Kvantfüüsika: pole vaatlejat – ükskõik. Osaline mikrokosmos Aineosake kvantfüüsikas
Aine kvantteooria ja struktuur
W. Heisenberg
Mõiste “aine” on inimmõtlemise ajaloo jooksul korduvalt muutunud. Erinevates filosoofilistes süsteemides on seda tõlgendatud erinevalt. Kui kasutame sõna “mateeria”, siis tuleb meeles pidada, et mõistele “aine” omistatavad erinevad tähendused on tänapäeva teaduses enam-vähem säilinud.
Varajane kreeka filosoofia Thalesest atomistideni, mis otsis ühtset algust kõigi asjade lõputus muutumises, sõnastas kosmilise aine mõiste, maailma substantsi, mis läbib kõik need muutused, millest kõik üksikud asjad tekivad ja milleks nad lõpuks muutuvad. uuesti. See aine tuvastati osaliselt mõne konkreetse ainega - vee, õhu või tulega - ja osaliselt ei omistatud sellele muid omadusi peale selle materjali omadused, millest kõik esemed on valmistatud.
Hiljem mängis mateeria mõiste olulist rolli Aristotelese filosoofias – tema ideedes vormi ja mateeria, vormi ja substantsi seostest. Kõik, mida nähtuste maailmas vaatleme, on moodustatud mateeria. Mateeria ei ole seega reaalsus iseeneses, vaid kujutab endast ainult võimalust, "potentsiaali", mis eksisteerib ainult tänu vormile 13. Loodusnähtustes läheb "olemine", nagu Aristoteles seda nimetab, võimalikkusest reaalsusesse; tänu vormile midagi tegelikult saavutatud. Aristotelese jaoks pole mateeria mingi konkreetne aine, nagu vesi või õhk, ega ka puhas ruum; see osutub teatud määral määramatuks kehaliseks substraadiks, mis sisaldab endas võimalust minna tänu vormile tegelikult toimunusse, reaalsusesse. Tüüpiliseks näiteks sellisest mateeria ja vormi vahekorrast Aristotelese filosoofias on bioloogiline areng, mille käigus mateeria muudetakse elusorganismideks, aga ka kunstiteose loomine inimese poolt. Kuju võib olla marmoris, enne kui skulptor selle nikerdab.
Alles palju hiljem, alates Descartes'i filosoofiast, hakati mateeriat kui midagi esmast vaimule vastandama. Maailmas on kaks teineteist täiendavat aspekti, mateeria ja vaim või, nagu Descartes ütles, "res extensa" ja "res cogitans". Kuna loodusteaduse, eriti mehaanika uued metodoloogilised printsiibid välistasid kehaliste nähtuste taandamise vaimseteks jõududeks, sai mateeriat käsitleda vaid erilise reaalsusena, mis ei sõltu inimvaimu ja igasugustest üleloomulikest jõududest. Sellel perioodil näib aine olevat juba moodustunud aine ja moodustumise protsess on seletatav mehaaniliste vastastikmõjude põhjusliku ahelaga. Mateeria on juba kaotanud sideme aristotelese filosoofia “vegetatiivse hingega” ja seetõttu ei mängi mateeria ja vormi dualism sel ajal enam mingit rolli. See mateeria idee on ehk andnud suurima panuse sellesse, mida me praegu mõistame sõna "aine" all.
Lõpuks, 19. sajandi loodusteadustes mängis olulist rolli veel üks dualism, nimelt dualism mateeria ja jõu vahel või, nagu nad ütlesid, jõu ja substantsi vahel. Mateeriat võivad mõjutada jõud ja aine võib põhjustada jõude. Näiteks aine tekitab gravitatsioonijõu ja see jõud omakorda mõjutab seda. Jõud ja aine on seega füüsilise maailma kaks selgelt eristatavat aspekti. Kuna jõud on ka kujundavad jõud, läheneb see eristus jällegi aristotelelikule mateeria ja vormi eristamisele. Teisalt kaob just seoses kaasaegse füüsika uusima arenguga see erinevus jõu ja mateeria vahel täielikult, kuna iga jõuväli sisaldab energiat ja esindab selles osas ka osa mateeriast. Iga jõuväli vastab teatud tüüpi elementaarosakestele. Osakesed ja jõuväljad on vaid sama reaalsuse kaks erinevat avaldumisvormi.
Kui loodusteadus uurib mateeria probleemi, peaks ta ennekõike uurima aine vorme. Ainevormide lõpmatu mitmekesisus ja muutlikkus peaks saama otseseks uurimisobjektiks; jõupingutused peaksid olema suunatud loodusseaduste, ühtsete põhimõtete leidmisele, mis võiksid olla selle lõputu uurimisvaldkonna juhtlõngaks. Seetõttu on täppisloodus ja eriti füüsika juba pikka aega keskendunud oma huvides aine struktuuri ja seda struktuuri määravate jõudude analüüsile.
Galilei ajast peale on loodusteaduse peamiseks meetodiks olnud eksperiment. See meetod võimaldas liikuda üldistelt loodusuuringutelt konkreetsetele uuringutele, tuvastada looduses iseloomulikke protsesse, mille alusel saab selle seaduspärasusi uurida otsesemalt kui ülduuringutes. See tähendab, et aine struktuuri uurides on vaja sellega katseid teha. Aine on vaja asetada ebatavalistesse tingimustesse, et uurida selle muundumisi neis oludes, lootes seeläbi teada teatud mateeria põhiomadusi, mis säilivad hoolimata kõigist nähtavatest muutustest.
Kaasaegse loodusteaduse kujunemisest saadik on see olnud keemia üks olulisemaid eesmärke, milles jõuti keemilise elemendi mõisteni üsna varakult. Ainet, mida ei saanud lagundada ega edasi lagundada tolleaegsete keemikute käsutuses olevate vahenditega: keetmine, põletamine, lahustamine, teiste ainetega segamine, nimetati elemendiks. Selle mõiste kasutuselevõtt oli esimene ja äärmiselt oluline samm mateeria struktuuri mõistmisel. Looduses leiduvate ainete mitmekesisus taandus sellega vähemalt suhteliselt väikesele hulgale lihtsamatele ainetele, elementidele ja tänu sellele kehtestati keemia erinevate nähtuste vahel teatud järjekord. Seetõttu kasutati sõna "aatom" väikseima aineühiku kohta, mis on osa keemilisest elemendist, ja keemilise ühendi väikseimat osakest võis visuaalselt kujutada erinevate aatomite väikese rühmana. Elemendi raud väikseimaks osakeseks osutus näiteks rauaaatom ning vee väikseim osake, nn veemolekul, osutus hapnikuaatomist ja kahest vesinikuaatomist koosnevaks.
Järgmine ja peaaegu sama oluline samm oli massi säilitamise avastamine keemilistes protsessides. Kui näiteks element süsinik põletatakse ja süsihappegaas tekib, siis on süsinikdioksiidi mass võrdne süsiniku ja hapniku masside summaga enne protsessi algust. See avastus andis mateeria mõistele eelkõige kvantitatiivse tähenduse. Hoolimata selle keemilistest omadustest saab ainet mõõta selle massi järgi.
Järgmisel perioodil, peamiselt 19. sajandil, see avastati suur number uus keemilised elemendid. Meie ajal on nende arv ületanud 100. See arv aga annab täiesti selgeks, et keemilise elemendi mõiste ei ole meid veel viinud punktini, millest alates oleks võimalik mõista aine ühtsust. Eeldus, et on palju kvalitatiivselt erinevaid aineliike, mille vahel puuduvad sisemised seosed, ei olnud rahuldav.
19. sajandi alguseks oli juba leitud tõendeid erinevate keemiliste elementide vahelise seose olemasolu kohta. See tõend seisnes selles, et paljude elementide aatommassid näisid olevat mõne väikseima ühiku, mis on vesiniku aatommassile ligilähedane, täisarvud. Selle seose olemasolu kasuks rääkis ka mõne elemendi keemiliste omaduste sarnasus. Kuid ainult keemilistes protsessides toimivatest jõududest kordades tugevamate jõudude rakendamise kaudu õnnestus erinevate elementide vahel tõeliselt seoseid luua ja mateeria ühtsuse mõistmisele lähemale jõuda.
Füüsikute tähelepanu juhtis neile jõududele seoses radioaktiivse lagunemise avastamisega Becquereli poolt 1896. aastal. Järgnevates Curie, Rutherfordi jt uuringutes demonstreeriti selgelt elementide muundumist radioaktiivsetes protsessides. Alfaosakesed eraldusid nendes protsessides aatomite fragmentidena energiaga, mis oli ligikaudu miljon korda suurem kui üksiku osakese energia keemilises protsessis. Järelikult saaks neid osakesi nüüd kasutada uue uurimisvahendina sisemine struktuur aatom. Rutherfordi poolt 1911. aastal välja pakutud aatomi tuumamudel oli alfaosakeste hajumise katsete tulemus. Selle kuulsa mudeli kõige olulisem omadus oli aatomi jagunemine kaheks täiesti erinevaks osaks – aatomituumaks ja aatomituuma ümbritsevateks elektronkihtideks. Aatomituum hõivab keskel vaid erakordselt väikese osa aatomi poolt hõivatud koguruumist – tuuma raadius on ligikaudu sada tuhat korda väiksem kui kogu aatomi raadius; kuid see sisaldab siiski peaaegu kogu aatomi massi. Selle positiivne elektrilaeng, mis on nn elementaarlaengu täisarv, määrab tuuma ümbritsevate elektronide koguarvu, sest aatom tervikuna peab olema elektriliselt neutraalne; see määrab seeläbi elektronide trajektooride kuju.
Selline eristus aatomituuma ja elektronkihi vahel andis kohe järjekindla seletuse sellele, et keemias on just keemilised elemendid aine viimased ühikud ja elementide üksteiseks muutmiseks on vaja väga suuri jõude. Keemilised sidemed naaberaatomite vahel on seletatavad elektronkestade vastastikmõjuga ja vastastikmõju energiad on suhteliselt väikesed. Lahendustorus vaid mõnevoldise potentsiaaliga kiirendatud elektronil on piisavalt energiat, et "lahtida" elektronkestad ja põhjustada valguse emissiooni või hävingut. keemiline side molekulis. Kuid aatomi keemilise käitumise, kuigi see põhineb elektronkihtide käitumisel, määrab aatomituuma elektrilaeng. Kui nad tahavad muutuda Keemilised omadused, peate muutma aatomituuma ennast ja see nõuab energiaid, mis on umbes miljon korda suuremad kui need, mis tekivad keemilistes protsessides.
Kuid aatomi tuumamudel, mida peetakse süsteemiks, milles on täidetud Newtoni mehaanika seadused, ei saa seletada aatomi stabiilsust. Nagu ühes eelmises peatükis tuvastati, saab ainult kvantteooria rakendamine sellele mudelile seletada tõsiasja, et näiteks süsinikuaatom on pärast teiste aatomitega interaktsiooni või valguskvanti väljasaatmist ikkagi lõpuks ikkagi süsinikuaatom sama elektroonilise kestaga, mis tal varem oli. Seda stabiilsust saab lihtsalt seletada kvantteooria omadustega, mis võimaldavad aatomit ruumis ja ajas objektiivselt kirjeldada.
Nii loodi seega esialgne alus aine struktuuri mõistmiseks. Aatomite keemilisi ja muid omadusi saab seletada kvantteooria matemaatilise skeemi rakendamisega elektronkihtidele. Selle põhjal oli siis võimalik proovida analüüsida aine struktuuri kahes erinevas suunas. Võib uurida kas aatomite vastastikmõju, nende seost suuremate üksustega, nagu molekulid või kristallid või bioloogilised objektid, või proovida aatomituuma ja selle koostisosi uurides jõuda punktini, kus aine ühtsus muutuks. selge . Füüsikalised uuringud on viimastel aastakümnetel mõlemas suunas kiiresti arenenud. Järgnev ettekanne on pühendatud kvantteooria rolli selgitamisele mõlemas valdkonnas.
Naaberaatomite vahelised jõud on eelkõige elektrilised jõud – me räägime vastandlaengute külgetõmbamisest ja tõrjumisest sarnaste laengute vahel; elektrone tõmbab ligi aatomituum ja tõrjub teised elektronid. Kuid need jõud ei toimi siin mitte Newtoni mehaanika, vaid kvantmehaanika seaduste järgi.
See viib kaheni erinevat tüüpi aatomitevahelised ühendused. Ühte tüüpi sidemega läheb elektron ühelt aatomilt teisele aatomile, näiteks selleks, et täita elektronkiht, mis pole veel täielikult täidetud. Sel juhul on mõlemad aatomid elektriliselt laetud ja neid nimetatakse "ioonideks"; kuna nende laengud on siis vastandlikud, tõmbavad nad üksteist ligi. Keemik räägib sel juhul "polaarsest sidemest".
Teist tüüpi sidemete puhul kuulub elektron mõlemale aatomile teatud viisil, mis on iseloomulik ainult kvantteooriale. Kui kasutada elektronide orbiitide pilti, siis võib jämedalt öelda, et elektron tiirleb ümber mõlema aatomituuma ja veedab olulise osa oma ajast nii ühes kui ka teises aatomis. See teist tüüpi side vastab sellele, mida keemik nimetab "valentssidemeks".
Need kaks sidemetüüpi, mis võivad eksisteerida kõigis võimalikes kombinatsioonides, põhjustavad lõppkokkuvõttes erinevate aatomite koosluste moodustumist ja lõpuks leitakse, et need määravad kindlaks kõik füüsika ja keemia poolt uuritavad keerulised struktuurid. Niisiis tekivad keemilised ühendid tänu sellele, et aatomitest mitmesugused tekivad väikesed suletud rühmad ja iga rühma võib nimetada keemilise ühendi molekuliks. Kristallide moodustumisel asetsevad aatomid järjestatud võredesse. Metallid tekivad siis, kui aatomid on nii tihedalt kokku pakitud, et välised elektronid lahkuvad nende kestadest ja võivad läbida kogu metallitüki. Mõnede ainete, eriti osade metallide magnetism tuleneb üksikute elektronide pöörlevast liikumisest selles metallis jne.
Kõigil neil juhtudel on võimalik dualism mateeria ja jõu vahel siiski säilida, kuna tuumasid ja elektrone võib pidada aine ehitusplokkideks, mida hoiavad koos elektromagnetilised jõud.
