Розділ ІІІ. Простір і час у фізиці мікросвіту
ІІІ.1. Просторово-часові уявлення квантової механіки
Важко переоцінити значення квантової теорії. Вона поклала початок розвитку некласичної фізики, відкрила дорогу до пізнання невичерпного мікрокосму, до оволодіння внутріатомною енергією, до розуміння процесів у надрах зірок і в «початку» Всесвіту.
В кінці XIX ст. фізики почали досліджувати, як розподіляється випромінювання по всьому спектрі частот. Для цього була розроблена теорія випромінювання чорного тіла. Але незабаром вона зіткнулася з серйозними труднощами. М. Планк намагався вирішити цю проблему за допомогою методів класичної електродинаміки, використовуючи для цього електронну теорію Лоренца стосовно чорного випромінювання осцилятора. Його спроба не дала задовільних результатів і тоді Планк спробував вирішити проблему випромінювання з позиції термодинаміки. На цьому шляху також розкрилися труднощі неузгодженості з досвідом.
У цій ситуації Планк припустив, що можна отримати єдину формулу для спектрального розподілу випромінювання, яка за допомогою інтерполяції об'єднає формули Віна і Релея - Джинса.
Після успішної інтерполяції Планк вирішив з'ясувати фізичний зміст отриманого результату. При цьому він скористався фундаментальним співвідношенням між ентропією і ймовірністю, яке ввів у фізику його опонент Л. Больцман. У результаті була отримана знаменита формула щільності випромінювання :
|
|
|
де v - частота випромінювання, Т - температура, k - стала Больцмана, е - основа натуральних логарифмів.
Отримана Планком формула була дуже змістовною. Вона включала всі раніше відомі формули (закони Стефана - Больцмана, Віна, Релея - Джинса і ін.), а також раніше невідому у фізиці світову постійну h, яку Планк назвав елементарним квантом дії, так як вона представляла собою добуток енергії і часу.
Так з'явилася квантова механіка, в якій міститься подальший розвиток уявлень про простір, час і причинності.
Фізика кінця XIX - початку XX ст. безпосередньо підійшла до дослідження мікроструктури матерії. Якщо більшість явищ, досліджуваних у хвильовій оптиці, таких, як дифракція, інтерференція, дисперсія і т. д., ставилися не до миттєвих, а до середніх по часу величин, то до початку XX ст. на порядок денний у фізиці стала проблема вивчення таких явищ, як виникнення і перетворення світу. Ці процеси виявилися поза компетенцією хвильової оптики або теорії електромагнетизму. Тут наука вторглася в область мікросвіту, в атомний світ, закономірності якого раніше не вивчалися. Визначальну роль у пізнанні мікросвіту зіграли квантові уявлення.
З роботами Ейнштейна про фотони у фізику увійшло уявлення про своєрідний дуалізм. Залежно від характеру випромінювання воно може розглядатися або як хвильовий процес, або як потік частинок, фотонів.
|
|
|
Перехід від корпускулярної оптики Ньютона до хвильової оптики Гюйгенса і до теорії електромагнітного поля Максвелла часто пов'язувався з переходом від абсолютного простору і часу до певного різновиду атрибутивного (наприклад, реляційного) простору і часу.
Але були істотні труднощі, пов'язані з квантами. Наприклад, А. Еддінгтон поставив питання про просторово-часові локалізації квантів. «Загадковість природи кванта полягає в тому, - писав він, - що, будучи неподільним, він тим не менш не має певних меж у просторі. Поки ми маємо справу зі згустком енергії, зібраної в одному місці, тобто з електроном, ми не зустрічаємося з h; як тільки ми переходимо до енергії, що розпливається у просторі, тобто до світлових хвиль, h з'являється. Атом дії не має меж, він як би заповнює собою весь простір. Яке місце ми повинні вказати такому атому за нашою просторово-тимчасовою схемою світобудови? ».[3, с.162].
