WikiHow работает по принципу вики, а это значит, что многие наши статьи написаны несколькими авторами. При создании этой статьи над ее редактированием и улучшением работали, в том числе анонимно, 11 человек(а).

Квантовая физика (она же квантовая теория или квантовая механика) – это отдельное направление физики, которое занимается описанием поведения и взаимодействия материи и энергии на уровне элементарных частиц, фотонов и некоторых материалов при очень низких температурах. Квантовое поле определяется как «действие» (или в некоторых случаях угловой момент) частицы, что по размеру находится в пределах величины крошечной физической константы, которая называется постоянной Планка.

Шаги

постоянная Планка

Начните с изучения физического понятия постоянной Планка. В квантовой механике, постоянная Планка – это квант действия, обозначается как h . Аналогично, для взаимодействующих элементарных частиц, квант момента импульса - это приведенная постоянная Планка (постоянная Планка поделенная на 2 π) обозначается как ħ и называется «h с чертой». Значение постоянной Планка чрезвычайно мало, она объединяет те моменты импульса и обозначения действий, что имеют более общую математическую концепцию. Название квантовая механика подразумевает, что некоторые физические величины, подобные моменту импульса могут меняться только дискретно , а не непрерывным (см. аналоговым) способом.

• Например, момент импульса электрона, привязанного к атому или молекуле, квантуется и может принимать только значения кратные приведенной постоянной Планка. Это квантование увеличивает орбиталь электрона на серию целого первичного квантового числа. В отличие от этого, момент импульса несвязанных электронов, находящихся рядом, не квантуется. Постоянная Планка также применяется в квантовой теории света, где квантом света является фотон, и материя взаимодействует с энергией посредством перехода электронов между атомами или «квантового скачка» связанного электрона.
• Единицы постоянной Планка также можно рассматривать как время момента энергии. Например, в предметной области физики элементарных частиц, виртуальные частицы представлены, как масса частиц, которые спонтанно возникают из вакуума на очень малом участке и играют роль в их взаимодействии. Предел жизни этих виртуальных частиц – это энергия (масса) каждой частицы. Квантовая механика имеет большую предметную область, но в каждой математической ее части присутствует постоянная Планка.

1. Узнайте о тяжелых частицах. Тяжелые частицы проходят от классического к квантовому энергетическому переходу. Даже если свободный электрон, обладающий некоторыми квантовыми свойствами (таким как вращение), в качестве несвязанного электрона, приближается к атому и замедляется (возможно, из-за испускания им фотонов), он переходит от классического к квантовому поведению, так как его энергия опускается ниже энергии ионизации. Электрон связывается с атомом и его момент импульса по отношению к атомному ядру ограничивается тем квантовым значением орбитали, которую он может занять. Этот переход внезапен. Его можно сравнить с механической системой, которая изменяет свое состояние от нестабильного к стабильному, или ее поведение меняется с простого на хаотическое, или можно даже сравнить с ракетным кораблем, который замедляется и идет ниже скорости отрыва, и занимает орбиту вокруг какой-нибудь звезды или другого небесного объекта. В отличие от них, фотоны (которые невесомы) такой переход не осуществляют: они просто пересекают пространство без изменений до тех пор, пока не взаимодействуют с другими частицами и не исчезают. Если вы посмотрите в ночное небо, фотоны от некоторых звезд без изменений пролетают долгие световые годы, затем взаимодействуют с электроном в молекуле вашей сетчатки, испуская свою энергию, а затем исчезая.

К наиболее важным фундаментальным концепциям физического описания природы относятся пространство, время, движение и материя .

В современной физической картине мира окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, зависимость их от материи . Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном пространственно-временном континууме.

Меняется представление о движении , которое становится лишь частным случаем физического взаимодействия. Известно четыре вида фундаментальных физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Они описываются на основе принципа близкодействия, взаимодействия, передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме (300 000 км/с).

1. Корпускулярно – волновой дуализм материи. Квантово-полевая картина мира. Материя – это философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них – это философское определение материи.

В классическом естествознании различают два вида материи: вещество и поле. По современным представлениям признано существование еще одного вида материи – физический вакуум.

В классической механике Ньютона в качестве вещественных образований выступает материальная частица малых размеров – корпускула, часто называемая материальной точкой и физическое тело, как единая система корпускул, каким-то образом связанных между собой. Конкретные формы этих вещественных образований по классическим представлениям – песчинка, камень, вода и т.п.

В девятнадцатом веке с появлением представлений об электромагнитном поле началось новая эра в естествознании.

Датский физик Эрстед (1777 – 1851) и французский физик Ампер (1775 – 1836) показали на опыте, что проводник с электрическим током порождает эффект отклонения магнитной стрелки. Эрстед предположил, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое является вихревым. Ампер заметил, что магнитные явления происходят тогда, когда по электрической цепи течет ток. Появилась новая наука – электродинамика.

Английский физик Фарадей (1791 – 1867) открыл явление электромагнитной индукции – возникновение тока в проводнике вблизи движущегося магнита.

Основываясь на открытиях Фарадея в области электромагнетизма, английский математик и физик Максвелл (1831 – 1879) вводит понятие электромагнитного поля.

Согласно теории Максвелла, каждая заряженная частичка окружена полем – невидимым ореолом, оказывающим воздействие на другие заряженные частицы, находящиеся поблизости, т.е. поле одной заряженной частицы действует на другие заряженные частицы с некоторой силой.

Теория электромагнитного поля ввела новое представление, что электромагнитное поле реальность, материальный носитель взаимодействия. Мир постепенно стал представляться электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электрического поля.

2. Квантовая механика. На исходе третьего десятилетия ХХ века классическая физика пришла к затруднениям в описании явлений микромира. Появилась необходимость разработки новых методов исследования. Возникает новая механика – квантовая теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц.

В 1901 г. немецкий физик Макс Планк (1858 – 1947) при исследовании теплового излучения пришел к выводу, что в процессах излучения энергия излучается или поглощается не непрерывно, а лишь малыми порциями – квантами, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте испускаемого излучения: Е= hy, где y – частота света, h – постоянная Планка.

В 1905 г. Эйнштейн применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света.

Квантовая теория вещества и излучения получила подтверждение в экспериментах (фотоэффект), обнаруживших, что при облучении твердых тел светом, из них выбиваются электроны. Фотон ударяется об атом и выбивает из него электрон.

Эйнштейн объяснил этот так называемый фотоэффект на основе квантовой теории, доказав, что энергия, необходимая для освобождеия электрона зависит от частоты света. (светового кванта), поглощаемого веществом.

Было доказано, что свет в опытах по дифракции и интерференции проявляет волновые свойства, а в экспериментах по фотоэффекту - корпускулярные, т.е. может вести себя и как частица и как волна, значит обладает дуализмом.

Представления Эйнштейна о квантах света привели к идее о «волнах материи», это послужило основой развития теории корпускулярно-волнового дуализма материи.

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль (1892- 1987) пришел к выводу, что сочетание волновых и корпускулярных свойств является фундаментальным свойством материи. Волновые свойства присущи всем видам материи (электронам, протонам, атомам, молекулам, даже макроскопическим телам).

В 1927 г. американскими учеными Дэвисом и Джермером и независимо от них П.С. Тартаковским были обнаружены волновые свойства электронов в экспериментах по дифракции электронов на кристаллических структурах. Позже были обнаружены волновые свойства и у других микрочастиц (нейтронов, атомов, молекул). На основе системы формул волновой механики были предсказаны и открыты новые элементарные частицы.

Современная физика признала корпускулярно-волновой дуализм материи. Любой материальный объект проявляется и как частица и как волна в зависимости от условий наблюдения.

С развитием теории физического вакуума, определение материи дополняется. Современное определение материи: материя – это вещество, поле и физический вакуум.

Теория физического вакуума находится на стадии разработки, природа вакуума до конца не исследована, но известно, что ни одна материальная частица не может существовать без присутствия вакуума, это среда, в которой она существует и из которой появляется. Вакуум и вещество неразделимы.

3. Принципы современной физики. В 1925 г. швейцарский физик В. Паули (1900-1958) обосновал принцип: в любой квантовой системе (атом) 2 или более электронов не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии (на одном энергетическом уровне или на одной орбите). Принцип Паули определяет закономерности заполнения электронных оболочек атомов, периодичность их химических свойств, валентность, реакционную способность. Это фундаментальный закон природы.

В 1924 г. Н. Бор сформулировал принцип дополнительности : ни одна теория не может описать объект столь исчерпывающим образом, чтобы исключить возможность альтернативных подходов. Примером служит решение ситуации корпускулярно-волнового дуализма материи. «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

В 1927 г. немецкий физик В. Гейзенберг сформулировал знаменитый принцип неопределенностей. Смысл, которого в том, что невозможно одновременно осуществить измерение и координаты и скорости (импульса) частицы . Никогда нельзя одновременно знать где находится частица и как быстро и в каком направлении она движется.

Соотношение неопределенностей выражает невозможность наблюдать микромир, не нарушая его. Пример: если в эксперименте нужно установить координату частицы с известной скоростью, ее необходимо осветить, т.е. направить пучок фотонов, однако фотоны сталкиваясь с частицами передадут им часть энергии и частица начнет двигаться с новой скоростью и в новом направлении. Наблюдатель-экспериментатор вмешиваясь в систему, внедряясь в нее со своими приборами, нарушает текущий порядок событий.

Основная идея квантовой механики состоит в том, что, в микромире определяющим является представление о вероятности событий. Предсказания в квантовой механике имеют вероятностный характер, невозможно точно предсказать результат эксперимента, можно рассчитать только вероятность различных исходов опыта.

С позиций физики, на микроуровне господствуют статистические закономерности , на макроуровне динамические законы . Философское осмысление принципа неопределенностей показывает, что случайность и неопределенность фундаментальное свойство природы и присуще и микромиру и макромиру – миру деятельности человека.

4. Элементарные частицы и силы в природе. Сегодня выделяют 4 уровня организации микромира: молекулярный, атомный, протонный (нуклонный) и кварковый.

Элементарными называют такие частицы, которые на современном уровне развития науки нельзя считать соединением других, более простых.

Различают реальные частицы – их можно фиксировать с помощью приборов и виртуальные – возможные, о существовании которых можно судить лишь опосредованно.

Аристотель считал вещество непрерывным, то есть любой кусок вещества можно дробить до бесконечности. Демокрит считал, что материя имеет зернистую структуру, и что все в мире состоит из различных атомов, которые абсолютно неделимы.

Крушение существовавших до конца 19 века представлений об абсолютной неделимости атома началось с открытия в 1897 г. английским физиком Дж. Томсоном простейшей элементарной частицы материи – электрона , которые вылетали из атома. В 1911 г. английский физик Эрнст Резерфорд доказал, что атомы вещества обладают внутренней структурой: они состоят из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов.

Сначала предполагали, что ядро атома состоит из положительно заряженных частиц, которые назвали протонами . В 1932 г. Джеймс Чэдвиг обнаружил, что в ядре есть еще другие частицы – нейтроны , масса которых равна массе протона, но которые не заряжены.

В 1928 г. физиком–теоретиком П. Дираком была предложена волновая теория электрона, основанная на его корпускулярно-волновой природе. Согласно корпускулярно-волновой теории, частицы могут вести себя подобно волне. Одна из посылок этой теории заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как электрон , но с положительным зарядом. Такая частица была обнаружена и была названа позитроном . Из теории Дирака также следовало, что позитрон и электрон, взаимодействуя между собой (реакция аннигиляции ), образуют пару фотонов , т.е. квантов электро-магнитного излучения. Позитрон и электрон двигаются по одной орбитали. Сталкиваясь, они превращаются в кванты излучения.

В 60-х годах ХХ века протоны и нейтроны считались элементарными частицами. Но оказалось, что протоны и нейтроны состоят из еще более мелких частиц. В 1964 г. американские ученые М. Гелл-Манн и Д. Цвейг независимо друг от друга выдвинули сходную гипотезу существования «субчастиц». Гелл-Манн назвал их кварками . Название взял из стихотворной строки (Джойс «Поминки по Финегану»).

