W. Heisenberg

Koncept "materije" je u više navrata prolazio kroz istoriju ljudskog mišljenja. Različito se tumači u različitim filozofskim sistemima. Kada koristimo riječ "materija", to moramo imati na umu različita značenja, koji su bili vezani za koncept „materije“, još su manje-više sačuvani u modernoj nauci.

Rana grčka filozofija od Talesa do atomista, koja je tražila jedan početak u beskrajnoj promjeni svih stvari, formulirala je koncept kosmičke materije, svjetske supstance koja prolazi kroz sve te promjene, iz koje nastaju sve pojedinačne stvari i u koju se na kraju pretvaraju. opet. Ova materija je dijelom poistovjećena s nekom specifičnom tvari - vodom, zrakom ili vatrom - a dijelom joj se nisu pripisivali drugi kvaliteti osim kvaliteta materijala od kojeg su napravljeni svi predmeti.

Kasnije je koncept materije igrao važnu ulogu u filozofiji Aristotela - u njegovim idejama o povezanosti oblika i materije, forme i supstance. Sve što posmatramo u svetu pojava je formirana materija. Materija, dakle, nije stvarnost sama po sebi, već predstavlja samo mogućnost, “potencija”; ona postoji samo zahvaljujući obliku 13. U prirodnim pojavama, “biće”, kako ga naziva Aristotel, prelazi iz mogućnosti u stvarnost, u nešto stvarno ostvareno, zahvaljujući formi. Za Aristotela materija nije nikakva specifična supstanca, kao što su voda ili vazduh, niti je čisti prostor; ispostavlja se u određenoj mjeri kao neodređeni tjelesni supstrat, koji u sebi sadrži mogućnost prelaska, zahvaljujući obliku, u ono što se stvarno dogodilo, u stvarnost. Tipičan primjer ovog odnosa između materije i forme u Aristotelovoj filozofiji je biološki razvoj, u kojem se materija pretvara u žive organizme, kao i stvaranje umjetničkog djela od strane čovjeka. Kip je potencijalno sadržan u mermeru pre nego što ga je kipar isklesao.

Tek mnogo kasnije, počevši od Dekartove filozofije, materija je kao nešto primarno počela da se suprotstavlja duhu. Postoje dva komplementarna aspekta svijeta, materija i duh, ili, kako je Descartes rekao, "res extensa" i "res cogitans". Budući da su nova metodološka načela prirodne nauke, posebno mehanike, isključivala svođenje tjelesnih pojava na duhovne sile, materija se mogla smatrati samo posebnom stvarnošću, nezavisnom od ljudskog duha i bilo kakvih natprirodnih sila. Materija u ovom periodu izgleda kao već formirana materija, a proces formiranja se objašnjava uzročnim lancem mehaničkih interakcija. Materija je već izgubila vezu sa „vegetativnom dušom“ aristotelovske filozofije, pa stoga dualizam između materije i forme u ovom trenutku više ne igra nikakvu ulogu. Ova ideja o materiji je možda dala najveći doprinos onome što sada razumemo pod rečju "materija".

Konačno, u prirodnim naukama 19. vijeka, još jedan dualizam je igrao važnu ulogu, a to je dualizam između materije i sile, ili, kako su tada govorili, između sile i supstance. Na materiju mogu uticati sile, a na materiju mogu uticati sile. Materija, na primjer, stvara silu gravitacije, a ova sila zauzvrat utječe na nju. Stoga su sila i materija dva jasno različita aspekta fizičkog svijeta. Budući da su sile i formativne sile, ova distinkcija se opet približava aristotelovskoj razlici između materije i forme. S druge strane, upravo u vezi sa najnoviji razvoj U modernoj fizici ova razlika između sile i materije potpuno nestaje, jer svako polje sila sadrži energiju iu tom pogledu predstavlja i dio materije. Svako polje sile odgovara određenoj vrsti elementarnih čestica. Čestice i polja sila su samo dva različita oblika ispoljavanja iste stvarnosti.

Kada prirodna nauka proučava problem materije, ona prije svega treba da ispita oblike materije. Beskonačna raznolikost i varijabilnost oblika materije treba da postane direktni predmet proučavanja; napori bi trebali biti usmjereni na pronalaženje zakona prirode, jedinstvenih principa koji bi mogli poslužiti kao nit vodilja u ovom beskrajnom polju istraživanja. Zbog toga su egzaktne prirodne nauke, a posebno fizika, već dugo koncentrisale svoje interese na analizu strukture materije i sila koje ovu strukturu određuju.

Od Galilejevog vremena, glavni metod prirodnih nauka bio je eksperiment. Ova metoda je omogućila da se od opštih studija prirode pređe na specifične studije, da se identifikuju karakteristični procesi u prirodi, na osnovu kojih se njeni zakoni mogu proučavati direktnije nego u opštim studijama. Odnosno, kada se proučava struktura materije, potrebno je na njoj izvoditi eksperimente. Neophodno je staviti materiju u neuobičajene uslove kako bi se proučavala njena transformacija u tim okolnostima, nadajući se da će se na taj način upoznati neke fundamentalne karakteristike materije koje su sačuvane uprkos svim njenim vidljivim promenama.

