Представление о материи квантово полевая картина мира. Принципиальные особенности научной картины мира. Кварковая модель адронов
Согласно электромагнитной картине мира окружающий человека мир представляет собой сплошную среду - поле, которое может иметь в разных точках различную температуру, концентрировать разный энергетический потенциал, по-разному двигаться и т.д. Сплошная среда может занимать значительные области пространства, ее свойства изменяются непрерывно, у нее нет резких границ. Этими свойствами поле отличается от физических тел, имеющих определенные и четкие границы. Разделение мира на тела и частицы поля, на поле и пространство является свидетельством существования двух крайних свойств мира - дискретности и непрерывности. Дискретность (прерывность) мира означает конечную делимость всего пространственно-временного строения на отдельные ограниченные предметы, свойства и формы движения, тогда как непрерывность (континуальность) выражает единство, целостность и неделимость объекта.
Электрон - это частица с определенными свойствами, но что такое частица? Частица представляет собой особый тип флуктуации квантового поля, т.е. электрон является локализованной флуктуацией электронного поля. Частица - это поле, но тогда какое поле? Концепция поля - фундаментальное понятие в физике, а также понятия пространства и времени, и поскольку у них нет простого определения словами без использования математики, хотя у каждого есть интуитивное представление о том, что такое поле.
Позвольте мне спросить вас, какое время? Ответ непрост, но у всех нас есть интуитивное представление о том, какое время. Физики используют разные математические определения понятия времени в соответствии с той областью физики, о которой мы говорим. Время в классической механике, релятивистская механика, квантовая механика, термодинамика, космология и т.д. имеет разные математические определения по внешнему виду, но совместимые в определенном смысле; поэтому все физическое мы считаем, что все эти определения соответствуют одной и той же фундаментальной концепции - времени.
В рамках классической физики дискретность и непрерывность мира первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые, хотя в целом и взаимодополняющие свойства. В современной физике это единство противоположностей, дискретного и непрерывного нашло свое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.
Что такое пространство? Опять же, это зависит от отрасли физики, о которой мы говорим, мы находим разные определения, однако все физики считают, что эти определения соответствуют одной и той же фундаментальной концепции - пространству. Кроме того, у каждого есть определенное интуитивное представление о том, что такое пространство.
С фундаментальной концепцией поля происходит одно и то же, есть несколько точных математических определений, но у всех нас есть определенное интуитивное представление о том, что такое поле, потому что каждый день мы боремся с гравитационным полем Земли. Позвольте мне классическое, нерелятивистское описание этого поля. Почему он падает? Поскольку гравитационное поле создает силу в карандаше, направленном к центру Земли. Этот физический эксперимент, который мы выполняем каждый день при ходьбе, показывает, что есть гравитационное поле, которое окружает нас повсюду и тянет нас вниз.
В основе современной квантово-полевой картины мира лежит новая физическая теория - квантовая механика, описывающая состояние и движение микрообъектов материального мира.
Квантовой механикой называют теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми опытным путем.
Гравитационное поле находится в пространстве, которое окружает меня, даже если нет объекта, который служит мне для доказательства его существования. Поле - это то, что неотъемлемо связано с пространством. Масса Солнца нарушает это универсальное гравитационное поле таким образом, что оно влияет на движение Земли и Луны, но не влияет на ваше тело прямо сейчас, поскольку ее вклад очень мал по сравнению с нарушением этого поля, введенным земля. Возмущение «гравитационного поля», вносимое Землей, достигает поверхности Луны, но никто из астронавтов миссий Аполлона не заметил этого возмущения, поскольку он презрен по сравнению с поверхностью Луны на ее поверхности.
Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволяют выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, изучить свойства элементарных частиц.
Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, то законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Например, квантовая механика позволила определить строение и понять многие свойства твердых тел, последовательно объяснить явления ферромагнетизма, сверхтекучести, сверхпроводимости, понять природу астрофизических объектов - белых карликов, нейтронных звезд, выяснить механизм протекания термоядерных реакций на Солнце и звездах.
В теории общей теории относительности Эйнштейна «гравитационное поле» является самым пространством времени Вселенной; локальная интенсивность этого поля зависит от локальной кривизны и любых кривых распределения энергии от пространства-времени. Идя глубже в эту идею, мы будем держать нас в стороне от нашей цели. Другое классическое поле, в котором все мы имеем интуитивное понятие, - это магнитное поле магнитов. Магнит имеет два северных и южных полюса. Электромагнитное поле распространяется по всему пространству Вселенной.