Известно несколько разновидностей кварков; предполагают, что существует шесть ароматов, которым отвечают: верхний (u ), нижний (d ), странный, очарованный, прекрасный, t - кв … Кварк каждого аромата может иметь один из трех цветов – красный, желтый и синий, хотя это всего лишь обозначение.

Кварки отличаются друг от друга по величине заряда и по квантовым характеристикам. Например, нейтрон и протон составляются каждый из трех кварков: протон – из uud , с зарядом +2/3 +2/3 -1/3 = 1;

нейтрон – из udd , с зарядом +2/3 -1/3 -1/3 = 0.

Каждый кварк по закону симметрии имеет антикварк.

Квантовой характеристикой является спин: S = 0; S= 1; S = 2; S = ½.. Спин очень важная квантовая характеристика элементарной частицы, не менее важная, чем заряд или масса.

В 2008 г. в Европе совместными усилиями физиков многих стран построен андронный колайдер, в результате действий которого, возможно получение сведений об «исходных кирпичиках», из которых построено вещество в природе.

5. Фундаментальные физические взаимодействия. В первой половине ХХ века физика изучала материю в двух ее проявлениях – вещество и поле. Причем кванты полей и частицы вещества подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом.

Частицы вещества являются ферми -частицами (фермионами ). Все фермионы имеют полуцелое значение спина – ½. Для частиц с полуцелым значением спина справедлив принцип Паули, согласно которому, две тождественные частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии.

Все кванты полей являются бозе-частицами (бозонами). Это частицы с целым значением спина. Системы тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе – Эйнштейна. Принцип Паули для них не справедлив: в одном состоянии может находиться любое число частиц. Бозе- и ферми- частицы рассматриваются как частицы, имеющие различную природу.

По современным представлениям, взаимодействие любого типа без посредника не протекает, оно должно иметь своего физического агента. Притяжение или отталкивание частиц передается через среду, их разделяющую, такой средой является вакуум. Скорость передачи взаимодействия ограничена фундаментальным пределом – скоростью света.

В квантовой механике предполагается, что все силы или взаимодействия между частицами вещества переносятся частицами с целочисленным спином, равным 0, 1, 2 (бозе-частицами, бозонами). Это происходит следующим образом, частица вещества (фермион), например электрон или кварк испускает другую частицу, которая является переносчиком взаимодействия, например, фотон. В результате отдачи скорость частицы вещества (фермиона) меняется. Частица переносчик (бозон) налетает на другую частицу вещества (фермион) и поглощается ею. Это соударение меняет скорость второй частицы.

Частицы-переносчики (бозоны), которыми обмениваются частицы вещества (фермионы) называются виртуальными, потому что в отличие от реальных их нельзя непосредственно зарегистрировать при помощи детектора частиц, так как они существуют очень короткое время.

Итак, вокруг частицы вещества (фермиона) создается поле, порождающее частицы – бозоны. Две реальные частицы оказавшись в радиусе действия однотипных зарядов начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный другой частицей-партнером и наоборот.

Частицы переносчики можно классифицировать на 4 типа в зависимости от величины переносимого взаимодействия и от того с какими частицами они взаимодействовали. Таким образом, в природе существуют четыре вида взаимодействия.

Гравитационная сила.

Это самое слабое из всех взаимодействий. В макромире оно проявляет себя тем сильнее, чем больше массы взаимодействующих тел, а в микромире оно теряется на фоне более могучих сил.

В квантово-механическом подходе к гравитационному полю, считается, что гравитационная сила, действующая между двумя частицами материи переносится частицей со спином 2 , которая называется гравитоном . Гравитон не обладает собственной массой и переносимая им сила является дальнодействующей.

Электромагнитные силы .

Действуют между электрически заряженными частицами. Благодаря электромагнитным силам возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой электромагнитные взаимодействия.

Согласно квантовой электродинамике, заряд создает поле, квантом которого служит безмассовый бозон со спином равным 1 - фотон. Переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон.

Электормагнитные силы гораздо сильнее гравитационных. Эти силы могут проявляться и как притяжение и как отталкивание, в отличие от гравитационных, которые проявляются только как притяжение.

Слабое взаимодействие .

Это третье фундаментальное взаимодействие существует только в микромире. Оно отвечает за радиоактивность и существует между всеми частицами вещества со спином ½, но в нем не участвуют частицы-бозоны со спином 0, 1, 2 – фотоны и гравитоны.

Радиоактивный распад вызывается превращением внутри нейтрона кварка аромата d в кварк аромата u, (протон превращается в нейтрон, позитрон в нейтрино), меняется заряд частиц. Испускаемое нейтрино обладает огромной проницающей способностью – оно проходит через железную плиту толщиной миллиард километров. За счет слабого взаимодействия светит Солнце.

Сильное взаимодействие.

Сильные взаимодействия представляют собой взаимное притяжение составных частей ядра атома. Они удерживают кварки внутри протона и нейтрона, а протоны и нейтроны внутри ядра. Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать теплоту и свет за счет ядерной энергии.

Сильное взаимодействие проявляется в ядерных силах. Они были открыты Э. Резерфордом в 1911 г. одновременно с открытием атомного ядра. Согласно гипотезе Юкавы, сильные взаимодействия состоят в испускании промежуточной частицы – пи-мезона – переносчика ядерных сил, а также другие мезоны, найденные позже (масса мезонов в 6 раз меньше массы нуклонов). Нуклоны (протоны и нейтроны) окружены облаками мезонов. Нуклоны могут приходить в возбужденные состояния – барионные резонансы, и обмениваться при этом иными частицами (мезонами).

Мечтой современных физиков является построить теорию большого объединения , которая объединяла бы все четыре взаимодействия.

Сегодня физики считают, что они могут создать эту теорию на основе теории суперструн. Эта теория должна объединить все фундаментальные взаимодействия при сверхвысоких энергиях.

Вопросы:

Как были доказаны корпускулярные и волновые свойства вещества?

Что изучает квантовая механика и почему она так называется?

Что такое вакуум и что значит «возбужденный вакуум»?

Что такое принцип дополнительности?

Что такое принцип неопределенности?

Охарактеризовать принцип симметрии.

Как связаны принципы симметрии и законы сохранения физических величин?

Каково значение принципа суперпозиции в квантовой механике?

В чем специфика отношения прибор-объект в квантовой механике?

Дать определение материи по современным представлениям.

Чем вещество отличается от поля?

Из чего состоят протоны и нейтроны?

Какие фундаментальные взаимодействия в настоящее время объединены?

Литература:

Дубнищева Т.Я. КСЕ. 2003. – С. 238-261. С. 265-309.

Горелов А.А. КСЕ. – 2004. – С. 79-94

Игнатова В.А. Естествознание. 2002. – С.110-125..

Гейзенберг В. Шаги за горизонт. – М. – 1987.

Ландау Л.Д. и др. Курс общей физики. – М: Наука, 1969. – С.195-214.

Вайнберг С. Мечты об окончательной теории. М. – 1995.

Линднер Г. Картины современной физики. – М. – 1977.

СОВРЕМЕННАЯ ХИМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА

Физический реализм — это взгляд, согласно которому физический мир, который мы видим, реален и существует сам по себе. Большинство людей думают, что это само собой разумеется, но с некоторых пор физическому реализму серьезно противоречат некоторые факты из мира физики. Парадоксы, которые сбивали с толку физиков прошлого века, до сих пор не разрешены, и многообещающие теории струн и суперсимметрии никуда этот воз пока не привезли.

В противовес этому, квантовая теория работает, но квантовые волны, которые запутываются, оказываются в состоянии суперпозиции, а затем коллапсируют, кажутся физически невозможными — они кажутся «мнимыми». Все это выливается в интересную картину: теория того, что не существует, эффективно предсказывает то, что существует — но как может нереальное предсказывать реальное?

Квантовый реализм — это противоположная точка зрения, согласно которой квантовый мир реален и создает физический мир как виртуальную реальность. Квантовая механика, таким образом, предсказывает эффекты физической механики, потому что является ее причиной. Физики говорят, что считать, что квантовые состояния не существуют, это как «не обращать внимания на вон того человека за занавеской».

Квантовый реализм — это не «матрица», в которой другой мир, создавший наш, будет физическим. И это не идея мозга-в-чане, поскольку эта виртуальность была задолго до того, как появился человек. И это не фантомный другой мир, который влияет на наш: наш физический мир — фантом сам по себе. В физическом реализме квантовый мир не существует, но в квантовом реализме физический мир невозможен — если это только не виртуальная реальность. И вот возможные объяснения.

Появление Вселенной

Физический реализм

Все слышали о Большом Взрыве, но если физическая Вселенная перед нами, как она началась? Завершенная Вселенная не должна изменяться вообще, поскольку ей некуда идти и неоткуда прийти, и ничто не может ее изменить. Тем не менее в 1929 году астроном Эдвин Хаббл обнаружил, что все галактики расширяются в сторону от нас, что привело к мысли о Большом Взрыве, который случился в точке пространства-времени порядка 14 миллиардов лет назад. Открытие космического микроволнового фона (который можно увидеть в виде белого шума на экране телевизора) подтвердило, что наша Вселенная не только началась в точке, но и пространство, и время появились вместе с ней.

Итак, когда Вселенная появилась, она уже существовала до своего создания, что невозможно, или была создана чем-то еще. Не может быть такого, чтобы целая, полная и цельная Вселенная появилась сама по себе из ничего. Тем не менее в эту странную идею верит большинство физиков сегодняшнего дня. Они полагают, что первым событием была квантовая флуктуация в вакууме (в квантовой механике пары частиц и античастиц появляются и исчезают повсюду, то есть абсолютной пустоты не существует). Но если материя просто появилась из пространства, откуда появилось пространство? Как квантовая флуктуация в пространстве могла создать пространство? Как могло время начать идти само по себе?

Квантовый реализм

Каждая виртуальная реальность начинается с первого события, вместе с которым появляется и пространство, и время. С такой точки зрения, Большой Взрыв произошел, когда наша физическая Вселенная загрузилась, включая ее операционную систему пространства-времени. Квантовый реализм предполагает, что Большой Взрыв был в действительности Большим Пуском.

У нашей Вселенной есть максимальная скорость

Физический реализм

Эйнштейн пришел к выводу, что ничто не может двигаться быстрее, чем свет в вакууме, и со временем это стало универсальной константой, однако, до конца неясно, почему так. Грубо говоря, любое объяснение сводится к тому, что «скорость света постоянна и предельна, потому что вот так вот». Потому что не может быть ничего прямее прямой.

Но ответ на вопрос «почему вещи не могут двигаться быстрее и еще быстрее», который звучит как «потому что не могут», едва ли можно назвать удовлетворительным. Свет замедляется (преломляется) водой или стеклом, и когда он движется в воде, мы говорим, что его средой является вода, когда в стекле — стекло, но когда он движется в пустом пространстве, мы молчим. Как может волна вибрировать в пустоте? Нет никакого физического фундамента для движения света по безвоздушному пространству, не говоря уж об определении максимально возможной скорости.

Квантовый реализм

Если физический мир — это виртуальная реальность, то скорость света — это продукт обработки информации. Информация определяется как выборка из конечного множества, поэтому ее обработка тоже должна осуществляться с конечной скоростью, а значит, наш мир обновляется с конечной скоростью. Условный процессор суперкомпьютера обновляется 10 квадриллионов раз в секунду, а наша Вселенная обновляется в триллионы раз быстрее, но принципы в основном те же. И если изображение на экране обладает пикселями и частотой обновления, в нашем мире есть планковская длина и планковское время.

В таком случае скорость света будет предельной, потому что сеть не может передавать ничего быстрее, чем один пиксель за цикл, то есть, планковская длина за единицу планковского времени, или порядка 300 000 километров в секунду. Скорость света в действительности должна называться скоростью космоса (пространства).

