Частица материи в квантовой физике. Порционный микромир. Открытие странных частиц

Думаю, можно сказать, что никто не понимает квантовую механику

Физик Ричард Фейнман

Высказывание о том, что изобретение полупроводниковых приборов было революцией, не будет преувеличением. Это не только впечатляющее технологическое достижение, но оно также проложило путь для событий, которые навсегда изменяют современное общество. Полупроводниковые приборы применяются во всевозможных устройствах микроэлектроники, в том числе и в компьютерах, отдельных видах медицинского диагностического и лечебного оборудования, популярных телекоммуникационных устройствах.

Но за этой технологической революцией стоит даже больше, революция в общей науке: область квантовой теории . Без этого прыжка в понимании естественного мира, развитие полупроводниковых приборов (и более продвинутых разрабатываемых электронных устройств) никогда бы не удалось. Квантовая физика - это невероятно сложный раздел науки. В данной главе дается лишь краткий обзор. Когда ученые уровня Фейнмана говорят, что «никто не понимает [это]», вы можете быть уверены, что это действительно сложная тема. Без базового понимания квантовой физики или, по крайней мере, понимания научных открытий, которые привели к их разработке, невозможно понять, как и почему работают полупроводниковые электронные приборы. Большинство учебников по электронике пытаются объяснить полупроводники с точки зрения «классической физики», в результате делая их еще более запутанными для понимания.

Многие из нас видели диаграммы моделей атомов, которые похожи на рисунок ниже.

Атом Резерфорда: отрицательные электроны вращаются вокруг небольшого положительного ядра

Крошечные частицы материи, называемые протонами и нейтронами , составляют центр атома; электроны вращаются как планеты вокруг звезды. Ядро несет положительный электрический заряд, благодаря наличию протонов (нейтроны не имеют никакого электрического заряда), в то время как уравновешивающий отрицательный заряд атома находится в движущихся по орбите электронах. Отрицательные электроны притягиваются к положительным протонам, как планеты притягиваются силой притяжения к Солнцу, однако орбиты стабильны, благодаря движению электронов. Мы обязаны этой популярной моделью атома работе Эрнеста Резерфорда, который примерно в 1911 году экспериментально определил, что положительные заряды атомов сосредоточены в крошечном, плотном ядре, а не равномерно распределены по диаметру, как ранее предполагал исследователь Дж. Дж. Томсон.

Эксперимент Резерфорда по рассеянию заключается в бомбардировке тонкой золотой фольги положительно заряженными альфа-частицами, как показано на рисунке ниже. Молодые аспиранты Х. Гейгер и Э. Марсден получили неожиданные результаты. Траектория движения некоторых альфа-частиц была отклонена на большой угол. Некоторые альфа-частицы были рассеяны в обратном направлении, под углом почти на 180°. Большинство частиц прошло через золотую фольгу, не изменив траекторию пути, будто фольги и не было совсем. Факт того, что несколько альфа-частиц испытывали большие отклонения в траектории движения, указывает на присутствие ядер с небольшим положительным зарядом.

Хотя модель атома Резерфорда подтверждалась экспериментальными данными лучше, чем модель Томсона, она всё еще была неидеальна. Были предприняты дальнейшие попытки определения структуры атома, и эти усилия помогли проложить путь для странных открытий квантовой физики. Сегодня наше понимание атома немного сложнее. Тем не менее, несмотря на революцию квантовой физики и ее вклад в наше понимание строения атома, изображение солнечной системы Резерфорда в качестве структуры атом, прижилось в массовом сознании до такоей степени, что оно сохраняется в областях образования, даже если оно неуместно.

Рассмотрим это краткое описание электронов в атоме, взятое из популярного учебника по электронике:

Вращающиеся отрицательные электроны притягиваются к положительному ядру, которое приводит нас к вопросу о том, почему электроны не летят в ядро атом. Ответ в том, что вращающиеся электроны остаются на своей стабильной орбите из-за двух равных, но противоположных сил. Центробежная сила, действующая на электроны, направлена наружу, а сила притяжения зарядов пытается притянуть электроны к ядру.

В соответствии с моделью Резерфорда, автор считает электроны твердыми кусками материи, занимающими круглые орбиты, их притяжение внутрь к противоположно заряженному ядру уравновешивается их движением. Использование термина «центробежная сила» технически неверно (даже для вращающихся на орбитах планет), но это легко простить из-за популярного принятия модели: на самом деле, не существует такого понятия, как сила, отталкивающая любое вращающееся тело от центра его орбиты. Кажется, что это так потому, что инерция тела стремиться сохранить его движение по прямой линии, а так как орбита является постоянным отклонением (ускорением) от прямолинейного движения, есть постоянное инерционное противодействие к любой силе, притягивающей тело к центру орбиты (центростремительной), будь то гравитация, электростатическое притяжения, или даже натяжение механической связи.

Тем не менее, реальная проблема с этим объяснением, в первую очередь, заключается в идее электронов, движущихся по круговым орбитам. Проверенный факт, что ускоренные электрические заряды испускают электромагнитное излучение, этот факт был известен даже во времена Резерфорда. Так как вращательное движение является формой ускорения (вращающийся объект в постоянном ускорении, уводящем объект от нормального прямолинейного движения), электроны во вращающемся состоянии должны выбрасывать излучение, как грязь от буксующего колеса. Электроны, ускоренные по круговым траекториям, в ускорителях частиц, называемых синхротронами , как известно, делают это, и результат называется синхротронное излучение . Если бы электроны теряли энергию таким способом, их орбиты, в конечном счете, нарушились бы, и в результате они столкнулись бы с положительно заряженным ядром. Тем не менее, внутри атомов этого обычно не происходит. Действительно, электронные «орбиты» удивительно устойчивы в широком диапазоне условий.

Кроме того, эксперименты с «возбужденными» атомами показали, что электромагнитная энергия излучается атомом только на определенных частотах. Атомы «возбуждаются» внешними воздействиями, такими как свет, как известно, чтобы поглотить энергию и вернуть электромагнитные волны на определенных частотах, как камертон, который не звонит на определенной частоте, пока его не ударят. Когда свет, излучаемый возбужденным атомом, делится призмой на составные частоты (цвета), обнаруживаются отдельные линии цветов в спектре, картина спектральных линий является уникальной для химического элемента. Это явление обычно используется для идентификации химических элементов, и даже для измерения пропорций каждого элемента в соединении или химической смеси. Согласно солнечной системе атомной модели Резерфорда (относительно электронов, как кусков материи, свободно вращающихся на орбите с каким-то радиусом) и законам классической физики, возбужденные атомы должны вернуть энергию в практически бесконечном диапазоне частот, а не на избранных частотах. Другими словами, если модель Резерфорда была правильной, то не было бы эффекта «камертона», и цветовой спектр, излучаемый любым атомом, выглядел бы как непрерывная полоса цветов, а не как несколько отдельных линий.

Исследователь по имени Нильс Бор попытался улучшить модель Резерфорда, после ее изучения в лаборатории Резерфорда в течение нескольких месяцев в 1912 году. Пытаясь согласовать результаты других физиков (в частности, Макса Планка и Альберта Эйнштейна), Бор предположил, что каждый электрон обладал определенным, конкретным количеством энергии, и что их орбиты распределяются таким образом, что каждый из них может занимать определенные места вокруг ядра, как шарики, зафиксированные на круговых дорожках вокруг ядра, а не как свободно двигающиеся спутники, как предполагалось ранее (рисунок выше). В знак уважения к законам электромагнетизма и ускоряющих зарядов Бор ссылался на «орбиты», как на стационарные состояния , чтобы избежать трактования, что они были подвижны.

Хотя амбициозная попытка Бора переосмысления строения атома, которое ближе согласовывалось с экспериментальными данными, и была важной вехой в физике, но не была завершена. Его математический анализ лучше предсказывал результаты экспериментов по сравнению с анализами, производимых согласно предыдущим моделям, но еще оставались без ответов вопросы о том, почему электроны должны вести себя таким странным образом. Утверждение, что электроны существовали в стационарных квантовых состояниях вокруг ядра, соотносилось с экспериментальными данными лучше, чем модель Резерфорда, но не говорило, что заставляет электроны принимать эти особые состояния. Ответ на этот вопрос должен был прийти от другого физика Луи де Бройля спустя примерно десять лет.

Де Бройль предположил, что электроны, как фотоны (частицы света), обладают и свойствами частиц, и свойствами волн. Опираясь на это предположение, он предположил, что анализ вращающихся электронов с точки зрения волн подходит лучше, чем с точки зрения частиц, и может дать больше понимания об их квантовой природе. И действительно, в понимании был совершен еще один прорыв.

Атом, согласно де Бройлю, состоял из стоячих волн, явление, хорошо известное физикам в различных формах. Как дернутая струна музыкального инструмента (рисунок выше), вибрирующая на резонансной частоте, с «узлами» и «антиузлами» в стабильных местах вдоль своей длины. Де Бройль представил электроны вокруг атомов в виде волн, изогнутых в круг (рисунок ниже).

Электроны могут существовать только на определенных, конкретных «орбитах» вокруг ядра, потому что они являются единственными расстояниями, на которых концы волны совпадают. При любом другом радиусе волна будет разрушительно сталкиваться сама с собой и, таким образом, перестанет существовать.

Гипотеза де Бройля дала как математическое обеспечение, так и удобную физическую аналогию для объяснения квантовых состояний электронов внутри атома, но его модель атома была всё еще неполной. В течение нескольких лет физики Вернер Гейзенберг и Эрвин Шредингер, работая независимо друг от друга, трудились над концепцией корпускулярно-волнового дуализма де Бройля, чтобы создать более строгие математические модели субатомных частиц.

Этому теоретическому продвижению от примитивной модели стоячей волны де Бройля к моделям матрицы Гейзенберга и дифференциального уравнения Шредингера было дано название квантовая механика, она ввела довольно шокирующую характеристику в мир субатомных частиц: признак вероятности, или неопределенности. По новой квантовой теории, было невозможно определить точное положение и точный импульс частицы в один момент. Популярное объяснение этого «принципа неопределенности» заключалось в том, что существовала погрешность измерения (то есть, пытаясь точно измерить положение электрона, вы мешаете его импульсу, и, следовательно, не можете знать, что было до начала измерения положения, и наоборот). Сенсационный вывод квантовой механики заключается в том, что частицы не имеют точных положений и импульсов, и из-за связи этих двух величин их совокупная неопределенность никогда не уменьшится ниже определенного минимального значения.

Эта форма связи «неопределенности» существует и в других областях, кроме квантовой механики. Как обсуждалось в главе «Сигналы переменного тока смешанной частоты» тома 2 этой серии книг, есть взаимоисключающие связи между уверенностью в данных временной области формы сигнала и его данными в частотной области. Проще говоря, чем больше мы знаем его составляющие частоты, тем менее точно мы знаем его амплитуду во времени, и наоборот. Цитирую себя:

Сигнал бесконечной длительности (бесконечное количество циклов) может быть проанализирован с абсолютной точностью, но чем меньше циклов доступно компьютеру для анализа, тем меньше точность анализа... Чем меньше периодов сигнала, тем меньше точность его частоты. Принимая эту концепцию до ее логической крайности, короткий импульс (даже не полный период сигнала) на самом деле не имеет определенной частоты, представляет собой бесконечный диапазон частот. Данный принцип является общим для всех волновых явлений, а не только для переменных напряжений и токов.

Чтобы точно определить амплитуду изменяющегося сигнала, мы должны измерить его в очень короткий промежуток времени. Однако выполнение этого ограничивает наши знания о частоте волны (волна в квантовой механике не должна быть подобно синусоидальной волне; такое подобие является частным случаем). С другой стороны, чтобы определить частоту волны с большой точностью, мы должны измерять его в течение большого количества периодов, а значит, мы потеряем из виду его амплитуду в любой заданный момент. Таким образом, мы не можем одновременно знать мгновенную амплитуду и все частоты любой волны с неограниченной точностью. Еще одна странность, эта неопределенность гораздо больше неточности наблюдателя; она находится в самой природе волны. Это не так, хотя можно бы, учитывая соответствующие технологии, обеспечить точные измерения и мгновенной амплитуды, и частоты одновременно. В буквальном смысле, волна не может точную мгновенную амплитуду и точную частоту одновременно.

