Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
механически удерживается в области, которая свободна от поля! Конечно,
такая задача несколько идеализирована. Одно существенное предположение
состоит в том, что соленоид является идеальным. Дру-
п = 0, ±1, ±2, ±3, ... (5.22)
124
Глава 5
гое - в том, что стенки тора, окружающего соленоид, являются
непроницаемыми. Дополнительное предположение о бесконечно тонком торе не
очень существенно: оно сделано лишь с целью упростить формулу для расчета
уровней энергии. Идеализации (мысленные эксперименты) являются законной и
благородной традицией в квантовой механике. Более того, можно реально
сконструировать соленоид, который очень близок к идеальному, с малым
рассеянием магнитного поля за его пределы; можно также создать стенки,
которые тоже очень близки к идеальным. Но есть более интересная вещь,
которую стоит отметить. Уровни энергии сдвигаются заряженным магнитным
потоком F, но можно заметить, что результат будет тем же самым, если F
заменить на F + (2irhc/Q)N, где N - целое число. Величина 2irhc/Q
является так называемым квантом магнитного потока.
Что отсюда следует? Ответ в том, что квантовая механика удивительна.
Странности с соленоидом проявляются только в магнитном поле. Явление,
описанное выше, не проявится, если магнитное поле заменить на
электрическое, удерживаемое внутри электрического цилиндра. В этом случае
заряженная частица вне его будет безразлична к присутствию поля внутри.
Каким-то образом магнитное поле передает информацию в ту область
пространства, где оно само не присутствует. Существенное свойство этого
пространства связано с его топологией. Рассмотрим пространство, которое
находится вне бесконечного цилиндрического соленоида. В этом мире вы
можете представить себе петли такой формы, какая вам нравится. Но
некоторые из них могут быть стянуты в точку без перемещения через
соленоид, а с другими такого сделать нельзя. Это говорит о том, что
пространство вне соленоида является "многосвязным".
Хотя все это может быть очень интересно для топологов, но здесь можно
спросить, а причем тут магнитное поле. Пока можно сказать лишь, что в
квантовомеханическом контексте магнитное поле является довольно сложным
объектом. Увы, выйти за рамки этих общих утверждений довольно трудно из-
за сложных технических деталей.
Процессы распада
Термин "радиоактивность" был впервые употреблен в связи с а, /3 и у
процессами ядерного распада, обсуждавшимися в гл. 1. При "-распаде
исходное ядро распадается на различные (дочерние) ядра, содержащие на два
протона и два нейтрона меньше, чем исходное ядро. Эти два нейтрона и два
протона объединяются в "-частицу, после чего она испускается. Полный
квантовый анализ достаточно сложен, но, по крайней мере, для этого типа
радиоактивности нет необходимости рассматривать процессы рождения и
уничтожения частиц. Ингредиенты "-частицы присутствуют в родительских
ядрах. Процесс "-распада состоит
Процессы распада
125
в том, что они каким-то образом собираются вместе и выталкиваются наружу.
В противоположность этому, испускаемые при /3-распаде электрон и нейтрино
не присутствуют в родительских ядрах. Они спонтанно возникают в тот
момент, когда нейтрон в ядре переходит в протон п -> р + е + V. В
результате, получающее ядро содержит на один нейтрон меньше и на один
протон больше. То же самое можно сказать про у-распад. Бесполезно
предполагать, что фотон присутствовал в исходном ядре. Скорее, мы имеем
дело со спонтанным рождением. Фотон рождается в тот момент, когда ядро
испытывает квантовый скачок, переходя с возбужденного квантового уровня
на более низкий. Аналогично, испускание фотона происходит, когда
орбитальный электрон в атоме перепрыгивает с возбужденного на более
низкий уровень. Таким образом, атомные и ядерные излучателъные переходы
(испускание фотонов) имеют одну природу, хотя фотонные энергии в этих
двух случаях сильно отличаются по своим масштабам: обычно ядерные
значительно выше. В таких электронных процессах природа ядер и атомов не
меняется, чего нельзя сказать об их энергетических уровнях (в одном
случае ядер, в другом - орбитальных электронных систем). Наконец, на
субъядерном уровне - в мире, где существуют различные типы мезонов,
барионов, лептонов и калибровочных бозонов - большинство частиц
нестабильно, каждая из этих частиц имеет свои характерные реакции распада
и свое среднее время жизни. Для большинства из них понимание динамики
лежит на границе современной физики частиц.
В целом, в области процессов распада, за исключением "-распада,
естественный язык для описания рождения и уничтожения частиц, а
соответственно, и наиболее подходящие теоретические рамки, дает квантовая
теории поля, которую мы не будем здесь рассматривать. Процессы а-распада
стоят несколько особняком, что позволяет рассматривать их в рамках
квантовой механики частиц. Он вполне объясняется через туннелирование.
Перед тем, как перейти к этому, сделаем несколько замечаний общего
