Квантовая физика - Вихман Э.
Скачать (прямая ссылка):
46
волновой механики (созданной Эрвином Шредингером в 1926 г.). Обе эти теории оказались полностью эквивалентными и представляют собой лишь различные формы теории, которую мы теперь называем квантовой механикой — общепринятой в настоящее время фундаментальной теорией микрофизики.
54. Вероятно, у читателя возникли тревожные вопросы: можем ли мы считать, что квантовая механика есть окончательная истина? Что же тогда остается открыть в физике?
Автор рад еще раз заверить читателя, что его опасения напрасны. Мы никогда не можем быть уверены в том, что данная теория представляет собой окончательное решение проблемы. И мы не знаем, «что еще осталось открыть». По-видимому, весьма многое, ибо мы все еще далеки от того, чтобы иметь единую теорию всех явлений природы. Мы многое узнали, но еще больше осталось познать. В этом одна из причин того интереса, который вызывает физика. Так что читатель может не беспокоиться, что родился слишком поздно, чтобы совершать открытия в физике.
Попытаемся ответить более точно на эти вопросы. Общие принципы квантовой механики «истинны» в том смысле, что нет экспериментальных данных, которые бы им противоречили, и существует огромное число успешных предсказаний, основанных на этих принципах.
Такая ситуация особенно характерна для квантовой электродинамики, которая является теоретической основой понимания свойств атомов, молекул, электромагнитного излучения и вещества в целом, по крайней мере на Земле. Мы уже говорили, что в классической физике никогда не было создано столь общей теории. Теперь такая теория имеется, и весьма плодотворная. Это означает, в частности, что мы имеем основные принципы, в рамках которых можно объяснить, например, такие явления, как сверхпроводимость и сверхтекучесть. Однако до сих пор не удалось объяснить эти два явления количественно на базе основных принципов. Знание основных принципов —'это одно дело, а объяснение сложных явлений, в которых участвует jviHoro частиц,— совсем другое. Мы верим в наши основные принципы потому, что, опираясь на них, можно описать поведение простых систем, состоящих из сравнительно небольшого числа частиц (например, отдельные атомы или простые молекулы). Существуют, однако, математические трудности, и по мере того, как увеличивается сложность физической ситуации, эти трудности быстро растут, и вместо количественных предсказаний мы оказываемся в состоянии лишь достичь общего качественного понимания явления. Мы не ошибемся, сказав, что в физике всегда будут существовать трудности такого рода и для их преодоления всегда будут нужны свежие идеи. Возможно, что квантовая электродинамика является почти «закрытым» предметом с фундаментальной точки зрения, но она совершенно не завершена в том смысле, что из нее далеко еще не извлечены все возможные следствия.
55. С точки зрения физики начала века «стабильные и неделимые» атомы являлись элементарными частицами мира. Сегодня атомы по-
47
теряли это исключительное положение; их свойства объяснила квантовая электродинамика с помощью более элементарных объектов. То же самое можно сказать и о ядрах. Невозможно объяснить свойства ядер на основании некоторых простых принципов, но тем не менее мы твердо уверены, что ядра — сложные системы, образованные из протонов и нейтронов.
После того как стал ясен сложный характер атомов и ядер, число частиц, которые можно считать элементарными, резко уменьшилось. Но затем их число начало неуклонно возрастать, и сейчас их не меньше, чем было в начале века. Место атомов заняли электроны, мюоны, нейтрино, протоны, нейтроны, гипероны, пионы, каоны и многие другие частицы. Мы уже объяснили, в каком смысле эти частицы являются элементарными.
Сейчас еще не существует фундаментальной теории элементарных частиц, и мы не знаем, какую форму примет будущая теория. Эта область широко открыта для новых идей.
Задачи
1. а) Рассмотрите и кратко опишите идеи и опыты, на основании которых можно определить атомные и молекулярные массы.
б) В 1815 г. В. Проут предположил, что все элементы «построены» из водорода, который является, таким образом, первичной материей, из которой сделано вое в мире. Что привело его к этой гипотезе и почему в XIX веке она была отвергнута?
2. Многие атомы (точнее, ядра атомов) испытывают спонтанный распад, при котором обычно происходит испускание электрона или а-частицы (ядро атома гелия). В этом заключается явление радиоактивности, открытое Беккерелем в 1896 г. Скорость распада определяется статистическим законом, который предсказывает, что из N0 атомов, существовавших в начальный момент времени (^=0), к моменту времени достанется N (f)~N0e~M атомов. Постоянная Я, определяющая скорость распада, является характеристикой данного ядра. Время Т, по истечении которого останется половина первоначально имевшихся ядер, называется периодом полураспада. Легко показать, что Т=к~г In'2.
а) Покажите, что приведенный выше закон радиоактивного распада можно вывести из предположения, что каждое ядро распадается независимо от остальных, а вероятность того, что атом, выживший до момента времени ^/распадется в интервале времени (t, t-\-dt), не зависит от t.
