляючих їх змінами у часі. Для таких явищ, як радіоактивний розпад, дифракція, випущення спектральних ліній можна стверджувати лише, що є деяка можливість, що індивідуальний об'єкт така й що вона має таке-то властивість. У квантової механіці немає місця для законів, управляючих змінами індивідуального об'єкта у времени.

Для класичної механіки характерно опис частинок шляхом завдання їх стану та швидкостей і залежності цих величин від часу. У квантової механіці однакові частки в однакових умов можуть поводитися порізного. Експеримент з цими двома отворами, якими проходить електрон, дозволяє отримати і вимагає застосування ймовірнісних уявлень. Не скажеш, через яке отвір пройде даний електрон, та їх багато, можна припустити, що коли частина їх проходить через одне отвір, частина — через інше. Закони квантової механіки — закони статистичного характеру. «Ми можемо передбачити, скільки приблизно атомів (радіоактивного речовини — А. Р.) розпадуться у наступні півгодини, однак коли ми поспіль не можемо сказати… чому саме ця окремі атоми приречені на загибель» (Ейнштейн А., Інфельд Л. Цит. тв.- З. 232).

У мікросвіті панує статистика, а чи не рівняння Максвелла чи закони Ньютона. «Ми ж маємо закони, управляючі змінами у часу» (Саме там.- З. 237). Статистичні закони можна застосувати лише у великим совокупностям, але до окремим індивідуумам. Квантова механіка цурається пошуку індивідуальних законів елементарних частинок і встановлює статистичні закони. На базі квантової механіки неможливо описати ситуацію і швидкість елементарної частки чи б його майбутній шлях. Хвилі ймовірності кажуть нам про можливість зустріти електрон у цьому чи іншому месте.

У. Гейзенберг робить такий висновок: «У експериментах з атомними процесами ми маємо справу з речами і фактами, які так ж реальні, як реальні будь-які явища повсякденні. Але атоми чи елементарні частки реальні над такої міри. Вони утворюють скоріш світ тенденцій чи можливостей, ніж світ речей і фактів» (Гейзенберг. Цит. тв.- З. 117).

У першій моделі атома, побудованої з урахуванням експериментального виявлення квантування світла, H. Бор (1913 рік) пояснив це явище тим, що випромінювання відбувається за переході електрона з одного орбіти в іншу, у своїй народжується квант світла з енергією, рівної різниці енергій рівнів, між якими здійснювався перехід. Так виникає линейчатый спектр — основна особливість атомних спектрів (в спектрах виявляються лише певні довжини волн).

Важлива особливість явищ мікросвіту у тому, що електрон поводиться, уподібнившись частинки, коли рухається у виеш-нем електричному чи магнітному полі, і подібно хвилі, коли диф-рагирует, проходячи крізь кристал. Поведінка потоку частиц—электронов, атомів, молекул — під час зустрічі з перешкодами чи отворами атомних розмірів підпорядковується хвильовим законам: спостерігаються явища дифракції, інтерференції, відображення, заломлення тощо. п. Луї де Бройль припустив, що електрон — це хвиля певної длины.

Дифракція підтверджує хвилясту гіпотезу, відсутність збільшення енергії выбиваемых світлом частинок — квантову. І це одержало назву корпускулярно-хвилястого дуалізму. Які ж описувати процеси в мікросвіті, якщо «немає жодних шансів послідовно описати світлові явища, обравши лише якусь жодну з двох можливих теорій — хвилясту чи квантову» (Ейнштейн А., Інфельд Л. Цит. тв.- З. 215)?

Деякі ефекти пояснюються хвильової теорією, деяких інших — квантової. Тому треба використовувати різні формули і з хвильової і з квантової теорії ще повний опис процесів — такий сенс принципу додатковості М. Бору. «Зусилля Бору були спрямовані те що, що б зберегти за обома наочними уявленнями, корпускулярним і хвилевим, однакове бути, причому він намагався показати, хоча ці уявлення можливо виключають одне одного, але вони лише спільно роблять можливим повне опис процесів в атомі» (Гейзенберг У. Цит. тв.- З. 203).

З принципом додатковості пов’язано й зване «співвідношення невизначеностей», сформульоване 1927 року Вернером Гейзенбергом, в відповідно до цього в квантової механіці немає станів, в яких і було місце розташування, і кількість руху (твір маси на швидкість) мали цілком певне значення. Частка із суворо певним імпульсом не локалізована. Чим більше певним стає імпульс, проте точно її положение.

Співвідношення невизначеностей говорить, що з абсолютно точної локалізації мікрочастинки необхідні нескінченно великі імпульси, що фізично може бути здійснено. Понад те, сучасна фізика елементарних частинок показує, що з дуже сильних впливах на частку, взагалі не зберігається, а відбувається множинне народження частиц.

