Читать книгу Квантовая физика и нити пространства - Анатолий Трутнев - Страница 3

В основе современной физики лежат две теории – теория относительности и квантовая физика. Первая с высокой достоверностью объясняет физические процессы, происходящие в макромире, а вторая в микромире. А все началось с того, что в начале XX века в результате экспериментальных работ накопилось очень много вопросов, на которые классическая физика не могла ответить. Для этого требовались теоретические разработки на принципиально новых концепциях.

По общему признанию на современном этапе своего развития квантовая физика состоит из двух разделов – квантовой теории поля и квантовой механики, которая включает в себя квантовую электродинамику. Основателем квантовой физики считается немецкий ученый Макс Планк. Он проводил наблюдения за излучением абсолютно черного тела и пришел к выводу, что энергия излучается дискретно, порциями – квантами. Энергия кванта определяется частотой электромагнитной волны. У истоков квантовой физики также стояли Эрвин Шредингер, Поль Дирак и Нильс Бор. Квантовую идею поддержал и Альберт Эйнштейн на примере распространения световых волн. Он достоверно доказал, что распространение света происходит не непрерывно, а порциями квантами, так называемыми фотонами. Из чего следовало, что свет имеет корпускулярно – волновую природу.

В настоящее время физиками теоретиками создана Стандартная модель элементарных частиц. Её основы были заложены в 1960 году Шелдоном Глэшоу, который работал над объединением электромагнитного и слабого взаимодействий. Это квантовая теория. Она объединяет знания в области физики элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий. Описывает 61 элементарную частицу и двенадцать фундаментальных квантовых полей. Их квантами являются фундаментальные частицы фермионы: шесть лептонов и шесть кварков. У всех фермионов имеются соответствующие им античастицы. Стандартная модель это теоретическая конструкция и включает в себя три взаимодействия: электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие элементарных частиц. Электромагнитное взаимодействие удерживает электроны внутри атома и атомы внутри молекул, переносчиком его является фотон. Сильное взаимодействие удерживает протоны и нейтроны в ядрах атомов химических элементов, а также кварки внутри протонов, нейтронов. Переносчиком сильного взаимодействия являются глюоны. Слабое взаимодействие проявляется при β-распадном процессе, в котором протон превращается в нейтрон и наоборот. В этом взаимодействии участвуют лептоны и кварки, а также нейтрино. При этом взаимодействии лептоны и кварки могут превращаться друг в друга. Переносчиками слабого взаимодействия являются W- и Z-бозоны Стандартная модель не является теорией всего, потому что не описывает темную материю и темную энергию, а также не включает гравитационное взаимодействие. В рамках стандартной модели все фундаментальные процессы взаимодействия сводятся, в конечном счете, к процессам рождения и уничтожения частиц. Стандартная модель основана на надежных принципах. Все её предсказания и всё, что она предсказывает, проверены и подтверждены наблюдениями. Яркое подтверждение её предсказаний произошло в 2012 году, когда на Большом адронном коллайдере был открыт бозон Хиггса. В настоящее время на нем ведутся поиски суперсимметричных частиц и других альтернатив Стандартной модели, модели Хиггса, механизмы возникновения массы. Поиски эффектов за рамками Стандартной модели, хотя ведутся активно, но пока безуспешно. Среди заметных достижений квантовой физики особенно выделяется положение о физическом вакууме. В настоящее время господствует точка зрения, что пространство заполнено физическим вакуумом“, наделенным физическими свойствами. И главный смысл этих утверждений заключается в том, что он присутствует всюду, пронизывая все пространство и материю. Даже внутри твердого массивного тела вакуумного пространства неизмеримо больше, чем вещества. Общепринято считать, что у физического вакуума самая высокая плотность энергии и он является неисчерпаемым резервуаром экологически чистой энергии. По расчетам Дж. Уиллера „в вакууме, заключенном в объеме обыкновенной электрической лампочки,

энергии такое количество, что ее хватило бы вскипятить все океаны на Земле». Но, несмотря на колоссальные запасы энергии в вакууме доступ к ней вследствие его высокой симметрии очень затруднителен. По современным представлениям ученых в вакууме беспрестанно образуются и исчезают пары частиц—античастиц: электрон—позитрон, протон антипротон и другие пары частиц – античастиц. Он буквально наполнен реальными и исчезающими частицами. Но в определенных условиях виртуальные частицы становятся реальными. Так, например, если сумма энергий столкнувшихся фотонов будет равной или чуть большей 1,02 МэВ, то в результате столкновения может появиться пара электрон – позитрон, а если в результате столкновения объем энергии возрастет до 1,876 КэВ, то можно ожидать рождение пары протон – антипротон. В последние десятилетия принято считать, что физический вакуум это фундаментальный вид физической реальности. И хотя теория физического вакуума пока ещё не создана, при её разработке необходимо учесть, что она должна органически переходить в квантовую теорию. Некоторые ученые, В. П Дорофеев и другие, полагают реальное существование физического вакуума в виде непрерывной среды, Его нельзя наблюдать, потому что это прямое следствие его непрерывности. Это делает физический вакуум парадоксальным объектом, и он подвергается все более пристальному вниманию физиков. Ученым предстоит найти принципиально новые методы его изучения, выяснить природу физического вакуума, а это позволит по-иному увидеть физические явления. Физический вакуум порождает физические поля и вещество. Во Вселенной доминируют законы физического вакуума, которые науке ещё не известны.