Минимальная неопределенность положения частицы и импульса, выраженная Гейзенбергом и Шредингером, не имеет ничего общего с ограничением в измерении; скорее это внутреннее свойство природы корпускулярно-волнового дуализма частицы. Следовательно, электроны на самом деле не существуют в своих «орбитах» как точно определенные частицы материи или даже как точно определенные формы волн, а скорее как «облака» - технический термин волновой функции распределения вероятности, как если бы каждый электрон был «рассеян» или «размазан» в диапазоне положений и импульсов.

Этот радикальный взгляд на электроны, как на неопределенные облака поначалу противоречит изначальному принципу квантовых состояний электронов: электроны существуют в дискретных, определенных «орбитах» вокруг ядра атома. Этот новый взгляд, в конце концов, был открытием, которое привело к образованию и объяснению квантовой теории. Как странно кажется, что теория, созданная для объяснения дискретного поведения электронов, заканчивается, объявив, что электроны существуют как «облака», а не как отдельные кусочки материи. Тем не менее, квантовое поведение электронов зависит не от электронов, имеющих определенные значения координат и импульса, а от других свойств, называемых квантовыми числами . В сущности, квантовая механика обходится без распространенных понятий абсолютного положения и абсолютного момента, а заменяет их абсолютными понятиями таких типов, у которых нет аналогов в общей практике.

Даже если электроны, как известно, существуют в бесплотных, «облачных» формах распределенной вероятности, а не в виде отдельных частей материи, эти «облака» имеют несколько другие характеристики. Любой электрон в атоме может быть описан четырьмя числовыми мерами (упомянутыми ранее квантовыми числами), которые называются главное (радиальное) , орбитальное (азимутальное) , магнитное и спиновое числа. Ниже представлен краткий обзор значения каждого из этих чисел:

Главное (радиальное) квантовое число : обозначается буквой n , это число описывает оболочку, на которой пребывает электрон. Электронная «оболочка» представляет собой область пространства вокруг ядра атома, на которой электроны могут существовать, соответствуя моделям стабильной «стоячей волны» де Бройля и Бора. Электроны могут «прыгать» с оболочки на оболочку, но не могут существовать между ними.

Главное квантовое число должно быть положительным целым числом (большим или равным 1). Другими словами, главное квантовое число электрона не может быть 1/2 или -3. Эти целые числа были выбраны не произвольно, а через экспериментальные доказательства светового спектра: разные частоты (цвета) света, излучаемые возбужденными атомами водорода, следуют математической зависимости, зависящей от конкретных целых значений, как показано на рисунке ниже.

Каждая оболочка обладает способностью удерживать несколько электронов. В качестве аналогии для электронных оболочек можно привести концентрические ряды сидений в амфитеатре. Так же, как человек, сидящий в амфитеатре, должен выбрать ряд, чтобы сесть (он не может сесть между рядов), электроны должны «выбрать» конкретную оболочку, чтобы «сесть». Как и ряды в амфитеатре, крайние оболочки удерживают больше электронов по сравнению с оболочками ближе к центру. Также электроны стремятся найти наименьшую доступную оболочку, как люди в амфитеатре ищут место, ближайшее к центральной сцене. Чем выше номер оболочки, тем больше энергии у электронов на ней.

Максимальное количество электронов, которое какая-либо оболочка может удерживать, описывается уравнение 2n 2 , где n - главное квантовое число. Таким образом, первая оболочка (n = 1) может содержать 2 электрона; вторая оболочка (n = 2) - 8 электронов; и третья оболочка (n = 3) - 18 электронов (рисунок ниже).

Электронные оболочки в атоме были обозначаются буквами, а не цифрами. Первая оболочка (n = 1) была обозначена K, вторая оболочка (n = 2) L, третья оболочка (n = 3) M, четвертая оболочка (n = 4) N, пятая оболочка (n = 5) O, шестая оболочка (n = 6) P, и седьмая оболочка (n = 7) B.

Орбитальное (азимутальное) квантовое число : оболочка, состоящая из подоболочек. Кому-то может быть удобнее думать о подоболочках как о простых секциях оболочек, как полосы делящие дорогу. Подоболочки гораздо более странны. Подоболочки - это области пространства, где могут существовать электронные «облака», и на самом деле различные подоболочки имеют различные формы. Первая подоболочка в форме шара (рисунок ниже (s)), который имеет смысл, когда визуализируется в виде электронного облака, окружающего ядро атома в трех измерениях.

Вторая подоболочка напоминает гантель, состоящую из двух «лепестков», соединенных в одной точке недалеко от центра атома (рисунок ниже (p)).

Третья подоболочка обычно напоминает набор из четырех «лепестков», сгруппированных вокруг ядра атома. Эти формы подоболочек напоминают графические изображения диаграмм направленности антенн с лепестками, похожими на луковицы, простирающимися от антенны в различных направлениях (рисунок ниже (d)).

Допустимыми значениями орбитального квантового числа являются положительные целые числа, как и для главного квантового числа, но также включают в себя ноль. Эти квантовые числа для электронов обозначаются буквой l. Количество подоболочек равно главному квантовому числу оболочки. Таким образом, первая оболочка (n = 1) имеет одну подоболочку с номером 0; вторая оболочка (n = 2) имеет две подоболочки с номерами 0 и 1; третья оболочка (n = 3) имеет три подоболочки с номерами 0, 1 и 2.

Старое соглашение описания подоболочек использовало буквы, а не цифры. А этом формате, первая подоболочка (l = 0) обозначалась s, вторая подоболочка (l = 1) обозначалась p, третья подоболочка (l = 2) обозначалась d, и четвертая подоболочка (l = 3) обозначалась f. Буквы пришли от слов: sharp , principal , diffuse и fundamental . Вы по-прежнему можете увидеть эти обозначения во многих периодических таблицах, используемые для обозначения электронной конфигурации внешних (валентных ) оболочек атомов.

Магнитное квантовое число : Магнитное квантовое число для электрона классифицирует, ориентацию фигуры подоболочки электрона. «Лепестки» подоболочек могут быть направлены в нескольких направлениях. Эти различные ориентации называются орбиталями. Для первой подоболочки (s; l = 0), которая напоминает сферу, «направление» не указывается. Для второй (p; l = 1) подоболочки в каждой оболочке, которая напоминает гантель, указывающую в трех возможных направлениях. Представьте три гантели, пересекающиеся в начале координат, каждая направлена вдоль своей оси в трехосной системе координат.

Допустимые значения для данного квантового числа состоят из целых чисел, начиная от -l до l, а обозначается данное число как m l в атомной физике и l z в ядерной физике. Чтобы рассчитать количество орбиталей в любой подоболочке, необходимо удвоить номер подоболочки и добавить 1, (2∙l + 1). Например, первая подоболочка (l = 0) в любой оболочке содержит одну орбиталь с номером 0; вторая подоболочка (l = 1) в любой оболочке содержит три орбитали с номерами -1, 0 и 1; третья подоболочка (l = 2) содержит пять орбиталей с номерами -2, -1, 0, 1 и 2; и так далее.

Как и главное квантовое число, магнитное квантовое число возникло прямо из экспериментальных данных: эффект Зеемана, разделение спектральных линий, подвергая ионизированный газ воздействию магнитного поля, отсюда и название «магнитное» квантовое число.

Спиновое квантовое число : как и магнитное квантовое число, данное свойство электронов атома было обнаружено с помощью экспериментов. Тщательное наблюдение спектральных линий показало, что каждая линия была на самом деле парой очень близко расположенных линий, было предположение, что эта так называемая тонкая структура была результатом каждого электрона, «вращающегося» вокруг своей оси, как планета. Электроны с разным «вращением» отдавали бы немного отличающиеся частоты света при возбуждении. Концепция вращающегося электрона в настоящее время устарела, будучи более подходящей для (неправильного) взгляда на электроны, как на отдельные частицы материи, а не как на «облака», но название осталось.

Спиновые квантовые числа обозначаются как m s в атомной физике и s z в ядерной физике. На каждой орбитали на каждой подоболочке в каждой оболочке может быть два электрона, один со спином +1/2, а другой со спином -1/2.

Физик Вольфганг Паули разработал принцип, объясняющий упорядоченность электронов в атоме в соответствии с этими квантовыми числами. Его принцип, называемый принципом запрета Паули , утверждает, что два электрона в одном атоме не могут занимать одинаковые квантовые состояния. То есть, каждый электрон в атоме имеет уникальный набор квантовых чисел. Это ограничивает число электронов, которые могут занимать какую-либо орбиталь, подоболочку и оболочку.

Здесь показано расположение электронов в атоме водорода:

С одним протоном в ядре, атом принимает один электрон для своего электростатического баланса (положительный заряд протона в точности уравновешивается отрицательным зарядом электрона). Этот электрон находится на нижней оболочке (n = 1), первой подоболочке (l = 0), на единственной орбитали (пространственная ориентация) этой подоболочки (m l = 0), с значением спина 1/2. Общий метод описания этой структуры выполняется с помощью перечисления электронов в соответствии с их оболочками и подоболочками согласно соглашению, называемому спектроскопическим обозначением . В этом обозначении, номер оболочки показывается как целое число, подоболочка как буква (s,p,d,f), и общее количество электронов в подоболочке (все орбитали, все спины) как верхний индекс. Таким образом, водород с его единственным электроном, размещенным на базовом уровне, описывается как 1s 1 .

Переходя к следующему атому (по порядку атомного номера), мы получаем элемент гелий:

Атом гелия состоит из двух протонов в ядре, а это требует два электрона, чтобы сбалансировать двойной положительный электрический заряд. Так как два электрона - один со спином 1/2 и другой со спином -1/2 - находятся на одной орбитали, электронная структура гелия не требует дополнительных подоболочек или оболочек, чтобы удерживать второй электрон.

Тем не менее, атом, требующий три и более электрона, будет нуждаться в дополнительных подоболочках, чтобы удерживать все электроны, так как только два электрона могут находиться на нижней оболочке (n = 1). Рассмотрим следующий атом в последовательности увеличивающихся атомных номеров, литий:

Атом лития использует часть емкости L оболочки (n = 2). Эта оболочка на самом деле имеет общую емкость величиной восемь электронов (максимальная емкость оболочки = 2n 2 электронов). Если мы рассмотрим структуру атома с полностью заполненной L оболочкой, мы увидим, как все комбинации подоболочек, орбиталей и спинов заняты электронами:

Часто, при назначении атому спектроскопического обозначения, любые полностью заполненные оболочки пропускаются, а не заполненные оболочки и заполненные оболочки высшего уровня обозначаются. Например, элемент неон (показан на рисунке выше), который имеет две полностью заполненных оболочки, может быть спектрально описан просто как 2p 6 , а не как 1s 22 s 22 p 6 . Литий с его полностью заполненной K-оболочкой и единственным электроном на L-оболочке, может быть описан просто как 2s 1 , а не 1s 22 s 1 .

Пропуск полностью заполненных оболочек нижнего уровня выполняется не только для удобства записи. Он также иллюстрирует основной принцип химии: химическое поведение элемента в первую очередь определяется его незаполненными оболочками. И водород, и литий обладают на своих внешних оболочках одним электроном (as 1 и 2s 1 соответственно), то есть, оба элемента обладают схожими свойствами. Оба обладают высокой реакционной способностью, и вступают в реакции почти одинаковыми способами (связывание с аналогичными элементами в аналогичных условиях). Не имеет большого значения, что литий имеет полностью заполненную K-оболочку под почти свободной L-оболочкой: незаполненная L-оболочка - это та оболочка, которая и определяет его химическое поведение.

Элементы, имеющие полностью заполненные внешние оболочки, классифицируются как благородные и отличаются почти полным отсутствием реакции с другими элементами. Эти элементы классифицировались как инертные, когда считалось, что они совсем не вступают в реакции, но, как известно, они образуют соединения с другими элементами при определенных условиях.

Так как элементы с одинаковыми конфигурациями электронов в своих внешних оболочках имеют сходные химические свойства, Дмитрий Менделеев соответственных образом организовал химические элементы в таблице. Данная таблица известна как , и современные таблицы следуют этому общему виду, показанному на рисунке ниже.

