Kvantinė fizika: nėra stebėtojo – nesvarbu. Dalinis mikrokosmas Medžiagos dalelė kvantinėje fizikoje
Kvantinė teorija ir materijos struktūra
W. Heisenbergas
„Materijos“ sąvoka ne kartą pasikeitė per visą žmogaus mąstymo istoriją. Įvairiose filosofinėse sistemose ji buvo interpretuojama skirtingai. Vartodami žodį „materija“, turime turėti omenyje, kad įvairios sąvokai „materija“ priskiriamos reikšmės vis dar daugiau ar mažiau išlikusios šiuolaikiniame moksle.
Ankstyvoji graikų filosofija nuo Talio iki atomistų, kurie ieškojo vienos pradžios begaliniame visų dalykų pasikeitime, suformulavo kosminės materijos sampratą, pasaulio substanciją, kuri patiria visus šiuos pokyčius, iš kurios atsiranda visi individualūs daiktai ir į kuriuos jie galiausiai virsta. vėl. Ši medžiaga iš dalies buvo tapatinama su kokia nors specifine medžiaga – vandeniu, oru ar ugnimi – ir iš dalies jai nebuvo priskiriamos jokios kitos savybės, išskyrus medžiagos, iš kurios pagaminti visi objektai, savybes.
Vėliau materijos samprata suvaidino svarbų vaidmenį Aristotelio filosofijoje – jo idėjose apie formos ir materijos, formos ir substancijos ryšį. Viskas, ką mes stebime reiškinių pasaulyje, yra suformuota materija. Todėl materija nėra tikrovė pati savaime, o atstovauja tik galimybę, „potenciją“, ji egzistuoja tik formos 13 dėka. Gamtos reiškiniuose „būtis“, kaip vadina Aristotelis, iš galimybės pereina į tikrovę, į kažkas iš tikrųjų pasiekta formos dėka. Aristoteliui materija nėra kokia nors specifinė substancija, tokia kaip vanduo ar oras, ir tai nėra gryna erdvė; tam tikru mastu jis pasirodo esąs neapibrėžtas kūno substratas, kuriame savyje yra galimybė formos dėka pereiti į tai, kas iš tikrųjų įvyko, į tikrovę. Tipiškas šio materijos ir formos santykio pavyzdys Aristotelio filosofijoje yra biologinis vystymasis, kurio metu materija virsta gyvais organizmais, taip pat žmogaus kuriamas meno kūrinys. Statula gali būti marmuro viduje, kol ją išdrožia skulptorius.
Tik daug vėliau, pradedant Dekarto filosofija, materija, kaip kažkas pirminio, pradėta prieštarauti dvasiai. Yra du vienas kitą papildantys pasaulio aspektai – materija ir dvasia arba, kaip pasakė Dekartas, „res extensa“ ir „res cogitans“. Kadangi naujieji gamtos mokslų, ypač mechanikos, metodologiniai principai atmetė kūno reiškinių redukavimą į dvasines jėgas, materiją buvo galima laikyti tik ypatinga tikrove, nepriklausoma nuo žmogaus dvasios ir jokių antgamtinių jėgų. Atrodo, kad šiuo laikotarpiu medžiaga yra jau susiformavusi medžiaga, o formavimosi procesas paaiškinamas priežastine mechaninių sąveikų grandine. Materija jau prarado ryšį su aristotelio filosofijos „augaline siela“, todėl dualizmas tarp materijos ir formos šiuo metu nebevaidina jokio vaidmens. Ši materijos idėja galbūt labiausiai prisidėjo prie to, ką dabar suprantame žodžiu „materija“.
Galiausiai XIX amžiaus gamtos moksluose svarbų vaidmenį vaidino kitas dualizmas, būtent dualizmas tarp materijos ir jėgos arba, kaip tada sakė, tarp jėgos ir substancijos. Medžiaga gali būti paveikta jėgų, o materija gali sukelti jėgų atsiradimą. Pavyzdžiui, medžiaga sukuria gravitacijos jėgą, o ši jėga ją veikia. Todėl jėga ir materija yra du aiškiai atskiriami fizinio pasaulio aspektai. Kadangi jėgos taip pat yra formuojančios jėgos, šis skirtumas vėl priartėja prie aristoteliško materijos ir formos skirtumo. Kita vertus, būtent atsižvelgiant į naujausią šiuolaikinės fizikos raidą, šis skirtumas tarp jėgos ir materijos visiškai išnyksta, nes kiekvienas jėgos laukas turi energijos ir šiuo atžvilgiu taip pat yra materijos dalis. Kiekvienas jėgos laukas atitinka tam tikrą elementariųjų dalelių tipą. Dalelės ir jėgos laukai yra tik dvi skirtingos tos pačios tikrovės pasireiškimo formos.
Gamtos mokslas, tyrinėdamas materijos problemą, pirmiausia turėtų išnagrinėti materijos formas. Begalinė materijos formų įvairovė ir kintamumas turėtų tapti tiesioginiu tyrimo objektu; pastangos turėtų būti nukreiptos ieškant gamtos dėsnių, vieningų principų, kurie galėtų būti orientyras šioje begalinėje tyrimų srityje. Todėl tikslusis gamtos mokslas ir ypač fizika jau seniai savo interesus koncentruoja į materijos sandaros ir ją lemiančių jėgų analizę.
Nuo Galilėjaus laikų pagrindinis gamtos mokslų metodas buvo eksperimentas. Šis metodas leido nuo bendrųjų gamtos studijų pereiti prie konkrečių tyrimų, nustatyti gamtoje būdingus procesus, kurių pagrindu galima tiesiogiai tirti jos dėsnius nei bendruosiuose tyrimuose. Tai yra, tiriant materijos struktūrą, būtina su ja atlikti eksperimentus. Būtina pastatyti materiją į neįprastas sąlygas, kad būtų galima ištirti jos transformacijas tokiomis aplinkybėmis, tikintis taip pažinti tam tikrus esminius materijos bruožus, kurie išsaugomi nepaisant visų matomų jos pokyčių.
Nuo pat šiuolaikinio gamtos mokslo susiformavimo tai buvo vienas iš svarbiausių chemijos tikslų, kuriame jie gana anksti priėjo prie cheminio elemento sampratos. Medžiaga, kurios nebuvo galima skaidyti ar toliau skaidyti jokiu tuo metu chemikams prieinamu būdu: verdant, deginant, tirpinant, maišant su kitomis medžiagomis, buvo vadinama „elementu“. Šios sąvokos įvedimas buvo pirmas ir nepaprastai svarbus žingsnis siekiant suprasti materijos sandarą. Taip gamtoje randamų medžiagų įvairovė buvo sumažinta iki bent santykinai nedidelio skaičiaus paprastesnių medžiagų, elementų ir dėl to tarp įvairių chemijos reiškinių buvo nustatyta tam tikra tvarka. Todėl žodis „atomas“ buvo taikomas mažiausiam medžiagos vienetui, kuris yra cheminio elemento dalis, o mažiausia cheminio junginio dalelė gali būti vizualiai pavaizduota kaip nedidelė skirtingų atomų grupė. Paaiškėjo, kad mažiausia elemento geležies dalelė yra, pavyzdžiui, geležies atomas, o mažiausia vandens dalelė, vadinamoji vandens molekulė, susideda iš deguonies atomo ir dviejų vandenilio atomų.
Kitas ir beveik ne mažiau svarbus žingsnis buvo masės išsaugojimo cheminiuose procesuose atradimas. Jei, pavyzdžiui, sudeginamas elementas anglis ir susidaro anglies dioksidas, tada anglies dioksido masė yra lygi anglies ir deguonies masių sumai prieš pradedant procesą. Šis atradimas materijos sąvokai pirmiausia suteikė kiekybinę reikšmę. Nepriklausomai nuo jos cheminių savybių, medžiagą galima išmatuoti pagal jos masę.
Kitu laikotarpiu, daugiausia XIX amžiuje, jis buvo atrastas didelis skaičius naujas cheminiai elementai. Mūsų laikais jų skaičius viršijo 100. Tačiau šis skaičius visiškai aiškiai parodo, kad cheminio elemento sąvoka dar nenuvedė mūsų iki taško, nuo kurio būtų galima suprasti materijos vienybę. Prielaida, kad egzistuoja daug kokybiškai skirtingų medžiagų rūšių, tarp kurių nėra vidinių ryšių, nepatenkino.
XIX amžiaus pradžioje jau buvo rasta įrodymų, kad egzistuoja ryšys tarp įvairių cheminių elementų. Šis įrodymas slypi tame, kad daugelio elementų atominiai svoriai buvo sveikieji kai kurių mažiausių vienetų, kurie apytiksliai atitinka vandenilio atominę masę, kartotiniai. Kai kurių elementų cheminių savybių panašumas taip pat pasisakė už šio ryšio egzistavimą. Tačiau tik panaudojus jėgas, daug kartų stipresnes už tas, kurios veikia cheminiuose procesuose, buvo galima iš tikrųjų užmegzti ryšius tarp įvairių elementų ir priartėti prie materijos vienybės supratimo.
Fizikų dėmesys buvo atkreiptas į šias jėgas, kai 1896 m. Becquerel atrado radioaktyvųjį skilimą. Vėlesniuose Curie, Rutherford ir kitų tyrimuose buvo aiškiai įrodyta elementų transformacija radioaktyviuose procesuose. Šiuose procesuose alfa dalelės buvo išmetamos kaip atomų fragmentai, kurių energija buvo maždaug milijoną kartų didesnė nei vienos dalelės energija cheminiame procese. Todėl šios dalelės dabar gali būti naudojamos kaip naujas tyrimo įrankis vidinė struktūra atomas. Branduolinis atomo modelis, kurį 1911 m. pasiūlė Rutherfordas, buvo alfa dalelių sklaidos eksperimentų rezultatas. Svarbiausias šio garsaus modelio bruožas buvo atomo padalijimas į dvi visiškai skirtingas dalis – atomo branduolį ir atomo branduolį supančius elektronų apvalkalus. Atomo branduolys centre užima tik išskirtinai mažą visos erdvės, kurią užima atomas, dalį – branduolio spindulys yra maždaug šimtą tūkstančių kartų mažesnis už viso atomo spindulį; bet jame vis dar yra beveik visa atomo masė. Jo teigiamas elektrinis krūvis, kuris yra sveikasis vadinamojo elementariojo krūvio kartotinis, lemia bendrą branduolį supančių elektronų skaičių, nes visas atomas turi būti elektriškai neutralus; taip jis nustato elektronų trajektorijų formą.
Šis skirtumas tarp atomo branduolio ir elektronų apvalkalo iš karto davė nuoseklų paaiškinimą, kad chemijoje būtent cheminiai elementai yra paskutiniai materijos vienetai ir kad elementams paversti vienas kitu reikia labai didelių jėgų. Cheminiai ryšiai tarp gretimų atomų paaiškinami elektronų apvalkalų sąveika, o sąveikos energijos yra palyginti mažos. Vos kelių voltų potencialu išlydžio vamzdyje pagreitintas elektronas turi pakankamai energijos, kad „atlaisvintų“ elektronų apvalkalus ir sukeltų šviesos spinduliavimą arba sunaikinimą. cheminis ryšys molekulėje. Tačiau cheminis atomo elgesys, nors ir pagrįstas elektronų apvalkalų elgesiu, yra nulemtas atomo branduolio elektrinio krūvio. Jei jie nori pasikeisti Cheminės savybės, reikia pakeisti patį atomo branduolį, o tam reikia energijos, kuri yra maždaug milijoną kartų didesnė nei vykstant cheminiams procesams.
Tačiau atomo branduolinis modelis, laikomas sistema, kurioje tenkinami Niutono mechanikos dėsniai, negali paaiškinti atomo stabilumo. Kaip buvo nustatyta viename iš ankstesnių skyrių, tik kvantinės teorijos taikymas šiam modeliui gali paaiškinti faktą, kad, pavyzdžiui, anglies atomas, sąveikaujantis su kitais atomais arba išskyręs šviesos kvantą, galiausiai vis tiek yra anglies atomas su tuo pačiu elektroniniu apvalkalu, kurį jis turėjo anksčiau. Šį stabilumą galima paprasčiausiai paaiškinti pačiomis kvantinės teorijos ypatybėmis, kurios leidžia objektyviai apibūdinti atomą erdvėje ir laike.
Taigi tokiu būdu buvo sukurtas pradinis pagrindas suprasti materijos struktūrą. Atomų chemines ir kitas savybes būtų galima paaiškinti pritaikius kvantinės teorijos matematinę schemą elektronų apvalkalams. Remiantis šiuo pagrindu, tada buvo galima bandyti analizuoti materijos struktūrą dviem skirtingomis kryptimis. Galima būtų tirti atomų sąveiką, jų santykį su didesniais vienetais, tokiais kaip molekulės, kristalai ar biologiniai objektai, arba būtų galima pabandyti, tiriant atomo branduolį ir jo sudedamąsias dalis, pasiekti tašką, kuriame materijos vienybė taptų aišku . Fiziniai tyrimai per pastaruosius dešimtmečius sparčiai vystėsi abiem kryptimis. Tolesnis pristatymas bus skirtas kvantinės teorijos vaidmeniui abiejose šiose srityse paaiškinti.
Jėgos tarp gretimų atomų pirmiausia yra elektrinės – mes kalbame apie priešingų krūvių pritraukimą ir atstūmimą tarp panašių krūvių; elektronus pritraukia atomo branduolys, o atstumia kiti elektronai. Bet šios jėgos čia veikia ne pagal Niutono mechanikos, o pagal kvantinės mechanikos dėsnius.
Tai veda prie dviejų įvairių tipų jungtys tarp atomų. Esant vieno tipo ryšiui, elektronas iš vieno atomo pereina į kitą atomą, pavyzdžiui, tam, kad užpildytų elektronų apvalkalą, kuris dar nėra visiškai užpildytas. Šiuo atveju abu atomai yra elektriškai įkrauti ir vadinami "jonais"; kadangi jų krūviai yra priešingi, jie traukia vienas kitą. Chemikas šiuo atveju kalba apie „polinį ryšį“.
Antrojo tipo jungtyse elektronas priklauso abiem atomams tam tikru būdu, būdingu tik kvantinei teorijai. Jei naudosime elektronų orbitų paveikslą, apytiksliai galime teigti, kad elektronas skrieja aplink abu atomo branduolius ir didelę savo laiko dalį praleidžia tiek viename, tiek kitame atome. Šis antrasis ryšio tipas atitinka tai, ką chemikas vadina „valentingu ryšiu“.
Šie du ryšių tipai, kurie gali egzistuoti visuose įmanomuose deriniuose, galiausiai sukelia įvairių atomų rinkinių susidarymą ir galiausiai nustato visas sudėtingas struktūras, kurias tiria fizika ir chemija. Taigi cheminiai junginiai susidaro dėl to, kad iš atomų Įvairios rūšys atsiranda mažos uždaros grupės, ir kiekviena grupė gali būti vadinama cheminio junginio molekule. Kai susidaro kristalai, atomai išsidėsto tvarkingomis gardelėmis. Metalai susidaro, kai atomai yra taip glaudžiai supakuoti, kad išoriniai elektronai palieka savo apvalkalus ir gali praeiti per visą metalo gabalą. Kai kurių medžiagų, ypač kai kurių metalų, magnetizmas atsiranda dėl atskirų elektronų sukimosi tame metale ir kt.
Visais šiais atvejais dualizmas tarp materijos ir jėgos vis dar gali būti išsaugotas, nes branduoliai ir elektronai gali būti laikomi medžiagos statybiniais blokais, kuriuos kartu laiko elektromagnetinės jėgos.