Od nastanka moderne prirodne nauke, to je bio jedan od najvažnijih ciljeva hemije, u kojoj su prilično rano došli do pojma hemijskog elementa. Supstanca koja se nije mogla dalje razgraditi ili razgraditi nijednim od sredstava dostupnih hemičarima u to vrijeme: ključanjem, spaljivanjem, otapanjem, miješanjem s drugim supstancama, nazivala se „elementom“. Uvođenje ovog koncepta bio je prvi i izuzetno važan korak u razumijevanju strukture materije. Raznolikost supstanci koje se nalaze u prirodi time je svedena barem na relativno mali broj jednostavnijih supstanci, elemenata, pa je zahvaljujući tome uspostavljen određeni red među raznim pojavama kemije. Reč "atom" je stoga primenjena na najmanju jedinicu materije koja je deo hemijskog elementa, a najmanja čestica hemijskog jedinjenja mogla bi se vizuelno predstaviti kao mala grupa različitih atoma. Ispostavilo se da je najmanja čestica elementa željeza, na primjer, atom željeza, a najmanja čestica vode, takozvana molekula vode, sastoji se od atoma kisika i dva atoma vodika.

Sljedeći i gotovo jednako važan korak bilo je otkriće očuvanja mase u kemijskim procesima. Ako, na primjer, element ugljik izgori i nastane ugljični dioksid, tada je masa ugljičnog dioksida jednaka zbroju masa ugljika i kisika prije početka procesa. Ovo otkriće je dalo konceptu materije prvenstveno kvantitativno značenje. Bez obzira na njena hemijska svojstva, materija se može meriti njenom masom.

U narednom periodu, uglavnom u 19. veku, otkriven je veliki broj novih hemijskih elemenata. U naše vrijeme njihov broj je premašio 100. Taj broj, međutim, potpuno jasno pokazuje da nas koncept hemijskog elementa još nije doveo do tačke s koje bi se moglo razumjeti jedinstvo materije. Pretpostavka da postoji mnogo kvalitativnih razne vrste materija, između koje ne postoje unutrašnje veze, nije bila zadovoljavajuća.

Do početka 19. vijeka već su pronađeni dokazi u prilog postojanju veze između različitih hemijskih elemenata. Ovaj dokaz leži u činjenici da su atomske težine mnogih elemenata izgledale kao cjelobrojni višekratnici neke najmanje jedinice koja je približna atomskoj težini vodika. U prilog postojanju ovog odnosa govorila je i sličnost hemijskih svojstava nekih elemenata. Ali samo primenom sila mnogo puta jačih od onih koje deluju u hemijskim procesima bilo je moguće istinski uspostaviti veze između različitih elemenata i približiti se razumevanju jedinstva materije.

Pažnja fizičara bila je privučena ovim silama u vezi s otkrićem radioaktivnog raspada od strane Becquerela 1896. godine. U kasnijim studijama Curiea, Rutherforda i drugih, transformacija elemenata u radioaktivnim procesima je jasno prikazana. Alfa čestice su emitovane u ovim procesima kao fragmenti atoma sa energijom koja je bila približno milion puta veća od energije jedne čestice u hemijskom procesu. Shodno tome, ove čestice bi se sada mogle koristiti kao novi istraživački alat unutrašnja struktura atom. Nuklearni model atoma, koji je predložio Rutherford 1911. godine, bio je rezultat eksperimenata raspršivanja alfa čestica. Najvažnija karakteristika ovog poznatog modela bila je podjela atoma na dva potpuno različita dijela - atomsko jezgro i elektronske ljuske koje okružuju atomsko jezgro. Atomsko jezgro zauzima u centru samo izuzetno mali dio ukupnog prostora koji zauzima atom - poluprečnik jezgra je otprilike sto hiljada puta manji od poluprečnika cijelog atoma; ali još uvijek sadrži gotovo cijelu masu atoma. Njegov pozitivni električni naboj, koji je cijeli broj višekratnik takozvanog elementarnog naboja, određuje ukupan broj elektrona koji okružuju jezgro, jer atom kao cjelina mora biti električno neutralan; time određuje oblik putanja elektrona.

Ova razlika između atomskog jezgra i elektronske ljuske odmah je dala konzistentno objašnjenje za činjenicu da su u hemiji hemijski elementi koji su poslednje jedinice materije i da su potrebne veoma velike sile da se elementi transformišu jedan u drugi. Hemijske veze između susjednih atoma objašnjavaju se interakcijom elektronskih ljuski, a energije interakcije su relativno niske. Elektron ubrzan u cijevi za pražnjenje potencijalom od samo nekoliko volti ima dovoljno energije da "olabavi" elektronske ljuske i izazove emisiju svjetlosti ili razbije hemijsku vezu u molekulu. Ali hemijsko ponašanje atoma, iako se zasniva na ponašanju elektronskih ljuski, određeno je električnim nabojem atomskog jezgra. Ako želite da promenite hemijska svojstva, potrebno je da promenite samo atomsko jezgro, a za to su potrebne energije koje su oko milion puta veće od onih koje se javljaju u hemijskim procesima.

Ali nuklearni model atoma, posmatran kao sistem u kojem su zadovoljeni zakoni Njutnove mehanike, ne može objasniti stabilnost atoma. Kao što je utvrđeno u jednom od prethodnih poglavlja, samo primjena kvantne teorije na ovaj model može objasniti činjenicu da je, na primjer, atom ugljika, nakon što je stupio u interakciju s drugim atomima ili emitovao kvantum svjetlosti, još uvijek u konačnici atom ugljika, sa istom elektronskom ljuskom koju je imao prije. Ova stabilnost se može jednostavno objasniti u smislu samih karakteristika kvantne teorije koje omogućavaju objektivan opis atoma u prostoru i vremenu.

