Вероятностное обоснование уравнения Шрёдингера (Макс Борн)
Если электрон – волна, то что колеблется? Макс Борн в 1928 г. ответил на этот вопрос. Волновая функция не есть колебание материального тела, это функция, определяющая вероятность нахождения электрона в данной точке (эту вероятность задаёт квадрат амплитуды волновой функции). Координаты частицы невозможно определить точно. Можно лишь рассчитать вероятность нахождения её в данный момент времени в данной точке пространства – и ничего более. Уравнения, определяющие эту вероятность, записываются волновыми функциями. Вероятностное истолкование волнового уравнения получило название “копенгагенская интерпретация” (хотя сам Борн работал в Геттингене). Существовали и другие версии осмысления волновой функции, например, “брюссельская интерпретация”, но копенгагенская является ведущей.Под “копенгагенской интерпретацией” понимается также триединство “объект-прибор-наблюдатель”. Эта философская позиция, которую развивал Бор, подразумевала, что квантовая физика изучает не только внешний объект, наблюдатель и прибор “встроены в теорию”. Предполагалось, что в зависимости от того, какой прибор выбирает наблюдатель, такую ипостась частицы – волновую или корпускулярную – удаётся зарегистрировать. Вместе, одновременно, обе характеристики получить нельзя. Является ли электрон волной или корпускулой - зависит от наблюдателя.От субъективизма в физике удаётся избавиться, если принять, что вероятность –характеристика состояния, имеющая чисто физические причины. Такая философская позиция у современных физиков является ведущей.«Анализируя степень обоснованности положения о вероятностной интерпретации волновой функции, отметим, что в квантовой механике две основные задачи — нахождение характеристик стационарного состояния атома, т. е. энергии, квантовых чисел, о которых пойдет речь в следующем разделе, и расчет вероятностей ядерных реакций как функций энергий и углов рассеяния частиц. Решение первой задачи, основной в атомной физике, не требует интерпретации волновой функции, так как энергия и квантовые числа физической системы находятся как условия, при которых уравнение Шредингера имеет решение. В основе постановки второй задачи, относящейся к ядерной физике, лежит вероятностная интерпретация волновой функции. Многие такие задачи решены и блестяще согласуются с экспериментом. В настоящее время нет экспериментальных указаний против вероятностной интерпретации Борна, так же как нет и альтернативной трактовки волновой функции.» (Дубовой, 1979).Для иллюстрации объективности вероятностных процессов можно использовать феномен туннельного эффекта. Представьте себе одинаковые рюмки, стоящие на горизонтальной крышке стола. В одной из рюмок (назовём её А-рюмка) находится горошина. Чтобы переместить её в другую рюмку, нужно сначала затратить энергию на подъём горошины, а затем эту энергию получить обратно. В итоге энергетический баланс будет нулевым.Ситуацию, в которой находится горошина, называют наличием потенциального барьера. В нашем мире горошина никогда не сможет переместиться из одной рюмки в другую – она никогда не получит нужной энергии для преодоления потенциального барьера.Но в квантовом мире микрочастица может выйти за пределы потенциального барьера, если он не очень широк – пси-волна не полностью поглощается стенками узкого барьера, по другую его сторону ослабленная волна всё же имеет ненулевое значение. Пси-волна – функция вероятности нахождения частицы в данной точек пространства. Это значит, что вероятность обнаружения частицы на дне Б-рюмки хоть маленькая, да существует. Главное, чтобы при этом не нарушился закон сохранения энергии.Это – основа теории α-распада, созданной Гамовым в 1928 г. α-частицы, находящиеся в ядре атома, отделены от внешнего мира потенциальным барьером. У радия и некоторых других элементов он не очень широк и α-частицы имеют мизерный шанс совершить побег. В препарате радия с большим числом атомов такая вероятность превращается в закономерность.Кто не понял физической сути туннельного эффекта, должен сосредоточиться на главном - α-распад осуществляется без наблюдателя и его приборов, вероятностные процессы здесь не есть следствие погрешности эксперимента.Так, начиная с 1913, вероятностный детерминизм непрерывно расширял свои владения, пока не стал главным принципом квантовой физики. Полное осознание его господства наступило довольно поздно. Так, Борн получил Нобелевскую премию только в 1954 г. В физике макромира жёсткий детерминизм остаётся господствующим. В теории вероятности существует закон больших чисел Чебышева, который можно сформулировать приблизительно следующим образом: чем больше объём статистического материала, тем меньше погрешностей в предсказании обобщённых результатов эксперимента. Если выборка стремится к бесконечности, то погрешность становится бесконечно малой.Законы статистических распределений обычно называют просто статистиками. Поведение ансамблей элементарных частиц описывается другими формулами – это статистика Ферми-Дирака для частиц вещества (фермионов) – электронов, протонов, нейтрино и т.д. и статистика Бозе-Эйнштейна для квантов полей (бозонов) – например, для квантов света. В квантовой физике они играют огромную роль.