Nors fizika ir chemija (kai jos yra susijusios su materijos struktūra) sudaro vieną mokslą, biologijoje su sudėtingesnėmis struktūromis padėtis yra kiek kitokia. Tiesa, nepaisant ryškaus gyvų organizmų vientisumo, gyvos ir negyvosios materijos aiškiai atskirti tikriausiai nepavyks. Biologijos raida davė mums daugybę pavyzdžių, iš kurių matome, kad konkrečiai biologines funkcijas gali atlikti specialios didelės molekulės ar grupės, arba tokių molekulių grandinės. Šie pavyzdžiai išryškina šiuolaikinės biologijos tendenciją aiškinti biologinius procesus kaip fizikos ir chemijos dėsnių pasekmes. Tačiau stabilumas, kurį mes suvokiame gyvuose organizmuose, savo prigimtimi šiek tiek skiriasi nuo atomo ar kristalo stabilumo. Biologijoje mes kalbame apie proceso ar funkcijos stabilumą, o ne apie formos stabilumą. Be jokios abejonės, kvantinės mechanikos dėsniai atlieka labai svarbų vaidmenį biologiniuose procesuose. Pavyzdžiui, specifinės kvantinės mechaninės jėgos yra būtinos norint suprasti dideles organines molekules ir įvairias jų geometrines konfigūracijas, kurias galima tik kiek netiksliai apibūdinti remiantis cheminio valentingumo koncepcija. Biologinių mutacijų, kurias sukelia spinduliuotė, eksperimentai taip pat rodo tiek kvantinės mechaninės dėsnių statistinio pobūdžio svarbą, tiek stiprinimo mechanizmų egzistavimą. Artima analogija tarp mūsų nervų sistemoje vykstančių procesų ir procesų, vykstančių veikiant moderniai elektroninei skaičiavimo mašinai, dar kartą pabrėžia atskirų elementarių procesų svarbą gyvam organizmui. Tačiau visi šie pavyzdžiai vis dar neįrodo, kad fizika ir chemija, papildyta vystymosi doktrina, leis visiškai apibūdinti gyvus organizmus. Biologinius procesus eksperimentuojantys gamtos mokslininkai turi aiškinti atsargiau nei fizikos ir chemijos procesus. Kaip paaiškino Bohras, gali pasirodyti, kad gyvo organizmo aprašymo, kurį fiziko požiūriu galima pavadinti užbaigtu, iš viso nėra, nes šiam aprašymui prireiktų eksperimentų, kurie būtų per stiprūs. prieštarauja biologinėms organizmo funkcijoms. Bohras šią situaciją apibūdino taip: biologijoje mes labiau susiduriame su galimybių realizavimu toje gamtos dalyje, kuriai priklausome, o ne su eksperimentų, kuriuos galime atlikti patys, rezultatais. Komplementarumo situacija, kurioje ši formuluotė yra efektyvi, atsispindi kaip tendencija šiuolaikinės biologijos metoduose: viena vertus, visapusiškai išnaudoti fizikos ir chemijos metodus bei rezultatus, kita vertus, vis dar nuolatos naudoti. vartokite sąvokas, susijusias su tais organinės prigimties ypatumais, kurių nėra fizikoje ir chemijoje, kaip, pavyzdžiui, pati gyvybės sąvoka.
Iki šiol mes atlikome materijos struktūros analizę viena kryptimi - nuo atomo iki sudėtingesnių struktūrų, susidedančių iš atomų: nuo atominės fizikos iki fizikos. kietas, į chemiją ir galiausiai į biologiją. Dabar turime pasukti priešinga kryptimi ir atsekti tyrimų liniją nuo išorinių atomo sričių iki vidinių sričių, iki atomo branduolio ir galiausiai iki elementariųjų dalelių. Tik ši antroji eilutė paskatins mus, ko gero, suprasti materijos vienybę. Čia nereikia bijoti, kad eksperimentuose bus sunaikintos pačios būdingos struktūros. Jei užduotis yra eksperimentiškai patikrinti materijos pagrindinę vienybę, tada mes galime ją paveikti stipriausiomis įmanomomis jėgomis, ekstremaliausiomis sąlygomis, kad pamatytume, ar materiją galiausiai galima paversti kita medžiaga.
Pirmasis žingsnis šia kryptimi buvo eksperimentinė atomo branduolio analizė. Pradiniais šių tyrimų laikotarpiais, kurie užpildo maždaug tris pirmuosius šio amžiaus dešimtmečius, vieninteliai įrankiai eksperimentuoti su atominiu branduoliu buvo radioaktyviųjų medžiagų skleidžiamos alfa dalelės. Šių dalelių pagalba Rutherfordas 1919 metais sugebėjo paversti lengvųjų elementų atominius branduolius vieną į kitą. Jis sugebėjo, pavyzdžiui, azoto branduolį paversti deguonies branduoliu, prijungdamas alfa dalelę prie azoto branduolio ir tuo pačiu išmušdamas iš jo protoną. Tai buvo pirmasis proceso, vykstančio atstumais pagal atomų branduolių spindulių eilę, pavyzdys, kuris buvo panašus į cheminius procesus, bet paskatino dirbtinį elementų transformavimą. Kita lemiama sėkmė buvo dirbtinis protonų pagreitinimas aukštos įtampos įrenginiuose iki energijos, kurios pakaktų branduolinėms transformacijoms. Tam reikalingi maždaug milijono voltų įtampos skirtumai, o Cockcroft ir Walton, atlikdami pirmąjį lemiamą eksperimentą, sugebėjo paversti ličio elemento atominius branduolius į helio elemento atominius branduolius. Šis atradimas atvėrė visiškai naują tyrimų lauką, kurį galima pavadinti branduolinė fizika tikrąja to žodžio prasme ir kurios labai greitai leido kokybiškai suprasti atomo branduolio sandarą.
Tiesą sakant, atomo branduolio struktūra pasirodė labai paprasta. Atomo branduolys susideda tik iš dviejų skirtingų tipų elementariųjų dalelių. Viena iš elementariųjų dalelių yra protonas, kuris taip pat yra vandenilio atomo branduolys. Kitas buvo vadinamas neutronu, dalele, kurios masė yra maždaug tokia pati kaip protonas ir taip pat elektriškai neutrali. Taigi kiekvieną atomo branduolį galima apibūdinti bendru protonų ir neutronų, iš kurių jis susideda, skaičiumi. Paprasto anglies atomo branduolys susideda iš 6 protonų ir 6 neutronų. Tačiau yra ir kitų anglies atomų branduolių, kurie yra šiek tiek retesni – jie buvo vadinami pirmųjų izotopais – ir susideda iš 6 protonų ir 7 neutronų ir tt Taigi galiausiai jie priėjo prie materijos aprašymo, kuriame vietoj to iš daugelio Iš įvairių cheminių elementų buvo naudojami tik trys pagrindiniai vienetai, trys pagrindiniai statybiniai blokai – protonas, neutronas ir elektronas. Visa medžiaga susideda iš atomų, todėl galiausiai yra sudaryta iš šių trijų pagrindinių statybinių blokų. Tai, žinoma, dar nereiškia materijos vienybės, bet neabejotinai reiškia svarbų žingsnį šios vienybės link ir, kas buvo galbūt dar svarbiau, reiškia reikšmingą supaprastinimą. Tiesa, nuo žinių apie šiuos pagrindinius atomo branduolio blokus iki visiško jo sandaros supratimo dar buvo ilgas kelias. Čia problema šiek tiek skyrėsi nuo atitinkamos problemos, susijusios su atomo išoriniu apvalkalu, išspręstos dvidešimtojo dešimtmečio viduryje. Elektronų apvalkalo atveju jėgos tarp dalelių buvo žinomos labai tiksliai, tačiau be to, reikėjo rasti dinaminius dėsnius, kurie galiausiai buvo suformuluoti kvantinėje mechanikoje. Atomo branduolio atveju buvo visiškai įmanoma daryti prielaidą, kad dinaminiai dėsniai daugiausia buvo kvantinės teorijos dėsniai, tačiau čia jėgos tarp dalelių pirmiausia buvo nežinomos. Jie turėjo būti išvesti iš eksperimentinių atomų branduolių savybių. Šios problemos kol kas negalima visiškai išspręsti. Jėgos tikriausiai nėra tokios paprastos formos kaip elektrostatinių jėgų tarp elektronų išoriniuose apvalkaluose atveju, todėl sudėtingesnių jėgų matematiškai nustatyti atomų branduolių savybes yra sunkiau, be to, pažangą stabdo eksperimentų netikslumas. Tačiau kokybinės idėjos apie branduolio struktūrą įgavo labai apibrėžtą formą.
Galų gale, kaip paskutinis svarbiausia problema išlieka materijos vienovės problema. Ar šios elementarios dalelės – protonas, neutronas ir elektronas yra paskutiniai, nesuyrantys materijos blokai, kitaip tariant, „atomai“ Demokrito filosofijos prasme, neturintys jokių tarpusavio ryšių (neskaitant tarp jų veikiančių jėgų?) ar tai tik skirtingos tos pačios rūšies materijos formos? Be to, ar jie gali transformuotis vienas į kitą ar net į kitas materijos formas? Jei šią problemą norime išspręsti eksperimentiniu būdu, tam reikia jėgų ir energijos, sutelktos į atomines daleles, kurios turi būti daug kartų didesnės už tas, kurios buvo naudojamos tiriant atomo branduolį. Kadangi energijos atsargos atomų branduoliuose nėra pakankamai didelės, kad turėtume priemonių tokiems eksperimentams atlikti, fizikai turi arba pasinaudoti erdvėje, tai yra erdvėje tarp žvaigždžių, žvaigždžių paviršiuje esančiomis jėgomis, arba jie turi pasitikėti inžinierių įgūdžiais.
Tiesą sakant, pažanga padaryta abiem kryptimis. Pirmiausia fizikai panaudojo vadinamąją kosminę spinduliuotę. Žvaigždžių paviršiuje esantys elektromagnetiniai laukai, besitęsiantys virš milžiniškų erdvių, palankiomis sąlygomis gali pagreitinti įkrautas atomų daleles, elektronus ir atomų branduolius, kurie, kaip paaiškėjo, dėl savo didesnės inercijos turi daugiau galimybių išlikti greitėjančiame lauke. ilgesnį laiką, o kai galiausiai palieka žvaigždės paviršių į tuščią erdvę, kartais pavyksta prasiskverbti pro daugelio milijardų voltų potencialius laukus. Tolimesnis pagreitis, esant palankioms sąlygoms, vyksta kintamuose magnetiniuose laukuose tarp žvaigždžių. Bet kuriuo atveju paaiškėja, kad atomų branduolius ilgą laiką laiko kintantys magnetiniai laukai Galaktikos erdvėje ir galiausiai jie užpildo Galaktikos erdvę vadinamąja kosmine spinduliuote. Ši spinduliuotė pasiekia Žemę iš išorės ir todėl susideda iš visų galimų atomų branduolių – vandenilio, helio ir sunkesnių elementų – kurių energija svyruoja nuo maždaug šimtų ar tūkstančių milijonų elektronų voltų iki milijono kartų didesnių verčių. Kai šios didelio aukščio spinduliuotės dalelės patenka į viršutinius Žemės atmosferos sluoksnius, jos čia susiduria su atmosferoje esančiais azoto ar deguonies atomais arba kokio nors eksperimentinio įrenginio, kuris yra veikiamas kosminės spinduliuotės, atomais. Tada galima ištirti intervencijos rezultatus.
Kita galimybė – statyti labai didelius dalelių greitintuvus. Jų prototipu galima laikyti vadinamąjį ciklotroną, kurį trečiojo dešimtmečio pradžioje Kalifornijoje sukūrė Lawrence. Pagrindinė šių įrenginių dizaino idėja yra ta, kad dėl stipraus magnetinio lauko įkrautos atominės dalelės yra priverstos pakartotinai suktis ratu, kad elektrinis laukas galėtų jas vėl ir vėl pagreitinti šiuo žiediniu keliu. Įrenginiai, kuriuose galima pasiekti šimtų milijonų elektronų voltų energiją, dabar veikia daugelyje pasaulio vietų, daugiausia Didžiojoje Britanijoje. Bendradarbiaujant 12 Europos šalių, Ženevoje statomas labai didelis tokio tipo greitintuvas, kuris, tikimasi, gamins protonus, kurių energija sieks iki 25 mln. elektronvoltų. Eksperimentai, atlikti naudojant kosminę spinduliuotę arba labai didelius greitintuvus, atskleidė įdomių naujų materijos savybių. Be trijų pagrindinių materijos elementų – elektrono, protono ir neutrono – buvo atrastos naujos elementariosios dalelės, kurios susidaro per šiuos didelės energijos susidūrimus ir kurios po itin trumpo laiko išnyksta, virsdamos kitomis elementariomis dalelėmis. . Naujos elementarios dalelės turi panašių savybių kaip ir senosios, išskyrus jų nestabilumą. Net pačios stabiliausios tarp naujų elementariųjų dalelių gyvuoja tik apie milijoną sekundės, o kitų – net šimtus ar tūkstančius kartų trumpesnę. Šiuo metu yra žinomi maždaug 25 skirtingų tipų elementariosios dalelės. „Jauniausias“ iš jų yra neigiamo krūvio protonas, vadinamas antiprotonu.
Atrodo, kad iš pirmo žvilgsnio šie rezultatai vėl nukrypsta nuo idėjų apie materijos vienybę, nes atrodo, kad pagrindinių materijos blokų skaičius vėl išaugo iki skaičiaus, palyginamo su skirtingų cheminių elementų skaičiumi. Tačiau tai būtų netikslus tikrosios padėties aiškinimas. Juk eksperimentai vienu metu parodė, kad dalelės atsiranda iš kitų dalelių ir gali virsti kitomis dalelėmis, kad jos susidaro tiesiog iš tokių dalelių kinetinės energijos ir gali vėl išnykti, kad iš jų kiltų kitos dalelės. Todėl, kitaip tariant: eksperimentai parodė visišką materijos transformuojamumą. Visos elementarios dalelės pakankamai didelės energijos susidūrimų metu gali virsti kitomis dalelėmis arba gali būti tiesiog sukurtos iš kinetinės energijos; ir jie gali būti paversti energija, pavyzdžiui, spinduliuote. Vadinasi, čia iš esmės yra galutinis materijos vienybės įrodymas. Visos elementarios dalelės yra „pagamintos“ iš tos pačios medžiagos, tos pačios medžiagos, kurią dabar galime vadinti energija arba universalia medžiaga; jie yra tik skirtingos formos, kuriomis materija gali pasireikšti.
Jei palygintume šią situaciją su Aristotelio materijos ir formos samprata, tai galime pasakyti, kad Aristotelio materiją, kuri iš esmės buvo „potencija“, tai yra galimybė, reikėtų palyginti su mūsų energijos samprata; kai gimsta elementarioji dalelė, energija atsiskleidžia per formą kaip materiali tikrovė.
Šiuolaikinė fizika, žinoma, negali pasitenkinti tik kokybiniu pagrindinės materijos struktūros aprašymu; ji turi stengtis, remdamasi kruopščiai atliktais eksperimentais, pagilinti analizę iki matematinio gamtos dėsnių, lemiančių materijos formas, būtent elementariąsias daleles ir jų jėgas, formulavimo. Aiškiai atskirti materiją ir jėgą arba jėgą ir materiją šioje fizikos dalyje nebegalima, nes bet kuri elementari dalelė ne tik pati kuria jėgas ir pati patiria jėgų įtaką, bet tuo pačiu ir reprezentuoja šiuo atveju. tam tikras jėgos laukas. Kvantinis mechaninis bangų ir dalelių dualizmas yra priežastis, kodėl ta pati tikrovė pasireiškia ir kaip materija, ir kaip jėga.
Visi bandymai rasti matematinį gamtos dėsnių aprašą elementariųjų dalelių pasaulyje iki šiol prasidėjo nuo bangų laukų kvantinės teorijos. Teoriniai šios srities tyrimai buvo atlikti trečiojo dešimtmečio pradžioje. Tačiau jau pirmieji darbai šioje srityje atskleidė labai rimtus sunkumus toje srityje, kai kvantinę teoriją buvo bandoma sujungti su specialiąja reliatyvumo teorija. Iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad dvi teorijos, kvantinė ir reliatyvumo teorija, yra susijusios su tokiais skirtingais gamtos aspektais, kad praktiškai jos negali viena kitos paveikti niekaip, todėl abiejų teorijų reikalavimai turėtų būti lengvai išpildomi tame pačiame formalizme. Tačiau tikslesnis tyrimas parodė, kad abi šios teorijos tam tikru momentu prieštarauja, dėl to kyla visi tolesni sunkumai.
Specialioji reliatyvumo teorija atskleidė erdvės ir laiko struktūrą, kuri pasirodė kiek kitokia nei jiems priskiriama nuo Niutono mechanikos sukūrimo. Būdingiausias šios naujai atrastos struktūros bruožas yra maksimalus greitis, kurio negali viršyti joks judantis kūnas ar sklindantis signalas, tai yra šviesos greitis. Dėl to du įvykiai, vykstantys dviejuose taškuose, kurie yra labai nutolę vienas nuo kito, negali turėti tiesioginio priežastinio ryšio, jei jie įvyksta tokiais laiko momentais, kad šviesos signalas, išeinantis iš šio taško pirmojo įvykio metu, pasiekia tik kitą. po kito įvykio akimirkos ir atvirkščiai. Šiuo atveju abu įvykiai gali būti vadinami vienu metu. Kadangi jokia įtaka negali būti perkelta iš vieno proceso vienu metu į kitą procesą kitu laiko momentu, abu procesai negali būti sujungti jokia fizine įtaka.