Наше время весьма податливо

Физический реализм

В эйнштейновском парадоксе близнецов один из них путешествует на ракете почти со скоростью света и возвращается через год, чтобы обнаружить, что его брат-близнец — восьмидесятилетний старик. Никто из них не знал, что их время идет по-разному, и все остались живы, но жизнь одного подходит к концу, а другого — только начинается. В объективной реальности это кажется невозможным, но время для частиц в ускорителях действительно замедляется. В 1970-х ученые запустили вокруг мира атомные часы на самолете, чтобы подтвердить, что те тикают медленнее, чем синхронизированные с ними изначально часы на земле. Но как время, судья всех изменений, само может быть подвержено изменениям?

Квантовый реализм

Виртуальная реальность зависит от виртуального времени, где каждый цикл обработки является одним «тиком». Каждый геймер знает, что когда компьютер подвисает вследствие лага, игровое время тоже немного замедляется. Точно так же время в нашем мире замедляется с ростом скорости или рядом с массивными объектами, что свидетельствует о виртуальности. Близнец на ракете постарел только на год, потому что все циклы обработки его системы подвисли в целях экономии. Изменилось только его виртуальное время.

Наше пространство искривляется

Физический реализм

Согласно общей теории относительности Эйнштейна, Солнце удерживает Землю на орбите за счет искривленного пространства, но как пространство может искривляться? В пространстве, по определению, происходит движение, поэтому, чтобы оно искривилось, оно должно существовать в другом пространстве, и так до бесконечности. Если материя существует в пространстве пустоты, ничто не может сдвинуть или искривить это пространство.

Квантовый реализм

В режиме «простоя» компьютер на самом деле не простаивает, а выполняет нулевую программу, и наше пространство может делать то же самое. Эффект Казимира проявляется, когда вакуум пространства оказывает давление на две пластины, которые расположены близко друг к другу. Современная физика утверждает, что это давление вызывают виртуальные частицы, которые возникают ниоткуда, но в квантовом реализме пустое пространство заполнено обработкой, которая вызывает тот же эффект. И пространство, как обрабатывающая сеть, может представлять трехмерную поверхность, способную искривляться.

Случайности случаются

Физический реализм

В квантовой теории квантовый коллапс является случайным, к примеру, радиоактивный атом может испустить фотон, когда ему вздумается. Классическая физика не объясняет случайность событий. Квантовая теория объясняет физическое событие «коллапсом волновой функции», поэтому в каждом физическом событии есть элемент случайности.

Чтобы предотвратить угрозу этого первенства физической причинности, в 1957 году Хью Эверетт предложил многомировую теорию, непроверяемую идею того, что каждый квантовый выбор порождает новую вселенную, поэтому каждый вариант события происходит где-то в новой «множественной вселенной» (multiverse). К примеру, если вы выбрали бутерброды на завтрак, природа создает другую вселенную, в которой вы завтракаете персиками и йогуртом. Изначально к многомировой интерпретации относились со смехом, но сегодня физики все чаще предпочитают именно эту теорию другим, чтобы развеять кошмар случайностей.

Тем не менее, если квантовые события создают новые вселенные, несложно догадаться, что вселенные будут накапливаться со скоростью, которая выходит за рамки любых понятий о бесконечности. Многомировая фантазия не просто обходит стороной бритву Оккама, но еще и надругается над ней. К тому же множественная вселенная — это реинкарнация другой старой сказки о заводной вселенной (clockwork universe), которую квантовая теория развенчала в прошлом веке. Ложные теории не умирают, они превращаются в теории-зомби.

Квантовый реализм

Процессор в онлайн-игре может генерировать случайное значение, и наш мир — тоже. Квантовые события случайны, поскольку связаны с клиент-серверными действиями, к которым у нас нет доступа. Квантовая случайность кажется бессмысленной, но играет такую же роль в эволюции материи, какую генетическая случайность сыграла в биологической эволюции.

Антиматерия существует

Физический реализм

Антиматерия относится к субатомным частицам, соответствующим электронам, протонам и нейтронам обычной материи, но с противоположным электрическим зарядом и другими свойствами. В нашей Вселенной отрицательные электроны вращаются вокруг положительных атомных ядер. Во вселенной антиматерии положительные электроны вращались бы вокруг отрицательных ядер, но жителям этой вселенной казалось бы, что с физическими законами все в порядке. Материя и антиматерия аннигилируют при контакте, то есть взаимно уничтожаются.

Уравнения Поля Дирака предсказали антиматерию задолго до ее обнаружения, но до конца не было ясно, как что-то, аннигилирующее материю, вообще возможно. Диаграмма Фейнмана встречи электрона с антиэлектроном показывает, что последний, сталкиваясь, возвращается назад во времени! Как это часто бывает в современной физике, это уравнение работает, но его последствия не имеют никакого смысла. Материи не нужен антипод, а обратный ход времени подрывает причинно-следственные основы физики. Антиматерия — это одна из самых загадочных находок современной физики.

Квантовый реализм

Если материя — это результат обработки, и обработка устанавливает последовательность значений, следует, что эти значения можно обратить вспять, получив, таким образом, антиобработку. В таком свете антиматерия — это неизбежный побочный продукт материи, созданной в процессе обработки. Если время — это завершение первичных циклов обработки материи, для антиматерии оно будет завершением вторичных циклов, а значит, оно будет идти в обратном направлении. У материи есть антипод, потому что процесс обработки, который ее создает, является обратимым, и антивремя существует по той же причине. Только виртуальное время может идти вспять.

Эксперимент с двумя щелями

Физический реализм

Более 200 лет назад Томас Юнг провел эксперимент, который до сих пор ставит в тупик физиков: пропустил свет через две параллельные щели, чтобы получить интерференционную картину на экране. Только волны могут делать это, поэтому частица света (даже один фотон) должна быть волной. Но свет может попасть на экране и в виде точки, что может произойти только в том случае, если фотон — частица.

Чтобы проверить это, физики отправили один фотон через щели Юнга. Один фотон выдал ожидаемую точку попадания частицы, но вскоре точки выстроились в интерференционную картину. Эффект не зависит от времени: один фотон, проходящий через щели, каждый год выдает одну и ту же картину. Ни один фотон не знает, где попал предыдущий, так как же появляется интерференционная картина? Детекторы, размещенные на каждой щели, только впустую потратили время — фотон проходит либо через одну щель, либо через другую, никогда — через обе. Природа издевается над нами: когда мы не смотрим, фотон — волна, когда смотрим — частица.

Современная физика называет эту загадку корпускулярно-волновым дуализмом, «глубоко странным» явлением, объяснимым только эзотерическими уравнениями несуществующих волн. Тем не менее мы, здравомыслящие люди, знаем, что точечные частицы не могут распространяться подобно волнам, а волны не могут быть частицами.

Квантовый реализм

Квантовая теория объясняет эксперимент Юнга вымышленными волнами, которые проходят через обе щели, интерферируют, а затем коллапсируют в точку на экране. Это работает, но волны, которые не существуют, не могут объяснить того, что существует. В квантовом реализме программа фотона может распространяться в сети как волна, а затем начинать сначала, когда узел перегружается и перезагружается, как частица. То, что мы называем физической реальностью, является рядом перезагрузок, объясняющих и квантовые волны, и квантовый коллапс.

Темная энергия и темная материя

Физический реализм

Современная физики описывает материю, которую мы видим, но во Вселенной также есть в пять раз больше того, что называют темной материей. Ее можно обнаружить как ореол вокруг черной дыры в центре нашей галактики, который связывает звезды вместе более прочно, чем может позволить их гравитация. Это не материя, которую мы можем увидеть, потому что свет ее не берет; это не антиматерия, поскольку у нее нет сигнатуры гамма-излучения; это не черная дыра, потому что нет эффекта гравитационного линзирования — но без темной материи звезды в нашей галактике разлетелись бы прочь.

Ни одна из известных частиц не описывает темную материю — предлагались гипотетические частицы, известные как слабо взаимодействующие массивные частицы (WIMP, или «вимпы»), но ни одну из них так и не нашли, несмотря на тщательные поиски. В дополнение к этому, 70% Вселенной представлено темной энергией, которую физика также не может объяснить. Темная энергия — это своего рода отрицательная гравитация, слабый эффект, который расталкивает вещи, ускоряя расширение Вселенной. Оно не сильно изменяется со временем, но что-то плавающее в расширяющемся пространстве со временем должно ослабевать. Если бы это было свойством пространства, оно бы увеличивалось с расширением пространства. На данный момент никто не имеет ни малейшего понятия о том, что такое темная энергия.

Квантовый реализм

Если пустое пространство — это нулевая обработка, «спящий режим», тогда оно не пустое, и если оно расширяется, то пустое пространство постоянно добавляется. Новые точки обработки, по определению, принимают ввод, но не дают никакого вывода. Таким образом, они поглощают, но не излучают, в точности как негативный эффект, который мы называем темной энергией. Если новое пространство добавляется с постоянной скоростью, эффект не будет сильно изменяться со временем, поэтому темная энергия обусловлена продолжающимся созданием пространства. Квантовый реализм предполагает, что частицы, которые могут объяснить темную энергию и темную материю, не будут обнаружены.

Туннелирующие электроны

Физический реализм

В нашем мире электрон может внезапно выскочить за пределы гауссова поля, через которое не может проникнуть. Это можно сравнить с монетой в совершенно закрытой стеклянной бутылке, которая внезапно появляется за ее пределами. В сугубо физическом мире это попросту невозможно, но в нашем — вполне.

Квантовый реализм

Квантовая теория предполагает, что электрон должен случайно проделывать вышеописанное, потому что квантовая волна может распространяться вне зависимости от физических барьеров, и электрон может внезапно коллапсировать в любой ее точке. Каждый коллапс — это кадр фильма, который мы называем физической реальностью, за исключением того, что следующий кадр не фиксирован, а базируется на вероятностях. Электрон, «туннелирующий» через непроходимое поле — это как фильм, который скрывает от взгляда, как актер выходит из дома наружу.

Это может показаться странным, но телепортация из одного состояния в другое — это то, как движется вся квантовая материя. Мы видим физический мир, который существует независимо от нашего наблюдения, но в квантовой теории эффект наблюдателя описывает эффект игрового вида: когда вы смотрите налево, создается один вид, когда направо — другой. В теории Бома призрачная квантовая волна направляет электрон, но в теории, которую мы рассматриваем, электрон и является этой призрачной волной. Квантовый реализм разрешает квантовый парадокс, делая квантовый мир реальным, а физический мир — его продуктом.

Квантовая запутанность

Физический реализм

Если атом цезия испускает два фотона в разных направлениях, квантовая теория «запутывает» их, так что если один вертится снизу вверх, другой — сверху вниз. Но если один случайно переворачивается, как другой может мгновенно узнать об этом, на любом расстоянии? Для Эйнштейна открытие того, что измерение спина одного фотона мгновенно определяет спин другого, где бы тот ни был во Вселенной, было «жутким действием на расстоянии». Экспериментальная проверка этого стала одним из самых тщательных и точных экспериментов вообще в истории науки, и квантовая теория снова оказалась права. Наблюдение за одним запутанным фотоном приводит к тому, что другой получает противоположный спин — даже если они слишком далеки даже для того, чтобы световой сигнал успел их об этом оповестить. Природа могла бы сделать так, что спин одного фотона был бы верхним, а другого — нижним, с самого старта, но это, видимо, было слишком сложно. Поэтому она позволила спину одного выбирать любое случайное направление, так что когда мы его измеряем и определяем одно, спин другого фотона тут же меняется на противоположный, хотя это кажется физически невозможным.