Дмитрий Менделеев, русский химик, был первым, кто разработал периодическую таблицу элементов. Несмотря на то, что Менделеев организовал свою таблицу в соответствии с атомной массой, а не атомным номером, и создал таблицу, которая была, не столь полезна, как современные периодические таблицы, его разработка выступает в качестве отличного примера научного доказательства. Увидев закономерности периодичности (аналогичные химические свойства в соответствии с атомной массой), Менделеев выдвинул гипотезу, что все элементы должны вписываться в эту упорядоченную схему. Когда он обнаружил «пустые» места в таблице, он следовал логике существующего порядка и предположил существование еще неизвестных элементов. Последующее открытие этех элементов подтвердило научную правильность гипотезы Менделеева, дальнейшие открытия привели к тому виду периодической таблицы, которую мы используем сейчас.

Вот так должна работать наука: гипотезы ведут к логическими заключениями и принимаются, изменяются или отклоняются в зависимости от согласованности экспериментальных данных с их выводами. Любой дурак может сформулировать гипотезу постфактум, чтобы объяснить имеющиеся экспериментальные данные, и многие так и делают. Что отличается научную гипотезу от спекуляции постфактум, так это предсказание будущих экспериментальных данных, которые пока не собраны, и, возможно, опровержение в результате этих данных. Смело ведите гипотезу к ее логическому заключению(-ям) и попытка предсказать результаты будущих экспериментов это не догматический прыжок веры, а скорее публичная проверка этой гипотезы, открытый вызов противникам гипотезы. Другими словами, научные гипотезы всегда «рискованны» из-за попытки предсказать результаты еще не проведенных экспериментов, и поэтому могут быть опровергнуты, если эксперименты пройдут не так, как ожидалось. Таким образом, если гипотеза правильно предсказывает результаты повторных экспериментов, ее ложность опровергнута.

Квантовая механика, сначала как гипотезы, а затем в качестве теории, оказалась чрезвычайно успешной в прогнозировании результатов экспериментов, следовательно, получила высокую степень научного доверия. У многих ученых есть основания полагать, что это неполная теория, так как ее прогнозы больше правдивы на микрофизических масштабах, а не в макроскопических размерах, но, тем не менее, это чрезвычайно полезная теория для объяснения и прогнозирования взаимодействия частиц и атомов.

Как вы уже увидели в этой главе, квантовая физика имеет важное значение при описании и прогнозировании множества различных явлений. В следующем разделе мы увидим, ее значение в электрической проводимости твердых веществ, в том числе и полупроводников. Проще говоря, ничего в химии или в физике твердого тела не имеет смысла в популярной теоретической структуре электронов, существующих как отдельные частицы материи, кружащиеся вокруг ядра атом, как миниатюрные спутники. Когда электроны рассматриваются как «волновые функции», существующие в определенных, дискретных состояниях, которые регулярны и периодичны, тогда поведение вещества может быть объяснено.

Подведем итоги

Электроны в атомах существуют в «облаках» распределенной вероятности, а не как дискретные частицы материи, вращающиеся вокруг ядра, как миниатюрные спутники, как показывают распространенные примеры.

Отдельные электроны вокруг ядра атом стремятся к уникальным «состояниям», описываемым четырьмя квантовыми числами: главное (радиальное) квантовое число , известное как оболочка ; орбитальное (азимутальное) квантовое число , известное как подоболочка ; магнитное квантовое число , описывающее орбиталь (ориентацию подоболочки); и спиновое квантовое число , или просто спин . Эти состояния квантовые, то есть «между ними» нет условий для существования электрона, кроме состояний, которые вписываются в схему квантовой нумерации.

Гланое (радиальное) квантовое число (n) описывает базовый уровень или оболочку, на которой находится электрон. Чем больше это число, тем больше радиус электронного облака от ядра атома, и тем больше энергия электрона. Главные квантовые числа являются целыми числами (положительными целыми)

Орбитальное (азимутальное) квантовое число (l) описывает форму электронного облака в конкретной оболочке или уровне и часто известно, как «подоболочка». В любой оболочке столько подоболочек (форм электронного облака), каково главное квантовое число оболочки. Азимутальные квантовые числа - целые положительные числа, начинающиеся с нуля и заканчивающиеся числом, меньшим главного квантового числа на единицу (n - 1).

Магнитное квантовое число (m l) описывает, какую ориентацию имеет подоболочка (фигура электронного облака). Подоболочки могут допускать столько различных ориентаций, чему равен удвоенный номер подоболочки (l) плюс 1, (2l+1) (то есть, для l=1, m l = -1, 0, 1), и каждая уникальная ориентация называется орбиталью. Эти числа - целые числа, начинающиеся от отрицательного значения номера подоболочки (l) через 0 и заканчивающиеся положительным значением номера подоболочки.

Спиновое квантовое число (m s) описывает другое свойство электрона и может принимать значения +1/2 и -1/2.

Принцип запрета Паули говорит, что два электрона в атоме не могут разделять один и тот же набор квантовых чисел. Следовательно, может быть не более двух электронов на каждой орбитали (спин=1/2 и спин=-1/2), 2l+1 орбиталей в каждой подоболочке, и n подоболочек в каждой оболочке, и не более.

Спектроскопическое обозначение - это соглашение для обозначения электронной структуры атома. Оболочки показываются как целые числа, за ними следуют буквы подоболочек (s, p, d, f) с числами в верхнем индексе, обозначающими общее количество электронов, находящихся в каждой соответствующей подоболочке.

Химическое поведение атома определяется исключительно электронами в незаполненных оболочках. Оболочки низкого уровня, которые полностью заполнены мало или совсем не влияют на химические характеристики связывания элементов.

Элементы с полностью заполненными электронными оболочками почти полностью инертны, и называются благородными элементами (ранее были известны как инертные).

Как я уже неоднократно подчеркивал, эксперимент вообще ничего не значит, пока он не интерпретирован теорией.

(Макс Борн)

Я вспоминаю дискуссии с Бором… После окончания одной из них я отправился прогуляться в соседний парк и вновь и вновь задавал себе один и тот же вопрос: «Неужели природа столь нелепа, как представляется нам в наших атомных экспериментах?»

(Вернер Гейзенберг)

Вторым революционным событием в физике XX в. по праву можно считать создание квантовой теории. И поныне мы не можем назвать ни одного другого научного открытия, которое столь решительно изменило бы наше представление о том, что реально в физическом мире и как ведет себя природа.

При обсуждении квантовой теории мы не будем придерживаться хронологической последовательности событий и останавливаться на тех или иных математических достижениях или блестящих экспериментах. Дело в том, что используемая в квантовой теории математика далеко не элементарна; она включает в себя такие разделы, как теория дифференциальных уравнений и теория вероятностей. Изложить популярно столь высокие материи не просто. Но смею заверить читателя, что и в квантовой теории математика играет столь же важную роль и служит таким же незаменимым инструментом познания природы, как и в тех областях естествознания, о которых мы говорили раньше.

Квантовая теория занимается изучением атомной структуры материи, и до сих пор не все проблемы и даже явные противоречия в ней разрешены. Мы все еще находимся на довольно ранней стадии развития в той области науки, которую часто называют микрофизикой в противоположность макрофизике, занимающейся, как правило, изучением крупномасштабных явлений. Квантовая теория «копает» гораздо глубже того уровня, о котором нам могут что-либо рассказать наши органы чувств, например зрение или осязание, так как даже в электронный микроскоп различимы только очень большие атомы. Квантовая теория занимается изучением невидимого безмолвного мира. И хотя этот мир сам по себе неощутим, производимые им эффекты столь же реальны, как стол, стул и наше собственное тело. Возможно, наиболее близко этому миру электромагнитное излучение. Мы не воспринимаем его физически, но его воздействие известно каждому. Вспомним, к примеру, радио или телевидение.

Природа некоторых открытий квантовой теории не до конца понятна, тем не менее, они нашли практическое воплощение. Атомная бомба - реальность, и нам приходится считаться с ней гораздо больше, чем с некоторыми величайшими творениями математической мысли прошлого.

Хотя наши ощущения убеждают нас в том, что звук, свет, вода и вещество в целом непрерывны, вопрос об элементарной структуре всех явлений (например, света) и вещества уходит своими корнями в античную эпоху. Еще Левкипп (V в. до н.э.) и вслед за ним Демокрит из Абдеры (ок. 460-370 до н.э.) учили, что материя состоит из неделимых атомов. (Само слово атом происходит от греческого «атомос» - неделимый.) Демокрит считал, что существует много разновидностей атомов, отличающихся по величине, форме, твердости и порядку положения. Большие тела состоят из множества атомов, отличающихся числом и расположением, но сами атомы неделимы. И Левкипп, и Демокрит заявляли, что все чувственные восприятия - лишь видимости, порождаемые различными расположениями атомов. В то время как форму, размеры и другие перечисленные выше качества древние атомисты считали реальными физическими свойствами атомов, остальные качества, такие, как вкус, тепло и цвет, по их мнению, не присущи самим атомам, а являются результатом воздействия атомов на человека. Чувственное знание ненадежно, ибо оно зависит от ощущения субъекта.

Иных взглядов придерживался Аристотель. Согласно его учению, восходящему к Эмпедоклу (490-430 до н.э.), в основе всего лежат четыре элемента - земля, огонь, воздух и вода, свойства которых в той или иной степени присущи всем вещам. Комбинациями этих сущностей, возникающими под действием притяжения (любви) и отталкивания (ненависти), объясняются все явления в мире. В действительности древним грекам (и даже их предшественникам) были известны и другие элементы, например медь, олово и ртуть, но ни Аристотель, ни его последователи не брали их в расчет. Аристотель считал, что атомы делимы (даже бесконечно делимы), поэтому материя, по его мнению, непрерывна и мельчайших структурных частиц не существует. Взгляды Аристотеля господствовали в Европе, подавляя все иные воззрения, до XVI в.

С XVII в. и вплоть до начала XX в. признание получила теория, согласно которой атомы неделимы. Предполагалось, что атомы различных химических элементов, например водорода, кислорода, меди, золота и ртути, различны. Считалось также, что атомы одного и того же элемента одинаковы по весу, а атомы различных элементов имеют разный вес. Обычные вещества, скажем, вода, состоят из молекул, представляющих собой комбинации различных атомов. Именно эти представления были положены в основу современной химии. Первые шаги к ее созданию предпринял Роберт Бойль (1627-1691) в сочинении «Химик-скептик» (1661).

Более глубокое изложение основ химии (согласующееся со взглядами Бойля) предложил в 1803 г. Джон Дальтон (1766-1844). Основная идея Дальтона заключалась в следующем: многие законы химии можно без труда объяснить, если предположить, что каждому химическому элементу соответствуют специфические атомы. Каждое вещество состоит из определенных комбинаций различных «сортов» неделимые атомов.

К 60-м годам XIX в. было известно около шестидесяти различных типов атомов. В том же десятилетии Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) предпринял попытку классифицировать известные химические элементы, расположив их в порядке возрастание атомных весов. Он обратил внимание на то, что среди первых шестнадцати элементов химические свойства повторяются через семь элементов на восьмой. Менделеев обнаружил также, что если подмеченную им закономерность распространить на остальные элементы, расположенные в порядке возрастания атомных масс, то наблюдаемая повторяемость химических свойств наводит на мысль о необходимости оставлять в системе классификации кое-где «пустые клетки». Менделеев счел вполне обоснованным предположить, что такие «клетки» принадлежат пока еще неизвестным элементам. Необходимость поиска неведомых элементов не вызывала у Менделеева ни малейших сомнений, и вскоре было действительно открыто три новых элемента (называемые ныне скандием, галлием и германием), свойства которых Менделеев предсказал заранее, опираясь на установленную им систему периодичности химических свойств. Дальнейшие исследования внесли некоторые изменения в периодическую систему Менделеева, но открытая им последовательность элементов и поныне составляет основу современной периодической системы. Хотя Менделеев понимал, что не располагает физическим объяснением выявленной им закономерности в свойствах химических элементов, он всячески отстаивал важность использования закона периодичности для поиска новых элементов, определения их атомных масс и предсказания химических свойств, в частности способности образовывать соединения с другими элементами.