Dėl šios priežasties veikimas dideliais atstumais, kaip atrodo gravitacinių jėgų atveju Niutono mechanikoje, pasirodė nesuderinamas su specialiąja reliatyvumo teorija. Naujoji teorija turėjo pakeisti tokį veiksmą „trumpojo nuotolio veiksmu“, tai yra, jėgos perkėlimu tik iš vieno taško į gretimą tašką. Natūralus matematinė išraiška Tokios sąveikos pasirodė esąs diferencialinės lygtys bangoms arba laukams, kurie yra nekintami pagal Lorenco transformaciją. Tokios diferencialinės lygtys pašalina bet kokią tiesioginę vienalaikių įvykių įtaką viena kitai.
Todėl erdvės ir laiko struktūra, išreikšta specialiąja reliatyvumo teorija, itin ryškiai atriboja vienalaikiškumo sritį, kurioje negali būti perduodama jokia įtaka, nuo kitų sričių, kuriose gali vykti tiesioginė vieno proceso įtaka kitam.
Kita vertus, kvantinės teorijos neapibrėžtumo ryšys nustato griežtą ribą tikslumui, kuriuo vienu metu galima išmatuoti koordinates ir momentus arba laiko ir energijos momentus. Kadangi itin aštri riba reiškia begalinį padėties fiksavimo erdvėje ir laike tikslumą, atitinkami impulsai ir energijos turi būti visiškai neapibrėžti, tai yra, procesai su didele tikimybe turi išryškėti net esant savavališkai dideliems impulsams ir energijai. Todėl bet kuri teorija, kuri vienu metu atitinka specialiosios reliatyvumo teorijos ir kvantinės teorijos reikalavimus, sukelia matematinius prieštaravimus, būtent skirtumus labai didelių energijų ir momentų srityje. Šios išvados nebūtinai yra būtinos, nes bet koks čia nagrinėjamas formalizmas yra labai sudėtingas, taip pat gali būti, kad bus rasta matematinių priemonių, kurios padės šiuo metu pašalinti prieštaravimą tarp reliatyvumo teorijos ir kvanto. teorija. Tačiau iki šiol visos ištirtos matematinės schemos iš tikrųjų privedė prie tokių skirtumų, tai yra matematinių prieštaravimų, arba pasirodė, kad jų nepakanka visiems abiejų teorijų reikalavimams patenkinti. Be to, buvo akivaizdu, kad sunkumai iš tikrųjų kilo dėl ką tik aptarto dalyko.
Taškas, kuriame konvergencinės matematinės schemos netenkina reliatyvumo teorijos ar kvantinės teorijos reikalavimų, pasirodė pats savaime labai įdomus. Viena iš šių schemų, pavyzdžiui, atvedė, kai ją buvo bandoma interpretuoti pasitelkiant realius erdvėje ir laike vykstančius procesus, prie savotiško laiko apsisukimo; jame buvo aprašyti procesai, kurių metu tam tikru momentu staiga gimė kelios elementarios dalelės, o energija šiam procesui buvo tiekiama tik vėliau dėl kai kurių kitų elementariųjų dalelių susidūrimo procesų. Fizikai, remdamiesi savo eksperimentais, yra įsitikinę, kad tokio pobūdžio procesai gamtoje nevyksta, bent jau tada, kai abu procesus vienas nuo kito skiria tam tikras išmatuojamas atstumas erdvėje ir laike.
Kitoje teorinėje schemoje formalizmo divergencijas buvo bandoma pašalinti remiantis matematiniu procesu, kuris buvo vadinamas „renormalizavimu“. Šis procesas susideda iš to, kad formalizmo begalybės gali būti perkeltos į vietą, kur jos negalėtų trukdyti gauti griežtai apibrėžtų ryšių tarp stebimų dydžių. Iš tiesų, ši schema tam tikru mastu jau lėmė lemiamą kvantinės elektrodinamikos pažangą, nes joje pateikiamas metodas, skirtas apskaičiuoti kai kuriuos labai įdomių savybių vandenilio spektre, kurie anksčiau buvo nepaaiškinami. Tačiau tikslesnė šios matematinės schemos analizė leido daryti išvadą, kad tie dydžiai, kurie įprastoje kvantinėje teorijoje turėtų būti interpretuojami kaip tikimybės, šiuo atveju tam tikromis aplinkybėmis, atlikus renormalizavimo procesą, gali tapti neigiami. Tai, žinoma, pašalintų nuoseklų formalizmo aiškinimą materijai apibūdinti, nes neigiama tikimybė yra beprasmė sąvoka.
Taigi, mes jau priėjome prie problemų, kurios dabar yra šiuolaikinės fizikos diskusijų centre. Sprendimas kada nors bus gautas dėka nuolat pildančios eksperimentinės medžiagos, kuri gaunama vis tiksliau matuojant elementariąsias daleles, jų susidarymą ir naikinimą bei tarp jų veikiančias jėgas. Ieškant galimų šių sunkumų sprendimų, verta prisiminti, kad remiantis eksperimentiniais duomenimis negalima atmesti tokių tariamų laiko apsisukimo procesų, aptartų aukščiau, jei jie vyksta tik labai mažuose erdvės ir laiko regionuose, kuriuose vis dar neįmanoma atsekti procesus išsamiai naudojant mūsų dabartinę eksperimentinę įrangą. Žinoma, atsižvelgiant į dabartines mūsų žinias, vargu ar esame pasirengę pripažinti tokių procesų galimybę, keičiant laiką, jei tai reiškia galimybę vėlesniame fizikos vystymosi etape tokius procesus stebėti taip pat, kaip ir įprastus. stebimi atominiai procesai. Tačiau čia kvantinės teorijos analizės ir reliatyvumo analizės palyginimas leidžia pažvelgti į problemą naujai.
Reliatyvumo teorija siejama su universalia gamtos konstanta – šviesos greičiu. Ši konstanta turi lemiamą reikšmę nustatant ryšį tarp erdvės ir laiko, todėl ji pati turi būti įtraukta į bet kokį gamtos dėsnį, kuris tenkina invariancijos reikalavimus pagal Lorenco transformacijas. Mūsų įprasta kalba ir klasikinės fizikos sąvokos gali būti taikomos tik tiems reiškiniams, kurių šviesos greitis gali būti laikomas praktiškai be galo dideliu. Jei savo eksperimentuose priartėsime prie šviesos greičio bet kokia forma, turime būti pasirengę susidurti su rezultatais, kurių nebegalima paaiškinti šiomis įprastomis sąvokomis.
Kvantinė teorija siejama su kita universalia gamtos konstanta – su Planko veikimo kvantu. Objektyvus procesų erdvėje ir laike apibūdinimas įmanomas tik tada, kai susiduriame su santykinai didelės apimties objektais ir procesais, todėl Plancko konstanta gali būti laikoma praktiškai be galo maža. Kai savo eksperimentuose priartėjame prie regiono, kuriame Plancko veikimo kvantas tampa reikšmingas, susiduriame su visais sunkumais taikant įprastas sąvokas, kurios buvo aptartos ankstesniuose šios knygos skyriuose.
Tačiau turi būti trečioji visuotinė gamtos konstanta. Tai paprastai išplaukia, kaip sako fizikai, iš matmenų. Universalios konstantos lemia mastelių dydžius gamtoje, jos suteikia mums būdingus dydžius, iki kurių galima sumažinti visus kitus gamtos dydžius. Tačiau visam tokių įrenginių rinkiniui reikalingi trys pagrindiniai vienetai. Tai lengviausia padaryti iš įprastų vienetų susitarimų, tokių kaip fizikų CQS (centimetras-gramas-sekundė) sistema. Ilgio, laiko vieneto ir masės vieneto kartu pakanka, kad susidarytų visa sistema. Reikalingi bent trys pagrindiniai vienetai. Juos taip pat galima pakeisti ilgio, greičio ir masės vienetais arba ilgio, greičio ir energijos vienetais ir tt Tačiau trys pagrindiniai vienetai yra būtini bet kuriuo atveju. Tačiau šviesos greitis ir Plancko veikimo kvantas suteikia mums tik du iš šių dydžių. Turi būti trečias, ir tik teorija, kurioje yra toks trečiasis vienetas, galbūt gali padėti nustatyti elementariųjų dalelių mases ir kitas savybes. Remiantis mūsų šiuolaikinėmis žiniomis apie elementariąsias daleles, ko gero, paprasčiausias ir priimtiniausias būdas įvesti trečiąją universaliąją konstantą yra prielaida, kad yra universalus ilgis, kurio dydis yra 10-13 cm, todėl ilgis yra palyginamas. maždaug iki plaučių atomų branduolių spindulių. Jei nuo. šie trys vienetai sudaro išraišką, kuri turi masės matmenį, tada ši masė turi įprastų elementariųjų dalelių masės dydį.
Jei darysime prielaidą, kad gamtos dėsniuose iš tikrųjų yra tokia trečioji universali ilgio matmens konstanta, kurios dydis yra 10-13 cm, tada visiškai įmanoma, kad mūsų įprastos sąvokos gali būti taikomos tik tokioms erdvės ir laiko sritims, kurios yra didelės. lyginant su šia universalia ilgio konstanta . Kai savo eksperimentuose artėjame prie erdvės ir laiko zonų, kurios yra mažos, palyginti su atomų branduolių spinduliais, turime būti pasiruošę, kad bus stebimi kokybiškai naujo pobūdžio procesai. Laiko apsisukimo reiškinys, kuris buvo paminėtas aukščiau ir kol kas tik kaip iš teorinių samprotavimų išvesta galimybė, galėjo priklausyti šiems mažiausiems erdvės ir laiko regionams. Jei taip, tai tikriausiai nebūtų stebima taip, kad atitinkamą procesą būtų galima apibūdinti klasikiniais terminais. Ir vis dėlto, tiek, kiek tokius procesus galima apibūdinti klasikinėmis sąvokomis, jie taip pat turi atskleisti klasikinę eiliškumo laike tvarką. Tačiau kol kas per mažai žinoma apie procesus mažiausiuose erdvės ir laiko regionuose – arba (kas pagal neapibrėžtumo santykį maždaug atitinka šį teiginį) esant didžiausioms perduodamoms energijoms ir impulsams.
Bandant, remiantis eksperimentais su elementariosiomis dalelėmis, gauti daugiau žinių apie gamtos dėsnius, lemiančius materijos sandarą, taigi ir elementariųjų dalelių struktūrą, tam tikros simetrijos savybės vaidina ypač svarbų vaidmenį. Primename, kad Platono filosofijoje mažiausios materijos dalelės buvo absoliučiai simetriški dariniai, būtent taisyklingi kūnai – kubas, oktaedras, ikosaedras, tetraedras. Tačiau šiuolaikinėje fizikoje šios ypatingos simetrijos grupės, atsirandančios dėl sukimų grupės trimatėje erdvėje, nebėra dėmesio centre. Tai, kas vyksta šiuolaikiniuose gamtos moksluose, jokiu būdu nėra erdvinė forma, o reprezentuoja dėsnį, todėl tam tikru mastu yra erdvės ir laiko forma, todėl mūsų fizikoje naudojamos simetrijos visada turi būti susijusios su erdve ir laikas kartu. Tačiau tam tikros simetrijos rūšys iš tikrųjų vaidina svarbiausią vaidmenį dalelių teorijoje.
Juos empiriškai žinome vadinamųjų išsaugojimo dėsnių ir kvantinių skaičių sistemos dėka, kurios pagalba pagal patirtį galime surikiuoti įvykius elementariųjų dalelių pasaulyje. Mes galime juos išreikšti matematiškai reikalaudami, kad pagrindinis materijos gamtos dėsnis tam tikroms transformacijų grupėms būtų nekintamas. Šios transformacijos grupės yra paprasčiausia matematinė simetrijos savybių išraiška. Šiuolaikinėje fizikoje jie atsiranda vietoj Platono kietųjų kūnų. Čia trumpai surašyti svarbiausi.
Vadinamųjų Lorenco transformacijų grupė apibūdina erdvės ir laiko struktūrą, kurią atskleidžia specialioji reliatyvumo teorija.
Pauli ir Gürschi tyrinėta grupė savo struktūra atitinka trimačių erdvinių sukimų grupę – ji, kaip teigia matematikai, yra jai izomorfiška ir pasireiškia kvantinio skaičiaus atsiradimu, kuris empiriškai buvo aptiktas elementariosiose dalelėse dvidešimt -Prieš penkerius metus ir vadinosi „isospin“.
Kitos dvi grupės, kurios formaliai elgiasi kaip sukimosi aplink standžią ašį grupės, lemia krūvio, barionų ir leptonų skaičiaus išsaugojimo dėsnius.
Galiausiai, gamtos dėsniai taip pat turi būti nekintami atliekant tam tikras refleksijos operacijas, kurių čia nereikia detaliai išvardinti. Šiuo klausimu Lee ir Yang tyrimai pasirodė ypač svarbūs ir vaisingi, atsižvelgiant į idėją, kad dydis, vadinamas paritetu, kuriam anksčiau buvo manoma, kad galioja išsaugojimo įstatymas, iš tikrųjų nėra konservuoti.
Visos iki šiol žinomos simetrijos savybės gali būti išreikštos naudojant paprastą lygtį. Be to, tai reiškia, kad ši lygtis yra nekintama visų įvardytų transformacijų grupių atžvilgiu, todėl galima manyti, kad ši lygtis jau teisingai atspindi materijos gamtos dėsnius. Tačiau šio klausimo sprendimo dar nėra; laikui bėgant jis bus gautas tik atlikus tikslesnę šios lygties matematinę analizę ir palyginus su vis didesnio dydžio eksperimentine medžiaga.
Kvantinė fizika radikaliai pakeitė mūsų supratimą apie pasaulį. Pagal kvantinę fiziką, savo sąmone galime daryti įtaką atjauninimo procesui!
Kodėl tai įmanoma?Kvantinės fizikos požiūriu mūsų tikrovė yra grynojo potencialo šaltinis, žaliavų šaltinis, iš kurio susideda mūsų kūnas, mūsų protas ir visa Visata.Universalus energijos ir informacinis laukas nenustoja keistis ir transformuotis kas sekundę virsta kažkuo nauju.
XX amžiuje atliekant fizikinius eksperimentus su subatominėmis dalelėmis ir fotonais buvo atrasta, kad eksperimento stebėjimo faktas keičia jo rezultatus. Tai, į ką sutelkiame savo dėmesį, gali reaguoti.
Šį faktą patvirtina kaskart mokslininkus nustebinantis klasikinis eksperimentas. Tai buvo kartojama daugelyje laboratorijų ir visada buvo gauti tie patys rezultatai.
Šiam eksperimentui buvo paruoštas šviesos šaltinis ir ekranas su dviem plyšiais. Šviesos šaltinis buvo prietaisas, kuris „šaudė“ fotonus pavienių impulsų pavidalu.
Eksperimento eiga buvo stebima. Pasibaigus eksperimentui, fotopopieriuje, kuris buvo už plyšių, buvo matomos dvi vertikalios juostelės. Tai fotonų pėdsakai, prasiskverbę pro plyšius ir apšvietę fotopopierių.
Kai šis eksperimentas buvo kartojamas automatiškai, be žmogaus įsikišimo, nuotrauka ant fotopopieriaus pasikeitė:
Jei tyrėjas įjungė įrenginį ir išėjo, o po 20 minučių buvo išryškintas fotopopierius, tada ant jo buvo aptiktos ne dvi, o daug vertikalių juostelių. Tai buvo radiacijos pėdsakai. Bet piešinys buvo kitoks.
Fotografinio popieriaus pėdsakas savo struktūra priminė bangos pėdsaką, prasiskverbiantį pro plyšius, šviesa gali parodyti bangos ar dalelės savybes.
Dėl paprasto stebėjimo fakto banga išnyksta ir virsta dalelėmis. Jei nepastebite, fotopopieriuje atsiranda bangos pėdsakas. Šis fizinis reiškinys vadinamas „stebėtojo efektu“.
Tie patys rezultatai buvo gauti su kitomis dalelėmis. Eksperimentai buvo kartojami daug kartų, tačiau kiekvieną kartą jie nustebino mokslininkus. Taigi buvo atrasta, kad kvantiniame lygmenyje materija reaguoja į žmogaus dėmesį. Tai buvo nauja fizikoje.
