Научные открытия XX века, их богословское осмысление

В 1915 году Эйнштейну после  больших трудов и неудач удалось  вывести уравнение гравитационного  поля. Эта теория поля отличалась простотой  и изяществом³⁰. Определённое согласно новой теории дополнительное смещение перигелия Меркурия в 43^оо за столетие подтвердило точность теории. Уравнение гравитационного поля представлялось тензором с десятью переменными³¹. 29 мая 1919 года при наблюдении полного солнечного затмения было измерено отклонение звёздного света вблизи солнца на 1,7^о, что подтвердило выводы теории относительности независимыми экспертами.

1.2.2. Достижения  в теории относительности

Теория относительности  Эйнштейна приоткрыла завесу над  отношениями между временем и  пространством. Условность времени  обосновывается аргументами алгебры  и подтверждается точными экспериментами³² и более строгим подходом в расчётах уже изученных природных явлений. Согласно теории относительности, время определяется материей, т.е. время является одной из характеристик материи, как масса, плотность, температура и т.п. Можно даже предположить, что материя сама вокруг себя создаёт «условия» протекания времени и определяет его.

 

1.3. Элементарные  частицы

1.3.1.Общие сведения  об элементарных частицах

Элементарные частицы, в  точном значении этого термина, - это  первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит  вся материя.  Элементарные частицы  современной физики не удовлетворяют  строгому определению элементарности, поскольку большинство из них  по современным представлениям являются составными системами. Первой открытой элементарной частицей был электрон. Его открыл английский физик Томсон в 1897 году. Первой открытой антицастицей был позитрон - частица с массой электрона, но положительным электрическим  зарядом. Это античастица была обнаружена в составе космических лучей  американским физиком Андерсоном в 1932 году.

Микроскопические массы  и размеры элементарных частиц обусловливают  квантовую специфику их поведения: квантовые закономерности являются определяющими в поведении элементарных частиц.

Четыре вида взаимодействий: сильное (а); электромагнитное (б); слабое (в); гравитационное (г)

Аннигиляция электрона

Наиболее важное квантовое  свойство всех элементарных частиц - это  способность рождаться и уничтожаться (испускаться и поглощаться) при  взаимодействии с другими частицами. В соответствии с интенсивностью протекания взаимодействия элементарных частиц феноменологически их делят  на несколько классов:: сильное, слабое, электромагнитное и. гравитационное. 

Сильное взаимодействие элементарных частиц вызывает процессы, протекающие с наибольшей по сравнению с другими процессами интенсивностью и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. Именно оно обусловливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов.

Электромагнитное взаимодействие отличается от других участием электромагнитного поля. Передача взаимодействия здесь происходит с помощью кванта света³³. Это взаимодействие обеспечивает связь ядер и электронов в атомах и молекулах вещества, и тем самым определяет (на основе законов квантовой механики) возможность устойчивого состояния таких микросистем.

Слабое взаимодействие элементарных частиц вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных частиц.  Это взаимодействие гораздо слабее не только сильного, но и электромагнитного взаимодействия, но гораздо сильнее гравитационного.

Гравитационное взаимодействие элементарных частиц является наиболее слабым из всех известных. Гравитационное взаимодействие на характерных для элементарных частиц расстояниях дает чрезвычайно малые эффекты из-за малости масс элементарных частиц.

В современной физике фундаментальную  роль играет релятивистская квантовая  теория физических систем с бесконечным  числом степеней свободы - квантовая  теория поля. Эта теория построена  для описания одного из самых общих  свойств микромира - универсальной  взаимной превращаемости элементарных частиц. Для описания такого рода процессов  требовался переход к квантовому волновому полю. Квантовая теория поля с необходимостью является релятивистской, поскольку если система состоит  из медленно движущихся частиц, то их энергия  может оказаться недостаточной  для образования новых частиц с ненулевой массой покоя. Частицы  же с нулевой массой покоя (фотон, возможно нейтрино) всегда релятивистские, т.е. всегда движутся со скоростью света.