Элементы, как известные ранее, так и предсказанные Менделеевым и обнаруженные впоследствии другими исследователями, расположены в порядке возрастания сложности строения их атомов и соответственно перенумерованы. Например, водород значится в периодической системе под номером 1. Под номером 2 стоит гелий, и так далее до элемента с номером 103 - лоуренсия. Атомные массы элементов показывают, во сколько раз атом данного элемента «тяжелее» атома водорода. Атомная масса водорода принята за 1, атомная масса гелия равна 4 и так далее до атомной массы лоуренсия, равного 257.

Хотя спор о неделимости атомов продолжался до начала XX в., большинство естествоиспытателей склонялись к мнению, что атомы неделимы и являются мельчайшими составными частями материи. В 1907 г. Кельвин заявил, что атом неразрушим. Однако некоторые замечательные открытия ниспровергли утвердившееся было мнение о неделимости атома. В 70-х годах XIX в. становилось все более очевидным, что атом, возможно, состоит из каких-то более мелких частиц. В 1897 г. Джозеф Джон Томсон (1856-1940) экспериментально доказал, что атом действительно состоит из частиц, и, в частности, с высокой точностью измерил электрический заряд и массу очень легких заряженных частиц, получивших название «электрон». В 1900 г. Хендрик Антон Лоренц подтвердил существование таких отрицательно заряженных частиц. Масса электрона оказалась равной примерно 10 ? 27 г (точнее 0,91 10 ? 27 г), что почти в 2000 раз меньше массы самого легкого из атомов - водорода. Заряд электрона также невообразимо мал: около 4,80325 10 ?10 электростатических единиц. Примерно в 1903 г. Хантаро Нагаока в Токио предложил так называемую «модель Сатурна», согласно которой расположенное в центре ядро было окружено вращающимися вокруг него электронами. Это была первая попытка порвать с традиционным убеждением в неделимости атома.

Атомная теория в те годы выглядела весьма примитивно. Она утверждала, что все атомы состоят из протонов (заряженных положительно) и электронов. Считалось, что протоны образуют ядро атома. Вскоре стало ясно, что масса атома почти полностью сосредоточена в ядре. Самое малое из ядер - ядро атома водорода - имеет массу 1,6726 10 ?24 г. Вокруг ядра любого атома располагаются электроны, число которых равно атомному номеру.

Еще один удар по традиционной теории был нанесен в 1896 г., когда Антуан Анри Беккерель (1852-1908) совершенно случайно открыл радиоактивность. Изучением этого явления занялись супруги Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934). Стало очевидно, что атом обладает гораздо более сложной структурой, чем предполагалось. О природе радиоактивности мы расскажем чуть позднее. Но вскоре стало ясно, что ядра некоторых атомов, в частности очень тяжелых атомов, обладают способностью испускать частицы и электромагнитное излучение, получившие соответственно названия альфа- и бета-частиц и гамма-излучения. Альфа-частицы - это ионизованные атомы гелия, бета-частицы - электроны, а гамма-излучение - электромагнитное излучение очень высокой частоты. Выяснилось, что при испускании альфа-частицы атом превращается в атом более легкого элемента. В ранних работах по строению атома продукты радиоактивного распада использовались для изучения частиц, составляющих атомное ядро.

К 1910 г. Эрнест Резерфорд (1871-1937), экспериментировавший с радиоактивными атомами, пришел к мысли, что атом по своему строению напоминает Солнечную систему, в которой вокруг расположенного в центре Солнца обращаются планеты. В модели атома Резерфорда вокруг расположенного в центре ядра по различным орбитам двигались электроны. Резерфорд был абсолютно уверен в том, что объем ядра не превышает «одной миллионной от одной миллионной» (т.е. 10 ?12) объема атома. Например, в атоме золота (атомный номер 79) вокруг ядра движется 79 электронов. Атомное ядро в модели Резерфорда состояло главным образом из протонов, о чем мы уже упоминали. Но для восполнения «недостающей» массы ядра Резерфорд предположил, что оно помимо протонов содержит также электрически нейтральные частицы, которые он назвал нейтронами. Ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами.

Пока Резерфорд и другие исследователи изучали атом, строили его модели, Макс Планк (1858-1947) в 1900 г. совершил необычайно важное открытие, оказавшее влияние на все последующее развитие атомной физики. Планк занимался изучением так называемого теплового излучения, или излучения абсолютно черного тела. Известно, например, что раскаленный докрасна металл излучает свет, который, как мы знаем, является одной из разновидностей электромагнитного излучения. Опираясь в основном на интуитивные физические представления, Планк выдвинул в 1900 г. гипотезу (теоретически пока не обоснованную), согласно которой излучение испускается не сплошным, непрерывным «потоком», а небольшими порциями, или квантами, энергия которых зависит от частоты излучения, испускаемого атомом. Энергия излучения, согласно Планку, определяется по формуле

E = nhv ,

где n - число испущенных квантов, которое может быть равно 0, 1, 2, …; h - постоянная, называемая ныне постоянной Планка (h = 6,626 10 ?34 Дж с = 6,686 10 ?27 эрг c ~ 10 ?26 эрг с), v - частота излучения, состоящего из квантов подобно тому, как, например, волны на воде состоят из молекул воды. Излучение, допустим, свет, кажется непрерывным, так как число образующих его квантов очень велико. Так, число квантов, испускаемых за 1 с обычной 100-ваттной электрической лампой, составляет порядка 10 20 .

Падая на поверхность металла, свет с частотой v высвобождает энергию. Из формулы Планка следует, что энергия каждого электрона, выбитого из поверхности металла, пропорциональна hv . Позднее кванты излучения стали называть фотонами. Формула Планка была гипотезой, счастливой догадкой, плодом замечательной физической интуиции. Однако Планку понадобилось произвести немало математических выкладок, чтобы изложить свои рассуждения и хотя бы в какой-то мере придать им убедительность.

Эйнштейн в своей работе по фотоэлектрическому эффекту (1905), в детали которой мы намеренно не будем входить, ибо это увело бы нас далеко в сторону, не только подтвердил формулу Планка, но и сумел найти ей применение. Свет, освещая поверхность металла, выбивает из нее электроны. Из гипотезы Планка следовало, что падающее на поверхность металла излучение состоит из квантов, каждый из которых несет энергию hv . Энергия каждого вылетевшего из металла электрона пропорциональна hv . Гипотеза квантов позволила Эйнштейну объяснить взаимодействие света и атомов, образующих поверхность металла. Выбивание электронов происходит только при достаточно высокой энергии квантов, т.е. при больших частотах, но не зависит от интенсивности света. Что же касается числа выбиваемых электронов, то оно действительно определяется интенсивностью света. Работы Планка и Эйнштейна вновь подняли проблему: из чего состоит электромагнитное излучение и, в частности, свет? Из волн или из частиц? К этой проблеме мы обратимся в дальнейшем. А пока заметим лишь то, что уже ясно из сказанного: электромагнитное излучение ведет себя и как волны, и как частицы.

Но вернемся к работам, связанным с изучением структуры атома. Модель Резерфорда не позволяла объяснить, почему электроны, обращающиеся вокруг ядра, не испускают света или энергии какого-нибудь другого вида, как того требует теория электромагнитного поля, и не падают по спирали на ядро. Нильс Хенрик Давид Бор (1885-1962) «вгляделся» в структуру атома пристальнее, чем его предшественники. Приняв за исходную планетарную модель Резерфорда, Бор на основании некоторых математических соображений постулировал, что электроны в атоме не излучают, если движутся по вполне определенным («разрешенным») орбитам подобно тому, как движутся планеты. Обращающийся вокруг атомного ядра электрон обладает энергией, а именно механической энергией, которую имеет любой объект, обращающийся вокруг центрального тела. Но стоит лишь электрону перейти с одной орбиты на другую, как он либо испускает, либо поглощает излучение. И испускание, и поглощение энергии происходят скачками. Каждый скачок представляет собой квант энергии, его величина кратна hv . При поглощении атомом излучения электрон переходит с внутренней, более близкой к ядру, орбиты на внешнюю, - более далекую от ядра. При обратном переходе, напротив, атом излучает кванты, или фотоны.

Теория Бора объясняла далеко не все результаты, касающиеся частот испускаемого атомами излучения, поэтому работа по выяснению структуры атома продолжалась.

До сих пор речь шла о квантах, или фотонах, т.е. о «частицах» электромагнитного излучения. В 1922 г. на сцене появился Луи Виктор де Бройль (1892-1987); он высказал идею, которая стала центральной в разделе физики, получившем название «волновая механика». Зная о корпускулярных свойствах световых волн (о фотонах), де Бройль задумался над вопросом: если световые волны могут вести себя и как частицы, и как волны, то почему бы аналогичным образом не вести себя частицам? Нельзя ли с любым веществом связать волны? Следовало попытаться определить частоту и скорость волн материи.

Пользуясь методами математической теории дифференциальных уравнений с частными производными, де Бройль установил, что длина волны ? к любой частицы должна быть равна постоянной Планка h , деленной на произведение массы частицы m и ее скорости v , т.е.

? = h /mv .

Произведение mv называется импульсом частицы и обычно обозначается p. Для частиц массой 1 г, движущейся со скоростью 1 см/с, длина волны де Бройля ? = 10 ?26 см, т.е. в 10 млн. раз меньше размеров атомного ядра. Следовательно, в шкале масштабов окружающего нас макроскопического мира все объекты чудовищно велики по сравнению с длинами соответствующих им волн материи, поэтому мы не наблюдаем этих волн.

Развивая идею де Бройля о том, что всем микрочастицам и, в частности, электронам соответствуют волны, Эрвин Шрёдингер (1887-1961) вывел в 1926 г. дифференциальное уравнение с частными производными для так называемой ?- функции, описывающей форму этих волн. Решая уравнение Шрёдингера, мы находим параметры волн. Его решения называются собственными, или характеристическими, функциями. Если коэффициентам, входящим в уравнение Шрёдингера, придать конкретные численные значения, то эти функции отличны от тождественного нуля только при определенных значениях некоторой постоянной. Эти значения называются собственными, или характеристическими. Дискретные значения энергии электронов в атоме оказываются собственными значениями волнового уравнения Шрёдингера и согласуются с теми величинами, которые дает теория Бора.

Следующая весьма грубая картина позволит нам хотя бы в общих чертах понять, как ведут себя волны электронов в представлении Шрёдингера. На рис. 38 показана часть волны протяженностью 2?. Если такую волну создать, проведя смычком по скрипичной струне, то она будет колебаться вверх-вниз, занимая положения, показанные сплошной и штриховой кривыми. Можно возбудить и некую последовательность волн, длины которых составляют лишь дробные части основной длины волны (например, половину и треть ее). В представлении Шрёдингера полная волна, соответствующая любому электрону, окружая ядро, может простираться на две, три и даже пять основных длин волн. В каждом случае в полной волне электрона укладывается целое число основных волн и конец последней волны совпадает с началом первой (на рис. 38 точка B должна совпадать с точкой A )

Введенная Шрёдингером ?- функция задает амплитуду волн материи, изменяющихся от точки к точке и от одного момента времени к другому. Это стоячие волны, сосредоточенные преимущественно в небольшой области пространства вблизи ядра. По мере увеличения расстояния от ядра волны постепенно затухают, но амплитуда их остается отличной от нуля в области, размеры которой совпадают с экспериментально установленными размерами соответствующего атома. Например, для атома водорода, находящегося в основном (самом нижнем) энергетическом состоянии, амплитуда волн заметно отлична от нуля только в пределах сферы диаметром около 10 ?8 см. Для любого атома решение волнового уравнения Шрёдингера позволяет получить дискретный набор волн атомных электронов, и с каждым состоянием атома оно связывает определенное значение энергии.

Подчеркнем еще раз, что волна Шрёдингера, описывающая электрон в атоме, представляет не простую волну с одной-единственной частотой, а состоит из целого набора волн с различными частотами. В этом отношении волна Шрёдингера аналогична сложным звуковым волнам, создаваемым музыкальными инструментами.

