Принцип неопределенности не связан с несовершенством используемых для наблюдения приборов, он связан с самими особенностями поведения частиц в микромире. Неопределенности порождаются законами микромира, а не проблемами у внешнего наблюдателя. Причем принцип неопределенностей распространяется только на частицы микромира, но не на малые материальные объекты макромира.
Существует закономерность: чем крупнее изучаемая частица, чем ближе она подходит к порогу макромира или его переходит, тем вернее можно сказать, что для нее работают законы классической физики, а не законы микромира. Для макроскопических тел можно применять одновременно понятия координат и скорости.
Постоянную Планка для таких объектов в расчетах не учитывают. Принцип неопределенностей показывает, что классическая механика является частным случаем квантовой и релятивистской механики.
51. Понятия и принципы квантовой картины мира
Квантово-полевая картина мира ввела в обращение корпускулярно-волновые представления о материи и новую методологию познания и понимания физической реальности. Огромное значение в квантовой физике придается не только частицам, за которыми ведется наблюдение в ходе эксперимента, но и самому наблюдателю, организации процесса эксперимента. До XX в. никакого значения этому не придавалось, наблюдатель находился вне эксперимента, он лишь регистрировал изменения, происходящие с объектами эксперимента. В квантовой механике наблюдатель играет такую же роль, что и частицы, за которыми он наблюдает.
Квантовая картина мира рассматривает материальный мир, но объекты рассмотрения представляют собой не тела макромира, а элементарные частицы микромира, где они проявляют как корпускулярные, так и волновые свойства.
Пространство-время в квантовой картине мира является единым понятием и определяет особенности поведения сверхмалых частиц. В четырехмерном пространстве-времени для частиц невозможно определить точных координат, а также точно измерить их импульс, поэтому к микромиру применяются законы вероятности, более того, частицы могут одновременно существовать и не существовать. Пространственно-временной интервал в квантовой физике инвариантен при переходе из одной инерциальной системы в другую.
В квантовой картине мира пространственно-временные и энергетически импульсные понятия не могут использоваться независимо друг от друга, они дополняют друг друга, то есть пространство, время и причинность существуют комплексно, но параметры существования каждой частицы не могут быть точно определены, для частиц в квантовом мире существуют статистические законы, которые рассматривают поведение частицы как поведение совокупности частиц.
Движение частиц описывается волновыми функциями, которые базируются на уравнении Шредингера , позволяющем применить законы вероятности к максимально возможному числу траекторий частицы. Для определения вероятности каждого случая проводится дополнительная операция (редукция, коллапс) волнового пакета, связанная с проведением измерений.
Квантовая картина мира включает четыре типа взаимосвязи на уровне частиц: сильное (ядерное), слабое (распад частиц), электромагнитное, гравитационное.
52. Структурные уровни материи
Структурно материальный мир разделяется на три уровня – микромир, макромир, мегамир.
Микромир составляют мельчайшие объекты – элементарные частицы, атомы, молекулы. Основные наблюдения ведутся над элементарными частицами, среди которых появляются новые и новые. Первым был открыт отрицательно заряженный электрон, затем – положительно заряженный позитрон, нейтральный к взаимодействиям нейтрон и т. п. Некоторые частицы были теоретически предсказаны и только потом открыты. В микромире в силу его корпускулярно-волнового характера действуют законы квантовой физики.
Макромир является привычным для человека окружающим миром. В нем заключены объекты, равновеликие человеку. Мельчайшие объекты макромира – гиганты микромира, это крупные молекулы и соединения молекул, вещества (во всех агрегатных состояниях), живые существа (начиная с живой клетки и завершая венцом творения – человеком), а также природные формирования и продукты жизнедеятельности человека. С развитием космонавтики макромир не ограничивается Землей, но включает материальный мир планет, хотя сами планеты относятся к другому уровню организации материи. В макромире действуют законы классической механики, которая является частным случаем квантовой механики. Макромир изучается помимо физики всей совокупностью естественных наук (биология, геология, география и т. п.).
Мегамир составляют объекты, многократно превосходящие человека по величине. Для мегамира макромир находится на том же уровне, что микромир для макромира. Объекты мегамира включают в себя планеты, звезды, галактики и их скопления, расположенные в безвоздушном космическом пространстве. В силу искривленности пространства законы макромира в мегамире не работают. Мегамир подчиняется теории относительности и постулатам релятивистской механики.
Границ, точно определяющих принадлежность объектов к одному из трех уровней, не существует. Обычно для этого оперируют средним размером и массой. Большого значения деление на мега-, макро и микромир тоже не имеет, но это удобно с точки зрения понимания, какие из существующих физических законов можно применить.