Универсальный способ ведения  всех взаимодействий, основанный на калибровочной  симметрии, дает возможность их объединения. Квантовая теория поля оказалась  наиболее адекватным аппаратом для  понимания природы взаимодействия элементарных частиц и объединения  всех видов взаимодействий.

Квантовая электродинамика - та часть квантовой теории поля, в которой рассматривается взаимодействие электромагнитного поля и заряженных частиц (или электронно-позитронного поля).

В настоящее время квантовая  электродинамика рассматривается  как составная часть единой теории слабого и электромагнитного  взаимодействий.

1.4. Квантовая  механика

1.4.1. Что такое  квантовая механика 

Квантовая механика (волновая механика) - теория, которая устанавливает  способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих  частицы и системы, с физическими  величинами, непосредственно измеряемыми  на опыте.

1925 г. – Вернер Гейзенберг создал матричный вариант квантовой теории. Чуть позже Ервин Шредингер – волновой вариант³⁴. В основу квантовой механики положено уравнение, которое позволяют описать двойственную природу элементарных частиц. Уравнения Шредингера и Дирака – волновые уравнения³⁵. Решения этих уравнений называются волновыми ψ-функциями. Они могут быть выражены через координаты, время, энергию или импульс. Через ψ-функцию можно описать дифракцию электрона, интерференцию и другие волновые процессы. Она представляет амплитуду вероятности существования того или иного результата. Физический же смысл имеет квадрат модуля |ψ(x,y,z,t)|² . Он равен вероятности найти частицу в данной точке (x,y,z) в момент времени t. Квантовая механика устранила неопределённости теории Н.Бора: уравнения Шредингера имеют решения только на разрешённых орбитах электрона, а также электрон не может излучать на этих орбитах.

Квантовая механика делится  на нерелятивистскую, справедливую в  случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной  теории относительности.

Нерелятивисткая квантовая  механика (как и механика Ньютона  для своей области применимости) - это законченная и логически  непротиворечивая фундаментальная  физическая теория.

Релятивистская квантовая  механика не является в такой степени  завершенной и свободной от противоречий теорией.

Схема установки  для измерения эффекта Комптона

Если в нерелятивистской области можно считать, что взаимодействие передается мгновенно на расстоянии, то в релятивистской области оно  распространяется с конечной скоростью, значит, должен существовать агент, передающий взаимодействие - физическое поле. Трудности  релятивистской теории - это трудности  теории поля, с которыми встречается  как релятивистская классическая механика, так и релятивистская квантовая  механика.

Соотношение между классической и квантовой механикой определяется существованием универсальной мировой  постоянной - постоянной Планка ћ³⁶, которая называется также квантом действия. Классическая механика переходит в квантовую, если размерности действия соизмеримы с ћ.

1.4.2. История достижений  квантовой механики

После предложенной Планком  теории квантов в 1900 году, Альберт  Эйнштейн в 1905 году построил теорию фотоэффекта, развивая квантовые представления  Планка. Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, т.е. что дискретность присуща не только процессам испускания и поглощения света, но и самому свету, что свет состоит из отдельных порций - световых квантов.

Квант света, а более широко - электромагнитного излучения, называется фотоном. Этот термин ввел американский физико-химик Льюис в 1929 году.

Облучение атомов светом:

а). Фотоэффект невозможен (волновая модель)

б). Фотоэффект возможен (корпускулярная модель)

Для создания современной  картины мира важным событием оказалось  то, что в 1922 году американский физик  Комптон открыл эффект, в котором  впервые во всей полноте проявились корпускулярные свойства электромагнитного  излучения (в частности, света). Экспериментально было показано, что рассеяние света  свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двух частиц.