В связи с волнами де Бройля - Шрёдингера естественно напрашивается вопрос: из чего они «сделаны», или, иначе говоря, из чего они состоят? Подобный вопрос вставал перед физиками и в XIX в., когда было открыто световое и другие виды электромагнитного излучения. Сначала физики полагали, что электромагнитные волны представляют собой колебания таинственной субстанции, называемой эфиром, и придумывали различные механические модели, объясняющие действие эфира. Но со временем физики поняли несостоятельность такого рода идей и стали считать электромагнитные волны самостоятельными сущностями. Нечто похожее произошло и с волнами электронов. Первоначально Шрёдингер предположил, что эти волны действительно описывают распределение заряда электрона, т.е. что в атоме заряд и плотность электрона физически распределены в той области пространства, где амплитуда волны отлична от нуля. Но ничего подобного не наблюдалось. Наоборот, после открытия электрона выяснилось, что весь его заряд сосредоточен в небольшой области пространства и что электрон имеет корпускулярную природу.

Строго говоря, когда мы рассуждаем о возможных видах волн, соответствующих различным энергетическим состояниям электрона, то имеем в виду один электрон, не испытывающий воздействия других частиц. Если же в атоме много электронов, то они утрачивают свою «индивидуальность» и соответствующие им волны сливаются в общую волну, «одну на все электроны».

В представлении Шрёдингера электроны подобны облакам с переменной плотностью. Они трехмерны. Электронные облака образуют несколько «ярусов» вокруг ядра. Плотность каждого облака возрастает от нуля до максимума и снова убывает до нуля. Электронные облака простираются и за пределы атома, но для каждого электрона их плотность максимальна на таком расстоянии от ядра, которое предсказывается теорией Бора. Электронное облако как интерпретация абстрактного математического понятия с неизбежностью неточно. Представить себе наглядно без ущерба для точности ?- функцию Шрёдингера невозможно. Нахождение аналитических решений уравнения Шрёдингера - задача настолько трудная, что решить ее удается лишь в отдельных исключительных случаях. Тем не менее полученные решения превосходно согласуются с экспериментальными данными, а другие решения, хотя и приближенные, также достаточно хорошо соответствуют результатам экспериментов. В частности, удалось полностью решить уравнение Шрёдингера для случая атома водорода. Полученное решение позволяет ответить на любой вопрос, допускающий экспериментальную проверку.

То, что электроны при определенных условиях ведут себя как волны, было продемонстрировано в 1927 г. знаменитым экспериментом Клинтона Дж. Дэвиссона (1881-1958) и Лестера Джермера (1896-1971) и независимо Джорджем П. Томсоном (1892-1975). Все эти исследователи обнаружили дифракцию электронов (в качестве дифракционной решетки использовался кристалл) Дифракция как явление, состоит в том, что волны огибают встречающееся на пути препятствие и заходят за него в область «тени». Нечто подобное мы наблюдаем, когда волны на воде огибают корпус судна. Опыты Дэвиссона и Джермера, а также Томсона показали, что в некоторых случаях частицы ведут себя как волны. Физики окончательно убедились в том, что всем субатомным частицам соответствуют свои волны, длины которых определяются формулой де Бройля. Так, работы де Бройля и Шрёдингера выдвинули на передний план понятие корпускулярно-волнового дуализма (волна - частица), доставившее немало хлопот и физикам, и философам.

Несмотря на экспериментальное подтверждение того, что электроны при определенных условиях ведут себя как волны, далеко не все физики смирились с представлением об электронах, «размазанных» вокруг атомного ядра. Некоторые усматривали, в частности, противоречие в следующем: с одной стороны, в любой физически бесконечно малой области плотность заряда электрода должна быть бесконечно мала, а с другой - электрический заряд электрона является величиной вполне определенной. Все электрические заряды кратны заряду электрона. Руководствуясь этими соображениями и пытаясь избежать корпускулярно-волнового дуализма, Макс Борн (1882-1970) в 1926 г. предложил совершенно иную интерпретацию теории Шрёдингера: ввел ее вероятностную интерпретацию.

Теория вероятностей вошла в математику благодаря случаю, а именно в связи с задачами об азартных играх. Но в конце XIX в. Максвелл и Людвиг Больцман (1844-1906), воспользовавшись в своих исследованиях вероятностными соображениями, пришли к законам, описывающим движение газов, - к кинетической теории газов. Одна из знаменитых работ, опубликованных Эйнштейном в 1905 г., также была посвящена вероятностной задаче о так называемом броуновском движении. Вместо того чтобы рассматривать электрон как распределенный в некоем пространственном облаке, плотность которого меняется от точки к точке, Борн интерпретировал плотность как вероятность обнаружить электрон как частицу в той или иной точке пространства.

Обращаясь к ?- функции, входящей в дифференциальное уравнение Шрёдингера, Борн предложил трактовать величину ? как вероятность того, что частица находится в данном элементе пространства в данный момент времени. Следовательно, местонахождение электронов как частиц может быть указано лишь с большей или меньшей вероятностью. Например, если в некоторой области пространства |?| 2 = 0,8 , то вероятность обнаружить частицу (электрон) в ней составляет 80 шансов из 100. Вероятностная интерпретация Борна общепринята и поныне.

Такой подход позволяет точно оценивать, с какой вероятностью электрон может находиться в любом данном объеме. При подобной интерпретации электрон локализован, а не «размазан», как в волновой механике Шрёдингера. Тем не менее остается вопрос, является ли вероятностная интерпретация наилучшей из возможных или же она просто порождена неполнотой наших представлений об электроне.

Использование вероятности может показаться отчаянной попыткой спасти положение, но статистическая механика убедительно доказала ценность вероятностного подхода. Любой газ представляет собой совокупность множества хаотически движущихся молекул, однако давление газа и другие его свойства удается вычислять на основе наиболее вероятных значений, и эти параметры имеют физический смысл.

Эйнштейн, Планк и Шрёдингер выступали против вероятностной интерпретации квантовой механики. Свои возражения Эйнштейн, в частности, изложил в 1955 г., аргументируя их ссылкой на приближенный характер и неполноту квантовой теории:

Я отвергаю основную идею современной статистической квантовой теории… Я не верю, что такая фундаментальная концепция может стать надлежащей основой для всей физики в целом… Я твердо убежден, что существенно статистический характер современной квантовой теории следует приписать исключительно тому, что эта теория оперирует с неполным описанием физических систем.

((, т. 4, с. 295.))

Хотя вероятностная интерпретация квантовой теории получила широкое признание, в душе некоторых физиков робко теплилась надежда на то, что будущие исследования все же откроют возможность точного и достоверного определения положения электрона в пространстве. Но одна из принципиально новых особенностей квантовой теории как раз и состоит в неизбежности некоторого индетерминизма. Мы имеем в виду принцип неопределенности, открытый в 1927 г. Вернером Гейзенбергом (1901-1976). Грубо говоря, принцип неопределенности утверждает, что невозможно получить одновременно точную информацию и о положении, и о скорости (или импульсе) частицы. Точнее Гейзенберг показал, что произведение неопределенностей в оценке положения и импульса должно быть не менее h/2? (?x ?p ? h = h/2?). Гейзенберг был убежден в правильности сформулированного им принципа и объяснял его тем, что частицы обладают и волновыми, и корпускулярными свойствами. И положение, и импульс частицы можно измерить сколь угодно точно, но только не одновременно, а порознь - либо координату, либо импульс. Тогда же Гейзенберг высказал предположение, что при столь тонких измерениях, как квантовомеханические, становится существенным сам объект, посредством которого производится измерение, - пробная частица.

Этот источник неопределенности начинает играть важную роль потому, что при измерении положения или импульса, например, электрона в качестве пробной частицы можно использовать только либо другие электроны, либо фотоны, но и те и другие оказывают сильное воздействие на исследуемую частицу. Следовательно, в мире атома мы не можем наблюдать явления, не создавая при этом возмущения. Так как положение и скорость микрочастиц невозможно измерить одновременно сколь угодно точно, мы лишены возможности точно предсказывать их поведение. И нам не остается ничего другого, как довольствоваться вероятностными предсказаниями. Наблюдения и эксперименты классической физики здесь ничем не помогут.

Если бы постоянная Планка была достаточно велика, то квантовая неопределенность распространялась бы и на макроскопические явления. Например, мы не могли бы с уверенностью сказать, попадет ли снайпер в мишень, даже тщательно прицелившись. Но вследствие крайне малой величины постоянной Планка между квантовомеханическим миром и нашей макроскопической реальностью нет прямого соответствия. Неопределенность внутренне присуща волновой механике. Что же касается наблюдаемых макроскопических объектов, то неопределенность в определении их положения и импульса очень мала и потому практически неощутима.

Квантовомеханический принцип неопределенности подрывает классическую концепцию объективности, т.е. идею о том, что мир находится во вполне определенном состоянии независимо от наблюдения его. Квантовомеханический подход противоречит нашему повседневному опыту, свидетельствующему в пользу классической концепции объективности, согласно которой мир продолжает существовать своим путем, даже если мы не воспринимаем его. Просыпаясь утром, мы застаем мир примерно таким, каким оставили его накануне вечером. Что же касается квантовомеханической интерпретации принципа неопределенности, то она приводит к иному выводу: стоит вглядеться в мир пристальнее (на атомном уровне), как окажется, что его состояние зависит и от того, каким именно образом мы его наблюдаем и что выбираем за объект наблюдения. Классический идеал объективной реальности нуждается в пересмотре с учетом реальности, создаваемой наблюдателем.

В дальнейшем усилия ученых, занимающихся исследованием структуры атома, сосредоточились в основном на атомном ядре. Явление радиоактивности давало основания считать, что ядро атома отнюдь не является неделимой частицей. Радиоактивные атомы испускают альфа-, бета- и гамма-излучение. Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц, имеющих положительный электрический заряд, по абсолютной величине вдвое больший заряда электрона, и массу, в четыре раза превосходящую массу атома водорода. Бета-излучение - это поток бета-частиц, т.е. электронов. Наконец, гамма-излучение есть не что иное, как «жесткое» электромагнитное излучение, т.е. характеризующееся самыми высокими из известных частот. Все три вида излучения испускают ядра тяжелых атомов.

Последующие экспериментальные исследования структуры атомного ядра, производимые главным образом на ускорителях - своего рода «молотах», способных расколоть атомное ядро, - показали, что ядро действительно не является цельным, неделимым образованием, а состоит из множества различных частиц: протонов, нейтронов, пионов, состоящих в свою очередь из кварков. Сообщения об открытии новых частиц продолжают поступать и поныне: анализируя результаты экспериментов, физики приходят к выводу о существовании той или иной частицы. Многие частицы, входящие в состав атомного ядра, определенным образом связаны между собой, но для наших целей вполне достаточно того, что они существуют.

Хотя атомное ядро образуют самые различные частицы, основными «строительными блоками» всякого вещества остаются протоны и нейтроны. Из них на 99,99 % состоят наши тела. Ядра всех элементов, которые тяжелее водорода, помимо протонов содержат нейтроны.

Некоторые структурные единицы атомных ядер, как и электроны, обладают волновыми свойствами. В частности, это относится к ядрам атомов водорода и гелия. Вместе с тем при столкновениях ядра ведут себя как частицы.

Множество частиц, как входящих в состав атомного ядра, так и существующих самостоятельно, обладают еще одним удивительным свойством: они способны претерпевать превращения. Например, протон может превращаться в нейтрон с испусканием нейтрино и позитрона, обладающего такой же массой, как электрон, но имеющего положительный заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. (Существование позитрона предсказал в 1932 г. Поль А.М. Дирак (1902-1984), руководствуясь чисто теоретическими соображениями.) Возможно и обратное превращение: нейтрон, испуская электрон и нейтрино, переходит в протон.

Квант электромагнитного поля, или фотон, - если он обладает достаточной энергией - может, взаимодействуя с электрическим полем атомного ядра, породить пару электрон - позитрон. Существует и обратный процесс, в котором электрон и позитрон при соударении исчезают (аннигилируют), образуя два фотона.

Таким образом, можно сказать, что способность претерпевать разнообразные превращения является основным свойством элементарных частиц, многие из которых нестабильны и получаются в лаборатории или образуются в космическом излучении. Протоны и электроны, насколько это известно в настоящее время, относятся к стабильным частицам, т.е. не распадаются на другие элементарные частицы. Правда, современные гипотетические модели так называемого Великого объединения предполагают, что протон претерпевает распад, но, видимо, не чаще, чем примерно раз за 10 30 лет.