Квантовая физика описывает процессы, явления, закономерности, происходящие на уровне микроявлений на малых расстояниях. Предметами изучения квантовой физики являются квантовые объекты: молекулы, атомы, ядра химических элементов, элементарные частицы. Она изучает материю на фундаментальном уровне. Поэтому её положения трудно воспринимаются, в отличие от объектов, исследуемых классической физикой.

Результаты изучения микромира по законам квантования показали «странности» поведения частиц, населяющих этот мир. Одной такой замечательной странностью является известный в научном мире эксперимент с двумя щелями, который показал, что фотоны света ведут себя как волна, но состоят из частиц (фотонов). С этого эксперимента начались интересные парадоксы, которые заставили ученых пересмотреть традиционные взгляды на сами понятия на физическую сущность частиц и волн. Но настоящие чудеса начались, когда в экспериментах начали использовать электроны. Электроны это частицы, и когда поток электронов проходил через две щели, он оставлял на экране не две полосы, два следа против щелей, а интерференционную картину. Это говорило о том, что поток электронов распространяется волнами. Чтобы объяснить этот феномен, было выдвинуто предположение, что на фундаментальном уровне, электроны как частицы, сбираются вместе и у них проявляются волновые свойства. Решили повысить чистоту эксперимента и стали выпускать не поток электронов, а по одному электрону. К удивлению исследователей и в этом случае они наблюдали интерференционные чередования нескольких полос. Но, такое может происходить только в том случае, если электрон пролетал бы одновременно сквозь обои щели, а затем сталкивался бы сам с собой. Конечно, с позиции классической физии такое невозможно. Это нарушение всех её закономерностей, а вот в квантовой физике, это не чудеса, а реальные факты, происходящие в микромире. Проведенный учеными глубокий анализ, полученных результатов, позволил им сделать однозначный вывод. Квантовые частицы могут находиться в нескольких местах одновременно. В этом и заключается суперпозиция, которая означает, что частицы, населяющие микромир могут одновременно проявляться в различных точках пространства и при этом обладать различными свойствами.

Краеугольным камнем квантовой физики является другая её замечательная «странность», принцип соотношений неопределенностей Гейзенберга. Это фундаментальный закон квантовой механики. Его суть состоит в утверждении, что невозможно одновременно точно определить скорость и местонахождение частицы. Чем точнее будет определена первая величина, тем более неопределенной останется вторая и наоборот. То есть существуют определенные ограничения на измерение физических величин, характеризующих микрочастицы. Так, при проведении экспериментов с электронами, исследователи были буквально поражены поведением этой частицы. Когда не проводились наблюдения за электроном, он вел себя как волна. Но, как только исследователи начинали фиксировать, через какую щель проходит, электрон, он проявлял себя как частица. В результате на экране появлялся след против щели, а не чередование интерференционных полос. Это говорит о том, что существуют определенные ограничения на измерение физических величин, характеризующих поведение микрочастицы. Когда электрон летит к щели, он проявляет волновые свойства, то есть, находится в разных точках пространства и в них он имеет различный энергетический потенциал. Но как только, исследователи производили измерение одной из его физических величин, то происходил коллапс волновой функции. А это означало, что электрон в этом случае находился в определенном месте и имел определенное значение спина. Такое состояние частиц микромира соответствует принципу дополнительности, сформулированному Шредингером. Согласно этому принципу волновые и корпускулярные процессы, происходящие в микромире, не исключают, а взаимно дополняют друг друга. Понятия частицы и волны одновременно и дополняют, и противоречат друг другу.