Kui füüsika ja keemia (kui need on seotud aine struktuuriga) moodustavad ühtse teaduse, siis bioloogias oma keerulisemate struktuuridega on olukord mõnevõrra erinev. Tõsi, vaatamata elusorganismide silmatorkavale terviklikkusele ei saa ilmselt elus ja eluta aine vahel teravat vahet teha. Bioloogia areng on andnud meile suure hulga näiteid, millest näeme, et spetsiifiliselt bioloogilisi funktsioone saavad täita spetsiaalsed suured molekulid või rühmad või selliste molekulide ahelad. Need näited toovad esile tänapäeva bioloogia tendentsi seletada bioloogilisi protsesse füüsika- ja keemiaseaduste tagajärgedega. Kuid selline stabiilsus, mida me elusorganismides tajume, erineb olemuselt mõnevõrra aatomi või kristalli stabiilsusest. Bioloogias räägime pigem protsessi või funktsiooni stabiilsusest kui vormi stabiilsusest. Kahtlemata mängivad kvantmehaanilised seadused bioloogilistes protsessides väga olulist rolli. Näiteks on spetsiifilised kvantmehaanilised jõud hädavajalikud suurte orgaaniliste molekulide ja nende mitmekesiste geomeetriliste konfiguratsioonide mõistmiseks, mida saab keemilise valentsi kontseptsiooni alusel kirjeldada ainult mõnevõrra ebatäpselt. Ka kiirgusest põhjustatud bioloogiliste mutatsioonide katsed näitavad nii kvantmehaaniliste seaduste statistilise olemuse olulisust kui ka võimendusmehhanismide olemasolu. Tihe analoogia meie närvisüsteemis toimuvate protsesside ja tänapäevase elektroonilise arvutusmasina töötamise käigus toimuvate protsesside vahel rõhutab taas üksikute elementaarprotsesside tähtsust elusorganismi jaoks. Kuid kõik need näited ei tõesta endiselt, et füüsika ja keemia, mida täiendab arengudoktriin, võimaldavad elusorganismide täielikku kirjeldamist. Eksperimenteerivad loodusteadlased peavad bioloogilisi protsesse tõlgendama suurema ettevaatusega kui füüsika ja keemia protsesse. Nagu Bohr selgitas, võib hästi selguda, et elusorganismi kirjeldust, mida füüsiku seisukohalt võib nimetada täielikuks, pole üldse olemas, sest see kirjeldus nõuaks katseid, mis muutuksid liiga tugevaks. vastuollu bioloogilised funktsioonid keha. Bohr kirjeldas seda olukorda järgmiselt: bioloogias tegeleme pigem võimaluste realiseerimisega selles looduse osas, kuhu me kuulume, kui katsete tulemustega, mida me ise saame läbi viia. Komplementaarsuse olukord, milles see formulatsioon on tõhus, kajastub tendentsina tänapäeva bioloogia meetodites: ühelt poolt täielikult ära kasutada füüsika ja keemia meetodeid ja tulemusi ning teiselt poolt siiski pidevalt kasutada. kasutada mõisteid, mis on seotud nende orgaanilise looduse tunnustega, mida füüsikas ja keemias ei sisaldu, nagu näiteks mõiste elu ise.
Seni oleme analüüsinud aine ehitust ühes suunas - aatomist keerukamate aatomitest koosnevate struktuurideni: aatomifüüsikast füüsikani. tahke, keemiasse ja lõpuks bioloogiasse. Nüüd tuleb pöörata vastupidises suunas ja jälgida uurimisjoont aatomi välispiirkondadest sisepiirkondadeni, aatomituumani ja lõpuks elementaarosakesteni. Ainult see teine rida viib meid võib-olla mateeria ühtsuse mõistmiseni. Siin pole vaja karta, et iseloomulikud struktuurid ise katsetes hävivad. Kui ülesandeks on katseliselt testida mateeria fundamentaalset ühtsust, siis saame allutada aine võimalikult tugevatele jõududele, kõige ekstreemsematele tingimustele, et näha, kas ainet saab lõpuks muundada mõneks muuks aineks.
Esimene samm selles suunas oli aatomituuma eksperimentaalne analüüs. Nende uuringute algperioodidel, mis täitsid ligikaudu selle sajandi esimesed kolm aastakümmet, olid ainsad vahendid aatomituumaga katsetamiseks radioaktiivsete ainete poolt eraldunud alfaosakesed. Nende osakeste abil õnnestus Rutherfordil 1919. aastal muuta kergete elementide aatomituumad üksteiseks. Ta suutis näiteks muuta lämmastiku tuuma hapniku tuumaks, kinnitades lämmastiku tuuma külge alfaosakese ja samal ajal löödes sealt välja prootoni. See oli esimene näide aatomituumade raadiuste suurusjärgus vahemaadel aset leidnud protsessist, mis meenutas keemilisi protsesse, kuid viis elementide kunstliku muundumiseni. Järgmine otsustav edu oli prootonite kunstlik kiirendamine kõrgepingeseadmetes tuumatransformatsioonideks piisava energiani. Selleks on vaja umbes miljonivoldiseid pingeerinevusi ning Cockcroftil ja Waltonil õnnestus oma esimeses otsustavas katses muuta elemendi liitium aatomituumad elemendi heeliumi aatomituumadeks. See avastus avas täiesti uue uurimisvaldkonna, mida võib nimetada tuumafüüsika selle sõna õiges tähenduses ja mis viis väga kiiresti aatomituuma struktuuri kvalitatiivse mõistmiseni.
Tegelikult osutus aatomituuma ehitus väga lihtsaks. Aatomituum koosneb ainult kahest erinevat tüüpi elementaarosakestest. Üks elementaarosakesi on prooton, mis on ühtlasi vesinikuaatomi tuum. Teist nimetati neutroniks, osakeseks, millel on umbes sama mass kui prootonil ja mis on ka elektriliselt neutraalne. Seega saab iga aatomituuma iseloomustada prootonite ja neutronite koguarvuga, millest see koosneb. Tavalise süsinikuaatomi tuum koosneb 6 prootonist ja 6 neutronist. Kuid on ka teisi süsinikuaatomite tuumasid, mis on mõnevõrra haruldasemad - neid nimetati esimeste isotoopideks - ja mis koosnevad 6 prootonist ja 7 neutronist jne. Nii jõudsid nad lõpuks aine kirjelduseni, milles selle asemel paljudest Erinevatest keemilistest elementidest kasutati ainult kolme põhiühikut, kolme põhilist ehitusplokki – prootonit, neutronit ja elektroni. Kogu aine koosneb aatomitest ja on seetõttu lõpuks üles ehitatud nendest kolmest põhilisest ehitusplokist. See muidugi ei tähenda veel mateeria ühtsust, kuid kahtlemata tähendab see olulist sammu selle ühtsuse suunas ja, mis võib-olla veelgi olulisem, tähendab olulist lihtsustamist. Tõsi, nende aatomituuma ehitusplokkide tundmisest kuni selle struktuuri täieliku mõistmiseni oli veel pikk tee ees. Siin oli probleem mõnevõrra erinev kahekümnendate aastate keskel lahendatud vastavast aatomi väliskesta probleemist. Elektronkihi puhul olid osakestevahelised jõud väga täpselt teada, kuid lisaks tuli leida dünaamilised seadused, mis lõpuks kvantmehaanikas formuleeriti. Aatomituuma puhul oli täiesti võimalik eeldada, et dünaamilisteks seadusteks olid peamiselt kvantteooria seadused, kuid siin olid osakestevahelised jõud eelkõige teadmata. Need tuli tuletada aatomituumade eksperimentaalsetest omadustest. Seda probleemi ei saa veel täielikult lahendada. Võimudel seda ilmselt ei ole lihtne tüüp, nagu väliskesta elektronide vaheliste elektrostaatiliste jõudude puhul ja seetõttu on aatomituumade omaduste matemaatiline tuletamine keerulisematest jõududest keerulisem ning lisaks takistab edasiminekut katsete ebatäpsus. Kuid kvalitatiivsed ideed tuuma struktuuri kohta on omandanud väga kindla vormi.
Lõpuks nagu viimane kõige olulisem probleem jääb alles mateeria ühtsuse probleem. Kas need elementaarosakesed – prooton, neutron ja elektron – on mateeria viimased lagunematud ehitusplokid ehk teisisõnu Demokritose filosoofia mõistes "aatomid", millel pole omavahelisi seoseid (peale nende vahel mõjuvate jõudude), või on need ainult sama tüüpi aine erinevad vormid? Lisaks, kas need võivad muutuda üksteiseks või isegi muudeks ainevormideks? Kui seda probleemi tahetakse lahendada eksperimentaalselt, siis on selleks vaja aatomiosakestele koondunud jõude ja energiaid, mis peavad olema kordades suuremad kui need, mida kasutati aatomituuma uurimiseks. Kuna aatomituumade energiavarud ei ole piisavalt suured, et pakkuda meile vahendeid selliste katsete läbiviimiseks, peavad füüsikud kas ära kasutama kosmoses, see tähendab tähtedevahelises ruumis, tähtede pinnal olevaid jõude või nad peavad usaldama inseneride oskusi.
Tegelikult on edusamme tehtud mõlemal teel. Esiteks kasutasid füüsikud nn kosmilist kiirgust. Elektromagnetväljad tähtede pinnal, mis ulatuvad üle hiiglaslike ruumide, võivad soodsates tingimustes kiirendada laetud aatomiosakesi, elektrone ja aatomituumasid, millel, nagu selgus, on oma suurema inertsi tõttu rohkem võimalusi kiirendusväljas püsida. pikemat aega ja kui nad lõpuks tähe pinnalt tühja ruumi lahkuvad, õnnestub neil mõnikord läbida paljude miljardite voltidega potentsiaalseid välju. Edasine kiirendus toimub soodsates tingimustes tähtede vahelduvates magnetväljades. Igal juhul selgub, et aatomituumi hoiavad Galaktika ruumis vahelduvad magnetväljad pikka aega kinni ja lõpuks täidavad nad Galaktika ruumi kosmilise kiirgusega. See kiirgus jõuab Maale väljastpoolt ja koosneb seetõttu kõigist võimalikest aatomituumadest – vesinikust, heeliumist ja raskematest elementidest –, mille energia varieerub ligikaudu sadadest või tuhandetest miljonitest elektronvoltidest kuni miljon korda suuremate väärtusteni. Kui selle kõrgkiirguse osakesed satuvad Maa atmosfääri ülemistesse kihtidesse, põrkavad nad siin kokku atmosfääri lämmastiku- või hapnikuaatomitega või mõne kosmilise kiirgusega kokku puutuva katseseadme aatomitega. Seejärel saab sekkumise tulemusi uurida.
Teine võimalus on ehitada väga suuri osakeste kiirendeid. Nende prototüübiks võib pidada niinimetatud tsüklotronit, mille disainis Californias kolmekümnendate aastate alguses Lawrence. Nende paigaldiste disaini põhiidee seisneb selles, et tänu tugevale magnetväljale on laetud aatomiosakesed sunnitud korduvalt ringikujuliselt pöörlema, et neid mööda seda ringteed toimuv elektriväli ikka ja jälle kiirendada. Käitised, milles on võimalik saavutada sadade miljonite elektronvoltide energiat, tegutsevad praegu paljudes kohtades üle maailma, peamiselt Suurbritannias. Tänu 12 Euroopa riigi koostööle ehitatakse Genfis väga suurt sedalaadi kiirendit, mis loodetavasti hakkab tootma kuni 25 miljoni elektronvoldise energiaga prootoneid. Kosmilise kiirguse või väga suurte kiirenditega tehtud katsed on paljastanud huvitavaid uusi mateeria omadusi. Lisaks kolmele põhilisele aine ehitusplokile – elektronile, prootonile ja neutronile – avastati nendes protsessides tekkivad uued elementaarosakesed. kõrged energiad kokkupõrkeid ja mis ülilühikese aja möödudes kaovad, muutudes muudeks elementaarosakesteks. Uutel elementaarosakestel on vanade omadega sarnased omadused, välja arvatud nende ebastabiilsus. Ka kõige stabiilsemate uute elementaarosakeste eluiga on vaid umbes miljondik sekundit, teiste eluiga aga isegi sadu või tuhandeid kordi lühem. Praegu on teada ligikaudu 25 erinevat tüüpi elementaarosakesi. Neist "noorim" on negatiivselt laetud prooton, mida nimetatakse antiprootoniks.
Need tulemused näivad esmapilgul jällegi eemalduvat ideedest mateeria ühtsuse kohta, kuna näib, et aine põhiliste ehitusplokkide arv on taas suurenenud erinevate keemiliste elementide arvuga võrreldava arvuni. Kuid see oleks asjade tegeliku seisu ebatäpne tõlgendus. Eksperimendid näitasid ju samaaegselt, et osakesed tekivad teistest osakestest ja neid saab muuta teisteks osakesteks, et need tekivad lihtsalt selliste osakeste kineetilisest energiast ja võivad uuesti kaduda, nii et neist tekivad teised osakesed. Seetõttu, teisisõnu: katsed näitasid aine täielikku muundatavust. Kõik piisavalt suure energiaga kokkupõrgetes olevad elementaarosakesed võivad muutuda teisteks osakesteks või tekkida lihtsalt kineetilisest energiast; ja neid saab muundada energiaks, näiteks kiirguseks. Järelikult on meil siin praktiliselt lõplik tõestus aine ühtsusest. Kõik elementaarosakesed on "valmistatud" ühest ja samast ainest, samast materjalist, mida võime nüüd nimetada energiaks või universaalseks aineks; need on vaid erinevad vormid, milles mateeria saab avalduda.
Kui võrrelda seda olukorda Aristotelese mateeria- ja vormikontseptsiooniga, siis võib öelda, et Aristotelese ainet, mis oli põhimõtteliselt "potentsus", see tähendab võimalikkus, tuleks võrrelda meie energiakontseptsiooniga; kui elementaarosake sünnib, ilmutab energia end vormi kaudu materiaalse reaalsusena.
Kaasaegne füüsika ei saa loomulikult rahulduda ainult mateeria põhistruktuuri kvalitatiivse kirjeldusega; see peab püüdma hoolikalt läbi viidud katsete põhjal süvendada analüüsi matemaatiliselt formuleerida loodusseadusi, mis määravad aine vormid, nimelt elementaarosakesed ja nende jõud. Selles füüsika osas ei saa enam teha selget vahet mateeria ja jõu või jõu ja mateeria vahel, kuna iga elementaarosake mitte ainult ei genereeri ise jõudu ja kogeb jõudude mõju, vaid samal ajal esindab ta iseennast antud juhul. teatud jõuväli. Lainete ja osakeste kvantmehaaniline dualism on põhjus, miks sama reaalsus avaldub nii aine kui ka jõuna.
Kõik katsed leida matemaatilist kirjeldust elementaarosakeste maailma loodusseadustele on seni alguse saanud laineväljade kvantteooriast. Selle valdkonna teoreetilised uuringud viidi läbi kolmekümnendate aastate alguses. Kuid juba esimesed tööd selles valdkonnas paljastasid väga tõsiseid raskusi selles valdkonnas, kus nad üritasid ühendada kvantteooriat erirelatiivsusteooriaga. Esmapilgul tundub, et need kaks teooriat, kvant- ja relatiivsusteooria, on seotud niivõrd erinevate looduse aspektidega, et praktiliselt ei saa nad üksteist kuidagi mõjutada ja seetõttu peaksid mõlema teooria nõuded olema samas formalismis hõlpsasti täidetud. Kuid täpsem uuring näitas, et mõlemad teooriad satuvad teatud hetkel vastuollu, mille tulemusena tekivad kõik edasised raskused.
Erirelatiivsusteooria paljastas ruumi ja aja struktuuri, mis osutus mõnevõrra erinevaks struktuurist, mis neile Newtoni mehaanika loomisest saadik omistati. Selle äsja avastatud struktuuri kõige iseloomulikum omadus on maksimaalse kiiruse olemasolu, mida ei saa ületada ükski liikuv keha ega leviv signaal, see tähendab valguse kiirus. Sellest tulenevalt ei saa kahel üksteisest väga kaugel aset leidval sündmusel olla otsest põhjuslikku seost, kui need toimuvad sellistel ajahetkedel, et esimese sündmuse hetkel sellest punktist väljuv valgussignaal jõuab teiseni ainult pärast teise sündmuse hetke ja vastupidi. Sel juhul võib mõlemat sündmust nimetada samaaegseks. Kuna mingit mõju ei saa ühelt protsessilt ühel ajahetkel teisele protsessile teisel ajahetkel üle kanda, ei saa neid kahte protsessi ühendada ühegi füüsilise mõjuga.
