Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
технологией и повседневной жизнью имеют в основном дело с простыми
движениями и перестановками электронов и ядер. Однако даже в повседневной
жизни из этого имеется очень известное исключение. Я говорю о хорошо
известном явлении, которое можно интерпретировать на основе современных
представлений, а имен-
Обзор
17
но, о свете! Луч света есть не что иное, как семейство безмассовых частиц
- фотонов, движущихся (как же иначе?) со скоростью света. Благодаря своей
безмассовости фотоны легко рождаются, причем это происходит независимо от
того, включен источник света или выключен. На микроскопическом уровне их
появление соответствует процессам, которые протекают при столкновении
электронов и атомов в источнике света, в случае, когда последний нагрет
или, другими словами, "возбужден". Фотоны разрушаются, когда они
соприкасаются и поглощаются непрозрачными материальными телами (стены,
книги, сетчатка глаза).
Представление о рождении и уничтожении фотонов было введено Эйнштейном,
предложившим частицеподобную интерпретацию электромагнитного излучения.
Но концепция фотонов не имеет вполне определенной даты рождения, во
всяком случае, фотон есть является особой частицей. Она не имеет массы;
это квант поля, которое мы называем классическим. Так или иначе, для
фотонов возможность рождения и уничтожения, как таковых, не вызвала
значительных философских обсуждений в ранние годы нашего столетия. В
любом случае, оставалась надежда цепляться за идею того, что реальные
массивные частицы, т. е. частицы с ненулевой массой, такие как электроны,
протоны и нейтроны, действительно являются неизменными. Но возможность
считать их неизменными вскоре исчезла. Впервые это стало заметно при
открытии нейтрона и понимания его роли в ядерном /3-распаде. Основная
реакция /3-распада имеет вид:
нейтрон ->протон + электрон + антинейтрино.
Нейтрон уничтожен; протон, электрон и антинейтрино родились.
Антинейтрино, который очень неактивен, легко покидает ядра и проходит
сквозь Землю, Солнечную систему, Галактику и уходит в открытый космос, не
оставляя каких-либо следов. Но это уже совсем другая история.
Где же возникла квантовая теория? Квантовая теория электромагнитного поля
берет начало в героический период середины 20-х годов, когда были
установлены основы квантовой механики. Квантовая электродинамика с самого
начала была предназначена для того, чтобы учесть рождение и уничтожение
фотонов. Фотон естественным образом получается в теории как квант
электромагнитного поля. Начиная с этого момента физики придумали много
других полей, которые не известны нам в классическом проявлении, но
которые необходимы для квантования других частиц по аналогии с
электродинамикой. Так, для примера, существует поле, которое создает и
разрушает электроны. В старых теориях для каждого типа частиц: протонов,
нейтронов, пионов и т.д. использовался отдельный набор полей. Сейчас мы
достигли более фундаментального уровня понимания, включающего в себя,
кроме прочего, кварки и глюоны. Но они также могут рождаться и
уничтожаться.
18
Глава 1
Истоки
В своей современной форме структура квантовой теории была изложена в
середине 20-х годов в результате концентрированного взрыва творчества и
прогресса, не имевшего аналогов в истории научной мысли. Ее основные
создатели были очень молоды: Вернер Гейзенберг, Поль Дирак, Паскуаль
Иордан и Вольфганг Паули, всем им было около двадцати. Немного постарше
были Эрвин Шредингер, который опубликовал свое знаменитое уравнение в
возрасте 33-х лет, и Макс Борн, которому было 43 и его дружеская помощь
понадобилась Гейзенбергу. Новый взгляд привел к неочевидной концепции
реальности и сопровождался большим числом курьезов различного сорта. Не
все современные им физики оказались способными воспринять новую доктрину.
Они возражали и открещивались от нее. Но уже первое применение квантового
подхода к описанию микроскопических явлений привело к потрясающему
успеху. Противники нового подхода, среди которых, в первую очередь, был
Альберт Эйнштейн, вскоре были вынуждены согласиться с корректностью
квантовой механики. Им осталось лишь надеяться на то, что классическая
реальность превалирует на некотором, более глубоком уровне природы,
недостижимом при непосредственных наблюдениях. Этот более глубокий
уровень, если он существует, в настоящее время все еще остается в
перспективе. Насколько мы можем сегодня видеть, принципы квантовой
механики остаются ненарушенными и эмпирически неизменными. В случаях,
когда с достаточно высокой точностью могут быть выполнены сложный
эксперимент и соответствующие теоретические вычисления, между ними
наблюдается качественное согласие. Как это часто происходит во время
интеллектуальных революций, юное поколение легче воспринимает новые пути
мышления, чем старое. Но еще легче было воспринять новые идеи поколению,
которое выросло с ними. Тем не менее, общий взгляд на квантовую механику
достаточно необычен. Но самое необычное состоит в том, что до сих пор,