Магнит изменяет это универсальное электромагнитное поле только в его окрестности, и если мы отступим, его эффект станет пренебрежимо малым. Не так уж далеко от магнита исчезает магнитное поле, создаваемое магнитом, что происходит, когда магнит изменяет «электромагнитное поле», пронизывающее все пространство Вселенной, но его эффект локальный и далек настолько слаб, что мы не можем его измерить. Каждая небольшая область пространства во Вселенной «содержит» электромагнитное поле; каждая математическая точка пространства имеет конкретное значение поля.
Разработка квантовой механики относится к началу XX в., когда были обнаружены физические явления, свидетельствующие о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики к процессам взаимодействия света с веществом и процессам, происходящим в атоме. Установление связи между этими группами явлений и попытки объяснить их на основе теории привели к открытию законов квантовой механики.
Это поле имеет две компоненты, и мы можем сказать, что это два поля, электрическое поле и магнитное поле, связанные одновременно с каждой точкой пространства. Когда область пространства пуста, она далека от источников магнитного поля и электрического поля, нам кажется, что эта область ничего не содержит, но это не так, эта область «занята» пустотой электромагнитного поля. Когда человек думает о поле в пустоте, мы представляем нулевое значение, нулевое значение, которое указывает на отсутствие поля.
Этот классический образ не имеет ничего общего с реальностью, поскольку поля, которые существуют во Вселенной, являются квантовыми полями, квантовая пустота которых не соответствует нулевому значению, а постоянным колебаниям пространства и времени. Вакуум не пуст; пустое пространство занято полями. Вакуум электромагнитного поля - это состояние поля, в котором у меня нет никаких частиц, но поле постоянно колеблется, и физики смогли проектировать эксперименты, чтобы проверить существование этого квантового вакуума поля.
Впервые в науке представления о кванте высказал в 1900 г. М. Планк в процессе исследования теплового излучения тел. Своими исследованиями он продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями - квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны. Эксперименты Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно и корпускулярными, и волновыми свойствами, представляя собой, таким образом, диалектическое единство этих противоположностей. Диалектика, в частности, выражается в том, что чем короче длина волны излучения, тем ярче проявляются квантовые свойства; чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства света.
Колебания поля в вакуумном состоянии никогда не прекращаются. С помощью компьютерного моделирования мы можем визуализировать эти колебания вакуума. На этой веб-странице у вас есть два видео, которые показывают эти колебания для пустоты электромагнитного поля. Вышеприведенное видео показывает флуктуации вакуума электрического поля и ниже вакуума магнитного поля; дело не в том, что в одном и том же пространстве пространства есть два поля, есть только одно поле, но это поле имеет две компоненты, которые, хотя и объединены вместе, имеют независимые колебания.
В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул гипотезу, что корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы вещества обладают волновыми свойствами. Позднее эта идея была подтверждена экспериментально, и принцип корпускулярно-волнового дуализма был распространен на все процессы движения и взаимодействия в микромире.
Термин «виртуальный» относится к тому, что флуктуации вне оболочки не наблюдаются непосредственно. Многие физики интерпретируют колебания вакуума как нештатные или виртуальные колебания частиц. Колебания с р = 0 покоятся, поле не перестает флуктуировать, но флуктуация не движется в пространстве. В полевой квантовой теории локализованные флуктуации полей соответствуют дискретному числу частиц; вакуум - это состояние с нулевыми частицами, есть состояния с одной частицей, с двумя, с тремя и т.д. в квантовой теории полей невозможно иметь флуктуацию, соответствующую получастице или десятой частице.
В частности, Н. Бор применил идею квантования энергии к теории строения атома. Согласно его представлениям в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг ядра вращаются по орбитам отрицательно заряженные электроны. Вращающиеся электроны должны терять часть своей энергии, что влечет за собой нестабильное существование атомов. Однако на практике атомы не только существуют, но и являются весьма устойчивыми. Объясняя этот вопрос, Бор предположил, что электрон, совершая движение по своей орбите, не испускает квантов. Излучение происходит лишь при переходе электрона с одной орбиты на другую, т.е. с одного уровня энер-
Либо есть частица, либо ее нет, но всегда должно быть учетное число частиц. В классических полях нет понятия частицы, а локализованные флуктуации напоминают частицы, но не соответствуют частицам. Многие физики, которые читают это, будут говорить иначе; для них частицы вещественны, а поля - это математические энтелехии, которые помогают нам понять поведение частиц.
