Мир вокруг нас

Этэрнус

Квантовая механика

Как и теория поля, квантовая механика — это неклассическая научно-философская дисциплина, занимающаяся изучением т. н. микромира. Прежде всего, в микромире, квантовая механика — изучает механику (поведение) элементарных частиц, которое радикально отличается от поведения макрообъектов (= предметов повседневного, видимого Мира, вполне удовлетворительно описывавшегося в рамках классической механики).

На уровне элементарных частиц и вакуума — законы макромира перестают действовать, уступая место законам микромира = законам квантовой механики. В микромире имеют место квантовые эффекты, в т. ч. различные странности в поведении объектов, невообразимые с т. зр. классической механики, но описываемые квантовой механикой.

Например, классическая механика —

не способна объяснить движение электрона в атоме, но для этого — применимы законы квантовой механики, согласно которым, электрон, из-за (квантовой) неопределённости координат и импульса, а также благодаря корпускулярно-волновому дуализму — размазывается, и находится во многих местах одновременно, образуя электронную орбиталь, или электронное «облако». Оно может иметь сферическую, гантелеобразную, бубликовидную и другие причудливые формы (которые вычисляются согласно уравнению Шрёдингера, о чём подробнее — позже). Электрон не падает на протон (несмотря на электромагнитное притяжение между ними), и не излучает электромагнитных волн, хотя согласно классическим представлениям — при движении он должен их излучать, и т. о. теряя энергию, упасть на протон. Движение электрона, образующее орбиталь, в общем — совершенно несравнимо с движением планет в Солнечной системе, т. е. не может быть описано с помощью законов классической механики, но было одной из первых задач, решённых при помощи квантовой механики, показав её эффективность.

Что такое квант?

В классической науке считалось, что процессы в природе — происходят плавно, непрерывно. В т. ч. нагретые тела, поэтому — должны излучать энергию непрерывным потоком. Но это — оказалось противоречащим экспериментальным фактам: анализ спектров излучения нагретых тел — приводил, в рамках классических представлений, к необъяснимым результатам (т. н. «ультрафиолетовая катастрофа»).

Развитие науки — потребовало пересмотра фундаментальных представлений. Одним из первых, в поиске новых представлений — оказался Планк, который предложил считать, что любые изменения энергии в процессах, связанных с излучением — происходят скачкообразно (что было радикальной идеей, на то время). Всякое изменение энергии — должно было быть т. о. кратно какой-то минимальной величине (что совершенно немыслимо с т. зр. классических представлений).

Эта идея — оказалась верной и крайне плодотворной, и положила начало квантовой механике (1900-й год). Потеря энергии нагретыми телами, согласно квантовым представлениям — происходит порциями, т. н. квантами. Вскоре, эти гипотетические порции энергии (электромагнитные кванты) — были обнаружены, и в дальнейшем, стали пониматься как элементарные частицы, фотоны. Это открытие было сделано в 1905-м году (Эйнштейном, при объяснении явления фотоэффекта). Далее, квантами, точнее, квантами полей, по веским причинам — стали называться и другие (в конечном итоге, все) элементарные частицы. Это было связано с новыми представлениями о полях, и их связи с элементарными частицами:

Квантовые представления о полях

Обнаружение кванта электромагнитного поля, или элементарной частицы, фотона — привело к значительному усложнению представлений о полях. Оказалось, что поле — каким-то фундаментальным образом связано с соответствующими квантами (элементарными частицами): например, электромагнитное поле — связано с электромагнитными квантами (фотонами). Вскоре, подобным стало представляться устройство и всех остальных видов полей, в т. ч. новооткрываемых (полей 20-го века). Квантами в них — оказались, соответственно: мезоны — для ядерного поля, W- и Z-бозоны — для слабого поля, глюоны — для глюонного поля, и гравитоны — для поля гравитационного.

Из них, только глюоны и гравитоны — пока экспериментально не обнаружены (вернее, глюоны — обнаружены косвенно, в результате интерпретации процессов столкновения частиц в ускорителе, т. е. не получены в свободном состоянии, в котором они, как считается, не существуют). А мезоны и W- и Z-бозоны — найдены и изучены достаточно хорошо (примечательно, что все эти частицы-кванты полей, сперва были предсказаны теоретически, и лишь затем обнаружены экспериментально).

