Физика пространства - времени
Шрифт:
Какой смысл может иметь обсуждение движения и взаимодействий элементарных частиц, если мы не знаем их структуры?
Размеры этих частиц очень малы по сравнению с расстояниями между частицами в атоме (сопоставьте их с расстоянием от радиопередатчика до радиоприёмника!) Поэтому детали внутреннего строения в значительной степени несущественны, так же как детали внутреннего строения Земли в значительной степени несущественны для определения той силы, с которой она притягивает к себе Луну
Как мы, при всём нашем незнании строения элементарных частиц, подходим к ним в настоящее время?
Их рассматривают
Но как же можно придерживаться идеалов чисто геометрического описания природы, если частицы — это чуждые объекты, погружённые в пространство-время, а не объекты, слагающиеся из пространства-времени?
Лучшие из современных представлений не утверждают, что частицы не построены из пространства-времени. Скорее признаётся, что наши познания о них недостаточны даже для того, чтобы разумно обсуждать этот вопрос. На данном этапе разумно рассматривать частицы, как если бы они были чуждыми объектами, чтобы иметь возможность разбираться в структуре мира и подходить к частицам с практических, рабочих позиций. Такая рабочая процедура не исключает когда-то в будущем возможность описать частицы на языке геометрии, как сейчас описывают «глаз» тайфуна на языке аэродинамики, а воронку водоворота — на языке гидродинамики
Необходимо ли для объяснения мира повседневной физики привлекать в дополнение к частицам (строение которых может быть, а может и не быть геометрическим) и к электромагнитным и гравитационным полям (о которых мы знаем, как подходить к ним с геометрических позиций) ещё и какие-либо другие фундаментальные понятия?
Только одно понятие — квантовый принцип, центральный для всей физики
Можно ли привести простой пример проблемы, решаемой этим квантовым принципом?
Задача о том, как свободная частица (находящаяся в существенно плоской области пространства-времени) движется из точки A в точку B по прямой линии: 1) Как эта частица «пробует» приемлемые альтернативные пути, которые она могла бы избрать. 2) Расплывание «прямой» линии, ведущей из A в B в результате этого процесса «распробования», происходящего непрерывно. 3) Как яснее определить и измерить действительное физическое распространение этого рода по так называемому «классическому» или идеальному пути из A в B
Сдерживают ли «квантовые силы» атом как единое целое? Связывают ли они атомы друг с другом (химия!)? Являются ли они причиной электропроводности и упругости твёрдых тел?
Нет! Такой вещи, как «квантовая сила», не существует. Единственными силами, обусловливающими структуру атомов, молекул и твёрдых тел, являются электрические силы. Для того чтобы объяснить весь мир повседневной физики (за исключением тяготения), требуется лишь существование: 1) этих сил, 2) элементарных частиц и 3) квантового принципа, управляющего движением частиц под действием этих сил
Имеется ли другой пример, иллюстрирующий объяснение фундаментальных процессов квантовой физикой?
Электрон движется по круговой орбите вокруг протона, который тяжелее его в 1836 раз, и удерживается на этой орбите электрическим притяжением со стороны протона. 1) Почему относительная величина расплывания орбиты мала, если эта орбита велика? 2) Почему способность частицы «распробовать» пространство вокруг орбиты делает физически невозможным существование любых орбит, кроме тех, на протяжении которых укладывается целое число длин волн («квантовое число», «квантовое
Если вся физика подчиняется квантовому принципу (точная формулировка которого здесь не приводится), то какой смысл при каких бы то ни было обстоятельствах может иметь использование языка «классической» (неквантовой) физики для описания движения? Как можно рассматривать «положение в пространстве» и его изменение от одного «момента» к другому вдоль «мировой линии» частицы, если неизбежно существует квантовое размазывание или неопределённость того пути, которым следует частица в пространстве-времени?
Чем больше орбита, тем меньше относительная величина размазывания («большей» названа орбита с большим «квантовым числом»). И вообще хотя предсказания квантовой физики сильно отличаются по своему характеру («вероятности», «квантовые состояния») от предсказаний классической физики («когда» и «где»), тем не менее они по своим практическим следствиям становятся всё ближе и ближе к предсказаниям классической механики в предельном случае больших квантовых чисел (принцип соответствия Нильса Бора между классической и квантовой физикой)
Если ограничиться рассмотрением тех условий, при которых квантовые неопределённости координат практически несущественны и применимы классические (неквантовые) представления («предельный случай принципа соответствия»), на самом ли деле много в этих условиях физических явлений, которые мы можем объяснить?
Громадное количество! Механика точек и твёрдых тел, небесная механика и феноменологическая гравитация, динамика упругих сред, аэро- и гидродинамика с теорией звука, термодинамика, теория электричества и магнетизма, геометрическая и физическая оптика
Какие разделы физики можно сверх этого успешно проанализировать, приняв на вооружение квантовый принцип, но ограничиваясь электромагнитными и гравитационными силами и теми случаями, когда расстояния между частицами велики по сравнению с размерами этих частиц (отказ от учёта идей физики элементарных частиц)?
Вся атомная физика: энергетические уровни всех атомов; их размеры; испускание света при переходах атомных электронов из одного состояния в другое; эффекты бомбардировки атомов светом или частицами. Все основные закономерности химии: столкновения между атомами; сила связи атомов в молекулах; форма и размеры молекул; основные и возбуждённые состояния молекул; сопротивление молекул деформациям; механизм химических реакций; механизмы аккумуляции и переноса энергии молекулами. Все основные закономерности физики твёрдого тела: кристаллические структуры; теплота образования; упругость; тепло- и электропроводность; сверхпроводимость; коэффициент поглощения света; магнитные свойства; дислокации и прочность материалов; экситоны, фононы, плазмоны, магноны и прочие агенты, аккумулирующие и переносящие энергию на микроскопическом уровне в твёрдых телах. Статистическая механика теплового равновесия для твёрдых тел, жидкостей, газов и их систем; их фазы. Сверхтекучесть. Скорости протекания реакций