Na taj način je, dakle, stvorena početna osnova za razumijevanje strukture materije. Hemijska i druga svojstva atoma mogu se objasniti primjenom matematičke sheme kvantne teorije na elektronske ljuske. Na osnovu ove osnove tada je bilo moguće pokušati analizirati strukturu materije u dva različita pravca. Može se ili proučavati interakcija atoma, njihov odnos prema većim jedinicama kao što su molekuli ili kristali ili biološki objekti, ili bi se moglo pokušati, proučavanjem atomskog jezgra i njegovih sastavnih dijelova, napredovati do točke u kojoj bi jedinstvo materije postalo jasno . Fizička istraživanja su se brzo razvijala u proteklim decenijama u oba smjera. Naredna prezentacija će biti posvećena razjašnjavanju uloge kvantne teorije u oba ova područja.

Sile između susjednih atoma su prvenstveno električne sile – govorimo o privlačenju suprotnih naboja i odbijanju između sličnih naboja; atomsko jezgro privlači elektrone, a drugi elektroni odbijaju. Ali te sile ovdje ne djeluju prema zakonima Njutnove mehanike, već prema zakonima kvantne mehanike.

To dovodi do dvije različite vrste veza između atoma. S jednom vrstom veze, elektron s jednog atoma prelazi na drugi atom, na primjer, kako bi ispunio elektronsku ljusku koja još nije potpuno popunjena. U ovom slučaju, oba atoma završavaju električno nabijena i nazivaju se “joni”; budući da su im naboji tada suprotni, oni se privlače. Hemičar u ovom slučaju govori o “polarnoj vezi”.

U drugoj vrsti veze, elektron pripada oba atoma na određeni način, karakterističan samo za kvantnu teoriju. Ako koristimo sliku orbita elektrona, možemo otprilike reći da elektron kruži oko oba atomska jezgra i da provodi značajan dio svog vremena i u jednom i u drugom atomu. Ovaj drugi tip veze odgovara onome što hemičar naziva "valentnom vezom".

Ove dvije vrste veze, koje mogu postojati u svim mogućim kombinacijama, u konačnici uzrokuju formiranje razne populacije atoma i na kraju se ispostavilo da određuje sve složene strukture koje proučavaju fizika i hemija. Dakle, hemijska jedinjenja nastaju zbog činjenice da male zatvorene grupe nastaju od atoma različitih vrsta, a svaka grupa se može nazvati molekulom hemijskog jedinjenja. Kada se formiraju kristali, atomi su raspoređeni u uređene rešetke. Metali nastaju kada su atomi tako čvrsto zbijeni da vanjski elektroni napuštaju svoje ljuske i mogu proći kroz cijeli komad metala. Magnetizam nekih supstanci, posebno nekih metala, nastaje rotacionim kretanjem pojedinih elektrona u tom metalu, itd.

U svim ovim slučajevima dualizam između materije i sile još uvijek može biti očuvan, jer se jezgre i elektroni mogu smatrati građevnim blokovima materije, koje zajedno drže elektromagnetne sile.

Dok fizika i hemija (gde se odnose na strukturu materije) čine jednu nauku, u biologiji sa njenim složenijim strukturama situacija je nešto drugačija. Istina, uprkos upadljivom integritetu živih organizama, vjerovatno se ne može napraviti oštra razlika između žive i nežive tvari. Razvoj biologije dao nam je veliki broj primjera iz kojih možemo vidjeti da specifično biološke funkcije mogu obavljati posebne velike molekule ili grupe, ili lanci takvih molekula. Ovi primjeri naglašavaju tendenciju moderne biologije da se biološki procesi objašnjavaju kao posljedice zakona fizike i hemije. Ali vrsta stabilnosti koju opažamo u živim organizmima je po prirodi nešto drugačija od stabilnosti atoma ili kristala. U biologiji govorimo o stabilnosti procesa ili funkcije prije nego o stabilnosti forme. Bez sumnje, kvantnomehanički zakoni igraju veoma važnu ulogu u biološkim procesima. Na primjer, specifične kvantno mehaničke sile su ključne za razumijevanje velikih organskih molekula i njihovih raznolikih geometrijskih konfiguracija, koje se mogu samo donekle neprecizno opisati na osnovu koncepta kemijske valencije. Eksperimenti na biološkim mutacijama uzrokovanim zračenjem također pokazuju važnost statističke prirode kvantnomehaničkih zakona i postojanje mehanizama pojačanja. Bliska analogija između procesa u našoj nervni sistem i procesi koji se odvijaju tokom rada savremene elektronske računske mašine, ponovo naglašava važnost pojedinih elementarnih procesa za živi organizam. Ali svi ovi primjeri još uvijek ne dokazuju da će fizika i hemija, dopunjene doktrinom razvoja, omogućiti Puni opisživi organizmi. Biološke procese eksperimentalni prirodnjaci moraju tumačiti s većim oprezom nego procese fizike i hemije. Kako je objasnio Bohr, moglo bi se ispostaviti da opis živog organizma, koji se sa stanovišta fizičara može nazvati potpunim, uopće ne postoji, jer bi taj opis zahtijevao eksperimente koji bi došli u previše jak sukob sa biološkim funkcijama organizma. Bohr je ovu situaciju opisao na sljedeći način: u biologiji se radije bavimo realizacijom mogućnosti u onom dijelu prirode kojem pripadamo, nego rezultatima eksperimenata koje sami možemo izvesti. Situacija komplementarnosti u kojoj je ova formulacija efikasna ogleda se kao tendencija u metodama moderne biologije: s jedne strane, da se u potpunosti koriste metode i rezultati fizike i hemije, a s druge strane, da se i dalje stalno koristiti koncepte koji se odnose na ona svojstva organske prirode koja nisu sadržana u fizici i hemiji, kao što je, na primjer, pojam samog života.