Определенную лепту в развитие квантовой физики внес Нобелевский лауреат немецкий физик Вольфганг Паули. Он открыл закон, который является одним из важнейших принципов в понимании природы вещества. В современном научном лексиконе этот закон именуется принципом исключения или запретом Паули. Принцип Паули гласит – ни одна пара электронов в атоме не может иметь одинаковые электронные квантовые числа. Правомерности этому утверждению служат электромагнитные взаимодействия между электронными облаками и ядрами в атомах химических элементов. Так например, на самой ближайшей к ядру орбитали могут поместиться только два электрона с антипаралельными спинами. Оболочка с энергетическим уровнем выше помещает уже восемь электронов, на уровень выше 18 электронов, а на последнем уровне 32 электрона. Принцип запрета Паули можно применять только к частицам, которые имеют полуцелый спин. Частицы, у которых целый спин, такие как фотоны, с целым числом спинов, не следуют запрету Паули, поэтому могут иметь одинаковое квантовое состояние. Эти физические явления используются в лазерных устройствах

Одной из самых замечательных достижений квантовой физики является создание теории квантовой хромодинамики, предсказания которой были многократно подтверждены экспериментально. К началу шестидесятых годов прошлого века было открыто более 100 видов составных адронов, С открытием каждой новой частицы ученые надеялись получить фундаментальную частицу, которую нельзя разделить на части. Поэтому, когда два физика Марри Гелл Ман и Джордж Цвейг предложили теоретическую модель, где адроны состояли из более мелких составных частей, она была принята большинством физиков. В 1968 году в национальной ускорительной лаборатории при обстреле протонов ускоренными электронами, протоны были разделены на мелкие части. Частицы назвали кварками. Это явилось подтверждением выдвинутой модели. Для того, чтобы расчеты теоретической модели были работоспособны, заряд электрона был раздроблен, хотя тот считается элементарным. Исходя из этого, было предложено, чтобы один тип кварков имел положительный заряд электрона в +2/3 заряда электрона, а другой бы имел отрицательный заряд электрона в -1/3 заряда электрона. В настоящее время известно 6 типов кварков: u, d. s. c. b. t. Экспериментальное подтверждение о существовании кварков u. d. было получено в 1968 году. Кварки s и c открыли в 1974 году, кварк b в 1977 году, а кварк t в 1995 году. Кварк u верхний кварк имеет заряд + (2/3) е и массу 2.01 МэВ/сек². Кварк d нижний кварк он имеет заряд – (1/3) е и массу 4,8 МэВ/сек². Кварк s странный кварк имеет заряд – (1/3) е,и массу 95 МэВ/сек. Кварк c очарованный кварк имеет заряд + (2/3) е и массу 95 МэВ/сек². Кварк b прелестный кварк имеет заряд- (1/3) е и массу 4,18 ГэВ/ сек². Кварк t истинный кварк имеет заряд + (2/3) е и массу 173 ГэВ/ сек². У всех кварков имеются антикварки. Они подразделяются на поколения: u и d – кварки первого поколения, s и с – кварки второго поколения, b и t кварки третьего поколения.

Кварк составная часть других частиц и не может существовать отдельно от других кварков, Отдельно он может «прожить» не более 3 10^—24 сек. Кварки непрерывно получают «пакеты» энергии от соседних кварков и сами их посылают другим кваркам. Эти пакеты называются глюонами, если они их не получают, то становятся виртуальными частицами и исчезают. Глюоны являются переносчиками сильного ядерного взаимодействия. Сильное взаимодействие имеет отличительную черту от других взаимодействий. Оно до определенного предела усиливает свое действие на кварки, чем дальше они удаляются друг от друга, тем оно сильнее действует на них. Чтобы сильнее стягивать кварки сильное взаимодействие создает новые и новые глюоны. Кварки взаимодействуют между собой, обмениваясь глюонами. Взаимодействия кварков, в некоторой степени, тождественно взаимодействию электрических зарядов. Но в отличие от электрических зарядов, у них не два, а три заряда: красный (r), синий (b),зеленый (q). Каждому цвету соответствует антицвет: «антикрасный», «антизелёный» и «антисиний. На кварки не распространяется запрет Паули. Концепция цветов была предложена российскими физиками Н. Н. Боголюбовым, Б. В. Струминским в 1965 году, а американскими физиками М. Ханом и И. Намбу в 1964 году, Предложенная этими учеными концепции цветов была использована при создании квантовой хромодинамики. Она помогла объяснить сосуществование кварков с одинаковыми квантовыми числами внутри адронов, не нарушая при этом принцип Паули. Переносчиками взаимодействия между кварками, находящимися внутри адронов являются глюоны. Они также как фотоны имеют спин равный 1 и нулевую массу покоя. Но в отличие от фотона, который нейтрален, глюоны обладают цветовым зарядом. Кварки, имея три цветовых состояний, могут испускать восемь типов цветных глюонов. Глюоны, обладая цветовым зарядом, могут испускать другие глюоны, то есть превращаться в два или три глюона. Взаимодействие между цветовыми зарядами, в корне, отличается от взаимодействия между электрическими зарядами. Если при сближении положительных и отрицательных зарядов сила их притяжения увеличивается, то при уменьшении расстояний между цветовыми зарядами и заряд уменьшается. Эти свойства цветных зарядов, позволяют объяснить, каким образом кварки удерживаются внутри адронов.

