КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ- СТО ЛЕТ
В конце этого года мировая наука отмечает своеобразный столетний юбилей. 14 декабря 1900 года на заседании Берлинского физического общества немецкий физик Макс Планк (1858-1947) произнес слово «квант». Так было положено начало принципиально новой отрасли знаний - квантовой механике.
Планк не ставил своей целью создать новую науку. Он решал вполне конкретную, частную задачу: теоретически исследовал излучение абсолютно черного тела (модели твердого вещества, которое в холодном виде поглощает все падающее на него излучение, а будучи нагрето, излучает во всем диапазоне длин волн). Теорию «черного» излучения пытались построить неоднократно, но все попытки оканчивались безуспешно. Уравнения, верно описывающие коротковолновую часть излучения (например, формула Вина), давала большую ошибку в области длинных волн. А формула Рэлея-Джинса, прекрасно работающая в длинноволновой области, совершенно не годилась для коротковолновой.
Пытаясь вывести общее уравнение, Планк пошел эмпирическим путем, связывая измеренную с большой точностью зависимость энергии излучения от длины волны для ряда конкретных температур в одну формулу. Такую формулу ему удалось получить, но только при условии, что излучение черного тела происходит не непрерывно, а дискретно, порциями. Единичную порцию излучения Планк назвал квантом (от латинского quantum - сколько).
#3#
Макс Планк. Это он ввел в физику понятие «квант», положив начало принципиально новому ее разделу - квантовой механике.
Свою идею Планк докладывал коллегам с ощущением, что совершает «акт отчаяния» - настолько она противоречила всем принципам классической физики. Идею кванта он рассматривал только как математический прием. Он так и писал известному американскому физику Роберту Вуду: «Это была чисто формальная гипотеза ...чтобы любой ценой получился положительный результат». И даже спустя десять лет Планк призывал своего молодого российского ученика А. Ф. Иоффе «не посягать на самый свет» и «не идти дальше, чем это крайне необходимо».
Однако уже в 1905 году Альберт Эйнштейн использовал идею Планка для объяснения фотоэффекта. В начале XX века была обнаружена странная закономерность: скорость вырываемых из вещества электронов определяется только частотой света и не зависит от его интенсивности. С точки зрения классической электродинамики объяснить это было трудно, но с квантовой позиции явление становилось совершенно понятным. Эйнштейн предположил, что не только испускание и поглощение света происходя т порциями, но и само излучение существует только в виде отдельных объектов - квантов света.
Идея кванта оказалась чрезвычайно плодотворной. В 1913 году Нильс Бор создал теорию атома, постулировав условия квантования электронных орбит. А спустя одиннадцать лет Луи де Бройль выдвинул гипотезу о всеобщем корпускулярно-волновом дуализме: любая частица есть в то же самое время и волна. Экспериментальное подтверждение идеи де Бройля состоялось в 1927 году - впервые удалось наблюдать дифракцию электронов, чисто волновое явление. Годом раньше Эрвин Шредингер предложил уравнение, описывающее такие волны, а Макс Борн дал им статистическую, вероятностную интерпретацию.
Поскольку любая волна бесконечна в пространстве, то и каждую частицу можно обнаружить где угодно, но с разной степенью вероятности. Мир перестал быть детерминированным, он сделался вероятностным.
Для физиков признание этого факта стало тяжким испытанием. Известный теоретик Хендрик Крамерс, ассистент Нильса Бора, писал: «Квантовая механика очень похожа на иные победы: месяца два вы смеетесь, а потом долгие годы плачете». Шредингер в отчаянии восклицал: «Если эти проклятые квантовые скачки сохранятся вфизике, я пожалею, что вообще связался с квантовой теорией!». Эйнштейн признавал, что он, подобно страусу, «прячет голову в песок относительности, чтобы не смотреть в лицо гадким квантам». А в письме к Борну он писал: «Квантовая механика внушает большое уважение. Но внутренний голос говорит мне, что это все же не то... Во всяком случае я убежден, что Бог не играет в кости...»
Тем не менее квантовая механика смогла очень быстро и с успехом описать самый широкий круг физических явлений. Были созданы теории атомных спектров, химической связи, строения молекул, ферромагнетизма. И конечно же, без квантовой механики невозможна физика элементарных частиц.