Remiantis šiuolaikinės fizikos sampratomis, viskas materializuojasi iš tuštumos. Ši tuštuma vadinama „kvantiniu lauku“, „nuliniu lauku“ arba „matrica“. Tuštumoje yra energijos, kurią galima paversti medžiaga.
Materija susideda iš koncentruotos energijos – ji yra esminis atradimas XX amžiaus fizika.
Atome nėra kietų dalių. Objektai sudaryti iš atomų. Bet kodėl objektai yra kieti? Pirštas, padėtas prie mūrinės sienos, per ją nepraeina. Kodėl? Taip yra dėl atomų dažninių charakteristikų ir elektros krūvių skirtumų. Kiekvienas atomo tipas turi savo vibracijos dažnį. Tai lemia skirtumus fizines savybes daiktų. Jei būtų įmanoma pakeisti kūną sudarančių atomų virpesių dažnį, tada žmogus galėtų vaikščioti per sienas. Tačiau rankos atomų ir sienos atomų virpesių dažniai yra artimi. Todėl pirštas remiasi į sieną.
Bet kokio tipo sąveikai būtinas dažnio rezonansas.
Tai lengva suprasti paprastas pavyzdys. Jei žibintuvėliu apšviesite akmeninę sieną, šviesa bus užblokuota siena. Tačiau mobiliojo telefono spinduliuotė lengvai praeis pro šią sieną. Tai viskas apie žibinto ir mobiliojo telefono spinduliavimo dažnių skirtumus. Kol jūs skaitote šį tekstą, per jūsų kūną teka įvairiausios spinduliuotės srautai. Tai kosminė spinduliuotė, radijo signalai, signalai iš milijonų mobiliųjų telefonų, iš žemės sklindanti spinduliuotė, saulės spinduliuotė, buitinių prietaisų sukuriama spinduliuotė ir kt.
Jūs to nejaučiate, nes matote tik šviesą ir girdite tik garsą. Net jei sėdite tylėdami užsimerkę, jūsų galvoje sklinda milijonai pokalbių telefonu, televizijos naujienų nuotraukos ir radijo žinutės. Jūs to nesuvokiate, nes tarp atomų, sudarančių jūsų kūną, ir spinduliuotės nėra dažnio rezonanso. Bet jei yra rezonansas, tada tu reaguoji iš karto. Pavyzdžiui, kai prisimeni mylimą žmogų, kuris ką tik pagalvojo apie tave. Viskas visatoje paklūsta rezonanso dėsniams.
Pasaulis susideda iš energijos ir informacijos. Einšteinas, ilgai mąstęs apie pasaulio sandarą, pasakė: „Vienintelė visatoje egzistuojanti tikrovė yra laukas“. Kaip bangos yra jūros kūrinys, visos materijos apraiškos: organizmai, planetos, žvaigždės, galaktikos yra lauko kūriniai.
Kyla klausimas: kaip materija sukuriama iš lauko? Kokia jėga kontroliuoja materijos judėjimą?
Mokslininkų tyrimai paskatino juos gauti netikėtą atsakymą. Kvantinės fizikos kūrėjas Maxas Planckas, sakydamas Nobelio premijos įteikimo kalbą, pasakė:
„Viskas Visatoje sukurta ir egzistuoja jėgos dėka. Turime manyti, kad už šios jėgos slypi sąmoningas protas, kuris yra visos materijos matrica.
MATERIJĄ VALDO SĄMONĖ
XX–XXI amžių sandūroje teorinėje fizikoje atsirado naujų idėjų, leidžiančių paaiškinti keistas elementariųjų dalelių savybes. Dalelės gali atsirasti iš tuštumos ir staiga išnykti. Mokslininkai pripažįsta paralelinių visatų egzistavimo galimybę. Galbūt dalelės juda iš vieno visatos sluoksnio į kitą. Kuriant šias idėjas dalyvauja tokios įžymybės kaip Stephenas Hawkingas, Edwardas Wittenas, Juanas Maldacena, Leonardas Susskindas.
Pagal teorinės fizikos sampratas, Visata primena lizdinę lėlę, kuri susideda iš daugybės lizdinių lėlių – sluoksnių. Tai visatų variantai – paraleliniai pasauliai. Vienas šalia kito esantys labai panašūs. Tačiau kuo toliau vienas nuo kito sluoksniai, tuo mažiau panašumų tarp jų. Teoriškai, norint pereiti iš vienos visatos į kitą, erdvėlaivių nereikia. Visos galimos parinktys yra viena po kitos. Šias idėjas mokslininkai pirmą kartą išreiškė XX amžiaus viduryje. XX–XXI amžių sandūroje jie gavo matematinį patvirtinimą. Šiandien tokią informaciją visuomenė lengvai priima. Tačiau prieš porą šimtų metų už tokius pareiškimus buvo galima sudeginti ant laužo arba paskelbti išprotėjusiu.
Viskas kyla iš tuštumos. Viskas juda. Objektai yra iliuzija. Medžiaga susideda iš energijos. Viskas sukurta minties. Šiuose kvantinės fizikos atradimuose nėra nieko naujo. Visa tai žinojo senovės išminčiai. Daugelis mistinių mokymų, kurie buvo laikomi slaptais ir buvo prieinami tik iniciatoriams, teigė, kad tarp minčių ir daiktų nėra skirtumo.Viskas pasaulyje yra pripildyta energijos. Visata reaguoja į mintis. Energija seka dėmesį.
Tai, į ką sutelkiate savo dėmesį, pradeda keistis. Šios mintys pateikiamos įvairiomis formuluotėmis Biblijoje, senovės gnostiniuose tekstuose ir mistiniuose mokymuose, kurie atsirado Indijoje ir Pietų Amerikoje. Tai spėjo senovės piramidžių statytojai. Šios žinios yra raktas į naujas technologijas, kurios šiandien naudojamos realybei valdyti.
Mūsų kūnas yra energijos, informacijos ir intelekto laukas, esantis nuolatinių dinamiškų mainų su aplinką. Proto impulsai nuolat, kiekvieną sekundę suteikia kūnui naujų formų prisitaikyti prie kintančių gyvenimo reikalavimų.
Kvantinės fizikos požiūriu, mūsų fizinis kūnas, veikiamas mūsų proto, gali atlikti kvantinį šuolį iš vieno biologinio amžiaus į kitą, nepereidamas visų tarpinių amžių. paskelbta
P.S. Ir atminkite, kad vien pakeitę savo vartojimą, mes kartu keičiame pasaulį! © econet
W. Heisenbergas
„Materijos“ sąvoka ne kartą pasikeitė per visą žmogaus mąstymo istoriją. Įvairiose filosofinėse sistemose ji buvo interpretuojama skirtingai. Vartodami žodį „materija“, turime turėti omenyje, kad įvairios sąvokai „materija“ priskiriamos reikšmės vis dar daugiau ar mažiau išlikusios šiuolaikiniame moksle.
Ankstyvoji graikų filosofija nuo Talio iki atomistų, kurie ieškojo vienos pradžios begaliniame visų dalykų pasikeitime, suformulavo kosminės materijos sampratą, pasaulio substanciją, kuri patiria visus šiuos pokyčius, iš kurios atsiranda visi individualūs daiktai ir į kuriuos jie galiausiai virsta. vėl. Ši medžiaga iš dalies buvo tapatinama su kokia nors specifine medžiaga – vandeniu, oru ar ugnimi – ir iš dalies jai nebuvo priskiriamos jokios kitos savybės, išskyrus medžiagos, iš kurios pagaminti visi objektai, savybes.
Vėliau materijos samprata suvaidino svarbų vaidmenį Aristotelio filosofijoje – jo idėjose apie formos ir materijos, formos ir substancijos ryšį. Viskas, ką mes stebime reiškinių pasaulyje, yra suformuota materija. Todėl materija nėra tikrovė pati savaime, o atstovauja tik galimybę, „potenciją“, ji egzistuoja tik formos 13 dėka. Gamtos reiškiniuose „būtis“, kaip vadina Aristotelis, iš galimybės pereina į tikrovę, į kažkas iš tikrųjų pasiekta formos dėka. Aristoteliui materija nėra kokia nors specifinė substancija, tokia kaip vanduo ar oras, ir tai nėra gryna erdvė; tam tikru mastu jis pasirodo esąs neapibrėžtas kūno substratas, kuriame savyje yra galimybė formos dėka pereiti į tai, kas iš tikrųjų įvyko, į tikrovę. Tipiškas šio materijos ir formos santykio pavyzdys Aristotelio filosofijoje yra biologinis vystymasis, kurio metu materija virsta gyvais organizmais, taip pat žmogaus kuriamas meno kūrinys. Statula gali būti marmuro viduje, kol ją išdrožia skulptorius.
Tik daug vėliau, pradedant Dekarto filosofija, materija, kaip kažkas pirminio, pradėta prieštarauti dvasiai. Yra du vienas kitą papildantys pasaulio aspektai – materija ir dvasia arba, kaip pasakė Dekartas, „res extensa“ ir „res cogitans“. Kadangi naujieji gamtos mokslų, ypač mechanikos, metodologiniai principai atmetė kūno reiškinių redukavimą į dvasines jėgas, materiją buvo galima laikyti tik ypatinga tikrove, nepriklausoma nuo žmogaus dvasios ir jokių antgamtinių jėgų. Atrodo, kad šiuo laikotarpiu medžiaga yra jau susiformavusi medžiaga, o formavimosi procesas paaiškinamas priežastine mechaninių sąveikų grandine. Materija jau prarado ryšį su aristotelio filosofijos „augaline siela“, todėl dualizmas tarp materijos ir formos šiuo metu nebevaidina jokio vaidmens. Ši materijos idėja galbūt labiausiai prisidėjo prie to, ką dabar suprantame žodžiu „materija“.
Galiausiai XIX amžiaus gamtos moksluose svarbų vaidmenį vaidino kitas dualizmas, būtent dualizmas tarp materijos ir jėgos arba, kaip tada sakė, tarp jėgos ir substancijos. Medžiaga gali būti paveikta jėgų, o materija gali sukelti jėgų atsiradimą. Pavyzdžiui, medžiaga sukuria gravitacijos jėgą, o ši jėga ją veikia. Todėl jėga ir materija yra du aiškiai atskiriami fizinio pasaulio aspektai. Kadangi jėgos taip pat yra formuojančios jėgos, šis skirtumas vėl priartėja prie aristoteliško materijos ir formos skirtumo. Kita vertus, būtent atsižvelgiant į naujausią šiuolaikinės fizikos raidą, šis skirtumas tarp jėgos ir materijos visiškai išnyksta, nes kiekvienas jėgos laukas turi energijos ir šiuo atžvilgiu taip pat yra materijos dalis. Kiekvienas jėgos laukas atitinka tam tikrą elementariųjų dalelių tipą. Dalelės ir jėgos laukai yra tik dvi skirtingos tos pačios tikrovės pasireiškimo formos.
Gamtos mokslas, tyrinėdamas materijos problemą, pirmiausia turėtų išnagrinėti materijos formas. Begalinė materijos formų įvairovė ir kintamumas turėtų tapti tiesioginiu tyrimo objektu; pastangos turėtų būti nukreiptos ieškant gamtos dėsnių, vieningų principų, kurie galėtų būti orientyras šioje begalinėje tyrimų srityje. Todėl tikslusis gamtos mokslas ir ypač fizika jau seniai savo interesus koncentruoja į materijos sandaros ir ją lemiančių jėgų analizę.
Nuo Galilėjaus laikų pagrindinis gamtos mokslų metodas buvo eksperimentas. Šis metodas leido nuo bendrųjų gamtos studijų pereiti prie konkrečių tyrimų, nustatyti gamtoje būdingus procesus, kurių pagrindu galima tiesiogiai tirti jos dėsnius nei bendruosiuose tyrimuose. Tai yra, tiriant materijos struktūrą, būtina su ja atlikti eksperimentus. Būtina pastatyti materiją į neįprastas sąlygas, kad būtų galima ištirti jos transformacijas tokiomis aplinkybėmis, tikintis taip pažinti tam tikrus esminius materijos bruožus, kurie išsaugomi nepaisant visų matomų jos pokyčių.
Nuo pat šiuolaikinio gamtos mokslo susiformavimo tai buvo vienas iš svarbiausių chemijos tikslų, kuriame jie gana anksti priėjo prie cheminio elemento sampratos. Medžiaga, kurios nebuvo galima skaidyti ar toliau skaidyti jokiu tuo metu chemikams prieinamu būdu: verdant, deginant, tirpinant, maišant su kitomis medžiagomis, buvo vadinama „elementu“. Šios sąvokos įvedimas buvo pirmas ir nepaprastai svarbus žingsnis siekiant suprasti materijos sandarą. Taip gamtoje randamų medžiagų įvairovė buvo sumažinta iki bent santykinai nedidelio skaičiaus paprastesnių medžiagų, elementų ir dėl to tarp įvairių chemijos reiškinių buvo nustatyta tam tikra tvarka. Todėl žodis „atomas“ buvo taikomas mažiausiam medžiagos vienetui, kuris yra cheminio elemento dalis, o mažiausia cheminio junginio dalelė gali būti vizualiai pavaizduota kaip nedidelė skirtingų atomų grupė. Paaiškėjo, kad mažiausia elemento geležies dalelė yra, pavyzdžiui, geležies atomas, o mažiausia vandens dalelė, vadinamoji vandens molekulė, susideda iš deguonies atomo ir dviejų vandenilio atomų.
Kitas ir beveik ne mažiau svarbus žingsnis buvo masės išsaugojimo cheminiuose procesuose atradimas. Jei, pavyzdžiui, sudeginamas elementas anglis ir susidaro anglies dioksidas, tada anglies dioksido masė yra lygi anglies ir deguonies masių sumai prieš pradedant procesą. Šis atradimas materijos sąvokai pirmiausia suteikė kiekybinę reikšmę. Nepriklausomai nuo jos cheminių savybių, medžiagą galima išmatuoti pagal jos masę.
Vėlesniu laikotarpiu, daugiausia XIX amžiuje, buvo aptikta daug naujų cheminių elementų. Mūsų laikais jų skaičius viršijo 100. Tačiau šis skaičius visiškai aiškiai parodo, kad cheminio elemento sąvoka dar nenuvedė mūsų iki taško, nuo kurio būtų galima suprasti materijos vienybę. Prielaida, kad egzistuoja daug kokybiškai skirtingų medžiagų rūšių, tarp kurių nėra vidinių ryšių, nepatenkino.
XIX amžiaus pradžioje jau buvo rasta įrodymų, kad egzistuoja ryšys tarp įvairių cheminių elementų. Šis įrodymas slypi tame, kad daugelio elementų atominiai svoriai buvo sveikieji kai kurių mažiausių vienetų, kurie apytiksliai atitinka vandenilio atominę masę, kartotiniai. Kai kurių elementų cheminių savybių panašumas taip pat pasisakė už šio ryšio egzistavimą. Tačiau tik panaudojus jėgas, daug kartų stipresnes už tas, kurios veikia cheminiuose procesuose, buvo galima iš tikrųjų užmegzti ryšius tarp įvairių elementų ir priartėti prie materijos vienybės supratimo.
Fizikų dėmesys buvo atkreiptas į šias jėgas, kai 1896 m. Becquerel atrado radioaktyvųjį skilimą. Vėlesniuose Curie, Rutherford ir kitų tyrimuose buvo aiškiai įrodyta elementų transformacija radioaktyviuose procesuose. Šiuose procesuose alfa dalelės buvo išmetamos kaip atomų fragmentai, kurių energija buvo maždaug milijoną kartų didesnė nei vienos dalelės energija cheminiame procese. Todėl šios dalelės dabar gali būti naudojamos kaip naujas įrankis vidinei atomo struktūrai tirti. Branduolinis atomo modelis, kurį 1911 m. pasiūlė Rutherfordas, buvo alfa dalelių sklaidos eksperimentų rezultatas. Svarbiausias šio garsaus modelio bruožas buvo atomo padalijimas į dvi visiškai skirtingas dalis – atomo branduolį ir atomo branduolį supančius elektronų apvalkalus. Atomo branduolys centre užima tik išskirtinai mažą visos erdvės, kurią užima atomas, dalį – branduolio spindulys yra maždaug šimtą tūkstančių kartų mažesnis už viso atomo spindulį; bet jame vis dar yra beveik visa atomo masė. Jo teigiamas elektrinis krūvis, kuris yra sveikasis vadinamojo elementariojo krūvio kartotinis, lemia bendrą branduolį supančių elektronų skaičių, nes visas atomas turi būti elektriškai neutralus; taip jis nustato elektronų trajektorijų formą.