Sel põhjusel osutus toimimine pikkadel vahemaadel, nagu see Newtoni mehaanikas ilmneb gravitatsioonijõudude puhul, erirelatiivsusteooriaga kokkusobimatuks. Uus teooria pidi asendama sellise tegevuse "lühimaategevusega", st jõu ülekandmisega ainult ühest punktist vahetult külgnevasse punkti. Loomulik matemaatiline avaldis sedalaadi vastastikmõjud osutusid Lorentzi teisenduses muutumatute lainete või väljade diferentsiaalvõrranditeks. Sellised diferentsiaalvõrrandid välistavad samaaegsete sündmuste otsese mõju üksteisele.
Seetõttu piiritleb erirelatiivsusteooria poolt väljendatud ruumi ja aja struktuur äärmiselt teravalt samaaegsuse piirkonna, milles ei saa edasi kanduda mõju, teistest piirkondadest, milles võib toimuda ühe protsessi otsene mõju teisele.
Teisest küljest seab kvantteooria määramatuse suhe jäiga piiri täpsusele, millega saab samaaegselt mõõta koordinaate ja momente või aja ja energia momente. Kuna üliterav piir tähendab ruumis ja ajas positsiooni fikseerimise lõpmatut täpsust, peavad vastavad impulsid ja energiad olema täiesti ebakindlad, st ülekaaluka tõenäosusega protsessid peavad esile tulema ka suvaliselt suurte impulsside ja energiate korral. Seetõttu osutub iga teooria, mis täidab samaaegselt erirelatiivsusteooria ja kvantteooria nõudeid, matemaatilisi vastuolusid, nimelt lahknevusi väga kõrgete energiate ja momentide piirkonnas. Need järeldused ei pruugi olla hädavajalikud, kuna igasugune siin käsitletav formalism on väga keeruline ja samuti on võimalik, et leitakse matemaatilisi vahendeid, mis aitavad kõrvaldada praegusel hetkel vastuolu relatiivsusteooria ja kvantiteooria vahel. teooria. Kuid seni on kõik uuritud matemaatilised skeemid tegelikult toonud kaasa selliseid lahknevusi, see tähendab matemaatilisi vastuolusid, või on need osutunud ebapiisavaks, et rahuldada mõlema teooria kõiki nõudeid. Pealegi oli ilmne, et raskused tulenesid tegelikult just äsja käsitletud punktist.
Iseenesest väga huvitavaks osutus punkt, kus koonduvad matemaatilised skeemid ei vasta relatiivsusteooria ega kvantteooria nõuetele. Üks neist skeemidest viis näiteks selleni, kui seda püüti tõlgendada ruumis ja ajas toimuvate reaalsete protsesside abil, omamoodi ajapöördeni; see kirjeldas protsesse, mille käigus sündis teatud ajahetkel ootamatult mitu elementaarosakest ja energia selle protsessi jaoks anti alles hiljem mõne muu elementaarosakeste põrkeprotsessi tõttu. Füüsikud on oma katsete põhjal veendunud, et looduses sedalaadi protsesse ei toimu, vähemalt siis, kui mõlemad protsessid on teineteisest eraldatud mingi mõõdetava vahemaaga ruumis ja ajas.
Teises teoreetilises skeemis püüti formalismi lahknevusi kõrvaldada matemaatilise protsessi alusel, mida nimetati "renormaliseerimiseks". See protsess seisneb selles, et formalismi lõpmatused saab nihutada kohta, kus nad ei saaks segada vaadeldavate suuruste vahel rangelt määratletud seoste saamist. Tõepoolest, see skeem on juba teatud määral viinud otsustava eduni kvantelektrodünaamikas, kuna see annab meetodi mõningate väga huvitavaid funktsioone vesiniku spektris, mis olid varem seletamatud. Selle matemaatilise skeemi täpsem analüüs tegi aga usutavaks järelduse, et need suurused, mida tavalises kvantteoorias tuleks tõlgendada tõenäosustena, võivad sel juhul teatud asjaoludel pärast renormaliseerimisprotsessi läbiviimist muutuda negatiivseks. See välistaks loomulikult formalismi järjekindla tõlgendamise aine kirjeldamisel, kuna negatiivne tõenäosus on mõttetu mõiste.
Seega oleme juba jõudnud probleemideni, mis on nüüdisaegse füüsika arutelude keskmes. Kunagi saadakse lahendus tänu pidevalt rikastuvale katsematerjalile, mida saadakse elementaarosakeste, nende tekke ja hävitamise ning nende vahel mõjuvate jõudude üha täpsemal mõõtmisel. Nendele raskustele võimalikke lahendusi otsides tasub meeles pidada, et selliseid ülalkirjeldatud näilisi ajas ümberpööramise protsesse ei saa eksperimentaalsete andmete põhjal välistada, kui need toimuvad ainult väga väikestes aegruumi piirkondades, mille piires on siiski võimatu jälgige protsesse üksikasjalikult meie praeguste katseseadmetega. Muidugi on meie teadmiste praeguse seisu juures vaevalt valmis tunnistama selliste protsesside võimalikkust ajas ümberpööramisega, kui see eeldab võimalust füüsika mõnes hilisemas arenguetapis jälgida selliseid protsesse samamoodi nagu tavalisi. täheldatakse aatomiprotsesse. Kuid siin võimaldab kvantteooria analüüsi ja relatiivsusteooria analüüsi võrdlus esitada probleemi uues valguses.
Relatiivsusteooriat seostatakse looduse universaalse konstandiga – valguse kiirusega. See konstant on otsustava tähtsusega ruumi ja aja vahelise seose loomisel ja peab seetõttu sisalduma igas loodusseaduses, mis rahuldab Lorentzi teisenduste muutumise nõudeid. Meie tavakeelt ja klassikalise füüsika mõisteid saab rakendada vaid nähtuste puhul, mille valguse kiirust võib pidada praktiliselt lõpmatult suureks. Kui läheneme oma katsetes valguse kiirusele mis tahes kujul, peame olema valmis kohtama tulemusi, mida nende tavaliste mõistetega enam seletada ei saa.
Kvantteooria on seotud teise universaalse looduse konstandiga – Plancki tegevuskvantiga. Ruumis ja ajas toimuvate protsesside objektiivne kirjeldamine on võimalik ainult siis, kui tegemist on suhteliselt suure ulatusega objektide ja protsessidega ning just siis võib Plancki konstanti pidada praktiliselt lõpmatult väikeseks. Kui läheneme oma katsetes piirkonnale, kus Plancki tegevuskvant muutub oluliseks, jõuame kõigi nende tavamõistete rakendamise raskusteni, mida on käsitletud selle raamatu eelmistes peatükkides.
Kuid loodusel peab olema ka kolmas universaalne konstant. See tuleneb lihtsalt, nagu füüsikud ütlevad, mõõtmete kaalutlustest. Universaalsed konstandid määravad mastaapide suurused looduses. Selliste seadmete täieliku komplekti jaoks on aga vaja kolme põhiseadet. Lihtsaim viis seda järeldada on tavalistest ühikukokkulepetest, näiteks füüsikute CQS-i (sentimeeter-gramm-sekund) süsteemist. Pikkusühikust, ajaühikust ja massiühikust koos piisab tervikliku süsteemi moodustamiseks. Vaja on vähemalt kolme põhiseadet. Neid võiks asendada ka pikkuse, kiiruse ja massi ühikutega või pikkuse, kiiruse ja energia ühikutega jne. Kuid kolm põhiühikut on igal juhul vajalikud. Valguse kiirus ja Plancki toimekvant annavad meile aga neist suurustest ainult kaks. Kolmas peab olema ja ainult sellist kolmandat ühikut sisaldav teooria võib ehk viia elementaarosakeste masside ja muude omaduste määramiseni. Tuginedes meie kaasaegsetele teadmistele elementaarosakeste kohta, on võib-olla kõige lihtsam ja vastuvõetavam viis kolmanda universaalse konstandi sisseviimiseks eeldada, et universaalne pikkus on suurusjärgus 10-13 cm, seega on pikkus võrreldav. ligikaudu kopsude aatomituumade raadiuses. Kui alates. need kolm ühikut moodustavad avaldise, millel on massi mõõde, siis sellel massil on tavaliste elementaarosakeste massi suurusjärk.
Kui eeldame, et loodusseadused sisaldavad tegelikult sellist kolmandat universaalset pikkuse mõõtme konstanti suurusjärgus 10-13 cm, siis on täiesti võimalik, et meie tavamõisteid saab rakendada ainult sellistele ruumi ja aja piirkondadele, mis on suured. võrreldes selle universaalse pikkusekonstandiga . Kui läheneme oma katsetes ruumi- ja ajaaladele, mis on aatomituumade raadiustega võrreldes väikesed, peame olema valmis selleks, et vaadeldakse kvalitatiivselt uut laadi protsesse. Eespool mainitud ja seni vaid teoreetilistest kaalutlustest tuletatud võimalusena mainitud aja ümberpööramise fenomen võiks seetõttu kuuluda nendesse väikseimatesse aegruumi piirkondadesse. Kui jah, siis poleks see ilmselt nii jälgitav, et vastavat protsessi saaks klassikaliselt kirjeldada. Ja ometi, niivõrd, kuivõrd selliseid protsesse saab kirjeldada klassikaliste mõistetega, peavad need paljastama ka klassikalise ajajärgu järjekorra. Kuid seni on liiga vähe teada protsessidest kõige väiksemates aegruumi piirkondades – või (mis määramatuse seose järgi vastab ligikaudu sellele väitele) kõige kõrgemate edastatud energiate ja impulsside juures.
Püüdes saavutada elementaarosakestega tehtud katsete põhjal suuremaid teadmisi aine ehitust ja seeläbi elementaarosakeste struktuuri määravatest loodusseadustest, on sümmeetria teatud omadustel eriti oluline roll. Tuletame meelde, et Platoni filosoofias olid mateeria väikseimad osakesed absoluutselt sümmeetrilised moodustised, nimelt korrapärased kehad – kuup, oktaeedr, ikosaeedr, tetraeedr. Kaasaegses füüsikas ei ole aga need erilised sümmeetriarühmad, mis tulenevad kolmemõõtmelise ruumi pöörlemiste rühmast, enam tähelepanu keskpunktis. Uusaja loodusteadustes toimuv ei ole mingil juhul ruumiline vorm, vaid kujutab endast seadust, seega teatud määral aegruumi vormi ning seetõttu peavad meie füüsikas kasutatavad sümmeetriad alati seostuma ruumiga ja koos aega. Kuid teatud tüüpi sümmeetria näib mängivat osakeste teoorias tegelikult kõige olulisemat rolli.
Tunneme neid empiiriliselt tänu nn jäävusseadustele ja tänu kvantarvude süsteemile, mille abil saame elementaarosakeste maailmas sündmusi vastavalt kogemusele järjestada. Me saame neid väljendada matemaatiliselt, nõudes, et aine põhiline loodusseadus oleks teatud teisendusrühmade korral muutumatu. Need teisendusrühmad on sümmeetria omaduste lihtsaim matemaatiline väljend. Need esinevad kaasaegses füüsikas Platoni tahkete ainete asemel. Olulisemad on siin lühidalt välja toodud.
Nn Lorentzi teisenduste rühm iseloomustab erirelatiivsusteooria poolt paljastatud ruumi ja aja struktuuri.
Pauli ja Gürschi uuritud rühm vastab oma struktuurilt kolmemõõtmeliste ruumiliste pöörlemiste rühmale - see on sellega isomorfne, nagu ütlevad matemaatikud - ja avaldub kvantarvu ilmumises, mis avastati empiiriliselt elementaarosakestes kakskümmend. -viis aastat tagasi ja seda kutsuti "isospiniks".
Järgmised kaks rühma, mis formaalselt käituvad ümber jäiga telje pöörlevate rühmadena, viivad laengu, barüonide ja leptonite arvu säilivusseadusteni.
Lõpuks peavad loodusseadused olema muutumatud ka teatud peegeldusoperatsioonide korral, mida siin pole vaja üksikasjalikult loetleda. Selles küsimuses osutusid eriti oluliseks ja viljakaks Lee ja Yangi uuringud, mille idee kohaselt pariteediks nimetatud suurus, mille kohta varem kehtinud looduskaitseseadus kehtis, tegelikult ei ole. konserveeritud.
Kõiki seni teadaolevaid sümmeetriaomadusi saab väljendada lihtsa võrrandi abil. Veelgi enam, see tähendab, et see võrrand on muutumatu kõigi nimetatud teisendusrühmade suhtes ja seetõttu võib arvata, et see võrrand peegeldab juba õigesti aine loodusseadusi. Kuid sellele küsimusele ei ole veel lahendust.
Kvantfüüsika muutis radikaalselt meie arusaama maailmast. Kvantfüüsika järgi saame noorendamise protsessi mõjutada oma teadvusega!
Miks see võimalik on?Kvantfüüsika seisukohalt on meie reaalsus puhta potentsiaali allikas, toormaterjalide allikas, millest koosneb meie keha, meie vaim ja kogu universum Universaalne energia- ja infoväli ei lakka kunagi muutumast ja teisenemast. muutudes iga sekundiga millekski uueks.
20. sajandil aatomite osakeste ja footonitega tehtud füüsikakatsete käigus avastati, et eksperimendi jälgimise fakt muudab selle tulemusi. See, millele keskendume, võib reageerida.
Seda fakti kinnitab klassikaline eksperiment, mis üllatab teadlasi iga kord. Seda korrati paljudes laborites ja alati saadi samad tulemused.
Selle katse jaoks valmistati ette valgusallikas ja kahe piluga ekraan. Valgusallikaks oli seade, mis "tulistas" footoneid üksikute impulsside kujul.
Katse edenemist jälgiti. Pärast katse lõppu oli fotopaberil, mis asus pilude taga, näha kaks vertikaalset triipu. Need on jäljed footonitest, mis läbisid pragusid ja valgustasid fotopaberit.
Kui seda katset korrati automaatselt, ilma inimese sekkumiseta, muutus fotopaberil olev pilt:
Kui teadlane lülitas seadme sisse ja lahkus ning 20 minuti pärast ilmutati fotopaber, siis ei leitud sellelt mitte kahte, vaid palju vertikaalset triipu. Need olid kiirguse jäljed. Kuid joonistus oli erinev.
Fotopaberil oleva jälje struktuur meenutas pilusid läbinud laine jälge Valgus võib avaldada laine või osakese omadusi.
Lihtsa vaatlustõde tulemusena laine kaob ja muutub osakesteks. Kui te ei jälgi, ilmub fotopaberile laine jälg. Seda füüsilist nähtust nimetatakse "vaatleja efektiks".
Samad tulemused saadi ka teiste osakestega. Katseid korrati mitu korda, kuid iga kord üllatasid need teadlasi. Nii avastati, et kvanttasandil reageerib aine inimese tähelepanule. See oli füüsikas uus.