53. Типы элементарных частиц
Элементарными частицами называются мельчайшие частицы: 1) входящие в состав атома; 2) получаемые его дроблением с помощью ускорителей частиц; 3) образованные в результате прохождения через атмосферу космических лучей и существующие миллионные доли секунды, порождая при распаде другие частицы или энергию.
Самыми известными элементарными частицами являются: электрон, фотон, пи-мезон, мюон, нейтрино. Существует ряд частиц, способных превращаться в другие частицы. Одними из наиболее элементарных являются предсказанные и затем зарегистрированные экспериментально кварки.
К элементарным частицам относятся входящие в состав атома протон и нейтрон. Для частиц, имеющих более сложную структуру, введено понятие фундаментальных частиц.
Элементарные частицы классифицируют по свойствам и характеру взаимодействия на фермионы и бозоны. Друг от друга они отличаются выполняемыми функциями: фермионы составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие.
Фермионы делятся на адроны (сильные) и лептоны (легкие). В состав адронов входят кварки. Лептоны могут: 1) иметь отрицательный электрический заряд (тогда они вращаются вокруг ядра атома); 2) быть нейтральными (тогда они обладают способностью проходить сквозь вещество без взаимодействия с ним).
Каждая частица имеет противоположную по заряду античастицу. Античастицы были предсказаны Полом Дюраком.
Бозоны включают в себя глюоны, фотоны, вионы, гравитоны, которые образуют четыре типа взаимодействия. Фотон (квант) переносит электромагнитное взаимодействие, глюон – сильные ядерные взаимодействия, вион (векторный бозон) – слабые взаимодействия, возникающие при распаде частиц, гравитон должен переносить гравитационное взаимодействие, но пока он существует чисто теоретически. На сегодняшний день известно 12 фундаментальных частиц и античастиц, то есть 6 лептонов (электрон, мюон, Тау-лептон, ν e, ν µ, ντ) и 6 кварков.
Во всех видах взаимодействий элементарные частицы представляют собой единое целое. Их характеристиками являются такие: масса покоя, электрический заряд, спин, квантовые характеристики – барионный заряд, лептонный заряд, гиперзаряд, странность и т. д.
54. Строение атомного ядра
Ядром атома называют его центральную часть, в которой сосредоточена практически вся масса атома и весь его положительный заряд. В состав ядра входят протоны и нейтроны, которые обобщенно называют нуклонами. Протоны положительно заряжены, нейтроны – нейтральны. Но масса ядра не соответствует сложению масс нуклонов. Расчет числа протонов исходит из числа электронов (оно равно числу электронов), количество нейтронов определяется по формуле NP = A – Z, где А – массовое число, то есть целое число, ближайшее к атомной массе элемента в таблице Менделеева, Z – зарядовое число (число протонов).
Ядра атомов принято обозначать буквами ZXA, где Х – символ химического элемента в таблице Менделеева. Ядра с равным значением Z, но различными значениями А именуются изотопами , их существует более трехсот в устойчивой форме и более тысячи в неустойчивой. Изотопы неустойчивого типа способны к слабым взаимодействиям, то есть ядерному распаду и обладают радиоактивностью.
По типу строения модели ядро может быть оболочечным, оптическим, капельным. Оболочечное ядро характерно для легких атомов и выглядит как оболочка самого атома, а нуклоны «размазаны» по оболочке атомного ядра. Физиком Паули для нуклонов выведен такой принцип: на одной орбите не может быть двух нуклонов с одним и тем же спином. Оптическое ядро характерно для средних и тяжелых ядер: ядро окружают частицы с дуальными корпускулярно-волновыми свойствами, при равенстве длины волн возникают дифракция и интерференция. Капельное строение характерно для тяжелых ядер с естественной радиоактивностью: начиная с висмута, радиоактивность имеют все элементы. Тип ядра сравнивается с каплями жидкости, плотность которой при одной температуре и давлении постоянна и не зависит от числа молекул. Применительно к ядру, плотность ядерного вещества постоянна и не зависит от числа нуклонов, имеющих волновые свойства и заряд. Ядро является устойчивым, нуклоны удерживаются ядерными силами сильного взаимодействия со следующими свойствами: 1) они короткодействующие; 2) имеют зарядовую независимость; 3) обладают свойствами насыщения; 4) ориентация спинов определяет их величину. Для разрушения ядра необходимо приложить энергию, разрушение ядер тоже сопровождается выбросом энергии.