Истина заключается в том, что мы еще не обнаружили флуктуации полей, отличных от частиц, виртуальных частиц или пустот, но многие физики считают, что теоретическое существование флуктуаций полей, которые не являются частицами, которые однажды могут быть обнаружены, поддерживает идею о том, что поля являются более фундаментальными, чем частицы. Электрон является локализованной флуктуацией электронного квантового поля. Вакуум этого поля соответствует отсутствию электронов; в области вакуума поле постоянно колеблется, но в этой области нет электрона на оболочке, поэтому нет электрона.
гаи на другой, с меньшей энергией. В момент перехода и рождается квант излучения.
В соответствии с квантово-полевой картиной мира любой микрообъект, обладая волновыми и корпускулярными свойствами, не имеет определенной траектории движения и не может иметь определенных координат и скорости (импульса). Это можно сделать только через определение волновой функции в данный момент, а потом найти его волновую функцию в любой другой момент. Квадрат модуля дает вероятность нахождения частицы в данной точке пространства.
В областях пространства, где есть электрон, имеются локализованные флуктуации электронного поля, соответствующие частице на оболочке. Важным моментом для подчеркивания является неразличимость частиц. Все электроны точно идентичны друг другу, между ними нет разницы, что позволяет нам отличать друг от друга. Принцип исключения Паули говорит нам, что два электрона не могут находиться в одном и том же месте, если они не имеют противоположных значений спина. Если взять два электрона, помещенных в положения 1 и 2, и приблизиться к ним много, флуктуации электронного поля, соответствующие каждому, будут складываться и порождать флуктуацию электронного поля, представляющего два электрона.
Кроме того, относительность пространства-времени в данной картине мира приводит к неопределенности координат и скорости в данный момент, к отсутствию траектории движения микрообъекта. И если в классической физике вероятностным законам подчинялось поведение большого числа частиц, то в квантовой механике поведение каждой микрочастицы подчиняется не динамическим, а статистическим законам.
Наблюдение этой флуктуации будет невозможно отличить оба электрона. Квантовая механика утверждает, что ее невозможно узнать. Каков спин электрона? Поскольку физические единицы спина такие же, как у момента импульса, который измеряет, как тело вращается, многие люди воображают, что электрон как вращающийся шар; два значения спина были бы двумя возможными направлениями вращения. Эта аналогия не имеет физического смысла. Спин электрона говорит нам, что электронное поле имеет несколько компонентов и как эти компоненты должны быть связаны друг с другом, чтобы поле было релятивистским инвариантом.
Таким образом, материя двулика: она обладает и корпускулярными, и волновыми свойствами, которые проявляются в зависимости от условий. Отсюда общая картина реальности в квантово-полевой картине мира становится как бы двуплановой: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой - условия наблюдения, от которых зависит определенность этих характеристик. Это означает, что картина реальности в современной физике является не только картиной объекта, но и картиной процесса его познания.
Понятие поля, как и понятия времени и пространства, - это математические идеи, описывающие то, что мы наблюдаем в Природе посредством серии экспериментов. Свойства полей - физические свойства, которые мы наблюдаем в серии экспериментов. В физике мы имеем только эксперименты и математические описания, которые позволяют предсказать, что будет получено в конкретном эксперименте. Преимущество математического описания заключается в его краткости, поскольку с несколькими физическими законами и большим количеством мощных математических инструментов мы можем описать бесконечные эксперименты и все их результаты.
Итак, ушли в прошлое представления о неизменности материи и возможности достичь конечного предела ее делимости. Сегодня мы рассматриваем материю с точки зрения корпускулярно-волнового дуализма. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость и взаимозависимость. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц.
Но мы всегда должны помнить, что если наши физические законы не сработают в каком-то эксперименте, мы должны перейти к законам, новому математическому описанию, но природа та же. Только наше описание этой реальности изменилось. На протяжении веков религии и ортодоксальная наука овладели знаниями, чтобы разделить ее, в жестокой конкуренции между религиозностью Церкви и материализмом науки. Таким образом, вся универсальная динамика считалась огромным механизмом, предсказуемым и в котором у человека не было заболеваемости.