Šis skirtumas tarp atomo branduolio ir elektronų apvalkalo iš karto davė nuoseklų paaiškinimą, kad chemijoje būtent cheminiai elementai yra paskutiniai materijos vienetai ir kad elementams paversti vienas kitu reikia labai didelių jėgų. Cheminiai ryšiai tarp gretimų atomų paaiškinami elektronų apvalkalų sąveika, o sąveikos energijos yra palyginti mažos. Vos kelių voltų potencialu išlydžio vamzdyje pagreitintas elektronas turi pakankamai energijos, kad „atlaisvintų“ elektronų apvalkalus ir sukeltų šviesos spinduliavimą arba nutrauktų cheminį ryšį molekulėje. Tačiau cheminis atomo elgesys, nors ir pagrįstas elektronų apvalkalų elgesiu, yra nulemtas atomo branduolio elektrinio krūvio. Jei norite pakeisti chemines savybes, turite pakeisti patį atomo branduolį, o tam reikia energijos, kuri yra maždaug milijoną kartų didesnė nei tos, kurios atsiranda cheminiuose procesuose.
Tačiau atomo branduolinis modelis, laikomas sistema, kurioje tenkinami Niutono mechanikos dėsniai, negali paaiškinti atomo stabilumo. Kaip buvo nustatyta viename iš ankstesnių skyrių, tik kvantinės teorijos taikymas šiam modeliui gali paaiškinti faktą, kad, pavyzdžiui, anglies atomas, sąveikaujantis su kitais atomais arba išskyręs šviesos kvantą, galiausiai vis tiek yra anglies atomas su tuo pačiu elektroniniu apvalkalu, kurį jis turėjo anksčiau. Šį stabilumą galima paprasčiausiai paaiškinti pačiomis kvantinės teorijos ypatybėmis, kurios leidžia objektyviai apibūdinti atomą erdvėje ir laike.
Taigi tokiu būdu buvo sukurtas pradinis pagrindas suprasti materijos struktūrą. Atomų chemines ir kitas savybes būtų galima paaiškinti pritaikius kvantinės teorijos matematinę schemą elektronų apvalkalams. Remiantis šiuo pagrindu, tada buvo galima bandyti analizuoti materijos struktūrą dviem skirtingomis kryptimis. Galima būtų tirti atomų sąveiką, jų santykį su didesniais vienetais, tokiais kaip molekulės, kristalai ar biologiniai objektai, arba būtų galima pabandyti, tiriant atomo branduolį ir jo sudedamąsias dalis, pasiekti tašką, kuriame materijos vienybė taptų aišku . Fiziniai tyrimai per pastaruosius dešimtmečius sparčiai vystėsi abiem kryptimis. Tolesnis pristatymas bus skirtas kvantinės teorijos vaidmeniui abiejose šiose srityse paaiškinti.
Jėgos tarp gretimų atomų pirmiausia yra elektrinės – mes kalbame apie priešingų krūvių pritraukimą ir atstūmimą tarp panašių krūvių; elektronus pritraukia atomo branduolys, o atstumia kiti elektronai. Bet šios jėgos čia veikia ne pagal Niutono mechanikos, o pagal kvantinės mechanikos dėsnius.
Tai veda prie dviejų skirtingų tipų jungčių tarp atomų. Esant vieno tipo ryšiui, elektronas iš vieno atomo pereina į kitą atomą, pavyzdžiui, tam, kad užpildytų elektronų apvalkalą, kuris dar nėra visiškai užpildytas. Šiuo atveju abu atomai yra elektriškai įkrauti ir vadinami "jonais"; kadangi jų krūviai yra priešingi, jie traukia vienas kitą. Chemikas šiuo atveju kalba apie " polinis ryšys".
Antrojo tipo jungtyse elektronas priklauso abiem atomams tam tikru būdu, būdingu tik kvantinei teorijai. Jei naudosime elektronų orbitų paveikslą, apytiksliai galime teigti, kad elektronas skrieja aplink abu atomo branduolius ir didelę savo laiko dalį praleidžia tiek viename, tiek kitame atome. Šis antrasis ryšio tipas atitinka tai, ką chemikas vadina „valentingu ryšiu“.
Šie du ryšių tipai, kurie gali egzistuoti visuose įmanomuose deriniuose, galiausiai sukelia įvairių atomų rinkinių susidarymą ir galiausiai nustato visas sudėtingas struktūras, kurias tiria fizika ir chemija. Taigi cheminiai junginiai susidaro dėl to, kad mažos uždaros grupės susidaro iš įvairių rūšių atomų, o kiekviena grupė gali būti vadinama cheminio junginio molekule. Kai susidaro kristalai, atomai išsidėsto tvarkingomis gardelėmis. Metalai susidaro, kai atomai yra taip glaudžiai supakuoti, kad išoriniai elektronai palieka savo apvalkalus ir gali praeiti per visą metalo gabalą. Kai kurių medžiagų, ypač kai kurių metalų, magnetizmas atsiranda dėl atskirų elektronų sukimosi tame metale ir kt.
Visais šiais atvejais dualizmas tarp materijos ir jėgos vis dar gali būti išsaugotas, nes branduoliai ir elektronai gali būti laikomi medžiagos statybiniais blokais, kuriuos kartu laiko elektromagnetinės jėgos.
Nors fizika ir chemija (kai jos yra susijusios su materijos struktūra) sudaro vieną mokslą, biologijoje su sudėtingesnėmis struktūromis padėtis yra kiek kitokia. Tiesa, nepaisant ryškaus gyvų organizmų vientisumo, gyvos ir negyvosios materijos aiškiai atskirti tikriausiai nepavyks. Biologijos raida davė mums daugybę pavyzdžių, iš kurių matome, kad konkrečiai biologines funkcijas gali atlikti specialios didelės molekulės ar grupės, arba tokių molekulių grandinės. Šie pavyzdžiai išryškina šiuolaikinės biologijos tendenciją aiškinti biologinius procesus kaip fizikos ir chemijos dėsnių pasekmes. Tačiau stabilumas, kurį mes suvokiame gyvuose organizmuose, savo prigimtimi šiek tiek skiriasi nuo atomo ar kristalo stabilumo. Biologijoje mes kalbame apie proceso ar funkcijos stabilumą, o ne apie formos stabilumą. Be jokios abejonės, kvantinės mechanikos dėsniai atlieka labai svarbų vaidmenį biologiniuose procesuose. Pavyzdžiui, specifinės kvantinės mechaninės jėgos yra būtinos norint suprasti dideles organines molekules ir įvairias jų geometrines konfigūracijas, kurias galima tik kiek netiksliai apibūdinti remiantis cheminio valentingumo koncepcija. Biologinių mutacijų, kurias sukelia spinduliuotė, eksperimentai taip pat rodo tiek kvantinės mechaninės dėsnių statistinio pobūdžio svarbą, tiek stiprinimo mechanizmų egzistavimą. Artima analogija tarp mūsų nervų sistemoje vykstančių procesų ir procesų, vykstančių veikiant moderniai elektroninei skaičiavimo mašinai, dar kartą pabrėžia atskirų elementarių procesų svarbą gyvam organizmui. Tačiau visi šie pavyzdžiai vis dar neįrodo, kad fizika ir chemija, papildyta vystymosi doktrina, leis visiškai apibūdinti gyvus organizmus. Biologinius procesus eksperimentuojantys gamtos mokslininkai turi aiškinti atsargiau nei fizikos ir chemijos procesus. Kaip paaiškino Bohras, gali pasirodyti, kad gyvo organizmo aprašymo, kurį fiziko požiūriu galima pavadinti užbaigtu, iš viso nėra, nes šiam aprašymui prireiktų eksperimentų, kurie būtų per stiprūs. prieštarauja biologinėms organizmo funkcijoms. Bohras šią situaciją apibūdino taip: biologijoje mes labiau susiduriame su galimybių realizavimu toje gamtos dalyje, kuriai priklausome, o ne su eksperimentų, kuriuos galime atlikti patys, rezultatais. Komplementarumo situacija, kurioje ši formuluotė yra efektyvi, atsispindi kaip tendencija šiuolaikinės biologijos metoduose: viena vertus, visapusiškai išnaudoti fizikos ir chemijos metodus bei rezultatus, kita vertus, vis dar nuolatos naudoti. vartokite sąvokas, susijusias su tais organinės prigimties ypatumais, kurių nėra fizikoje ir chemijoje, kaip, pavyzdžiui, pati gyvybės sąvoka.
Iki šiol mes atlikome medžiagos struktūros analizę viena kryptimi – nuo atomo iki sudėtingesnių struktūrų, susidedančių iš atomų: nuo atominės fizikos iki kietojo kūno fizikos, iki chemijos ir galiausiai iki biologijos. Dabar turime pasukti priešinga kryptimi ir atsekti tyrimų liniją nuo išorinių atomo sričių iki vidinių sričių, iki atomo branduolio ir galiausiai iki elementariųjų dalelių. Tik ši antroji eilutė paskatins mus, ko gero, suprasti materijos vienybę. Čia nereikia bijoti, kad eksperimentuose bus sunaikintos pačios būdingos struktūros. Jei užduotis yra eksperimentiškai patikrinti materijos pagrindinę vienybę, tada mes galime ją paveikti stipriausiomis įmanomomis jėgomis, ekstremaliausiomis sąlygomis, kad pamatytume, ar materiją galiausiai galima paversti kita medžiaga.
Pirmasis žingsnis šia kryptimi buvo eksperimentinė atomo branduolio analizė. Pradiniais šių tyrimų laikotarpiais, kurie užpildo maždaug tris pirmuosius šio amžiaus dešimtmečius, vieninteliai įrankiai eksperimentuoti su atominiu branduoliu buvo radioaktyviųjų medžiagų skleidžiamos alfa dalelės. Šių dalelių pagalba Rutherfordas 1919 metais sugebėjo paversti lengvųjų elementų atominius branduolius vieną į kitą. Jis sugebėjo, pavyzdžiui, azoto branduolį paversti deguonies branduoliu, prijungdamas alfa dalelę prie azoto branduolio ir tuo pačiu išmušdamas iš jo protoną. Tai buvo pirmasis proceso, vykstančio atstumais pagal atomų branduolių spindulių eilę, pavyzdys, kuris buvo panašus į cheminius procesus, bet paskatino dirbtinį elementų transformavimą. Kita lemiama sėkmė buvo dirbtinis protonų pagreitinimas aukštos įtampos įrenginiuose iki energijos, kurios pakaktų branduolinėms transformacijoms. Tam reikalingi maždaug milijono voltų įtampos skirtumai, o Cockcroft ir Walton, atlikdami pirmąjį lemiamą eksperimentą, sugebėjo paversti ličio elemento atominius branduolius į helio elemento atominius branduolius. Šis atradimas atvėrė visiškai naują tyrimų sritį, kurią galima vadinti branduoline fizika tikrąja to žodžio prasme ir kuri labai greitai leido kokybiškai suprasti atomo branduolio sandarą.
Tiesą sakant, atomo branduolio struktūra pasirodė labai paprasta. Atomo branduolys susideda tik iš dviejų skirtingų tipų elementariųjų dalelių. Viena iš elementariųjų dalelių yra protonas, kuris taip pat yra vandenilio atomo branduolys. Kitas buvo vadinamas neutronu, dalele, kurios masė yra maždaug tokia pati kaip protonas ir taip pat elektriškai neutrali. Taigi kiekvieną atomo branduolį galima apibūdinti bendru protonų ir neutronų, iš kurių jis susideda, skaičiumi. Paprasto anglies atomo branduolys susideda iš 6 protonų ir 6 neutronų. Tačiau yra ir kitų anglies atomų branduolių, kurie yra šiek tiek retesni – jie buvo vadinami pirmųjų izotopais – ir susideda iš 6 protonų ir 7 neutronų ir tt Taigi galiausiai jie priėjo prie materijos aprašymo, kuriame vietoj to iš daugelio Iš įvairių cheminių elementų buvo naudojami tik trys pagrindiniai vienetai, trys pagrindiniai statybiniai blokai – protonas, neutronas ir elektronas. Visa medžiaga susideda iš atomų, todėl galiausiai yra sudaryta iš šių trijų pagrindinių statybinių blokų. Tai, žinoma, dar nereiškia materijos vienybės, bet neabejotinai reiškia svarbų žingsnį šios vienybės link ir, kas buvo galbūt dar svarbiau, reiškia reikšmingą supaprastinimą. Tiesa, nuo žinių apie šiuos pagrindinius atomo branduolio blokus iki visiško jo sandaros supratimo dar buvo ilgas kelias. Čia problema šiek tiek skyrėsi nuo atitinkamos problemos, susijusios su atomo išoriniu apvalkalu, išspręstos dvidešimtojo dešimtmečio viduryje. Elektronų apvalkalo atveju jėgos tarp dalelių buvo žinomos labai tiksliai, tačiau be to, reikėjo rasti dinaminius dėsnius, kurie galiausiai buvo suformuluoti kvantinėje mechanikoje. Atomo branduolio atveju buvo visiškai įmanoma daryti prielaidą, kad dinaminiai dėsniai daugiausia buvo kvantinės teorijos dėsniai, tačiau čia jėgos tarp dalelių pirmiausia buvo nežinomos. Jie turėjo būti išvesti iš eksperimentinių atomų branduolių savybių. Šios problemos kol kas negalima visiškai išspręsti. Jėgos tikriausiai nėra tokios paprastos formos kaip elektrostatinių jėgų tarp elektronų išoriniuose apvalkaluose atveju, todėl sudėtingesnių jėgų matematiškai nustatyti atomų branduolių savybes yra sunkiau, be to, pažangą stabdo eksperimentų netikslumas. Tačiau kokybinės idėjos apie branduolio struktūrą įgavo labai apibrėžtą formą.
Galų gale, paskutinė pagrindinė problema išlieka materijos vienybės problema. Ar šios elementarios dalelės – protonas, neutronas ir elektronas yra paskutiniai, nesuyrantys materijos blokai, kitaip tariant, „atomai“ Demokrito filosofijos prasme, neturintys jokių tarpusavio ryšių (neskaitant tarp jų veikiančių jėgų?) ar tai tik skirtingos tos pačios rūšies materijos formos? Be to, ar jie gali transformuotis vienas į kitą ar net į kitas materijos formas? Jei šią problemą norime išspręsti eksperimentiniu būdu, tam reikia jėgų ir energijos, sutelktos į atomines daleles, kurios turi būti daug kartų didesnės už tas, kurios buvo naudojamos tiriant atomo branduolį. Kadangi energijos atsargos atomų branduoliuose nėra pakankamai didelės, kad turėtume priemonių tokiems eksperimentams atlikti, fizikai turi arba pasinaudoti erdvėje, tai yra erdvėje tarp žvaigždžių, žvaigždžių paviršiuje esančiomis jėgomis, arba jie turi pasitikėti inžinierių įgūdžiais.
Tiesą sakant, pažanga padaryta abiem kryptimis. Pirmiausia fizikai panaudojo vadinamąją kosminę spinduliuotę. Žvaigždžių paviršiuje esantys elektromagnetiniai laukai, besitęsiantys virš milžiniškų erdvių, palankiomis sąlygomis gali pagreitinti įkrautas atomų daleles, elektronus ir atomų branduolius, kurie, kaip paaiškėjo, dėl savo didesnės inercijos turi daugiau galimybių išlikti greitėjančiame lauke. ilgesnį laiką, o kai galiausiai palieka žvaigždės paviršių į tuščią erdvę, kartais pavyksta prasiskverbti pro daugelio milijardų voltų potencialius laukus. Tolimesnis pagreitis, esant palankioms sąlygoms, vyksta kintamuose magnetiniuose laukuose tarp žvaigždžių. Bet kuriuo atveju paaiškėja, kad atomų branduolius ilgą laiką laiko kintantys magnetiniai laukai Galaktikos erdvėje ir galiausiai jie užpildo Galaktikos erdvę vadinamąja kosmine spinduliuote. Ši spinduliuotė pasiekia Žemę iš išorės ir todėl susideda iš visų galimų atomų branduolių – vandenilio, helio ir sunkesnių elementų – kurių energija svyruoja nuo maždaug šimtų ar tūkstančių milijonų elektronų voltų iki milijono kartų didesnių verčių. Kai šios didelio aukščio spinduliuotės dalelės patenka į viršutinius Žemės atmosferos sluoksnius, jos čia susiduria su atmosferoje esančiais azoto ar deguonies atomais arba kokio nors eksperimentinio įrenginio, kuris yra veikiamas kosminės spinduliuotės, atomais. Tada galima ištirti intervencijos rezultatus.