У більш загальному плані, можна сказати, що тільки частина які стосуються квантової системі фізичних величин може мати одночасно точні значення, інші величини виявляються невизначеними. Тож у будь-якої квантової системі що неспроможні одночасно рівнятися нулю все фізичні величины.

Енергію системи теж можна виміряти з точністю, яка перевищує певної величини. Причина цього — у взаємодії системи з вимірювальним приладом, який перешкоджає точному виміру енергії. З співвідношення невизначеностей випливає, що енергії порушених станів атомів, молекул, ядер неможливо знайти суворо певними. У цьому виведення і заснована гіпотеза походження Всесвіту з «порушеної вакуума».

Значення експерименту зросла у квантової механіці настільки, що, як у Гейзенберг, «спостереження грає на вирішальній ролі в атомному подію, І що реальність різниться залежно від цього, спостерігаємо ми її або немає» (Гейзенберг У. Цит. тв.- З. 24). З цієї обставини, яка полягає у цьому, що сама вимірювати впливає результати вимірювання, і бере участь у формуванні досліджуваного явища, слід було, уперших, уявлення про особливу «фізичної реальності «, якій властивий даний феномен, а, по-друге, уявлення про субъект-объектном єдності як єдності вимірювального приладу і досліджуваної реальності. «Квантова теорія не допускає цілком об'єктивного описи природи» (Саме там.- З. 61). Людина перейшов до такий рівень дослідження, де його вплив виявляється непереборним під час експерименту, і фиксируемым результатом є взаємодія досліджуваного об'єкту і вимірювального приладу. Отже, принципово новими моментами у дослідженні мікросвіту стали: 1) кожна елементарна частка має як корпускулярными, і хвилевими властивостями; 2) речовина може переходити в випромінювання (анігіляція частинки й античастинки дає фотон, т. е. квант світла); 3) можна передбачити місце і імпульс елементарної частки тільки з певною можливістю; 4) прилад, який досліджує реальність, впливає неї; 5) точне вимір можливе лише за потоці частинок, але з однієї частицы.

Фактично, відносність восторжествувала й у квантової механіці, оскільки вчені визнали, що не можна: 1) знайти об'єктивну істину безвідносно від вимірювального приладу; 2) знати «це й ситуацію і швидкість частинок; 3) встановити, чи маємо ми мікросвіті працювати з частинками чи хвилями. Це і торжество відносності у фізиці XX века.

Всередину материи.

У хімії елементом назвали субстанцію, яка можна було розкладена чи розщеплена якими завгодно засобами, наявні тоді в розпорядженні вчених: шляхом кип’ятіння, спалюванням, розчиненням, змішуванням з іншими речовинами. Потім у фізиці з’явилося поняття атома, запозичене у Демокрита (з грецьк. «неподільний»), яким було названо дрібна одиниця матерії, входила до складу хімічного елемента. Хімічний елемент полягає з однакових атомов.

Потім з’ясувалося, що сама атом складається з елементарних частинок. У першої моделі атома, запропонованої Еге. Резерфордом, електрони рухаються навколо ядра, як планети навколо Сонця (планетар-. ная модель атома). Встановлено, що поперечник атома становить 10 «8 див, а ядра — 10 «12 див. Маса протона більше маси електрона у 2000;му раз. Щільність ядра 1014 г/см3. Перетворення хімічних речовин один одного, що мріяли алхіміки, можливо, але для цього необхідно змінити атомне ядро, яка потребує енергій мільйони раз переважаючих ті, які мають місце при хімічних процессах.

У XX столітті відкрито дуже багато елементарних частинок і виявлено закономірності їх взаємодії. Їх можна розділити сталася на кілька груп: адрони (їх складаються ядра), лептони (електрони, нейтрино), фотони (кванти світла без маси спокою). Фотони і нейтрино рухаються зі швидкістю света.

Німецький фізик П. Дірак передбачив в 1936 року існування складу з тією ж масою, як і частки, але зарядом протилежного знака. На цей час на прискорювачах високих енергій отримані позитроны (античастицы електронів) і антипротони. Зіткнувшись частка і античастка анігілюють із фотонів — безмассовых частинок світла (речовина перетворюється на випромінювання). Через війну взаємодії фотонів можуть народжуватися пари «частка — античастица».

Відкриття дедалі більшої кількості елементарних частинок підтвердило взаємоперетворенням речовини і (передбачене, втім, ще Анаксимандром), отже матерія, що колись ототожнювалася з речовиною, дедалі більше початку скидатися на матерію як «потенцію» себто Аристотеля, яка потребує формі, щоб стати речовинної реальностью.