Вихід з цих труднощів був знайдений Н. Бором шляхом синтезу планетарної моделі атома і квантової гіпотези. Він прийняв за основу неподільність кванта дії і представив кожну зміну стану атома як індивідуальний процес, який не допускає більш детального опису і в ході якого атом переходить з одного стаціонарного стану в інший. Перебуваючи в стаціонарному стані, атом не випромінює енергії. Проте квантова теорія Бора також зіткнулася з істотними труднощами. Вона давала рішення проблеми частот спектральних ліній, але не дозволяла вирішувати задачі про їх інтенсивності і поляризації. Не пояснювала вона і багатоелектронних атомів.
|
|
|
Постала проблема створення хвильової механіки квантових об'єктів, яка відповідала б певній теорії класичної механіки подібно взаєминам хвильової та геометричної оптик. Ця програма була реалізована Е. Шредінгером в 1926 р., який вивів хвильове рівняння, що нині носить його ім'я. Це диференціальне рівняння визначає рух хвиль, пов'язаних з електронами.
У фізиці склалася дивна ситуація. З одного боку, розвинена квантова механіка, в основі якої лежить уявлення про квантові стрибки, про дискретності дії, енергії і т. д. у мікросвіті, з іншого - існує хвильова механіка Шредінгера, яка заперечує перервність у мікросвіті і все зводить до хвиль матерії. Спочатку квантовою механікою називали теорію Гейзенберга, яка протиставлялася хвильовій механіці Шредінгера. Потім теорію Гейзенберга стали називати матричною механікою, а під квантовою механікою стали мати на увазі теорію, яка виникла зі злиття матричної механіки та хвильової механіки.
|
|
|
У дискусії Бора з Шредінгером в Копенгагені (1926 р.) було з'ясовано, що в атомній фізиці не можна обійтися без квантових уявлень. У ході її Шредінгер висловив ряд зауважень, в яких порушувалися просторово-часові уявлення квантової механіки. По-перше, було констатовано, що в квантовій теорії не пояснюється, чому в стаціонарному стані атома електрон не випромінює, хоча цього вимагає теорія Максвелла. По-друге, вона не дає також відповіді на питання, як відбувається перехід електрона з однієї орбіти на іншу - поступово або стрибкоподібно. Якщо цей перехід поступовий, то так само повинна змінюватися і частота випромінювання, його енергія, але тоді незрозумілий лінійчатий характер атомних спектрів. Якщо ж перехід стрибкоподібний, то як рухається електрон при стрибку? Які закони цього незвичайного руху електрона при квантовому стрибку?
Єдності поглядів з цих питань у дискусії Бора і Шредінгера не було досягнуто, але були чітко сформульовані труднощі обох теорій.
Важливий внесок у розвиток квантової механіки зробив Гейзенберг, сформулювавши своє співвідношення невизначеностей: чим більша невизначеність просторової координати, тим менша невизначеність значення імпульсу частинки ; вони пов'язані між собою квантом дії h. Інше співвідношення має місце для часу і енергії: невизначеність енергії тим більша, чим менший час перебування частинки в даному стані, її час життя.
Таким чином, у квантовій механіці була розкрита принципова межа застосовності класичних фізичних уявлень до атомних явищ і процесів. При цьому поняття просторових координат розширюється у квантовій механіці, і вони зображуються операторами; що стосується часу, то він залишається величиною класичною. Відмінність просторових координат у квантовій механіці від таких у класичній фізиці полягає в тому, що координати, від яких залежать хвильові функції квантової механіки, не мають нічого спільного зі спостережуваними координатами частинок. Лише власні значення оператора координати (або середнє значення координати) представляють собою спостережувані координати. Таким чином ми маємо в квантовій фізиці формально математичний фон геометричного простору-часу, на якому реалізуються лише окремі точки як місця розташування частинок.
У мікросвіті стає беззмістовним поняття просторово-часової траєкторії частинки, якщо під траєкторією розуміється класичний образ лінійного континууму у формі диференційованого різномаїття. Тому в перші роки розвитку квантової механіки її творці робили основний упор на розгляд того факту, що вона не дає опису руху атомних частинок у просторі та часі і веде до повної відмови від причинного просторово-часового опису.