Kaasaegse füüsika kontseptsioonide kohaselt materialiseerub kõik tühjusest. Seda tühjust nimetatakse "kvantväljaks", "nullväljaks" või "maatriksiks". Tühjus sisaldab energiat, mida saab aineks muuta.
Mateeria koosneb kontsentreeritud energiast – see on fundamentaalne avastus 20. sajandi füüsika.
Aatomis ei ole tahkeid osi. Objektid on valmistatud aatomitest. Aga miks on objektid tahked? Telliseina vastu asetatud sõrm sellest läbi ei lähe. Miks? See on tingitud erinevustest aatomite ja elektrilaengute sagedusomadustes. Igal aatomitüübil on oma vibratsioonisagedus. See määrab erinevused füüsikalised omadused esemed. Kui oleks võimalik muuta keha moodustavate aatomite võnkesagedust, siis suudaks inimene läbi seinte kõndida. Kuid käe aatomite ja seina aatomite võnkesagedused on lähedased. Seetõttu toetub sõrm vastu seina.
Igat tüüpi interaktsiooni jaoks on vajalik sagedusresonants.
Seda on lihtne mõista aadressil lihtne näide. Kui valgustate taskulambiga kiviseina, blokeerib valguse sein. Mobiiltelefoni kiirgus läheb aga sellest seinast kergesti läbi. See kõik puudutab taskulambi ja mobiiltelefoni kiirguse sageduste erinevust. Selle teksti lugemise ajal läbivad teie keha väga erineva kiirguse vood. See on kosmiline kiirgus, raadiosignaalid, signaalid miljonitest mobiiltelefonidest, kiirgus, mis tuleb maalt, päikesekiirgus, kodumasinate tekitatud kiirgus jne.
Te ei tunne seda, sest näete ainult valgust ja kuulete ainult heli. Isegi kui istud vaikides, silmad kinni, läbivad peast miljonid telefonivestlused, pildid teleuudistest ja raadiosõnumid. Te ei taju seda, sest teie keha moodustavate aatomite ja kiirguse vahel puudub sagedusresonants. Aga kui on resonants, siis reageeritakse kohe. Näiteks kui sa mäletad lähedast, kes just sinu peale mõtles. Kõik universumis järgib resonantsi seadusi.
Maailm koosneb energiast ja informatsioonist. Einstein, pärast pikka mõtlemist maailma struktuuri üle, ütles: "Ainus universumis eksisteeriv reaalsus on väli." Nii nagu lained on mere looming, on kõik mateeria ilmingud: organismid, planeedid, tähed, galaktikad välja looming.
Tekib küsimus: kuidas tekib väljast mateeria? Milline jõud juhib aine liikumist?
Teadlaste uuringud viisid nad ootamatu vastuseni. Kvantfüüsika looja Max Planck ütles oma Nobeli preemia vastuvõtukõnes järgmist:
“Kõik universumis on loodud ja olemas tänu jõule. Peame eeldama, et selle jõu taga on teadlik meel, mis on kogu mateeria maatriks."
AINE JUHTIB TEADVUS
20. ja 21. sajandi vahetusel tekkisid teoreetilises füüsikas uued ideed, mis võimaldavad selgitada elementaarosakeste kummalisi omadusi. Osakesed võivad tühjast välja ilmuda ja äkki kaduda. Teadlased tunnistavad paralleeluniversumite olemasolu võimalust. Võib-olla liiguvad osakesed universumi ühest kihist teise. Nende ideede väljatöötamisse on kaasatud sellised kuulsused nagu Stephen Hawking, Edward Witten, Juan Maldacena, Leonard Susskind.
Teoreetilise füüsika kontseptsioonide järgi meenutab Universum pesanukku, mis koosneb paljudest pesanukkudest – kihtidest. Need on universumite variandid – paralleelmaailmad. Kõrval olevad on väga sarnased. Kuid mida kaugemal on kihid üksteisest, seda vähem on nende vahel sarnasust. Teoreetiliselt ei ole ühest universumist teise liikumiseks kosmoselaevad vaja. Kõik võimalikud valikud asuvad üksteise sees. Teadlased väljendasid neid ideid esmakordselt 20. sajandi keskel. 20. ja 21. sajandi vahetusel said nad matemaatilise kinnituse. Tänapäeval võtab avalikkus sellise teabe kergesti vastu. Paarsada aastat tagasi võidi aga selliste väljaütlemiste eest tuleriidal põletada või hulluks kuulutada.
Kõik tekib tühjusest. Kõik on liikvel. Objektid on illusioon. Mateeria koosneb energiast. Kõik on loodud mõttega. Need kvantfüüsika avastused ei sisalda midagi uut. Seda kõike teadsid muistsed targad. Paljud müstilised õpetused, mida peeti salajaseks ja mis olid kättesaadavad ainult initsiatiividele, ütlesid, et mõtetel ja objektidel pole vahet.Kõik maailmas on täis energiat. Universum reageerib mõttele. Energia järgneb tähelepanule.
See, millele keskendute, hakkab muutuma. Need mõtted on toodud erinevates sõnastustes Piiblis, iidsetes gnostilistes tekstides ning Indias ja Lõuna-Ameerikas tekkinud müstilistes õpetustes. Iidsete püramiidide ehitajad arvasid seda. Need teadmised on võti uutele tehnoloogiatele, mida tänapäeval kasutatakse reaalsuse kontrollimiseks.
Meie keha on energia, teabe ja intelligentsuse väli, mis on pidevas dünaamilises vahetuses keskkond. Vaimu impulsid annavad pidevalt, iga sekund, kehale uusi vorme, et kohaneda muutuvate elunõuetega.
Kvantfüüsika seisukohalt on meie füüsiline keha meie mõistuse mõjul võimeline sooritama kvanthüppe ühest bioloogilisest ajastust teise, läbimata kõiki vahepealseid ajastuid. avaldatud
P.S. Ja pidage meeles, et lihtsalt oma tarbimist muutes muudame koos maailma! © econet
W. Heisenberg
Mõiste “aine” on inimmõtlemise ajaloo jooksul korduvalt muutunud. Erinevates filosoofilistes süsteemides on seda tõlgendatud erinevalt. Kui kasutame sõna “mateeria”, siis tuleb meeles pidada, et mõistele “aine” omistatavad erinevad tähendused on tänapäeva teaduses enam-vähem säilinud.
Varajane kreeka filosoofia Thalesest atomistideni, mis otsis ühtset algust kõigi asjade lõputus muutumises, sõnastas kosmilise aine mõiste, maailma substantsi, mis läbib kõik need muutused, millest kõik üksikud asjad tekivad ja milleks nad lõpuks muutuvad. uuesti. See aine tuvastati osaliselt mõne konkreetse ainega - vee, õhu või tulega - ja osaliselt ei omistatud sellele muid omadusi peale selle materjali omadused, millest kõik esemed on valmistatud.
Hilisem kontseptsioon mateeria mängis olulist rolli Aristotelese filosoofias – tema ideedes vormi ja mateeria, vormi ja substantsi seostest. Kõik, mida nähtuste maailmas vaatleme, on moodustatud mateeria. Mateeria ei ole seega reaalsus iseeneses, vaid kujutab endast ainult võimalust, "potentsiaali", mis eksisteerib ainult tänu vormile 13. Loodusnähtustes läheb "olemine", nagu Aristoteles seda nimetab, võimalikkusest reaalsusesse; tänu vormile midagi tegelikult saavutatud. Aristotelese jaoks pole mateeria mingi konkreetne aine, nagu vesi või õhk, ega ka puhas ruum; see osutub teatud määral määramatuks kehaliseks substraadiks, mis sisaldab endas võimalust minna tänu vormile tegelikult toimunusse, reaalsusesse. Tüüpiliseks näiteks sellisest mateeria ja vormi vahekorrast Aristotelese filosoofias on bioloogiline areng, mille käigus mateeria muudetakse elusorganismideks, aga ka kunstiteose loomine inimese poolt. Kuju võib olla marmoris, enne kui skulptor selle nikerdab.
Alles palju hiljem, alates Descartes'i filosoofiast, hakati mateeriat kui midagi esmast vaimule vastandama. Maailmas on kaks teineteist täiendavat aspekti, mateeria ja vaim või, nagu Descartes ütles, "res extensa" ja "res cogitans". Kuna loodusteaduse, eriti mehaanika uued metodoloogilised printsiibid välistasid kehaliste nähtuste taandamise vaimseteks jõududeks, sai mateeriat käsitleda vaid erilise reaalsusena, mis ei sõltu inimvaimu ja igasugustest üleloomulikest jõududest. Sellel perioodil näib aine olevat juba moodustunud aine ja moodustumise protsess on seletatav mehaaniliste vastastikmõjude põhjusliku ahelaga. Mateeria on juba kaotanud sideme aristotelese filosoofia “vegetatiivse hingega” ja seetõttu ei mängi mateeria ja vormi dualism sel ajal enam mingit rolli. See mateeria idee on ehk andnud suurima panuse sellesse, mida me praegu mõistame sõna "aine" all.
Lõpuks, 19. sajandi loodusteadustes mängis olulist rolli veel üks dualism, nimelt dualism mateeria ja jõu vahel või, nagu nad ütlesid, jõu ja substantsi vahel. Mateeriat võivad mõjutada jõud ja aine võib põhjustada jõude. Näiteks aine tekitab gravitatsioonijõu ja see jõud omakorda mõjutab seda. Jõud ja aine on seega füüsilise maailma kaks selgelt eristatavat aspekti. Kuna jõud on ka kujundavad jõud, läheneb see eristus jällegi aristotelelikule mateeria ja vormi eristamisele. Teisalt kaob just seoses kaasaegse füüsika uusima arenguga see erinevus jõu ja mateeria vahel täielikult, kuna iga jõuväli sisaldab energiat ja esindab selles osas ka osa mateeriast. Iga jõuväli vastab teatud tüüpi elementaarosakestele. Osakesed ja jõuväljad on vaid sama reaalsuse kaks erinevat avaldumisvormi.
Kui loodusteadus uurib mateeria probleemi, peaks ta ennekõike uurima aine vorme. Ainevormide lõpmatu mitmekesisus ja muutlikkus peaks saama otseseks uurimisobjektiks; jõupingutused peaksid olema suunatud loodusseaduste, ühtsete põhimõtete leidmisele, mis võiksid olla selle lõputu uurimisvaldkonna juhtlõngaks. Seetõttu on täppisloodus ja eriti füüsika juba pikka aega keskendunud oma huvides aine struktuuri ja seda struktuuri määravate jõudude analüüsile.
Galilei ajast peale on loodusteaduse peamiseks meetodiks olnud eksperiment. See meetod võimaldas liikuda üldistelt loodusuuringutelt konkreetsetele uuringutele, tuvastada looduses iseloomulikke protsesse, mille alusel saab selle seaduspärasusi uurida otsesemalt kui ülduuringutes. See tähendab, et aine struktuuri uurides on vaja sellega katseid teha. Aine on vaja asetada ebatavalistesse tingimustesse, et uurida selle muundumisi neis oludes, lootes seeläbi teada teatud mateeria põhiomadusi, mis säilivad hoolimata kõigist nähtavatest muutustest.
Kaasaegse loodusteaduse kujunemisest saadik on see olnud keemia üks olulisemaid eesmärke, milles jõuti keemilise elemendi mõisteni üsna varakult. Ainet, mida ei saanud lagundada ega edasi lagundada tolleaegsete keemikute käsutuses olevate vahenditega: keetmine, põletamine, lahustamine, teiste ainetega segamine, nimetati elemendiks. Selle mõiste kasutuselevõtt oli esimene ja äärmiselt oluline samm mateeria struktuuri mõistmisel. Looduses leiduvate ainete mitmekesisus taandus sellega vähemalt suhteliselt väikesele hulgale lihtsamatele ainetele, elementidele ja tänu sellele kehtestati keemia erinevate nähtuste vahel teatud järjekord. Seetõttu kasutati sõna "aatom" väikseima aineühiku kohta, mis on osa keemilisest elemendist, ja keemilise ühendi väikseimat osakest võis visuaalselt kujutada erinevate aatomite väikese rühmana. Elemendi raud väikseimaks osakeseks osutus näiteks rauaaatom ning vee väikseim osake, nn veemolekul, osutus hapnikuaatomist ja kahest vesinikuaatomist koosnevaks.
Järgmine ja peaaegu sama oluline samm oli massi säilitamise avastamine keemilistes protsessides. Kui näiteks element süsinik põletatakse ja süsihappegaas tekib, siis on süsinikdioksiidi mass võrdne süsiniku ja hapniku masside summaga enne protsessi algust. See avastus andis mateeria mõistele eelkõige kvantitatiivse tähenduse. Hoolimata selle keemilistest omadustest saab ainet mõõta selle massi järgi.
Järgneval perioodil, peamiselt 19. sajandil, avastati suur hulk uusi keemilisi elemente. Meie ajal on nende arv ületanud 100. See arv aga annab täiesti selgeks, et keemilise elemendi mõiste ei ole meid veel viinud punktini, millest alates oleks võimalik mõista aine ühtsust. Eeldus, et on palju kvalitatiivselt erinevaid aineliike, mille vahel puuduvad sisemised seosed, ei olnud rahuldav.
19. sajandi alguseks oli juba leitud tõendeid erinevate keemiliste elementide vahelise seose olemasolu kohta. See tõend seisnes selles, et paljude elementide aatommassid näisid olevat mõne väikseima ühiku, mis on vesiniku aatommassile ligilähedane, täisarvud. Selle seose olemasolu kasuks rääkis ka mõne elemendi keemiliste omaduste sarnasus. Kuid ainult keemilistes protsessides toimivatest jõududest kordades tugevamate jõudude rakendamise kaudu õnnestus erinevate elementide vahel tõeliselt seoseid luua ja mateeria ühtsuse mõistmisele lähemale jõuda.
Füüsikute tähelepanu juhtis neile jõududele seoses radioaktiivse lagunemise avastamisega Becquereli poolt 1896. aastal. Järgnevates Curie, Rutherfordi jt uuringutes demonstreeriti selgelt elementide muundumist radioaktiivsetes protsessides. Alfaosakesed eraldusid nendes protsessides aatomite fragmentidena energiaga, mis oli ligikaudu miljon korda suurem kui üksiku osakese energia keemilises protsessis. Järelikult saaks neid osakesi nüüd kasutada uue vahendina aatomi sisestruktuuri uurimiseks. Rutherfordi poolt 1911. aastal välja pakutud aatomi tuumamudel oli alfaosakeste hajumise katsete tulemus. Selle kuulsa mudeli kõige olulisem omadus oli aatomi jagunemine kaheks täiesti erinevaks osaks – aatomituumaks ja aatomituuma ümbritsevateks elektronkihtideks. Aatomituum hõivab keskel vaid erakordselt väikese osa aatomi poolt hõivatud koguruumist – tuuma raadius on ligikaudu sada tuhat korda väiksem kui kogu aatomi raadius; kuid see sisaldab siiski peaaegu kogu aatomi massi. Selle positiivne elektrilaeng, mis on nn elementaarlaengu täisarv, määrab tuuma ümbritsevate elektronide koguarvu, sest aatom tervikuna peab olema elektriliselt neutraalne; see määrab seeläbi elektronide trajektooride kuju.