Картина микромира еще более усложняется существованием античастиц. Это группа элементарных частиц, массы и ряд других физических характеристик которых имеют ту же величину, что и у их «двойников», в то же время некоторые их характеристики (например, электрический заряд) противоположны по знаку. Как уже говорилось, при столкновении электрона и позитрона образуются два и более фотонов. Столкновение протона и антипротона приводит к возникновению мезонов. Подобно тому как из частиц строится вещество, из античастиц может быть построено антивещество.

До сих пор мы ни словом не обмолвились о силах, действующих между частицами. Что удерживает протоны в ядре? Ведь, имея одноименные (положительные) заряды, они должны были бы испытывать электростатическое отталкивание. Помимо уже известных нам взаимодействий, гравитационного и электромагнитного, физики постулировали существование слабого и сильного взаимодействий; последнее и удерживает протоны и нейтроны в ядре. Разработанная в 70-е годы теория электрослабого взаимодействия указывает на единую природу электромагнитного и слабого взаимодействий (она получила убедительное экспериментальное подтверждение). Ученые ведут исследования по созданию так называемой теории Великого объединения, унифицирующей сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия.

К чему же мы пришли после многочисленных попыток создать связную картину микроскопического мира? Понятия и выводы квантовой механики ниспровергают все привычные основы. Они ставят наш «здравый смысл» перед неразрешимыми проблемами, отрицают его или по крайней мере бросают ему вызов. Прежде чем пытаться как-то «сгладить» наши первые впечатления, отметим, что к реальности, с которой имеет дело квантовая теория, следует относиться со всей серьезностью. Мы знаем, что теория атомных структур в полном ее объеме позволяет многое объяснить в строении молекул и даже в химических процессах. Однако существуют более ощутимые и наглядные реальности: атомная бомба, принцип действия которой основан на делении атомных ядер, и водородная бомба, основанная на термоядерном синтезе.

При столкновении атома урана с нейтроном, происходит деление атома урана, при этом часть его массы превращается в огромное количество энергии. При определенных условиях процесс деления может протекать как цепная реакция. На этом принципе основано действие атомной бомбы и ядерного реактора. Такого рода реальность мы уже наблюдали.

Противоположный процесс происходит при термоядерном синтезе, которым еще нужно научиться управлять. Если четыре ядра обычных атомов водорода сливаются в один атом гелия, масса которого чуть меньше учетверенной массы водорода (равна 3,97 атомной массы водорода), то огромное количество энергии выделяется в виде света и тепла. Процесс термоядерного синтеза с превращением водорода в гелий непрерывно происходит на Солнце; именно он является источником солнечной энергии. В земных условиях для термоядерного синтеза используют изотопы водорода - дейтерий и тритий, атомные массы которых соответственно в два и три раза больше массы обычного, «легкого», водорода. Осуществление термоядерного синтеза тяжелого водорода требует невероятно высоких температур.

Интересно, что еще в 1920 г. Оливер Лодж высказал поистине пророческую мысль: «Настанет время, когда атомная энергия придет на смену углю… Я надеюсь, что человеческий род начнет применять эту энергию не раньше, чем у него достанет ума использовать ее должным образом». Но Резерфорд еще в 1933 г. считал мысль об использовании атомной энергии абсурдной.

В нашем, по необходимости, беглом обзоре процессов в микромире мы, помимо прочего, отмечали, что материя в виде частиц может превращаться в излучение (волны) и наоборот, в то же время их квантовомеханическое описание исходит из того, что материя в виде частиц в определенных условиях проявляет волноподобные свойства, а излучение - частицеподобные. Но что же в таком случае представляет собой «подлинная» физическая реальность?

Так, фотон не является волной в традиционном смысле. Это волна-частица, единое образование, обладающее двойственной природой: и волны, и частицы. Аналогичным образом электрон не является частицей в традиционном смысле, это волна-частица. Как именно ведет себя фотон или электрон - как волна или как частица, - зависит исключительно от того, какой эксперимент мы производим над ними. Ни электрон, ни фотон не ведут себя только как волна или только как частица. Если мы ставим эксперимент по дифракции света, то фотон ведет себя как волна. Но если с тем же светом мы исследуем фотоэффект, то фотон ведет себя как частица. В электронных лампах или в телевизионных кинескопах электроны ведут себя как частицы. Но стоит лишь пропустить пучок электронов через кристалл, как мы получим интерференционные эффекты - такие же, как в случае световых волн. В своей книге «Физика и философия» Гейзенберг писал: «Мы наблюдаем не природу саму по себе, а природу в том виде, в каком она открывается нашему умению ставить вопросы».

Естественно спросить: есть ли в таком случае сколько-нибудь существенные различия между частицей-волной и волной-частицей? Такие различия имеются, причем их достаточно много. Наиболее фундаментальное различие опять же связано со скоростью света. В то время как волна-частица никогда не достигает скорости света (в противном случае ее масса обратилась бы в бесконечность), частица-волна, будучи световой волной, имеет скорость, в точности равную скорости света. Частица-волна фотон не может иметь отличную от нуля массу покоя (т.е. обладать массой, если фотон не движется), ибо при движении со скоростью света масса фотона была бы бесконечной. Что же касается волны-частицы, то ее масса покоя не равна нулю. Можно назвать и другие различия.

Однако в данном случае нам важно подчеркнуть тот основной вывод, к которому вплотную подводит нас современное развитие физики элементарных частиц в симбиозе с космологией, а именно, что все вещество в наблюдаемой нами Вселенной нестабильно. Атомные ядра могут превращаться в лептоны, например в электроны, позитроны, кванты электромагнитного излучения (фотоны) и т.д. В свою очередь элементарные частицы могут исчезать и возникать, превращаясь друг в друга. К этому еще следует добавить, что мы живем в расширяющейся Вселенной. Естественно возникает вопрос: а есть ли вообще в этой изменчивой картине разнообразных трансформаций нечто вечное, неизменное и стабильное? На этот счет высказываются разные мнения.

Во всяком случае субстанция, в ее традиционном понимании неуничтожимая, делимая, телесная, твердая и протяженная, исчезла из наших рук и более не существует. Мы располагаем лишь некоторой совокупностью массы и энергии. Общая сумма их сохраняется, но любое из ее слагаемых может превращаться в другое. Например, при некоторых взаимодействиях частиц (скажем их столкновения в ускорителях) рождаются новые частицы, но наряду с ними присутствуют и частицы, находившиеся в пучке с самого начала. Как такое возможно? Энергия, сообщаемая частице в ускорителе, превращается в массу. Как известно, энергия и масса связаны между собой формулой Эйнштейна E = mc 2 . Всюду, где присутствует энергия, присутствует и масса. Энергия и масса - взаимодополняющие проявления реальности, не поддающиеся наглядной интерпретации. Не всякое макроскопическое описание применимо к микроскопическим явлениям, как и не всякий вопрос, имеющий смысл в рамках ньютоновской физики, имеет разумный ответ в области атомных явлений.

Но коль скоро вся материя состоит из квантов и частиц, то почему мы не замечаем их в повседневной жизни? По той простой причине, что даже пылинка окажется горой по сравнению с любой субатомной частицей. Если бы такие частицы двигались даже с очень малой скоростью (с какой они никогда не движутся), то и тогда длина волны де Бройля была бы слишком незначительна, чтобы заметить эффекты квантования движения. Есть все основания утверждать, что когда мы выходим за рамки мира атомных явлений и приближаемся к миру обычных макроскопических явлений, квантовые понятия переходят в понятия классические. Последние действуют в мире промежуточных масштабов, или мезомасштабов, но не применимы ни к атомному, ни к космологическому мирам.

Квантовая теория с большой точностью предсказывает результаты экспериментов. Но в рамках ее адекватное понимание физических процессов пока не достигнуто. Например, квантовая теория описывает электрон математически, с помощью волновой функции. Электрон «размазан» по пространству. Его волновая функция задает вероятность, с которой электрон может быть обнаружен в любой заданной точке пространства. Но, будучи обнаружен, электрон перестает быть «размазанным»: его положение становится вполне определенным. Можно ли считать такую картину корректной? Квантовая теория правильно предсказывает положения стрелок приборов, но лежащие в основе физические явления остаются неясными. Работают математические правила, а разумная интерпретация квантового мира, как ни печально, отсутствует. По-видимому, для описания реальности нужны и волны, и частицы.

Порядок Вселенной может быть также и порядком нашего разума. Мы не просто наблюдатели реальности, мы - ее активные участники. Природа - не открытая книга, которую мы можем читать как независимые наблюдатели. Такой отказ от привычных требований физического объяснения заставил многих физиков и философов усомниться в том, что мы располагаем адекватным описанием атомных явлений. В частности, вероятностное описание, по их мнению, надлежит рассматривать как временную меру, на смену которой придет описание детерминистическое.

Не следует забывать, однако, о том, что квантовая теория возникла сравнительно недавно. Вполне возможно, что через какие-нибудь пятьдесят лет неуклюжий гибрид корпускулярной и корпускулярно-волновой теорий превратится в простую и ясную теорию. Много из того, что мы знаем о различных частицах, почерпнуто из «пунктирных следов», оставленных ими в различного рода регистрирующих устройствах. Такие следы возникают при бомбардировке частицами мишеней в ускорителях. С другой стороны, в ускорителях бомбардирующие частицы приобретают огромную энергию, и можно было бы заключить, что эта энергия превращается в массу. Можно ли считать рождающуюся таким образом массу подлинной реальностью или перед нами обманчивое ощущение, рожденное нашими ненадежными и поверхностными чувственными восприятиями? Если не вдаваться в подробности, то массу заведомо следует считать статистическим эффектом.

Как видим, понимание структуры атома имеет первостепенное значение для физики, но оно приносит поистине неоценимую пользу и химии, и биологическим исследованиям. Возможно, биохимии удастся раскрыть секреты жизни и наследственности и тем самым укрепить здоровье человека и продлить его жизнь. Как бы то ни было, можно с уверенностью сказать, что исследования природы атома оказались весьма плодотворными.

Для нас наиболее существенно было понять, что наши модели структуры атома не физические. Они от начала и до конца математические. Математика позволяет открыть и установить порядок там, где царил хаос. По словам Дирака и Гейзенберга, непротиворечивое математическое описание природы - путь к истине в физике. Необходимость наглядного представления или физического объяснения - не более чем пережиток классической физики.

Наука

Квантовая физика работает с изучением поведения самых маленьких вещей в нашей Вселенной: субатомных частиц. Это относительно новая наука, лишь в начале 20 века она стала таковой после того, как физиков стал интересовать вопрос, почему они не могут объяснить некоторые эффекты радиации. Один из новаторов того времени Макс Планк (Max Planck) при исследовании крошечных частиц с энергией использовал термин "кванты", отсюда и пошло название "квантовая физика". Планк отметил, что количество энергии, содержащейся в электронах, не является произвольным, а соответствует стандартам "квантовой" энергии. Одно из первых результатов практического применения этого знания стало изобретение транзистора.

В отличие от негибких законов стандартной физики, правила квантовой физики можно нарушать. Когда ученые полагают, что имеют дело с одним из аспектов исследования материи и энергии, появляется новый поворот событий, что напоминает им о том, как непредсказуема бывает работа в этой области. Тем не менее, они, даже если не полностью понимают происходящее, могут использовать результаты своей работы для разработки новых технологий, которые порой могут быть названы не иначе, как фантастическими.

В будущем, квантовая механика сможет помочь сохранить военные секреты, а также обеспечить безопасность и защитить ваш банковский счет от кибер-воров. Ученые в настоящее время работают на квантовых компьютерах, возможности которых выходят далеко за пределы обычного ПК. Разделенные на субатомные частицы, предметы в мгновение ока легко могут быть перенесены с одного места на другое. И, возможно, квантовая физика сможет дать ответ на самый интригующий вопрос относительно того, из чего состоит вселенная и как зародилась жизнь.

Ниже представлены факты, как квантовая физика может изменить мир. Как сказал Нильс Бор (Niels Bohr): "Тот, кто не шокирован квантовой механикой, просто еще не понял принцип ее работы".