Kita galimybė – statyti labai didelius dalelių greitintuvus. Jų prototipu galima laikyti vadinamąjį ciklotroną, kurį trečiojo dešimtmečio pradžioje Kalifornijoje sukūrė Lawrence. Pagrindinė šių įrenginių dizaino idėja yra ta, kad dėl stipraus magnetinio lauko įkrautos atominės dalelės yra priverstos pakartotinai suktis ratu, kad elektrinis laukas galėtų jas vėl ir vėl pagreitinti šiuo žiediniu keliu. Įrenginiai, kuriuose galima pasiekti šimtų milijonų elektronų voltų energiją, dabar veikia daugelyje pasaulio vietų, daugiausia Didžiojoje Britanijoje. Bendradarbiaujant 12 Europos šalių, Ženevoje statomas labai didelis tokio tipo greitintuvas, kuris, tikimasi, gamins protonus, kurių energija sieks iki 25 mln. elektronvoltų. Eksperimentai, atlikti naudojant kosminę spinduliuotę arba labai didelius greitintuvus, atskleidė įdomių naujų materijos savybių. Be trijų pagrindinių materijos elementų – elektrono, protono ir neutrono – buvo atrastos naujos elementariosios dalelės, kurios susidaro per šiuos didelės energijos susidūrimus ir kurios po itin trumpo laiko išnyksta, virsdamos kitomis elementariomis dalelėmis. . Naujos elementarios dalelės turi panašių savybių kaip ir senosios, išskyrus jų nestabilumą. Net pačios stabiliausios tarp naujų elementariųjų dalelių gyvuoja tik apie milijoną sekundės, o kitų – net šimtus ar tūkstančius kartų trumpesnę. Šiuo metu yra žinomi maždaug 25 skirtingų tipų elementariosios dalelės. „Jauniausias“ iš jų yra neigiamo krūvio protonas, vadinamas antiprotonu.
Atrodo, kad iš pirmo žvilgsnio šie rezultatai vėl nukrypsta nuo idėjų apie materijos vienybę, nes atrodo, kad pagrindinių materijos blokų skaičius vėl išaugo iki skaičiaus, palyginamo su skirtingų cheminių elementų skaičiumi. Tačiau tai būtų netikslus tikrosios padėties aiškinimas. Juk eksperimentai vienu metu parodė, kad dalelės atsiranda iš kitų dalelių ir gali virsti kitomis dalelėmis, kad jos susidaro tiesiog iš tokių dalelių kinetinės energijos ir gali vėl išnykti, kad iš jų kiltų kitos dalelės. Todėl, kitaip tariant: eksperimentai parodė visišką materijos transformuojamumą. Visos elementarios dalelės pakankamai didelės energijos susidūrimų metu gali virsti kitomis dalelėmis arba gali būti tiesiog sukurtos iš kinetinės energijos; ir jie gali būti paversti energija, pavyzdžiui, spinduliuote. Vadinasi, čia iš esmės yra galutinis materijos vienybės įrodymas. Visos elementarios dalelės yra „pagamintos“ iš tos pačios medžiagos, tos pačios medžiagos, kurią dabar galime vadinti energija arba universalia medžiaga; jie yra tik skirtingos formos, kuriomis materija gali pasireikšti.
Jei palygintume šią situaciją su Aristotelio materijos ir formos samprata, tai galime pasakyti, kad Aristotelio materiją, kuri iš esmės buvo „potencija“, tai yra galimybė, reikėtų palyginti su mūsų energijos samprata; kai gimsta elementarioji dalelė, energija atsiskleidžia per formą kaip materiali tikrovė.
Šiuolaikinė fizika, žinoma, negali pasitenkinti tik kokybiniu pagrindinės materijos struktūros aprašymu; ji turi stengtis, remdamasi kruopščiai atliktais eksperimentais, pagilinti analizę iki matematinio gamtos dėsnių, lemiančių materijos formas, būtent elementariąsias daleles ir jų jėgas, formulavimo. Aiškiai atskirti materiją ir jėgą arba jėgą ir materiją šioje fizikos dalyje nebegalima, nes bet kuri elementari dalelė ne tik pati kuria jėgas ir pati patiria jėgų įtaką, bet tuo pačiu ir reprezentuoja šiuo atveju. tam tikras jėgos laukas. Kvantinis mechaninis bangų ir dalelių dualizmas yra priežastis, kodėl ta pati tikrovė pasireiškia ir kaip materija, ir kaip jėga.
Visi bandymai rasti matematinį gamtos dėsnių aprašą elementariųjų dalelių pasaulyje iki šiol prasidėjo nuo bangų laukų kvantinės teorijos. Teoriniai šios srities tyrimai buvo atlikti trečiojo dešimtmečio pradžioje. Tačiau jau pirmieji darbai šioje srityje atskleidė labai rimtus sunkumus toje srityje, kai kvantinę teoriją buvo bandoma sujungti su specialiąja reliatyvumo teorija. Iš pirmo žvilgsnio atrodo, kad dvi teorijos, kvantinė ir reliatyvumo teorija, yra susijusios su tokiais skirtingais gamtos aspektais, kad praktiškai jos negali viena kitos paveikti niekaip, todėl abiejų teorijų reikalavimai turėtų būti lengvai išpildomi tame pačiame formalizme. Tačiau tikslesnis tyrimas parodė, kad abi šios teorijos tam tikru momentu prieštarauja, dėl to kyla visi tolesni sunkumai.
Specialioji reliatyvumo teorija atskleidė erdvės ir laiko struktūrą, kuri pasirodė kiek kitokia nei jiems priskiriama nuo Niutono mechanikos sukūrimo. Būdingiausias šios naujai atrastos struktūros bruožas yra maksimalus greitis, kurio negali viršyti joks judantis kūnas ar sklindantis signalas, tai yra šviesos greitis. Dėl to du įvykiai, vykstantys dviejuose taškuose, kurie yra labai nutolę vienas nuo kito, negali turėti tiesioginio priežastinio ryšio, jei jie įvyksta tokiais laiko momentais, kad šviesos signalas, išeinantis iš šio taško pirmojo įvykio metu, pasiekia tik kitą. po kito įvykio akimirkos ir atvirkščiai. Šiuo atveju abu įvykiai gali būti vadinami vienu metu. Kadangi jokia įtaka negali būti perkelta iš vieno proceso vienu metu į kitą procesą kitu laiko momentu, abu procesai negali būti sujungti jokia fizine įtaka.
Dėl šios priežasties veikimas dideliais atstumais, kaip atrodo gravitacinių jėgų atveju Niutono mechanikoje, pasirodė nesuderinamas su specialiąja reliatyvumo teorija. Naujoji teorija turėjo pakeisti tokį veiksmą „trumpojo nuotolio veiksmu“, tai yra, jėgos perkėlimu tik iš vieno taško į gretimą tašką. Natūrali matematinė tokio pobūdžio sąveikų išraiška pasirodė esanti bangų ar laukų diferencialinės lygtys, nekintamos pagal Lorenco transformaciją. Tokios diferencialinės lygtys pašalina bet kokią tiesioginę vienalaikių įvykių įtaką viena kitai.
Todėl erdvės ir laiko struktūra, išreikšta specialiąja reliatyvumo teorija, itin ryškiai atriboja vienalaikiškumo sritį, kurioje negali būti perduodama jokia įtaka, nuo kitų sričių, kuriose gali vykti tiesioginė vieno proceso įtaka kitam.
Kita vertus, kvantinės teorijos neapibrėžtumo ryšys nustato griežtą ribą tikslumui, kuriuo vienu metu galima išmatuoti koordinates ir momentus arba laiko ir energijos momentus. Kadangi itin aštri riba reiškia begalinį padėties fiksavimo erdvėje ir laike tikslumą, atitinkami impulsai ir energijos turi būti visiškai neapibrėžti, tai yra, procesai su didele tikimybe turi išryškėti net esant savavališkai dideliems impulsams ir energijai. Todėl bet kuri teorija, kuri vienu metu atitinka specialiosios reliatyvumo teorijos ir kvantinės teorijos reikalavimus, sukelia matematinius prieštaravimus, būtent skirtumus labai didelių energijų ir momentų srityje. Šios išvados nebūtinai yra būtinos, nes bet koks čia nagrinėjamas formalizmas yra labai sudėtingas, taip pat gali būti, kad bus rasta matematinių priemonių, kurios padės šiuo metu pašalinti prieštaravimą tarp reliatyvumo teorijos ir kvanto. teorija. Tačiau iki šiol visos ištirtos matematinės schemos iš tikrųjų privedė prie tokių skirtumų, tai yra matematinių prieštaravimų, arba pasirodė, kad jų nepakanka visiems abiejų teorijų reikalavimams patenkinti. Be to, buvo akivaizdu, kad sunkumai iš tikrųjų kilo dėl ką tik aptarto dalyko.
Taškas, kuriame konvergencinės matematinės schemos netenkina reliatyvumo teorijos ar kvantinės teorijos reikalavimų, pasirodė pats savaime labai įdomus. Viena iš šių schemų, pavyzdžiui, atvedė, kai ją buvo bandoma interpretuoti pasitelkiant realius erdvėje ir laike vykstančius procesus, prie savotiško laiko apsisukimo; jame buvo aprašyti procesai, kurių metu tam tikru momentu staiga gimė kelios elementarios dalelės, o energija šiam procesui buvo tiekiama tik vėliau dėl kai kurių kitų elementariųjų dalelių susidūrimo procesų. Fizikai, remdamiesi savo eksperimentais, yra įsitikinę, kad tokio pobūdžio procesai gamtoje nevyksta, bent jau tada, kai abu procesus vienas nuo kito skiria tam tikras išmatuojamas atstumas erdvėje ir laike.
Kitoje teorinėje schemoje formalizmo divergencijas buvo bandoma pašalinti remiantis matematiniu procesu, kuris buvo vadinamas „renormalizavimu“. Šis procesas susideda iš to, kad formalizmo begalybės gali būti perkeltos į vietą, kur jos negalėtų trukdyti gauti griežtai apibrėžtų ryšių tarp stebimų dydžių. Iš tiesų, ši schema tam tikru mastu jau lėmė lemiamą kvantinės elektrodinamikos pažangą, nes ji suteikia galimybę apskaičiuoti kai kurias labai įdomias vandenilio spektro savybes, kurios iki šiol buvo nepaaiškinamos. Tačiau tikslesnė šios matematinės schemos analizė leido daryti išvadą, kad tie dydžiai, kurie įprastoje kvantinėje teorijoje turėtų būti interpretuojami kaip tikimybės, šiuo atveju tam tikromis aplinkybėmis, atlikus renormalizavimo procesą, gali tapti neigiami. Tai, žinoma, pašalintų nuoseklų formalizmo aiškinimą materijai apibūdinti, nes neigiama tikimybė yra beprasmė sąvoka.
Taigi, mes jau priėjome prie problemų, kurios dabar yra šiuolaikinės fizikos diskusijų centre. Sprendimas kada nors bus gautas dėka nuolat pildančios eksperimentinės medžiagos, kuri gaunama vis tiksliau matuojant elementariąsias daleles, jų susidarymą ir naikinimą bei tarp jų veikiančias jėgas. Ieškant galimų šių sunkumų sprendimų, verta prisiminti, kad remiantis eksperimentiniais duomenimis negalima atmesti tokių tariamų laiko apsisukimo procesų, aptartų aukščiau, jei jie vyksta tik labai mažuose erdvės ir laiko regionuose, kuriuose vis dar neįmanoma atsekti procesus išsamiai naudojant mūsų dabartinę eksperimentinę įrangą. Žinoma, atsižvelgiant į dabartines mūsų žinias, vargu ar esame pasirengę pripažinti tokių procesų galimybę, keičiant laiką, jei tai reiškia galimybę vėlesniame fizikos vystymosi etape tokius procesus stebėti taip pat, kaip ir įprastus. stebimi atominiai procesai. Tačiau čia kvantinės teorijos analizės ir reliatyvumo analizės palyginimas leidžia pažvelgti į problemą naujai.
Reliatyvumo teorija siejama su universalia gamtos konstanta – šviesos greičiu. Ši konstanta turi lemiamą reikšmę nustatant ryšį tarp erdvės ir laiko, todėl ji pati turi būti įtraukta į bet kokį gamtos dėsnį, kuris tenkina invariancijos reikalavimus pagal Lorenco transformacijas. Mūsų įprasta kalba ir klasikinės fizikos sąvokos gali būti taikomos tik tiems reiškiniams, kurių šviesos greitis gali būti laikomas praktiškai be galo dideliu. Jei savo eksperimentuose priartėsime prie šviesos greičio bet kokia forma, turime būti pasirengę susidurti su rezultatais, kurių nebegalima paaiškinti šiomis įprastomis sąvokomis.
Kvantinė teorija siejama su kita universalia gamtos konstanta – su Planko veikimo kvantu. Objektyvus procesų erdvėje ir laike apibūdinimas įmanomas tik tada, kai susiduriame su santykinai didelės apimties objektais ir procesais, todėl Plancko konstanta gali būti laikoma praktiškai be galo maža. Kai savo eksperimentuose priartėjame prie regiono, kuriame Plancko veikimo kvantas tampa reikšmingas, susiduriame su visais sunkumais taikant įprastas sąvokas, kurios buvo aptartos ankstesniuose šios knygos skyriuose.
Tačiau turi būti trečioji visuotinė gamtos konstanta. Tai paprastai išplaukia, kaip sako fizikai, iš matmenų. Universalios konstantos lemia mastelių dydžius gamtoje, jos suteikia mums būdingus dydžius, iki kurių galima sumažinti visus kitus gamtos dydžius. Tačiau visam tokių įrenginių rinkiniui reikalingi trys pagrindiniai vienetai. Tai lengviausia padaryti iš įprastų vienetų susitarimų, tokių kaip fizikų CQS (centimetras-gramas-sekundė) sistema. Ilgio, laiko vieneto ir masės vieneto kartu pakanka, kad susidarytų visa sistema. Reikalingi bent trys pagrindiniai vienetai. Juos taip pat galima pakeisti ilgio, greičio ir masės vienetais arba ilgio, greičio ir energijos vienetais ir tt Tačiau trys pagrindiniai vienetai yra būtini bet kuriuo atveju. Tačiau šviesos greitis ir Plancko veikimo kvantas suteikia mums tik du iš šių dydžių. Turi būti trečias, ir tik teorija, kurioje yra toks trečiasis vienetas, galbūt gali padėti nustatyti elementariųjų dalelių mases ir kitas savybes. Remiantis mūsų šiuolaikinėmis žiniomis apie elementariąsias daleles, ko gero, paprasčiausias ir priimtiniausias būdas įvesti trečiąją universaliąją konstantą yra prielaida, kad yra universalus ilgis, kurio dydis yra 10-13 cm, todėl ilgis yra palyginamas. maždaug iki plaučių atomų branduolių spindulių. Jei nuo. šie trys vienetai sudaro išraišką, kuri turi masės matmenį, tada ši masė turi įprastų elementariųjų dalelių masės dydį.
Jei darysime prielaidą, kad gamtos dėsniuose iš tikrųjų yra tokia trečioji universali ilgio matmens konstanta, kurios dydis yra 10-13 cm, tada visiškai įmanoma, kad mūsų įprastos sąvokos gali būti taikomos tik tokioms erdvės ir laiko sritims, kurios yra didelės. lyginant su šia universalia ilgio konstanta . Kai savo eksperimentuose artėjame prie erdvės ir laiko zonų, kurios yra mažos, palyginti su atomų branduolių spinduliais, turime būti pasiruošę, kad bus stebimi kokybiškai naujo pobūdžio procesai. Laiko apsisukimo reiškinys, kuris buvo paminėtas aukščiau ir kol kas tik kaip iš teorinių samprotavimų išvesta galimybė, galėjo priklausyti šiems mažiausiems erdvės ir laiko regionams. Jei taip, tai tikriausiai nebūtų stebima taip, kad atitinkamą procesą būtų galima apibūdinti klasikiniais terminais. Ir vis dėlto, tiek, kiek tokius procesus galima apibūdinti klasikinėmis sąvokomis, jie taip pat turi atskleisti klasikinę eiliškumo laike tvarką. Tačiau kol kas per mažai žinoma apie procesus mažiausiuose erdvės ir laiko regionuose – arba (kas pagal neapibrėžtumo santykį maždaug atitinka šį teiginį) esant didžiausioms perduodamoms energijoms ir impulsams.