Do sada smo izvršili analizu strukture materije u jednom pravcu – od atoma do složenijih struktura koje se sastoje od atoma: od atomske fizike do fizike čvrstog stanja, do hemije i, konačno, do biologije. Sada se moramo okrenuti u suprotnom smjeru i pratiti liniju istraživanja od vanjskih područja atoma do unutrašnjih područja, do atomskog jezgra i konačno do elementarnih čestica. Samo će nas ova druga linija možda dovesti do razumijevanja jedinstva materije. Ovdje se ne treba bojati da će same karakteristične strukture biti uništene u eksperimentima. Ako je zadatak da se eksperimentalno ispita temeljno jedinstvo materije, onda možemo materiju podvrgnuti najjačim mogućim silama, najekstremnijim uslovima, kako bismo videli da li se materija na kraju može transformisati u neku drugu materiju.

Prvi korak u tom pravcu bila je eksperimentalna analiza atomskog jezgra. U početnim periodima ovih studija, koji ispunjavaju otprilike prve tri decenije ovog veka, jedino oruđe za eksperimentisanje na atomskom jezgru bile su alfa čestice koje emituju radioaktivne supstance. Uz pomoć ovih čestica, Rutherford je 1919. uspio transformirati atomska jezgra lakih elemenata jedno u drugo. Bio je u stanju, na primjer, transformirati jezgro dušika u jezgro kisika tako što je pričvrstio alfa česticu na jezgro dušika i istovremeno izbacio proton iz njega. Ovo je bio prvi primjer procesa na udaljenostima reda radijusa atomskih jezgri, koji je ličio na kemijske procese, ali koji je doveo do vještačke transformacije elemenata. Sljedeći odlučujući uspjeh bilo je umjetno ubrzanje protona u visokonaponskim uređajima do energije dovoljne za nuklearne transformacije. Za tu svrhu potrebne su razlike napona od oko milion volti, a Cockcroft i Walton su u svom prvom odlučujućem eksperimentu uspjeli pretvoriti atomska jezgra elementa litijuma u atomska jezgra elementa helijuma. Ovo otkriće otvorilo je potpuno novo polje istraživanja koje se može nazvati nuklearnom fizikom u pravom smislu te riječi i koje je vrlo brzo dovelo do kvalitativnog razumijevanja strukture atomskog jezgra.

U stvari, struktura atomskog jezgra se pokazala vrlo jednostavnom. Atomsko jezgro se sastoji od samo dva različita tipa elementarnih čestica. Jedna od elementarnih čestica je proton, koji je ujedno i jezgro atoma vodika. Drugi se zvao neutron, čestica koja ima otprilike istu masu kao proton i također je električno neutralna. Stoga se svako atomsko jezgro može okarakterizirati ukupnim brojem protona i neutrona od kojih se sastoji. Jezgro običnog atoma ugljika sastoji se od 6 protona i 6 neutrona. Ali postoje i druga jezgra atoma ugljika, koja su nešto rjeđa – zvali su se izotopi prvih – i koja se sastoje od 6 protona i 7 neutrona, itd. Tako su na kraju došli do opisa materije u kojoj je umjesto toga od mnogih Od raznih hemijskih elemenata korišćene su samo tri osnovne jedinice, tri osnovna gradivna bloka - proton, neutron i elektron. Sva materija je sastavljena od atoma i stoga je konačno izgrađena od ova tri osnovna građevna bloka. To, naravno, još ne znači jedinstvo materije, ali nesumnjivo znači važan korak ka tom jedinstvu i, što je možda još važnije, znači značajno pojednostavljenje. Istina, još je bio dug put od poznavanja ovih osnovnih građevnih blokova atomskog jezgra do potpunog razumijevanja njegove strukture. Ovdje je problem bio nešto drugačiji od odgovarajućeg problema vezanog za vanjsku ljusku atoma, riješenog sredinom dvadesetih godina. Kada elektronska školjka sile između čestica bile su poznate sa velikom preciznošću, ali pored toga, morali su se pronaći dinamički zakoni, koji su na kraju formulisani u kvantnoj mehanici. U slučaju atomskog jezgra, bilo je sasvim moguće pretpostaviti da su dinamički zakoni uglavnom zakoni kvantne teorije, ali ovdje su sile između čestica prvenstveno bile nepoznate. Morali su biti izvedeni iz eksperimentalnih svojstava atomskih jezgara. Ovaj problem se još ne može u potpunosti riješiti. Moći to vjerovatno nemaju jednostavnog tipa, kao u slučaju elektrostatičkih sila između elektrona u vanjskim omotačima, pa je stoga matematički zaključak o svojstvima atomskih jezgara iz složenijih sila teže, a osim toga, napredak je otežan nepreciznošću eksperimenata. Ali kvalitativne ideje o strukturi jezgra dobile su vrlo određen oblik.

Na kraju, posljednji veliki problem ostaje problem jedinstva materije. Da li su ove elementarne čestice - proton, neutron i elektron posljednji, nerazgradivi gradivni blokovi materije, drugim riječima, "atomi" u smislu Demokritove filozofije, bez ikakvih međusobnih veza (osim sila koje djeluju između njih), ili su to samo različiti oblici iste vrste materije? Nadalje, mogu li se transformirati jedno u drugo ili čak u druge oblike materije? Ako se ovaj problem želi riješiti eksperimentalno, onda su za to potrebne sile i energije koncentrisane na atomske čestice, koje moraju biti višestruko veće od onih koje su korištene za proučavanje atomskog jezgra. Budući da rezerve energije u atomskim jezgrima nisu dovoljno velike da nam pruže sredstva za izvođenje takvih eksperimenata, fizičari moraju ili iskoristiti prednosti sila u svemiru, odnosno u prostoru između zvijezda, na površini zvijezda, ili moraju vjerovati vještini inženjera.