Что же такое квант, по отношению к полю? Возможно два варианта: либо поле — состоит

из квантов, либо поле — не состоит из квантов, но является причиной наличия квантов. В последнем случае, который будем рассматривать далее как предпочтительный, любой квант — можно представить как изменение (возбуждение) соответствующего поля, распространяющееся в виде волны по данному полю (и переносящее энергию). Например, электромагнитные кванты (фотоны) — это волны, бегущие по электромагнитным полям, окружающим частицы.

Согласно квантовым представлениям, взаимодействия элементарных частиц — осуществляются путём обмена квантами, между соответствующими полями, входящими в состав элементарных частиц, или окружающими частицы. Возможность же непосредственных взаимодействий элементарных частиц, или их материальных сердцевин — обсуждалась лишь на начальных этапах развития теории (слабое взаимодействие первоначально рассматривалось как контактное (Ферми)).

Будучи волнами, кванты в то же время являются и частицами (благодаря корпускулярно-волновому дуализму). Т. о. кванты (фотоны, мезоны, W- и Z-бозоны, и т. п.), как возбуждения полей, не имеющие никакой твёрдой (материальной) сердцевины — тем не менее являются частицами, причём в этих частицах — нет материи, а есть одно лишь поле (как материеподобная субстанция). Этот момент, а также наличие у любого поля — энергии, а следовательно, и массы — привели вскоре к закономерному вопросу: не являются ли электрон, протон, нейтрон и т. п. элементарные частицы — устроенными так же, т. е. состоящими чисто из полей? Возможность такого представления частиц действительно имеет место:

Пример: масса протона — т. о. оказывается суммой масс (= энергий) полей, в него входящих (т. е. образующих протон). Поэтому отняв у протона сильное (ядерное (мезонное) и глюонное) поле, получим позитрон — частицу в 1836 раз более лёгкую, чем протон. А отняв у позитрона электрический заряд (и соответствующее поле), получим нейтрино — частицу с (как считалось) нулевой массой.

В общем, в 20-м веке стало ясно, что вся масса и энергия элементарных частиц — содержится в полях. Все элементарные частицы — состоят из полей, и в то же время, сами поля действуют посредством обмена квантами, которые тоже являются элементарными частицами. Даже такие частицы как электрон, протон и т. п., представляемые как не переносящие взаимодействий — представляются в рамках квантовой механики, как кванты особых, т. н. фермионных полей, в отличие от квантов обычных, или бозонных полей (электромагнитного, сильного и т. п.). В целом, по этим причинам, кванты — это все, любые элементарные частицы.

Окончательно потеряв возможность материальной сердцевины, частицы оказались лишёнными поверхностей, геометрической формы, размера и т. п. характеристик, и т. о. лишёнными способности к непосредственным взаимодействиям. Все взаимодействия элементарных частиц, поэтому, в рамках квантовой механики — стали представляться лишь как обмен квантами между полями, входящими в состав элементарных частиц (непосредственные же взаимодействия — оказались невозможны, и были полностью устранены из теории).

Было показано экспериментально, что даже в масштабах 10^–18 м нет непосредственных взаимодействий между частицами: Как уже говорилось ранее, известно, что частица или ядро, и пролетающее мимо, на скорости света, нейтрино, при достаточном сближении — могут обмениваться импульсами (энергией), т. е. взаимодействовать. Если непосредственное взаимодействие (прямое столкновение) с нейтрино — отсутствует, это предполагает необходимость наличия промежуточных частиц-переносчиков взаимодействия — W- и Z-бозонов, т. е. квантов соответствующего поля, передающих энергию от (слабого) поля одной частицы — к слабому полю другой. Уверенность в наличии таких квантов-переносчиков взаимодействия — и привела к попыткам увидеть их, в экспериментах — высокоэнергетичных столкновениях частиц в ускорителе, — которые увенчались успехом (открытие W- и Z-бозонов), что показало отсутствие непосредственных взаимодействий даже на масштабах 10^–18 м. Это и далее подтвердило уверенность в том, что элементарные частицы не могут просто прямо столкнуться друг с другом, т. е. не способны к непосредственному взаимодействию (из-за своей бесплотности, отсутствия поверхностей / размеров, и т. п.).