Все было в руках Бога, споря вечную пуджу в его творении: между добром и злом, хаосом и порядком. В наши дни много говорится о квантовой физике, но в конечном счете, что такое квантовая физика? Если сравнить квантовую физику с денежной системой, основанной на весе, минимальная единица такой системы - это копейка. Тогда так называемая классическая физика будет заниматься изучением системы из единицы веса, в то время как квантовая физика будет делать это из копейки. Тогда это может привести нас к определению его как субатомной науки.
Кардинально меняется представление о движении, которое становится лишь частным случаем фундаментальных физических взаимодействий. Известно четыре вида фундаментальных физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Все они описываются на основе современного принципа близкодействия. В соответствии с ним взаимодействие каждого типа передается соответствующим полем от точки к точке. При этом скорость передачи взаимодействия всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме (300 000 км/с).
Квантовая физика начинает открывать новый путь к истинному знанию, признавая божественность в себе и силу сотворчества, которой все мы обладаем. Человек перестает быть «космонавтом» судьбы, чтобы понять, что он может сознательно выбирать и создавать, как он хочет взаимодействовать с реальностью.
Квантовый член исходит из кванта, который является наименьшей единицей, составляющей свет. Эксперименты, проведенные в самых передовых лабораториях, изучающих физику частиц, показали, что на наименьшем уровне материи уровень элементарных частиц - все это энергия. Чтобы понять это лучше, скажем, что вещество представляет собой конденсированный свет. В лабораториях было обнаружено, что частицы и античастицы аннигилируют друг друга, приводя к появлению лучистой энергии и чистой энергии. В квантовом мире возникают процессы творения и разрушения, научная демонстрация того, что энергия и материя являются не более чем двумя полюсами одной и той же сущности, единой универсальной субстанции.
Окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, их зависимости от материи. Пространство
и время перестают быть независимыми друг от друга и согласно теории относительности сливаются в едином четырехмерном пространстве-времени, которое не существует вне материальных тел.
Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они всегда выступают в вероятностной форме, в виде так называемых статистических законов. Они соответствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей. Таким образом, оказалось, что в основе нашего мира лежит случайность, вероятность.
Также новая картина мира впервые включила в себя наблюдателя, от присутствия которого зависели получаемые результаты исследований. Более того, был сформулирован так называемый антропныи принцип, который утверждает, что наш мир таков, каков он есть, только благодаря существованию человека. Отныне появление человека считается закономерным результатом эволюции Вселенной.
Квантово-полевая картина мира изучает движение элементарных частиц: протонов, электронов, нейтронов и др. В основу картины мира положена квантовая механика.
Квантовая механика выясняет строение атома; объясняет взаимодействие химических элементов; исследует закономерности периодической таблицы химических элементов, изучает свойства элементарных частиц и пр.
Закономерности квантовой механики
1. Объект исследования (элементарная частица) обладает двойственной природой, проявляя свойства и вещества и поля. Эти свойства отражает уравнение волны де Бройля: λ=h/p, где p- импульс частицы, λ- длина волны, h- постоянная Планка.
2. Поведение объекта описывается волновой функцией (уравнением Э. Шредингера).
3. Законы носят вероятностный характер. О нахождении частицы в данном объеме пространства можно говорить только с некоторой вероятностью.
4. Невозможно одновременно определить и импульс, и координату частицы с заранее заданной точностью (принцип неопределенности Гейзенберга). Для решения этого вопроса требуется проведение двух экспериментов с набором приборов отдельно для определения координаты и для определения импульса. Невозможность одновременного определения координаты и импульса обусловлена дуализмом свойств самой частицы.
5. Понятие о траектории движения микрообъекта не имеет смысла, т.к. он одновременно и волна, и частица.
По типу взаимодействия, в котором участвуют элементарные частицы, все они, за исключением фотона, могут быть отнесены к двум группам.
К первой относятся адроны, для которых характерно наличие сильного взаимодействия, но они могут участвовать также в электромагнитном и слабом взаимодействиях.
Ко второй группе принадлежат лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях.
Помимо общих групповых характеристик, элементарные частицы обладают также специфическими, индивидуальными признаками, которые характеризуются их квантовыми числами. К ним относят массу частицы, время ее жизни, спин и электрический заряд. По массе частицы делятся на тяжелые, промежуточные и легкие. По времени жизни различают стабильные, квазистабильные и нестабильные частицы.
Кварковая модель адронов
Квантовая картина мира
Квантовая картина мира изучает взаимодействие элементарных частиц.