Bandant, remiantis eksperimentais su elementariosiomis dalelėmis, gauti daugiau žinių apie gamtos dėsnius, lemiančius materijos sandarą, taigi ir elementariųjų dalelių struktūrą, tam tikros simetrijos savybės vaidina ypač svarbų vaidmenį. Primename, kad Platono filosofijoje mažiausios materijos dalelės buvo absoliučiai simetriški dariniai, būtent taisyklingi kūnai – kubas, oktaedras, ikosaedras, tetraedras. Tačiau šiuolaikinėje fizikoje šios ypatingos simetrijos grupės, atsirandančios dėl sukimų grupės trimatėje erdvėje, nebėra dėmesio centre. Tai, kas vyksta šiuolaikiniuose gamtos moksluose, jokiu būdu nėra erdvinė forma, o reprezentuoja dėsnį, todėl tam tikru mastu yra erdvės ir laiko forma, todėl mūsų fizikoje naudojamos simetrijos visada turi būti susijusios su erdve ir laikas kartu. Tačiau tam tikros simetrijos rūšys iš tikrųjų vaidina svarbiausią vaidmenį dalelių teorijoje.
Juos empiriškai žinome vadinamųjų išsaugojimo dėsnių ir kvantinių skaičių sistemos dėka, kurios pagalba pagal patirtį galime surikiuoti įvykius elementariųjų dalelių pasaulyje. Mes galime juos išreikšti matematiškai reikalaudami, kad pagrindinis materijos gamtos dėsnis tam tikroms transformacijų grupėms būtų nekintamas. Šios transformacijos grupės yra paprasčiausia matematinė simetrijos savybių išraiška. Šiuolaikinėje fizikoje jie atsiranda vietoj Platono kietųjų kūnų. Čia trumpai surašyti svarbiausi.
Vadinamųjų Lorenco transformacijų grupė apibūdina erdvės ir laiko struktūrą, kurią atskleidžia specialioji reliatyvumo teorija.
Pauli ir Gürschi tyrinėta grupė savo struktūra atitinka trimačių erdvinių sukimų grupę – ji, kaip teigia matematikai, yra jai izomorfiška ir pasireiškia kvantinio skaičiaus atsiradimu, kuris empiriškai buvo aptiktas elementariosiose dalelėse dvidešimt -Prieš penkerius metus ir vadinosi „isospin“.
Kitos dvi grupės, kurios formaliai elgiasi kaip sukimosi aplink standžią ašį grupės, lemia krūvio, barionų ir leptonų skaičiaus išsaugojimo dėsnius.
Galiausiai, gamtos dėsniai taip pat turi būti nekintami atliekant tam tikras refleksijos operacijas, kurių čia nereikia detaliai išvardinti. Šiuo klausimu Lee ir Yang tyrimai pasirodė ypač svarbūs ir vaisingi, atsižvelgiant į idėją, kad dydis, vadinamas paritetu, kuriam anksčiau buvo manoma, kad galioja išsaugojimo įstatymas, iš tikrųjų nėra konservuoti.
Visos iki šiol žinomos simetrijos savybės gali būti išreikštos naudojant paprastą lygtį. Be to, tai reiškia, kad ši lygtis yra nekintama visų įvardytų transformacijų grupių atžvilgiu, todėl galima manyti, kad ši lygtis jau teisingai atspindi materijos gamtos dėsnius. Tačiau šio klausimo sprendimo dar nėra; laikui bėgant jis bus gautas tik atlikus tikslesnę šios lygties matematinę analizę ir palyginus su vis didesnio dydžio eksperimentine medžiaga.
Tačiau net ir nepaisant šios galimybės, galima tikėtis, kad dėl eksperimentų koordinavimo aukščiausios energijos elementariųjų dalelių srityje su matematinė analizė jų rezultatai vieną dieną leis visiškai suprasti materijos vienybę. Posakis „visiškas supratimas“ reikštų, kad materijos formos – maždaug ta prasme, kuria Aristotelis šį terminą vartojo savo filosofijoje – būtų išvados, tai yra uždaros matematinės schemos sprendimai, atspindintys gamtos dėsnius. reikalas.
Bibliografija
Šiam darbui parengti buvo panaudota medžiaga iš svetainės http://www.philosophy.ru/
Mokymas
Reikia pagalbos studijuojant temą?
Mūsų specialistai patars arba teiks kuravimo paslaugas jus dominančiomis temomis.
Pateikite savo paraišką nurodydami temą dabar, kad sužinotumėte apie galimybę gauti konsultaciją.
E. h.m viršija periodinių elementų skaičių. Mendelejevo sistema. E. ch.m. iš esmės yra kvantinė mechaninė. objektų (žr. Mikrodalelės), jų judėjimas (kuris gana dažnai vyksta artimu šviesos greičiui) gali būti tik reliatyvistinis, t.y. reliatyvumo reikalavimus tenkinanti teorija. 30-50-aisiais. Buvo tikima, kad bendroji elektroninės kvantinės mechanikos teorija bus kvantinė mechanika, o reliatyvumo teorija – reliatyvistinė. Tačiau nemažai bandymų šia kryptimi susidūrė su neįveikiamais sunkumais. Todėl fizikoje susiformavo, kad norint sukurti bendrą elementariosios kvantinės mechanikos teoriją, kvantinės teorijos ir reliatyvumo teorijos principus reikia papildyti iš esmės naujomis sąvokomis ir dėsniais, būdingais tik pasauliui. elementarioji kvantinė mechanika.
Iš šiuo atžvilgiu iškilusių filosofijų. Didžiausios problemos buvo susijusios su erdvės laiko prigimtimi labai mažais atstumais. Gausus bando tiesiogiai erdvių kvantavimas, santykiai E. h.m. lygyje su logiškai nuosekliai. Eksperimentų metu jie atrado jų nesuderinamumą su reliatyvumo teorijos reikalavimais ir eksperimentiniais duomenimis apie elektrocheminių dalelių sklaidą esant labai didelei energijai. Lindenbaum ir kt., 1966 m., įrodė, kad iki 10–17 cm atstumų mikrokosmosas turi ištisinę, nediskrečią struktūrą. Šiuo metu svarstomi įvairūs diskrečiojo erdvėlaikio modeliai. laiko kaip vieną iš tikrosios fizinės problemos tyrimo krypčių. labai mažų atstumų ir laikotarpių struktūra. Matematikos taikymas E.H.M. fizikoje vis dar remiasi Eudokso-Archimedo aksioma, pagal kurią iš dviejų savavališkai pasirinktų atkarpų mažesnioji visada gali būti atidėta. didesnis skaičius kartų, po to pastarieji bus pranokti ilgiu. Tai, charakterizuojanti erdvės topologiją, kelia abejonių E. h.m. pasaulyje, ypač susijusi su įvairių virtualių jų transformacijų viena į kitą galimybe. Pagal vadinamąjį Nagrinėjami abstrakčiojo lauko teorijos taikymai kuriant bendrąją elementariosios matematikos teorijos teoriją. bendriausios topologinės erdvės. gamta, įskaitant. ir nemetrinis (t. y. tie, kuriuose neįmanoma įvesti tam tikro objektų „atstumo“ vienas nuo kito mato - „atstumo“ tarp jų analogas).
Dr. Filosofas problemos siejamos su elementaraus objekto identifikavimu, kuriuo galima remtis E. ch., su patirtimi susijusių subjektų teorijos pagrindu (pavyzdžiui, tam tikras universalus, savaime veikiantis netiesinis Heisenbergo spinoras), ir hipotetinių objektų. gamta (Gell-Mann ir Zweig kvarkai arba Chew, Frautschi ir jų pasekėjų regelijos). Daugelis šių bandymų yra tiesiogiai susiję su tam tikromis filosofijomis. idėjos. Taigi Sakata savo teoriją laiko paremta dialektikos idėjomis. materializmas, Heisenbergas remiasi Platono mokymu apie geometriškai tobulus idealius kūnus, Gell-Man susieja savo „aštuonkartę simetriją“ su aštuoniais būdais suvokti Budos tiesą ir su naujos atomizmo formos „Chew“ paieška. priešingai, mano, kad atomizmo idėja yra pasenusi ir siūlo vadovautis Leibnizo idėja apie geriausią iš pasaulių ir „demokratijos“ idėja - tokia pati visų žinomų E. h.m.
Visi iki šiol pasiūlyti bendrosios E. ch.m. teorijos variantai yra specifiniai gilios dialektikos metodai. E. ch.m., kaip mokslo objektų, savybių nenuoseklumas. tyrimai: viena vertus, akivaizdu, kad yra nuostabi šio tipo E. h.m. masių, krūvių, sukimų ir kitų charakteristikų pastovumas; kita vertus, E. Ch. M. abipusis konvertuojamumas iš esmės yra jų egzistavimo forma – dėl virtualių procesų kiekvienas žinomas E. Ch. M. gali transformuotis į beveik bet kurį kitą (be to, kūneliai – elektriniams, barioniniams ir leptoniniams krūviams išsaugoti).
Nemažai filosofijų E. ch.m. fizikos problemos susijusios su naujų sąvokų formavimu, kurių pagalba bus galima suformuluoti naujus E. ch.m. judesius kaip kokybiškai unikalius objektus. Pastaraisiais metais, atrandant naujas elementariosios kvantinės mechanikos simetrijos savybes, atsirado įsitikinimas, kad tiek kvantinės teorijos dėsniai, tiek reliatyvumo teorijos dėsniai yra tik tam tikras ribinis ateities generolo dėsnių atvejis. elementariosios kvantinės mechanikos teorija (pavyzdžiui, esant pakankamai mažoms energijoms – iki vieno milijono elektronų voltų viename korpuse – ir apsiribojus objektais, kurie turi trivialią, metrinę topologiją). Kitaip tariant, į E. ch. m teorijos konstravimą žiūrima iš principo atitikimo pozicijų. Didelės viltys dedamos į intensyviai tyrinėtas E. h.m sąveikų simetrijos savybes Akivaizdu, kad tik šiuo požiūriu. Vieninga E. Ch. M. teorija galės paaiškinti tiek šio konkretaus E. Ch.M. rinkinio egzistavimo faktą, tiek būtent tokio pobūdžio sąveikos tarp jų buvimą, ir visiškai paslaptingą šių dienų. laiko, tačiau empiriškai labai aiškiai sąveikos stiprumas priklauso nuo jos simetrijos laipsnio (šios jėgos mažėjimas mažėjant sąveikos simetrijos laipsniui).
Lit.: Markovas M. A., Apie naujus laikus. atomizmo forma (Apie elementariosios dalelės sampratą), „VF“, 1960 m.; Nr.3, 4; Mapshak R. ir Sudershan E., Įvadas į fiziką E. sk., vert. iš anglų k., M., 1962; Filosofija fizikos problemos E. Ch., M., 1863; Heisenbergas V., Fizika ir, vert. iš vokiečių kalbos, M., 1963 m. Materijos prigimtis, „Fizikinių mokslų pažanga“, 1965 m.; t. 86, Nr. 4; Chew J., analitikas. S-matricos teorija, vert. iš anglų kalbos, M., 1968 m.
I. Akčurinas. Maskva.
Filosofinė enciklopedija. 5 tomuose - M.: Tarybinė enciklopedija. Redagavo F. V. Konstantinovas. 1960-1970 .
Pažiūrėkite, kas yra „ELEMENTINĖS MEDŽIAGOS DALELĖS“ kituose žodynuose:
Įvadas. E. dalelės tikslia šio termino reikšme yra pirminės, toliau neskaidomos dalelės, iš kurių, manyti, susideda visa materija. Šiuolaikinėje fizikos terminas „E. h." paprastai vartojamas ne tikslia reikšme, o ne taip griežtai pavadinimui... ... Fizinė enciklopedija
Didysis enciklopedinis žodynas
Elementariosios dalelės yra mažiausios fizikinės medžiagos dalelės. Idėjos apie elementariąsias daleles atspindi žinių apie materijos struktūrą stadiją, kurią pasiekė šiuolaikinis mokslas. Kartu su antidalelėmis apie 300 elementarių... ... Branduolinės energijos terminai
elementariosios dalelės- Mažiausios fizikinės materijos dalelės. Idėjos apie elementariąsias daleles atspindi žinių apie materijos struktūrą stadiją, kurią pasiekė šiuolaikinis mokslas. Kartu su antidalelėmis buvo atrasta apie 300 elementariųjų dalelių. Terminas... ... Techninis vertėjo vadovas
Šiuolaikinė enciklopedija
Elementariosios dalelės- ELEMENTINĖS DALELĖS, bendras mažiausių medžiagos dalelių pavadinimas kitame (po branduolių) medžiagos struktūros lygyje (subbranduolinės dalelės). Elementariosios dalelės apima protoną (p), neutroną (n), elektroną (e), fotoną (g), neutriną (n) ir tt ir jų... ... Iliustruotas enciklopedinis žodynas
Įvadas. E. dalelės tikslia šio termino prasme yra pirminės, toliau neskaidomos dalelės, iš kurių, darant prielaidą, susideda visa materija. Koncepcijoje „E. h." šiuolaikinėje fizikoje pirminių esybių idėja išreiškiama... ... Didžioji sovietinė enciklopedija
Mažiausios žinomos fizikinės medžiagos dalelės. Idėjos apie elementariąsias daleles atspindi šiuolaikinio mokslo pasiektą žinių apie materijos struktūrą laipsnį. Būdinga elementariųjų dalelių savybė yra gebėjimas tarpusavyje... ... enciklopedinis žodynas
Siaurąja prasme – dalelės, kurių negalima laikyti susidedančiomis iš kitų dalelių. Šiuolaikinėje Fizikoje E. Ch terminas vartojamas platesne prasme: vadinamasis. mažiausios medžiagos dalelės, su sąlyga, kad jos nėra atomų branduoliai ir atomai... ... Chemijos enciklopedija
Mažiausios fizinės dalelės reikalas. Idėjos apie E. h. atspindi žinių apie materijos struktūrą laipsnį, kuris buvo pasiektas šiais laikais. mokslas. Būdingas E. h. bruožas yra gebėjimas patirti abipuses transformacijas; tai neleidžia E. h. laikyti... ... Gamtos mokslai. enciklopedinis žodynas
Knygos
- Eterinė materijos sandaros teorija Visatoje, Anatolijus Bedritskis. Knygoje „Eterinė materijos sandaros teorija visatoje“ apibrėžiamos tikrosios pradinės elementarios materijos dalelės – kilimėliai, kurie turi absoliutų tankį ir chaotiškai juda visomis kryptimis,...
Jei manėte, kad mes nugrimzdome į užmarštį su savo mintis sukrečiančiomis temomis, tada skubame jus nuvilti ir pradžiuginti: klydote! Tiesą sakant, visą šį laiką bandėme rasti priimtiną metodą beprotiškoms temoms, susijusioms su kvantiniais paradoksais, pateikti. Parašėme kelis juodraščius, bet visi buvo išmesti į šaltį. Nes kai reikia aiškinti kvantinius anekdotus, mes patys pasimetame ir pripažįstame, kad daug ko nesuprantame (ir apskritai mažai kas supranta šį reikalą, tarp jų ir šaunūs pasaulio mokslininkai). Deja, kvantinis pasaulis yra toks svetimas filistinei pasaulėžiūrai, kad visai ne gėda pripažinti savo nesusipratimą ir kartu šiek tiek pabandyti suprasti bent pagrindinius dalykus.
Ir nors, kaip įprasta, su Google vaizdais stengsimės kalbėti kuo aiškiau, nepatyrusiam skaitytojui prireiks pirminio pasiruošimo, todėl rekomenduojame peržvelgti mūsų ankstesnes temas, ypač apie kvantus ir materiją.
Ypač humanistams ir kitiems besidomintiems – kvantiniai paradoksai. 1 dalis.
Šioje temoje kalbėsime apie labiausiai paplitusią kvantinio pasaulio mįslę – bangų ir dalelių dvilypumą. Kai sakome „įprasčiausias“, turime omenyje, kad fizikai taip nuo to pavargo, kad tai net neatrodo kaip paslaptis. Tačiau visa tai yra todėl, kad kitus kvantinius paradoksus paprastam protui priimti dar sunkiau.