Первой открытой элементарной частицей был электрон: в 1897 году Дж. Дж. Томсон показал, что давно известные катодные лучи - не что иное, как поток электронов. В 1911 году Эрнст Резерфорд, бомбардируя альфа-частицами тонкую металлическую фольгу, пришел к выводу, что в центре атома имеется положительный заряд. Спустя семь лет он зарегистрировал протоны. Другую частицу, входящую в состав ядра, - нейтрон - открыл в 1932 году Джон Чедвик.
Число обнаруженных частиц стремительно росло, и «элементарными» их продолжали называть только по традиции: подавляющее большинство частиц имеет сложное строение. Их свойства определялись квантовыми характеристиками, аналогов которым в классической физике не было. Поэтому им пришлось приписывать «странность», «очарование», «цвет», «аромат», «прелесть» - свойства, не имеющие ничего общего с обыденными.
#1#
Стандартная модель частиц. Из кварков и лептонов «собрано» все вещество Вселенной, а соединяют их переносчики взаимодействий. Кварки, лептоны и W-бозон имеют свои античастицы; у фотона, глюона и Z-бозона их нет. Названия t- и b-кварков в литературе даются по-разному.
«Истинно элементарными», бесструктурными сегодня считаются шестнадцать частиц (у тринадцати из них есть свои античастицы). Из шести кварков в различных сочетаниях с антикварками получаются протоны, нейтроны и многие другие частицы (адроны). Гипотеза о кварках была высказана в 1964 году, а последний, так называемый «верхний», или топ-кварк, обнаружили только шесть лет назад (см. «Наука и жизнь» № 8, 1994 г.). Еще шесть частиц относятся к так называемым лептонам. Это электрон, мюон и таон. С ними ассоциированы три, пожалуй, самые таинственные частицы микромира - нейтрино (см. «Наука и жизнь» №№ 2, 3, 2000 г.). Феноменальная проникающая способность, отсутствие заряда и чрезвычайно малая масса долгие годы делали их неуловимыми. Вплоть до лета нынешнего года судить об их появлении в различных реакциях можно было только по косвенным признакам.
И, наконец, последние четыре частицы служат переносчиками взаимодействий. Современная физика знает четыре вида взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Гравитация в этом перечне стоит особняком - она настолько слаба, что в процессах микромира практически не участвует. Электромагнитное взаимодействие переносят фотоны, кварки внутри частиц в процессе сильного взаимодействия соединяются глюонами. Слабое взаимодействие между частицамиосуществляют так называемые W- и Z-бозоны.
#2#
Так, должно быть, выглядит атом дейтерия при очень большом увеличении. Протоны и нейтроны его ядра «склеены» из кварков разных сортов (или, как говорят физики, - «ароматов»).
Когда-то, на ранних стадиях существования Вселенной, все они были слиты в одно универсальное взаимодействие. Попытки создать его теорию успехом пока не увенчались, объединить удалось только слабое и электромагнитное в одно электрослабое взаимодействие. Крупнейшим достижением теоретической физики стало создание согласованной картины микромира так называемой Стандартной модели. Она с общих позиций описывает все три взаимодействия - сильное, слабое и электромагнитное. Сегодня нет ни одного эксперимента, который бы прямо противоречил Стандартной модели.
В последнее время развитие ускорительной техники резко затормозилось. Продвижение в глубь материи требует гигантских энергий, которые нельзя получить на Земле даже ценой неимоверных затрат на строительство новых сверхмощных ускорителей. Однако исследования элементарных частиц продолжаются. На протонных коллайдерах ЦЕРНа (Швейцария) и Бруккхэвена (США) удалось «разбить» эти частицы, получив кварк-глюонную плазму (см. «Наука и жизнь» № 3, 2000 г.). А 21 июля 2000 года в американской лаборатории имени Ферми впервые провели прямое наблюдение тау-нейтрино на установке, которая так и называется - Direct Observation of the Nu Tau (DONUT). В экспериментах участвовали более пятидесяти исследователей из разных стран мира.
Читайте в любое время
