Страница 92 из 120
Но для большинства объектов и явлений микромира построить механическую модель невозможно, и поэтому положения квантовой механики часто воспринимаются с большим трудом. Действительно, попробуйте, например, построить механическую модель электрона, обладающего корпускулярно-волновыми свойствами, или механическую модель, поясняющую, почему для электрона нельзя одновременно определить его массу и импульс.
Поэтому, когда говорят, как бы лучше представить себе электрон, имеющий корпускулярно-волновые свойства, обычно сознательно или бессознательно имеют в виду построение механической модели. А построить ее невозможно. Именно поэтому лучше сделать в этих случаях акцент на «понять», а не на «представить».
Хорошо сказал по этому поводу один из крупнейших советских физиков — Лев Давидович Ландау (1908–1968): «Величайшим достижением человеческого гения является то, что человек может понять вещи, которые он уже не в силах вообразить»[321].
А знаменитый американский физик-теоретик Ричард Фейнман (р. 1918) писал: «Раз поведение атомов так не похоже на наш обыденный опыт, то к нему очень трудно привыкнуть. И новичку в науке, и опытному физику — всем оно кажется своеобразным и туманным. Даже большие ученые не понимают его настолько, как им хотелось бы, и это совершенно естественно, потому что весь непосредственный опыт человека, вся его интуиция — все прилагается к крупным телам. Мы знаем, что будет с большим предметом; но именно так мельчайшие тельца не поступают. Поэтому, изучая их, приходится прибегать к различного рода абстракциям, напрягать воображение и не пытаться связывать их с нашим непосредственным опытом»[322].
Хотим добавить к сказанному, что принцип неопределенности (соотношение неопределенностей) является фундаментальным положением квантовой механики.
Основным уравнением квантовой механики является уравнение, сформулированное Шрёдиигером в 1926 г. Необходимо отметить, что уравнение Шрёдингера не может быть выведено из каких-либо других соотношений. Шрёдиигером была введена специальная волновая функция координат и времени, характеризующая состояние микрочастиц.
В книге «О природе материи» известный советский физик М. А. Марков пишет: «Если найдена адекватная физическим идеям математическая форма, то дальше математический аппарат в общем действует „автоматически“, автоматически получаются все следствия, которые вытекают из данных представлений о предмете обсуждения, положенных в основу наших математических уравнений.
Но главное, математический аппарат, адекватный физическим идеям, предохраняет от применения макроскопических аналогий там, где они уже теряют свой смысл, т. е. от ошибки наглядных представлений, о которых неоднократно шла речь выше. Очень существенно, что этот же аппарат автоматически дает количественную „оценку“ критерия применимости того или иного макроскопического понятия»[323]. Вот именно: Шрёдингеру удалось составить уравнение, которое оказалось адекватным идеям квантовой механики.
Один из основоположников квантовой механики — швейцарский физик-теоретик Паули установил в 1925 г. имеющий большое значение принцип (носящий теперь название принципа Паули), являющийся фундаментальным законом. Согласно этому принципу, ни в атоме, ни в молекуле не может быть двух электронов, находящихся в одинаковом состоянии. Например, в атоме на одной орбите (если пользоваться представлениями Резерфорда) могут находиться только два электрона; но тогда их спины должны быть направлены в разные стороны, и их состояния поэтому различны. Принцип Паули помог определить число различных электронных состояний в электронной оболочке атома (число орбит).
Термин элементарные частицы, к рассмотрению которых мы теперь переходим, первоначально означал простейшие частицы, из которых состоят атомы вещества.
Известный английский физик, ученик Резерфорда Джеймс Чедвик (1891–1974) открыл нейтрон — нейтральную частицу, входящую вместе с протонами в ядро атома и сыгравшую такую важную роль в создании способов использования ядерной энергии.
После открытия электрона, протона, фотона и, наконец, в 1932 г. нейтрона было установлено существование большого числа новых элементарных частиц — в общей сложности около 350. В том числе: позитрон, о котором мы уже упоминали как об античастице электрона; мезоны — нестабильные микрочастицы (к ним относятся ц — мезоны, π — мезоны и более тяжелые π° — мезоны); различного вида гипероны — нестабильные микрочастицы с массами больше массы нейтрона; частицы-резонансы, имеющие крайне короткое время жизни (порядка 10–22 — 10-24 с); нейтрино — стабильная, не имеющая электрического заряда частица, по-видимому, с нулевой массой покоя, обладающая почти невероятной проницаемостью; антинейтрино — античастица нейтрино, отличающаяся от нейтрино знаком лептонного заряда, и др.
В этой книге нет возможности говорить о свойствах и особенностях отдельных элементарных частиц, да, пожалуй, это и не отвечало бы ее назначению. Но зато необходимо сказать о некоторых более общих понятиях, касающихся элементарных частиц. Вполне уместен, в частности, вопрос: какими свойствами элементарных частиц пользуются, различая их между собой? Некоторые из этих свойств вполне привычны: масса, электрический заряд, время жизни; другие — менее привычны: спин, т. е. собственный момент количества движения микрочастицы, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого, измеряется в единицах постоянной Планка h(h = h/2π) и может быть целым или полуцелым (1/2, 3/2…) числом; квантовые числа (также целые или полуцелые), характеризующие состояние элементарных частиц.
В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление — взаимодействие. Различают четыре вида взаимодействия. Сильное взаимодействие (короткодействующее, радиус действия приблизительно 10–13 см), связывающее между собой нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре; именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разрушить.
Электромагнитное взаимодействие (дальнодействующее, радиус действия не ограничен, поскольку силы взаимодействия медленно убывают с расстоянием) определяет взаимодействие между электронами и ядрами атомов или молекул; взаимодействующие частицы имеют электрические заряды; этот вид взаимодействия проявляется в таких макроскопических явлениях, как химические связи, упругость, трение; переносчиком этого вида взаимодействия менаду частицами является электромагнитное поле.
Слабое взаимодействие (короткодействующее, радиус действия меньше 10–15 см), в котором участвуют все элементарные частицы, обусловливает взаимодействие нейтрино с веществом.
Гравитационное взаимодействие — самое слабое взаимодействие, не учитываемое в теории элементарных частиц; распространяется на все виды материи. Наоборот, когда речь идет об очень больших массах, гравитационное взаимодействие (тяготение) имеет решающее значение. Радиус действия не ограничен.
Элементарные частицы обычно разделяют на следующие классы:
1) фотоны — кванты электромагнитного поля, частицы, как уже говорилось, с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаимодействия, но участвуют в электромагнитном взаимодействии;
2) лептоны (от греч. leptos — легкий), к числу которых относятся электроны, нейтрино; все они не обладают сильным взаимодействием, но участвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд — также и в электромагнитном взаимодействии;
3) мезоны — сильно взаимодействующие нестабильные, как уже говорилось, частицы, могущие участвовать также и в слабом взаимодействии, а при наличии электрического заряда — и в электромагнитном;
4) барионы (от греч. barys — тяжелый), в состав которых входят нуклоны (т. е. протоны и нейтроны), нестабильные частицы с массами, большими массы нейтрона, гипероны, многие из резонансов.
321
Цит. по: Слово о науке / Сост. Е. С. Лихтенштейн. М., 1981, кн. 2, с. 56.
322
Цит. по: Савельев И. В. Курс общей физики. 2-е изд. М.: Наука. 1982, т. 3, с. 65–66.
323
Марков М. А. О природе материи. М., 1976, с. 35–36.