Selline eristus aatomituuma ja elektronkihi vahel andis kohe järjekindla seletuse sellele, et keemias on just keemilised elemendid aine viimased ühikud ja elementide üksteiseks muutmiseks on vaja väga suuri jõude. Keemilised sidemed naaberaatomite vahel on seletatavad elektronkestade vastastikmõjuga ja vastastikmõju energiad on suhteliselt väikesed. Lahendustorus vaid mõnevoldise potentsiaaliga kiirendatud elektronil on piisavalt energiat, et "lahtida" elektronkestad ja põhjustada valguse emissiooni või lõhkuda molekulis keemiline side. Kuid aatomi keemilise käitumise, kuigi see põhineb elektronkihtide käitumisel, määrab aatomituuma elektrilaeng. Kui soovite keemilisi omadusi muuta, peate muutma aatomituuma ennast ja selleks on vaja umbes miljon korda suuremaid energiaid kui keemilistes protsessides tekkiv.
Kuid aatomi tuumamudel, mida peetakse süsteemiks, milles on täidetud Newtoni mehaanika seadused, ei saa seletada aatomi stabiilsust. Nagu ühes eelmises peatükis tuvastati, saab ainult kvantteooria rakendamine sellele mudelile seletada tõsiasja, et näiteks süsinikuaatom on pärast teiste aatomitega interaktsiooni või valguskvanti väljasaatmist ikkagi lõpuks ikkagi süsinikuaatom sama elektroonilise kestaga, mis tal varem oli. Seda stabiilsust saab lihtsalt seletada kvantteooria omadustega, mis võimaldavad aatomit ruumis ja ajas objektiivselt kirjeldada.
Nii loodi seega esialgne alus aine struktuuri mõistmiseks. Aatomite keemilisi ja muid omadusi saab seletada kvantteooria matemaatilise skeemi rakendamisega elektronkihtidele. Selle põhjal oli siis võimalik proovida analüüsida aine struktuuri kahes erinevas suunas. Võib uurida kas aatomite vastastikmõju, nende seost suuremate üksustega, nagu molekulid või kristallid või bioloogilised objektid, või proovida aatomituuma ja selle koostisosi uurides jõuda punktini, kus aine ühtsus muutuks. selge . Füüsikalised uuringud on viimastel aastakümnetel mõlemas suunas kiiresti arenenud. Järgnev ettekanne on pühendatud kvantteooria rolli selgitamisele mõlemas valdkonnas.
Naaberaatomite vahelised jõud on eelkõige elektrilised jõud – me räägime vastandlaengute külgetõmbamisest ja tõrjumisest sarnaste laengute vahel; elektrone tõmbab ligi aatomituum ja tõrjub teised elektronid. Kuid need jõud ei toimi siin mitte Newtoni mehaanika, vaid kvantmehaanika seaduste järgi.
See toob kaasa kahte erinevat tüüpi sideme aatomite vahel. Ühte tüüpi sidemega läheb elektron ühelt aatomilt teisele aatomile, näiteks selleks, et täita elektronkiht, mis pole veel täielikult täidetud. Sel juhul on mõlemad aatomid elektriliselt laetud ja neid nimetatakse "ioonideks"; kuna nende laengud on siis vastandlikud, tõmbavad nad üksteist ligi. Keemik räägib sel juhul " polaarne ühendus".
Teist tüüpi sidemete puhul kuulub elektron mõlemale aatomile teatud viisil, mis on iseloomulik ainult kvantteooriale. Kui kasutada elektronide orbiitide pilti, siis võib jämedalt öelda, et elektron tiirleb ümber mõlema aatomituuma ja veedab olulise osa oma ajast nii ühes kui ka teises aatomis. See teist tüüpi side vastab sellele, mida keemik nimetab "valentssidemeks".
Need kaks sidemetüüpi, mis võivad eksisteerida kõigis võimalikes kombinatsioonides, põhjustavad lõppkokkuvõttes erinevate aatomite koosluste moodustumist ja lõpuks leitakse, et need määravad kindlaks kõik füüsika ja keemia poolt uuritavad keerulised struktuurid. Niisiis tekivad keemilised ühendid tänu sellele, et väikesed suletud rühmad tekivad erinevat tüüpi aatomitest ja iga rühma võib nimetada keemilise ühendi molekuliks. Kristallide moodustumisel asetsevad aatomid järjestatud võredesse. Metallid tekivad siis, kui aatomid on nii tihedalt kokku pakitud, et välised elektronid lahkuvad nende kestadest ja võivad läbida kogu metallitüki. Mõnede ainete, eriti osade metallide magnetism tekib tänu pöörlev liikumineüksikud elektronid selles metallis jne.
Kõigil neil juhtudel on võimalik dualism mateeria ja jõu vahel siiski säilida, kuna tuumasid ja elektrone võib pidada aine ehitusplokkideks, mida hoiavad koos elektromagnetilised jõud.
Kui füüsika ja keemia (kui need on seotud aine struktuuriga) moodustavad ühtse teaduse, siis bioloogias oma keerulisemate struktuuridega on olukord mõnevõrra erinev. Tõsi, vaatamata elusorganismide silmatorkavale terviklikkusele ei saa ilmselt elus ja eluta aine vahel teravat vahet teha. Bioloogia areng on andnud meile suure hulga näiteid, millest näeme, et spetsiifiliselt bioloogilisi funktsioone saavad täita spetsiaalsed suured molekulid või rühmad või selliste molekulide ahelad. Need näited toovad esile tänapäeva bioloogia tendentsi seletada bioloogilisi protsesse füüsika- ja keemiaseaduste tagajärgedega. Kuid selline stabiilsus, mida me elusorganismides tajume, erineb olemuselt mõnevõrra aatomi või kristalli stabiilsusest. Bioloogias räägime pigem protsessi või funktsiooni stabiilsusest kui vormi stabiilsusest. Kahtlemata mängivad kvantmehaanilised seadused bioloogilistes protsessides väga olulist rolli. Näiteks on spetsiifilised kvantmehaanilised jõud hädavajalikud suurte orgaaniliste molekulide ja nende mitmekesiste geomeetriliste konfiguratsioonide mõistmiseks, mida saab keemilise valentsi kontseptsiooni alusel kirjeldada ainult mõnevõrra ebatäpselt. Ka kiirgusest põhjustatud bioloogiliste mutatsioonide katsed näitavad nii kvantmehaaniliste seaduste statistilise olemuse olulisust kui ka võimendusmehhanismide olemasolu. Tihe analoogia meie närvisüsteemis toimuvate protsesside ja tänapäevase elektroonilise arvutusmasina töötamise käigus toimuvate protsesside vahel rõhutab taas üksikute elementaarprotsesside tähtsust elusorganismi jaoks. Kuid kõik need näited ei tõesta endiselt, et füüsika ja keemia, mida täiendab arengudoktriin, võimaldavad elusorganismide täielikku kirjeldamist. Eksperimenteerivad loodusteadlased peavad bioloogilisi protsesse tõlgendama suurema ettevaatusega kui füüsika ja keemia protsesse. Nagu Bohr selgitas, võib hästi selguda, et elusorganismi kirjeldust, mida füüsiku seisukohalt võib nimetada täielikuks, pole üldse olemas, sest see kirjeldus nõuaks katseid, mis muutuksid liiga tugevaks. vastuolus organismi bioloogiliste funktsioonidega. Bohr kirjeldas seda olukorda järgmiselt: bioloogias tegeleme pigem võimaluste realiseerimisega selles looduse osas, kuhu me kuulume, kui katsete tulemustega, mida me ise saame läbi viia. Komplementaarsuse olukord, milles see formulatsioon on tõhus, kajastub tendentsina tänapäeva bioloogia meetodites: ühelt poolt täielikult ära kasutada füüsika ja keemia meetodeid ja tulemusi ning teiselt poolt siiski pidevalt kasutada. kasutada mõisteid, mis on seotud nende orgaanilise looduse tunnustega, mida füüsikas ja keemias ei sisaldu, nagu näiteks mõiste elu ise.
Seni oleme analüüsinud aine ehitust ühes suunas – aatomist keerukamate aatomitest koosnevate struktuurideni: aatomifüüsikast tahkisfüüsikani, keemiani ja lõpuks bioloogiani. Nüüd tuleb pöörata vastupidises suunas ja jälgida uurimisjoont aatomi välispiirkondadest sisepiirkondadeni, aatomituumani ja lõpuks elementaarosakesteni. Ainult see teine rida viib meid võib-olla mateeria ühtsuse mõistmiseni. Siin pole vaja karta, et iseloomulikud struktuurid ise katsetes hävivad. Kui ülesandeks on katseliselt testida mateeria fundamentaalset ühtsust, siis saame allutada aine võimalikult tugevatele jõududele, kõige ekstreemsematele tingimustele, et näha, kas ainet saab lõpuks muundada mõneks muuks aineks.
Esimene samm selles suunas oli aatomituuma eksperimentaalne analüüs. Nende uuringute algperioodidel, mis täitsid ligikaudu selle sajandi esimesed kolm aastakümmet, olid ainsad vahendid aatomituumaga katsetamiseks radioaktiivsete ainete poolt eraldunud alfaosakesed. Nende osakeste abil õnnestus Rutherfordil 1919. aastal muuta kergete elementide aatomituumad üksteiseks. Ta suutis näiteks muuta lämmastiku tuuma hapniku tuumaks, kinnitades lämmastiku tuuma külge alfaosakese ja samal ajal löödes sealt välja prootoni. See oli esimene näide aatomituumade raadiuste suurusjärgus vahemaadel aset leidnud protsessist, mis meenutas keemilisi protsesse, kuid viis elementide kunstliku muundumiseni. Järgmine otsustav edu oli prootonite kunstlik kiirendamine kõrgepingeseadmetes tuumatransformatsioonideks piisava energiani. Selleks on vaja umbes miljonivoldiseid pingeerinevusi ning Cockcroftil ja Waltonil õnnestus oma esimeses otsustavas katses muuta elemendi liitium aatomituumad elemendi heeliumi aatomituumadeks. See avastus avas täiesti uue uurimisvaldkonna, mida võib nimetada tuumafüüsikaks selle sõna õiges tähenduses ja mis viis väga kiiresti aatomituuma struktuuri kvalitatiivse mõistmiseni.
Tegelikult osutus aatomituuma ehitus väga lihtsaks. Aatomituum koosneb ainult kahest erinevat tüüpi elementaarosakestest. Üks elementaarosakesi on prooton, mis on ühtlasi vesinikuaatomi tuum. Teist nimetati neutroniks, osakeseks, millel on umbes sama mass kui prootonil ja mis on ka elektriliselt neutraalne. Seega saab iga aatomituuma iseloomustada prootonite ja neutronite koguarvuga, millest see koosneb. Tavalise süsinikuaatomi tuum koosneb 6 prootonist ja 6 neutronist. Kuid on ka teisi süsinikuaatomite tuumasid, mis on mõnevõrra haruldasemad - neid nimetati esimeste isotoopideks - ja mis koosnevad 6 prootonist ja 7 neutronist jne. Nii jõudsid nad lõpuks aine kirjelduseni, milles selle asemel paljudest Erinevatest keemilistest elementidest kasutati ainult kolme põhiühikut, kolme põhilist ehitusplokki – prootonit, neutronit ja elektroni. Kogu aine koosneb aatomitest ja on seetõttu lõpuks üles ehitatud nendest kolmest põhilisest ehitusplokist. See muidugi ei tähenda veel mateeria ühtsust, kuid kahtlemata tähendab see olulist sammu selle ühtsuse suunas ja, mis võib-olla veelgi olulisem, tähendab olulist lihtsustamist. Tõsi, nende aatomituuma ehitusplokkide tundmisest kuni selle struktuuri täieliku mõistmiseni oli veel pikk tee ees. Siin oli probleem mõnevõrra erinev kahekümnendate aastate keskel lahendatud vastavast aatomi väliskesta probleemist. Elektronkihi puhul olid osakestevahelised jõud väga täpselt teada, kuid lisaks tuli leida dünaamilised seadused, mis lõpuks kvantmehaanikas formuleeriti. Aatomituuma puhul oli täiesti võimalik eeldada, et dünaamilisteks seadusteks olid peamiselt kvantteooria seadused, kuid siin olid osakestevahelised jõud eelkõige teadmata. Need tuli tuletada aatomituumade eksperimentaalsetest omadustest. Seda probleemi ei saa veel täielikult lahendada. Tõenäoliselt ei ole need jõud nii lihtsa kujuga kui väliskestade elektronide vaheliste elektrostaatiliste jõudude puhul ja seetõttu on keerulisematest jõududest keerulisem matemaatiliselt tuletada aatomituumade omadusi, lisaks takistavad edasiminekut katsete ebatäpsus. Kuid kvalitatiivsed ideed tuuma struktuuri kohta on omandanud väga kindla vormi.
Lõpuks jääb viimaseks suuremaks probleemiks aine ühtsuse probleem. Kas need elementaarosakesed – prooton, neutron ja elektron – on mateeria viimased lagunematud ehitusplokid ehk teisisõnu Demokritose filosoofia mõistes "aatomid", millel pole omavahelisi seoseid (peale nende vahel mõjuvate jõudude), või on need ainult sama tüüpi aine erinevad vormid? Lisaks, kas need võivad muutuda üksteiseks või isegi muudeks ainevormideks? Kui seda probleemi tahetakse lahendada eksperimentaalselt, siis on selleks vaja aatomiosakestele koondunud jõude ja energiaid, mis peavad olema kordades suuremad kui need, mida kasutati aatomituuma uurimiseks. Kuna aatomituumade energiavarud ei ole piisavalt suured, et pakkuda meile vahendeid selliste katsete läbiviimiseks, peavad füüsikud kas ära kasutama kosmoses, see tähendab tähtedevahelises ruumis, tähtede pinnal olevaid jõude või nad peavad usaldama inseneride oskusi.
Tegelikult on edusamme tehtud mõlemal teel. Esiteks kasutasid füüsikud nn kosmilist kiirgust. Elektromagnetväljad tähtede pinnal, mis ulatuvad üle hiiglaslike ruumide, võivad soodsates tingimustes kiirendada laetud aatomiosakesi, elektrone ja aatomituumasid, millel, nagu selgus, on oma suurema inertsi tõttu rohkem võimalusi kiirendusväljas püsida. pikemat aega ja kui nad lõpuks tähe pinnalt tühja ruumi lahkuvad, õnnestub neil mõnikord läbida paljude miljardite voltidega potentsiaalseid välju. Edasine kiirendus toimub soodsates tingimustes tähtede vahelduvates magnetväljades. Igal juhul selgub, et aatomituumi hoiavad Galaktika ruumis vahelduvad magnetväljad pikka aega kinni ja lõpuks täidavad nad Galaktika ruumi kosmilise kiirgusega. See kiirgus jõuab Maale väljastpoolt ja koosneb seetõttu kõigist võimalikest aatomituumadest – vesinikust, heeliumist ja raskematest elementidest –, mille energia varieerub ligikaudu sadadest või tuhandetest miljonitest elektronvoltidest kuni miljon korda suuremate väärtusteni. Kui selle kõrgkiirguse osakesed satuvad Maa atmosfääri ülemistesse kihtidesse, põrkavad nad siin kokku atmosfääri lämmastiku- või hapnikuaatomitega või mõne kosmilise kiirgusega kokku puutuva katseseadme aatomitega. Seejärel saab sekkumise tulemusi uurida.