U stvari, napredak je postignut na oba puta. Prije svega, fizičari su koristili takozvano kosmičko zračenje. Elektromagnetna polja na površini zvijezda, koja se protežu preko gigantskih prostora, pod povoljnim uvjetima mogu ubrzati nabijene atomske čestice, elektrone i atomska jezgra, koja, kako se pokazalo, zbog svoje veće inercije, imaju više mogućnosti da ostanu u polju ubrzanja za duže vrijeme, a kada na kraju napuste površinu zvijezde u prazan prostor, ponekad uspijevaju proći kroz potencijalna polja od mnogo milijardi volti. Dalje ubrzanje, pod povoljnim uslovima, dešava se u naizmeničnim magnetnim poljima između zvezda. U svakom slučaju, ispada da se atomska jezgra dugo zadržavaju naizmjeničnim magnetnim poljima u prostoru Galaksije i na kraju tako ispunjavaju prostor Galaksije onim što se zove kosmičko zračenje. Ovo zračenje dolazi do Zemlje izvana i stoga se sastoji od svih mogućih atomskih jezgara - vodika, helijuma i težih elemenata - čije energije variraju od otprilike stotina ili hiljada miliona elektron volti do vrijednosti ​​ Kada čestice ovog visinskog zračenja uđu u gornje slojeve Zemljine atmosfere, ovdje se sudaraju s atomima dušika ili kisika u atmosferi, ili atomima nekog eksperimentalnog uređaja koji je izložen kosmičkom zračenju. Zatim se mogu ispitati rezultati intervencije.

Druga mogućnost je izgradnja vrlo velikih akceleratora čestica. Kao prototip za njih može se smatrati takozvani ciklotron, koji je u Kaliforniji ranih tridesetih dizajnirao Lawrence. Osnovna ideja koja stoji iza dizajna ovih strojeva je da su, zahvaljujući jakom magnetskom polju, nabijene atomske čestice prisiljene da se više puta rotiraju u krug, tako da se mogu iznova i iznova ubrzavati električnim poljem duž ove kružne putanje. Instalacije u kojima se mogu postići energije od više stotina miliona elektron volti sada rade na mnogim mjestima širom svijeta, uglavnom u Velikoj Britaniji. Zahvaljujući saradnji 12 evropske zemlje U Ženevi se gradi veoma veliki akcelerator ove vrste, za koji se nada da će proizvoditi protone sa energijama do 25 miliona elektron volti. Eksperimenti provedeni korištenjem kosmičkog zračenja ili vrlo velikih akceleratora otkrili su zanimljive nove karakteristike materije. Pored tri osnovna gradivna bloka materije - elektrona, protona i neutrona - otkrivene su nove elementarne čestice koje nastaju u tim visokoenergetskim sudarima i koje nakon izuzetno kratkih vremenskih perioda nestaju pretvarajući se u druge elementarne čestice. . Nove elementarne čestice imaju svojstva slična onima starih, osim njihove nestabilnosti. Čak i najstabilnije među novim elementarnim česticama imaju životni vek od samo milionitog dela sekunde, dok je životni vek drugih čak stotine ili hiljade puta kraći. Trenutno je poznato oko 25 različitih tipova elementarnih čestica. “Najmlađi” od njih je negativno nabijeni proton, koji se naziva antiproton.

Čini se da ovi rezultati na prvi pogled opet odvode od ideja o jedinstvu materije, jer se čini da se broj osnovnih građevnih blokova materije ponovo povećao na broj koji je uporediv sa brojem različitih hemijskih elemenata. Ali ovo bi bila netačna interpretacija stvarnog stanja stvari. Uostalom, eksperimenti su istovremeno pokazali da čestice nastaju iz drugih čestica i da se mogu transformirati u druge čestice, da nastaju jednostavno iz kinetičke energije takvih čestica i mogu ponovo nestati, tako da iz njih nastaju druge čestice. Dakle, drugim riječima: eksperimenti su pokazali potpunu transformabilnost materije. Sve elementarne čestice u sudarima dovoljno velike energije mogu se pretvoriti u druge čestice ili jednostavno nastati iz kinetičke energije; i mogu se pretvoriti u energiju, kao što je zračenje. Prema tome, ovdje imamo praktički konačni dokaz jedinstva materije. Sve elementarne čestice su "napravljene" od iste supstance, istog materijala, koji sada možemo nazvati energijom ili univerzalnom materijom; oni su samo različiti oblici u kojima se materija može manifestovati.

Ako ovu situaciju uporedimo sa Aristotelovim konceptom materije i forme, onda možemo reći da Aristotelovu materiju, koja je u osnovi bila "potencija", odnosno mogućnost, treba uporediti sa našim konceptom energije; kada se rađa elementarna čestica, energija se otkriva kroz formu kao materijalna stvarnost.

Savremena fizika se, naravno, ne može zadovoljiti samo kvalitativnim opisom osnovne strukture materije; mora pokušati, na osnovu pažljivo sprovedenih eksperimenata, da produbi analizu do matematičke formulacije zakona prirode koji određuju oblike materije, naime, elementarne čestice i njihove sile. Jasna razlika između materije i sile ili sile i materije u ovom dijelu fizike više se ne može napraviti, jer bilo koja elementarna čestica ne samo da sama stvara sile i sama doživljava utjecaj sila, već istovremeno i sama predstavlja u ovom slučaju određeno polje sile. Kvantno mehanički dualizam talasa i čestica razlog je zašto se ista stvarnost manifestuje i kao materija i kao sila.