Квантовый реализм

С этой точки зрения два фотона запутываются, когда их программы объединяются для совместного ведения двух точек. Если одна программа отвечает за верхний спин, а другая за нижний, их объединение будет отвечать за оба пикселя, где бы те ни были. Физическое событие у каждого пикселя случайным образом перезапускает программу, другая программа реагирует на это соответствующим образом. Этот код перераспределения игнорирует расстояния, потому что процессору не нужно ходить к пикселю, чтобы попросить его перевернуться, даже если экран большой, как сама Вселенная.

Стандартная модель физики включает 61 фундаментальную частицу с установленными параметрами заряда и массы. Если бы она была машиной, у нее было бы несколько десятков рычагов для запуска каждой частицы. Также ей понадобилось бы пять невидимых полей, которые порождают 14 виртуальных частиц с 16 разными «зарядами» для работы. Возможно, вам кажется полным этот набор, но Стандартная модель не может объяснить гравитацию, стабильность протона, антиматерию, изменения кварков, массу нейтрино или его спин, инфляцию или квантовую случайность — и это очень важные вопросы. Не говоря уж о частицах темной материи и темной энергии, из которых состоит большая часть Вселенной.

Квантовый реализм по-новому интерпретирует уравнения квантовой теории в терминах одной сети и одной программы. Его основное допущение в том, что физический мир — это вывод обработки, но это не умаляет его реальности — просто мы его не видим. Теория предполагает, что материя появилась из света как стабильная квантовая волна, а значит квантовый реализм предполагает, что свет в вакууме может порождать материю при столкновении. Стандартная модель утверждает, что фотоны не могут сталкиваться, поэтому необходим кардинальный экспериментальный подход для проверки виртуальной реальности нашего мира. Когда свет в вакууме породит материю при столкновении, модель элементарных частиц заменится моделью информационной обработки.

Для справки : Брайан Уитворт, создатель теории квантового реализма, оставил подробный путеводитель по терминам, поэтому если у вас будут вопросы — задавайте, постараюсь ответить по его материалам.

В истории развития физики было немало революций, кардинально изменявших научную парадигму и взгляды ученых на методы познания и устройство мира. Однако то, что произошло с естествознанием в первой четверти XX века, не было очередной сменой основных законов. Если раньше все в окружающем нас мире было предсказуемо, то с появлением квантовой механики он стал случайным.

Квантовая — значит дискретная

В классической физике Ньютона, Галилея и даже Эйнштейна было одно замечательное свойство - все физические величины можно было не только измерить, но и с любой степенью точности вычислить их последующие изменения во времени. Поведение любой, сколь угодно сложной, системы и движение тел любой массы и размера были в принципе предсказуемы. Квантовая механика предложила принципиально иную систему законов, управляющих миром. Первые изученные ею микрообъекты - атомы, электроны и фотоны, категорически не желавшие вести себя как классические, заставили физиков кардинально изменить методы описания природных явлений.

К началу XX века в классическом естествознании возникли большие трудности с объяснением целого ряда явлений, начиная от дискретного характера оптических спектров и устройства атома и заканчивая тепловым излучением тел и внешним фотоэффектом. Понимание того, что микромир живет по особым законам, формировалось постепенно и происходило с большим трудом, поскольку очень уж необычными были эти законы.

Классическая физика оперировала величинами, которые могли изменяться равномерно и непрерывно, принимая любые сколь угодно близкие значения. Попытка такого классического подхода к миру атомов и элементарных частиц потерпела неудачу, и ученым пришлось построить новую - квантовую механику, адекватно описывающую особый мир микроскопических частиц и изменений энергий. В новой теории много необычного, и одна из особенностей квантового мира состоит в том, что его характеристики могут изменяться лишь дискретным способом, принимая ряд фиксированных значений.

Квантовые порции

Одной из первых проблем, для решения которой понадобилось введение кванта энергии, было рассмотрение сосуществования частиц и полей и построение теории теплового излучения. Это излучение можно почувствовать не только под ярким летним солнцем, но и поднеся руку к обычной лампочке или горячему утюгу. Однако попытки объяснить такие обыденные явления в рамках классической теории оказались несостоятельными.

В 1900 году Джон Рэлей и Джеймс Джинс, используя классическую теорию, рассмотрели нагретое тело, в котором электромагнитное поле (волны) находилось в тепловом равновесии с частицами. Оказалось, что в этом случае поле забирает у частиц всю их энергию. Тем самым классическая теория приводила к бессмысленному результату: нагретое тело, непрерывно теряя энергию из-за излучения волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Этот физически абсурдный результат получил название «ультрафиолетовой катастрофы». В действительности ничего подобного, естественно, не происходит. Наблюдения показали, что на высоких частотах энергия излучения не возрастает бесконечно, а убывает до нуля. Максимальное излучение при фиксированной температуре приходится на определенную частоту или цвет.

Примерами этого могут служить красный цвет раскаленной кочерги (температура около 1 000 К) или желто-белый цвет Солнца (около 6 000 К).

Частный, казалось бы, вопрос об излучении электромагнитных волн нагретыми телами приобрел принципиальное значение. Классическая теория приводила к результатам, резко противоречащим опыту. В 1900 году, чтобы добиться согласования теории с опытом, Максу Планку пришлось отступить от классического подхода лишь в одном пункте. Он использовал гипотезу, согласно которой излучение электромагнитного поля может происходить только отдельными порциями - квантами. Принятая Планком гипотеза противоречила классической физике, однако построенная им теория теплового излучения превосходно согласовывалась с экспериментом.

Эффект Комптона

Вещество может не только излучать, но и поглощать электромагнитные волны. Процесс поглощения, исходя из классических представлений, также оказался не совсем понятным. В начале прошлого века уже умели изготавливать электровакуумные лампы и знали, что при освещении катода светом такой лампы происходит испускание электронов. Это явление назвали внешним фотоэффектом. Все попытки описать его на основе классической теории, в которой свет рассматривался как электромагнитная волна, оказались безрезультатными. Не удавалось объяснить основное свойство фотоэффекта - тот факт, что энергия вылетающих электронов определяется только частотой падающего света и не зависит от его интенсивности.

В 1905 году, через 5 лет после опубликования работы Макса Планка, для объяснения фотоэффекта была применена гипотеза квантов. Из того, что свет, как показал Планк, излучается порциями (квантами), еще не следует дискретная (порционная) структура самого света. Альберт Эйнштейн предположил, что дискретность (разделенность на порции) излучения должна проявляться не только при излучении, но и при поглощении и распространении электромагнитных волн.

Под напором экспериментальных фактов ученые были вынуждены ввести представление о свете как о потоке частиц. Однако еще в начале ХIХ века Томас Юнг экспериментально доказал волновую природу света, а в конце XIX века Джеймс Максвелл теоретически обосновал, что свет представляет собой волны, то есть колебания электромагнитного поля. Каким же образом свет может быть одновременно и частицами, и волнами? Ведь и частица, и волна представляются совершенно не похожими друг на друга. Тем не менее одни экспериментальные факты явно указывают на то, что свет - это поток частиц, а другие на то, что свет - это волны. Возникло логическое противоречие: для объяснения одних явлений свет необходимо было описывать как волны, а для объяснения других - как частицы.

Таким образом, выяснилось, что представления о «частице» и «волне» лишь в какой-то степени отражают реальность. Открытие двойственности (дуализма) свойств света в период формирования новой физики имело огромное значение. Именно попытки объяснить этот дуализм и породили современную квантовую теорию.

Окончательное доказательство существования квантов света было получено в 1922 году американским физиком Артуром Комптоном. Его эксперимент показал, что рассеяние света свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двух частиц - фотона и электрона. Теперь это явление называется эффектом Комптона.

Неустойчивый атом

Про то, что существуют минимальные, далее неделимые, частицы материи, говорили еще древние греки. К концу XIX века уже почти никто из ученых не сомневался в реальности атомов, но было непонятно, как они устроены и из чего состоят. Существовало много разных гипотез, но только в 1911 году, после опытов английского физика Эрнеста Резерфорда по обстрелу атомов золота а-частицами, родилась планетарная модель атома. Согласно этой модели в центре атома, подобно маленькому солнцу, располагалось ядро. Вокруг ядра, сходно планетам, обращались электроны, удерживаемые электромагнитными силами. Планетарная модель позволила объяснить результаты опытов, но оставался непонятным факт существования атома. Согласно классической теории электрон, вращающийся в атоме, должен излучать электромагнитные волны. Излучение сопровождается потерей энергии. Теряя энергию, электрон должен в конце концов упасть на ядро, а атом - прекратить свое существование.

Выход из этого «тупика» был предложен в 1913 году датским физиком Нильсом Бором. В своей модели Бор рассматривал электроны как классические частицы, движущиеся вокруг маленького массивного ядра под влиянием электрического поля. Однако вопреки законам классической физики Бор предположил существование в атоме стационарных (не меняющихся во времени) состояний, каждому из которых соответствует определенная энергия. В стационарных состояниях электрон не излучает. Излучение и поглощение света происходят лишь в том случае, когда атом переходит из одного состояния в другое.

Волновая гипотеза Бройля

Сначала только свету приписывалось такое странное свойство - быть одновременно и волной, и частицей. Вещество же рассматривалось как система обычных точечных частиц. В 1923 году Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности дуализма волна-частица. Согласно этому предположению не только фотоны, но и электроны, а также любые другие частицы обладают волновыми свойствами. И это касается как микроскопически малых атомов и молекул, так и любых других окружающих нас макроскопических объектов.

Основным признаком волн является их способность интерферировать, то есть складываться и вычитаться. Другими словами, если вещество обладает волновыми свойствами, то для него должны наблюдаться явления дифракции (огибание волнами встречающихся на пути препятствий) и интерференции (сложения и вычитания волн).

Прямое экспериментальное доказательство того, что электроны могут дифрагировать и интерферировать, было получено в 1927 году в опытах Клинтона Дэвиссона и Лестера Джемера, а также, независимо от них, в экспериментах Джорджа Томсона. В настоящее время экспериментаторы наблюдают интерференцию и других частиц, вплоть до молекул. Так, в 2003 году в Институте экспериментальной физики Венского университета была впервые обнаружена квантовая интерференция органических молекул биологического происхождения C4444H3 0N4, содержащих 44 атома углерода, 30 атомов водорода и 4 атома азота. В связи с этими экспериментами возникает вопрос: возможна ли квантовая интерференция живых существ?

После выдвижения де Бройлем гипотезы об универсальности дуализма волна-частица и экспериментального подтверждения наличия у частиц вещества волновых свойств возникли новые принципиальные проблемы. Стало необходимым совместить волновую природу частиц с привычными представлениями о размещении (локализации) частиц в пространстве.

Предсказуемая пси-функция

Как уже говорилось, квантовые объекты существенно отличаются от классических. Достаточно ярко это отличие видно при прохождении пучка частиц через экран с двумя щелями. Когда на щели налетают классические частицы, то каждая проходит заведомо лишь через какую-то одну щель и на экране четко видны две независимые области попадания пролетевших частиц. Применительно к квантовым объектам положение оказывается иным. Квантовые частицы (например, электроны) одновременно проходят через обе щели, причем этот процесс описывается вероятностными методами. Явление интерференции электронов приводит к тому, что на экране наблюдается картина, характерная для прохождения волн, - с большим количеством максимумов и минимумов интенсивности. Квантовые частицы (каждая из них) как бы «чувствуют» наличие обеих щелей. Происходит не сложение волн различных квантовых частиц, прошедших через разные щели, а интерференция волны каждой из квантовых частиц на обеих щелях.

Для того чтобы рассчитывать такие явления, квантовую частицу стали характеризовать не точными значениями координат и импульсов, а некоторой пси-функцией - эта комплексная волновая функция позволяет описывать свойства частиц и определять вероятности тех или иных событий. Уравнение Шредингера, которому подчиняется эта функция, является линейным дифференциальным уравнением, и в этом плане поведение самой пси-функции вполне вычислимо и предсказуемо в отличие от поведения описываемых ею квантовых объектов.

Комбинации с котом

Одной из основ квантовой механики является так называемый принцип суперпозиции (наложения). Согласно этому принципу если есть несколько состояний, отвечающих различным волновым функциям, то существуют состояния, описываемые линейными комбинациями этих функций.