Teine võimalus on ehitada väga suuri osakeste kiirendeid. Nende prototüübiks võib pidada niinimetatud tsüklotronit, mille disainis Californias kolmekümnendate aastate alguses Lawrence. Nende paigaldiste disaini põhiidee seisneb selles, et tänu tugevale magnetväljale on laetud aatomiosakesed sunnitud korduvalt ringikujuliselt pöörlema, et neid mööda seda ringteed toimuv elektriväli ikka ja jälle kiirendada. Käitised, milles on võimalik saavutada sadade miljonite elektronvoltide energiat, tegutsevad praegu paljudes kohtades üle maailma, peamiselt Suurbritannias. Tänu 12 Euroopa riigi koostööle ehitatakse Genfis väga suurt sedalaadi kiirendit, mis loodetavasti hakkab tootma kuni 25 miljoni elektronvoldise energiaga prootoneid. Kosmilise kiirguse või väga suurte kiirenditega tehtud katsed on paljastanud huvitavaid uusi mateeria omadusi. Lisaks aine kolmele põhilisele ehitusplokile – elektronile, prootonile ja neutronile – on avastatud uued elementaarosakesed, mis nendes suure energiaga kokkupõrgetes tekivad ja mis ülilühikese aja möödudes kaovad, muutudes teisteks elementaarosakesteks. . Uutel elementaarosakestel on vanade omadega sarnased omadused, välja arvatud nende ebastabiilsus. Ka kõige stabiilsemate uute elementaarosakeste eluiga on vaid umbes miljondik sekundit, teiste eluiga aga isegi sadu või tuhandeid kordi lühem. Praegu on teada ligikaudu 25 erinevat tüüpi elementaarosakesi. Neist "noorim" on negatiivselt laetud prooton, mida nimetatakse antiprootoniks.
Need tulemused näivad esmapilgul jällegi eemalduvat ideedest mateeria ühtsuse kohta, kuna näib, et aine põhiliste ehitusplokkide arv on taas suurenenud erinevate keemiliste elementide arvuga võrreldava arvuni. Kuid see oleks asjade tegeliku seisu ebatäpne tõlgendus. Eksperimendid näitasid ju samaaegselt, et osakesed tekivad teistest osakestest ja neid saab muuta teisteks osakesteks, et need tekivad lihtsalt selliste osakeste kineetilisest energiast ja võivad uuesti kaduda, nii et neist tekivad teised osakesed. Seetõttu, teisisõnu: katsed näitasid aine täielikku muundatavust. Kõik piisavalt suure energiaga kokkupõrgetes olevad elementaarosakesed võivad muutuda teisteks osakesteks või tekkida lihtsalt kineetilisest energiast; ja neid saab muundada energiaks, näiteks kiirguseks. Järelikult on meil siin praktiliselt lõplik tõestus aine ühtsusest. Kõik elementaarosakesed on "valmistatud" ühest ja samast ainest, samast materjalist, mida võime nüüd nimetada energiaks või universaalseks aineks; need on vaid erinevad vormid, milles mateeria saab avalduda.
Kui võrrelda seda olukorda Aristotelese mateeria- ja vormikontseptsiooniga, siis võib öelda, et Aristotelese ainet, mis oli põhimõtteliselt "potentsus", see tähendab võimalikkus, tuleks võrrelda meie energiakontseptsiooniga; kui elementaarosake sünnib, ilmutab energia end vormi kaudu materiaalse reaalsusena.
Kaasaegne füüsika ei saa loomulikult rahulduda ainult mateeria põhistruktuuri kvalitatiivse kirjeldusega; see peab püüdma hoolikalt läbi viidud katsete põhjal süvendada analüüsi matemaatiliselt formuleerida loodusseadusi, mis määravad aine vormid, nimelt elementaarosakesed ja nende jõud. Selles füüsika osas ei saa enam teha selget vahet mateeria ja jõu või jõu ja mateeria vahel, kuna iga elementaarosake mitte ainult ei genereeri ise jõudu ja kogeb jõudude mõju, vaid samal ajal esindab ta iseennast antud juhul. teatud jõuväli. Lainete ja osakeste kvantmehaaniline dualism on põhjus, miks sama reaalsus avaldub nii aine kui ka jõuna.
Kõik katsed leida matemaatilist kirjeldust elementaarosakeste maailma loodusseadustele on seni alguse saanud laineväljade kvantteooriast. Selle valdkonna teoreetilised uuringud viidi läbi kolmekümnendate aastate alguses. Kuid juba esimesed tööd selles valdkonnas paljastasid väga tõsiseid raskusi selles valdkonnas, kus nad üritasid ühendada kvantteooriat erirelatiivsusteooriaga. Esmapilgul tundub, et need kaks teooriat, kvant- ja relatiivsusteooria, on seotud niivõrd erinevate looduse aspektidega, et praktiliselt ei saa nad üksteist kuidagi mõjutada ja seetõttu peaksid mõlema teooria nõuded olema samas formalismis hõlpsasti täidetud. Kuid täpsem uuring näitas, et mõlemad teooriad satuvad teatud hetkel vastuollu, mille tulemusena tekivad kõik edasised raskused.
Erirelatiivsusteooria paljastas ruumi ja aja struktuuri, mis osutus mõnevõrra erinevaks struktuurist, mis neile Newtoni mehaanika loomisest saadik omistati. Selle äsja avastatud struktuuri kõige iseloomulikum omadus on maksimaalse kiiruse olemasolu, mida ei saa ületada ükski liikuv keha ega leviv signaal, see tähendab valguse kiirus. Sellest tulenevalt ei saa kahel üksteisest väga kaugel aset leidval sündmusel olla otsest põhjuslikku seost, kui need toimuvad sellistel ajahetkedel, et esimese sündmuse hetkel sellest punktist väljuv valgussignaal jõuab teiseni ainult pärast teise sündmuse hetke ja vastupidi. Sel juhul võib mõlemat sündmust nimetada samaaegseks. Kuna mingit mõju ei saa ühelt protsessilt ühel ajahetkel teisele protsessile teisel ajahetkel üle kanda, ei saa neid kahte protsessi ühendada ühegi füüsilise mõjuga.
Sel põhjusel osutus toimimine pikkadel vahemaadel, nagu see Newtoni mehaanikas ilmneb gravitatsioonijõudude puhul, erirelatiivsusteooriaga kokkusobimatuks. Uus teooria pidi asendama sellise tegevuse "lühimaategevusega", st jõu ülekandmisega ainult ühest punktist vahetult külgnevasse punkti. Seda tüüpi interaktsioonide loomulik matemaatiline väljend osutus lainete või väljade diferentsiaalvõrranditeks, mis on Lorentzi teisenduse korral muutumatud. Sellised diferentsiaalvõrrandid välistavad samaaegsete sündmuste otsese mõju üksteisele.
Seetõttu piiritleb erirelatiivsusteooria poolt väljendatud ruumi ja aja struktuur äärmiselt teravalt samaaegsuse piirkonna, milles ei saa edasi kanduda mõju, teistest piirkondadest, milles võib toimuda ühe protsessi otsene mõju teisele.
Teisest küljest seab kvantteooria määramatuse suhe jäiga piiri täpsusele, millega saab samaaegselt mõõta koordinaate ja momente või aja ja energia momente. Kuna üliterav piir tähendab ruumis ja ajas positsiooni fikseerimise lõpmatut täpsust, peavad vastavad impulsid ja energiad olema täiesti ebakindlad, st ülekaaluka tõenäosusega protsessid peavad esile tulema ka suvaliselt suurte impulsside ja energiate korral. Seetõttu osutub iga teooria, mis täidab samaaegselt erirelatiivsusteooria ja kvantteooria nõudeid, matemaatilisi vastuolusid, nimelt lahknevusi väga kõrgete energiate ja momentide piirkonnas. Need järeldused ei pruugi olla hädavajalikud, kuna igasugune siin käsitletav formalism on väga keeruline ja samuti on võimalik, et leitakse matemaatilisi vahendeid, mis aitavad kõrvaldada praegusel hetkel vastuolu relatiivsusteooria ja kvantiteooria vahel. teooria. Kuid seni on kõik uuritud matemaatilised skeemid tegelikult toonud kaasa selliseid lahknevusi, see tähendab matemaatilisi vastuolusid, või on need osutunud ebapiisavaks, et rahuldada mõlema teooria kõiki nõudeid. Pealegi oli ilmne, et raskused tulenesid tegelikult just äsja käsitletud punktist.
Iseenesest väga huvitavaks osutus punkt, kus koonduvad matemaatilised skeemid ei vasta relatiivsusteooria ega kvantteooria nõuetele. Üks neist skeemidest viis näiteks selleni, kui seda püüti tõlgendada ruumis ja ajas toimuvate reaalsete protsesside abil, omamoodi ajapöördeni; see kirjeldas protsesse, mille käigus sündis teatud ajahetkel ootamatult mitu elementaarosakest ja energia selle protsessi jaoks anti alles hiljem mõne muu elementaarosakeste põrkeprotsessi tõttu. Füüsikud on oma katsete põhjal veendunud, et looduses sedalaadi protsesse ei toimu, vähemalt siis, kui mõlemad protsessid on teineteisest eraldatud mingi mõõdetava vahemaaga ruumis ja ajas.
Teises teoreetilises skeemis püüti formalismi lahknevusi kõrvaldada matemaatilise protsessi alusel, mida nimetati "renormaliseerimiseks". See protsess seisneb selles, et formalismi lõpmatused saab nihutada kohta, kus nad ei saaks segada vaadeldavate suuruste vahel rangelt määratletud seoste saamist. Tõepoolest, see skeem on juba teatud määral viinud kvantelektrodünaamika otsustavate edusammudeni, kuna see annab võimaluse arvutada välja mõned väga huvitavad vesiniku spektri tunnused, mis olid seni seletamatud. Selle matemaatilise skeemi täpsem analüüs tegi aga usutavaks järelduse, et need suurused, mida tavalises kvantteoorias tuleks tõlgendada tõenäosustena, võivad sel juhul teatud asjaoludel pärast renormaliseerimisprotsessi läbiviimist muutuda negatiivseks. See välistaks loomulikult formalismi järjekindla tõlgendamise aine kirjeldamisel, kuna negatiivne tõenäosus on mõttetu mõiste.
Seega oleme juba jõudnud probleemideni, mis on nüüdisaegse füüsika arutelude keskmes. Kunagi saadakse lahendus tänu pidevalt rikastuvale katsematerjalile, mida saadakse elementaarosakeste, nende tekke ja hävitamise ning nende vahel mõjuvate jõudude üha täpsemal mõõtmisel. Nendele raskustele võimalikke lahendusi otsides tasub meeles pidada, et selliseid ülalkirjeldatud näilisi ajas ümberpööramise protsesse ei saa eksperimentaalsete andmete põhjal välistada, kui need toimuvad ainult väga väikestes aegruumi piirkondades, mille piires on siiski võimatu jälgige protsesse üksikasjalikult meie praeguste katseseadmetega. Muidugi on meie teadmiste praeguse seisu juures vaevalt valmis tunnistama selliste protsesside võimalikkust ajas ümberpööramisega, kui see eeldab võimalust füüsika mõnes hilisemas arenguetapis jälgida selliseid protsesse samamoodi nagu tavalisi. täheldatakse aatomiprotsesse. Kuid siin võimaldab kvantteooria analüüsi ja relatiivsusteooria analüüsi võrdlus esitada probleemi uues valguses.
Relatiivsusteooriat seostatakse looduse universaalse konstandiga – valguse kiirusega. See konstant on otsustava tähtsusega ruumi ja aja vahelise seose loomisel ja peab seetõttu sisalduma igas loodusseaduses, mis rahuldab Lorentzi teisenduste muutumise nõudeid. Meie tavakeelt ja klassikalise füüsika mõisteid saab rakendada vaid nähtuste puhul, mille valguse kiirust võib pidada praktiliselt lõpmatult suureks. Kui läheneme oma katsetes valguse kiirusele mis tahes kujul, peame olema valmis kohtama tulemusi, mida nende tavaliste mõistetega enam seletada ei saa.
Kvantteooria on seotud teise universaalse looduse konstandiga – Plancki tegevuskvantiga. Ruumis ja ajas toimuvate protsesside objektiivne kirjeldamine on võimalik ainult siis, kui tegemist on suhteliselt suure ulatusega objektide ja protsessidega ning just siis võib Plancki konstanti pidada praktiliselt lõpmatult väikeseks. Kui läheneme oma katsetes piirkonnale, kus Plancki tegevuskvant muutub oluliseks, jõuame kõigi nende tavamõistete rakendamise raskusteni, mida on käsitletud selle raamatu eelmistes peatükkides.
Kuid loodusel peab olema ka kolmas universaalne konstant. See tuleneb lihtsalt, nagu füüsikud ütlevad, mõõtmete kaalutlustest. Universaalsed konstandid määravad mastaapide suurused looduses. Selliste seadmete täieliku komplekti jaoks on aga vaja kolme põhiseadet. Lihtsaim viis seda järeldada on tavalistest ühikukokkulepetest, näiteks füüsikute CQS-i (sentimeeter-gramm-sekund) süsteemist. Pikkusühikust, ajaühikust ja massiühikust koos piisab tervikliku süsteemi moodustamiseks. Vaja on vähemalt kolme põhiseadet. Neid võiks asendada ka pikkuse, kiiruse ja massi ühikutega või pikkuse, kiiruse ja energia ühikutega jne. Kuid kolm põhiühikut on igal juhul vajalikud. Valguse kiirus ja Plancki toimekvant annavad meile aga neist suurustest ainult kaks. Kolmas peab olema ja ainult sellist kolmandat ühikut sisaldav teooria võib ehk viia elementaarosakeste masside ja muude omaduste määramiseni. Tuginedes meie kaasaegsetele teadmistele elementaarosakeste kohta, on võib-olla kõige lihtsam ja vastuvõetavam viis kolmanda universaalse konstandi sisseviimiseks eeldada, et universaalne pikkus on suurusjärgus 10-13 cm, seega on pikkus võrreldav. ligikaudu kopsude aatomituumade raadiuses. Kui alates. need kolm ühikut moodustavad avaldise, millel on massi mõõde, siis sellel massil on tavaliste elementaarosakeste massi suurusjärk.
Kui eeldame, et loodusseadused sisaldavad tegelikult sellist kolmandat universaalset pikkuse mõõtme konstanti suurusjärgus 10-13 cm, siis on täiesti võimalik, et meie tavamõisteid saab rakendada ainult sellistele ruumi ja aja piirkondadele, mis on suured. võrreldes selle universaalse pikkusekonstandiga . Kui läheneme oma katsetes ruumi- ja ajaaladele, mis on aatomituumade raadiustega võrreldes väikesed, peame olema valmis selleks, et vaadeldakse kvalitatiivselt uut laadi protsesse. Eespool mainitud ja seni vaid teoreetilistest kaalutlustest tuletatud võimalusena mainitud aja ümberpööramise fenomen võiks seetõttu kuuluda nendesse väikseimatesse aegruumi piirkondadesse. Kui jah, siis poleks see ilmselt nii jälgitav, et vastavat protsessi saaks klassikaliselt kirjeldada. Ja ometi, niivõrd, kuivõrd selliseid protsesse saab kirjeldada klassikaliste mõistetega, peavad need paljastama ka klassikalise ajajärgu järjekorra. Kuid seni on liiga vähe teada protsessidest kõige väiksemates aegruumi piirkondades – või (mis määramatuse seose järgi vastab ligikaudu sellele väitele) kõige kõrgemate edastatud energiate ja impulsside juures.