Открытие нейтрона, электрона, мю-мезона
В 1932 г. сотрудник Резерфорда Д. Чэдвик открыл нейтрон, точнее, электрически нейтральный объект с массой, приблизительно равной массе протона. Существование подобного объекта не нарушало законов атомной физики, более того, он был предсказан Резерфордом ещё в 1920 г. Действительно, если ядро атома гелия, например, имеет массу, равную четырём массам протона, а заряд, равный двум зарядам протона, следовательно, в ядре должно существовать ещё нечто, тяжёлое и нейтральное. Но это нечто можно было собрать из существующих на то время деталей конструктора. Резерфорд выдвинул на эту роль гипотетический особо тесный комплекс протон+электрон. И это было совершенно естественно – раз в процессе β-распада из ядра вылетают электроны, значит их там должно быть много. Правда, уже в 1932 г. Д.Д. Иваненко и Э. Майорана независимо друг от друга предложили модель ядра, состоящую из протонов и нейтронов.Только два года спустя Чэдвик пришёл к выводу, что открытый им объект – новая элементарная частица. Признать это было психологически сложно – физики не хотели новых частиц, не хотели перестраивать с таким трудом созданную теорию атома, казавшегося таким простым и прекрасным.Помимо нейтрона, к началу 30-х годов были ещё две гипотетических частицы, получивших впоследствии названия "нейтрино" и "позитрон". Нейтрино придумал Паули для объяснения непонятных явлений при β-распаде радиоактивных веществ. Почему скорости электронов, вылетающих из одинаковых атомов, разные? Паули предположил, что при β-распаде атом испускает две частицы и суммарная их энергия постоянна, а между частицами она делится достаточно произвольно. Вторая частица электрически нейтральна, поэтому она не регистрируется обычными приборами и не вступает во взаимодействие с атомами. Он считал, что если данная частица существует, то при его жизни её не обнаружат – необходим феноменальный прогресс экспериментальной техники для регистрации нейтрино. В оценке скорости прогресса он ошибся и на три года пережил срок экспериментального доказательства существования нейтрино.Положительно заряженный электрон можно было получить из уравнений Дирака, однако мало кто думал, что это решение имеет какой-либо физический смысл.
Теория сильного взаимодействия. Сильное ядерное взаимодействие
Цветовое взаимодействие, ядерное взаимодействие — одно из четырёх фундаментальных взаимодействий в физике. Сильное взаимодействие действует в масштабах атомных ядер и меньше, отвечая за притяжение между нуклонами в ядрах и между кварками в адронах. В сильном взаимодействии участвуют кварки и глюоны, а также составленные из них элементарные частицы, называемые адронами. В 1934 г. Хидэки Юкава предложил гипотезу сильного взаимодействия. Если протоны в ядре атома, испытывая мощнейшее электрическое отталкивание, не разлетаются, то значит, их удерживают более мощные силы, чем электромагнитные. Юкава вводит новое поле, в котором силы действуют на очень коротком расстоянии. Он рассчитал, что чем массивней квант поля, тем короче расстояние, на которое оно распространяется. Так как кванты электромагнитного поля – фотоны – не имеют массы, электромагнитные воздействия распространяются на бесконечные расстояния. Короткодействующее "сильное" поле Юкавы тоже квантуется, и масса кванта должна быть меньше массы протона, но больше массы электрона. Гипотетическая частица Юкавы получила название мезон (мезо- греч. – средне- промежуточной).Частица, похожая на мезон Юкавы, была обнаружена при исследовании вкосмических лучей, в 1937 г., но позже оказалось, что это не квант сильного поля.