Рассмотрим умозрительный эксперимент с так называемым «котом Шредингера», проясняющий принцип суперпозиции. Кота помещают в коробку. В ней, кроме кота, находится капсула с ядовитым газом (или бомба), которая может взорваться с 50-процентной вероятностью благодаря радиоактивному распаду атома плутония или случайно залетевшему кванту света. Через некоторое время коробка открывается и выясняется, жив кот или нет. До тех пор пока коробка не открыта (не произведено измерение), кот пребывает в суперпозиции двух состояний: «живой» и «мертвый». Описывая с помощью волновых функций всю систему (коробку), включая кота, Эрвин Шредингер в 1935 году пришел к парадоксальному выводу. Состоял он в том, что наряду с состояниями, отвечающими живому или мертвому коту, согласно квантовой механике, существует и суперпозиция этих состояний. Другими словами, должно существовать состояние, когда кот «ни жив, ни мертв» (или, если хотите, - жив и мертв одновременно). Применительно к окружающим нас объектам такая ситуация выглядит странновато. Однако для элементарных частиц нахождение одновременно в двух, казалось бы, взаимоисключающих состояниях совершенно естественно.

Недавно группа Джонатана Фридмана из Нью-Йоркского университета получила одно из доказательств того, что законам квантовой теории подвластны не только элементарные частицы, но и макроскопические объекты. Ученые показали, что примерно так же, как кот Шредингера, может вести себя электрический ток в сверхпроводящем кольце. Исследователи добились такого состояния сверхпроводящего кольца, при котором ток по нему тек одновременно и по часовой, и против часовой стрелки.

Одним из важнейших понятий квантовой теории поля является представление о вакууме. Физический вакуум не пустое место. Если полю, находящемуся в вакуумном состоянии, сообщить достаточную энергию, то происходит его возбуждение и рождение частиц - квантов этого поля.

Эмпирика точных расчетов

Открытие универсальности дуализма волна-частица для всего микромира привело к пониманию того, что противопоставление понятий «частица» и «волна» не совсем оправданно. Квантовые объекты должны описываться более фундаментальными понятиями, а представления о «частице» и «волне» лишь в некоторой степени отражают объективную реальность окружающего нас мира.

Классические частицы движутся по определенным траекториям. Если точно известны координаты и импульсы частицы в начальный момент времени, то можно определить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени.

Электрон, протон, нейтрон и другие элементарные частицы принципиально отличаются от таких классических объектов, как, например, дробинка или шарик для пинг-понга. Одно из основных различий заключается в том, что квантовая частица движется не по траектории. При этом неправомерно говорить об одновременных значениях ее координаты и импульса. В этом и состоит принцип неопределенности, установленный Вернером Гейзенбергом в 1927 году. Соотношение неопределенности подчеркивает принципиальное различие в описании состояния системы в классической и квантовой физике. Состояние классической частицы можно описывать с помощью точного задания координат и импульсов. Для квантовой частицы не существует состояний, в которых ее координаты и импульс имели бы одновременно точные значения. При этом квантовая механика позволяет установить, какие из физических величин, характеризующих систему, могут иметь одновременно определенные значения, а какие нет.

Диапазон применения квантовой механики удивительно широк. Ей подчиняется огромное число явлений и процессов-деление атомных ядер и образование нейтронных звезд, форма химических соединений и структура спирали ДНК, работа полупроводниковых диодов, транзисторов и лазеров.

Для понимания законов квантового мира нельзя опереться на повседневный опыт. Частицы ведут себя как классические только в том случае, если мы постоянно «подглядываем» за ними, или, говоря более строго, непрерывно измеряем, в каком состоянии они находятся. Но стоит нам «отвернуться» (прекратить наблюдение), как квантовые частицы переходят из вполне определенного состояния сразу в несколько различных состояний. То есть электрон (или любой другой квантовый объект) частично будет находиться в одной точке, частично - в другой, частично - в третьей и так далее. И это вовсе не означает, что он делится на части - в противном случае какую-нибудь часть электрона можно было бы изолировать и измерить ее заряд или массу. Опыт же показывает, что после измерения электрон всегда оказывается «целым и невредимым» в одной-единственной точке, несмотря на то, что до этого успел побывать одновременно почти везде. Такое состояние электрона, когда он находится сразу в нескольких точках пространства, называемое суперпозицией квантовых состояний, описывают обычно волновой функцией, введенной в 1926 году немецким физиком Эрвином Шредингером. После измерения положения частицы ее волновая функция как бы стягивается в ту точку, где частица была обнаружена, а затем, после измерения, опять начинает расплываться.

Но вернемся к эксперименту с двумя щелями. Напомним, что квантовая частица проходит одновременно через две щели, и на экране наблюдается интерференционная картина. При этом квантовая механика предсказывает, что при определении (измерении с помощью любого прибора) того, через какую из двух щелей проходит квантовая частица, интерференционная картина разрушается. Впервые осуществить такого рода эксперименты позволили достижения техники лазерного охлаждения атомных пучков и достижения последних лет в квантовой оптике. Так, с помощью монохроматического пучка атомов натрия в Университете города Констанц (Германия) был реализован эксперимент с двумя щелями. Он показал, что попытка определить траекторию атома путем рассеяния фотонов приводит к исчезновению интерференционной картины.

Сквозь стены

Вероятностный характер происходящих в микромире явлений приводит к тому, что иногда может случиться даже то, чего быть не должно с точки зрения классической физики. Рассмотрим движение частицы в узкой области, внутри которой потенциальная энергия имеет некоторое конечное значение. В этом случае говорят, что наличествует потенциальный барьер. Такой потенциальный барьер можно представлять в виде кратера с высокими стенками. Если полная энергия классической частицы меньше высоты потенциального барьера, то движущаяся частица, достигнув его, не сможет преодолеть потенциальный барьер. В квантовой же механике, согласно уравнению Шредингера, волновая функция частицы, находящейся в таких же условиях, существует не только внутри воображаемого кратера, но и в области за барьером. Это означает, что есть вероятность обнаружить частицу вне кратера. Возникает интересное явление - проникновение квантовых частиц сквозь потенциальный барьер (сквозь стенки), называемое туннельным эффектом.

Туннельный эффект позволяет объяснить распад атомных ядер, при котором из ядер вылетают а-частицы атомов гелия). Известно, что прочно удерживается внутри атомного ядра сильным взаимодействием. Вне ядра на а-частицу действуют электрические силы отталкивания. Потенциальная энергия в зависимости от расстояния до центра ядра имеет вид глубокой ямы, похожей на кратер. Внутри этой ямы а-частица имеет энергию, много меньшую, чем высота потенциального барьера. И а-частицам каким-то образом удается выбраться из этой ямы. Объяснение такого проникновения частиц через стенки дает туннельный эффект. В результате среднее время жизни радиоактивного атомного ядра оказывается хотя и очень большим, но конечным. Например, время жизни ядра урана 238 U составляет около 4 млрд. лет.

Туннельный эффект позволяет достать то, что прочно удерживается за потенциальными барьерами. Именно прохождением частиц сквозь этот барьер объясняются ионизация атомов в сильном электрическом поле и вырывание электронов из металла под действием электрического поля. Однако чем больше ширина и высота потенциального барьера, тем меньше вероятность прохождения через него.

Именно благодаря туннельному эффекту работают полупроводниковые диоды Шотки, в которых электрический ток в десятки ампер успешно протекает через тонкий слой диэлектрика, разделяющий полупроводниковый и металлический электроды данного квантового прибора. Причем, как и положено диоду, прибор этот пропускает ток только в одну сторону - туда, где энергия зарядов меньше.

Полное подобие

Мы привыкли к тому, что практически каждый предмет индивидуален и хоть чем-то отличается от подобного ему. А вот про элементарные частицы этого сказать нельзя, и разные электроны (как и любые однотипные элементарные частицы) обладают той удивительной особенностью, что ничем друг от друга не отличаются. Системы, состоящие из одинаковых (тождественных) частиц, обладают в квантовой механике особыми свойствами. Эти свойства следуют из так называемого принципа неразличимости тождественных частиц. Представим себе, что мы поменяли местами два электрона, переставив один на место другого. Поскольку электроны абсолютно тождественны, такая перестановка не приведет ни к каким изменениям и не сможет быть обнаружена экспериментально. Это приводит к специфическому обменному взаимодействию, благодаря которому возникают химические связи в молекулах и кристаллах.

Идентичность атомов нашего светила и атомов, образующих похожую звезду, находящуюся на расстоянии в миллиарды световых лет от Земли, позволяет астрономам делать выводы об устройстве Вселенной. Более того, физики сегодня исходят не только из того, что в разных точках пространства действуют одни и те же законы, но и полагают, что за последние 10 млрд. лет электроны (да и весь остальной микромир) были неизменными и тождественными современным.

Даже точка может вращаться

Итак, построение квантовой теории началось с работы Планка, выдвинувшего гипотезу о существовании дискретных уровней энергии в рамках классического подхода. В процессе развития квантовой механики возникло уравнение Шредингера, из решения которого дискретные значения энергии получаются автоматически. Однако экспериментальное определение уровней энергии атомов показало, что полного совпадения с предсказаниями теории нет. Все уровни, кроме основного, расщеплены на ряд очень близких подуровней.

Объяснить это расхождение теории с опытом удалось только с помощью предположения, сделанного Джорджем Уленбеком и Сэмюэлем Гаудсмитом в 1925 году. Они решили, что электрон, как и большинство других элементарных частиц, обладает дополнительной внутренней степенью свободы, названной спином. Наличие спина у квантовой частицы означает, что в некотором отношении она подобна маленькому вращающемуся волчку. Спин может принимать только целые и полуцелые значения.

Все квантовые частицы делятся на два вида - фермионы и бозоны, в зависимости от их спина. Фермионами называются частицы, имеющие полуцелое значение спина. Для этих частиц справедлив принцип, открытый Вольфгангом Паули в 1925 году, согласно которому две одинаковые (тождественные) частицы с полуцелым спином не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Бозонами называются частицы с целым спином. Принцип Паули на них не распространяется: в одном и том же состоянии может находиться любое число частиц. Самыми известными фермионами являются электроны, а бозонами - фотоны. Особенно резко отличаются друг от друга низшие энергетические уровни у систем бозонов и фермионов. Фермионы располагаются ровно по два на каждом энергетическом уровне - один спином вверх, другой вниз. А вот бозоны, напротив, могут все вместе расположиться на одном-единственном нижнем уровне. Именно это явление приводит к сверхпроводимости и сверхтекучести.

Эффект запутывания и ЭПР-парадокс

В процессе становления квантовой картины мира большую роль сыграли не только реальные данные, но и умозрительные эксперименты. Согласно предложенному в 1935 году Эйнштейном, Подольским и Розеном опыту, проводя наблюдения за одной из двух взаимодействовавших частиц, экспериментатор мгновенно изменяет параметры другой, уже далеко отлетевшей частицы. Получается, что квантовая система в процессе разделения сохраняет некую связь (эффект запутывания). Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена, или ЭПР, связан с принципиальной «квантовой нелокальностью».

Окончательное разрешение этого «парадокса» произошло только в 1964 году, когда Джон Белл рассмотрел пару запутанных квантовых частиц, бывших в контакте, а затем удалившихся друг от друга так, что их взаимовлияние стало невозможно. Он показал, что эти частицы проявляют себя столь взаимосогласованно, что это явление не может быть объяснено с точки зрения классической теории. Эксперименты с фотонами и другими частицами многократно показали наличие этой согласованности, тем самым подтвердив правильность квантовой механики и нелокальность пси-функции для системы из нескольких частиц.