Управление турбулентностью

Вскоре, возможно, благодаря квантовой физике, можно будет устранить турбулентные зоны, из-за которых вы проливаете сок в самолете. Путем создания квантовой турбулентности в ультрахолодных атомах газа в лаборатории, бразильские ученые, возможно, поймут работу турбулентных зон, с которыми сталкиваются самолеты и лодки. На протяжении веков, турбулентность ставила в тупик ученых из-за трудности ее воссоздания в лабораторных условиях.

Турбулентность вызывается сгустками газа или жидкости, но в природе кажется будто она формируется хаотично и формируется неожиданно. Хотя турбулентные зоны могут образовываться в воде и в воздухе, ученые обнаружили, что они также могут формироваться и в условиях ультрахолодных атомов газа или в среде сверхтекучего гелия. При помощи изучения этого явления в контролируемых лабораторных условиях, ученые в один прекрасный день смогут точно предсказывать место появления турбулентных зон, и, возможно, контролировать их в природе.

Спинтроника

Новый магнитный полупроводник, разработанный в Массачусетском технологическом институте, может привести к появлению еще более быстрого энергоэффективного электронного устройства в будущем. Называемая «спинтроника», эта технология использует спиновое состояние электронов для передачи и хранения информации. В то время, как обычные электронные схемы используют только зарядовое состояние электрона, спинтроника пользуется преимуществами спинового направления электрона.

Обработка информации с помощью схем спинтроники позволит данным накапливаться сразу с двух направлений одновременно, что так же уменьшит размер электронных схем. Этот новый материал внедряет электрон в полупроводник на основе его спиновой ориентации. Электроны проходят через полупроводник и становятся готовыми быть спин-детекторами на стороне выхода. Ученые утверждают, что новые полупроводники могут работать при комнатной температуре и являются оптически прозрачными, что означает возможность работы с сенсорными экранами и солнечными батареями. Они также полагают, что это поможет изобретателям придумать еще более многофункциональные устройства.

Параллельные миры

Вы никогда не задумывались о том, какой бы была наша жизнь, если у нас была возможность путешествовать во времени? Вы бы убили Гитлера? Или присоединились бы к римским легионам для того, чтобы увидеть древний мир? Тем не менее, пока мы все фантазируем на тему, чтобы мы сделали, если бы у нас была возможность вернуться в прошлое, ученые из калифорнийского университета Санта-Барбары уже очищают путь к восстановлению обид прошлых лет.

В эксперименте 2010 года ученым удалось доказать, что объект может одновременно существовать в двух разных мирах. Они изолировали крошечных кусочек металла и в специальных условиях обнаружили, что он двигался и стоял на месте одновременно. Однако, кто-то может посчитать это наблюдение бредом, вызванным переутомлением, все же физики говорят, что наблюдения за объектом действительно показывают, что он распадается во Вселенной на две части – одну из них мы видим, а другую нет. Теории параллельных миров в один голос говорят о том, что абсолютно любой объект распадается.

Сейчас ученые пытаются выяснить, как можно "перепрыгнуть" момент распада и войти в тот мир, который нам не видим. Это путешествие в параллельные вселенные во времени теоретически должно работать, поскольку квантовые частицы движутся и вперед, и назад во времени. Теперь, все, что ученые должны сделать – это построить машину времени с помощью квантовых частиц.

Квантовые точки

В скором времени, квантовые физики смогут помочь докторам обнаруживать раковые клетки в организме и точно определять, куда они распространились. Ученые обнаружили, что некоторые мелкие полупроводниковые кристаллы, называемые квантовыми точками, могут светиться под воздействием ультрафиолетового излучения, а также их удалось сфотографировать при помощи специального микроскопа. Затем их соединили с особым, «привлекательным» для раковых клеток материалом. При попадании в организм светящиеся квантовые точки притягивались к раковым клеткам, показывая тем самым, врачам, где именно искать. Свечение продолжается достаточно длительное время, и для ученых процесс настройки точек под характеристики конкретного вида рака относительно несложен.

Хотя высокотехнологичная наука, безусловно, несет ответственность за многие медицинские достижения, человек на протяжении веков зависим от многих других средств борьбы с заболеванием.

Молитва

Трудно представить себе, что может быть общего между коренным американцем, целителем-шаманом и пионерами квантовой физике. Однако, между ними все же есть нечто общее. Нильс Бор, один из ранних исследователей этой странной области науки, полагал, что многое из того, что мы называем реальностью зависит от "эффекта наблюдателя", то есть связь между тем, что происходит, и как мы это видим. Эта тема породила развитие серьезных дебатов между специалистами квантовой физики, однако, эксперимент, проведенный Бором более полувека назад, подтвердил его предположение.

Все это означает, что наше сознание влияет на реальность и может изменить ее. Повторяющиеся слова молитвы и ритуалы церемонии шамана-целителя могут быть попытками изменить направление "волны", которая создает реальность. Большинство обрядов проводятся также в присутствии многочисленных наблюдателей, указывая на то, что чем больше "волн исцеления" исходит от наблюдателей, тем мощнее они оказывают воздействие на реальность.

Взаимосвязь объектов

Взаимосвязь объектов может в дальнейшем оказать огромное влияние на солнечную энергию. Взаимосвязь объектов подразумевает квантовую взаимозависимость атомов, разделенных в реальном физическом пространстве. Физики полагают, что взаимосвязь может образоваться в части растений, ответственных за фотосинтез, или преобразование света в энергию. Структуры, ответственные за фотосинтез, хромофоры, могут превращать 95 процентов получаемого света в энергию.

Сейчас ученые изучают, как эта взаимосвязь на квантовом уровне может повлиять на создание солнечной энергии в надежде создания эффективных естественных солнечных элементов. Специалисты также обнаружили, что водоросли могут использовать некоторые положения квантовой механики для перемещения получаемой от света энергии, а также сохранять ее в двух местах одновременно.

Квантовые вычисления

Другой не менее важный аспект квантовой физики может быть применен в компьютерной сфере, где особый тип сверхпроводящего элемента дает компьютеру беспрецедентную скорость и силу. Исследователи объясняют, что элемент ведет себя как искусственные атомы, поскольку они могут только либо получить, либо потерять энергию путем перемещения между дискретными уровнями энергии. Самый сложный по строению атом обладает пятью уровнями энергии. Эта сложная система («кудит») обладает значительными преимуществами по сравнению с работой предыдущих атомов, у которых было лишь два уровня энергии («кубит»). Кудиты и кубиты это часть битов, используемых в стандартных компьютерах. Квантовые компьютеры в своей работе будут использовать принципы квантовой механики, что позволит им выполнять вычисления гораздо быстрее и точнее по сравнению с традиционными компьютерами.

Существует, однако, проблема, которая может возникнуть, если квантовые вычисления станут реальностью – криптография, или кодирование информации.

Квантовая криптография

Вся информация, начиная от номера вашей кредитной карты и заканчивая сверхсекретными военными стратегиями, есть в сети интернета, а квалифицированный хакер с достаточным количеством знаний и мощным компьютером может опустошить ваш банковский счет или подвергнуть мировую безопасность угрозе. Специальная кодировка держит эту информацию под секретом, а компьютерные специалисты постоянно работают над созданием новых, более безопасных методов кодирования.

Кодирование информации внутри отдельной частицы света (фотон) уже давно является целью квантовой криптографии. Казалось, что ученые университета Торонто уже очень близко подошли к созданию этого метода, поскольку им удалось закодировать видео. Шифрование включает в себя строки из нулей и единиц, которые и являются «ключом». Добавление ключа один раз кодирует информацию, добавление его повторно, декодирует ее. Если постороннему человеку удается получить ключ, то информация может быть взломана. Но даже если ключи будут использованы на квантовом уровне, уже сам факт их применения будет наверняка подразумевать наличие хакера.

Телепортация

Это научная фантастика, не более. Однако, она была осуществлена, но только не с участием человека, а с участием больших молекул. Но в этом то и заключается проблема. Каждая молекула в организме человека должна быть отсканирована с двух сторон. Но это вряд ли произойдет в ближайшее время. Есть еще одна проблема: как только вы сканируете частицу, по законам квантовой физики, вы меняете ее, то есть у вас нет возможности сделать ее точную копию.

Вот где проявляется взаимосвязь объектов. Она связывает два объекта так, будто они являются единым целым. Мы сканируем одну половину частицы, а телепортируемая копия будет сделана другой половиной. Это будет точная копия, поскольку мы не измеряли саму частицу, мы измеряли ее двойника. То есть частица, которую мы измерили, будет разрушена, но ее точная копия реанимирована ее двойником.

Частицы Бога

Ученые используют очень огромное свое творение – большой адронный коллайдер – для того, чтобы исследовать нечто крайне маленькое, но очень важное – фундаментальные частицы, которые, как полагаются, лежат в основе зарождения нашей Вселенной.

Частицы Бога – это то, что, как утверждают ученые, дает массу элементарным частицам (электронам, кваркам и глюонам). Специалисты считают, что частицы Бога должны пронизывать все пространство, но до сих пор существование этих частиц не доказано.

Обнаружение этих частиц помогло бы физикам понять, как Вселенная оправилась после Большого Взрыва и превратилась в то, что нам известно о ней сегодня. Это также помогло бы объяснить, как вещество балансирует с антивеществом. Короче говоря, выделение этих частиц поможет объяснить все.

К наиболее важным фундаментальным концепциям физического описания природы относятся пространство, время, движение и материя .

В современной физической картине мира окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, зависимость их от материи . Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном пространственно-временном континууме.

Меняется представление о движении , которое становится лишь частным случаем физического взаимодействия. Известно четыре вида фундаментальных физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Они описываются на основе принципа близкодействия, взаимодействия, передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме (300 000 км/с).

1. Корпускулярно – волновой дуализм материи. Квантово-полевая картина мира. Материя – это философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них – это философское определение материи.

В классическом естествознании различают два вида материи: вещество и поле. По современным представлениям признано существование еще одного вида материи – физический вакуум.

В классической механике Ньютона в качестве вещественных образований выступает материальная частица малых размеров – корпускула, часто называемая материальной точкой и физическое тело, как единая система корпускул, каким-то образом связанных между собой. Конкретные формы этих вещественных образований по классическим представлениям – песчинка, камень, вода и т.п.

В девятнадцатом веке с появлением представлений об электромагнитном поле началось новая эра в естествознании.

Датский физик Эрстед (1777 – 1851) и французский физик Ампер (1775 – 1836) показали на опыте, что проводник с электрическим током порождает эффект отклонения магнитной стрелки. Эрстед предположил, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое является вихревым. Ампер заметил, что магнитные явления происходят тогда, когда по электрической цепи течет ток. Появилась новая наука – электродинамика.

Английский физик Фарадей (1791 – 1867) открыл явление электромагнитной индукции – возникновение тока в проводнике вблизи движущегося магнита.

Основываясь на открытиях Фарадея в области электромагнетизма, английский математик и физик Максвелл (1831 – 1879) вводит понятие электромагнитного поля.

Согласно теории Максвелла, каждая заряженная частичка окружена полем – невидимым ореолом, оказывающим воздействие на другие заряженные частицы, находящиеся поблизости, т.е. поле одной заряженной частицы действует на другие заряженные частицы с некоторой силой.

Теория электромагнитного поля ввела новое представление, что электромагнитное поле реальность, материальный носитель взаимодействия. Мир постепенно стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электрического поля.

2. Квантовая механика. На исходе третьего десятилетия ХХ века классическая физика пришла к затруднениям в описании явлений микромира. Появилась необходимость разработки новых методов исследования. Возникает новая механика – квантовая теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц.

В 1901 г. немецкий физик Макс Планк (1858 – 1947) при исследовании теплового излучения пришел к выводу, что в процессах излучения энергия излучается или поглощается не непрерывно, а лишь малыми порциями – квантами, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте испускаемого излучения: Е= hy, где y – частота света, h – постоянная Планка.

В 1905 г. Эйнштейн применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света.

Квантовая теория вещества и излучения получила подтверждение в экспериментах (фотоэффект), обнаруживших, что при облучении твердых тел светом, из них выбиваются электроны. Фотон ударяется об атом и выбивает из него электрон.

Эйнштейн объяснил этот так называемый фотоэффект на основе квантовой теории, доказав, что энергия, необходимая для освобождеия электрона зависит от частоты света. (светового кванта), поглощаемого веществом.