У квантовій механіці була поставлена важлива проблема про необхідність перегляду просторово-часових уявлень і лапласовского детермінізму класичної фізики. Вони виявилися лише наближеними поняттями і ґрунтувалися на занадто сильних ідеалізаціях. Квантова фізика зажадала більш адекватних форм впорядкованості подій, в яких враховувалося б існування принципової невизначеності у стані об'єкта, наявність рис цілісності та індивідуальності у мікросвіті, що і виражалося в понятті універсального кванта дії h.
Відмінною особливістю квантової механіки є наявність в її структурі двох інгредієнтів (типів величин): квантових і класичних. Створити теорію, що використовує тільки перші величини, виявилося неможливим. Справа в тому, що для системи з одних квантових об'єктів, які позбавлені будь-яких динамічних характеристик, взагалі не можна побудувати ніякої логічно замкнутої механіки. Кількісний опис руху електрона засобами квантової механіки вимагає наявності також фізичних об'єктів, які з достатньою точністю підпорядковуються класичній механіці (експериментальна установка, прилад). Таким чином, виникла парадоксальна ситуація: з одного боку, квантова механіка «перевершила» механіку класичну показавши її принципову обмеженість, а з іншого – підтверджуючий її експериментальний матеріал інтерпретується на основі понять класичної механіки і на класичній мові спостереження.
Таким чином, у сучасній фізиці учені зіткнулися з істотно новим видом емпіричного пізнання. Це визначається, по-перше, використанням експериментальних установок, створених за законами класичної фізики, і, по-друге, специфікою некласичних об'єктів, які досліджуються цими установками.
У подібній картині стає не зовсім коректним сам класичний образ частинки, вона втрачає свою локалізовану індивідуальність і виступає в якійсь розмитості, хвильовій розмазанності.
Квантова механіка була покладена в основу бурхливо розвиваючої фізики елементарних частинок, кількість яких досягає кількох сотень, але до теперішнього часу ще не створена коректна узагальнююча теорія. У фізиці елементарних частинок уявлення про простір і час зіткнулися з ще більшими труднощами. Виявилося, що мікросвіт є складною багаторівневою системою, на кожному рівні якої панують специфічні види взаємодій і характерні специфічні властивості просторово-часових відносин. З урахуванням цих міркувань область доступних в експерименті мікроскопічних інтервалів умовно ділиться на чотири рівні: 1) рівень молекулярно-атомних явищ, 2) рівень релятивістських квантово-електродинамічних процесів, 3) рівень елементарних частинок і 4) рівень ультрамалих масштабів.
В області молекулярно-атомних масштабів простір і час ще зберігають звичний для нас зміст, хоча багато важливих просторово-часових відносин виявляються істотно іншими , ніж у класичній фізиці макросвіту. На більш глибокому рівні визначальними є закони квантової електродинаміки. На цих відстанях невизначеність у значенні енергії частинки виявляється порядку маси електрона, і це зумовлює можливість утворення віртуальних електронно-позитронних пар. Тут вже необхідно враховувати релятивістські ефекти, і структура простору-часу повинна задаватися законами спеціальної теорії відносності.
Просуваючись вглиб матерії, вчені переступили рубіж і почали досліджувати фізичні процеси в області субатомних просторово-часових відносин. На цьому рівні структурної організації матерії визначальну роль грають сильні взаємодії елементарних частинок (ці взаємодії, наприклад, пов'язують протони і нейтрони в атомних ядрах). Тут інші просторово-часові поняття. Так, специфіці мікросвіту не відповідають повсякденні уявлення про співвідношення частини і цілого. Ще більш радикальних змін просторово-часових уявлень вимагає перехід до дослідження процесів, характерних для слабких взаємодій (відповідальних за бета-розпад). Тому на порядок денний постає питання про порушення просторової і тимчасової парності, тобто правий і лівий просторові напрямки виявляються нееквівалентні.
У цих умовах були зроблені різні спроби принципово нового тлумачення простору і часу. Один напрям пов'язаний зі зміною уявлень про перервність і неперервність простору і часу, а другий - з гіпотезою про можливу мікроскопічну природу простору і часу.
ІІІ.2. Перервність і неперервність простору і часу у фізиці мікросвіту.
Фізика мікросвіту розвивається в складній єдності і взаємодії перервності і неперервності. Це відноситься не тільки до структури матерії, але і до структури простору і часу в цілому.