Квантовый факс и ксерокс

Одним из важных выводов квантовой теории является теорема о неосуществимости копировании неизвестного квантового состояния. Согласно этой теореме невозможно, получив полную информацию о неизвестном квантовом объекте, создать второй, точно такой же, объект, не разрушив первый. Это утверждение, которое строго доказывается в квантовой механике, можно назвать парадоксом квантовых близнецов. Запрещая создание двойников, квантовая механика не запрещает создание точной копии с одновременным уничтожением оригинала - то есть телепортацию.

Слово «телепортация» совсем недавно перешло из фантастики в науку. Обычно полагают, что переместить какой-то объект или даже человека - значит переместить все частицы, из которых он состоит. Но поскольку элементарные частицы неотличимы друг от друга, их можно не перемещать, а «собрать» телепортируемый объект из новых частиц на основе полученной информации.

Следовательно, телепортация объекта есть считывание квантового состояния частиц и воссоздание этого состояния на удаленном расстоянии. Правда, согласно квантовой механике, как только будет считана вся нужная информация, объект исчезнет и снова появится на свет только после квантовой сборки.

Современному научному значению слова «телепортация» соответствует следующая процедура: объект дезинтегрируется (разрушается его квантовое состояние) в одном месте, а в другом месте возникает его совершенная копия. Причем объект или его полное описание в ходе телепортации никогда не находится между этими двумя местами. Обратите внимание, что «дезинтеграция» квантового состояния является необходимым условием согласно теореме о запрете на клонирование.

В силу принципа неопределенности, чем больше получено информации о некоем объекте, тем больше искажений вносится в этот объект - и так до тех пор, пока исходное состояние не будет разрушено полностью. И даже полностью разрушив исследуемый объект, мы все равно не получим полной картины его исходного квантового состояния. Это звучит как возражение против телепортации: если для создания точной копии из объекта невозможно извлечь достаточно информации, то точная копия не может быть создана. Однако шестеро ученых из группы Чарлза Беннета, нашли возможность обойти это затруднение, используя знаменитый ЭПР-эффект.

Практика телепортации

Вопрос о квантовой телепортации впервые был поставлен в 1993 году группой Чарлза Беннета, которая, используя запутанные состояния, показала, что при присоединении третьей частицы к одной из запутанных частиц можно передавать ее свойства другой удаленной частице. Экспериментальная реализация ЭПР-канала была осуществлена в работах двух групп исследователей - австрийской, из Университета в Инсбруке, возглавляемой Антоном Цойлингером, и итальянской, из Университета в Риме под руководством Франческо Де Мартини. Опыты группы Цойлингера и де Мартини доказали выполнимость принципов ЭПР на практике при передаче по оптическим кабелям состояний поляризации между двумя фотонами посредством третьего на расстоянии до 10 км.

Достигнув успехов в телепортации фотонов, экспериментаторы уже планируют работы с другими частицами - электронами, атомами и даже ионами. Это позволит передавать квантовое состояние от короткоживущей частицы к более долгоживущей. Таким способом можно будет создавать запоминающие устройства, где информация, принесенная фотонами, хранилась бы на ионах, изолированных от окружающей среды. Телепортация может обеспечить надежную передачу и хранение данных на фоне мощных помех, когда все другие способы оказываются неэффективными. Возможно, в будущем сети квантовой телепортации получат такое же распространение, как современные телекоммуникационные сети.

Квантовая механика описывает элементарные частицы, движущиеся со скоростями, много меньшими скорости света. Квантовая теория поля описывает процессы с участием частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света. И то, и другое в совокупности составляет квантовую теорию, описывающую движение, взаимодействие, рождение и уничтожение элементарных частиц.

Преемственность физики

Несмотря на совершенно новый взгляд на многие природные явления, квантовую механику никак нельзя расценивать как полное опровержение классической физики. Последняя может рассматриваться как предельный случай квантовой механики или как первое и очень грубое приближение к ней. Как подчеркивал Поль Дирак, соответствие между квантовой и классической теориями состоит не только в их предельном согласии. Соответствие заключается прежде всего в том, что математические операции двух теорий во многих случаях подчиняются одним и тем же законам и описываются одной математической структурой. Отличия заключаются лишь в представлении (реализации) этих структур конкретными математическими объектами.

Сегодня физики твердо верят в то, что наш мир един и познаваем. Все разнообразие природных явлений просто обязано описываться в рамках некоего единого универсального подхода. Другое дело, что человек пока еще не до конца сумел понять глубинную сущность законов природы и пределы познаваемости мира.

Однако большинство физиков убеждены в том, что, если идти по пути, указанном квантовой механикой и квантовой теорией поля, будет открыт тот самый свод законов и правил, который и правит нашим удивительно красивым миром.

Василий Тарасов, кандидат физико-математических наук

Думаю, можно сказать, что никто не понимает квантовую механику

Физик Ричард Фейнман

Высказывание о том, что изобретение полупроводниковых приборов было революцией, не будет преувеличением. Это не только впечатляющее технологическое достижение, но оно также проложило путь для событий, которые навсегда изменяют современное общество. Полупроводниковые приборы применяются во всевозможных устройствах микроэлектроники, в том числе и в компьютерах, отдельных видах медицинского диагностического и лечебного оборудования, популярных телекоммуникационных устройствах.

Но за этой технологической революцией стоит даже больше, революция в общей науке: область квантовой теории . Без этого прыжка в понимании естественного мира, развитие полупроводниковых приборов (и более продвинутых разрабатываемых электронных устройств) никогда бы не удалось. Квантовая физика - это невероятно сложный раздел науки. В данной главе дается лишь краткий обзор. Когда ученые уровня Фейнмана говорят, что «никто не понимает [это]», вы можете быть уверены, что это действительно сложная тема. Без базового понимания квантовой физики или, по крайней мере, понимания научных открытий, которые привели к их разработке, невозможно понять, как и почему работают полупроводниковые электронные приборы. Большинство учебников по электронике пытаются объяснить полупроводники с точки зрения «классической физики», в результате делая их еще более запутанными для понимания.

Многие из нас видели диаграммы моделей атомов, которые похожи на рисунок ниже.

Атом Резерфорда: отрицательные электроны вращаются вокруг небольшого положительного ядра

Крошечные частицы материи, называемые протонами и нейтронами , составляют центр атома; электроны вращаются как планеты вокруг звезды. Ядро несет положительный электрический заряд, благодаря наличию протонов (нейтроны не имеют никакого электрического заряда), в то время как уравновешивающий отрицательный заряд атома находится в движущихся по орбите электронах. Отрицательные электроны притягиваются к положительным протонам, как планеты притягиваются силой притяжения к Солнцу, однако орбиты стабильны, благодаря движению электронов. Мы обязаны этой популярной моделью атома работе Эрнеста Резерфорда, который примерно в 1911 году экспериментально определил, что положительные заряды атомов сосредоточены в крошечном, плотном ядре, а не равномерно распределены по диаметру, как ранее предполагал исследователь Дж. Дж. Томсон.

Эксперимент Резерфорда по рассеянию заключается в бомбардировке тонкой золотой фольги положительно заряженными альфа-частицами, как показано на рисунке ниже. Молодые аспиранты Х. Гейгер и Э. Марсден получили неожиданные результаты. Траектория движения некоторых альфа-частиц была отклонена на большой угол. Некоторые альфа-частицы были рассеяны в обратном направлении, под углом почти на 180°. Большинство частиц прошло через золотую фольгу, не изменив траекторию пути, будто фольги и не было совсем. Факт того, что несколько альфа-частиц испытывали большие отклонения в траектории движения, указывает на присутствие ядер с небольшим положительным зарядом.

Рассеяние Резерфорда: пучок альфа-частиц рассеивается тонкой золотой фольгой

Хотя модель атома Резерфорда подтверждалась экспериментальными данными лучше, чем модель Томсона, она всё еще была неидеальна. Были предприняты дальнейшие попытки определения структуры атома, и эти усилия помогли проложить путь для странных открытий квантовой физики. Сегодня наше понимание атома немного сложнее. Тем не менее, несмотря на революцию квантовой физики и ее вклад в наше понимание строения атома, изображение солнечной системы Резерфорда в качестве структуры атом, прижилось в массовом сознании до такоей степени, что оно сохраняется в областях образования, даже если оно неуместно.

Рассмотрим это краткое описание электронов в атоме, взятое из популярного учебника по электронике:

Вращающиеся отрицательные электроны притягиваются к положительному ядру, которое приводит нас к вопросу о том, почему электроны не летят в ядро атом. Ответ в том, что вращающиеся электроны остаются на своей стабильной орбите из-за двух равных, но противоположных сил. Центробежная сила, действующая на электроны, направлена наружу, а сила притяжения зарядов пытается притянуть электроны к ядру.

В соответствии с моделью Резерфорда, автор считает электроны твердыми кусками материи, занимающими круглые орбиты, их притяжение внутрь к противоположно заряженному ядру уравновешивается их движением. Использование термина «центробежная сила» технически неверно (даже для вращающихся на орбитах планет), но это легко простить из-за популярного принятия модели: на самом деле, не существует такого понятия, как сила, отталкивающая любое вращающееся тело от центра его орбиты. Кажется, что это так потому, что инерция тела стремиться сохранить его движение по прямой линии, а так как орбита является постоянным отклонением (ускорением) от прямолинейного движения, есть постоянное инерционное противодействие к любой силе, притягивающей тело к центру орбиты (центростремительной), будь то гравитация, электростатическое притяжения, или даже натяжение механической связи.

Тем не менее, реальная проблема с этим объяснением, в первую очередь, заключается в идее электронов, движущихся по круговым орбитам. Проверенный факт, что ускоренные электрические заряды испускают электромагнитное излучение, этот факт был известен даже во времена Резерфорда. Так как вращательное движение является формой ускорения (вращающийся объект в постоянном ускорении, уводящем объект от нормального прямолинейного движения), электроны во вращающемся состоянии должны выбрасывать излучение, как грязь от буксующего колеса. Электроны, ускоренные по круговым траекториям, в ускорителях частиц, называемых синхротронами , как известно, делают это, и результат называется синхротронное излучение . Если бы электроны теряли энергию таким способом, их орбиты, в конечном счете, нарушились бы, и в результате они столкнулись бы с положительно заряженным ядром. Тем не менее, внутри атомов этого обычно не происходит. Действительно, электронные «орбиты» удивительно устойчивы в широком диапазоне условий.

Кроме того, эксперименты с «возбужденными» атомами показали, что электромагнитная энергия излучается атомом только на определенных частотах. Атомы «возбуждаются» внешними воздействиями, такими как свет, как известно, чтобы поглотить энергию и вернуть электромагнитные волны на определенных частотах, как камертон, который не звонит на определенной частоте, пока его не ударят. Когда свет, излучаемый возбужденным атомом, делится призмой на составные частоты (цвета), обнаруживаются отдельные линии цветов в спектре, картина спектральных линий является уникальной для химического элемента. Это явление обычно используется для идентификации химических элементов, и даже для измерения пропорций каждого элемента в соединении или химической смеси. Согласно солнечной системе атомной модели Резерфорда (относительно электронов, как кусков материи, свободно вращающихся на орбите с каким-то радиусом) и законам классической физики, возбужденные атомы должны вернуть энергию в практически бесконечном диапазоне частот, а не на избранных частотах. Другими словами, если модель Резерфорда была правильной, то не было бы эффекта «камертона», и цветовой спектр, излучаемый любым атомом, выглядел бы как непрерывная полоса цветов, а не как несколько отдельных линий.

Боровская модель атома водорода (с орбитами, нарисованными в масштабе) предполагает нахождение электронов только на дискретных орбитах. Электроны, переходящие с n=3,4,5 или 6 на n=2, отображаются на серии спектральных линий Бальмера

Исследователь по имени Нильс Бор попытался улучшить модель Резерфорда, после ее изучения в лаборатории Резерфорда в течение нескольких месяцев в 1912 году. Пытаясь согласовать результаты других физиков (в частности, Макса Планка и Альберта Эйнштейна), Бор предположил, что каждый электрон обладал определенным, конкретным количеством энергии, и что их орбиты распределяются таким образом, что каждый из них может занимать определенные места вокруг ядра, как шарики, зафиксированные на круговых дорожках вокруг ядра, а не как свободно двигающиеся спутники, как предполагалось ранее (рисунок выше). В знак уважения к законам электромагнетизма и ускоряющих зарядов Бор ссылался на «орбиты», как на стационарные состояния , чтобы избежать трактования, что они были подвижны.

