Квантово-полевая картина мира (КПКМ)

 

 

 

 

Квантово-полевая картина мира (КПКМ).

 

 

 

 

• В основе современной КПКМ лежит новая физическая теория – квантовая механика, описывающая состояние и движение микрообъектов.
• В основе квантовой механики лежат фундаментальные идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновом дуализме (единстве корпускулярного и континуального подхода к описанию мира).

 

 

 

 

Формирование идеи квантования физических величин.

 

• Определение: физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения, называются квантованными. А само их выражение через квантовые числа называется квантованием.
• Сама идея квантования сформировалась на основе ряда открытий в конце 19-го – начале 20-го века.

 

 

 

 

   Эти открытия следующие.

• Открытие электрона. В 1897 году был открыт электрон. Его заряд оказался наименьшим, элементарным. Заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов.

   Таким образом, заряд дискретен, а равенство – 

q = ±n*e

   представляет собой форму квантования электрического заряда.

 

 

 

 

• В результате экспериментов были установлены законы фотоэффекта – явления выбивания электронов из вещества под действием света,

   из которого выходили следствия:

1) независимость энергии выбиваемых электронов от интенсивности света, а зависимость её только от частоты световой волны; 

2) наличие для каждого вещества минимальной частоты, при которой фотоэффект ещё возможен. 

 

 

 

 

• Согласно теории электромагнитного излучения во второй половине 19-го века следовало, что энергия теплового излучения на всех частотах (во всем интервале длин волн) равнялась бесконечности, что противоречило закону сохранения энергии. Нужно было решить эту проблему.

 

 

 

 

• В 1900-м году Макс Планк (1858-1947) для выхода из этой ситуации предложил следующую гипотезу: электромагнитное излучение испускается отдельными порциями – квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения.
• Гипотеза Планка фактически стала началом новой физики – квантовой физики (старая получила название классической).

 

 

 

 

• Согласно представлениям квантовой физики энергия кванта 

e = h×w,

   где w - частота, а h – постоянная Планка, равная 6,626×10^-34 Дж×с.

• Она является фундаментальной физической константой (квант действия).

 

 

 

 

• Таким образом, если в классической физике считалось, что энергия может изменяться непрерывно и принимать любые, сколь угодно близкие значения, то согласно квантовым представлениям, она может принимать лишь дискретные значения, равному целому числу квантов энергии:

Е =n×h×w,

    где n = 1,2,3… - целые числа;

    h – постоянная Планка;

    w – мера частоты вращательного или колебательного движения .

 

 

 

 

• В 1905-м году А. Эйнштейн, приняв гипотезу Планка, расширил её, предположив, что свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается тоже квантами (названными впоследствии фотонами).
• Таким образом, свет представляет собой поток световых частиц – фотонов. Это возвращает нас к корпускулярным воззрениям Ньютона, но на новом уровне.

 

 

 

 

• Энергия фотона e = h×w = mc². Покоящийся фотон не существует
• Эйнштейн также создаёт основное уравнение фотоэффекта:

 hw = A + E^k,

   энергия фотона расходуется на работу выхода электрона из атома и придание ему кинетической энергии.

 

 

 

 

Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества.

 

• В истории развития учения о свете сменяли друг друга корпускулярная теория света (И.Ньютон) и волновая (Р. Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель), представлявшая свет как механическую волну.
• В 70-х годах 19-го века после утверждения теории Максвелла под светом стали понимать электромагнитную волну.

 

 

 

 

• В начале 20-го века на основе экспериментов было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами.
• Было также обнаружено, что в проявлении этих свойств существуют вполне определенные закономерности: чем меньше длина волны, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света.

 

 

 

 

• В 1924-м году французский физик Луи де Бройль выдвинул смелую гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы, имеющие конечный импульс, обладают волновыми свойствами.

 

 

 

 

• При проявлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальная возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность (диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств материи).

 

 

 

 

• По современным представлениям квантовый объект – это не частица, не волна, и даже не то и не другое одновременно.
• Квантовый объект – это нечто третье, не равное простой сумме свойств частицы и волны.

 

 

 

 

Принцип дополнительности.

 

• Корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга.
• Датский физик Нильс Бор в 1927-м году сформулировал принцип дополнительности.

 

 

 

 

• Всякое истинное явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизнь, психика и др.

 

 

 

 

Основные понятия и принципы КПКМ.

 

• Ранее считалось, что устройство мира можно познавать, не вмешиваясь в него, не влияя на протекающие в нём процессы.
• Картина реальности в квантовой механике становится двуплановой: с одной стороны в неё входят характеристики исследуемого объекта, а с другой – условия наблюдения.
• Таким образом, в КПКМ появляется принцип относительности к средствам наблюдения.

 

 

 

 

Пространство и время.

• Три пространственные координаты и время потеряли абсолютный и независимый характер.
• Согласно Специальной теории относительности существует единое пространство-время как абсолютная характеристика четырехмерного Мира (пространственно-временного континуума).

 

 

 

 

Причинность.

• Пространство, время и причинность являются относительными и зависимыми друг от друга.
• Причинность в современной КПКМ имеет вероятностный характер (вероятностная причинность).

 

 

 

 

Взаимодействие.

• Всё многообразие взаимодействий подразделяется в современной физической картине мира на 4 типа: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

 

 

 

 

• По современным представлениям все взаимодействия имеют обменную природу, т.е. реализуются в результате обмена фундаментальными частицами – переносчиками взаимодействий.
• Каждое из взаимодействий характеризуется временем протекания, радиусом действия и константой взаимодействия, которое определяет его сравнительную интенсивность.

 

 

 

 

 

   Сильное взаимодействие.

• Обеспечивает связь нуклонов в ядре.
• Константа взаимодействия равна приблизительно 1, радиус действия порядка 10^-15, время протекания t ~10^-23с.
• Частицы – переносчики - p-мезоны.

 

 

 

 

   Электромагнитное взаимодействие:

• Константа порядка 10^-2, радиус взаимодействия не ограничен, время взаимодействия t ~ 10^-20с.
• Оно реализуется между всеми заряженными частицами.
• Частица-переносчик – фотон (g-квант).

 

 

 

 

   Слабое взаимодействие.

• Связано со всеми видами b-распада,. Константа взаимодействия порядка 10^-13, время взаимодействия ~ 10^-10 с.
• Это взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим: радиус взаимодействия r~10^-18 м.
• Частицы – переносчики - виртуальные W- и Z-бозоны.

 

 

 

 

   Гравитационное взаимодействие.

• Является универсальным, из всех взаимодействий является самым слабым и проявляется только при наличии достаточно больших масс.
• Его радиус действия не ограничен, время также не ограничено.
• Обменный характер гравитационного взаимодействия до сих пор остается под вопросом, так как гипотетическая фундаментальная частица гравитон пока не обнаружена.