Після створення теорії відносності та квантової механіки вчені спробували об'єднати ці дві фундаментальні теорії. Першим досягненням на цьому шляху стало релятивістське хвильове рівняння для електрона. Був отриманий несподіваний висновок про існування антипода електрона - частки з протилежним електричним зарядом. В даний час відомо, що кожній частинці у природі відповідає античастинка, це обумовлено фундаментальними положеннями сучасної теорії і пов'язано з кардинальними властивостями простору і часу (парність простору, відображення часу і т.д. ).
Історично першою за квантову теорію поля була квантова електродинаміка, що включає в себе опис взаємодій електронів, позитронів, мюонів і фотонів. Це поки що єдина гілка теорії елементарних частинок, яка досягла високого рівня розвитку і відомої завершеності. Вона є локальною теорією, в ній функціонують запозичені поняття класичної фізики, засновані на концепції просторово - часової неперервності: точковість заряду, локальність поля, точковість взаємодії і т. д. Наявність цих понять тягне за собою істотні труднощі, пов'язані з нескінченними значеннями деяких величин (маса, власна енергія електрона, енергія нульових коливань поля і т.д. ). Ці труднощі вчені намагалися подолати шляхом введення в теорію понять про дискретний простір та час. Такий підхід намічає єдиний вихід із невизначеності нескінченності, тому що містить фундаментальну довжину – основу атомістичного простору.
Пізніше була побудована узагальнена квантова електродинаміка, яка також є локальною теорією, яка описує точкові взаємодії точкових частинок, що призводить до суттєвих труднощів. Наприклад, наявність електромагнітного та електронно - позитронного вакууму обумовлює необхідність внутрішньої складності структурності електрона. Електрон поляризує вакуум, і флуктуації останнього створюють навколо електрона атмосферу з віртуальної електронно - позитронної пари. При цьому цілком
імовірний процес анігіляції вихідного електрона з позитроном пари. Електрон, що залишився можна розглядати як вихідний, але в іншій точці простору.
Подібна специфіка об'єктів квантової електродинаміки є вагомим аргументом на користь концепції просторово - часової дискретності. В її основі лежить ідея про те, що маса і заряд електрона знаходяться в різних фізичних полях, відмінні від маси і заряду ідеалізованого (ізольованого від світу) електрона. Різниця між масами виявляється нескінченною. При оперуванні цими нескінченностями їх можна виразити через фізичні константи - заряд і масу реального електрона. Це досягається шляхом перенормування теорії.
Що стосується теорії сильних взаємодій, то там процедуру перенормування використовувати не вдається. У зв'язку з цим у фізиці мікросвіту широкий розвиток отримав напрям, пов'язаний з переглядом концепції локальності. Відмова від точковості взаємодії мікрооб'єктів може здійснюватися двома методами. При першому виходять з положення, що поняття локальної взаємодії позбавлене сенсу. Другий заснований на
запереченні поняття точкової координати простору - часу, що призводить до теорії квантового простору - часу.
Протяжна елементарна частинка володіє складною динамічною структурою. Подібна складна структура мікрооб'єктів ставить під сумнів їх елементарність. Вчені зіткнулися не тільки зі зміною об'єкта, до якого додається властивість елементарності, але і з переглядом самої діалектики
елементарного та складного в мікросвіті. Елементарні частинки не елементарні в класичному сенсі: вони схожі на класичні складні системи, але вони не є цими системами. У елементарних частинках поєднуються протилежні властивості елементарного та складного.
Відмова від уявлень про точковість взаємодії тягне за собою зміну наших уявлень про структуру простору - часу і причинності, які тісно взаємопов'язані. На думку деяких фізиків, у мікросвіті втрачають сенс звичайні тимчасові відносини "раніше" і "пізніше". В області нелокальної
взаємодії подій пов'язані в якусь "грудку", в якій вони взаємно обумовлюють один одного, але не випливають одне за іншим.