Хотя амбициозная попытка Бора переосмысления строения атома, которое ближе согласовывалось с экспериментальными данными, и была важной вехой в физике, но не была завершена. Его математический анализ лучше предсказывал результаты экспериментов по сравнению с анализами, производимых согласно предыдущим моделям, но еще оставались без ответов вопросы о том, почему электроны должны вести себя таким странным образом. Утверждение, что электроны существовали в стационарных квантовых состояниях вокруг ядра, соотносилось с экспериментальными данными лучше, чем модель Резерфорда, но не говорило, что заставляет электроны принимать эти особые состояния. Ответ на этот вопрос должен был прийти от другого физика Луи де Бройля спустя примерно десять лет.

Де Бройль предположил, что электроны, как фотоны (частицы света), обладают и свойствами частиц, и свойствами волн. Опираясь на это предположение, он предположил, что анализ вращающихся электронов с точки зрения волн подходит лучше, чем с точки зрения частиц, и может дать больше понимания об их квантовой природе. И действительно, в понимании был совершен еще один прорыв.

Струна, вибрирующая на резонансной частоте между двумя фиксированными точками, образует стоячую волну

Атом, согласно де Бройлю, состоял из стоячих волн, явление, хорошо известное физикам в различных формах. Как дернутая струна музыкального инструмента (рисунок выше), вибрирующая на резонансной частоте, с «узлами» и «антиузлами» в стабильных местах вдоль своей длины. Де Бройль представил электроны вокруг атомов в виде волн, изогнутых в круг (рисунок ниже).

«Вращающийся» электроны, как стоячая волна вокруг ядра, (a) два цикла в орбите, (b) три цикла в орбите

Электроны могут существовать только на определенных, конкретных «орбитах» вокруг ядра, потому что они являются единственными расстояниями, на которых концы волны совпадают. При любом другом радиусе волна будет разрушительно сталкиваться сама с собой и, таким образом, перестанет существовать.

Гипотеза де Бройля дала как математическое обеспечение, так и удобную физическую аналогию для объяснения квантовых состояний электронов внутри атома, но его модель атома была всё еще неполной. В течение нескольких лет физики Вернер Гейзенберг и Эрвин Шредингер, работая независимо друг от друга, трудились над концепцией корпускулярно-волнового дуализма де Бройля, чтобы создать более строгие математические модели субатомных частиц.

Этому теоретическому продвижению от примитивной модели стоячей волны де Бройля к моделям матрицы Гейзенберга и дифференциального уравнения Шредингера было дано название квантовая механика, она ввела довольно шокирующую характеристику в мир субатомных частиц: признак вероятности, или неопределенности. По новой квантовой теории, было невозможно определить точное положение и точный импульс частицы в один момент. Популярное объяснение этого «принципа неопределенности» заключалось в том, что существовала погрешность измерения (то есть, пытаясь точно измерить положение электрона, вы мешаете его импульсу, и, следовательно, не можете знать, что было до начала измерения положения, и наоборот). Сенсационный вывод квантовой механики заключается в том, что частицы не имеют точных положений и импульсов, и из-за связи этих двух величин их совокупная неопределенность никогда не уменьшится ниже определенного минимального значения.

Эта форма связи «неопределенности» существует и в других областях, кроме квантовой механики. Как обсуждалось в главе «Сигналы переменного тока смешанной частоты» тома 2 этой серии книг, есть взаимоисключающие связи между уверенностью в данных временной области формы сигнала и его данными в частотной области. Проще говоря, чем больше мы знаем его составляющие частоты, тем менее точно мы знаем его амплитуду во времени, и наоборот. Цитирую себя:

Сигнал бесконечной длительности (бесконечное количество циклов) может быть проанализирован с абсолютной точностью, но чем меньше циклов доступно компьютеру для анализа, тем меньше точность анализа... Чем меньше периодов сигнала, тем меньше точность его частоты. Принимая эту концепцию до ее логической крайности, короткий импульс (даже не полный период сигнала) на самом деле не имеет определенной частоты, представляет собой бесконечный диапазон частот. Данный принцип является общим для всех волновых явлений, а не только для переменных напряжений и токов.

Чтобы точно определить амплитуду изменяющегося сигнала, мы должны измерить его в очень короткий промежуток времени. Однако выполнение этого ограничивает наши знания о частоте волны (волна в квантовой механике не должна быть подобно синусоидальной волне; такое подобие является частным случаем). С другой стороны, чтобы определить частоту волны с большой точностью, мы должны измерять его в течение большого количества периодов, а значит, мы потеряем из виду его амплитуду в любой заданный момент. Таким образом, мы не можем одновременно знать мгновенную амплитуду и все частоты любой волны с неограниченной точностью. Еще одна странность, эта неопределенность гораздо больше неточности наблюдателя; она находится в самой природе волны. Это не так, хотя можно бы, учитывая соответствующие технологии, обеспечить точные измерения и мгновенной амплитуды, и частоты одновременно. В буквальном смысле, волна не может точную мгновенную амплитуду и точную частоту одновременно.

Минимальная неопределенность положения частицы и импульса, выраженная Гейзенбергом и Шредингером, не имеет ничего общего с ограничением в измерении; скорее это внутреннее свойство природы корпускулярно-волнового дуализма частицы. Следовательно, электроны на самом деле не существуют в своих «орбитах» как точно определенные частицы материи или даже как точно определенные формы волн, а скорее как «облака» - технический термин волновой функции распределения вероятности, как если бы каждый электрон был «рассеян» или «размазан» в диапазоне положений и импульсов.

Этот радикальный взгляд на электроны, как на неопределенные облака поначалу противоречит изначальному принципу квантовых состояний электронов: электроны существуют в дискретных, определенных «орбитах» вокруг ядра атома. Этот новый взгляд, в конце концов, был открытием, которое привело к образованию и объяснению квантовой теории. Как странно кажется, что теория, созданная для объяснения дискретного поведения электронов, заканчивается, объявив, что электроны существуют как «облака», а не как отдельные кусочки материи. Тем не менее, квантовое поведение электронов зависит не от электронов, имеющих определенные значения координат и импульса, а от других свойств, называемых квантовыми числами . В сущности, квантовая механика обходится без распространенных понятий абсолютного положения и абсолютного момента, а заменяет их абсолютными понятиями таких типов, у которых нет аналогов в общей практике.

Даже если электроны, как известно, существуют в бесплотных, «облачных» формах распределенной вероятности, а не в виде отдельных частей материи, эти «облака» имеют несколько другие характеристики. Любой электрон в атоме может быть описан четырьмя числовыми мерами (упомянутыми ранее квантовыми числами), которые называются главное (радиальное) , орбитальное (азимутальное) , магнитное и спиновое числа. Ниже представлен краткий обзор значения каждого из этих чисел:

Главное (радиальное) квантовое число : обозначается буквой n , это число описывает оболочку, на которой пребывает электрон. Электронная «оболочка» представляет собой область пространства вокруг ядра атома, на которой электроны могут существовать, соответствуя моделям стабильной «стоячей волны» де Бройля и Бора. Электроны могут «прыгать» с оболочки на оболочку, но не могут существовать между ними.

Главное квантовое число должно быть положительным целым числом (большим или равным 1). Другими словами, главное квантовое число электрона не может быть 1/2 или -3. Эти целые числа были выбраны не произвольно, а через экспериментальные доказательства светового спектра: разные частоты (цвета) света, излучаемые возбужденными атомами водорода, следуют математической зависимости, зависящей от конкретных целых значений, как показано на рисунке ниже.

Каждая оболочка обладает способностью удерживать несколько электронов. В качестве аналогии для электронных оболочек можно привести концентрические ряды сидений в амфитеатре. Так же, как человек, сидящий в амфитеатре, должен выбрать ряд, чтобы сесть (он не может сесть между рядов), электроны должны «выбрать» конкретную оболочку, чтобы «сесть». Как и ряды в амфитеатре, крайние оболочки удерживают больше электронов по сравнению с оболочками ближе к центру. Также электроны стремятся найти наименьшую доступную оболочку, как люди в амфитеатре ищут место, ближайшее к центральной сцене. Чем выше номер оболочки, тем больше энергии у электронов на ней.

Максимальное количество электронов, которое какая-либо оболочка может удерживать, описывается уравнение 2n 2 , где n - главное квантовое число. Таким образом, первая оболочка (n = 1) может содержать 2 электрона; вторая оболочка (n = 2) - 8 электронов; и третья оболочка (n = 3) - 18 электронов (рисунок ниже).

Главное квантовое число n и максимальное количество электронов связаны формулой 2(n 2). Орбиты не в масштабе.

Электронные оболочки в атоме были обозначаются буквами, а не цифрами. Первая оболочка (n = 1) была обозначена K, вторая оболочка (n = 2) L, третья оболочка (n = 3) M, четвертая оболочка (n = 4) N, пятая оболочка (n = 5) O, шестая оболочка (n = 6) P, и седьмая оболочка (n = 7) B.

Орбитальное (азимутальное) квантовое число : оболочка, состоящая из подоболочек. Кому-то может быть удобнее думать о подоболочках как о простых секциях оболочек, как полосы делящие дорогу. Подоболочки гораздо более странны. Подоболочки - это области пространства, где могут существовать электронные «облака», и на самом деле различные подоболочки имеют различные формы. Первая подоболочка в форме шара (рисунок ниже (s)), который имеет смысл, когда визуализируется в виде электронного облака, окружающего ядро атома в трех измерениях.

Вторая подоболочка напоминает гантель, состоящую из двух «лепестков», соединенных в одной точке недалеко от центра атома (рисунок ниже (p)).

Третья подоболочка обычно напоминает набор из четырех «лепестков», сгруппированных вокруг ядра атома. Эти формы подоболочек напоминают графические изображения диаграмм направленности антенн с лепестками, похожими на луковицы, простирающимися от антенны в различных направлениях (рисунок ниже (d)).

Орбитали:
(s) трехкратная симметричность;
(p) Показана: p x , одна из трех возможных ориентаций (p x , p y , p z), вдоль соответствующих осей;
(d) Показана: d x 2 -y 2 похожа на d xy , d yz , d xz . Показана: d z 2 . Количество возможных d-орбиталей: пять.

Допустимыми значениями орбитального квантового числа являются положительные целые числа, как и для главного квантового числа, но также включают в себя ноль. Эти квантовые числа для электронов обозначаются буквой l. Количество подоболочек равно главному квантовому числу оболочки. Таким образом, первая оболочка (n = 1) имеет одну подоболочку с номером 0; вторая оболочка (n = 2) имеет две подоболочки с номерами 0 и 1; третья оболочка (n = 3) имеет три подоболочки с номерами 0, 1 и 2.

Старое соглашение описания подоболочек использовало буквы, а не цифры. А этом формате, первая подоболочка (l = 0) обозначалась s, вторая подоболочка (l = 1) обозначалась p, третья подоболочка (l = 2) обозначалась d, и четвертая подоболочка (l = 3) обозначалась f. Буквы пришли от слов: sharp , principal , diffuse и fundamental . Вы по-прежнему можете увидеть эти обозначения во многих периодических таблицах, используемые для обозначения электронной конфигурации внешних (валентных ) оболочек атомов.

(a) представление атома серебра по Бору,
(b) орбитальное представление Ag с разделением оболочек на подоболочки (орбитальное квантовое число l).
Данная диаграмма не подразумевает ничего о фактическом положении электронов, а представляет только энергетические уровни.