Püüdes saavutada elementaarosakestega tehtud katsete põhjal suuremaid teadmisi aine ehitust ja seeläbi elementaarosakeste struktuuri määravatest loodusseadustest, on sümmeetria teatud omadustel eriti oluline roll. Tuletame meelde, et Platoni filosoofias olid mateeria väikseimad osakesed absoluutselt sümmeetrilised moodustised, nimelt korrapärased kehad – kuup, oktaeedr, ikosaeedr, tetraeedr. Kaasaegses füüsikas ei ole aga need erilised sümmeetriarühmad, mis tulenevad kolmemõõtmelise ruumi pöörlemiste rühmast, enam tähelepanu keskpunktis. Uusaja loodusteadustes toimuv ei ole mingil juhul ruumiline vorm, vaid kujutab endast seadust, seega teatud määral aegruumi vormi ning seetõttu peavad meie füüsikas kasutatavad sümmeetriad alati seostuma ruumiga ja koos aega. Kuid teatud tüüpi sümmeetria näib mängivat osakeste teoorias tegelikult kõige olulisemat rolli.
Tunneme neid empiiriliselt tänu nn jäävusseadustele ja tänu kvantarvude süsteemile, mille abil saame elementaarosakeste maailmas sündmusi vastavalt kogemusele järjestada. Me saame neid väljendada matemaatiliselt, nõudes, et aine põhiline loodusseadus oleks teatud teisendusrühmade korral muutumatu. Need teisendusrühmad on sümmeetria omaduste lihtsaim matemaatiline väljend. Need esinevad kaasaegses füüsikas Platoni tahkete ainete asemel. Olulisemad on siin lühidalt välja toodud.
Nn Lorentzi teisenduste rühm iseloomustab erirelatiivsusteooria poolt paljastatud ruumi ja aja struktuuri.
Pauli ja Gürschi uuritud rühm vastab oma struktuurilt kolmemõõtmeliste ruumiliste pöörlemiste rühmale - see on sellega isomorfne, nagu ütlevad matemaatikud - ja avaldub kvantarvu ilmumises, mis avastati empiiriliselt elementaarosakestes kakskümmend. -viis aastat tagasi ja seda kutsuti "isospiniks".
Järgmised kaks rühma, mis formaalselt käituvad ümber jäiga telje pöörlevate rühmadena, viivad laengu, barüonide ja leptonite arvu säilivusseadusteni.
Lõpuks peavad loodusseadused olema muutumatud ka teatud peegeldusoperatsioonide korral, mida siin pole vaja üksikasjalikult loetleda. Selles küsimuses osutusid eriti oluliseks ja viljakaks Lee ja Yangi uuringud, mille idee kohaselt pariteediks nimetatud suurus, mille kohta varem kehtinud looduskaitseseadus kehtis, tegelikult ei ole. konserveeritud.
Kõiki seni teadaolevaid sümmeetriaomadusi saab väljendada lihtsa võrrandi abil. Veelgi enam, see tähendab, et see võrrand on muutumatu kõigi nimetatud teisendusrühmade suhtes ja seetõttu võib arvata, et see võrrand peegeldab juba õigesti aine loodusseadusi. Kuid sellele küsimusele ei ole veel lahendust.
Kuid isegi kui see võimalus kõrvale jätta, võib loota, et tänu eksperimentide koordineerimisele kõrgeima energiaga elementaarosakeste valdkonnas matemaatiline analüüs nende tulemused viivad ühel päeval mateeria ühtsuse täieliku mõistmiseni. Väljend "täielik mõistmine" tähendaks, et mateeria vormid – ligikaudu selles tähenduses, milles Aristoteles seda terminit oma filosoofias kasutas – osutuksid järeldusteks, st suletud matemaatilise skeemi lahendusteks, mis peegeldavad loodusseadusi. asja.
Bibliograafia
Selle töö ettevalmistamiseks kasutati materjale saidilt http://www.philosophy.ru/
Õpetamine
Vajad abi teema uurimisel?
Meie spetsialistid nõustavad või pakuvad juhendamisteenust teid huvitavatel teemadel.
Esitage oma taotlus märkides teema kohe ära, et saada teada konsultatsiooni saamise võimalusest.
E. h.m ületab perioodiliste elementide arvu. Mendelejevi süsteem. E. ch.m. on sisuliselt kvantmehaaniline. objektid (vt Mikroosakesed), saab nende liikumine (mis toimub üsna sageli valguse kiirusele lähedasel kiirusel) olla vaid relativistlik, s.t. teooria, mis rahuldab relatiivsusteooria nõudeid. 30-50ndatel. Usuti, et elektroonilise kvantmehaanika üldteooria saab olema kvantmehaanika ja relatiivsusteooria – relativistlik. Mitmed sellesuunalised katsed on aga sattunud ületamatutesse raskustesse. Seetõttu on füüsikas välja kujunenud, et elementaarkvantmehaanika üldteooria loomiseks on vaja kvantteooria ja relatiivsusteooria printsiipe täiendada sisuliselt uute mõistete ja seadustega, mis on iseloomulikud ainult maailmale. elementaarne kvantmehaanika.
Filosoofiatest, mis sellega seoses esile kerkisid. Suurimad probleemid olid seotud aegruumi olemusega väga lühikestel vahemaadel. Arvukad katsed otse ruumide kvantimine, suhted E. h.m tasemel loogiliselt järjekindlaga. Katsete käigus avastasid nad nende kokkusobimatuse relatiivsusteooria nõuetega ja eksperimentaalsete andmetega elektrokeemiliste osakeste hajumise kohta väga kõrgel energial. Lindenbaum jt 1966. aastal tõestasid, et kuni 10–17 cm kauguseni on mikrokosmosel pidev, mittediskreetne struktuur. Tänapäeval kaalutakse erinevaid diskreetse aegruumi mudeleid. aeg kui üks reaalfüüsika küsimuse uurimissuundi. väga väikeste vahemaade ja ajavahemike struktuur. Matemaatika rakendamine E.H.M.-i füüsikas lähtub endiselt Eudoxuse-Archimedese aksioomist, mille kohaselt võib kahest suvaliselt valitud segmendist väiksema alati edasi lükata. suurem arv korda, misjärel viimane pikkus ületab. See, mis iseloomustab ruumi topoloogiat, tekitab E. h.m.-i maailmas kahtlusi, eriti seoses nende erinevate virtuaalse teisenemise võimalikkusega üksteiseks. raames nn Uuritakse abstraktse väljateooria rakendusi matemaatika elementaarteooria üldteooria konstrueerimiseks. kõige üldisema topoloogilise ruumid. loodus, sh. ja mittemeetrilised (st need, mille puhul on võimatu kehtestada teatud objektide üksteisest "kauguse" mõõdet - nendevahelise "kauguse" analoog).
Dr. Filosoof probleeme seostatakse elementaarobjekti identifitseerimisega, mida saab kasutada kogemusega seotud olemite teooria aluseks (näiteks teatud universaalne, isetoimiv mittelineaarne Heisenbergi spinor), ja hüpoteetilised objektid. loodus (Gell-Manni ja Zweigi kvargid või Chew, Frautschi ja nende järgijate regelionid). Paljud neist katsetest on otseselt seotud teatud filosoofiatega. ideid. Seega lähtub Sakata oma teooriast dialektika ideedest. materialismist lähtub Heisenberg Platoni õpetusest geomeetriliselt täiuslike ideaalkehade kohta, Gell-Man seob oma "kaheksakordse sümmeetria" Buddha tõe mõistmise kaheksa viisiga ja otsimisega uus vorm atomism, Chew, vastupidi, peab atomismi ideed aegunuks ja teeb ettepaneku juhinduda Leibnizi ideest maailma parimast ja ideest "demokraatia" - kõigi tuntud E. ch.m.
Kõik seni pakutud E. ptk üldteooria variandid esindavad spetsiifilisi süvadialektika meetodeid. E. ptk. kui teadusobjektide omaduste vastuolu. uuringud: ühelt poolt on seda tüüpi E. h.m.-i masside, laengute, keerutuste ja muude omaduste hämmastav püsivus; teisest küljest on E. Ch. M. vastastikune konverteeritavus oma olemuselt nende olemasolu vorm - tänu virtuaalsete protsesside olemasolule saab iga tuntud E. Ch. muutuda peaaegu igaks teiseks (pluss kehakesed – elektri-, barüoon- ja leptonlaengute säilitamiseks).
Hulk filosoofiaid E. ptk füüsika probleemid puudutavad uute mõistete kujunemist, mille abil saab kvalitatiivselt unikaalsete objektidena sõnastada. IN viimased aastad Seoses E. Ch. madalate energiate sümmeetria uute omaduste avastamisega - kuni miljon elektronvolti korpuse kohta - ja kui see on piiratud objektidega, millel on triviaalne, meetriline topoloogia. Teisisõnu lähenetakse E. ptk teooriale põhimõtte vastavuse seisukohalt. Suuri lootusi pannakse E. h.m interaktsioonide sümmeetria intensiivselt uuritud omadustele. E. Ch.M. ühtne teooria suudab selgitada nii selle konkreetse E. Ch.M. komplekti olemasolu kui ka just seda tüüpi interaktsioonide olemasolu nende vahel ning täiesti salapärast. tänapäeva. aega, kuid empiiriliselt väga selgelt sõltub interaktsiooni tugevus selle sümmeetria astmest (selle jõu vähenemine koostoime sümmeetriaastme vähenemisega).
Lit.: Markov M. A., Tänapäevast. atomismi vorm (Elementaarosakese mõistest), "VF", 1960; nr 3, 4; Mapshak R. ja Sudershan E., Sissejuhatus füüsikasse E. ptk., tlk. inglise keelest, M., 1962; Filosoofia füüsika probleemid E. Ch., M., 1863; Heisenberg V., Füüsika ja tlk. saksa keelest, M., 1963; Aine olemus, "Uspekhi fizicheskikh nauk", 1965; kd 86, nr. 4; Chew J., analüütik. S-maatriksi teooria, tlk. inglise keelest, M., 1968.
I. Aktšurin. Moskva.
Filosoofiline entsüklopeedia. 5 köites - M.: Nõukogude entsüklopeedia. Toimetanud F. V. Konstantinov. 1960-1970 .
Vaadake, mis on "aine ELEMENTAARSED OSAKED" teistes sõnaraamatutes:
Sissejuhatus. E. osakesed selle mõiste täpses tähenduses on primaarsed, edasi lagunematud osakesed, millest oletatavalt koosneb kogu aine. Kaasaegses füüsika termin "E. h." kasutatakse tavaliselt mitte selle täpses tähenduses, vaid vähem rangelt nime jaoks... ... Füüsiline entsüklopeedia
Suur entsüklopeediline sõnaraamat
Elementaarosakesed on füüsikalise aine väikseimad osakesed. Ideed elementaarosakeste kohta peegeldavad tänapäeva teaduse poolt saavutatud aine struktuuri teadmiste taset. Koos antiosakestega umbes 300 elementaarset... ... Tuumaenergia terminid
elementaarosakesed- Füüsikalise aine väikseimad osakesed. Ideed elementaarosakeste kohta peegeldavad tänapäeva teaduse poolt saavutatud aine struktuuri teadmiste taset. Koos antiosakestega on avastatud umbes 300 elementaarosakest. Tähtaeg ... ... Tehniline tõlkija juhend
Kaasaegne entsüklopeedia
Elementaarosakesed- ELEMENTARY OSAKESED, aine kõige väiksemate osakeste üldnimetus aine struktuuri järgmisel (tuumade järel) tasemel (alltuumaosakesed). Elementaarosakeste hulka kuuluvad prooton (p), neutron (n), elektron (e), footon (g), neutriino (n) jne ning nende... ... Illustreeritud entsüklopeediline sõnaraamat
Sissejuhatus. E. osakesed selle mõiste täpses tähenduses on primaarsed, edasi lagunematud osakesed, millest oletatavalt koosneb kogu aine. Kontseptsioonis "E. h." kaasaegses füüsikas leiab ürgsete olemite idee väljenduse ... ... Suur Nõukogude entsüklopeedia
Väikseimad teadaolevad füüsikalise aine osakesed. Ideed elementaarosakeste kohta peegeldavad tänapäevase teaduse saavutatud teadmiste taset aine struktuuri kohta. Tunnusjoon elementaarosakeste vastastikuse võime ... ... entsüklopeediline sõnaraamat
Kitsas tähenduses osakesed, mida ei saa pidada teistest osakestest koosnevaks. Kaasaegses Füüsikas kasutatakse mõistet E. Ch laiemas tähenduses: nn. aine väikseimad osakesed tingimusel, et need ei ole aatomituumad ja aatomid... ... Keemia entsüklopeedia
Väiksemad füüsikalised osakesed asja. Ideed E. h kohta peegeldavad aine struktuuri tundmise taset, mis on saavutatud kaasajal. teadus. Iseloomulik E. h. see ei võimalda meil pidada E. h-ks... ... Loodusteadus. entsüklopeediline sõnaraamat
Raamatud
- Universumi aine struktuuri eeterlik teooria, Anatoli Bedritski. Raamat “Universumi aine struktuuri eeterlik teooria” määratleb mateeria tõelised algsed elementaarosakesed - matid, millel on absoluutne tihedus ja mis liiguvad kaootiliselt igas suunas,...
Kui arvasite, et oleme oma peadmurdvate teemadega unustusehõlma vajunud, siis kiirustame teile pettumust valmistama ja teid rõõmustama: te eksisite! Tegelikult oleme kogu selle aja püüdnud leida vastuvõetavat meetodit kvantparadoksidega seotud pööraste teemade esitamiseks. Kirjutasime mitu mustandit, aga need kõik visati külma kätte. Sest kvantnaljade seletamisel läheme me ise segadusse ja tunnistame, et me ei saa paljust aru (ja üldiselt saavad sellest asjast aru vähesed, sealhulgas maailma lahedad teadlased). Paraku on kvantmaailm vilistlikule maailmapildile nii võõras, et pole sugugi häbiasi tunnistada oma arusaamatust ja proovida natuke koos, et vähemalt põhitõdedest aru saada.
Ja kuigi nagu tavaliselt, püüame Google’i piltidega võimalikult selgelt rääkida, vajab kogenematu lugeja esmast ettevalmistust, seega soovitame vaadata läbi meie varasemad teemad, eriti kvantide ja mateeria kohta.
Eriti humanistidele ja teistele huvilistele – kvantparadoksid. 1. osa.
Selles teemas räägime kvantmaailma levinuimast mõistatusest – laine-osakeste duaalsusest. Kui me ütleme "kõige tavalisem", peame silmas seda, et füüsikud on sellest nii väsinud, et see ei tundu isegi mõistatusena. Kuid see kõik on sellepärast, et teisi kvantparadokse on keskmisel meelel veelgi raskem aktsepteerida.