В квантовую картину мира входят две основные теории квантовая электродинамика, построенная французским физиком П. Дираком и квантовая хромодинамика.
Квантовая электродинамика (КЭД) рассматривает взаимодействие элементарных частиц с электромагнитным полем. Основная идея КЭД: элементарная частица поглощает квант энергии, затем его излучает.
КЭД вскрывает целый ряд фундаментальных законов микромира. Средних важнейшие законы превращения двух видов материальных субстанций- вещественной и полевой материи друг в друга. Примером может служить реакция аннигиляции, при которой электрон и позитрон (его античастица) переходят в полевую форму материи- квант.
Хромодинамика
Теория сильного взаимодействия называется квантовой хромодинамикой. Хромодинамика изучает взаимодействие кварков и глюонов в протонах и нейтронах, из которых они состоят. Попытка развести кварков и глюонов, т. Е получить в свободном состоянии приводит к неограниченному возрастанию энергии. Они как бы запираются в протонах и нейтронах (адронах). Адроны состоят из кварков и антикварков. Всего имеется 6 видов (или "ароматов") кварков, обозначаемых первыми буквами соответствующих английских слов u (up), d (down), c (charm), s (strange), t (top), b (bieaty). Например, нуклоны состоят из трех кварков: протон- из кварков uud, а нейтрон - из кварков udd. Если рассматривать сегодня строго определение фундаментальных элементарных частиц, то к ним можно отнести 12 фермионов и 4 бозона. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны. Они "склеивают" кварки в адронах. Источниками глюонов являются так называемые "цветовые заряды". Они не имеют никакого отношения к обычным цветам и так названы для удобства описания. Каждый из 6 "ароматов" кварков существует в трех цветовых разновидностях: желтой, синей или красной. Антикварки несут антизаряды. Важно подчеркнуть, что три заряда и три антизаряда совершенно не зависят от "ароматов" кварков. Таким образом, насчитывается 36 кварков и антикварков. Кроме этого имеется еще 9 глюонов, которые являются также носителями цветовых зарядов.. Существование кварков и глюонов приводит к появлению нового состояния вещества, которое носит название кварк-глюонная плазма (обычная плазма состоит из электронов и ионов).
Физический вакуум
3.Вакуум как состояние поля с наименьшей энергией, состоящей из виртуальных частиц.
Главный смысл новейших мировых открытий таков: во вселенной доминирует физический вакуум, по плотности энергии он превосходит все обычные формы материи вместе взятые. Хоть вакуум чаще всего называют космическим, он присутствует всюду, пронизывая насквозь все пространство и материю. Физический вакуум является самым энергоемким, в прямом смысле слова неисчерпаемым источником жизненно важной, экологически чистой энергии. Физический вакуум - это единое энерго-информационное поле вс
По расчетам Нобелевского лауреата Р.Фейнмана и Дж. Уиллера, энергетический потенциал вакуума настолько огромен, что "в вакууме, заключенном в объеме обыкновенной электрической лампочки, энергии такое количество, что ее хватило бы, чтобы вскипятить все океаны на Земле". Однако, до сих пор традиционная схема получения энергии из вещества остается не только доминирующей, но даже считается единственно возможной. Под окружающей средой по-прежнему упорно продолжают понимать вещество, которого так мало, забывая о вакууме, которого так много. Именно такой старый "вещественный" подход и привел к тому, что человечество, буквально купаясь в энергии, испытывает энергетический голод.
Само понятие "физический вакуум" появилось в науке как следствие осознания того, что вакуум не есть пустота, не есть "ничто". Он представляет собой чрезвычайно существенное "нечто", которое порождает все в мире и задает свойства веществу, из которого построен окружающий мир.
Оказывается, что даже внутри твердого и массивного предмета вакуум занимает неизмеримо большее пространство, чем вещество. Таким образом, мы приходим к выводу, что вещество является редчайшим исключением в огромном пространстве, заполненном субстанцией вакуума. В газовой среде такая асимметрия еще больше выражена, не говоря уже о космосе, где наличие вещества является больше исключением, чем правилом. Видно, сколь ошеломляюще огромно количество материи вакуума во Вселенной в сравнении даже с баснословно большим количеством вещества в ней. В настоящее время ученым уже известно, что вещество своим происхождением обязано материальной субстанции вакуума, и все свойства вещества задаются свойствами физического вакуума.