Svi pokušaji pronalaženja matematičkog opisa zakona prirode u svijetu elementarnih čestica do sada su započinjali s kvantnom teorijom valnih polja. Teorijska istraživanja u ovoj oblasti poduzeta su početkom tridesetih godina. Ali već su prvi radovi u ovoj oblasti otkrili veoma ozbiljne poteškoće u oblasti u kojoj su pokušali da kombinuju kvantnu teoriju sa specijalnom teorijom relativnosti. Na prvi pogled izgleda kao da se dvije teorije, kvantna i relativnost, odnose na toliko različite aspekte prirode da praktično ne mogu ni na koji način utjecati jedna na drugu i da bi stoga zahtjeve obje teorije trebalo lako ispuniti u istom formalizmu. Ali preciznija studija je pokazala da obje ove teorije u određenom trenutku dolaze u sukob, uslijed čega nastaju sve daljnje poteškoće.

Specijalna teorija relativnosti otkrila je strukturu prostora i vremena za koju se ispostavilo da se donekle razlikuje od strukture koja im se pripisuje od nastanka Njutnove mehanike. Najkarakterističnija karakteristika ove novootkrivene strukture je postojanje maksimalne brzine koju ne može prekoračiti nijedno pokretno tijelo ili signal koji se širi, odnosno brzina svjetlosti. Kao posljedica ovoga, dva događaja koja se odvijaju u dvije tačke veoma udaljene jedna od druge ne mogu imati nikakvu direktnu uzročnu vezu ako se dogode u takvim trenucima da svjetlosni signal koji napušta ovu tačku u vrijeme prvog događaja stigne samo do druge nakon trenutka drugog događaja i obrnuto. U ovom slučaju, oba događaja se mogu nazvati simultanim. Budući da se nikakav utjecaj bilo koje vrste ne može prenijeti s jednog procesa u jednom trenutku na drugi proces u drugom trenutku, ta dva procesa ne mogu biti povezana nikakvim fizičkim utjecajem.

Iz tog razloga se pokazalo da je djelovanje na velikim udaljenostima, kako se to čini u slučaju gravitacijskih sila u Njutnovoj mehanici, nespojivo sa specijalnom teorijom relativnosti. Nova teorija je trebalo da zameni takvo dejstvo „akcijom kratkog dometa“, odnosno prenosom sile samo iz jedne tačke u neposredno susednu tačku. Ispostavilo se da su prirodni matematički izraz interakcija ove vrste diferencijalne jednadžbe za valove ili polja, invarijantne prema Lorentzovoj transformaciji. Takve diferencijalne jednadžbe isključuju bilo kakav direktan utjecaj simultanih događaja jednih na druge.

Dakle, struktura prostora i vremena, izražena specijalnom teorijom relativnosti, izuzetno oštro deli područje istovremenosti, u koje se ne može prenijeti nikakav utjecaj, od drugih područja u kojima se može odvijati direktan utjecaj jednog procesa na drugi.

S druge strane, odnos nesigurnosti kvantne teorije postavlja kruto ograničenje na preciznost s kojom se koordinate i momenti ili momenti vremena i energije mogu istovremeno mjeriti. Budući da izuzetno oštra granica znači beskonačnu tačnost fiksiranja položaja u prostoru i vremenu, odgovarajući impulsi i energije moraju biti potpuno neizvjesni, odnosno procesi s velikom vjerovatnoćom moraju doći do izražaja čak i kod proizvoljno velikih impulsa i energija. Stoga se ispostavlja da svaka teorija koja istovremeno ispunjava zahtjeve specijalne teorije relativnosti i kvantne teorije dovodi do matematičkih kontradikcija, odnosno do divergencija u području vrlo visokih energija i impulsa. Ovi zaključci ne moraju nužno biti nužne prirode, budući da je svaki formalizam ove vrste koji se ovdje razmatra vrlo složen, a također je moguće da će se pronaći matematička sredstva koja će pomoći da se u ovom trenutku eliminiše kontradikcija između teorije relativnosti i kvantnog teorija. Ali do sada su sve matematičke sheme koje su proučavane zapravo dovele do takvih divergencija, odnosno do matematičkih kontradikcija, ili su se pokazale nedovoljne da zadovolje sve zahtjeve obje teorije. Štaviše, bilo je očigledno da su poteškoće zapravo proizašle iz tačke o kojoj smo upravo govorili.

Tačka u kojoj konvergentne matematičke šeme ne zadovoljavaju zahtjeve teorije relativnosti ili kvantne teorije pokazala se vrlo zanimljivom sama po sebi. Jedna od ovih shema dovela je, na primjer, kada se pokušalo protumačiti uz pomoć stvarnih procesa u prostoru i vremenu, do svojevrsnog vremenskog preokreta; opisivao je procese u kojima se u određenoj tački iznenada rađa nekoliko elementarnih čestica, a energija za taj proces se dobija tek kasnije zbog nekih drugih sudara između elementarnih čestica. Fizičari su, na osnovu svojih eksperimenata, uvjereni da se procesi ove vrste ne odvijaju u prirodi, barem kada su oba procesa odvojena jedan od drugog nekom mjerljivom razdaljinom u prostoru i vremenu.

