4.3. Концепции и принципы квантового естествознания

Становление квантовых концепций. В конце XIX века состоялись открытия в разных областях физики, которые в дальнейшем послужили фундаментом при создании новой, квантовой физики. Каждое из этих открытий являлось само по себе замечательным событием в истории науки и достойно отдельного описания, поскольку этими открытиями и теориями продолжал развиваться и разрастаться уже отмеченный нами этап неклассического естествознания и неклассической науки в целом.

В 1895 году В. К. Рентген (1845-1923), занимаясь исследованием катодных лучей, обнаружил неизвестные

169

лучи, способные проникнуть через непрозрачные (для обычного, оптического диапазона света) тела. Новые лучи Рентген назвал Х-лучами. Сейчас мы знаем, что Х-лучи (рентгеновские лучи) это не что иное, как самые обычные электромагнитные волны, но с длиной волны значительно меньшей, чем у видимого света.

В марте 1896 года (прошло всего несколько месяцев после открытия Рентгена) французский физик Анри Беккерель (1832-1908) сообщил об обнаружении им новых таинственных лучей, которые образуются в солях урана. Как станет ясно позднее, эти лучи возникают при радиоактивном распаде урана, т. е. Беккерель нашел не просто какие-то новые лучи, а обнаружил неизвестное до тех пор явление природы — радиоактивность.

В 1897 году выдающийся английский физик Джон Том-сон (1856-1940) обобщил все, что было известно к тому времени о катодных лучах, и пришел к выводу, что эти лучи — поток отрицательно заряженных частиц, которые были названы электронами. Электрон был, по существу, первой открытой элементарной частицей. Очень важная физическая характеристика — заряд электрона, была экспериментально определена только в 1912-1917 годах в работах американского физика Миллекена. Все известные к сегодняшнему дню электрические заряды других частиц оказываются всегда кратными заряду электрона.

Выдающиеся открытия в конце XIX — начале XX века привели к существенному изменению представлений о пространстве и времени, о материи, ее структуре и свойствах. В результате указанных фундаментальных открытий (открытие радиоактивности и электрона, построение специальной теории относительности, взаимосвязи массы и энергии, периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева) рушились прежние представления

170

об атоме, главном объекте исследований того времени, как первом и неделимом кирпичике мироздания, введенном еще Демокритом в античное время.

Исследования в области оптики, а более конкретно, изучение спектров излучения в конце XIX века, также в конечном итоге приблизили ученых к пониманию строения атома.

Важным этапом на пути к квантовой физике было возникновение понятия кванта света. В 1900 году немецкий физик Макс Планк для решения проблемы излучения абсолютно черного тела выдвинул гипотезу о том, что энергия света излучается не непрерывно (согласно электромагнитной теории), а отдельными порциями — квантами. Величина кванта энергии Е пропорциональна частоте излучения. Вот знаменитая формула Планка для энергии излучения кванта: — постоянная Планка (относится к мировым, фундаментальным константам), v — частота света, Е — энергия кванта.

«Введение гипотезы квант равносильно крушению классической теории, а не простому ее видоизменению...», — говорил Планк.

Таинственная постоянная Планка h постепенно про никла во все разделы физики и химии. Роль открытия Планка постепенно была оценена всеми физиками. Вот какую оценку этой гипотезе дал А. Эйнштейн: «Откры тие Планка стало основой всех исследований в физике XX века и с тех пор почти полностью обусловило ее раз витие... Больше того, оно разрушило остов классической механики и электродинамики и поставило пред наукой задачу: найти новую познавательную основу для всей физики».

Такой основой стала квантовая механика, до создания которой оставалось чуть больше двадцати лет.

171

Принципы квантового естествознания. Первый, но основополагающий и один из самых фундаментальных, шаг на пути зарождения квантовой механики как новой физической теории был сделан французским физиком Луи де Бройлем (1892-1987) в 1923 году, когда он в докторской диссертации выдвинул гипотезу о волновых свойствах материи. Задача, которую поставил перед собой де Бройль, состояла в том, чтобы материальной частице с массой т, движущейся со скоростью v, приписать некоторый волновой процесс, т. е. частице ставилась в соответствие волна, обладающая некоторой длиной волны де Бройля которая определялась знаменитой формулой де Бройля:

где h — постоянная Планка.

Развивая идею де Бройля о том, что всем микрочастицам соответствуют волны, великий австрийский физик Эрвин Шредингер (1887-1961) ввел в 1926 году дифференциальное уравнение с частными производными для так называемой — функции, описывающей форму воли де Бройля. Введенная Шредингером функция задает амплитуду волн материи (волн де Бройля), изменяющихся от точки к точке и от одного момента времени к другому. Возникает естественный вопрос о физической природе волн.

Сначала физики полагали, что волны материи представляют собой реальные колебания, связанные с частицами. В частности, квадрат волновой функции электрона в атоме, на самом деле, описывает электрон не в виде частицы, а в виде электронного облака с различной плотностью в разных точках пространства. «Размазанность» электрона в пространстве не устраивала многих физиков, и тогда известный немецкий физик-теоретик Макс Борн

172

(1882-1970) в том же 1926 году предложил вероятностную интерпретацию волновой функции. Вместо того чтобы рассматривать электрон как распределенный в некотором пространственном облаке, Борн интерпретировал квадрат — функции как плотность вероятности обнаружить электрон как частицу в той или иной точке пространства. Вероятностная интерпретация Борна хотя и является общепринятой в настоящее время, но уже давно испытывает определенные затруднения при описании явлений микромира, особенно при высоких и сверхвысоких энергиях частиц.

В квантовой механике при описании объекта (частицы) на первый план выступает понятие состояния объекта, отличное от классического понимания. Состояние частицы в классической физике задается координатами и скоростью частицы. В связи с невозможностью одновременного определения координаты и скорости согласно так называемому принципу неопределенности Гейзенберга, отпадает классическое задание состояния с помощью координат и импульсов. Квантовомеханичес-кое состояние задается с помощью набора квантовых чисел. Например, состояние электрона в атоме задается квантовыми числами п, l, т, и где п — главное квантовое число, l — орбитальное квантовое число, т — магнитное квантовре число, — спиновое квантовое число. Первые три квантовых числа имеют прямую связь с известными физическими характеристиками — энергией, моментом импульса и проекцией момента импульса на направление магнитного поля, соответственно. Спиновое квантовое число, или просто спин-частицы — сугубо квантовомеханическая и, даже более, квантово-релятивистская характеристика, отражающая внутренние (имманентные) свойства частицы, т. е. свойства, прису-

173

щие ей по природе. Наши попытки «представить» спин частицы как величину, связанную с вращением частицы вокруг своей оси, наталкиваются на неразрешимые противоречия с теорией относительности. С другой стороны, этот факт подчеркивает то, что в микромире, макромире (и мегамире) могут существовать свои, «непересекающиеся», понятия.

Резюме

Квантовой или волновой механике (физике), созданной в течение нескольких лет в двадцатые годы XX столетия, суждено было стать фундаментом современной физики. Фундаментом, несмотря на то, что представления о частицах, из которых состоит мир, об атомах этого мира стали, с одной стороны, более глубокими и определенными, с другой стороны, стали и остаются «размытыми» и неопределенными, благодаря соотношению неопределенности Гейзенберга и корпускулярно-волновому дуализму де Бройля.

Необычность некоторых положений квантовой механики становится более понятной при сопоставлении, сравнении явлений и процессов, происходящих в микромире, с макроскопическими процессами. Например, длина волны де Бройля для электрона в атоме сопоставима с размерами самого атома, что дает основания говорить об электроне как о частице, так и о волне одновременно. Но, например, пылинка массой в один миллиграмм и движущаяся со скоростью один метр с секунду обладает такой мизерной длиной волны де Бройля, что о пылинке мы говорим только как о частице. Аналогичным образом, сравнивая пылинку и электрон в атоме, можно прийти к выводу (используя соотношение неопределенности Гейзенберга), что у электрона в атоме отсутствует траектория, тогда как у пылинки траектория есть.

174

4.4. Квантово-полевой микромир сильного

и слабого взаимодействий, принципы квантовой

хромодинамики и систематики

элементарных частиц

Идея построения материального мира из элементарных, фундаментальных кирпичиков (объектов) восходит к Демокриту, к его атомной гипотезе. В настоящее время можно дать вполне определенную классификацию элементарных частиц и их взаимодействий. Вместе с частицами существуют и античастицы (впервые предсказанные теоретически великим английским физиком-теоретиком Полем Дираком в 1928 г.). Характерная особенность частиц и античастиц заключается в том, что при их взаимодействии, столкновении происходит их взаимное уничтожение - аннигиляция, сопровождающаяся образованием фотонов. Вероятно, самой первой экспериментально определенной элементарной частицей является электрон, затем физики (с «легкой руки» Планка и Эйнштейна) начали оперировать понятием фотона (кванта электромагнитного поля). В начале XX века, точнее к началу его тридцатых годов, физикам были уже известны (кроме электрона) такие элементарные частицы, как протон, нейтрон и позитрон. Для построения атома и его ядра как неких структур вполне, казалось бы, достаточно трех частиц — протона, нейтрона и электрона. По существу, так оно и есть, ядро атома состоит из протонов и нейтронов, а электроны занимают определенные энергетические состояния вблизи ядра, которые впервые рассчитал еще в 1913 году Нильс Бор. Но, очевидно, природа атома и элементарных частиц не такая простая, как нам этого хотелось бы. И в настоящее, время семейство элементарных частиц (с учетом очень короткоживущих — так называемых резонан-

175

сов) насчитывает большее число, чем количество химических элементов в таблице Д. И. Менделеева (а их сейчас открыто 118). Очевидно, что слово «элементарная» частица в настоящее время имеет совсем другой смысл, чем в годы, когда были известны только фотон, электрон, протон и нейтрон. Сегодня элементарные частицы подразделяют на 3 класса: адроны (адроны включают в себя бари-оны и мезоны, и тогда можно говорить о 4 классах частиц), лептоны и фотон (последний класс частиц, или, наоборот, первый, порядок здесь не важен, содержит только одну частицу, она же античастица себе).

Подразделение элементарных частиц на классы связано с видами взаимодействий, существующих в природе. Всего в природе существует 4 вида взаимодействия, и ниже они представлены по степени убывания их интенсивности.

1. Сильные взаимодействия (осуществляются только среди адронов).

2. Электромагнитные взаимодействия (осуществляются между всеми элементарными частицами, имеющими электрический заряд, и между фотонами, не имеющими электрический заряд, но являющимися переносчиками электромагнитного взаимодействия).

3. Слабые взаимодействия обуславливают медленные распады частиц с участием нейтрино. В «чистом» виде (т. е. без наложения, например, с электромагнитным взаимодействием) слабые взаимодействия существуют только у нейтрино.

4. Гравитационные взаимодействия (притяжение между любыми массами).

Еще на ранних стадиях изучения «элементарных» частиц возникли два вопроса:

1) Какова роль и назначение частиц, кроме протона, нейтрона и электрона (из которых строятся атомы всех химических элементов), в общей картине строения материи?

176

2) Как соотносятся эти частицы с протонами, нейтронами и электронами, следует ли их все рассматривать как элементарные образования?

Определенного, исчерпывающего ответа на эти вопросы нет. Но, тем не менее, сейчас, в начале XXI века, мы имеем достаточно четкую картину об одном, самом крупном классе элементарных частиц — классе адронов.

Адроны, в свою очередь, как уже отмечалось, подразделяются на барионы и мезоны. Барионы в своем составе содержат нуклоны (это протоны и нейтроны, частицы, из которых состоят ядра атомов) и гипероны. Все адроны объединяет то, что они подвержены (или обладают?) сильному взаимодействию. В 1961 году американский физик Мюррей Гелл-Манн и израильский - Ювал Нееман, одновременно, но независимо друг от друга предложили унитарную систематику (систему классификации на основе унитарной группы симметрии SU (3) норвежского математика Софуса Ли) сильновзаимодействующих частиц — адронов, которую Гелл-Манн назвал восьмимерный формализм (термин этот перекликается с понятием восьмеричный путь в буддизме). Эта система группировала адроны и мезоны в мультиплеты по 8, 10, 18 и 27 частиц. Частицы каждого мультиплета считались в таком случае различными состояниями одной и той же элементарной частицы. Идея о такой симметрии частиц восходит к работе В. Гейзенберга, предложившего в конце тридцатых годов считать протон и нейтрон в ядре атома двумя состояниями одной и той же частицы, которая получила название нуклон. Два состояния нуклона отличаются друг от друга новым квантовым числом, названным Гейзен-бергом изотопическим спином, или изоспином. Появились новые квантовые числа и в новой унитарной классификации (см. ниже).

177

Три года спустя, в 1964 г., появилась гипотеза о кварках как самых фундаментальных частиц материи или элементов праматерии. Гипотеза эта была высказана и обоснована все тем же Гелл-Манном и независимо от него Дж. Цвейгом. Название «кварк» было дано этим частицам Гелл-Манном и взято было им из лексики современного фантастического романа широко известного американского писателя Дж. Джойса. Дж. Цвейг предлагал другое название — эйс (от англ. асе — карточный туз или просто туз), но оно не прижилось, победил авторитет Гелл-Манна. В гипотезе Гелл-Манна и Цвейга все барионы могут быть составлены из трех различных кварков, а мезоны из двух — кварка и антикварка. Обозначим символом q кварк, В — барион, М — мезон. Тогда B = (qqq), — антикварк.

Чтобы понять, как возникла гипотеза о существовании кварков, и задать их свойства, необходимо познакомиться с тем, как определяются состояния некоторой микрочастицы. Описать микрочастицу — значит перечислить значения физических величин, ее характеризующих. К числу таких характеристик, как минимум, относятся масса частицы т, электрический заряд Q и спин J. Кроме этого, у адронов есть барионный заряд В, так что обычно всем барионам приписывают В = 1 (антибарионам В = -1), у мезонов В = 0 (у лептонов и у фотона также, естественно, В = 0). Кроме барйонного заряда или числа, примерами других внутренних квантовых чисел могут служить «странность» S, «очарование» (иногда говорят — шарм) С, «красота* Ь (соответственно, от слов strangeness, charm, beauty). Существуют «странные» адроны, у которых ,

и точно также есть «очарованные» и «красивые» адроны, у которых , соответственно. Подобно барион-

ному числу, квантовые числа S, С u b сохраняются (сохра-

178

няется их суммарное число) в реакциях элементарных частиц с участием адронов (но только в процессах, обусловленных сильным и электромагнитным взаимодействиями). Еще есть две характеристики для микрочастиц, это Р — внутренняя четность и С — зарядовая четность (не путайте с очарованием С).

Знание характеристик адронов позволяет осуществить их классификацию и соответствующую классификацию кварков. Из принятой структуры барионов В a (qqq) следует, что каждому кварку нужно приписать барионное число В = +1/3 (соответственно, антикварку — В = -1/3). Для того чтобы получить полуцелый спин у бариона, необходимо, чтобы у кварка спин был равен 1/2. Электрические заряды кварков получаются в соответствии с формулой Гелл-Манна-Нишиджимы, и они оказываются дробными, кратными одной трети от заряда электрона (одно из многих удивительных свойств кварков). Сейчас физики предполагают существование 6 типов («ароматов») кварков. Первая тройка кварков — и, d, s (соответственно от слов up — верхний, down — нижний, strange — странный). Электрический заряд Q у u-кварка равен +2/3, у d- и s-квар-ков Q = -1/3 заряда электрона. Немного позднее, после того как уже появилась гипотеза кварков, в 1965 году, было высказано предположение, что каждый из кварков может быть представлен тремя разновидностями, различающимися особой характеристикой, названной «цветом». Итак, если в природе существует 6 разновидностей кварков и у каждого из них могут быть 3 «цвета», то получается всего 18 разновидностей кварков и столько же антикварков.

В целом адроны являются бесцветными образованиями, в отличие от кварков, несущих цвет. Цвета, которыми обладают кварки, могут быть названы (условно) крас-

179

ный, желтый и синий. Вторая тройка кварков, которые называют тяжелыми кварками, имеет обозначения с, b, t (от слов charm, beauty, truthful или top, соответственно). Последняя тройка кварков по массе резко отличается (в большую сторону) от первой тройки и-, d-, s-кварков. Адроны, построенные из и-, d-, s-кварков, стали известны на ранних этапах изучения микромира (например, протон р — (uud) или' нейтрон п = (udd)). Антикварки тоже обладают цветом, есть также три разновидности их цвета — фиолетовый, оранжевый, зеленый. Таким образом, любой известный ад-рон (барион или мезон) может быть построен сочетанием из 6-ти кварков и антикварков различных цветов.

Для понимания механизма связи кварков в адроны главное значение имеет вопрос о характере сил или взаимодействий между кварками. Как установила квантовая хромо-динамика (наука, изучающая этот круг явлений), взаимодействие между кварками осуществляется глюонами (от англ. glue — клей), виртуальными частицами, которыми обмениваются кварки между собой. Причем разновидностей глюонов может быть восемь. Характер взаимодействия между кварками таков, что с увеличением расстояния между ними обменные силы не уменьшаются, а, наоборот, увеличиваются! Так возникает эффект «долговой ямы» или «пленения» кварков, эффект, получившее название эффекта асимптотической свободы кварков. Эффект этот следует понимать так - чем ближе кварки друг к другу, тем они свободнее! Именно по этой причине или природе, в свободном состоянии не обнаружен ни один кварк, хотя уже более сорока лет ученые не сомневаются в их существовании. Экспериментальным путем установлено, что удерживающий потенциал кварка внутри адрона линейно зависит от расстояния, и, чтобы оторвать кварк от адрона, нужно затратить бесконечно большую энергию.

180

Как об этом упоминалось ранее, другие элементарные частицы — лептоны, не подвержены сильному взаимодействию, они испытывают только электромагнитное и слабое взаимодействия. При определенных энергиях частиц (лептонов) электромагнитное и слабое взаимодействия сливаются, образуя электрослабое взаимодействие. Теория электрослабых взаимодействий была разработана С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и А. Саламом. Для иллюстрации многообразия свойств элементарных частиц и с целью информации о них, приведем таблицы 1 и 2 некоторых лептонов, адронов и кварков, соответственно.

Таблица 2 Характеристики кварков

Интересно напомнить еще раз, что кварков в свободном состоянии не обнаружено, а, согласно квантовой хромоди-намике, в свободном состоянии их и не может быть (таково современное состояние дел в физике элементарных частиц!).

182

Вся необычность свойств объектов микромира (атомов, излучаемых ими электромагнитных волн, света, в том числе, элементарных частиц разной иерархической подчиненности) формирует то, что принято называть неклассической рациональностью. Определенным образом это должно изменять и наше, как правило, классическое мышление, на новое, неклассическое восприятие мира.

Резюме

1. В природе существует множество элементарных частиц, большинство из которых являются нестабильными.

2. Все элементарные частицы можно подразделить главным образом по основному признаку — вид взаимодействия, на 4 класса — фотон, лептоны, барионы и мезоны.

3. Частицы, обладающие сильным взаимодействием, — ад-роны (барионы и мезоны), состоят из 6 типов кварков. Кварки — субъядерные частицы обладающие дробным электрическим зарядом, не существуют в свободном состоянии.

4. Взаимодействие микромира имеет обменный характер, т. е. осуществляется некоторыми виртуальными частицами. Так, сильное взаимодействие между кварками осуществляется глюонами (8 разновидностей), слабое взаимодействие осуществляется векторными бозонами, электромагнитное взаимодействие — виртуальными фотонами, гравитационное взаимодействие — гравитонами.

Вопросы для обсуждения

Прежде следует отметить, что элементарные частицы не являются такими уж «элементарными». Далее, только из малой доли элементарных частиц «сделано» обычное вещество в виде атомов, только протоны, нейтроны и электроны есть в атомах.

183

Это большая загадка природы! Зачем же столько остальных элементарных частиц, которых, с учетом резонансов, несколько сотен разновидностей? Были ли предопределены свойства элементарных частиц в момент «большого взрыва», или все возникло случайно? Есть один аргумент против случайности — антроп-ный принцип, о нем обязательно поговорим в послдней главе. Можно предложить следующие вопросы для обсуждения:

1. Виды взаимодействий в природе и классификация элементарных частиц.

2. Обменный характер взаимодействия в микромире. Виртуальные частицы.

3. Построение адронов (барионов и мезонов) из кварков.

4. Объединение различных взаимодействий, (электромагнитное и слабое = электрослабое; электрослабое и сильное = Великое объединение).

Квантовые числа элементарных частиц