Было доказано, что свет в опытах по дифракции и интерференции проявляет волновые свойства, а в экспериментах по фотоэффекту - корпускулярные, т.е. может вести себя и как частица и как волна, значит обладает дуализмом.

Представления Эйнштейна о квантах света привели к идее о «волнах материи», это послужило основой развития теории корпускулярно-волнового дуализма материи.

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль (1892- 1987) пришел к выводу, что сочетание волновых и корпускулярных свойств является фундаментальным свойством материи. Волновые свойства присущи всем видам материи (электронам, протонам, атомам, молекулам, даже макроскопическим телам).

В 1927 г. американскими учеными Дэвисом и Джермером и независимо от них П.С. Тартаковским были обнаружены волновые свойства электронов в экспериментах по дифракции электронов на кристаллических структурах. Позже были обнаружены волновые свойства и у других микрочастиц (нейтронов, атомов, молекул). На основе системы формул волновой механики были предсказаны и открыты новые элементарные частицы.

Современная физика признала корпускулярно-волновой дуализм материи. Любой материальный объект проявляется и как частица и как волна в зависимости от условий наблюдения.

С развитием теории физического вакуума, определение материи дополняется. Современное определение материи: материя – это вещество, поле и физический вакуум.

Теория физического вакуума находится на стадии разработки, природа вакуума до конца не исследована, но известно, что ни одна материальная частица не может существовать без присутствия вакуума, это среда, в которой она существует и из которой появляется. Вакуум и вещество неразделимы.

3. Принципы современной физики. В 1925 г. швейцарский физик В. Паули (1900-1958) обосновал принцип: в любой квантовой системе (атом) 2 или более электронов не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии (на одном энергетическом уровне или на одной орбите). Принцип Паули определяет закономерности заполнения электронных оболочек атомов, периодичность их химических свойств, валентность, реакционную способность. Это фундаментальный закон природы.

В 1924 г. Н. Бор сформулировал принцип дополнительности : ни одна теория не может описать объект столь исчерпывающим образом, чтобы исключить возможность альтернативных подходов. Примером служит решение ситуации корпускулярно-волнового дуализма материи. «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

В 1927 г. немецкий физик В. Гейзенберг сформулировал знаменитый принцип неопределенностей. Смысл, которого в том, что невозможно одновременно осуществить измерение и координаты и скорости (импульса) частицы . Никогда нельзя одновременно знать где находится частица и как быстро и в каком направлении она движется.

Соотношение неопределенностей выражает невозможность наблюдать микромир, не нарушая его. Пример: если в эксперименте нужно установить координату частицы с известной скоростью, ее необходимо осветить, т.е. направить пучок фотонов, однако фотоны сталкиваясь с частицами передадут им часть энергии и частица начнет двигаться с новой скоростью и в новом направлении. Наблюдатель-экспериментатор вмешиваясь в систему, внедряясь в нее со своими приборами, нарушает текущий порядок событий.

Основная идея квантовой механики состоит в том, что, в микромире определяющим является представление о вероятности событий. Предсказания в квантовой механике имеют вероятностный характер, невозможно точно предсказать результат эксперимента, можно рассчитать только вероятность различных исходов опыта.

С позиций физики, на микроуровне господствуют статистические закономерности , на макроуровне динамические законы . Философское осмысление принципа неопределенностей показывает, что случайность и неопределенность фундаментальное свойство природы и присуще и микромиру и макромиру – миру деятельности человека.

4. Элементарные частицы и силы в природе. Сегодня выделяют 4 уровня организации микромира: молекулярный, атомный, протонный (нуклонный) и кварковый.

Элементарными называют такие частицы, которые на современном уровне развития науки нельзя считать соединением других, более простых.

Различают реальные частицы – их можно фиксировать с помощью приборов и виртуальные – возможные, о существовании которых можно судить лишь опосредованно.

Аристотель считал вещество непрерывным, то есть любой кусок вещества можно дробить до бесконечности. Демокрит считал, что материя имеет зернистую структуру, и что все в мире состоит из различных атомов, которые абсолютно неделимы.

Крушение существовавших до конца 19 века представлений об абсолютной неделимости атома началось с открытия в 1897 г. английским физиком Дж. Томсоном простейшей элементарной частицы материи – электрона , которые вылетали из атома. В 1911 г. английский физик Эрнст Резерфорд доказал, что атомы вещества обладают внутренней структурой: они состоят из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов.

Сначала предполагали, что ядро атома состоит из положительно заряженных частиц, которые назвали протонами . В 1932 г. Джеймс Чэдвиг обнаружил, что в ядре есть еще другие частицы – нейтроны , масса которых равна массе протона, но которые не заряжены.

В 1928 г. физиком–теоретиком П. Дираком была предложена волновая теория электрона, основанная на его корпускулярно-волновой природе. Согласно корпускулярно-волновой теории, частицы могут вести себя подобно волне. Одна из посылок этой теории заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как электрон , но с положительным зарядом. Такая частица была обнаружена и была названа позитроном . Из теории Дирака также следовало, что позитрон и электрон, взаимодействуя между собой (реакция аннигиляции ), образуют пару фотонов , т.е. квантов электро-магнитного излучения. Позитрон и электрон двигаются по одной орбитали. Сталкиваясь, они превращаются в кванты излучения.

В 60-х годах ХХ века протоны и нейтроны считались элементарными частицами. Но оказалось, что протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц. В 1964 г. американские ученые М. Гелл-Манн и Д. Цвейг независимо друг от друга выдвинули сходную гипотезу существования «субчастиц». Гелл-Манн назвал их кварками . Название взял из стихотворной строки (Джойс «Поминки по Финегану»).

Известно несколько разновидностей кварков; предполагают, что существует шесть ароматов, которым отвечают: верхний (u ), нижний (d ), странный, очарованный, прекрасный, t - кв … Кварк каждого аромата может иметь один из трех цветов – красный, желтый и синий, хотя это всего лишь обозначение.

Кварки отличаются друг от друга по величине заряда и по квантовым характеристикам. Например, нейтрон и протон составляются каждый из трех кварков: протон – из uud , с зарядом +2/3 +2/3 -1/3 = 1;

нейтрон – из udd , с зарядом +2/3 -1/3 -1/3 = 0.

Каждый кварк по закону симметрии имеет антикварк.

Квантовой характеристикой является спин: S = 0; S= 1; S = 2; S = ½.. Спин очень важная квантовая характеристика элементарной частицы, не менее важная, чем заряд или масса.

В 2008 г. в Европе совместными усилиями физиков многих стран построен андронный колайдер, в результате действий которого, возможно получение сведений об «исходных кирпичиках», из которых построено вещество в природе.

5. Фундаментальные физические взаимодействия. В первой половине ХХ века физика изучала материю в двух ее проявлениях – вещество и поле. Причем кванты полей и частицы вещества подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом.

Частицы вещества являются ферми -частицами (фермионами ). Все фермионы имеют полуцелое значение спина – ½. Для частиц с полуцелым значением спина справедлив принцип Паули, согласно которому, две тождественные частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.

Все кванты полей являются бозе-частицами (бозонами). Это частицы с целым значением спина. Системы тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна. Принцип Паули для них не справедлив: в одном состоянии может находиться любое число частиц. Бозе- и ферми- частицы рассматриваются как частицы, имеющие различную природу.

По современным представлениям, взаимодействие любого типа без посредника не протекает, оно должно иметь своего физического агента. Притяжение или отталкивание частиц передается через среду, их разделяющую, такой средой является вакуум. Скорость передачи взаимодействия ограничена фундаментальным пределом – скоростью света.

В квантовой механике предполагается, что все силы или взаимодействия между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0, 1, 2 (бозе-частицами, бозонами). Это происходит следующим образом, частица вещества (фермион), например электрон или кварк испускает другую частицу, которая является переносчиком взаимодействия, например, фотон. В результате отдачи скорость частицы вещества (фермиона) меняется. Частица переносчик (бозон) налетает на другую частицу вещества (фермион) и поглощается ею. Это соударение меняет скорость второй частицы.

Частицы-переносчики (бозоны), которыми обмениваются частицы вещества (фермионы) называются виртуальными, потому что в отличие от реальных их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора частиц, так как они существуют очень короткое время.

Итак, вокруг частицы вещества (фермиона) создается поле, порождающее частицы – бозоны. Две реальные частицы оказавшись в радиусе действия однотипных зарядов начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный другой частицей-партнером и наоборот.

Частицы переносчики можно классифицировать на 4 типа в зависимости от величины переносимого взаимодействия и от того с какими частицами они взаимодействовали. Таким образом, в природе существуют четыре вида взаимодействия.

Гравитационная сила.

Это самое слабое из всех взаимодействий. В макромире оно проявляет себя тем сильнее, чем больше массы взаимодействующих тел, а в микромире оно теряется на фоне более могучих сил.

В квантово-механическом подходе к гравитационному полю, считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами материи переносится частицей со спином 2 , которая называется гравитоном . Гравитон не обладает собственной массой и переносимая им сила является дальнодействующей.

Электромагнитные силы .

Действуют между электрически заряженными частицами. Благодаря электромагнитным силам возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой электромагнитные взаимодействия.

Согласно квантовой электродинамике, заряд создает поле, квантом которого служит безмассовый бозон со спином равным 1 - фотон. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон.

Электормагнитные силы гораздо сильнее гравитационных. Эти силы могут проявляться и как притяжение и как отталкивание, в отличие от гравитационных, которые проявляются только как притяжение.

Слабое взаимодействие .

Это третье фундаментальное взаимодействие существует только в микромире. Оно отвечает за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества со спином ½, но в нем не участвуют частицы-бозоны со спином 0, 1, 2 – фотоны и гравитоны.

Радиоактивный распад вызывается превращением внутри нейтрона кварка аромата d в кварк аромата u, (протон превращается в нейтрон, позитрон в нейтрино), меняется заряд частиц. Испускаемое нейтрино обладает огромной проницающей способностью – оно проходит через железную плиту толщиной миллиард километров. За счет слабого взаимодействия светит Солнце.

Сильное взаимодействие.

Сильные взаимодействия представляют собой взаимное притяжение составных частей ядра атома. Они удерживают кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри ядра. Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать теплоту и свет за счет ядерной энергии.

Сильное взаимодействие проявляется в ядерных силах. Они были открыты Э. Резерфордом в 1911 г. одновременно с открытием атомного ядра. Согласно гипотезе Юкавы, сильные взаимодействия состоят в испускании промежуточной частицы – пи-мезона – переносчика ядерных сил, а также другие мезоны, найденные позже (масса мезонов в 6 раз меньше массы нуклонов). Нуклоны (протоны и нейтроны) окружены облаками мезонов. Нуклоны могут приходить в возбужденные состояния – барионные резонансы, и обмениваться при этом иными частицами (мезонами).

Мечтой современных физиков является построить теорию большого объединения , которая объединяла бы все четыре взаимодействия.

Сегодня физики считают, что они могут создать эту теорию на основе теории суперструн. Эта теория должна объединить все фундаментальные взаимодействия при сверхвысоких энергиях.

Вопросы:

Как были доказаны корпускулярные и волновые свойства вещества?

Что изучает квантовая механика и почему она так называется?

Что такое вакуум и что значит «возбужденный вакуум»?

Что такое принцип дополнительности?

Что такое принцип неопределенности?

Охарактеризовать принцип симметрии.

Как связаны принципы симметрии и законы сохранения физических величин?

Каково значение принципа суперпозиции в квантовой механике?

В чем специфика отношения прибор-объект в квантовой механике?

Дать определение материи по современным представлениям.

Чем вещество отличается от поля?

Из чего состоят протоны и нейтроны?

Какие фундаментальные взаимодействия в настоящее время объединены?

Литература:

Дубнищева Т.Я. КСЕ. 2003. – С. 238-261. С. 265-309.

Горелов А.А. КСЕ. – 2004. – С. 79-94

Игнатова В.А. Естествознание. 2002. – С.110-125..

Гейзенберг В. Шаги за горизонт. – М. – 1987.

Ландау Л.Д. и др. Курс общей физики. – М: Наука, 1969. – С.195-214.

Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. М. – 1995.

Линднер Г. Картины современной физики. – М. – 1977.

СОВРЕМЕННАЯ ХИМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА