Як квантова фізика змінює світ. Як розібратися в квантовій фізиці Квантова означає дискретна

В історії розвитку фізики було чимало революцій, що кардинально змінювали наукову парадигму та погляди вчених на методи пізнання та устрій світу. Однак те, що сталося з природознавством у першій чверті XX століття, не було черговою зміною основних законів. Якщо раніше все в навколишньому світі було передбачувано, то з появою квантової механіки він став випадковим.

Квантова означає дискретна

У класичній фізиці Ньютона, Галілея і навіть Ейнштейна була одна чудова властивість - всі фізичні величини можна було не тільки виміряти, але й з будь-яким ступенем точності обчислити їхні наступні зміни у часі. Поведінка будь-якої, як завгодно складної, системи та рух тіл будь-якої маси та розміру були в принципі передбачувані. Квантова механіка запропонувала принципово іншу систему законів, керуючих світом. Перші вивчені нею мікрооб'єкти - атоми, електрони та фотони, які категорично не бажали поводитися як класичні, змусили фізиків кардинально змінити методи опису природних явищ.

На початку XX століття у класичному природознавстві виникли великі труднощі з поясненням цілого ряду явищ, починаючи від дискретного характеру оптичних спектрів та устрою атома і закінчуючи тепловим випромінюванням тіл та зовнішнім фотоефектом. Розуміння того, що мікросвіт живе за особливими законами, формувалося поступово і відбувалося з великими труднощами, оскільки дуже незвичайними були ці закони.

Класична фізика оперувала величинами, які могли змінюватися рівномірно і безперервно, приймаючи будь-які скільки завгодно близькі значення. Спроба такого класичного підходу до світу атомів та елементарних частинок зазнала невдачі, і вченим довелося побудувати нову - квантову механіку, яка адекватно описує особливий світ мікроскопічних частинок та змін енергій. У новій теорії багато незвичайного, і з особливостей квантового світу у тому, що його характеристики можуть змінюватися лише дискретним способом, приймаючи ряд фіксованих значень.

Квантові порції

Однією з перших проблем, для вирішення якої знадобилося введення кванта енергії, був розгляд співіснування частинок та полів та побудова теорії теплового випромінювання. Це випромінювання можна відчути не тільки під яскравим літнім сонцем, але і піднісши руку до звичайної лампочки або гарячої праски. Проте спроби пояснити такі звичайні явища у межах класичної теорії виявилися неспроможними.

В 1900 Джон Релей і Джеймс Джинс, використовуючи класичну теорію, розглянули нагріте тіло, в якому електромагнітне поле (хвилі) знаходилося в тепловій рівновазі з частинками. Виявилося, що в цьому випадку поле забирає у частинок всю їхню енергію. Тим самим класична теорія призводила до безглуздого результату: нагріте тіло, безперервно втрачаючи енергію через випромінювання хвиль, має охолонути до абсолютного нуля. Цей фізично абсурдний результат отримав назву "ультрафіолетової катастрофи". Насправді нічого подібного, звичайно, не відбувається. Спостереження показали, що у високих частотах енергія випромінювання не зростає нескінченно, а зменшується до нуля. Максимальне випромінювання при фіксованій температурі посідає певну частоту чи колір.

Прикладами цього можуть бути червоний колір розпеченої кочерги (температура близько 1 000 К) або жовто-білий колір Сонця (близько 6 000 К).

Приватне, здавалося б, питання про випромінювання електромагнітних хвиль нагрітими тілами набуло принципового значення. Класична теорія призводила до результатів, що різко суперечать досвіду. У 1900 році, щоб досягти узгодження теорії з досвідом, Максу Планку довелося відступити від класичного підходу лише в одному пункті. Він використовував гіпотезу, за якою випромінювання електромагнітного поля може відбуватися лише окремими порціями - квантами. Прийнята Планком гіпотеза суперечила класичній фізиці, проте побудована ним теорія теплового випромінювання чудово узгоджувалась з експериментом.

Ефект Комптону

Речовина може не лише випромінювати, а й поглинати електромагнітні хвилі. Процес поглинання, з класичних уявлень, також виявився зовсім зрозумілим. На початку минулого століття вже вміли виготовляти електровакуумні лампи та знали, що при освітленні катода світлом такої лампи відбувається випромінювання електронів. Це явище назвали зовнішнім фотоефектом. Всі спроби описати його на основі класичної теорії, в якій світло розглядалося як електромагнітна хвиля, виявилися безрезультатними. Не вдавалося пояснити основну властивість фотоефекту - той факт, що енергія електронів, що вилітають, визначається тільки частотою падаючого світла і не залежить від його інтенсивності.

У 1905 році, через 5 років після опублікування роботи Макса Планка, для пояснення фотоефекту було застосовано гіпотезу квантів. З того, що світло, як показав Планк, випромінюється порціями (квантами), ще не випливає дискретна (порційна) структура самого світла. Альберт Ейнштейн припустив, що дискретність (розділеність на порції) випромінювання повинна проявлятися не тільки при випромінюванні, але і при поглинанні та розповсюдженні електромагнітних хвиль.

Під натиском експериментальних фактів вчені були змушені запровадити уявлення про світло як про потік частинок. Однак ще на початку ХІХ століття Томас Юнг експериментально довів хвильову природу світла, а наприкінці XIX століття Джеймс Максвелл теоретично обгрунтував, що світло є хвилями, тобто коливаннями електромагнітного поля. Яким чином світло може бути одночасно і частинками, і хвилями? Адже і частка, і хвиля є абсолютно не схожими один на одного. Проте одні експериментальні факти явно вказують на те, що світло – це потік частинок, а інші на те, що світло – це хвилі. Виникло логічне протиріччя: пояснення одних явищ світло необхідно було описувати як хвилі, а пояснення інших - як частинки.

Таким чином, з'ясувалося, що уявлення про «частку» і «хвилю» лише певною мірою відображають реальність. Відкриття двоїстості (дуалізму) якостей світла під час формування нової фізики мало велике значення. Саме спроби пояснити цей дуалізм породили сучасну квантову теорію.

Остаточний доказ існування квантів світла було отримано 1922 року американським фізиком Артуром Комптоном. Його експеримент показав, що розсіювання світла вільними електронами відбувається за законами пружного зіткнення двох частинок - фотону та електрону. Тепер це явище називається ефектом Комптон.

Нестійкий атом

Про те, що існують мінімальні, далі неподільні частинки матерії, говорили ще давні греки. До кінця XIX століття вже майже ніхто з вчених не сумнівався у реальності атомів, але було незрозуміло, як вони влаштовані та з чого складаються. Існувало багато різних гіпотез, але лише у 1911 році, після дослідів англійського фізика Ернеста Резерфорда з обстрілу атомів золота а-частинками, народилася планетарна модель атома. Відповідно до цієї моделі в центрі атома, подібно до маленького сонця, розташовувалося ядро. Навколо ядра, подібно до планет, зверталися електрони, утримувані електромагнітними силами. Планетарна модель дозволила пояснити результати дослідів, але незрозумілим факт існування атома. Відповідно до класичної теорії електрон, що обертається в атомі, має випромінювати електромагнітні хвилі. Випромінювання супроводжується втратою енергії. Втрачаючи енергію, електрон повинен зрештою впасти на ядро, а атом - припинити своє існування.

Вихід із цього «глухого кута» було запропоновано в 1913 році датським фізиком Нільсом Бором. У своїй моделі Бор розглядав електрони як класичні частинки, що рухаються довкола маленького масивного ядра під впливом електричного поля. Проте всупереч законам класичної фізики Бор припустив існування в атомі стаціонарних станів, що не змінюються в часі, кожному з яких відповідає певна енергія. У стаціонарних станах електрон не випромінює. Випромінювання та поглинання світла відбуваються лише в тому випадку, коли атом переходить з одного стану до іншого.

Хвильова гіпотеза Бройля

Спочатку тільки світлу приписувалося таке дивне властивість - бути водночас і хвилею, і часткою. Речовина ж розглядалося як система звичайних точкових частинок. У 1923 році Луї де Бройль висунув гіпотезу про універсальність дуалізму хвиля-частка. Згідно з цим припущенням не тільки фотони, а й електрони, а також будь-які інші частинки мають хвильові властивості. І це стосується як мікроскопічно малих атомів і молекул, так і будь-яких інших макроскопічних об'єктів, що нас оточують.

Основною ознакою хвиль є їхня здатність інтерферувати, тобто складатися і відніматися. Іншими словами, якщо речовина має хвильові властивості, то для неї повинні спостерігатися явища дифракції (огинання хвилями перешкод, що зустрічаються на шляху) і інтерференції (складання і віднімання хвиль).

Прямий експериментальний доказ того, що електрони можуть дифрагувати та інтерферувати, було отримано у 1927 році у дослідах Клінтона Девіссона та Лестера Джемера, а також, незалежно від них, в експериментах Джорджа Томсона. В даний час експериментатори спостерігають інтерференцію та інших частинок, аж до молекул. Так, у 2003 році в Інституті експериментальної фізики Віденського університету була вперше виявлена ​​квантова інтерференція органічних молекул біологічного походження C4444H3 0N4, що містять 44 атоми вуглецю, 30 атомів водню та 4 атоми азоту. У зв'язку з цими експериментами постає питання: чи можлива квантова інтерференція живих істот?

Після висування де Бройлем гіпотези про універсальність дуалізму хвиля-частка та експериментального підтвердження наявності у частинок речовини хвильових властивостей виникли нові принципові проблеми. Стало необхідним поєднати хвильову природу частинок із звичними уявленнями про розміщення (локалізації) частинок у просторі.

Передбачувана псі-функція

Як мовилося раніше, квантові об'єкти істотно від класичних. Досить яскраво ця відмінність видно при проходженні пучка частинок через екран із двома щілинами. Коли на щілини налітають класичні частинки, то кожна проходить свідомо лише через якусь одну щілину і на екрані чітко видно дві незалежні області потрапляння частинок, що пролетіли. Що стосується квантових об'єктів становище виявляється іншим. Квантові частинки (наприклад, електрони) одночасно проходять через обидві щілини, причому цей процес описується методами ймовірності. Явище інтерференції електронів призводить до того, що у екрані спостерігається картина, характерна проходження хвиль, - із великою кількістю максимумів і мінімумів інтенсивності. Квантові частинки (кожна з них) як би відчувають наявність обох щілин. Відбувається не додавання хвиль різних квантових частинок, що пройшли через різні щілини, а інтерференція хвилі кожної з квантових частинок на обох щілинах.

Щоб розраховувати такі явища, квантову частинку стали характеризувати не точними значеннями координат і імпульсів, а деякою пси-функцией - ця комплексна хвильова функція дозволяє описувати властивості частинок і визначати ймовірності тих чи інших подій. Рівняння Шредінгера, якому підпорядковується ця функція, є лінійним диференціальним рівнянням, й у плані поведінка самої пси-функции цілком обчислимо і передбачувано на відміну поведінки описуваних нею квантових об'єктів.

Комбінації з котом

Однією із основ квантової механіки є так званий принцип суперпозиції (накладення). Відповідно до цього принципу, якщо є кілька станів, що відповідають різним хвильовим функціям, то існують стани, що описуються лінійними комбінаціями цих функцій.

Розглянемо умоглядний експеримент із так званим «кітом Шредінгера», який прояснює принцип суперпозиції. Кота поміщають у коробку. У ній, крім кота, знаходиться капсула з отруйним газом (або бомба), яка може вибухнути з 50-відсотковою ймовірністю завдяки радіоактивному розпаду атома плутонію або кванту світла, що випадково залетів. Через деякий час коробка відкривається і з'ясовується, чи живий кіт чи ні. Доки коробка не відкрита (не проведено вимір), кіт перебуває в суперпозиції двох станів: «живий» і «мертвий». Описуючи за допомогою хвильових функцій всю систему (коробку), включаючи кота, Ервін Шредінгер у 1935 році дійшов парадоксального висновку. Складався він у тому, що поряд із станами, що відповідають живому чи мертвому коту, згідно з квантовою механікою, існує й суперпозиція цих станів. Інакше кажучи, має існувати стан, коли кіт «ні живий, ні мертвий» (чи, якщо хочете, - живий і мертвий одночасно). Що стосується навколишніх об'єктів така ситуація виглядає дивно. Однак для елементарних частинок перебування одночасно у двох, здавалося б, взаємовиключних станах цілком природно.

Нещодавно група Джонатана Фрідмана з Нью-Йоркського університету отримала один із доказів того, що законам квантової теорії підвладні не лише елементарні частки, а й макроскопічні об'єкти. Вчені показали, що приблизно так само, як кіт Шредінгера, може поводитися електричний струм у надпровідному кільці. Дослідники досягли такого стану надпровідного кільця, при якому струм по ньому тек одночасно і за годинниковою, і проти годинникової стрілки.

Одним із найважливіших понять квантової теорії поля є уявлення про вакуум. Фізичний вакуум не пусте місце. Якщо полю, що у вакуумному стані, повідомити достатню енергію, відбувається його збудження і народження частинок - квантів цього поля.

Емпірика точних розрахунків

Відкриття універсальності дуалізму хвиля-частка для всього мікросвіту призвело до розуміння того, що протиставлення понять «частка» та «хвиля» не зовсім виправдане. Квантові об'єкти повинні описуватися більш фундаментальними поняттями, а уявлення про «частинку» і «хвилю» лише певною мірою відображають об'єктивну реальність навколишнього світу.

Класичні частинки рухаються певними траєкторіями. Якщо точно відомі координати та імпульси частки у початковий момент часу, то можна визначити значення координат та імпульсів у будь-який наступний момент часу.

Електрон, протон, нейтрон та інші елементарні частинки принципово відрізняються від таких класичних об'єктів, як, наприклад, дробинка або кулька для пінг-понгу. Одне з основних відмінностей у тому, що квантова частка рухається за траєкторії. При цьому неправомірно говорити про одночасні значення її координати та імпульсу. У цьому полягає принцип невизначеності, встановлений Вернером Гейзенбергом 1927 року. Співвідношення невизначеності підкреслює важливе різницю у описі стану системи у класичної і квантової фізики. Стан класичної частки можна описувати за допомогою точного завдання координат та імпульсів. Для квантової частки немає станів, у яких її координати і імпульс мали б одночасно точні значення. При цьому квантова механіка дозволяє встановити, які з фізичних величин, що характеризують систему, можуть одночасно мати певні значення, а які ні.

Діапазон застосування квантової механіки напрочуд широкий. Їй підпорядковується величезна кількість явищ і процесів-поділ атомних ядер та утворення нейтронних зірок, форма хімічних сполук та структура спіралі ДНК, робота напівпровідникових діодів, транзисторів та лазерів.

Для розуміння законів квантового світу не можна спертися на повсякденний досвід. Частинки поводяться як класичні тільки в тому випадку, якщо ми постійно «підглядаємо» за ними, або, більш строго кажучи, безперервно вимірюємо, в якому стані вони знаходяться. Але варто нам «відвернутися» (припинити спостереження), як квантові частинки переходять із цілком певного стану одразу в кілька різних станів. Тобто електрон (або будь-який інший квантовий об'єкт) частково перебуватиме в одній точці, частково – в іншій, частково – у третій тощо. І це зовсім не означає, що він ділиться на частини - інакше якусь частину електрона можна було б ізолювати та виміряти її заряд чи масу. Досвід показує, що після вимірювання електрон завжди виявляється «цілим і неушкодженим» в одній-єдиній точці, незважаючи на те, що до цього встиг побувати одночасно майже скрізь. Такий стан електрона, коли він знаходиться відразу в декількох точках простору, зване суперпозицією квантових станів, зазвичай описують хвильовою функцією, введеною в 1926 році німецьким фізиком Ервіном Шредінгером. Після вимірювання положення частинки її хвильова функція ніби стягується в ту точку, де частка була виявлена, а потім після вимірювання знову починає розпливатися.

Але повернемося до експерименту із двома щілинами. Нагадаємо, що квантова частка проходить одночасно через дві щілини, і на екрані спостерігається інтерференційна картина. При цьому квантова механіка передбачає, що при визначенні (вимірюванні за допомогою будь-якого приладу) того, через яку з двох щілин проходить квантова частка, інтерференційна картина руйнується. Вперше здійснити подібні експерименти дозволили досягнення техніки лазерного охолодження атомних пучків та досягнення останніх років у квантовій оптиці. Так, за допомогою монохроматичного пучка атомів натрію в Університеті міста Констанц (Німеччина) було реалізовано експеримент із двома щілинами. Він показав, що спроба визначити траєкторію атома шляхом розсіювання фотонів призводить до зникнення інтерференційної картини.

Крізь стіни

Імовірнісний характер явищ, що відбуваються в мікросвіті, призводить до того, що іноді може статися навіть те, чого бути не повинно з точки зору класичної фізики. Розглянемо рух частинки у вузькій області, всередині якої потенційна енергія має певне кінцеве значення. У цьому випадку кажуть, що є потенційний бар'єр. Такий потенційний бар'єр можна представляти як кратера з високими стінками. Якщо повна енергія класичної частинки менше висоти потенційного бар'єру, то частинка, що рухається, досягнувши його, не зможе подолати потенційний бар'єр. У квантовій механіці, відповідно до рівняння Шредінгера, хвильова функція частки, що у таких умовах, існує усередині уявного кратера, а й у області за бар'єром. Це означає, що є можливість виявити частинку поза кратером. Виникає цікаве явище - проникнення квантових частинок крізь потенційний бар'єр (крізь стінки), що називається тунельним ефектом.

Тунельний ефект дозволяє пояснити розпад атомних ядер, при якому ядер вилітають а-частки атомів гелію). Відомо, що міцно утримується всередині атомного ядра сильною взаємодією. Поза ядром на а-частинку діють електричні сили відштовхування. Потенційна енергія, залежно від відстані до центру ядра, має вигляд глибокої ями, схожої на кратер. Усередині цієї ями а-частка має енергію, набагато меншу, ніж висота потенційного бар'єру. І а-частинкам якимось чином вдається вибратися з цієї ями. Пояснення такого проникнення частинок через стінки дає тунельний ефект. В результаті середній час життя радіоактивного атомного ядра виявляється хоч і дуже великим, але кінцевим. Наприклад, час життя ядра урану 238 U становить близько 4 млрд років.

Тунельний ефект дозволяє отримати те, що міцно утримується за потенційними бар'єрами. Саме проходженням частинок крізь цей бар'єр пояснюються іонізація атомів у сильному електричному полі та виривання електронів із металу під дією електричного поля. Однак чим більша ширина і висота потенційного бар'єру, тим менша ймовірність проходження через нього.

Саме завдяки тунельному ефекту працюють напівпровідникові діоди Шотки, в яких електричний струм у десятки ампер успішно протікає через тонкий шар діелектрика, який розділяє напівпровідниковий та металевий електроди даного квантового приладу. Причому, як і належить діоду, цей прилад пропускає струм тільки в один бік - туди, де енергія зарядів менша.

Повна подоба

Ми звикли до того, що практично кожен предмет індивідуальний і хоч чимось відрізняється від подібного до нього. А ось про елементарні частинки цього сказати не можна, і різні електрони (як і будь-які однотипні елементарні частинки) мають ту дивовижну особливість, що нічим один від одного не відрізняються. Системи, що складаються з однакових (тотожних) частинок, мають у квантовій механіці особливі властивості. Ці властивості випливають із так званого принципу нерозрізненості тотожних частинок. Уявімо, що ми поміняли місцями два електрони, переставивши один на місце іншого. Оскільки електрони абсолютно тотожні, така перестановка не призведе до жодних змін і не зможе бути виявлена ​​експериментально. Це призводить до специфічної обмінної взаємодії, завдяки якій виникають хімічні зв'язки в молекулах та кристалах.

Ідентичність атомів нашого світила і атомів, що утворюють схожу зірку, що знаходиться на відстані мільярдів світлових років від Землі, дозволяє астрономам робити висновки про влаштування Всесвіту. Більше того, фізики сьогодні виходять не тільки з того, що в різних точках простору діють ті самі закони, але й вважають, що за останні 10 млрд. років електрони (та й решта мікросвіту) були незмінними і тотожними сучасним.

Навіть точка може обертатися

p align="justify"> Отже, побудова квантової теорії почалося з роботи Планка, що висунув гіпотезу про існування дискретних рівнів енергії в рамках класичного підходу. У процесі розвитку квантової механіки виникло рівняння Шредінгера, рішення якого дискретні значення енергії виходять автоматично. Проте експериментальне визначення рівнів енергії атомів показало, що повного збігу з прогнозами теорії немає. Усі рівні, крім основного, розщеплені на ряд дуже близьких підрівнів.

Пояснити цю розбіжність теорії з досвідом вдалося лише з допомогою припущення, зробленого Джорджем Уленбеком і Семюелем Гаудсмітом 1925 року. Вони вирішили, що електрон, як і більшість інших елементарних частинок, має додатковий внутрішній ступінь свободи, названий спином. Наявність спина у квантової частки означає, що в деякому відношенні вона подібна до маленького дзиги, що обертається. Спин може приймати лише цілі та напівцілі значення.

Всі квантові частинки поділяються на два види - ферміони та бозони, залежно від їх спини. Ферміонами називаються частинки, що мають напівціле значення спини. Для цих частинок справедливий принцип, відкритий Вольфгангом Паулі в 1925 році, згідно з яким дві однакові (тотожні) частинки з напівцілим спином не можуть перебувати в тому самому квантовому стані. Бозонами називаються частинки із цілим спином. Принцип Паулі на них не поширюється: в тому самому стані може знаходитися будь-яка кількість частинок. Найвідомішими ферміонами є електрони, а бозонами – фотони. Особливо різко відрізняються один від одного нижчі енергетичні рівні системи бозонів і ферміонів. Ферміони розташовуються рівно по два на кожному енергетичному рівні – один спином нагору, інший вниз. А ось бозони, навпаки, можуть усі разом розташуватися на одному-єдиному нижньому рівні. Саме це явище призводить до надпровідності та надплинності.

Ефект заплутування та ЕПР-парадокс

У процесі становлення квантової картини світу велику роль відіграли не лише реальні дані, а й умоглядні експерименти. Відповідно до запропонованого в 1935 році Ейнштейном, Подільським і Розеном досвіду, проводячи спостереження за однією з двох частинок, що взаємодіяли, експериментатор миттєво змінює параметри іншої, вже далеко відлетіла частинки. Виходить, що квантова система в процесі поділу зберігає зв'язок (ефект заплутування). Парадокс Ейнштейна-Подільського-Розена, або ЕПР, пов'язаний із принциповою «квантовою нелокальністю».

Остаточний дозвіл цього «парадоксу» стався тільки в 1964 році, коли Джон Белл розглянув пару заплутаних квантових частинок, що були в контакті, а потім віддалилися один від одного так, що їх взаємовплив став неможливим. Він показав, що ці частинки проявляють себе так взаємоузгоджено, що це явище не може бути пояснено з погляду класичної теорії. Експерименти з фотонами та іншими частинками багаторазово показали наявність цієї узгодженості, тим самим підтвердивши правильність квантової механіки та нелокальність псі-функції для системи з кількох частинок.

Квантовий факс та ксерокс

Одним із важливих висновків квантової теорії є теорема про нездійсненність копіювання невідомого квантового стану. Відповідно до цієї теореми неможливо, отримавши повну інформацію про невідомий квантовий об'єкт, створити другий, такий самий, об'єкт, не зруйнувавши перший. Це твердження, яке суворо доводиться у квантовій механіці, можна назвати парадоксом квантових близнюків. Забороняючи створення двійників, квантова механіка не забороняє створення точної копії з одночасним знищенням оригіналу - телепортацію.

Слово «телепортація» зовсім недавно перейшло із фантастики в науку. Зазвичай вважають, що перемістити якийсь об'єкт чи навіть людину - означає перемістити всі частинки, з яких він складається. Але оскільки елементарні частинки не відрізняються одна від одної, їх можна не переміщати, а зібрати телепортований об'єкт з нових частинок на основі отриманої інформації.

Отже, телепортація об'єкта є зчитування квантового стану частинок та відтворення цього стану на віддаленій відстані. Щоправда, згідно з квантовою механікою, як тільки буде зчитана вся потрібна інформація, об'єкт зникне і знову з'явиться лише після квантового складання.

Сучасному науковому значенню слова «телепортація» відповідає така процедура: об'єкт дезінтегрується (руйнується його квантовий стан) одному місці, а іншому місці виникає його досконала копія. Причому об'єкт або його повний опис у ході телепортації ніколи не перебуває між цими двома місцями. Зверніть увагу, що «дезінтеграція» квантового стану є необхідною умовою згідно з теоремою про заборону клонування.

З принципу невизначеності, що більше отримано інформації про певному об'єкті, то більше вписувалося спотворень вноситься у цей об'єкт - і до того часу, поки вихідне стан нічого очікувати зруйновано повністю. І навіть повністю зруйнувавши об'єкт, що досліджується, ми все одно не отримаємо повної картини його вихідного квантового стану. Це звучить як заперечення проти телепортації: якщо для створення точної копії з об'єкта неможливо отримати достатньо інформації, то точна копія не може бути створена. Однак шестеро вчених із групи Чарлза Беннета знайшли можливість обійти цю скруту, використовуючи знаменитий ЕПР-ефект.

Практика телепортації

Питання про квантову телепортацію вперше було поставлене в 1993 році групою Чарлза Беннета, яка, використовуючи заплутані стани, показала, що при приєднанні третьої частки до однієї із заплутаних частинок можна передавати її властивості іншій віддаленій частинці. Експериментальну реалізацію ЕПР-каналу було здійснено у роботах двох груп дослідників - австрійської, з Університету в Інсбруку, очолюваної Антоном Цойлінгером, та італійської, з Університету в Римі під керівництвом Франческо Де Мартіні. Досліди групи Цойлінгера і де Мартіні довели здійсненність принципів ЕПР на практиці при передачі оптичними кабелями станів поляризації між двома фотонами за допомогою третього на відстані до 10 км.

Досягнувши успіхів у телепортації фотонів, експериментатори планують роботи з іншими частинками - електронами, атомами і навіть іонами. Це дозволить передавати квантовий стан від короткоживучої частинки до довгоживучої. У такий спосіб можна буде створювати пам'ятні пристрої, де інформація, принесена фотонами, зберігалася на іонах, ізольованих від навколишнього середовища. Телепортація може забезпечити надійну передачу та зберігання даних на тлі потужних перешкод, коли всі інші способи виявляються неефективними. Можливо, у майбутньому мережі квантової телепортації набудуть такого ж поширення, як сучасні телекомунікаційні мережі.

Квантова механіка визначає елементарні частинки, що рухаються зі швидкостями, набагато меншими за швидкість світла. Квантова теорія поля описує процеси з участю частинок, що рухаються зі швидкостями, близькими до швидкості світла. І те, й інше в сукупності складає квантову теорію, що описує рух, взаємодію, народження та знищення елементарних частинок.

Спадкоємність фізики

Незважаючи на зовсім новий погляд на багато природних явищ, квантову механіку ніяк не можна розцінювати як повне спростування класичної фізики. Остання може розглядатися як граничний випадок квантової механіки або як перше та дуже грубе наближення до неї. Як підкреслював Поль Дірак, відповідність між квантовою та класичною теоріями полягає не лише в їхній граничній згоді. Відповідність полягає насамперед у тому, що математичні операції двох теорій у багатьох випадках підпорядковуються одним і тим самим законам та описуються однією математичною структурою. Відмінності полягають лише у поданні (реалізації) цих структур конкретними математичними об'єктами.

Сьогодні фізики твердо вірять у те, що наш світ єдиний і пізнаваний. Вся різноманітність природних явищ просто має описуватися у межах якогось єдиного універсального підходу. Інша річ, що людина поки що не до кінця зуміла зрозуміти глибинну сутність законів природи та межі пізнаваності світу.

Однак більшість фізиків переконані в тому, що, якщо йти шляхом, вказаним квантовою механікою і квантовою теорією поля, буде відкрито те саме зведення законів і правил, яке і править нашим напрочуд гарним світом.

Василь Тарасов, кандидат фізико-математичних наук

Фізичний реалізм — це погляд, згідно з яким фізичний світ, який ми бачимо, є реальним і існує сам по собі. Більшість людей думають, що це зрозуміло, але з деяких пір фізичному реалізму серйозно суперечать деякі факти зі світу фізики. Парадокси, які спантеличували фізиків минулого століття, досі не дозволені, і багатообіцяючі теорії струн і суперсиметрії нікуди цей віз поки не привезли.

На противагу цьому квантова теорія працює, але квантові хвилі, які заплутуються, опиняються в стані суперпозиції, а потім колапсують, здаються фізично неможливими — вони здаються «уявними». Все це виливається в цікаву картину: теорія того, що не існує, ефективно передбачає те, що існує — але як може нереальне передбачати реальне?

Квантовий реалізм - це протилежна точка зору, згідно з якою квантовий світ реальний і створює фізичний світ як віртуальну реальність. Квантова механіка, таким чином, передбачає ефекти фізичної механіки, тому що є її причиною. Фізики кажуть, що вважати, що квантові стани не існують, це як «не звертати уваги на геть ту людину за завіскою».

Квантовий реалізм — це не «матриця», в якій інший світ, який створив наш, буде фізичним. І це не ідея мозку в чані, оскільки ця віртуальність була задовго до того, як з'явилася людина. І це не фантомний інший світ, який впливає на наш: наш фізичний світ фантом сам по собі. У фізичному реалізмі квантовий світ немає, але у квантовому реалізмі фізичний світ неможливий — якщо це лише віртуальна реальність. І ось можливі пояснення.

Поява Всесвіту

Фізичний реалізм

Всі чули про Великий Вибух, але якщо фізичний Всесвіт перед нами, як він почався? Завершений Всесвіт не повинен змінюватися взагалі, оскільки йому нікуди йти і ні звідки прийти, і ніщо не може його змінити. Проте в 1929 році астроном Едвін Хаббл виявив, що всі галактики розширюються в бік від нас, що призвело до думки про Великий Вибух, який стався в точці простору-часу близько 14 мільярдів років тому. Відкриття космічного мікрохвильового фону (який можна побачити у вигляді білого шуму на екрані телевізора) підтвердило, що наш Всесвіт не тільки почався в точці, а й простір, і час з'явилися разом з нею.

Отже, коли Всесвіт з'явився, він уже існував до свого створення, що неможливо, або був створений чимось ще. Не може бути такого, щоб цілий, повний і цілісний Всесвіт з'явився сам по собі з нічого. Проте в цю дивну ідею вірить більшість фізиків сьогодення. Вони вважають, що першою подією була квантова флуктуація у вакуумі (у квантовій механіці пари частинок та античастинок з'являються і зникають усюди, тобто абсолютної порожнечі не існує). Але якщо матерія просто з'явилася із простору, звідки з'явився простір? Як квантова флуктуація у просторі могла створити простір? Як міг почати йти сам собою?

Квантовий реалізм

Кожна віртуальна реальність починається з першої події, разом з якою з'являється і простір, і час. З такої точки зору, Великий Вибух стався, коли наш фізичний Всесвіт завантажився, включаючи його операційну систему простору-часу. Квантовий реалізм припускає, що Великий Вибух був насправді Великим Пуском.

У нашому Всесвіті є максимальна швидкість

Фізичний реалізм

Ейнштейн дійшов висновку, що ніщо не може рухатися швидше, ніж світло у вакуумі, і згодом це стало універсальною константою, однак, до кінця неясно, чому так. Грубо кажучи, будь-яке пояснення зводиться до того, що швидкість світла постійна і гранична, тому що ось так ось. Тому що не може бути нічого прямішого за пряму.

Але відповідь на запитання «чому речі не можуть рухатися швидше та ще швидше», яка звучить як «бо не можуть», навряд чи можна назвати задовільною. Світло сповільнюється (заломлюється) водою чи склом, і коли воно рухається у воді, ми говоримо, що його середовищем є вода, коли у склі — скло, але коли воно рухається у порожньому просторі, ми мовчимо. Як може хвиля вібрувати у порожнечі? Немає ніякого фізичного фундаменту для руху світла безповітряним простором, не кажучи вже про визначення максимально можливої ​​швидкості.

Квантовий реалізм

Якщо фізичний світ це віртуальна реальність, то швидкість світла це продукт обробки інформації. Інформація визначається як вибірка з кінцевої множини, тому її обробка теж повинна здійснюватися з кінцевою швидкістю, а значить, наш світ оновлюється з кінцевою швидкістю. Умовний процесор суперкомп'ютера оновлюється 10 квадрильйонів раз на секунду, а наш Всесвіт оновлюється в трильйони разів швидше, але принципи в основному ті ж. І якщо зображення на екрані має пікселі та частоту оновлення, у нашому світі є планківська довжина і планківський час.

У такому разі швидкість світла буде граничною, тому що мережа не може передавати нічого швидше, ніж один піксель за цикл, тобто планковська довжина за одиницю планківського часу, або близько 300 000 кілометрів на секунду. Швидкість світла насправді має називатися швидкістю космосу (простору).

Наш час дуже податливо

Фізичний реалізм

В ейнштейнівському парадоксі близнюків один з них подорожує ракетою майже зі швидкістю світла і повертається через рік, щоб виявити, що його брат-близнючок — вісімдесятирічний старий. Ніхто з них не знав, що їхній час іде по-різному, і всі залишилися живими, але життя одного добігає кінця, а іншого тільки починається. В об'єктивній реальності це видається неможливим, але час для часток у прискорювачах справді сповільнюється. У 1970-х вчені запустили навколо світу атомний годинник на літаку, щоб підтвердити, що той цокає повільніше, ніж синхронізований з ним спочатку годинник на землі. Але як час, суддя всіх змін, сам може бути схильний до змін?

Квантовий реалізм

Віртуальна реальність залежить від віртуального часу, де кожен цикл обробки є одним "тиком". Кожен геймер знає, що коли комп'ютер підвисає внаслідок лага, ігровий час теж трохи сповільнюється. Так само час у світі уповільнюється зі зростанням швидкості чи поруч із масивними об'єктами, що свідчить про віртуальності. Близнюк на ракеті постарів лише рік, оскільки всі цикли обробки його системи підвисли з метою економії. Змінився лише його віртуальний час.

Наш простір викривляється

Фізичний реалізм

Відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна, Сонце утримує Землю на орбіті з допомогою викривленого простору, але як простір може викривлятися? У просторі, за визначенням, відбувається рух, тому, щоб він скривився, він має існувати в іншому просторі, і так до безкінечності. Якщо матерія існує у просторі порожнечі, ніщо неспроможна зрушити чи скривити цей простір.

Квантовий реалізм

У режимі «простою» комп'ютер насправді не простоює, а виконує нульову програму, і наш простір може робити те саме. Ефект Казимира проявляється, коли вакуум простору чинить тиск на дві пластини, які розташовані близько один до одного. Сучасна фізика стверджує, що цей тиск викликають віртуальні частки, які виникають нізвідки, але в квантовому реалізмі порожній простір заповнений обробкою, що викликає той самий ефект. І простір, як мережа, що обробляє, може представляти тривимірну поверхню, здатну викривлятися.

Випадки трапляються

Фізичний реалізм

У квантової теорії квантовий колапс є випадковим, наприклад, радіоактивний атом може випустити фотон, коли йому заманеться. Класична фізика не пояснює випадковість подій. Квантова теорія пояснює фізичну подію "колапсом хвильової функції", тому в кожній фізичній події є елемент випадковості.

Щоб запобігти загрозі цієї першості фізичної причинності, в 1957 році Х'ю Еверетт запропонував багатосвітову теорію, неперевірену ідею того, що кожен квантовий вибір породжує новий всесвіт, тому кожен варіант події відбувається десь у новому «множинному всесвіті» (multiverse). Наприклад, якщо ви вибрали бутерброди на сніданок, природа створює інший всесвіт, в якому ви снідаєте персиками та йогуртом. Спочатку до багатосвітової інтерпретації ставилися зі сміхом, але сьогодні фізики все частіше віддають перевагу саме цій теорії іншим, щоб розвіяти кошмар випадковостей.

Проте, якщо квантові події створюють нові всесвіти, неважко здогадатися, що всесвіти накопичуватимуться зі швидкістю, яка виходить за межі будь-яких понять про нескінченність. Багатосвітова фантазія не просто обходить стороною бритву Оккама, але ще й знущається з неї. До того ж множинна всесвіт - це реінкарнація іншої старої казки про заводний всесвіт (clockwork universe), яку квантова теорія розвінчала в минулому столітті. Хибні теорії не вмирають, вони перетворюються на теорію-зомбі.

Квантовий реалізм

Процесор в онлайн-грі може генерувати випадкове значення, і наш світ також. Квантові події випадкові, оскільки пов'язані з клієнт-серверними діями, до яких ми не маємо доступу. Квантова випадковість здається безглуздою, але грає таку ж роль в еволюції матерії, яку генетична випадковість зіграла у біологічній еволюції.

Антиматерія існує

Фізичний реалізм

Антиматерія відноситься до субатомних частинок, відповідних електронів, протонів та нейтронів звичайної матерії, але з протилежним електричним зарядом та іншими властивостями. У нашому Всесвіті негативні електрони обертаються навколо позитивних атомних ядер. У всесвіті антиматерії позитивні електрони оберталися б навколо негативних ядер, але жителям цього всесвіту здавалося б, що з фізичними законами все гаразд. Матерія та антиматерія анігілюють при контакті, тобто взаємно знищуються.

Рівняння Поля Дірака передбачили антиматерію задовго до її виявлення, але до кінця не було ясно, як щось, що анігілює матерію, взагалі можливо. Діаграма Фейнмана зустрічі електрона з антиелектроном показує, що останній, зіштовхуючись, повертається у часі! Як це часто буває у сучасній фізиці, це рівняння працює, але його наслідки не мають жодного сенсу. Матерії не потрібний антипод, а зворотний перебіг часу підриває причинно-наслідкові основи фізики. Антиматерія - це одна з найзагадковіших знахідок сучасної фізики.

Квантовий реалізм

Якщо матерія - це результат обробки, і обробка встановлює послідовність значень, слід, що ці значення можна звернути назад, отримавши таким чином антиобробку. У такому світлі антиматерія – це неминучий побічний продукт матерії, створеної у процесі обробки. Якщо час - це завершення первинних циклів обробки матерії, для антиматерії воно буде завершенням вторинних циклів, а значить, воно йтиме у зворотному напрямку. Матерія має антипод, тому що процес обробки, який її створює, є оборотним, і античас існує з тієї ж причини. Тільки віртуальний час може йти назад.

Експеримент із двома щілинами

Фізичний реалізм

Понад 200 років тому Томас Юнг провів експеримент, який досі ставить у глухий кут фізиків: пропустив світло через дві паралельні щілини, щоб отримати інтерференційну картину на екрані. Тільки хвилі можуть робити це, тому частка світла (навіть один фотон) має бути хвилею. Але світло може потрапити на екрані і у вигляді точки, що може статися тільки в тому випадку, якщо фотон є частинкою.

Щоб перевірити це, фізики відправили один фотон через щілини Юнга. Один фотон видав очікувану точку попадання частки, але невдовзі точки вишикувалися в інтерференційну картину. Ефект не залежить від часу: один фотон, що проходить через щілини, щороку видає ту саму картину. Жоден фотон не знає, де потрапив попередній, оскільки з'являється інтерференційна картина? Детектори, розміщені на кожній щілині, лише даремно витратили час — фотон проходить через одну щілину, або через іншу, ніколи — через обидві. Природа знущається з нас: коли ми дивимося, фотон — хвиля, коли дивимося — частка.

Сучасна фізика називає цю загадку корпускулярно-хвильовим дуалізмом, «глибоко дивним» явищем, зрозумілим лише езотеричними рівняннями неіснуючих хвиль. Проте ми, розсудливі люди, знаємо, що точкові частинки не можуть поширюватися подібно до хвиль, а хвилі не можуть бути частинками.

Квантовий реалізм

Квантова теорія пояснює експеримент Юнга вигаданими хвилями, які проходять через обидві щілини, інтерферують, а потім колапсують на екрані. Це працює, але хвилі, які не існують, не можуть пояснити те, що існує. У квантовому реалізмі програма фотона може розповсюджуватися в мережі як хвиля, а потім починати спочатку, коли вузол перевантажується і перезавантажується як частинка. Те, що ми називаємо фізичною реальністю, є низкою перезавантажень, які пояснюють і квантові хвилі, і квантовий колапс.

Темна енергія та темна матерія

Фізичний реалізм

Сучасна фізика описує матерію, яку ми бачимо, але у Всесвіті також є вп'ятеро більше того, що називають темною матерією. Її можна виявити як ореол навколо чорної діри в центрі нашої галактики, який пов'язує зірки разом міцніше, ніж може дозволити їхня гравітація. Це не матерія, яку ми можемо побачити, бо її світло не бере; це не антиматерія, оскільки вона не має сигнатури гамма-випромінювання; це не чорна дірка, бо немає ефекту гравітаційного лінзування — але без темної матерії зірки в нашій галактиці розлетілися б геть.

Жодна з відомих частинок не описує темну матерію — пропонувалися гіпотетичні частинки, відомі як масивні частинки, що слабко взаємодіють (WIMP, або «вімпи»), але жодну з них так і не знайшли, незважаючи на ретельні пошуки. На додаток до цього, 70% Всесвіту є темною енергією, яку фізика також не може пояснити. Темна енергія - це своєрідна негативна гравітація, слабкий ефект, який розштовхує речі, прискорюючи розширення Всесвіту. Воно не сильно змінюється з часом, але щось плаваюче в просторі, що розширюється, з часом повинно слабшати. Якби це було властивістю простору, воно збільшувалося б з розширенням простору. На даний момент ніхто не має жодного уявлення про те, що таке темна енергія.

Квантовий реалізм

Якщо порожній простір - це нульова обробка, «сплячий режим», тоді він не порожній, і якщо він розширюється, то порожній простір постійно додається. Нові точки обробки, за визначенням, приймають уведення, але не дають жодного висновку. Таким чином, вони поглинають, але не випромінюють, точно як негативний ефект, який ми називаємо темною енергією. Якщо новий простір додається з постійною швидкістю, ефект не буде сильно змінюватися з часом, тому темна енергія обумовлена ​​створенням простору, що продовжується. Квантовий реалізм передбачає, що частинки, які можуть пояснити темну енергію та темну матерію, не будуть виявлені.

Тунелюючі електрони

Фізичний реалізм

У нашому світі електрон може раптово вискочити за межі гауссового поля, через яке не може проникнути. Це можна порівняти з монетою в закритій скляній пляшці, яка раптово з'являється за її межами. У суто фізичному світі це просто неможливо, але в нашому цілком.

Квантовий реалізм

Квантова теорія передбачає, що електрон повинен випадково робити вищеописане, тому що квантова хвиля може поширюватися незалежно від фізичних бар'єрів, і електрон може раптово колапсувати в будь-якій її точці. Кожен колапс — це кадр фільму, який ми називаємо фізичною реальністю, крім того, що наступний кадр не фіксований, а базується на ймовірностях. Електрон, який «тунелює» через непрохідне поле, — це як фільм, який приховує від погляду, як актор виходить з дому назовні.

Це може здатися дивним, але телепортація з одного стану в інший це те, як рухається вся квантова матерія. Ми бачимо фізичний світ, який існує незалежно від нашого спостереження, але в квантовій теорії ефект спостерігача описує ефект ігрового вигляду: коли ви дивитеся ліворуч, створюється один вид, коли праворуч – інший. Теоретично Бома примарна квантова хвиля спрямовує електрон, але теоретично, яку ми розглядаємо, електрон і є цієї примарною хвилею. Квантовий реалізм дозволяє квантовий феномен, роблячи квантовий світ справжнім, а фізичний світ - його продуктом.

Квантова заплутаність

Фізичний реалізм

Якщо атом цезію випускає два фотони в різних напрямках, квантова теорія «заплутує» їх, тому якщо один крутиться знизу вгору, інший — зверху вниз. Але якщо один випадково перевертається, як інший може миттєво дізнатися про це на будь-якій відстані? Для Ейнштейна відкриття того, що вимір спина одного фотона миттєво визначає спин іншого, де б той не був у Всесвіті, було «жахливою дією на відстані». Експериментальна перевірка цього стала одним із найретельніших і найточніших експериментів взагалі в історії науки, і квантова теорія знову виявилася правою. Спостереження за одним заплутаним фотоном призводить до того, що інший отримує протилежний спин - навіть якщо вони надто далекі навіть для того, щоб світловий сигнал встиг їх про це сповістити. Природа могла б зробити так, що спин одного фотона був би верхнім, а іншого нижнім, з самого старту, але це, мабуть, було надто складно. Тому вона дозволила спину одного вибирати будь-який випадковий напрямок, так що коли ми його вимірюємо і визначаємо одне, спин іншого фотона відразу змінюється на протилежний, хоча це здається фізично неможливим.

Квантовий реалізм

З цього погляду два фотони заплутуються, коли їх програми об'єднуються для спільного ведення двох точок. Якщо одна програма відповідає за верхній спин, а інша за нижній, їхнє об'єднання відповідатиме за обидва пікселі, де б вони не були. Фізична подія кожного пікселя випадковим чином перезапускає програму, інша програма реагує цього відповідним чином. Цей код перерозподілу ігнорує відстані, тому що процесору не потрібно ходити до пікселя, щоб попросити його перевернутися, навіть якщо екран великий, як сам Всесвіт.

Стандартна модельфізики включає 61 фундаментальну частинку із встановленими параметрами заряду та маси. Якби вона була машиною, вона мала б кілька десятків важелів для запуску кожної частинки. Також їй знадобилося б п'ять невидимих ​​полів, які породжують 14 віртуальних частинок із 16 різними «зарядами» для роботи. Можливо, вам здається повним цей набір, але Стандартна модель не може пояснити гравітацію, стабільність протона, антиматерію, зміни кварків, масу нейтрино або його спин, інфляцію чи квантову випадковість – і це дуже важливі питання. Не кажучи вже про частинки темної матерії та темної енергії, з яких складається більша частина Всесвіту.

Квантовий реалізм по-новому інтерпретує рівняння квантової теорії в термінах однієї мережі та однієї програми. Його основне припущення в тому, що фізичний світ - це висновок обробки, але це не применшує його реальність - просто ми його не бачимо. Теорія припускає, що матерія з'явилася зі світла як стабільна квантова хвиля, а значить квантовий реалізм передбачає, що світло у вакуумі може породжувати матерію при зіткненні. Стандартна модель стверджує, що фотони не можуть стикатися, тому потрібний кардинальний експериментальний підхід для перевірки віртуальної реальності нашого світу. Коли світло у вакуумі породить матерію під час зіткнення, модель елементарних частинок заміниться моделлю інформаційної обробки.

Для довідки: Брайан Уітворт, творець теорії квантового реалізму, залишив докладний путівник по термінах, тому якщо у вас будуть питання - ставте, постараюся відповісти за його матеріалами.

Теорія елементарних частинок матерії

1. ВСЕСВІТ, ЦЕ ФОРМА ІСНУВАННЯ МАТЕРІЇ, ЦЕ БЕЗКОШТОВНИЙ ПРОСТІР У ВСІХ ВИМІРАХ, З МАТЕРІЄЮ, ЩО ЗДІЙСНЮЄ У НІМ СВОЄ БУТТЯ.

2. МАТЕРІЯ ЦЕ ВСЕ ТО, ЩО МАЄ СВОЮ ЕНЕРГЕТИЧНУ ОБОЛОНКУ.

3. ЕНЕРГІЯ ЦЕ ХАРАКТЕРИСТИКА І ЗАХОДИ ДІЇ МАТЕРІЇ АБО ЗДІБНОСТІ Здійснити ДІЯ.

4 .МАТЕРІАЛЬНЕ ТІЛО СКЛАДАЄТЬСЯ З ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТОК МАТЕРІЇ, ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНИ МАТЕРІЇ СКЛАДАЮТЬСЯ З ЧОТИРИ ВИДІВ КВАНТІВ МАТЕРІЇ. ФОТОН ЦЕ РУХОВИЙ ПОЗА МАТЕРІАЛЬНИМ ТІЛОМ КВАНТ МАТЕРІЇ.

5 . КВАНТ МАТЕРІЇ СКЛАДАЄТЬСЯ З ЯДРУ ТА ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ОБОЛОЧКИ.

6. ЕНЕРГЕТИЧНА ОБОЛОНКА КВАНТА МАТЕРІЇ СКЛАДАЄ З ЧОТИРХ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ПОЛІВ; КВАНТОВОГО (МЕХАНІЧНОГО) (М), ЕЛЕКТРИЧНОГО (C), МАГНІТНОГО (B) І ГРАВІТАЦІЙНОГО (U).

7. ОСНОВУ КВАНТУ МАТЕРІЇ СКЛАДАЄ ЯДРО. ЯДРО ЦЕ ТВЕРДА НЕЗМІННА ЧАСТИНА ЕЛЕМЕНТАРНОЇ ЧАСТИНИ. ЯДРО МАЄ ПОЗИТИВНИЙ АБО НЕГАТИВНИЙ ЕЛЕКТРИЧНИЙ ЗАРЯД, ПІВНІЧНИЙ АБО ПІВДЕННИЙ МАГНІТНИЙ ПОЛЮС. ЯДРО ПОКРИВАЄ ПЛАСТИЧНА ОБОЛОНКА (КВАНТОВЕ ПОЛЕ).

8. ЕНЕРГЕТИЧНЕ ПОЛЕ КВАНТУ, ЦЕ ПРОСТІР НАВIЧ ЯДРА, В ЯКОМУ ПРОЯВЛЯЮТЬСЯ СИЛИ ЦЬОГО ПОЛЯ.

9. ЕНЕРГЕТИЧНІ ПОЛЯ КВАНТА МАТЕРІЇ Є ПРИЛАДДЯМ КВАНТА МАТЕРІЇ, ЙОГО СКЛАДНОЮ ЧАСТИНОЮ

10. КВАНТИ МАТЕРІЇ, РОЗВЕДЯТЬСЯ; ЗНАКОМ ЕЛЕКТРИЧНОГО ЗАРЯДУ І ЗНКОМ СВОГО МАГНІТНОГО ПОЛЯ.

11. ЗОНА ДІЇ ЕНЕРГЕТИЧНИХ ПОЛІВ ПОЧИНАЄТЬСЯ ВІДРАЗУ ВІД ЯДРУ.

12 КВАНТ МАТЕРІЇ МАЄ ВНУТРІШНЮЮ (МЕХАНІЧНУ) ЕНЕРГІЮ (М). СИЛИ ВНУТРІШНЬОЇ ЕНЕРГІЇ КВАНТУ З'ЯВЛЯЄТЬСЯ ПРИ ДЕФОРМАЦІЇ (СТИСКУВАННІ) ОБОЛОНКИ ЇЇ ЯДРУ М = k ΔV. ВНУТРІШНЯ ЕНЕРГІЯ ЕЛЕМЕНТАРНОЇ ЧАСТИНИ МАТЕРІЇ, ЦЕ ПОТЕНЦІАЛ ЇЇ КИНЕТИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ.

13. ОБОЛОНКА ЯДРУ КВАНТУ МАТЕРІЇ, ЙОГО КВАНТОВЕ ПОЛЕ. ВИЗНАЧУЄ ІНДИВІДУАЛЬНІСТЬ ЕЛЕМЕНТАРНОЇ ЧАСТИНИ МАТЕРІЇ. ЦЕ ЩИТ ЯДРУ КВАНТУ МАТЕРІЇ. ПРИ ДЕФОРМАЦІЇ (СТИСКУВАННІ ОБОЛОНКИ) У НІЇ ПРОЯВЛЯЮТЬСЯ ДИГРАВІТАЦІЙНІ, ДИМАГНІТНІ ТА ДІЕЛЕКТРИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ. ОБ'ЄДНАЮЧИСЯ МІЖ САБОЮ ГРАВІТАЦІЙНИМИ, МАГНІТНИМИ ТА ЕЛЕКТРИЧНИМИ ПОЛЯМИ, КВАНТИ МАТЕРІЇ ЗАЛИШАЮТЬСЯ ІНДИВІДУУМАМИ. ПРИ ЗБЛИЖЕННІ КВАНТІВ МАТЕРІЇ, ОБОЛОНКА ЯДРУ ВСТАЄ ПЕРЕГРОДУ НА ШЛЯХУ ЇХ СПОЛУЧЕННЯ І, ТИМ САМИ, РЯТУЄ КВАНТ ВІД ЗНИЩЕННЯ. ЧИМ БІЛЬШЕ ЯДРА НАБЛИЖУЮТЬСЯ ДРУГ ДО ІНШОГО, ТИМ НАПРУЖНІШЕ ОБОЛОНКА, ТИМ БІЛЬШЕ ПІДСИЛЮЮТЬСЯ ЇЇ ДІЕЛЕКТРИЧНІ І ДИГРАВІТАЦІЙНІ ЯКОСТІ. ПРИ МАКСИМАЛЬНІЙ ДЕФОРМАЦІЇ (СТИСКУВАННІ) ОБОЛОНКИ ДІЕЛЕКТРИЧНІ ТА ДИГРАВІТАЦІЙНІ ЯКОСТІ НАСТІЛЬКИ ПОВОРТАЮТЬ, ЩО СИЛОВІ ЛІНІЇ, НІ МАГНІТНОГО, НІ ЕЛЕКТУВАННЯ ХОДЯТЬ КРІЗЬ ОБОЛОНКУ ЯДРУ. КВАНТ МАТЕРІЇ У ТАКОМУ СТАНІ НЕ ПРОЯВЛЯЄ НІ ЕЛЕКТРИЧНИХ, НІ МАГНІТНИХ, НІ ГРАВІТАЦІЙНИХ ЯКОСТЬ, ВІН ПЕРЕТВОРЮЄТЬСЯ В Квантіно.ПРИ ВИМИКАННІ З МАТЕРІАЛЬНОГО ТІЛА, КВАНТИНО ПЕРЕТВОРЮЮТЬСЯ У ФОТОНИ. З ТЕЧЕМ ЧАСУ, Дякуючи ЗМІНІ СТАНУ ОБОЛОНКИ ЯДРУ, У КВАНТАХ ВІДРОДЖУЮТЬСЯ ВСІ ЕНЕРГЕТИЧНІ ПОЛЯ.

14. ВІДРАЗУ Ж ЗА ЯДРОМ, У ЙОГО ОБОЛОНЦІ І ДАЛІ, МІСЦЯЄ ЗОНА ДІЇ ЕЛЕКТРИЧНОГО ПОЛЯ. ЗА ЯДРОМ А ПОЧИНАЄ СВОЮ ДІЮ МАГНІТНЕ І ГРАВІТАЦІЙНЕ ПОЛЕ. СИЛОВІ ЛІНІЇ ГРАВІТАЦІЙНОГО ПОЛЯ ПРОХОДЯТЬ КРІЗЬ ОБОЛОЧКУ, КРІЗЬ ЕЛЕКТРИЧНЕ І МАГНІТНЕ ПОЛЕ І ПРОСТІРАЮТЬСЯ ДАЛІ.

15. ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ І МАГНІТНЕ ПОЛЕ, ЦЕ КОРОТКОДІЙНІ ПОЛЯ, ЇХ ДІЯ ПРОЯВЛЯЄТЬСЯ В ВИПАДКАХ ТІСНОГО ЗБЛИЖЕННЯ ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИН І СПОЛУКІВ ЇХ ПОЛУЧЕНЬ ЇХ. СИЛИ ЕЛЕКТРИЧНОГО І МАГНІТНОГО ПОЛЯ ПРИТЯГАЮТЬ РІЗНОІМЕННІ ЗАРЯДИ І ВІДТАЛЮЮТЬ ОДНОНОЇМНІ…. ЕЛЕКТРИЧНЕ І МАГНІТНЕ ПОЛЕ, ЦЕ ПОЛЯ ОСВІТИ РЕЧОВИНИ.

16. ГРАВІТАЦІЙНЕ ПОЛЕ НАЙСИЛЬНІШЕ І НАЙДАЛЕДІЙНІШЕ. ЦЕ ПОЛЕ ОБ'ЄДНАННЯ МАТЕРІЇ. СИЛОВІ ЛІНІЇ ГРАВІТАЦІЙНОГО ПОЛЯ НАПРЯМО ДО ЯДРУ КВАНТУ.

17. ПОВНА ЕНЕРГІЯ КВАТА МАТЕРІЇ (ФОТОНА) ВИЧИСЛЮЄТЬСЯ ЗА ФОРМУЛЮ Е кв =fU о + fC о + fB о +К+М; Е кв =fU о + fC о +fB о +К+ķΔV.Тут f-коефіцієнт стиснення кванта рівний V/V 0. V 0 це об'єм кванта у вільному стані, V об'єм кванта у стислому стані, k-коефіцієнт пружності оболонки кванта, ΔV різниця вільного та стисненого об'ємів, До- Енергія маси (кінетична енергія, енергія інерції.) М-Механічна енергія.

18. ЕЛЕМЕНТАРНИМИ ЧАСТИНАМИ РЕЧОВОЇ МАТЕРІЇ Є ЕЛЕКТРОНИ І ПОЗИТРОНИ. ЕЛЕКТРОНИ ТА ПОЗИТРОНИ СКЛАДАЮТЬСЯ З ОДНОГО ВИДУ КВАНТІВ. (е + ) = 8,3 х10 21 ɣ + , (е - ) = 8,3 х10 21 ɣ- . ПРОТОН СКЛАДАЄТЬСЯ ВЖЕ З ЕЛЕКТРОНІВ І ПОЗИТРОНІВ. ЕЛЕКТРОНИ І ПОЗИТРОНИ є основою атомів, атоми є основою речовини.

19. МАТЕРІАЛЬНІ ЧАСТИНИ У ПРОСТОРІ РОЗМІЩУЮТЬСЯ ЗА СВОЇМ ЗАКОНОМ q= (1 – R/R 0 ) δМn/4π 2 R 3 ТАК, ЩО БУДЬ-ЯКЕ МАТЕРІАЛЬНЕ ТІЛО МАЄ СВОЇ ЕНЕРГЕТИЧНІ ПОЛЯ (ЕНЕРГЕТИЧНУ ОБОЛОНКУ). ЕНЕРГЕТИЧНА ОБОЛОНКА МАТЕРІАЛЬНОГО ТІЛА ЦЕ ЇЇ НЕВІД'ЄМНА СКЛАДНА, ЦЕ САМА МАТЕРІЯ, АЛЕ В ІНШОМУ СТАНІ. ЯКЩО В МАТЕРІАЛЬНОМУ ТЕЛІ КВАНТИ МАТЕРІЇ ЗНАХОДЯТЬСЯ У СКЛАДІ ЕЛЕКТРОНІВ І ПОЗИТРОНІВ, ТІСНО ЗВ'ЯЗАНІ ЕЛЕКТРОМАГНІТНИМИ І ГРАВІТАЦІЙНИМИ ЗВ'ЯЗКАМИ З ІНШИМИ ТАКИМИ ЖЕ АЛЬНОГО ТІЛА ЦІ ЧАСТИНИ В БІЛЬШЕ ВІЛЬНОМУ СТАНІ – СТАН КВАНТУ ПОЛЯ, ПРИ ЯКОМУ ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНИ ПОВ'ЯЗАНІ ТІЛЬКИ ГРАВІТАЦІЙНО.

20. МАТЕРІЯ МАЄ ВСІМИ ВИДАМИ ЕНЕРГІЇ; ЕНЕРГІЇ БЕЗ МАТЕРІЇ НЕМАЄ.ЕНЕРГІЯ – невід'ємна властивість елементарних частинок. КОЖНА ЕЛЕМЕНТАРНА ЧАСТИНА, КОЖНИЙ КВАНТ МАТЕРІЇ МАЄ ВСІМИ ВИДАМИ ЕНЕРГІЇ. Е кв = М + C + В + U + К

21. ЕНЕРГЕТИЧНІ ПОЛЯ МАТЕРІЇ СТВОРЯЮТЬ НЕОБХІДНІ ЗУСИЛЛЯ ДЛЯ ДІЇ І ВЗАЄМОДІЇ МАТЕРІЇ.

22. МАСА ТІЛА ЦЕ КІЛЬКІСТЬ МАТЕРІЇ В НЬОМУ, Що МІСТЬ, АЛЕ ЦЕ І ЗАХОДИ ЙОГО ЕНЕРГІЇ.

23. ХВИЛЯ ВИМИКАННЯ ЦЕ ОБ'ЄДНАНІ СВОЇМИ ПОЛЯМИ, СТВОРЯЛИ СПІЛЬНЕ ПОЛЕ, ФОТОНИ.

24. СПОЧАТКУ КОЖНІЙ ЧАСТОТІ ВИПРОМІНЮВАННЯ ВІДПОВІДАЄ СВОЯ ЕНЕРГІЯ ФОТОНІВ. ПІДДІЛЬНА ЩІЛЬНІСТЬ ФОТОНІВ У ХВИЛІ ВИПРОМІНЮВАННЯ ПРОПОРЦІОНАЛЬНА ЧАСТОТІ ВИПРОМІНЮВАННЯ. ЧАСТОТА ВИПРОМІНЮВАННЯ ПРЯМО ПРОПОРЦІОНАЛЬНА ЩІЛЬНОСТІ ВИПРОМІНЮЮЧОЇ МАТЕРІЇ. ШВИДКІСТЬ РУХУ ФОТОНІВ ЗМІНЮЄТЬСЯ В ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД КІЛЬКОСТІ В НИХ ВНУТРІШНІЙ ЕНЕРГІЇ.

25. ДОВЖИНА ХВИЛИ ВИМИКАННЯ ЗВОРОТНО ПРОПОРЦІОНАЛЬНА ТЕМПУ ПРИСКОРЕННЯ ФОТОНІВ.

26. КВАНТИ МАТЕРІЇ ЖИВУТЬ ЗАВЖДИ (ЧАС ЖИТТЯ НЕ МАЄ КОРДОНОК).

27. ВХОДЯЧИ У РІЗНІ З'ЄДНАННЯ ДРУГ З ДРУГОМ, ЗМІНЯЮЧИСЯ, ПРОХОДЯЧИ ПО КРУГУ ЧЕРЕЗ РІЗНІ СТАДІЇ; ГРАВІТОН → КВАНТ ПОЛЯ → КВАНТ МАТЕРІЇ → ФОТОН → КВАНТ → КВАНТИНО → ФОТОН→ ГРАВІТОН… ЗБЕРІГАЮЧИ ПРИ ЦЬОМУ СВОЮ ІНДИВІДУАЛЬНІСТЬ, ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНИ МАТЕРІЇ ОБРАЗУ. РІЗНІ ПОЄДНАННЯ ЦИХ ЧАСТИНИК ДАЮТЬ БЕЗКІНЮЧУ РІЗНОМАНІТНІСТЬ, ПРИМІСТЬ І БАГАТОГРАНІСТЬ ВСЕСВІТНОЇ.

28. ЦАРКУЄ У ВСЕСВІТНІЙ ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ МАТЕРІЇ. ВІДКРИТИЙ МИХАЙЛОМ ВАСИЛЬОВИЧЕМ ЛОМОНОСОВИМ… «МАТЕРІЯ НЕ ЗНИКАЄ І НЕ З'ЯВЛЯЄТЬСЯ З НІЧОГО; КІЛЬКІСТЬ МАТЕРІЇ У ВСЕСВІТНІЙ Є ВЕЛИЧИНОЮ БЕЗКІНЦЕВОЮ І ПОСТОЯНОЮ»

29. ГРАВІТАЦІЯ – ОСНОВНА СИЛА, РУХАЮЧА МАТЕРІЄЮ. ВОНА ЗБИРАЄ МАТЕРІЮ У КОСМІЧНІ ТІЛА, І ВОНА РОЗКИДАЄ МАТЕРІЮ ПО ВСЕСВІТНІЙ. Гравітаційну енергію можна назвати «космічною»

30. ВСЕСВІТ ІСНУЄ ЗАВЖДИ. Всесвіт не розширюється, не звужується, вона постійно змінюється. МАТЕРІЯ У ВСЕСВІТНІЙ ПРОХОДИТЬ ПО КОЛУ ПЕРЕТВОРЕНЬ, ПЕРЕТВОРИВАЮЧИСЯ, РАЗОМ ЗІ СВОЄЮ ЕНЕРГІЄЮ, З ОДНОГО ВИДУ ОСВІТ У ІНШІЙ; ТАКИМ ОБРАЗОМ ЗДІЙСНЮЄТЬСЯ КРУГОВОРОТ МАТЕРІЇ ТА ЇЇ ЕНЕРГІЇ У ВСЕСВІТНІЙ.

докази

Елементарні частинки матерії

Загальні відомості

Елементарні частинки у точному значенні цього терміна – первинні, далі нерозкладні частки, у тому числі, за припущенням, складається вся матерія. У понятті елементарні частки у сучасній фізиці знаходить вираження ідея про первісні сутності, що визначають всі відомі властивості матеріального світу а ідея, що зародилася на ранніх етапах становлення природознавства і завжди відігравала важливу роль у розвитку. Згодом люди зрозуміли, що відкриті «елементарні частинки» зовсім не елементарні, але, не знаючи які з цього скопа частинок є елементарними, як і раніше всі частинки називали елементарними. Існування елементарних частинок фізики виявили щодо ядерних процесів, тому до середини ХХ століття фізика елементарних частинок була розділом ядерної фізики. В даний час фізика елементарних частинок і ядерна фізика є близькими, але самостійними розділами фізики, об'єднаними спільністю багатьох проблем і застосовуваними методами дослідження. Головне завдання фізики елементарних частинок – це дослідження природи, властивостей та взаємних перетворень елементарних частинок. Відкриття елементарних частинок стало закономірним результатом загальних успіхів у вивченні будови речовини, досягнутих фізикою наприкінці 19 ст. Воно було підготовлено всебічними дослідженнями оптичних спектрів атомів, вивченням електричних явищ у рідинах та газах, відкриттям фотоелектрики, рентгенівських променів, природної радіоактивності, які свідчили про існування складної структури матерії. У 60-70-ті роки фізики були зовсім спантеличені численністю, різноманітністю і незвичайністю знову відкритих субатомних частинок. Здавалося, їм не буде кінця. Цілком незрозуміло, навіщо стільки частинок. Чи є ці елементарні частинки хаотичними та випадковими уламками матерії? Чи, можливо, вони таять у собі ключ до пізнання структури Всесвіту? Розвиток фізики в наступні десятиліття показало, що в існуванні такої структури немає жодних сумнівів. Поняття "Елементарні частинки" сформувалося в тісному зв'язку з встановленням дискретного характеру будови речовини на мікроскопічному рівні. Виявлення на рубежі 19-20 ст. всі відомі речовини як комбінації кінцевого, хоч і великого, числа структурних складових – атомів. дискретних елементів, що формують властивості речовини, і дало підставу припускати, що ланцюжок складових частин матерії завершується дискретними безструктурними утвореннями – елементарними частинками

Історія відкриття «елементарних частинок»

Уявлення про те, що світ складається із фундаментальних частинок, має довгу історію. Вперше думка про існування найдрібніших невидимих ​​частинок, з яких складаються всі навколишні предмети, була висловлена ​​за 400 років до нашої ери грецьким філософом Демокрітом. Він назвав ці частинки атомами, тобто неподільними частинками. Наука почала використовувати уявлення про атоми лише на початку XIX століття, коли на цій основі вдалося пояснити низку хімічних явищ. У 30-ті роки ХІХ століття теорії електролізу, розвиненої М. Фарадеєм, з'явилося поняття іона і було виконано вимір елементарного заряду. Кінець XIX століття ознаменувався відкриттям явища радіоактивності (А. Беккерель, 1896), а також відкриттями електронів(Дж. Томсон, 1897 р) та б-часток(Е. Резерфорд, 1899). У 1905 році у фізиці виникло уявлення про кванти електромагнітного поля – фотонах(М. Планк А. Ейнштейн). В 1911 було відкрито атомне ядро ​​(Е. Резерфорд) і остаточно було доведено, що атоми мають складну будову. В 1919 Резерфорд в продуктах розщеплення ядер атомів ряду елементів виявив протони. У 1932 році Дж. Чедвік відкрив нейтрон. Стало ясно, що ядра атомів, як і самі атоми, мають складну будову. Виникла протон-нейтронна теорія будови ядер (Д. Іваненко та В. Гейзенберг). Того ж 1932 року в космічних променях було відкрито позитрон(К. Андерсон). Позитрон - позитивно заряджена частка, що має ту ж масу і той же (за модулем) заряд, що і електрон. Існування позитрона було передбачено П. Діраком у 1928 році. У ці роки було виявлено та досліджено взаємні перетворення протонів і нейтронів і стало ясно, що ці частинки також не є незмінними елементарними "цеглинами" природи. У 1937 році в космічних променях були виявлені частинки з масою 207 електронних мас, названі мюонами(М-мезонами). Потім у 1947–1950 роках було відкрито півонії(тобто р-мезони), які, за сучасними уявленнями, здійснюють взаємодію між нуклонами в ядрі. У наступні роки число часток, що знову відкриваються, стало швидко зростати. Цьому сприяли дослідження космічних променів, розвиток прискорювальної техніки та вивчення ядерних реакцій. Наразі відомо близько 400 суб'ядерних частинок, які прийнято називати елементарними. Переважна більшість цих частинок є нестабільними.Виняток становлять лише фотон, електрон, (позитрон), протон та нейтрино. Решта частинок через певні проміжки часу відчувають мимовільні перетворення на інші частки. Нестабільні елементарні частинки сильно відрізняються одна від одної за часом життя. Найбільш довгоживучою частинкою є нейтрон. Час життя нейтрону близько 15 хв. Інші частки "живуть" набагато менший час. Наприклад, середній час життя м-мезону дорівнює 2,2 10 -6 с, нейтрального р-мезону - 0,87 10 -16 с. Багато потужні частки - гіперони мають середній час життя близько 10 -10 с. Існує кілька десятків частинок з часом життя, що перевищує 10 -17 с. За масштабами мікросвіту це значний час. Такі частки називають відносно стабільними. Більшість короткоживучих елементарних частинок мають часи життя близько 10 -22 -10 -23 с. Здатність до взаємних перетворень – це найважливіша властивість всіх елементарних частинок. Елементарні частинки здатні народжуватися та знищуватися (випускатися та поглинатися). Це відноситься також і до стабільних частинок з тією різницею, що перетворення стабільних частинок відбуваються не мимовільно, а при взаємодії з іншими частинками. Прикладом може бути анігіляція (тобто зникнення) електрона і позитрона, що супроводжується народженням фотонів великої енергії. Може протікати і зворотний процес - народження електронно-позитронної пари, наприклад, при зіткненні фотонів досить великою енергією з ядром атома, з протоном або з іншим, солідним перешкодою для фотона. Такий небезпечний двійник, яким для електрона є позитрон, є і протон. Він називається антипротоном. Електричний заряд антипротону негативний. В даний час античастинки знайдені у всіх частинок. Античастинки протиставляються частинкам тому, що при зустрічі будь-якої частинки зі своєю античастинкою відбувається їх анігіляція, тобто обидві частинки зникають, перетворюючись на кванти випромінювання. Я зауважу, що це не завжди. Для анігіляції необхідно створити певні умови. Адже не анігілюють у протоні електрони та позитрони?! Чи не анігілюють. Вони чудово поєднуються, створивши при цьому найстійкішу велику частинку – протон.Античастинку виявлено навіть у нейтрону. Нейтрон та антинейтрон відрізняються лише знаками магнітного моменту та так званого баріонного заряду.

Відкриття дивних частинок

Кінець 40-х – початок 50-х років. ХХстоліття ознаменувалися відкриттям великої групи частинок з незвичайними властивостями, що отримали назву "дивних". були зроблені на прискорювачах - установках, що створюють інтенсивні потоки швидких протонів і електронів.

У 1947 р. Батлер та Рочестер у камері Вільсона спостерігали дві частинки, названі V-частинками. Спостерігалося два треки, що ніби утворюють латинську літеру V. Освіта двох треків свідчила про те, що частинки нестабільні і розпадаються на інші, легші. Одна з V-часток була нейтральною і розпадалася на дві заряджені частинки із протилежними зарядами. (Пізніше вона була ототожнена з нейтральним К-мезоном, який розпадається на позитивний і негативний півонії). Інша була зарядженою і розпадалася на заряджену частинку з меншою масою та нейтральну частинку. (Пізніше вона була ототожнена із зарядженим К+-мезоном, який розпадається на заряджений і нейтральний півонії). V-частки допускають, здавалося б, й іншу інтерпретацію: їх поява можна було б витлумачити як розпад частинок, бо як процес розсіювання. Дійсно, процеси розсіювання зарядженої частинки на ядрі з утворенням у кінцевому стані однієї зарядженої частинки, а також непружного розсіювання нейтральної частинки на ядрі з утворенням двох заряджених частинок виглядатимуть у камері Вільсона так само, як і розпад V-частинок. Але така можливість легко виключалася на тій підставі, що процеси розсіювання вірогідніші в більш щільних середовищах. А V-події спостерігалися не в свинці, який був присутній у камері Вільсона, а безпосередньо в самій камері, яка заповнена газом із меншою щільністю (порівняно із щільністю свинцю). Зауважимо, що й експериментальне відкриття р-мезона було у сенсі " очікуваним " у зв'язку з необхідністю пояснити природу нуклонных взаємодій, то відкриття V-частинок, як і відкриття мюона, виявилося повною несподіванкою. Відкриття V-частинок і визначення їх "елементарних" характеристик розтяглося більш ніж на десятиліття. Після першого спостереження цих частинок 1947 р. Рочестер і Батлер продовжували свої досліди ще два роки, але їм не вдалося спостерігати жодної частки. І тільки після того, як апаратуру підняли високо в гори, були знову виявлені V-частинки, а також відкриті нові частинки. Як з'ясувалося пізніше, всі ці спостереження виявились спостереженнями різних розпадів однієї й тієї ж частки – К-мезону (зарядженого чи нейтрального). "Поведінка" V-часток при народженні та подальшому розпаді призвела до того, що їх почали називати дивними. Дивні частки в лабораторії вперше отримані в 1954 р. Фаулером, Шаттом, Торндайком і Вайтмором, які використовуючи пучок іонів від Брукхейвенського коглядону з початковою енергією 1,5 ГеВ, спостерігали реакції асоціативної освіти дивних частинок. З початку 50-х років. прискорювачі перетворилися на основний інструмент дослідження елементарних частинок. У 70-х роках. енергії частинок, розігнаних на прискорювачах, склали десятки та сотні млрд. електрон-вольт (ГеВ). Прагнення до збільшення енергій частинок обумовлено тим, що високі енергії відкривають можливість вивчення будови матерії на менших відстанях, чим вище енергія частинок, що стикаються. Прискорювачі суттєво збільшили темп отримання нових даних та в короткий термін розширили та збагатили наше знання властивостей мікросвіту. Застосування прискорювачів вивчення дивних частинок дозволило детальніше вивчити їх властивості, зокрема особливості їх розпаду, і невдовзі призвело до важливого відкриття: з'ясування можливості зміни характеристик деяких мікропроцесів під час операції дзеркального відбиття – т. зв. порушення просторів, парності (1956). Введення в дію протонних прискорювачів з енергіями в мільярди електрон-вольт дозволило відкрити важкі античастинки: антипротон (1955), антинейтрон (1956), антисигма-гіперони (1960). У 1964 був відкритий найважчий гіперон W-(з масою близько двох мас протону).

Резонанси

У 1960-х роках. на прискорювачах було відкрито велику кількість вкрай нестійких (порівняно з ін. нестабільними елементарними частинками) частинок, які отримали назву "резонансів". Маси більшості резонансів перевищують масу протона. становлять основну частину елементарних частинок. на нуклон і р-мезон. Оскільки цей стан має цілком певні квантові числа, як і стабільні елементарні частинки, природно було назвати його часткою. Фермі в 1952 р., пізніше стали називати Д 3/2 3/2 – ізобарою (щоб виділити той факт, що спин та ізотопічний спин Д-ізобари дорівнюють 3/2). Так як час життя резонансів незначний, їх не можна спостерігати безпосередньо, аналогічно тому, як спостерігають "звичайні" протон, р-мезони та мюони (за їх слідами у трекових приладах). Резонанси виявляють характерною поведінкою перерізів розсіювання частинок, а також вивчаючи властивості продуктів їх розпаду. Більшість відомих елементарних частинок належить саме до групи резонансів. Відкриття Д-резонансу мало важливе значення для фізики елементарних частинок. Зауважимо, що збуджені стани чи резонанси є абсолютно новими об'єктами фізики. Раніше вони були відомі в атомній та ядерній фізиці, де їх існування пов'язане зі складовою природою атома (утвореного з ядра та електронів) та ядра (утвореного з протонів та нейтронів). Що ж до властивостей атомних станів, всі вони визначаються лише електромагнітним взаємодією. Малі ймовірності їх розпаду пов'язані з дещицею константи електромагнітної взаємодії. Збуджені стани існують не тільки у нуклону (у цьому випадку говорять про його ізобарні стани), але й у р-мезону (у цьому випадку говорять про мезонні резонанси). "Причина появи резонансів у сильних взаємодіях незрозуміла - пише Фейнман, - спочатку теоретики і не припускали, що в теорії поля з великою константою взаємодії існують резонанси. Пізніше вони усвідомили, що якщо константа взаємодії є досить великою, то виникають ізобарні стани. Проте справжнє значення факту існування резонансів для фундаментальної теорії залишається незрозумілою”.

В. Гейзенберг

Поняття "матерії" протягом історії людського мислення неодноразово зазнавало змін. У різних філософських системах його інтерпретували по-різному. Коли ми вживаємо слово "матерія", то треба мати на увазі, що різні значення, які надавалися поняттю "матерія", поки що більшою чи меншою мірою збереглися в сучасній науці.

Рання грецька філософія від Фалеса до атомістів, що шукала єдиний початок у нескінченній зміні всіх речей, сформулювала поняття космічної матерії, світової субстанції, яка зазнає всіх цих змін, з якої всі поодинокі речі виникають і на яку вони зрештою знову перетворюються. Ця матерія частково ідентифікувалася з деякою певною речовиною – водою, повітрям чи вогнем, – частково ж їй не приписували жодних інших якостей, крім якостей матеріалу, з якого виготовлені всі предмети.

Пізніше поняття матерії відігравало важливу роль у філософії Аристотеля - у його ідеях про зв'язок форми та матерії, форми та речовини. Все, що ми спостерігаємо у світі явищ, є оформленою матерією. Матерія, отже, є реальністю не сама по собі, але являє собою лише можливість, "потенцію", вона існує лише завдяки формі 13. У явищах природи "буття", як називає його Аристотель, переходить із можливості в дійсність, в актуально відбулося, завдяки формі. Матерія в Аристотеля є не певною речовиною, як, наприклад, воду або повітря, не є вона також і чистим простором; вона виявляється до певної міри невизначеним тілесним субстратом, який містить у собі можливість перейти завдяки формі в актуальне, насправді. Як типовий приклад цього співвідношення між матерією і формою у філософії Аристотеля наводиться біологічний розвиток, у якому матерія перетворюється на живі організми, і навіть створення людиною твори мистецтва. Статуя потенційно міститься у мармурі до того, як її висікає скульптор.

Тільки значно пізніше, починаючи з філософії Декарта, матерію як щось первинне стали протиставляти духові. Є два аспекти світу, що доповнюють один одного, матерія і дух, або, як висловлювався Декарт, "res extensa" і "res cogitans". Оскільки нові методологічні принципи природознавства, особливо механіки, виключали зведення тілесних явищ до духовних сил, то матерія могла розглядатися лише як особлива реальність, незалежна від людського духу і будь-яких надприродних сил. Матерія в цей період представляється вже сформованою матерією, і процес формування пояснюється причинним ланцюгом механічних взаємодій. Матерія вже втратила зв'язок з "рослинною душею" арістотелівської філософії, і тому дуалізм між матерією та формою в цей час вже не відіграє жодної ролі. Це уявлення про матерію зробило, мабуть, найбільший внесок у те, що ми сьогодні розуміємо під словом "матерія".

Нарешті, у природознавстві ХІХ століття важливу роль грав інший дуалізм, саме дуалізм між матерією і силою, чи, як тоді казали, між силою і речовиною. На матерію можуть впливати сили, і може викликати поява сил. Матерія, наприклад, породжує силу тяжіння, і це сила своєю чергою впливає неї. Сила та речовина є, отже, двома ясно помітними аспектами фізичного світу. Оскільки сили є також формуючими силами, ця відмінність знову наближається до аристотелевського розрізнення матерії та форми. З іншого боку, саме у зв'язку з новітнім розвитком сучасної фізики, ця відмінність сили і речовини повністю зникає, оскільки всяке силове поле містить енергію і в цьому відношенні є також частиною матерії. Кожному силовому полю відповідає певний вид елементарних частинок. Частинки та силові поля - лише дві різні форми прояву однієї й тієї ж реальності.

Коли природознавство вивчає проблему матерії, слід передусім досліджувати форми матерії. Нескінченна різноманітність і мінливість форм матерії мають стати безпосереднім об'єктом дослідження; зусилля мають бути спрямовані на те, щоб знайти закони природи, єдині принципи, які могли б служити спрямовуючою ниткою у цьому нескінченному полі досліджень. Тому точне природознавство і особливо фізика вже давно концентрують свої інтереси на аналізі будови матерії та сил, які цю будову визначають.

З часу Галілея основним методом природознавства є експеримент. Цей метод уможливив перейти від загальних досліджень природи до специфічних досліджень, виділити характеристичні процеси в природі, на основі яких її закони можна вивчати безпосередньо, ніж у загальних дослідженнях. Тобто щодо будови матерії необхідно зробити з неї експерименти. Необхідно поставити матерію в незвичайні умови, щоб вивчити її перетворення в цих обставинах, сподіваючись тим самим пізнати певні фундаментальні риси матерії, які зберігаються за всіх її видимих ​​змін.

З часу формування природознавства нової доби це було однією з найважливіших цілей хімії, в якій досить рано дійшли поняття хімічного елемента. Субстанція, яка не могла бути розкладена або розщеплена далі будь-якими засобами, що були на той час у розпорядженні хіміків: кип'ятінням, спалюванням, розчиненням, змішуванням з іншими речовинами, була названа "елементом". Введення цього поняття було першим і винятково важливим кроком у розумінні будови матерії. Розмаїття наявних у природі речовин було зведено принаймні порівняно малому числу більш простих речовин, елементів, і завдяки цьому серед різних явищ хімії було встановлено певний порядок. Слово " атом " тому й було застосовано до дрібної одиниці матерії, що входить до складу хімічного елемента, і найменша частка хімічної сполуки могла бути наочно представлена ​​вигляді маленької групи різних атомів. Найдрібнішою частинкою елемента заліза виявився, наприклад, атом заліза, і найменша частка води, так звана молекула води, виявилася з атома кисню і двох атомів водню.

Наступним і майже важливим кроком було відкриття збереження маси в хімічних процесах. Якщо, наприклад, спалюється елемент вуглецю і при цьому утворюється двоокис вуглецю, маса двоокису вуглецю дорівнює сумі мас вуглецю і кисню до того, як процес почався. Це відкриття надало поняття матерії насамперед кількісний зміст. Незалежно від хімічних властивостей матерія могла бути виміряна її масою.

Протягом наступного періоду, головним чином XIX столітті, було відкрито велику кількість нових хімічних елементів. У наш час їх число переступило за 100. Це число, однак, цілком ясно говорить про те, що поняття хімічного елемента ще не призвело до того пункту, виходячи з якого можна було б зрозуміти єдність матерії. Припущення у тому, що є дуже багато якісно різних видів матерії, між якими немає ніяких внутрішніх зв'язків, був задовільним.

На початку ХІХ століття було знайдено свідчення на користь наявності взаємозв'язку між різними хімічними елементами. Ці свідчення полягали в тому факті, що атомні ваги багатьох елементів здавалися цілковито кратними деякою найменшою одиницею, яка відповідає атомній вазі водню. Подібність хімічних властивостей деяких елементів також свідчила про існування цього взаємозв'язку. Але тільки завдяки застосуванню сил, які набагато сильніше, ніж ті, що діють у хімічних процесах, можна було дійсно встановити зв'язок між різними елементами і підійти ближче до розуміння єдності матерії.

Увагу фізиків було залучено до цих сил у зв'язку з відкриттям радіоактивного розпаду, здійсненого Беккерелем у 1896 році. У дослідженнях Кюрі, Резерфорда та інших перетворення елементів у радіоактивних процесах було показано з усією очевидністю. Альфа-частинки випускалися у цих процесах у вигляді уламків атомів з енергією, яка приблизно в мільйон разів більша, ніж енергія одиничної частки у хімічному процесі. Отже, ці частинки могли бути використані як новий інструмент для дослідження внутрішньої будови атома. Ядерна модель атома, запропонована Резерфордом в 1911 році, стала результатом експериментів з розсіяння альфа-частинок. Найважливішою рисою цієї відомої моделі було розподілення атома на дві зовсім різні частини - атомне ядро ​​і навколишні атомне ядро ​​електронні оболонки. Атомне ядро ​​займає в центрі лише винятково малу частку всього простору, яке зайняте атомом, - радіус ядра приблизно в сто тисяч разів менший за радіус всього атома; але воно все-таки містить майже всю масу атома. Його позитивний електричний заряд, що є цілочислово кратним так званому елементарному заряду, визначає загальну кількість навколишніх ядро ​​електронів, бо атом як ціле повинен бути електрично нейтральний; він визначає цим і форму електронних траєкторій.

Ця різниця між атомним ядром і електронною оболонкою відразу дало узгоджене пояснення того факту, що в хімії саме хімічні елементи є останніми одиницями матерії і що перетворення елементів один в одного необхідні дуже великі сили. Хімічні зв'язки між сусідніми атомами пояснюються взаємодією електронних оболонок і енергії взаємодії при цьому порівняно малі. Електрон, прискорений в розрядній трубці потенціалом всього в кілька вольт, має достатню енергію, щоб "розпушити" електронні оболонки і викликати випромінювання світла або зруйнувати хімічний зв'язок у молекулі. Але хімічна поведінка атома, хоча в основі його лежить поведінка електронних оболонок, визначається електричним зарядом атомного ядра. Якщо хочуть змінити хімічні властивості, потрібно змінити саме атомне ядро, а це вимагає енергій, які приблизно в мільйон разів більше, ніж ті, що мають місце при хімічних процесах.

Але ядерна модель атома, що розглядається як система, в якій виконуються закони ньютонівської механіки, не може пояснити стабільність атома. Як було встановлено в одному з попередніх розділів, тільки застосування цієї моделі квантової теорії може пояснити той факт, що, наприклад, атом вуглецю, після того як він взаємодіяв з іншими атомами або випромінював квант світла, залишається в кінцевому рахунку атомом вуглецю , з тією ж електронною оболонкою, яку він мав раніше. Цю стабільність можна просто пояснити на основі тих самих рис квантової теорії, які уможливлюють об'єктивний опис атома в просторі та в часі.

Цим шляхом було, отже, створено початкову основу розуміння будови матерії. Хімічні та інші властивості атомів можна було пояснити, застосовуючи до електронних оболонок математичну схему квантової теорії. Виходячи з цієї підстави, далі можна було намагатися вести аналіз будови матерії у двох різних напрямках. Можна було або вивчати взаємодію атомів, їх відношення до більших одиниць, таких, як молекули або кристали або біологічні об'єкти, або ж можна було намагатися, досліджуючи атомне ядро ​​та його складові, просунутися до того пункту, в якому стала б зрозумілою єдність матерії . Фізичні дослідження форсовано розвивалися у минулі десятиліття обох напрямах. Подальший виклад буде присвячено з'ясування ролі квантової теорії в обох цих областях.

Сили між сусідніми атомами є насамперед електричними силами - йдеться про тяжіння протилежних зарядів і відштовхування між однойменними; електрони притягуються атомним ядром та відштовхуються іншими електронами. Але ці сили діють не за законами ньютонівської механіки, а, по законам квантової механіки.

Це веде до двох різних типів зв'язку між атомами. При одному типі зв'язку електрон одного атома переходить до іншого атома, наприклад для того, щоб заповнити ще не зовсім заповнену електронну оболонку. У цьому випадку обидва атоми виявляються зрештою електрично зарядженими і одержують назву "іонів"; оскільки їх заряди у разі протилежні, вони взаємно притягуються. Хімік говорить у цьому випадку про "полярний зв'язок".

При другому типі зв'язку електрон певним чином, характерним лише для квантової теорії, належить обом атомам. Якщо використовувати картину електронних орбіт, можна приблизно сказати, що електрон звертається навколо обох атомних ядер і значну частку часу проводить як і одному, і у іншому атомі. Цей другий тип зв'язку відповідає тому, що хімік називає "валентним зв'язком".

Ці два типи зв'язку, які можуть існувати у всіляких комбінаціях, викликають зрештою утворення різних сукупностей атомів і виявляються, зрештою, визначальними усі складні структури, що вивчаються фізикою та хімією. Отже, хімічні сполуки утворюються завдяки тому, що з різного роду атомів виникають невеликі замкнуті групи, і кожна група може бути названа молекулою хімічної сполуки. При утворенні кристалів атоми розташовуються як упорядкованих решіток. Метали утворюються тоді, коли атоми розташовані так щільно, що зовнішні електрони залишають свої оболонки та можуть проходити крізь увесь шматок металу. Магнетизм деяких речовин, особливо деяких металів, виникає внаслідок обертального руху окремих електронів у цьому металі тощо.

У всіх цих випадках дуалізм між матерією та силою ще може бути збережений, оскільки ядра та електрони можна розглядати як будівельну цеглу матерії, яка утримується разом з електромагнітними силами.

У той час як фізика та хімія (там, де вони мають відношення до будови матерії) становлять єдину науку, в біології з її складнішими структурами становище складається дещо по-іншому. Правда, незважаючи на цілісність живих організмів, що кидається в очі, різка відмінність між живою і неживою матерією, ймовірно, проведено бути не може. Розвиток біології дало нам велику кількість прикладів, у тому числі можна бачити, що специфічно біологічні функції можуть виконуватися особливими великими молекулами чи групами, чи ланцюгами таких молекул. Ці приклади наголошують на тенденції в сучасній біології пояснювати біологічні процеси як наслідок законів фізики та хімії. Але рід стабільності, який ми вбачаємо у живих організмах, за своєю природою дещо відрізняється від стабільності атома чи кристала. У біології йдеться скоріше про стабільність процесу чи функції, ніж про стабільність форми. Безперечно, квантово-механічні закони грають у біологічних процесах дуже важливу роль. Наприклад, розуміння великих органічних молекул та його різноманітних геометричних змін істотні специфічні квантово-механические сили, які лише кілька неточно може бути описані з урахуванням поняття хімічної валентності. Досліди з біологічних мутацій, викликаним випромінюванням, показують також як важливість статистичного характеру квантово-механічних законів, і існування механізмів посилення. Тісна аналогія між процесами в нашій нервовій системі та процесами, які мають місце при функціонуванні сучасної електронної лічильної машини, знову наголошує на важливості для живого організму окремих елементарних процесів. Але всі ці приклади все-таки не доводять, що фізика та хімія, доповнені вченням про розвиток, уможливлять повний опис живих організмів. Біологічні процеси повинні трактуватися натуралістами-експериментаторами з більшою обережністю, ніж процеси фізики та хімії. Як пояснив Бор, цілком може виявитися, що опис живого організму, який з погляду фізика може бути названий повним, зовсім не існує, тому що цей опис зажадав би таких експериментів, які мали б прийти в занадто сильний конфлікт з біологічними функціями організму. Бор описав цю ситуацію так: у біології ми маємо справу швидше з реалізацією можливостей у тій частині природи, до якої ми належимо, ніж з результатами експериментів, які ми можемо зробити. Ситуація додатковості, в якій дієве це формулювання, відображається як тенденція в методах сучасної біології: з одного боку, повністю використовувати методи та результати фізики та хімії і, з іншого боку, все ж таки постійно вживати поняття, які відносяться до тих рис органічної природи, які не містяться у фізиці та хімії, як, наприклад, поняття самого життя.

Поки ми провели, отже, аналіз будови матерії в одному напрямку - від атома до більш складних структур, що складаються з атомів: від атомної фізики до фізики твердого тіла, до хімії і, нарешті, до біології. Тепер ми повинні повернути в протилежному напрямку і простежити лінію досліджень, спрямовану від зовнішніх областей атома до внутрішніх областей, атомного ядра і, нарешті, елементарних частинок. Тільки ця друга лінія приведе нас, можливо, до розуміння єдності матерії. Тут не треба боятися, що характеристичні структури будуть самі зруйновані в дослідах. Якщо поставлено завдання перевірити в дослідах принципову єдність матерії, то ми можемо піддати матерію дії найсильніших з можливих сил, впливу граничних умов, щоб побачити, чи може, зрештою матерія бути перетворена на якусь іншу матерію.

Першим кроком у цьому напрямі був експериментальний аналіз атомного ядра. У початкові періоди цих досліджень, які заповнюють приблизно перші три десятки років нашого століття, єдиним інструментом для експериментів над атомним ядром були альфа-частинки, що випускаються радіоактивними речовинами. За допомогою цих частинок Резерфорду вдалося в 1919 перетворити один на одного атомні ядра легких елементів. Він зміг, наприклад, ядро ​​азоту перетворити на ядро ​​кисню, приєднуючи до ядра азоту альфа-частинку і в той же час вибиваючи з нього протон. Це був перший приклад процесу на відстанях порядку радіусів атомних ядер, що нагадував хімічні процеси, але вів до штучного перетворення елементів. Наступним вирішальним успіхом було штучне прискорення протонів у приладах високої напруги до енергій, достатніх ядерних перетворень. Для цієї мети необхідні різниці напруг приблизно в мільйон вольт, і Кокрофту і Уолтону в їхньому першому вирішальному експерименті вдалося перетворити атомні ядра елемента літію на атомні ядра елемента гелію. Це відкриття виявило для досліджень зовсім нове поле, яке може бути назване ядерною фізикою у власному значенні слова і яке дуже швидко спричинило якісне розуміння будови атомного ядра.

Насправді будова атомного ядра виявилася дуже простою. Атомне ядро ​​складається з двох різних видів елементарних частинок. Одна з елементарних частинок – протон, що є одночасно ядром атома водню. Інша була названа нейтроном, частка, що має приблизно ту ж масу, що і протон, і, крім того, електрично нейтральна. Кожне атомне ядро ​​можна таким чином охарактеризувати загальним числом протонів і нейтронів, з яких воно складається. Ядро звичайного атома вуглецю складається з 6 протонів та 6 нейтронів. Але є також інші ядра атомів вуглецю, які є дещо рідкісними - вони були названі ізотопами перших - і які складаються з 6 протонів і 7 нейтронів і т. д. Так зрештою дійшли опису матерії, в якому замість багатьох різних хімічних елементів використовувалися лише три основні одиниці, три фундаментальні будівельні цеглини - протон, нейтрон і електрон. Вся матерія складається з атомів і побудована тому зрештою з цих трьох основних будівельних цегли. Це ще, звичайно, не означає єдності матерії, але, безперечно, означає важливий крок у напрямку цієї єдності і, що було, мабуть, ще важливіше, означає суттєве спрощення. Щоправда, попереду був ще довгий шлях від знання цих основних будівельних цеглин атомного ядра до повного розуміння його будови. Тут проблема була дещо відмінною від відповідної проблеми щодо зовнішньої оболонки атома, вирішеної в середині двадцятих років. У випадку електронної оболонки сили між частинками були відомі з великою точністю, але, крім того, мали бути знайдені динамічні закони, і вони врешті-решт були сформульовані в квантовій механіці. Що стосується атомного ядра можна було цілком припустити, що динамічними законами є переважно закони квантової теорії, але тут були передусім невідомі сили між частками. Їх потрібно було вивести з експериментальних властивостей атомних ядер. Ця проблема не може бути вирішена повністю ще й досі. Сили, ймовірно, не мають такого простого вигляду, як у разі електростатичних сил між електронами у зовнішніх оболонках, і тому математично вивести властивості атомних ядер із складніших сил важче, і, крім того, прогресу перешкоджає неточність експериментів. Але якісні уявлення про структуру ядра набули цілком певного вигляду.

Зрештою, як остання найважливіша проблема залишається проблема єдності матерії. Чи є ці елементарні частинки - протон, нейтрон і електрон останніми, нерозкладними будівельними цеглами матерії, іншими словами, "атомами" у сенсі філософії Демокрита, без будь-яких взаємних зв'язків (відволікаючись від діючих між ними сил), або вони є тільки різними формами однієї й тієї виду матерії? Далі, чи можуть вони перетворюватися один на одного чи навіть інші форми матерії? Якщо вирішувати цю проблему експериментально, то для цього потрібні сили та сконцентровані на атомних частках енергії, які мають бути у багато разів більшими, ніж ті, які були використані для дослідження атомного ядра. Так як запаси енергії в атомних ядрах недостатньо великі, щоб забезпечити нам засоби для проведення таких експериментів, то фізики повинні або скористатися силами в космосі, тобто в просторі між зірками, на поверхні зірок, або вони повинні довіритися вмінню інженерів.

Насправді успіхів було досягнуто на обох шляхах. Насамперед фізики використовували так зване космічне випромінювання. Електромагнітні поля на поверхні зірок, що простягаються на гігантські простори, за сприятливих умов можуть прискорити заряджені атомні частинки, електрони та атомні ядра, які, як виявилося, внаслідок своєї більшої інерції мають більше можливостей довше залишатися в прискорювальному полі, і коли вони в кінці Зрештою йдуть з поверхні зірки в порожній простір, іноді встигають пройти потенційні поля в багато мільярдів вольт. Подальше прискорення за сприятливих умов відбувається ще змінних магнітних полях між зірками. У всякому разі, виявляється, що атомні ядра довгий час утримуються змінними магнітними полями в просторі Галактики, і врешті-решт вони таким чином заповнюють простір Галактики тим, що називають космічним випромінюванням. Це випромінювання досягає Землі ззовні і, отже, складається з усіх можливих атомних ядер - водню, гелію і більш важких елементів - енергії яких змінюються приблизно від сотень або тисяч мільйонів електрон-вольт до величин, у мільйон разів більших. Коли частинки цього висотного випромінювання вторгаються у верхні шари атмосфери Землі, вони зіштовхуються тут з атомами азоту чи кисню атмосфери чи атомами будь-якого експериментального устрою, яке піддають впливу космічного випромінювання. Результати впливу можуть бути досліджені.

Інша можливість полягає у конструюванні дуже великих прискорювачів елементарних частинок. Прототипом для них може вважатися так званий циклотрон, який був сконструйований в Каліфорнії на початку тридцятих років Лоуренсом. Основна ідея конструкції цих установок полягає в тому, що завдяки сильному магнітному полю заряджені атомні частинки змушують багаторазово обертатися по колу, тому вони на цьому коловому шляху можуть знову і знову прискоритися електричним полем. Установки, в яких можуть бути досягнуті енергії у багато сотень мільйонів електрон-вольт, нині діють у багатьох місцях земної кулі, головним чином у Великій Британії. Завдяки співпраці 12 європейських країн у Женеві будується дуже великий прискорювач такого роду, який, як сподіваються, даватиме протони енергією до 25 мільйонів електрон-вольт. Експерименти, проведені за допомогою космічного випромінювання або великих прискорювачів, виявили нові цікаві риси матерії. Крім трьох основних будівельних цегли матерії - електрона, протона і нейтрону, - були відкриті нові елементарні частинки, які породжуються в цих зіткненнях, що відбуваються при високих енергіях і які після закінчення виключно малих проміжків часу зникають, перетворюючись на інші елементарні частинки. Нові елементарні частинки мають властивості, подібні до властивостей старих, за винятком своєї нестабільності. Навіть найстабільніші серед нових елементарних частинок мають тривалість життя лише близько мільйонної частки секунди, а час життя інших – ще в сотні чи тисячі разів менший. В даний час відомо приблизно 25 різних видів елементарних частинок. Наймолодша з них - негативно заряджений протон, який називають антипротоном.

Ці результати здаються на перший погляд знову відводять в бік від ідей про єдність матерії, оскільки кількість фундаментальних будівельних цегли матерії, мабуть, знову збільшилася до кількості, порівнянної з кількістю різних хімічних елементів. Але це було б неточним тлумаченням дійсного стану речей. Адже експерименти одночасно показали, що частинки виникають з інших частинок і можуть бути перетворені на інші частинки, що вони утворюються просто з кінетичної енергії таких частинок і можуть знову зникнути, тому з них виникнуть інші частинки. Тобто, експерименти показали повну перетворюваність матерії. Всі елементарні частинки в зіткненнях досить великої енергії можуть перетворитися на інші частинки або просто створені з кінетичної енергії; і вони можуть перетворитися на енергію, наприклад на випромінювання. Отже, ми маємо тут фактично остаточний доказ єдності матерії. Всі елементарні частинки "зроблені" з однієї і тієї ж субстанції, з того самого матеріалу, який ми тепер можемо назвати енергією або універсальною матерією; вони лише різні форми, в яких може проявлятися матерія.

Якщо порівняти цю ситуацію з поняттям матерії та форми у Арістотеля, то можна сказати, що матерію Арістотеля, яка в основному була "потенцією", тобто можливістю, слід порівнювати з нашим поняттям енергії; коли елементарна частка народжується, енергія виявляє себе завдяки формі як матеріальна реальність.

Сучасна фізика неспроможна, природно, задовольнитися лише якісним описом фундаментальної структури матерії; вона має спробувати з урахуванням ретельно проведених експериментів поглибити аналіз до математичної формулювання законів природи, визначальних форми матерії, саме елементарні частки та його силы. Чітке розмежування між матерією і силою або силою і речовиною в цій частині фізики більше проведено бути не може, тому що будь-яка елементарна частка не тільки сама породжує сили і сама зазнає впливу сил, але і в той же час сама представляє в даному випадку певне силове поле. Квантово-механічний дуалізм хвиль і частинок є причиною того, що та сама реальність проявляє себе і як матерія, і як сила.

Усі спроби знайти математичний опис законів природи у світі елементарних частинок досі починалися з квантової теорії хвильових полів. Теоретичні дослідження в цій галузі були здійснені на початку тридцятих років. Але вже перші роботи в цій галузі виявили дуже серйозні труднощі в області, де квантову теорію намагалися поєднати зі спеціальною теорією відносності. З першого погляду здається, ніби дві теорії, квантова і теорія відносності, відносяться до настільки різних сторін природи, що практично вони ніяк не можуть впливати один на одного і тому вимоги обох теорій повинні бути легко здійснені в тому самому формалізмі. Але найточніше дослідження показало, що обидві ці теорії вступають у певному пункті у конфлікт, у результаті і відбуваються всі подальші труднощі.

Спеціальна теорія відносності розкрила структуру простору та часу, яка виявилася дещо відмінною від структури, що приписувалася їм від часу створення ньютонівської механіки. Найбільш характерна риса цієї знову відкритої структури - існування максимальної швидкості, яка не може бути перевищена будь-яким тілом, що рухається, або сигналом, що поширюється, тобто швидкості світла. Як наслідок цієї дві події, що мають місце у двох дуже віддалених один від одного точках, не можуть мати ніякого безпосереднього причинного зв'язку, якщо вони відбуваються в такі моменти часу, коли світловий сигнал, що виходить в момент першої події з цієї точки, досягає іншої тільки після моменту здійснення іншої події і навпаки. У цьому випадку обидві події можна назвати одночасними. Оскільки будь-який вплив будь-якого роду не може передатися від одного процесу в один момент часу іншому процесу в інший момент часу, обидва процеси не можуть бути пов'язані ніяким фізичним впливом.

Тому вплив на великі відстані так, як воно виступає у разі сил тяжіння в ньютонівській механіці, виявилося несумісним зі спеціальною теорією відносності. Нова теорія мала замінити таку дію "близькодіяльністю", тобто передачею сили з однієї точки тільки безпосередньо сусідній точці. Природним математичним виразом взаємодій цього роду виявилися диференціальні рівняння хвиль чи полів, інваріантні щодо перетворення Лоренца. Такі диференціальні рівняння виключають будь-яке пряме вплив одночасних подій друг на друга.

Тому структура простору та часу, що виражається спеціальною теорією відносності, гранично різко відмежовує область одночасності, в якій не може бути передано ніякий вплив, від інших областей, в яких безпосередній вплив одного процесу на інший може мати місце.

З іншого боку, співвідношення невизначеностей квантової теорії встановлює жорстку межу точності, з якою можуть бути одночасно виміряні координати та імпульси або моменти часу та енергії. Так як гранично різка межа означає нескінченну точність фіксації положення в просторі і в часі, то відповідні імпульси та енергії повинні бути повністю невизначеними, тобто з переважною ймовірністю повинні виступити на перший план процеси навіть з будь-якими великими імпульсами та енергіями. Тому будь-яка теорія, яка одночасно виконує вимоги спеціальної теорії відносності та квантової теорії, веде, виявляється, до математичних протиріч, а саме до розбіжностей у галузі дуже великих енергій та імпульсів. Ці висновки не обов'язково можуть мати необхідний характер, тому що будь-який формалізм розглянутого тут роду є дуже складним, і можливо ще, що будуть знайдені математичні засоби, які допоможуть усунути в цьому пункті протиріччя між теорією відносності та квантовою теорією. Але досі все-таки всі математичні схеми, які були досліджені, приводили справді до таких розбіжностей, тобто до математичних протиріч, або ж вони виявлялися недостатніми, щоб задовольнити всі вимоги обох теорій. Крім того, було очевидно, що труднощі справді виникають із щойно розглянутого пункту.

Той пункт, в якому математичні схеми, що сходяться, не задовольняють вимогам теорії відносності або квантової теорії, виявився дуже цікавим вже сам по собі. Одна з таких схем вела, наприклад, коли її намагалися інтерпретувати за допомогою реальних процесів у просторі та часі, до деякого роду поводження часу; вона описувала процеси, у яких у певній точці раптово відбувалося народження кількох елементарних частинок, а енергія при цьому процесу надходила лише пізніше завдяки якимось іншим процесам зіткнення між елементарними частинками. Фізики ж на підставі своїх експериментів переконані, що процеси такого роду в природі не мають місця, принаймні тоді, коли обидва процеси відокремлені одна від одної деякою вимірною відстанню у просторі та часі.

В іншій теоретичній схемі спроба усунути розбіжності формалізму робилася на основі математичного процесу, який був названий "перенормуванням". Цей процес полягає в тому, що нескінченності формалізму можна було пересунути в таке місце, де вони не можуть перешкодити отриманню строго визначених співвідношень між величинами, що спостерігаються. Дійсно, ця схема вже призвела до певної міри до вирішальних успіхів у квантовій електродинаміці, тому що вона дає спосіб розрахунку деяких дуже цікавих особливостей у спектрі водню, які до цього були незрозумілі. Більш точний аналіз цієї математичної схеми зробив, однак, правдоподібним висновок про те, що ті величини, які у звичайній квантовій теорії мають бути витлумачені як ймовірності, можуть у даному випадку за деяких обставин після того, як процес перенормування проведений, стати негативними. Це виключало б, зрозуміло, несуперечливе тлумачення формалізму для опису матерії, оскільки негативна ймовірність - безглузде поняття.

Тим самим ми вже дійшли проблем, які нині стоять у центрі дискусій у сучасній фізиці. Рішення буде отримано коли-небудь завдяки експериментальному матеріалу, що постійно збагачується, який видобувається в дедалі більш точних вимірах елементарних частинок, їх породження і знищення, сил, що діють між ними. Якщо шукати можливі розв'язання цих труднощів, то, можливо, слід згадати, що такі процеси з видимим зверненням часу, обговорені вище, не можна виключити виходячи з експериментальних даних у разі, якщо вони мають місце лише всередині дуже малих просторово-часових областей , всередині яких із нашим теперішнім експериментальним обладнанням детально простежити процеси ще неможливо. Зрозуміло, при теперішньому стані нашого знання ми навряд чи готові визнати можливість таких процесів зі зверненням часу, якщо з цього і випливає можливість на якійсь пізнішій стадії розвитку фізики спостерігати такі процеси таким же чином, як спостерігають звичайні атомні процеси. Але тут порівняння аналізу квантової теорії та аналізу теорії відносності дозволяє уявити проблему в новому світлі.

Теорія відносності пов'язана з універсальною постійною природою - зі швидкістю світла. Ця постійна має вирішальне значення для встановлення зв'язку між простором і часом і тому має сама по собі утримуватися у будь-якому законі природи, що відповідає вимогам інваріантності щодо перетворень Лоренца. Наша звичайна мова та поняття класичної фізики можуть бути застосовані тільки до явищ, для яких швидкість світла може розглядатися практично нескінченно великою. Якщо ми в наших експериментах у будь-якій формі наближаємося до швидкості світла, то маємо бути підготовлені до появи результатів, які більше не можуть бути пояснені за допомогою цих звичайних понять.

Квантова теорія пов'язана з іншою універсальною постійною природою - з планківським квантом дії. Об'єктивний опис процесів у просторі та у часі виявляється можливим лише тоді, коли ми маємо справу з предметами та процесами порівняно великих масштабів, а саме тоді постійну Планку можна розглядати як практично нескінченно малу. Коли ми в наших експериментах наближаємося до області, в якій планковий квант дії стає суттєвим, ми приходимо до всіх труднощів із застосуванням звичайних понять, які були обговорені в попередніх розділах цієї книги.

Але має бути ще третя універсальна постійна природа. Це просто, як кажуть фізики, з міркувань розмірності. Універсальні постійні визначають величини масштабів у природі, вони дають нам характеристичні величини, яких можна звести всі інші величини у природі. Для повного набору таких одиниць необхідні три основні одиниці. Найпростіше укласти з звичайних угод про одиницях, як, наприклад, з використання фізиками системи CQS (сантиметр - грам - секунда). Одиниці довжини, одиниці часу та одиниці маси разом достатньо, щоб утворити повну систему. Необхідно щонайменше три основні одиниці. Їх можна було б замінити також одиницями довжини, швидкості та маси або одиницями довжини, швидкості та енергії і т. д. Але три основні одиниці необхідні у всякому разі. Швидкість світла і планковський квант дії дають нам, проте, лише з цих величин. Повинна бути ще третя, і лише теорія, що містить таку третю одиницю, можливо, здатна вести визначення мас та інших властивостей елементарних частинок. Якщо виходити з наших сучасних знань про елементарні частинки, то, мабуть, найпростішим і найприйнятнішим шляхом введення третьої універсальної постійної є припущення про те, що існує універсальна довжина порядку величини 10-13 см, довжина порівняна приблизно з радіусами легень атомних ядер. Якщо з. цих трьох одиниць утворити вираз, що має розмірність маси, ця маса має порядок величини маси звичайних елементарних частинок.

Якщо припустити, що закони природи дійсно містять таку третю універсальну постійну розмірність довжини порядку величини 10-13 см, тоді цілком можливо, що наші звичайні уявлення можуть бути застосовні тільки до таких областей простору і часу, які великі в порівнянні з цією універсальною постійною довжиною . У міру наближення у своїх експериментах до областей простору та часу, малим порівняно з радіусами атомних ядер, ми маємо бути готовими до того, що спостерігатимуться процеси якісно нового характеру. Явище звернення часу, про який говорилося вище і поки що тільки як про можливість, що виводиться з теоретичних міркувань, могло б тому належати до цих дрібних просторово-часових областей. Якщо це так, то, ймовірно, його було б не можна спостерігати таким чином, що відповідний процес міг би бути описаний у класичних поняттях. І все ж тією мірою, якою такі процеси можуть бути описані класичними поняттями, вони повинні виявляти також і класичний порядок проходження в часі. Але поки про процеси в найменших просторово-часових областях - або (що відповідно до співвідношення невизначеностей приблизно відповідає цьому висловлюванню) при найбільших енергіях, що передаються, і імпульсах - відомо занадто мало.

У спробах досягти на основі експериментів над елементарними частинками більшого знання про закони природи, що визначають будову матерії і тим самим структуру елементарних частинок, особливо важливу роль відіграють певні властивості симетрії. Ми нагадаємо про те, що у філософії Платона найменші частинки матерії були абсолютно симетричними утвореннями, а саме правильними тілами - кубом, октаедром, ікосаедром, тетраедром. У сучасній фізиці, щоправда, ці спеціальні групи симетрії, що виходять із групи обертань у тривимірному просторі, більше не стоять у центрі уваги. Те, що має місце в природознавстві нового часу, в жодному разі не є просторовою формою, а являє собою закон певною мірою просторово-часову форму, і тому симетрії, що застосовуються в нашій фізиці, повинні завжди ставитися до простору і часу спільно . Але певні типи симетрії, здається, насправді грають теоретично елементарних частинок найважливішу роль.

Ми пізнаємо їх емпірично завдяки так званим законам збереження та завдяки системі квантових чисел, за допомогою яких можна впорядкувати відповідно до досвіду події у світі елементарних частинок. Математично ми можемо висловити їх за допомогою вимоги, щоб основний закон природи для матерії був інваріантним щодо певних груп перетворень. Ці групи перетворень є найпростішим математичним виразом властивостей симетрії. Вони виступають у сучасній фізиці замість тіл Платона. Найважливіші тут коротко перераховані.

Група про перетворень Лоренца характеризує розкриту спеціальної теорією відносності структуру простору і часу.

Група, досліджена Паулі та Гюрші, відповідає за своєю структурою групі тривимірних просторових обертань - вона їй ізоморфна, як кажуть математики, - і виявляє себе в появі квантового числа, яке емпірично було відкрито у елементарних частинок вже двадцять п'ять років тому і отримало назву "Ізоспін".

Дві наступні групи, які ведуть себе формально як групи обертань навколо жорсткої осі, призводять до законів збереження для заряду, для баріонів і для числа лептонів.

Нарешті, закони природи мають бути інваріантними ще щодо певних операцій відображення, які тут немає потреби перераховувати докладно. З цього питання особливо важливими та плідними виявилися дослідження Лі та Янга, згідно з ідеєю яких величина, яка називається парністю і для якої раніше передбачався справедливим закон збереження, насправді не зберігається.

Усі відомі досі властивості симетрії вдається виразити з допомогою простого рівняння. Причому під цим розуміється, що це рівняння є інваріантним щодо всіх названих груп перетворень, і тому можна думати, що це рівняння вже правильно відображає закони природи для матерії. Але вирішення цього питання ще немає, воно буде отримано тільки з часом за допомогою більш точного математичного аналізу цього рівняння та за допомогою порівняння з експериментальним матеріалом, що збирається у дедалі більших розмірах.

Але й відволікаючись від цієї можливості, можна сподіватися, що завдяки узгодженню експериментів у галузі елементарних частинок найвищих енергій з математичним аналізом їх результатів колись вдасться дійти повного розуміння єдності матерії. Вираз "повне розуміння" означало б, що форми матерії - приблизно тому сенсі, у якому вживав цей термін у своїй філософії Аристотель, - виявилися б висновками, тобто рішеннями замкнутої математичної схеми, що відображає закони природи для матерії.

Список літератури

Для підготовки даної роботи було використані матеріали із російського сайту internet

Репетиторство

Потрібна допомога з вивчення якоїсь теми?

Наші фахівці проконсультують або нададуть репетиторські послуги з цікавої для вас тематики.
Надішліть заявкуіз зазначенням теми прямо зараз, щоб дізнатися про можливість отримання консультації.

Якщо ви вважали, що ми канули в лету зі своїми мозковими темами, що повертають, то поспішаємо вас засмутити порадувати: ви помилялися! Насправді весь цей час ми намагалися знайти прийнятну методику викладу божевільних тем пов'язаних із квантовими парадоксами. Ми написали кілька варіантів чернеток, але всі вони були викинуті на мороз. Бо коли йдеться про пояснення квантових приколів, то ми й самі плутаємось і визнаємо, що багато чого не розуміємо (та й взагалі мало хто розуміє у цій справі, включаючи крутих світових учених). На жаль, квантовий світ настільки чужий для обивательського світогляду, що зовсім не соромно зізнатися у своєму нерозумінні і намагатися потроху разом розібратися хоча б в основах.

І хоча ми, як завжди, постараємося розповідати гранично доступно з картинками з гугла, недосвідченому читачеві знадобиться деяка початкова підготовка, тому рекомендуємо переглянути наші попередні теми, особливо про кванти та матерію.
Спеціально для гуманітаріїв та інших - квантові парадокси. Частина 1.

У цій темі ми поговоримо про повсякденну загадку квантового світу - корпускулярно-хвильовому дуалізмі. Коли ми говоримо "найзвичайніша" ми маємо на увазі, що фізикам вона вже приїлася настільки, що начебто і не здається загадкою. Але це все тому, що решта квантових парадокси обивательському розуму прийняти ще складніше.

А справа була така. У старі добрі часи десь у середині 17 століття Ньютон і Гюйгенс розійшлися на думці, що є світло: Ньютон без сорому совісті заявив, що світло це потік частинок, а старовина Гюйгенс намагався довести, що світло це хвиля. Але Ньютон був авторитетнішим, тому його заява про природу світла була прийнята як істинна, а над Гюйгенсом посміялися. І двісті років світло вважали потоком якихось невідомих частинок, природу яких якось сподівалися відкрити.

На початку 19 століття один сходознавець на ім'я Томас Юнг балувався з оптичними приладами - в результаті він взяв і провів експеримент, який зараз називають досвідом Юнга, і кожен фізик вважає цей досвід священним.

Томас Юнг лише направив промінь (одного кольору, щоб частота була приблизно однакова) світла через два прорізи в пластині, а позаду поставив ще одну пластину-екран. І показав результат своїм колегам. Якби світло було потоком частинок, то ми побачили б на задньому фоні дві світлі смуги.
Але, на жаль всього наукового світу, на екрані-пластині з'явилася низка темних і світлих смуг. Звичайне явище, яке називається інтерференцією - накладання двох (і більше хвиль) одна на одну.

До речі, саме завдяки інтерференції ми спостерігаємо райдужні переливи на плямі олії чи мильному міхурі.

Інакше висловлюючись, Томас Юнг експериментально довів, що це хвилі. Вчений світ довго не хотів вірити Юнгу, і в свій час його так закрикували, що той навіть відмовився від своїх ідей хвильової теорії. Але впевненість у своїй правоті таки перемогла, і вчені почали вважати світло хвилею. Щоправда, хвилею чогось – це було загадкою.
Ось на малюнку старий добрий досвід Юнга.

Слід сказати, хвильова природа світла не сильно вплинула на класичну фізику. Вчені переписали формули і стали вважати, що незабаром увесь світ впаде до їхніх ніг під єдиною універсальною формулою всього.
Але ви вже здогадалися, що Ейнштейн, як завжди, все зіпсував. Біда підкралася з іншого боку - спочатку вчені заморочилися розрахунком енергії теплових хвиль і відкрили поняття квантів (обов'язково почитайте нашу відповідну тему " " ). А потім за допомогою цих квантів Ейнштейн завдав удару з фізики, пояснивши явище фотоефекту.

Коротко: фотоефект (одне із наслідків якого є засвічування плівки) це вибивання світлом електронів із деяких матеріалів. Технічно це вибивання відбувається так, наче світло це частка. Частинку світла Ейнштейн назвав квантом світла, а потім їй надали ім'я - фотон.

У 1920 році до антихвильової теорії світла додався дивовижний ефект Комптона: коли електрон обстрілюють фотонами, то фотон відскакує від електрона зі втратою енергії ("стріляємо" синім кольором, а відлітає вже червона), як більярдна куля від іншого. Комптон за це схопив нобелівську премію.

Цього разу фізики застерегли ось так запросто відмовлятися від хвильової природи світла, а натомість міцно замислилися. Наука постала перед жахливою загадкою: так все ж таки світло це хвиля чи частка?

У світла, як і будь-якої хвилі, є частота - і це легко перевірити. Ми бачимо різні кольори, тому що кожен колір це просто різні частоти електромагнітної (світлової) хвилі: червоний – маленька частота, фіолетовий – велика частота.
Але дивно: довжина хвилі видимого світла в п'ять тисяч разів більша за розмір атома - як така "штука" влазить в атом, коли атом поглинає цю хвилю? Якщо тільки фотон це частка, можна порівняти за розмірами з атомом. Фотон одночасно і великий та маленький?

До того ж фотоефект і ефект Комптона однозначно доводять, що світло це все-таки потік частинок: не можна пояснити, яким чином хвиля передає енергію локалізованим у просторі електронам - якби світло було хвилею, то деякі електрони були б вибиті пізніше, ніж інші, і явище фотоефекту ми б не спостерігали. Але у разі потоку окремо взятий фотон стикається з окремо взятим електроном і за певних умов вибиває його з атома.

У результаті було вирішено: світло це водночас і хвиля та частка. Точніше, і ні те й ні інше, а нова невідома раніше форма існування матерії: явища, які ми спостерігаємо, це лише проекції або тіні реального стану справ, залежно від того, як дивитися на те, що відбувається. Коли ми дивимося на тінь циліндра, освітленого з одного боку, бачимо коло, а при освітленні з іншого боку - прямокутна тінь. Так і з корпускулярно-хвильовим уявленням світла.

Але тут все непросто. Не можна говорити, що ми вважаємо світло або хвилею, або потоком частинок. Подивіться у вікно. Несподівано навіть у чисто вимитому склі ми бачимо своє, нехай нечітке, але відображення. У чому каверза? Якщо світло – це хвиля, то пояснити відображення у вікні просто – подібні ефекти ми бачимо на воді, коли хвиля відбивається від перешкоди. Але якщо світло – це потік частинок, то пояснити відображення так просто не вийде. Адже всі фотони однакові. Однак якщо всі вони однакові, то і перешкода у вигляді шибки повинна однаково на них впливати. Або всі вони проходять крізь скло, або всі відбиваються. А в суворій реальності частина фотонів пролітає через скло, і ми бачимо сусідній будинок і спостерігаємо своє відображення.

І єдине пояснення, яке спадає на думку: фотони самі собі на думці. Не можна зі стовідсотковою ймовірністю передбачити, як поведеться конкретний фотон - зіткнеться зі склом як частка або хвиля. Це основа квантової фізики – абсолютно, абсолютно випадкова поведінка матерії на мікрорівні без будь-якої причини (а у своєму світі великих величин ми з досвіду знаємо, що все має причину). Це ідеальний генератор випадкових чисел на відміну від монетки, що підкидається.

Геніальний Ейнштейн, який відкрив фотон, до кінця життя був упевнений, що квантова фізика помиляється, і запевняв усіх, що Бог не грає в кістки. Але сучасна наука дедалі підтверджує: таки грає.

Так чи інакше, але одного разу вчені вирішили поставити жирну крапку в суперечці "хвиля або частка" і відтворити досвід Юнга з урахуванням технологій XX століття. До цього часу вони навчилися куляти фотонами по одному (квантові генератори, відомі серед населення під ім'ям "лазери"), і тому було задумано перевірити, що буде на екрані у разі, якщо вистрілити двома щілинами однією часткою: ось і стане зрозуміло, нарешті , чим є матерія при контрольованих умовах експерименту.

І раптово - одиночний квант світла (фотон) показав інтерференційну картинку, тобто частка пролітала через обидві щілини одночасно, фотон інтерферував сам із собою (якщо говорити вченою мовою). Уточнимо технічний момент - насправді інтерференційну картинку показав не один фотон, а серія пострілів по одній частинці з інтервалами в 10 секунд - згодом на екрані проявилися юнгівські смуги, знайомі будь-якому трієчнику з 1801 року.

З погляду хвилі це логічно – хвиля проходить через щілини, і тепер дві нові хвилі розходяться концентричними колами, накладаючись одна на одну.
Але з корпускулярної точки зору виходить, що фотон знаходиться у двох місцях одночасно, коли проходить через щілини, а після проходження поєднується сам із собою. Це взагалі нормально, га?
Виявилось, що нормально. Більше того, раз фотон знаходиться відразу в двох щілинах, значить він одночасно знаходиться скрізь і до щілин і після прольоту через них. І взагалі з погляду квантової фізики випущений фотон між стартом і фінішем знаходиться одночасно "скрізь і одразу". Таке знаходження частки "відразу скрізь" фізики називають суперпозицією - страшне слово, яке раніше було математичним пустощом, тепер стало фізичною реальністю.

Якийсь Е. Шредінгер, відомий противник квантової фізики, на той час нарив десь формулу, яка описувала хвильові властивості матерії, типу води. І трохи над нею почаклувавши, на свій жах вивів так звану хвильову функцію. Ця функція показувала можливість знаходження фотона в певному місці. Зауважте, саме ймовірність, а не точне місцезнаходження. І ця можливість залежала від квадрата висоти гребеня квантової хвилі в заданому місці (якщо комусь цікаві деталі).

Питанням виміру місцезнаходження частинок ми присвятимо окрему главу.

Подальші відкриття показали, що відносини з дуалізмом ще гірші та загадковіші.
У 1924 році Луї де Бройль узяв і заявив, що корпускулярно-хвильові властивості світла це верхівка айсберга. А такою незрозумілою властивістю мають усі елементарні частинки.
Тобто частинкою та хвилею одночасно є не лише частинки електромагнітного поля (фотони), а й речові частинки типу електронів, протонів тощо. Вся матерія навколо нас на мікроскопічному рівні є хвилями(і частинками одночасно).

І через кілька років це навіть підтвердили експериментально - американці ганяли електрони в електронно-променевих трубках (які відомі нинішнім старперам під назвою "кінескоп") - отож спостереження, пов'язані з відображенням електронів, підтвердили, що електрон це теж хвиля (для простоти розуміння можна сказати, що на шляху електрона поставили платівку з двома щілинами і бачили інтерференцію електрона як вона є).

На даний час у дослідах виявлено, що і атоми мають хвильові властивості і навіть деякі спеціальні види молекул (так звані "фулерени") виявляють себе як хвиля.

Допитливий розум читача, який ще не очманів від нашої розповіді, запитає: якщо матерія це хвиля, то чому, наприклад, м'ячик, що летить, не розмазаний у просторі у вигляді хвилі? Чому реактивний літак ніяк не схожий на хвилю, а дуже схожий на реактивний літак?

Де Бройль, чортяка, і тут все пояснив: таки-так, м'ячик, що летить, або "боїнг" це теж хвиля, але довжина цієї хвилі тим менша, чим більший імпульс. Імпульс це маса, помножена на швидкість. Тобто чим більше маса матерії, тим менша довжина її хвилі. Довжина хвилі м'яча, що летить зі швидкістю 150 км/год, буде приблизно дорівнює 0,00 метра. Тому ми не можемо помітити, як м'ячик розмазаний по простору як хвиля. Для нас це тверда матерія.
Електрон дуже легка частка і, що летить зі швидкістю 6000 км/сек, він матиме помітну довжину хвилі в 0,0000000001 метра.

До речі, одразу відповімо на запитання, чому ядро ​​атома не настільки "хвильове". Хоч воно і знаходиться в центрі атома, навколо якого, очманівши, літає і в той же час розмазується електрон, воно має пристойний імпульс, пов'язаний з масою протонів і нейтронів, а також високочастотним коливанням (швидкістю) через існування всередині ядра постійного обміну частинками сильної взаємодії (читайте тему). Тому ядро ​​більше схоже на звичну нам тверду матерію. Електрон же, мабуть, є єдиною часткою з масою, у якої яскраво виражені хвильові властивості, ось його всі із захопленням і вивчають.

Повернемося до наших частинок. Так що виходить: електрон, що обертається навколо атома, це одночасно і частка і хвиля. Тобто обертається частка, і в той же час електрон як хвиля являє собою оболонку певної форми навколо ядра - як це взагалі можна зрозуміти людським мозком?

Вище ми вже підрахували, що електрон, що літає, має досить величезну (для мікросвіту) довжину хвилі і щоб розміститися навколо ядра атома такій хвилі потрібно непристойно багато місця. Ось саме цим і пояснюються такі великі розміри атомів у порівнянні з ядром. Довжини хвиль електрона визначають розмір атома. Порожнє місце між ядром і поверхнею атома заповнене "розміщенням" довжини хвилі (і водночас частки) електрона. Це дуже грубе і некоректне пояснення – просимо нас пробачити – насправді все набагато складніше, але наша мета – хоч би дозволити відгризти шматочок граніту науки людям, яким все це цікаво.

Давайте ще раз прояснимо!Після деяких коментарів до статті [на ЯП] ми зрозуміли, якого важливого зауваження не вистачає цій статті. Увага! Описувана нами форма матерії перестав бути ні хвилею ні частинкою. Вона лише (одночасно) має властивості хвилі та властивості частинок. Не можна говорити, що електромагнітна хвиля або електронна хвиля подібні до морських або звукових хвиль. Звичні нам хвилі є поширенням обурень у просторі заповненим будь-якою речовиною.
Фотони, електрони та інші екземпляри мікросвіту при русі в просторі можна описати хвильовими рівняннями, вони за поведінкою лише схожі на хвилю, але в жодному разі хвилею не є. Аналогічно і з корпускулярною стрункою матерії: поведінка частки схоже на політ маленьких точкових кульок, але це жодного разу не кульки.
Це потрібно зрозуміти і прийняти, інакше всі наші роздуми будуть зрештою призводити до пошуку аналогів у макросвіті і тим самим розумінню квантової фізики настане кінець, і почнеться фрицтво або шарлатанська філософія на кшталт квантової магії та матеріальності думок.

Решту жахливих висновків і наслідків модернізованого досвіду Юнга ми розглянемо пізніше в наступній частині - невизначеність Гейзенберга, кішка Шредінгера, принцип заборони Паулі і квантова заплутаність чекають терплячого і вдумливого читача, який ще не раз перечитає наші статті і покопається в інтернеті в пошуках.

Всім дякую за увагу. Приємною всім безсоння чи пізнавальних кошмарів!

NB: Ретельно нагадуємо, що всі зображення взяті з гугла (пошук за картинками) – авторство визначається там же.
Незаконне копіювання тексту переслідується, припиняється, ну і самі знаєте...