Эффект Комптона выявил корпускулярные свойства света. Было экспериментально доказано, что наряду с известными волновыми свойствами (проявляющимися, например, в дифракции) свет обладает и корпускулярными свойствами: он состоит как бы из частиц. В этом проявляется дуализм света, его  корпускулярно-волновая природа.

Возникло формальное логическое противоречие: для объяснения одних  явлений надо было считать, что свет имеет волновую природу, для объяснения других - корпускулярную. Разрешение этого  противоречия и привело к созданию физических основ квантовой механики.

В 1911 г. Резерфордом было открыто ядро атома. Его модель атома названа планетарной³⁷. Его модель не имела одно противоречие – электрон, вращаясь вокруг ядра должен был излучать электромагнитные волны, и, наконец, упасть. Нильс Бор в 1913 году спас положение: он предложил стационарные орбиты, на которых электрон не излучает, и только производя квантовый переход с орбиты на орбиту электрон может излучать энергию. Эти орбиты определяются энергетическими уровнями электрона на них, и разность между ними позволяет либо излучить атому один квант энергии, либо получить извне³⁸. Позднее в его теории были выявлены недостатки и противоречия³⁹, которые не удовлетворяли большинство физиков.

В 1924 году французский физик  Луи де Бройль, пытаясь найти объяснение постулированным в 1913 году Бором  условиям квантования атомных орбит, выдвинул гипотезу о всеобщности  корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе, каждой частице, независимо от ее природы, надо поставить  в соответствие волну, длина которой  связана с импульсом частицы. Т.е. не только фотоны, но и все "обыкновенные частицы" (электроны, протоны и  др.) обладают волновыми свойствами, которые, в частности, должны проявляться  в дифракции частиц.

Дифракция электронов на тонкой пластине (слева),

Дифракция нейтронов  на кристалле кварца.

В 1927 г. Джермером обнаружена дифракция электрона. Это процесс аналогичный дифракции света: световая волна, проходя через две щели, оставляет на стене чередование чёрных и белых полос. Причем в опыте с электронами выполнялось условие, что электроны вылетали очень редко, почти поодиночке⁴⁰. Таким образом, было доказано, что электрон не имеет определённой траектории, а ведёт себя подобно волне. Каждый отдельный электрон ведёт себя как волна, он когерентен⁴¹ сам себе, интерферирует сам с собой, и благодаря этому дифрагирует на кристаллической решётке, оставаясь частицей⁴². Несмотря на то, электрон может оставить фотографию своей траектории, он не имеет строгой траектории⁴³.

В 1926 году австрийский физик  Шредингер предложил уравнение, описывающих поведение волн, соответствующих  каждой частице (волн де Бройля), во внешних  силовых полях. Это волновое уравнение, которое получило название уравнение  Шредингера, является основным уравнением нерелятивистской квантовой механики, волновой механики.

Ориентация  плоскостей

орбиты

В 1928 году Дираком было сформулировано релятивистское уравнение, описывающее  движение электрона во внешнем силовом  поле. Уравнение Дирака стало одним  из основных уравнений релятивистской квантовой механики.

Дальнейшая разработка вопросов теории атома привела к выводу, что движение электронов в атоме  нельзя описывать в терминах классической механики (как движение по определенной траектории, орбите), что вопрос о  движении электрона между уровнями несовместим с характером законов, определяющих поведение электрона  в атоме. Стало ясно, что для  построения модели атома необходима принципиально новая теория, которая  для описания поведения электрона  в атоме не оперирует понятиями  ньютоновской механики. В новую теорию могли входить только величины, относящиеся  к начальному и конечному стационарным состояниям атома.

Немецкий физик В.Гейзенберг в 1925 году построил формальную схему, в  которой вместо координат и скоростей  электрона фигурировали некоторые  абстрактные абстрактные величины - матрицы.

Работа Гейзенберга была развита Борном и Иорданом. Так  возникла матричная механика.

Вскоре после появления  уравнения Шредингера эквивалентность  этих двух форм была доказана.