Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
другого - это не создаст концептуальных проблем для классической науки.
Можно, в принципе, сохранить отдельные траектории объектов, например,
указав, что объект 1 - это тот, который был на этом месте, объект 2 - был
на другом месте и т. д. Для квантовой механики такой подход недопустим.
Поскольку локализация имеет вероятностный характер, невозможно сохранить
классические траектории частиц. Действительно, существует квантово-
механический подход к рассмотрению тождественности, который не имеет
классического аналога. Его использование иногда противоречит интуиции и
является очень глубоким. Наиболее знаменитым следствием этого подхода
является то, что все известные частицы существуют в строго идентичных
копиях - все электроны одинаковы, все протоны одинаковы и т. д. Только
квантовая теория поля обеспечивает естественное объяснение этого
потрясающего факта идентичности.
Радиоактивность
Этот термин относится к процессам, в которых атом спонтанно испускает
одну или более частиц: например, а-частицы (ядра Не), в случае а- и /3-
радиоактивности исходный атом трансмутирует в ходе этого процесса в новый
атом другого химического типа. В случае у-радиоак-тивности такие
трансмутации отсутствуют. О любом из этих спонтанных событий можно
говорить, как о процессе распада. В случае а- и /3-радиоактивностей - это
действительно распад, разрушающий исходный атом и заменяющий его на атом
другого типа. При у-радиоактивности атом не меняет своей химической
природы; но, как мы увидим позднее, он переходит с одного уровня энергии
на другой. В этом смысле, здесь также происходит распад - распад уровня
начальной энергии.
Не все, но многие типы атомов радиоактивны. Когда радиоактивность была
впервые открыта в конце XIX столетия, это вызвало большое удивление и
восхищение. Радиоактивность привела к появлению многих вопросов, среди
которых был и такой: где в атоме находится (если распался атом)
испущенная частица? Примерный ответ был получен только после формулировки
Резерфордом своей знаменитой модели атома, изображающей рой электронов,
вращающахся вокруг положитель-
14
Глава 1
но заряженного ядра, которое, хотя и очень мало, но содержит почти всю
массу атома. После этого стало ясно, что радиоактивность является ядерным
явлением. Среди оставшихся вопросов два были исключительно загадочными:
1) испускаемые частицы обычно обладают большим количеством энергии.
Откуда берется эта энергия?
2) как делятся ядра при распаде?
Ответ на первый из этих вопросов следует из формулы Эйнштейна (Е = тс2,
полученной в 1905 г.), но она воспринималась как некоторое концептуальное
допущение до тех пор, пока не была проведена экспериментальная проверка
по точному измерению масс родительских и дочерних ядер.
Более глубокий второй вопрос связан с интерпретацией квантовой механики.
Если взять некоторый набор идентичных атомов радиоактивного вещества, то
легко обнаружить, что не все атомы распадутся к некоторому характерному
моменту, поскольку распад будет происходить за различные времена -
случайно. Если испускание детектируется счетчиком, вы услышите отдельные
щелчки по мере того, как распадается тот или иной атом. По истечение
времени, конечно, будет оставаться все меньше и меньше родительских
атомов. По мере того, как это происходит, количество оставшихся атомов
уменьшается по экспоненциальному закону, с характерным временем
(называемым временем жизни), которое является вполне определенной
величиной для данного вещества. С классической точки зрения проблема
состоит в следующем. Атомы данного вещества предполагаются
тождественными. Если они подчиняются временной зависимостью в духе
классической науки, то почему не все распады происходят за одинаковое
время, какой бы ни был механизм, управляющий радиоактивным распадом?
Квантово-механический ответ состоит в том, что мир является
вероятностным. Ансамбль тождественных атомов, находящихся в одинаковых
условиях, будет иметь вероятностное распределение распадов по времени.
Невозможно предсказать, какое событием за каким последует. То, что мы
можем предсказать на достаточно общем уровне - это экспоненциальный
характер кривой распада. Но среднее время жизни меняется от вещества к
веществу и существенно зависит от деталей, лежащих в основе этого
квантовомеханического процесса. Можно было бы здесь сказать, что
традиционные классы ядерной нестабильности а, /3 и 7 - это всего лишь три
класса среди значительно более широкой категории процессов распада,
существующих в природе, включая реакции с участием субъядерных частиц:
распады пи-мезонов, мюонные распады и т. д. Средние времена жизни могут
меняться в очень больших масштабах, от " 10-24с для некоторых субъядерных
частиц до миллиардов лет и более для некоторых а-распадов (среди которых
U238, для которого время полураспада сравнимо с возрастом Земли).
Обзор
15
Туннелирование
Вероятностная структура квантовой механики дает частице возможность