U drugoj teorijskoj shemi, pokušaj da se eliminišu divergencije formalizma učinjen je na osnovu matematičkog procesa koji je nazvan "renormalizacija". Ovaj proces se sastoji u činjenici da se beskonačnosti formalizma mogu pomeriti na mesto gde ne mogu da ometaju dobijanje striktno definisanih odnosa između vidljivih veličina. Zaista, ova shema je već dovela do određene mjere do odlučujućeg napretka u kvantnoj elektrodinamici, budući da pruža metodu za izračunavanje nekih vrlo zanimljive karakteristike u spektru vodonika, koji su ranije bili neobjašnjivi. Preciznija analiza ove matematičke sheme, međutim, učinila je uvjerljivim zaključiti da one veličine koje u običnoj kvantnoj teoriji treba tumačiti kao vjerovatnoće mogu u ovom slučaju, pod određenim okolnostima, nakon što je izvršen proces renormalizacije, postati negativne. To bi, naravno, isključilo konzistentno tumačenje formalizma za opis materije, budući da je negativna vjerovatnoća besmislen koncept.

Dakle, već smo došli do problema koji su sada u središtu diskusija u modernoj fizici. Rješenje će se jednog dana dobiti zahvaljujući eksperimentalnom materijalu koji se neprestano obogaćuje, a koji se dobija sve preciznijim mjerenjima elementarnih čestica, njihovog stvaranja i uništavanja, te sila koje djeluju između njih. Kada se traže moguća rješenja za ove poteškoće, možda je vrijedno zapamtiti da se takvi prividni procesi preokreta vremena o kojima smo gore raspravljali ne mogu biti isključeni na osnovu eksperimentalnih podataka ako se javljaju samo unutar vrlo malih prostorno-vremenskih područja, unutar kojih je još uvijek nemoguće detaljno pratiti procese sa našom trenutnom eksperimentalnom opremom. Naravno, s obzirom na sadašnje stanje našeg znanja, teško da smo spremni da priznamo mogućnost takvih procesa sa vremenskim preokretom, ako to implicira mogućnost da se u nekoj kasnijoj fazi razvoja fizike posmatraju takvi procesi na isti način kao i obični posmatraju se atomski procesi. Ali ovdje poređenje analize kvantne teorije i analize relativnosti nam omogućava da problem predstavimo u novom svjetlu.

Teorija relativnosti povezana je s univerzalnom konstantom prirode - brzinom svjetlosti. Ova konstanta je od presudne važnosti za uspostavljanje veze između prostora i vremena i stoga sama po sebi mora biti sadržana u bilo kojem zakonu prirode koji zadovoljava zahtjeve invarijantnosti prema Lorentzovim transformacijama. Naš uobičajeni jezik i koncepti klasične fizike mogu se primijeniti samo na fenomene za koje se brzina svjetlosti može smatrati praktički beskonačno velikom. Ako se u našim eksperimentima približimo brzini svjetlosti u bilo kojem obliku, moramo biti spremni naići na rezultate koji se više ne mogu objasniti ovim uobičajenim konceptima.

Kvantna teorija je povezana s još jednom univerzalnom konstantom prirode - s Planckovim kvantom djelovanja. Objektivan opis procesa u prostoru i vremenu moguć je samo kada se radi o objektima i procesima relativno velikih razmjera i tada se Planckova konstanta može smatrati praktično beskonačno malom. Kada se u našim eksperimentima približimo području u kojem Planckov kvant djelovanja postaje značajan, dolazimo do svih onih poteškoća u primjeni uobičajenih koncepata o kojima je bilo riječi u prethodnim poglavljima ove knjige.

Ali mora postojati i treća univerzalna konstanta prirode. Ovo jednostavno slijedi, kako kažu fizičari, iz razmatranja dimenzija. Univerzalne konstante određuju veličine razmjera u prirodi; one nam daju karakteristične veličine na koje se sve druge veličine u prirodi mogu svesti. Za kompletan set takvih jedinica, međutim, potrebne su tri osnovne jedinice. Ovo se najlakše može zaključiti iz konvencionalnih konvencija o jedinicama, kao što je upotreba CQS (centimetar-gram-sekunda) sistema od strane fizičara. Jedinica dužine, jedinica vremena i jedinica mase zajedno su dovoljne da se formira kompletan sistem. Potrebne su najmanje tri osnovne jedinice. Također bi se mogle zamijeniti jedinicama dužine, brzine i mase, ili jedinicama dužine, brzine i energije, itd. Ali tri osnovne jedinice su u svakom slučaju neophodne. Brzina svjetlosti i Planckov kvant djelovanja daju nam, međutim, samo dvije od ovih veličina. Mora postojati i treća, a samo teorija koja sadrži takvu treću jedinicu može možda dovesti do određivanja masa i drugih svojstava elementarnih čestica. Na osnovu našeg savremenog znanja o elementarnim česticama, onda je, možda, najjednostavniji i najprihvatljiviji način uvođenja treće univerzalne konstante pretpostavka da postoji univerzalna dužina reda veličine 10-13 cm, dužina, dakle, uporediva približno na radijusima atomskih jezgara pluća. Ako od. ove tri jedinice formiraju izraz koji ima dimenziju mase, tada ova masa ima red veličine mase običnih elementarnih čestica.