Ir buvo taip. Senais gerais laikais, kažkur XVII amžiaus viduryje, Niutonas ir Huygensas nesutarė dėl šviesos egzistavimo: Niutonas begėdiškai pareiškė, kad šviesa yra dalelių srautas, o senasis Huygensas bandė įrodyti, kad šviesa yra banga. Tačiau Niutonas buvo autoritetingesnis, todėl jo teiginys apie šviesos prigimtį buvo priimtas kaip tikras, o Huygensas buvo juokiamas. Ir du šimtus metų šviesa buvo laikoma kažkokių nežinomų dalelių srautu, kurių prigimtį jie tikėjosi vieną dieną atrasti.
XIX amžiaus pradžioje orientalistas Thomas Youngas užsimanė optiniais instrumentais – dėl to jis ėmėsi ir atliko eksperimentą, kuris dabar vadinamas Youngo eksperimentu, ir kiekvienas fizikas šį eksperimentą laiko šventu.
Thomas Youngas tiesiog nukreipė šviesos spindulį (tos pačios spalvos, kad dažnis būtų maždaug toks pat) per du plokštės plyšius ir už jo uždėjo kitą ekrano plokštę. Ir parodė rezultatą savo kolegoms. Jei šviesa būtų dalelių srautas, tada fone matytume dvi šviesias juosteles.
Tačiau, deja, visam mokslo pasauliui, plokštelės ekrane atsirado tamsių ir šviesių juostų serija. Dažnas reiškinys, vadinamas interferencija, yra dviejų (ar daugiau) bangų superpozicija viena ant kitos.
Beje, būtent dėl trukdžių matome vaivorykštinius atspalvius ant aliejaus dėmės ar muilo burbulo.
Kitaip tariant, Thomas Youngas eksperimentiškai įrodė, kad šviesa yra bangos. Mokslo pasaulis Ilgą laiką jis nenorėjo tikėti Jungu, o vienu metu buvo taip kritikuojamas, kad net atsisakė savo idėjų apie bangų teoriją. Tačiau pasitikėjimas savo teisumu vis tiek nugalėjo, ir mokslininkai šviesą pradėjo laikyti banga. Tiesa, banga ko – tai buvo paslaptis.
Čia, paveikslėlyje, yra senas geras Jungo eksperimentas.
Reikia pasakyti, kad šviesos banginė prigimtis neturėjo didelės įtakos klasikinei fizikai. Mokslininkai perrašė formules ir ėmė tikėti, kad netrukus visas pasaulis kris jiems po kojų pagal vieną universalią visko formulę.
Bet jūs jau spėjote, kad Einšteinas, kaip visada, viską sugadino. Bėda išlindo iš kitos pusės – iš pradžių mokslininkai sutriko skaičiuodami šiluminių bangų energiją ir atrado kvantų sąvoką (apie tai būtinai skaitykite mūsų atitinkamoje temoje „“). Ir tada, tų pačių kvantų pagalba, Einšteinas smogė fizikui, paaiškindamas fotoelektrinio efekto reiškinį.
Trumpai: fotoelektrinis efektas (viena iš pasekmių yra plėvelės ekspozicija) yra elektronų išmušimas iš tam tikrų medžiagų paviršiaus šviesa. Techniškai šis išmušimas įvyksta taip, tarsi šviesa būtų dalelė. Einšteinas šviesos dalelę pavadino šviesos kvantu, vėliau jai buvo suteiktas pavadinimas – fotonas.
1920 m. į šviesos antibanginę teoriją buvo įtrauktas nuostabus Komptono efektas: kai elektronas bombarduojamas fotonais, fotonas atsimuša nuo elektrono, prarasdamas energiją (mes „šaudom“ mėlyna spalva, o raudonas skrenda išjungtas), kaip biliardo kamuolys nuo kito. Komptonas už tai gavo Nobelio premiją.
Šį kartą fizikai buvo atsargūs tiesiog atsisakyti banginės šviesos prigimties, bet užuot galvojo. Mokslas susiduria su bauginančia paslaptimi: šviesa yra banga ar dalelė?
Šviesa, kaip ir bet kuri banga, turi dažnį - ir tai lengva patikrinti. Matome skirtingas spalvas, nes kiekviena spalva tiesiog yra skirtingas elektromagnetinės (šviesos) bangos dažnis: raudona – žemo dažnio, violetinė – aukšto dažnio.
Bet tai nuostabu: matomos šviesos bangos ilgis yra penkis tūkstančius kartų didesnis už atomo dydį - kaip toks „daiktas“ telpa į atomą, kai atomas sugeria šią bangą? Jei tik fotonas yra dalelė, kurios dydis panašus į atomą. Ar fotonas ir didelis, ir mažas tuo pačiu metu?
Be to, fotoelektrinis ir Komptono efektas aiškiai įrodo, kad šviesa vis dar yra dalelių srautas: negalima paaiškinti, kaip banga perduoda energiją erdvėje lokalizuotiems elektronams – jei šviesa būtų banga, vėliau kai kurie elektronai būtų išmušti. nei kiti, o reiškinys Fotoelektrinio efekto nepastebėtume. Tačiau srauto atveju vienas fotonas susiduria su vienu elektronu ir tam tikromis sąlygomis išmuša jį iš atomo.
Dėl to buvo nuspręsta: šviesa yra ir banga, ir dalelė. O tiksliau nei viena, nei kita, o nauja anksčiau nežinoma materijos egzistavimo forma: mūsų stebimi reiškiniai tėra tikrosios padėties projekcijos arba šešėliai, priklausomai nuo to, kaip pažvelgsi į tai, kas vyksta. Kai žiūrime į cilindro šešėlį, apšviečiamą iš vienos pusės, matome apskritimą, o apšviečiant iš kitos pusės – stačiakampį. Taip yra ir šviesos dalelių bangos atvaizdavimo atveju.
Bet ir čia viskas nėra lengva. Negalime sakyti, kad šviesą laikome nei banga, nei dalelių srautu. Pažiūrėk pro langą. Staiga net švariai išplautame stikle matome savo atspindį, nors ir neryškų. Koks laimikis? Jei šviesa yra banga, tai atspindį lange paaiškinti nesunku – panašius efektus matome vandenyje, kai banga atsispindi nuo kliūties. Bet jei šviesa yra dalelių srautas, atspindžio negalima taip lengvai paaiškinti. Juk visi fotonai yra vienodi. Tačiau jei jie visi yra vienodi, tada lango stiklo barjeras turėtų jiems turėti tokį patį poveikį. Arba jie visi praeina pro stiklą, arba visi atsispindi. Tačiau atšiaurioje realybėje dalis fotonų praskrenda pro stiklą, o mes matome kaimyninį namą ir iškart matome savo atspindį.
Ir vienintelis paaiškinimas, kuris ateina į galvą: fotonai yra savaime. Neįmanoma šimtaprocentine tikimybe nuspėti, kaip elgsis konkretus fotonas – ar jis susidurs su stiklu kaip dalelė, ar kaip banga. Tai yra kvantinės fizikos pagrindas – visiškai, absoliučiai atsitiktinis materijos elgesys mikrolygmenyje be jokios priežasties (o mūsų didelių kiekių pasaulyje iš patirties žinome, kad viskas turi priežastį). Tai puikus atsitiktinių skaičių generatorius, kitaip nei monetos metimas.
Puikus Einšteinas, atradęs fotoną, iki savo gyvenimo pabaigos buvo įsitikinęs, kad kvantinė fizika yra klaidinga, ir patikino visus, kad „Dievas nežaidžia kauliukais“. Tačiau šiuolaikinis mokslas vis labiau patvirtina, kad tai vaidina.
Vienaip ar kitaip, vieną dieną mokslininkai nusprendė nutraukti diskusiją „banga ar dalelė“ ir atkurti Jungo patirtį, atsižvelgdami į XX amžiaus technologijas. Iki to laiko jie išmoko šaudyti fotonus po vieną (kvantiniai generatoriai, tarp gyventojų žinomi kaip „lazeriai“), todėl buvo nuspręsta patikrinti, kas nutiktų ekrane, jei viena dalelė iššautų dviejuose plyšiuose: pagaliau paaiškės, kas yra materija kontroliuojamomis eksperimentinėmis sąlygomis.
Ir staiga - vienas šviesos kvantas (fotonas) parodė interferencijos modelį, tai yra, dalelė praskriejo per abu plyšius vienu metu, fotonas trukdė sau (moksliškai kalbant). Patikslinkime techninį dalyką – tiesą sakant, trukdžių vaizdą rodė ne vienas fotonas, o šūvių serija vienoje dalelėje 10 sekundžių intervalais – laikui bėgant pasirodė Youngo pakraščiai, pažįstami bet kuriam C mokiniui nuo 1801 m. ekranas.
Bangos požiūriu tai logiška – banga praeina pro plyšius, o dabar dvi naujos bangos išsiskiria koncentriniais apskritimais, persidendamos viena kitą.
Bet korpuskuliniu požiūriu paaiškėja, kad fotonas eidamas pro plyšius vienu metu yra dviejose vietose, o perėjęs susimaišo su savimi. Apskritai tai normalu, tiesa?
Paaiškėjo, kad tai normalu. Be to, kadangi fotonas yra vienu metu dviejuose plyšiuose, tai reiškia, kad jis vienu metu yra visur ir prieš plyšius, ir praskridus per juos. Ir apskritai, kvantinės fizikos požiūriu, išleistas fotonas tarp pradžios ir pabaigos yra vienu metu „visur ir vienu metu“. Fizikai tokį dalelės radimą vadina „visur iš karto“ superpozicija – baisus žodis, kuris anksčiau buvo matematinis lepinimas, dabar tapo fizine realybe.
Tam tikras E. Schrödingeris, žinomas kvantinės fizikos priešininkas, tuo metu kažkur buvo iškasęs formulę, kuri apibūdino materijos, pavyzdžiui, vandens, bangines savybes. Ir šiek tiek padirbėjęs, mano siaubui, išvedžiau vadinamąją bangų funkciją. Ši funkcija parodė tikimybę rasti fotoną tam tikroje vietoje. Atminkite, kad tai yra tikimybė, o ne tiksli vieta. Ir ši tikimybė priklausė nuo kvantinės bangos keteros aukščio kvadrato tam tikroje vietoje (jei ką nors domina detalės).
Dalelių vietos matavimo klausimams skirsime atskirą skyrių.
Tolesni atradimai parodė, kad su dualizmu susiję dalykai yra dar blogesni ir paslaptingesni.
1924 m. tam tikras Louisas de Broglie sakė, kad šviesos bangos korpuskulinės savybės yra ledkalnio viršūnė. Ir visos elementarios dalelės turi šią nesuvokiamą savybę.
Tai reiškia, kad dalelė ir banga tuo pačiu metu yra ne tik elektromagnetinio lauko dalelės (fotonai), bet ir tikros dalelės, tokios kaip elektronai, protonai ir kt. Visa mus supanti medžiaga mikroskopiniame lygmenyje yra bangos(ir dalelės tuo pačiu metu).
Ir po poros metų tai netgi buvo patvirtinta eksperimentiškai – amerikiečiai varė elektronus katodinių spindulių vamzdžiais (kuriuos šiandienos senieji fartininkai žino „kineskopo“ pavadinimu) – ir taip su elektronų atspindžiu susiję stebėjimai patvirtino, kad elektronas. taip pat yra banga (kad būtų lengviau suprasti, galite pasakyti, kad jie įdėjo plokštelę su dviem plyšiais elektrono kelyje ir pamatė elektrono trukdžius tokį, koks jis yra).
Iki šiol eksperimentai atskleidė, kad atomai taip pat turi bangų savybių, ir net kai kurios specialios molekulių rūšys (vadinamieji "fullerenai") pasireiškia kaip bangos.
Smalsus skaitytojo protas, kurio dar neapsvaigino mūsų pasakojimas, paklaus: jei materija yra banga, tai kodėl, pavyzdžiui, skrendantis rutulys nėra išteptas erdvėje bangos pavidalu? Kodėl reaktyvinis lėktuvas visai nepanašus į bangą, bet labai panašus į reaktyvinį lėktuvą?
De Broglie, velnias, čia viską paaiškino: taip, skrendantis kamuolys ar „Boeing“ taip pat yra banga, bet šios bangos ilgis yra trumpesnis, tuo didesnis impulsas. Impulsas yra masės greitis. Tai yra, kuo didesnė materijos masė, tuo trumpesnis jos bangos ilgis. 150 km/h greičiu skriejančio rutulio bangos ilgis bus maždaug 0,00 metro. Todėl mes negalime pastebėti, kaip kamuolys sklinda erdvėje kaip banga. Mums tai yra tvirta medžiaga.
Elektronas yra labai lengva dalelė ir, skrisdamas 6000 km/sek. greičiu, jo bangos ilgis bus pastebimas 0,0000000001 metro.
Beje, iš karto atsakykime į klausimą, kodėl atomo branduolys nėra toks „banginis“. Nors jis yra atomo centre, aplink kurį pašėlusiai skraido elektronas ir tuo pat metu yra išteptas, jis turi neblogą impulsą, susijusį su protonų ir neutronų mase, taip pat su aukšto dažnio virpesiais (greičiais). į nuolatinio dalelių mainų egzistavimą branduolio viduje stiprią sąveiką (skaitykite temą). Todėl šerdis labiau primena mums pažįstamą kietą medžiagą. Elektronas, matyt, yra vienintelė masės dalelė, kuri turi aiškiai išreikštas bangų savybes, todėl visi jį tyrinėja su malonumu.
Grįžkime prie savo dalelių. Taip išeina: aplink atomą besisukantis elektronas yra ir dalelė, ir banga. Tai yra, dalelė sukasi, o tuo pačiu metu elektronas kaip banga yra tam tikros formos apvalkalas aplink branduolį – kaip tai gali suprasti žmogaus smegenys?
Aukščiau jau paskaičiavome, kad skraidantis elektronas turi gana didžiulį (mikrokosmui) bangos ilgį, o tam, kad tilptų aplink atomo branduolį, tokiai bangai reikia nepadoriai daug erdvės. Būtent tai paaiškina tokius didelius atomų dydžius, palyginti su branduoliu. Elektrono bangos ilgiai lemia atomo dydį. Tuščią erdvę tarp branduolio ir atomo paviršiaus užpildo elektrono bangos ilgio (o kartu ir dalelės) „apgyvendinimas“. Tai labai grubus ir neteisingas paaiškinimas – atleiskite – iš tikrųjų viskas daug sudėtingiau, bet mūsų tikslas – leisti žmonėms, kurie tuo besidomi, bent nugraužti mokslo granito gabalėlį.
Ir vėl aišku! Po kai kurių komentarų apie straipsnį [YP] supratome, kokio svarbaus dalyko šiame straipsnyje trūksta. Dėmesio! Mūsų aprašyta materijos forma nėra nei banga, nei dalelė. Jis tik (kartu) turi bangos savybes ir dalelių savybes. Negalima sakyti, kad elektromagnetinė banga ar elektronų banga yra kaip jūros bangos ar garso bangos. Mums žinomos bangos reiškia trikdžių plitimą erdvėje, užpildytoje tam tikra medžiaga.
Fotonus, elektronus ir kitus mikrokosmoso atvejus, judančius erdvėje, galima apibūdinti bangų lygtimis, jų elgesys yra tik PANAŠUS į bangą, bet jokiu būdu nėra banga. Panašiai yra su korpuskuline materijos struktūra: dalelės elgesys yra panašus į mažų taškinių rutuliukų skrydį, bet tai niekada nėra rutuliukai.
Tai reikia suprasti ir priimti, kitaip visos mūsų mintys galiausiai paskatins ieškoti analogų makrokosmose ir taip kvantinės fizikos supratimas baigsis, prasidės friarizmas arba šarlatano filosofija, tokia kaip kvantinė magija ir minčių medžiagiškumas.
Likusias bauginančias Jungo modernizuoto eksperimento išvadas ir pasekmes apsvarstysime vėliau kitoje dalyje – Heizenbergo neapibrėžtumas, Schrödingerio katė, Pauli išskyrimo principas ir kvantinis susipainiojimas laukia kantraus ir mąstančio skaitytojo, kuris dar ne kartą skaitys mūsų straipsnius ir knaisiosis. per internetą ieškodami papildomos informacijos.
Ačiū visiems už dėmesį. Laimingos nemigos ar pažintinių košmarų visiems!
NB: uoliai primename, kad visi vaizdai paimti iš Google (ieškoti pagal paveikslėlius) – ten nustatoma autorystė.
Neteisėtas teksto kopijavimas yra patrauktas baudžiamojon atsakomybėn, užgniaužtas, na, žinote...