Таке принципове положення справ, що склалося в розвитку квантової теорії поля, починаючи з робіт Гейзенберга і закінчуючи сучасними нелокальними та нелінійними теоріями, де порушення причинності у мікросвіті проголошується в якості принципу і наголошується, що розмежування простору – часу на області "малі", де причинність порушена, і великі, де вона виконується, неможливо без появи в нелокальної теорії
нової константи розмірності довжини - елементарної довжини. З цим "Атомом" простору пов'язаний і елементарний момент часу (хронон), і саме у відповідній їм просторово - часовій області протікає сам процес взаємодії частинок.
Теорія дискретного простору - часу продовжує розвиватися. Відкритим залишається питання про внутрішню структуру "Атомів" простору і часу. Чи існує простір і водночас в "атомах" простору і часу?
Висновок
Усі предмети, що нас оточують, мають певні розміри, протяжність у різних напрямках, переміщуються один відносно одного. Так само всі об'єкти виникають і змінюються у часі. Простір і час є загальними формами буття всіх матеріальних систем і процесів. Не існує об'єкта, який перебував би поза простором і часом, як немає простору і часу самих по собі, поза матерією, що рухається. Абсолютного простору як нескінченої порожньої протяжності не існує. Всюди є матерія в тих чи інших формах (речовина, поле), а простір виступає як загальна властивість (атрибут) матерії. Так само немає і абсолютного часу, час завжди нерозривно зв'язаний з рухом, розвитком матерії. Простір і час існують об'єктивно і незалежно від свідомості, але зовсім не від матерії.
Поняття простору і часу є фундаментальними поняттями людської культури. Вони настільки фундаментальні, що на певному ступені розвитку людського пізнання (або незнання) їх розглядали як абсолютну субстанцію світу.
Зовсім: інший напрям розвитку уявлень про простір і час започатковується у працях Галілея, Декарта та Ньютона: створення класичної механіки ознаменувало народження нового фізичного підходу до пізнання простору і часу. Було створено низку фундаментальних фізичних теорій (спеціальна і загальна теорія відносності, релятивістська космологія, квантова геометродинаміка та ін.), у руслі яких оригінальні, більш ускладнені метричні, топологічні і інші структури простору і часу.
Сучасні вчені у пошуках нових ідей починають досліджувати фізику мікросвіту, де поняття простору і часу можуть мати зовсім інший зміст, а ніж ті, що прийняті на сьогодні.
Література
1. Аристотель. Сочинения в четырёх томах. Т. 1. - М ., 1975. – 550с.
2. Аристотель. Сочинения в четырёх томах. Т. 3. - М ., 1975. – 613с.
3. Ахундов М. Д. Пространство и время в физическом познании.—М.: Мысль, 1982.—253 с.
4. Бич А.М. Природа времени: гипотеза о происхождении и физической сущности времени. М.: «Изд. Астрель», 2002. – 288с.
5. Горбачук І.Т., Дідович М.М., Мусієнко Ю.А. Симетрія і закони збереження. Ч.І. – К.: НПУ. – 1997. – 140с.
6. Гарднер М. Теория относительности для миллионов. – М.: «Атомиздат», 1967. – 191с.
7. Ейнштейн А. Собрание научных трудов в четырёх томах. Т. 1. Работы по теории относительности 1905 – 1920. Под редакцией И. Е. Тамма, Я. А. Смородинского, Б. Г. Кузнецова. М.: Наука, 1965. - 700 с.
8. Ейнштейн А. Собрание научных трудов в четырёх томах. Т. 4. Статьи, рецензии, письма. Эволюция физики. Под редакцией И. Е. Тамма, Я. А. Смородинского, Б. Г. Кузнецова. М.: Наука, 1965. - 700 с.
9. Кирик Л.А. Уроки фізики. 11клас: Календарно – тематичне планування. – Харків: Ранок – НТ, 2004. – 416с.
10. Маковельский А. Досократики. Доэлеатовский и элеатовский периоды. Ч. 1.— Казань, 1914. – 784с.
11. Марио Льоцци. История физики. Перевод Э.Л. Бурштейна. – М.: Мир, 1970. – 464с.
12. Сазанов А.А. Четырьохмерный мир Минковского. – М.: Наука. Гл. ред. физ. – мат. лит., 1988. – 224с.
13. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Пространство. Время. Движение. - Издательство: Едиториал УРСС, ЛКИ, 2007. – 165с.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 487; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!