Ja see oli selline. Vanadel headel aegadel, kuskil 17. sajandi keskpaigas, olid Newton ja Huygens valguse olemasolu osas eriarvamusel: Newton kuulutas häbematult, et valgus on osakeste voog ja vana Huygens püüdis tõestada, et valgus on laine. Kuid Newton oli autoriteetsem, nii et tema väide valguse olemuse kohta peeti tõeseks ja Huygensi üle naerdi. Ja kakssada aastat peeti valgust mingite tundmatute osakeste vooluks, mille olemuse nad lootsid ühel päeval avastada.
19. sajandi alguses tegeles orientalist nimega Thomas Young optiliste instrumentidega – selle tulemusel võttis ta ette ja viis läbi eksperimendi, mida tänapäeval nimetatakse Youngi eksperimendiks ja iga füüsik peab seda katset pühaks.
Thomas Young suunas just valguskiire (sama värvi, nii et sagedus oli ligikaudu sama) läbi plaadi kahe pilu ja asetas selle taha teise ekraaniplaadi. Ja näitas tulemust kolleegidele. Kui valgus oleks osakeste voog, siis näeksime taustal kahte heledat triipu.
Kuid kahjuks kogu teadusmaailma jaoks ilmus plaadiekraanile rida tumedaid ja heledaid triipe. Tavaline nähtus, mida nimetatakse interferentsiks, on kahe (või enama) laine üksteise peale asetsemine.
Muide, just tänu interferentsile näeme õliplekil või seebimullil vikerkaaretoone.
Teisisõnu tõestas Thomas Young eksperimentaalselt, et valgus on lained. Teaduslik maailm Pikka aega ei tahtnud ta Jungi uskuda ja korraga kritiseeriti teda nii palju, et ta isegi loobus oma ideedest laineteooriast. Kuid kindlus nende õigsuses valitses endiselt ja teadlased hakkasid valgust pidama laineks. Tõsi, laine millest – see oli mõistatus.
Siin, pildil, on vana hea Jungi eksperiment.
Peab ütlema, et valguse laineline olemus ei mõjutanud oluliselt klassikalist füüsikat. Teadlased kirjutasid valemid ümber ja hakkasid uskuma, et varsti langeb kogu maailm nende jalge ette ühtse universaalse valemi alla kõige jaoks.
Aga sa juba arvasid, et Einstein, nagu alati, rikkus kõik ära. Häda hiilis teiselt poolt - alguses sattusid teadlased termiliste lainete energia arvutamisel segadusse ja avastasid kvantide mõiste (selle kohta lugege kindlasti meie vastavast teemast ""). Ja siis andis Einstein nende samade kvantide abil löögi füüsikale, selgitades fotoelektrilise efekti nähtust.
Lühidalt: fotoelektriline efekt (mille üheks tagajärjeks on filmiga kokkupuude) on elektronide väljalöömine teatud materjalide pinnalt valguse toimel. Tehniliselt toimub see väljalöömine nii, nagu valgus oleks osake. Einstein nimetas valgusosakest valguse kvantiks ja hiljem anti sellele nimi – footon.
1920. aastal lisati valguse lainevastasesse teooriasse hämmastav Comptoni efekt: kui elektroni pommitatakse footonitega, põrkab footon elektronilt energiakaoga tagasi (me "tulistame" sinisega, aga punane lendab välja), nagu piljardipall teisest. Compton sai selle eest Nobeli preemia.
Seekord olid füüsikud ettevaatlikud lihtsalt valguse lainelise olemuse hülgamise pärast, kuid mõtlesid selle asemel kõvasti. Teadus seisab silmitsi hirmuäratava mõistatusega: kas valgus on laine või osake?
Valgusel, nagu igal lainel, on sagedus - ja seda on lihtne kontrollida. Me näeme erinevaid värve, sest iga värv on lihtsalt elektromagnetilise (valguse) laine erinev sagedus: punane on madalsagedus, lilla on kõrge sagedus.
Kuid see on hämmastav: nähtava valguse lainepikkus on viis tuhat korda suurem kui aatomi suurus - kuidas selline "asi" aatomisse sobib, kui aatom selle laine neelab? Kui ainult footon on osake, mis on suuruselt võrreldav aatomiga. Kas footon on korraga nii suur kui ka väike?
Lisaks tõestavad fotoelektriline efekt ja Comptoni efekt selgelt, et valgus on ikkagi osakeste voog: ei saa seletada, kuidas laine annab energiat üle ruumis paiknevatele elektronidele – kui valgus oleks laine, siis mõni elektron lööks hiljem välja. kui teised, ja nähtus Me ei jälgiks fotoelektrilist efekti. Kuid voolu korral põrkab üksik footon kokku üksiku elektroniga ja lööb selle teatud tingimustel aatomist välja.
Selle tulemusena otsustati: valgus on nii laine kui ka osake. Õigemini, ei üht ega teist, vaid uus senitundmatu mateeria eksisteerimise vorm: nähtused, mida me vaatleme, on vaid asjade tegeliku seisu projektsioonid või varjud, olenevalt sellest, kuidas toimuvat vaadata. Ühelt poolt valgustatud silindri varju vaadates näeme ringi, teiselt poolt valgustades aga ristkülikukujulist varju. Nii on ka valguse osakeste lainete esituses.
Kuid isegi siin pole kõik lihtne. Me ei saa öelda, et me peaksime valgust kas laineks või osakeste vooluks. Vaata aknast välja. Äkki, isegi puhtalt pestud klaasis, näeme omaenda peegeldust, ehkki uduselt. Mis on saak? Kui valgus on laine, siis peegeldust aknas on lihtne seletada – sarnaseid mõjusid näeme ka vees, kui laine peegeldub takistuselt. Aga kui valgus on osakeste voog, siis peegeldust ei saa nii lihtsalt seletada. Lõppude lõpuks on kõik footonid ühesugused. Kui need on aga kõik ühesugused, peaks aknaklaasi kujul olev barjäär neile samamoodi mõjuma. Kas need kõik läbivad klaasi või peegelduvad. Kuid karmis reaalsuses lendavad osa footoneid läbi klaasi ja me näeme naabermaja ja näeme kohe oma peegeldust.
Ja ainus seletus, mis meelde tuleb: footonid on omaette. Sajaprotsendilise tõenäosusega on võimatu ennustada, kuidas konkreetne footon käitub – kas see põrkub klaasiga osakese või lainetusena. See on kvantfüüsika alus – aine täiesti, absoluutselt juhuslik käitumine mikrotasandil ilma põhjuseta (ja meie suurte koguste maailmas teame kogemusest, et kõigel on põhjus). Erinevalt mündiviskamisest on see täiuslik juhuslike arvude generaator.
Hiilgav Einstein, kes avastas footoni, oli kuni oma elu lõpuni veendunud, et kvantfüüsika on vale, ja kinnitas kõigile, et "Jumal ei mängi täringuid". Aga kaasaegne teadusüha enam kinnitab: ta mängib endiselt.
Nii või teisiti otsustasid teadlased ühel päeval "laine või osakese" debatile lõpu teha ja 20. sajandi tehnoloogiaid arvesse võttes taastoota Jungi kogemusi. Selleks ajaks olid nad õppinud tulistama footoneid ükshaaval (kvantgeneraatorid, rahva seas tuntud kui "laserid") ja seetõttu otsustati kontrollida, mis juhtuks ekraanil, kui üks osake tulistaks kahte pilusse: lõpuks saab selgeks, mis on mateeria kontrollitud katsetingimustes.
Ja järsku - üksik valguskvant (footon) näitas interferentsimustrit ehk osake lendas mõlemast pilust korraga läbi, footon sekkus iseendasse (teaduslikus mõttes). Täpsustame tehnilist punkti – tegelikult ei näidanud interferentsipilti mitte üks footon, vaid 10-sekundiliste intervallidega tehtud kaadrite seeria ühest osakesest – aja jooksul tekkisid igale C-õpilasele aastast 1801 tuttavad Youngi ääred. ekraan.
Laine seisukohalt on see loogiline - laine läbib pragusid ja nüüd lahknevad kaks uut lainet kontsentriliste ringidena, kattudes üksteisega.
Kuid korpuskulaarsest vaatenurgast selgub, et footon on pilusid läbides korraga kahes kohas ja pärast läbimist seguneb iseendaga. See on üldiselt normaalne, ah?
Selgus, et see oli normaalne. Veelgi enam, kuna footon on korraga kahes pilus, siis see tähendab, et ta on samaaegselt igal pool nii enne pilusid kui ka pärast nendest läbilendamist. Ja üldiselt on kvantfüüsika seisukohalt stardi ja finiši vahel eralduv footon korraga "kõikjal ja korraga". Füüsikud nimetavad sellist osakese leidmist "kõikjal korraga" superpositsiooniks - kohutav sõna, mis varem oli matemaatiline hellitus, on nüüdseks muutunud füüsiliseks reaalsuseks.
Teatud E. Schrödinger, tuntud kvantfüüsika vastane, oli selleks ajaks kusagilt välja kaevanud valemi, mis kirjeldas aine, näiteks vee lainelisi omadusi. Ja pärast natukene nokitsemist tuletasin oma õuduseks nn lainefunktsiooni. See funktsioon näitas footoni leidmise tõenäosust teatud kohas. Pange tähele, et see on tõenäosus, mitte täpne asukoht. Ja see tõenäosus sõltus antud asukohas asuva kvantlaine harja kõrguse ruudust (kui kedagi detailid huvitavad).
Eraldi peatüki pühendame osakeste asukoha mõõtmise küsimustele.
Edasised avastused näitasid, et dualismiga on asjad veelgi hullemad ja salapärasemad.
1924. aastal ütles teatud Louis de Broglie, et valguse lainekorpuskulaarsed omadused on jäämäe tipp. Ja see arusaamatu omadus on kõigil elementaarosakestel.
See tähendab, et osake ja laine pole samal ajal mitte ainult elektromagnetvälja osakesed (footonid), vaid ka reaalsed osakesed nagu elektronid, prootonid jne. Kogu aine meie ümber mikroskoopilisel tasandil on lained(ja osakesed samal ajal).
Ja paar aastat hiljem leidis see isegi eksperimentaalset kinnitust – ameeriklased ajasid elektrone elektronkiiretorudes (mida tänapäeva vanad peerukesed tunnevad “kineskoobi” nime all) – ja nii kinnitasid elektronide peegeldusega seotud vaatlused, et elektron on ka laine (arusaadavuse hõlbustamiseks võib öelda, et nad panid elektroni teele kahe piluga plaadi ja nägid elektroni interferentsi sellisena, nagu see on).
Praeguseks on katsed avastanud, et aatomitel on ka lainelised omadused ja isegi teatud tüüpi molekulid (nn fullereenid) avalduvad lainetena.
Lugeja uudishimulik meel, keda meie lugu pole veel uimastanud, küsib: kui mateeria on laine, siis miks näiteks lendav pall ei määri kosmoses laine kujul? Miks reaktiivlennuk ei meenuta üldse lainet, vaid on väga sarnane reaktiivlennukiga?
De Broglie, kurat, seletas siin kõik lahti: jah, lendav pall või Boeing on ka laine, aga selle laine pikkus on lühem, seda suurem on impulss. Moment on mass korda kiirus. See tähendab, et mida suurem on aine mass, seda lühem on selle lainepikkus. Kiirusega 150 km/h lendava kuuli lainepikkus on ligikaudu 0,00 meetrit. Seetõttu ei suuda me märgata, kuidas pall lainena üle ruumi laiali laotub. Meie jaoks on see kindel aine.
Elektron on väga kerge osake ja kiirusega 6000 km/s lennates on selle märgatav lainepikkus 0,0000000001 meetrit.
Muide, vastame kohe küsimusele, miks aatomituum pole nii "laineline". Kuigi see asub aatomi keskel, mille ümber elektron hullult lendab ja samal ajal määrdub, on sellel korralik impulss, mis on seotud prootonite ja neutronite massiga, aga ka sellest tuleneva kõrgsagedusliku võnkega (kiirusega). pideva osakeste vahetuse olemasolule tuuma sees tugev vastastikmõju (loe teemat). Seetõttu sarnaneb tuum rohkem meile tuttava tahke ainega. Ilmselt on elektron ainus massiga osake, millel on selgelt väljendatud laineomadused, nii et kõik uurivad seda rõõmuga.
Tuleme tagasi oma osakeste juurde. Nii selgub: ümber aatomi pöörlev elektron on nii osake kui ka laine. See tähendab, et osake pöörleb ja samal ajal kujutab elektron kui laine tuuma ümber teatud kujuga kesta – kuidas seda üldse inimaju mõistab?
Eespool oleme juba arvutanud, et lendav elektron on üsna hiiglasliku (mikrokosmose kohta) lainepikkusega ja selleks, et aatomituuma ümber mahtuda, vajab selline laine ebasündsalt palju ruumi. See on täpselt see, mis seletab aatomite nii suuri suurusi võrreldes tuumaga. Elektroni lainepikkused määravad aatomi suuruse. Tühja ruumi tuuma ja aatomi pinna vahel täidab elektroni lainepikkuse (ja samal ajal ka osakese) “majutamine”. See on väga toores ja ebakorrektne seletus - palun andke andeks - tegelikkuses on kõik palju keerulisem, kuid meie eesmärk on võimaldada inimestel, kes sellest kõigest huvitatud on, tükike teaduse graniidist ära närida.
Teeme jälle selgeks! Pärast mõningaid kommentaare artiklile [YP-s] mõistsime, milline oluline punkt sellest artiklist puudu jäi. Tähelepanu! Aine vorm, mida me kirjeldame, ei ole laine ega osake. Sellel on ainult (samaaegselt) laine omadused ja osakeste omadused. Ei saa öelda, et elektromagnetlaine või elektronlaine on nagu merelained või helilained. Meile tuttavad lained esindavad häirete levikut mingi ainega täidetud ruumis.
Kosmoses liikuvaid footoneid, elektrone ja muid mikrokosmose juhtumeid saab kirjeldada lainevõrranditega, kuid need ei ole mingil juhul lained. See on sarnane aine korpuskulaarse struktuuriga: osakeste käitumine sarnaneb väikeste punktpallide lennuga, kuid need pole kunagi kuulid.
Seda tuleb mõista ja aktsepteerida, vastasel juhul viivad kõik meie mõtted lõpuks analoogide otsimiseni makrokosmoses ja seega saab kvantfüüsika mõistmine otsa ning algab friarism või šarlatanide filosoofia, nagu kvantmaagia ja materiaalsus. mõtetest.
Jungi kaasajastatud eksperimendi järelejäänud hirmuäratavaid järeldusi ja tagajärgi käsitleme hiljem järgmises osas – Heisenbergi ebakindlus, Schrödingeri kass, Pauli väljajätmise printsiip ja kvantpõimumine ootavad kannatlikku ja mõtlikku lugejat, kes loeb meie artikleid rohkem kui korra üle ja tuhnib. Interneti kaudu lisateabe otsimiseks.
Tänan teid kõiki tähelepanu eest. Head unetust või kognitiivseid õudusunenägusid kõigile!
NB: Tuletame usinasti meelde, et kõik pildid on võetud Google’ist (otsing piltide järgi) – seal määratakse autorsus.
Teksti illegaalne kopeerimine võetakse vastutusele, surutakse maha, noh, teate...