Магнитное квантовое число : Магнитное квантовое число для электрона классифицирует, ориентацию фигуры подоболочки электрона. «Лепестки» подоболочек могут быть направлены в нескольких направлениях. Эти различные ориентации называются орбиталями. Для первой подоболочки (s; l = 0), которая напоминает сферу, «направление» не указывается. Для второй (p; l = 1) подоболочки в каждой оболочке, которая напоминает гантель, указывающую в трех возможных направлениях. Представьте три гантели, пересекающиеся в начале координат, каждая направлена вдоль своей оси в трехосной системе координат.

Допустимые значения для данного квантового числа состоят из целых чисел, начиная от -l до l, а обозначается данное число как m l в атомной физике и l z в ядерной физике. Чтобы рассчитать количество орбиталей в любой подоболочке, необходимо удвоить номер подоболочки и добавить 1, (2∙l + 1). Например, первая подоболочка (l = 0) в любой оболочке содержит одну орбиталь с номером 0; вторая подоболочка (l = 1) в любой оболочке содержит три орбитали с номерами -1, 0 и 1; третья подоболочка (l = 2) содержит пять орбиталей с номерами -2, -1, 0, 1 и 2; и так далее.

Как и главное квантовое число, магнитное квантовое число возникло прямо из экспериментальных данных: эффект Зеемана, разделение спектральных линий, подвергая ионизированный газ воздействию магнитного поля, отсюда и название «магнитное» квантовое число.

Спиновое квантовое число : как и магнитное квантовое число, данное свойство электронов атома было обнаружено с помощью экспериментов. Тщательное наблюдение спектральных линий показало, что каждая линия была на самом деле парой очень близко расположенных линий, было предположение, что эта так называемая тонкая структура была результатом каждого электрона, «вращающегося» вокруг своей оси, как планета. Электроны с разным «вращением» отдавали бы немного отличающиеся частоты света при возбуждении. Концепция вращающегося электрона в настоящее время устарела, будучи более подходящей для (неправильного) взгляда на электроны, как на отдельные частицы материи, а не как на «облака», но название осталось.

Спиновые квантовые числа обозначаются как m s в атомной физике и s z в ядерной физике. На каждой орбитали на каждой подоболочке в каждой оболочке может быть два электрона, один со спином +1/2, а другой со спином -1/2.

Физик Вольфганг Паули разработал принцип, объясняющий упорядоченность электронов в атоме в соответствии с этими квантовыми числами. Его принцип, называемый принципом запрета Паули , утверждает, что два электрона в одном атоме не могут занимать одинаковые квантовые состояния. То есть, каждый электрон в атоме имеет уникальный набор квантовых чисел. Это ограничивает число электронов, которые могут занимать какую-либо орбиталь, подоболочку и оболочку.

Здесь показано расположение электронов в атоме водорода:

С одним протоном в ядре, атом принимает один электрон для своего электростатического баланса (положительный заряд протона в точности уравновешивается отрицательным зарядом электрона). Этот электрон находится на нижней оболочке (n = 1), первой подоболочке (l = 0), на единственной орбитали (пространственная ориентация) этой подоболочки (m l = 0), с значением спина 1/2. Общий метод описания этой структуры выполняется с помощью перечисления электронов в соответствии с их оболочками и подоболочками согласно соглашению, называемому спектроскопическим обозначением . В этом обозначении, номер оболочки показывается как целое число, подоболочка как буква (s,p,d,f), и общее количество электронов в подоболочке (все орбитали, все спины) как верхний индекс. Таким образом, водород с его единственным электроном, размещенным на базовом уровне, описывается как 1s 1 .

Переходя к следующему атому (по порядку атомного номера), мы получаем элемент гелий:

Атом гелия состоит из двух протонов в ядре, а это требует два электрона, чтобы сбалансировать двойной положительный электрический заряд. Так как два электрона - один со спином 1/2 и другой со спином -1/2 - находятся на одной орбитали, электронная структура гелия не требует дополнительных подоболочек или оболочек, чтобы удерживать второй электрон.

Тем не менее, атом, требующий три и более электрона, будет нуждаться в дополнительных подоболочках, чтобы удерживать все электроны, так как только два электрона могут находиться на нижней оболочке (n = 1). Рассмотрим следующий атом в последовательности увеличивающихся атомных номеров, литий:

Атом лития использует часть емкости L оболочки (n = 2). Эта оболочка на самом деле имеет общую емкость величиной восемь электронов (максимальная емкость оболочки = 2n 2 электронов). Если мы рассмотрим структуру атома с полностью заполненной L оболочкой, мы увидим, как все комбинации подоболочек, орбиталей и спинов заняты электронами:

Часто, при назначении атому спектроскопического обозначения, любые полностью заполненные оболочки пропускаются, а не заполненные оболочки и заполненные оболочки высшего уровня обозначаются. Например, элемент неон (показан на рисунке выше), который имеет две полностью заполненных оболочки, может быть спектрально описан просто как 2p 6 , а не как 1s 22 s 22 p 6 . Литий с его полностью заполненной K-оболочкой и единственным электроном на L-оболочке, может быть описан просто как 2s 1 , а не 1s 22 s 1 .

Пропуск полностью заполненных оболочек нижнего уровня выполняется не только для удобства записи. Он также иллюстрирует основной принцип химии: химическое поведение элемента в первую очередь определяется его незаполненными оболочками. И водород, и литий обладают на своих внешних оболочках одним электроном (as 1 и 2s 1 соответственно), то есть, оба элемента обладают схожими свойствами. Оба обладают высокой реакционной способностью, и вступают в реакции почти одинаковыми способами (связывание с аналогичными элементами в аналогичных условиях). Не имеет большого значения, что литий имеет полностью заполненную K-оболочку под почти свободной L-оболочкой: незаполненная L-оболочка - это та оболочка, которая и определяет его химическое поведение.

Элементы, имеющие полностью заполненные внешние оболочки, классифицируются как благородные и отличаются почти полным отсутствием реакции с другими элементами. Эти элементы классифицировались как инертные, когда считалось, что они совсем не вступают в реакции, но, как известно, они образуют соединения с другими элементами при определенных условиях.

Так как элементы с одинаковыми конфигурациями электронов в своих внешних оболочках имеют сходные химические свойства, Дмитрий Менделеев соответственных образом организовал химические элементы в таблице. Данная таблица известна как , и современные таблицы следуют этому общему виду, показанному на рисунке ниже.

Периодическая таблица химических элементов

Дмитрий Менделеев, русский химик, был первым, кто разработал периодическую таблицу элементов. Несмотря на то, что Менделеев организовал свою таблицу в соответствии с атомной массой, а не атомным номером, и создал таблицу, которая была, не столь полезна, как современные периодические таблицы, его разработка выступает в качестве отличного примера научного доказательства. Увидев закономерности периодичности (аналогичные химические свойства в соответствии с атомной массой), Менделеев выдвинул гипотезу, что все элементы должны вписываться в эту упорядоченную схему. Когда он обнаружил «пустые» места в таблице, он следовал логике существующего порядка и предположил существование еще неизвестных элементов. Последующее открытие этех элементов подтвердило научную правильность гипотезы Менделеева, дальнейшие открытия привели к тому виду периодической таблицы, которую мы используем сейчас.

Вот так должна работать наука: гипотезы ведут к логическими заключениями и принимаются, изменяются или отклоняются в зависимости от согласованности экспериментальных данных с их выводами. Любой дурак может сформулировать гипотезу постфактум, чтобы объяснить имеющиеся экспериментальные данные, и многие так и делают. Что отличается научную гипотезу от спекуляции постфактум, так это предсказание будущих экспериментальных данных, которые пока не собраны, и, возможно, опровержение в результате этих данных. Смело ведите гипотезу к ее логическому заключению(-ям) и попытка предсказать результаты будущих экспериментов это не догматический прыжок веры, а скорее публичная проверка этой гипотезы, открытый вызов противникам гипотезы. Другими словами, научные гипотезы всегда «рискованны» из-за попытки предсказать результаты еще не проведенных экспериментов, и поэтому могут быть опровергнуты, если эксперименты пройдут не так, как ожидалось. Таким образом, если гипотеза правильно предсказывает результаты повторных экспериментов, ее ложность опровергнута.

Квантовая механика, сначала как гипотезы, а затем в качестве теории, оказалась чрезвычайно успешной в прогнозировании результатов экспериментов, следовательно, получила высокую степень научного доверия. У многих ученых есть основания полагать, что это неполная теория, так как ее прогнозы больше правдивы на микрофизических масштабах, а не в макроскопических размерах, но, тем не менее, это чрезвычайно полезная теория для объяснения и прогнозирования взаимодействия частиц и атомов.

Как вы уже увидели в этой главе, квантовая физика имеет важное значение при описании и прогнозировании множества различных явлений. В следующем разделе мы увидим, ее значение в электрической проводимости твердых веществ, в том числе и полупроводников. Проще говоря, ничего в химии или в физике твердого тела не имеет смысла в популярной теоретической структуре электронов, существующих как отдельные частицы материи, кружащиеся вокруг ядра атом, как миниатюрные спутники. Когда электроны рассматриваются как «волновые функции», существующие в определенных, дискретных состояниях, которые регулярны и периодичны, тогда поведение вещества может быть объяснено.

Подведем итоги

Электроны в атомах существуют в «облаках» распределенной вероятности, а не как дискретные частицы материи, вращающиеся вокруг ядра, как миниатюрные спутники, как показывают распространенные примеры.

Отдельные электроны вокруг ядра атом стремятся к уникальным «состояниям», описываемым четырьмя квантовыми числами: главное (радиальное) квантовое число , известное как оболочка ; орбитальное (азимутальное) квантовое число , известное как подоболочка ; магнитное квантовое число , описывающее орбиталь (ориентацию подоболочки); и спиновое квантовое число , или просто спин . Эти состояния квантовые, то есть «между ними» нет условий для существования электрона, кроме состояний, которые вписываются в схему квантовой нумерации.

Гланое (радиальное) квантовое число (n) описывает базовый уровень или оболочку, на которой находится электрон. Чем больше это число, тем больше радиус электронного облака от ядра атома, и тем больше энергия электрона. Главные квантовые числа являются целыми числами (положительными целыми)

Орбитальное (азимутальное) квантовое число (l) описывает форму электронного облака в конкретной оболочке или уровне и часто известно, как «подоболочка». В любой оболочке столько подоболочек (форм электронного облака), каково главное квантовое число оболочки. Азимутальные квантовые числа - целые положительные числа, начинающиеся с нуля и заканчивающиеся числом, меньшим главного квантового числа на единицу (n - 1).

Магнитное квантовое число (m l) описывает, какую ориентацию имеет подоболочка (фигура электронного облака). Подоболочки могут допускать столько различных ориентаций, чему равен удвоенный номер подоболочки (l) плюс 1, (2l+1) (то есть, для l=1, m l = -1, 0, 1), и каждая уникальная ориентация называется орбиталью. Эти числа - целые числа, начинающиеся от отрицательного значения номера подоболочки (l) через 0 и заканчивающиеся положительным значением номера подоболочки.

Спиновое квантовое число (m s) описывает другое свойство электрона и может принимать значения +1/2 и -1/2.

Принцип запрета Паули говорит, что два электрона в атоме не могут разделять один и тот же набор квантовых чисел. Следовательно, может быть не более двух электронов на каждой орбитали (спин=1/2 и спин=-1/2), 2l+1 орбиталей в каждой подоболочке, и n подоболочек в каждой оболочке, и не более.

Спектроскопическое обозначение - это соглашение для обозначения электронной структуры атома. Оболочки показываются как целые числа, за ними следуют буквы подоболочек (s, p, d, f) с числами в верхнем индексе, обозначающими общее количество электронов, находящихся в каждой соответствующей подоболочке.

Химическое поведение атома определяется исключительно электронами в незаполненных оболочках. Оболочки низкого уровня, которые полностью заполнены мало или совсем не влияют на химические характеристики связывания элементов.

Элементы с полностью заполненными электронными оболочками почти полностью инертны, и называются благородными элементами (ранее были известны как инертные).