Одна из теорий квантовой механики допускает, что при манипуляции с частицами имеется возможность устранения независимости их поведения. Это физическое явление носит название квантовой запутанности. Она может возникать, как естественным, так и искусственным путем в результате столкновения частиц. В естественных условиях независимые состояния частиц встречаются значительно реже, чем связанные. Примером могут служить атомы химических элементов. Когда атомы стабильны, электронные облака и ядра в них находятся в запутанном состоянии, потому что расположение их составляющих электронов, протонов, нейтронов не может быть независимым. В лабораторных условиях независимости частиц лишают искусственно, Например, сталкивая их между собой. Суть её проста и в тоже время, сложная. Она заключается в том, что если связать между собой две элементарные частицы, то манипулируя одной, можно заставить другую реагировать в ответ на действия с первой частицей, даже если их удалить на значительные расстояния друг от друга. В большинстве экспериментов используют фотоны, которые связывают между собой с помощью лазеров. Неоднократно проведенные эксперименты неизменно подтверждали физическое существование квантовой запутанности. Так в 2008 году группа швейцарских исследователей разнесла два потока спутанных фотонов на 18 километров, а в 2010 году группе австрийских исследователей удалось разнести потоки запутанных фотонов на 144 километра. При этом было установлено, что скорость взаимодействия значительно превышала скорость света. Кроме квантовой запутанности в квантовом мире действует не менее странный закон ограничение скорости. Это доказали ученые из Университета в Бонне. Поставленные ими эксперименты показали, что максимальная скорость в квантовых операциях определяется неопределенностью их энергетических состояний. То есть, чем больше у неё энергетической свободы, тем с большей скоростью она может двигаться. Ученые проводили опыты по транспортировки атомов цезия. Было замечено, чем глубже была «долина», в которую они помещали атом цезия, тем больше у него было возможностей принять различные энергетические квантовые состояния, Тем быстрее можно было переместить атом из одного местоположения в другое.

Тунеллирование одна из заметных загадок странностей квантовой физики. Это явление квантовой природы, которое в классической механике не может происходить. Суть его заключается в следующем. Микрочастица может преодолеть потенциальный барьер, когда её полная энергия меньше высоты барьера. При тунеллировании сохраняются как полная энергия частицы, так и её и импульс. Из уравнения де Бройля следует, что элементарные частицы имеют определенный импульс и определенную длину волны. Из вероятностной интерпретации Борна следует, если частица не локализирована в пространстве, то неопределенность её положения становится бесконечной. Но в реальности длины волн не бесконечны, поэтому неопределенность положения частицы и неопределенность её импульса имеют ограниченное значение. Эффект квантового тунеллирования возникает, когда частицы движутся через барьер, который по канонам классической физики, они не могут пройти. Барьером может быть непроходимая среда в виде области с высоким потенциалом энергии. Если при столкновении частицы с барьером, она как квантовая волна не погаснет, а ее амплитуда уменьшится, то это будет означать уменьшение вероятности прохождения частицы сквозь барьер. Если барьер будет достаточно тонкий, то амплитуда частицы в этом случае может быть ненулевой с другой стороны барьера. Следовательно, существует вероятность того, что отдельные частицы будут проходить через барьер. В физике нет единого определения туннельного времени, потому что время не является оператором в квантовой механике. Эксперименты по определению времени прохождения сквозь барьер квантовых частиц вследствие малых масштабов времени (аттосекунды) и масштабов длины (субнанометры), а также из-за помех окружающей среды, очень затруднительны. Впервые тунелльное время было измерено и описано в 1962 году немецким физиком Томасом Хартманом и с тех пор носит название эффект Хартмана. В результате проведенных экспериментов Хартман установил. тунеллирование является сверхсветовым процессом. Неоднократно проведенные экспериментальные проверка эффекта Хартмана независимо с какой точностью физики определяли время туннелирования, он неизменно проявлялся. Последние сомнения в точности проведения экспериментов по определению времени туннелирования поставили исследователи из Университета Торонто Дэвид Спирингс и Изабель Рашико. Барьером для прохождения служил лазерный луч, сквозь который исследователи пропустили магнитное поле. Потом взяли атомы рубидия. Спины атомов были ориентированы в определенном направлении, Направили атомы на барьер. часть из них прошла через него. Затем измерили спины атомов рубидия на другой стороне барьера и определили время тунеллирования атомов через лазерный луч. В итоге оказалось, что скорость прохождения атомов сквозь барьер превышает скорость света 10⁵ раз. Однако ученые не считают, что при этом происходит сверхсветовая передача сигналов, хотя и отмечают, что туннелирование является еще более странным, нежели запутанность.