Поняття «хімічного елемента» і «елементарної частки» свідчать, що і те, й те колись передбачалося простою й безструктурним. Потім вчені перестали вживати кожному за нового рівня один і той ж слово элемент-неделимый й у наступного рівня взяли нічого конкретно не значуще слово з мистецького твору «кварк». Може так точніше й ближче до істини. Усі здається елементарним, доки знайдеш його складові. Буде кінець можливості розщеплення визначить лише прогрес наукового знания.

Теоретично передбачені кварки, головною особливістю яких є дробовий заряд, були потім експериментально знайдено. За повідомленнями американських вчених у 1994 року виявлено останній із шести різновидів, найважчий кварк.

Фізичні взаимодействия.

Відомі чотири основних фізичних взаємодії, які визначають структуру нашого світу: сильні, слабкі, електромагнітні і гравитационные.

I. Сильні взаємодії мають місце між адронами (від грецьк. «адрос» — сильний), до яких належать барионы (грецьк. «ба-рис» — важкий) — це нуклони (протони і нейтрони) і гипероны, і мезони. Сильні взаємодії можливі лише з великих відстанях (радіус приблизно 10 «13 см.).

Один з проявів сильних взаємодій — ядерні сили. Сильні взаємодії відкриті Еге. Резерфордом в 1911 року разом з відкриттям атомного ядра (цими силами пояснюється розсіювання а-частиц, проходять через речовина). Відповідно до гіпотезі Юкавы (1935 р.) сильні взаємодії перебувають у випущенні проміжної частки — переносника ядерних сил. Це пі-мезон, виявлений у 1947 року, з безліччю в 6 разів менша маси нуклона, і знайдені пізніше інші мезони. Нуклони оточені «хмарами» мезонов.

Нуклони можуть приходити в порушена станубарионные резонансы — і обмінюватися у своїй іншими частинками. Зіткнувшись баріонів їх хмари перекриваються і «порушуються», випускаючи частки у бік разлетающихся хмар. З центральній області зіткнення можуть испускаться у різних напрямах повільніші вторинні частки. Ядерні сили не залежить від заряду частинок. У сильних взаємодію розмір заряду сохраняется.

II. Електромагнітне взаємодія в 100−1000 разів слабкіша за сильного взаємодії. За нього відбувається випущення і поглинання «частинок світла» — фотонов.

III. Слабкі взаємодії слабше електромагнітного, але сильніше гравітаційного. Радіус дії на два порядки менший від радіуса сильного взаємодії. за рахунок слабкого взаємодії світить Сонце (протон перетворюється на нейтрон, позитрон і нейтрино). Испускаемое нейтрино має величезної проницающей здатністю — вони проходять через залізну плиту завтовшки мільярд км. При слабких взаємодію змінюється заряд частиц.

Слабка взаємодія є не контактне взаємодія, а здійснюється шляхом обміну проміжними важкими частинками — бозонами, аналогічними фотонові. Бозон віртуальний і нестабилен.

IV. Гравітаційне взаємодія в багато разів слабше електромагнітного. «Через 100 років відтоді, як Ньютон відкрив закон тяжіння, Кулон виявив ті ж самі залежність електричної сили від відстані. Проте Основний Закон Ньютона і закон Кулона істотно різняться в наступних двох відносинах. Гравітаційне тяжіння існує завжди, в нас саме електричні сили існує лише у разі, якщо тіла мають електричними зарядами. У законі тяжіння є лише тяжіння, а електричні сили можуть як притягати, і відштовхувати» (Ейнштейн А., Інфельд Л. Цит. тв.- З. 65).

Один із головних завдань сучасної фізики — створити загальну теорію поля і фізичних взаємовідносин. Але дійсне розвиток науки далеко ще не завжди збігаються з планируемым.

Новий діалог із природою виникає у результаті вивчення механізмів еволюції неживих систем у новій науці — синергетики. «Усталене в результаті цієї війни (науки — А. Р.) успіхів, що було для європейців традиційним бачення світу — погляд із боку. Людина ставить досліди, шукає пояснення їх результатам, але саму себе частиною досліджуваної природи не вважає. Він — за її межами, вище. І ось досліджуються природу зсередини, враховуватиме й наш особистий присутність у Всесвіті, брати до уваги почування та емоції» (І. Пригожин. Короткий мить торжества.- З. 315).

Список литературы

Эйнштейн А., Інфельд Л. Еволюція фізики. М., 1965. Гейзенберг У. Та фізика і філософія. Частина і ціле. М., 1989. Пригожий І., Стенгерс І. Порядок з хаосу. М., 1986. Пригожин І., Стенгерс І. Час, хаос, квант. М., 1994. Мечников Л. І. Цивілізація і великі історичні річки. М., 1995. Сельє Р. Від мрії на відкриття. М., 1987. Короткий мить торжества. М., 1989.