Ako pretpostavimo da zakoni prirode zapravo sadrže takvu treću univerzalnu konstantu dimenzija dužine reda veličine 10-13 cm, onda je sasvim moguće da se naši obični koncepti mogu primijeniti samo na ona područja prostora i vremena koja su velika. u poređenju sa ovom univerzalnom konstantom dužine . Kako se u našim eksperimentima približavamo područjima prostora i vremena koja su mala u odnosu na poluprečnike atomskih jezgara, moramo biti spremni na činjenicu da će se posmatrati procesi kvalitativno nove prirode. Fenomen preokreta vremena, koji je gore spomenut i do sada samo kao mogućnost izvedena iz teorijskih razmatranja, mogao bi stoga pripadati ovim najmanjim prostorno-vremenskim područjima. Ako je tako, vjerovatno ne bi bilo vidljivo na način da bi se odgovarajući proces mogao opisati klasičnim terminima. Pa ipak, u onoj mjeri u kojoj se takvi procesi mogu opisati klasičnim konceptima, oni također moraju otkriti klasični poredak sukcesije u vremenu. Ali za sada se premalo zna o procesima u najmanjim prostorno-vremenskim područjima - ili (što, prema odnosu nesigurnosti, približno odgovara ovoj tvrdnji) pri najvećim prenesenim energijama i impulsima.

U pokušajima da se na osnovu eksperimenata na elementarnim česticama postigne veće znanje o zakonima prirode koji određuju strukturu materije, a time i strukturu elementarnih čestica, posebno važnu ulogu imaju određena svojstva simetrije. Podsjećamo da su u Platonovoj filozofiji najmanje čestice materije bile apsolutno simetrične formacije, odnosno pravilna tijela - kocka, oktaedar, ikosaedar, tetraedar. U modernoj fizici, međutim, ove posebne grupe simetrije koje su rezultat grupe rotacija u trodimenzionalnom prostoru više nisu u fokusu pažnje. Ono što se događa u prirodnim naukama modernog vremena ni na koji način nije prostorni oblik, već predstavlja zakon, dakle, u određenoj mjeri, prostorno-vremensku formu, i stoga se simetrije koje se koriste u našoj fizici uvijek moraju odnositi na prostor i vreme zajedno. Ali čini se da određene vrste simetrije zapravo igraju najvažniju ulogu u teoriji čestica.

Poznajemo ih empirijski zahvaljujući takozvanim zakonima održanja i zahvaljujući sistemu kvantnih brojeva, uz pomoć kojih možemo prema iskustvu poredati događaje u svijetu elementarnih čestica. Možemo ih izraziti matematički tako što ćemo zahtijevati da osnovni zakon prirode za materiju bude nepromjenjiv prema određenim grupama transformacija. Ove transformacijske grupe su najjednostavniji matematički izraz svojstava simetrije. Oni se pojavljuju u modernoj fizici umjesto Platonovih čvrstih tijela. Ovdje su ukratko navedeni najvažniji.

Grupa takozvanih Lorentzovih transformacija karakterizira strukturu prostora i vremena otkrivenu specijalnom teorijom relativnosti.

Grupa koju su proučavali Pauli i Gürschi po svojoj strukturi odgovara grupi trodimenzionalnih prostornih rotacija - ona joj je izomorfna, kako kažu matematičari - i manifestuje se pojavom kvantnog broja, koji je empirijski otkriven u elementarnim česticama dvadeset. -prije pet godina i zvao se "isospin".

Sljedeće dvije grupe, koje se formalno ponašaju kao grupe rotacija oko krute ose, dovode do zakona održanja za naboj, za broj bariona i za broj leptona.

Konačno, zakoni prirode također moraju biti invarijantni prema određenim operacijama refleksije, koje ovdje nema potrebe detaljno nabrajati. Po ovom pitanju posebno su se značajna i plodotvorna pokazala istraživanja Leeja i Yanga, prema ideji za koju veličina zvana paritet, za koju se ranije pretpostavljalo da vrijedi zakon održanja, zapravo nije konzervirano.

Sva do sada poznata svojstva simetrije mogu se izraziti jednostavnom jednadžbom. Štaviše, to znači da je ova jednadžba invarijantna u odnosu na sve imenovane grupe transformacija, pa se stoga može misliti da ova jednačina već ispravno odražava zakone prirode za materiju. Ali za ovo pitanje još nema rješenja, ono će se tek vremenom dobiti uz pomoć preciznije matematičke analize ove jednadžbe i usporedbom s eksperimentalnim materijalom koji se prikuplja u sve većim veličinama.

Ali i pored ove mogućnosti, može se nadati da će zahvaljujući koordinaciji eksperimenata na polju elementarnih čestica najviših energija sa matematičkom analizom njihovih rezultata jednog dana biti moguće doći do potpunog razumijevanja jedinstva materije. Izraz "potpuno razumijevanje" značio bi da bi se oblici materije - otprilike u smislu u kojem je Aristotel koristio ovaj termin u svojoj filozofiji - ispostavili kao zaključci, odnosno rješenja zatvorene matematičke sheme koja odražava zakone prirode za stvar.

Bibliografija

Za pripremu ovog rada korišteni su materijali sa stranice http://www.philosophy.ru/

Tutoring

Trebate pomoć u proučavanju teme?

Naši stručnjaci će savjetovati ili pružiti usluge podučavanja o temama koje vas zanimaju.
Pošaljite svoju prijavu naznačivši temu upravo sada kako biste saznali o mogućnosti dobivanja konsultacija.

Najvažniji fundamentalni koncepti u fizičkom opisu prirode uključuju prostor, vrijeme, kretanje i materija.

U savremenoj fizičkoj slici svijeta, ideje o relativnost prostora i vremena, njihova zavisnost od materije. Prostor i vrijeme prestaju biti neovisni jedan od drugog i, prema teoriji relativnosti, spajaju se u jedan četverodimenzionalni prostor-vremenski kontinuum.

Ideja o pokret, koji samo postaje poseban slučaj fizičke interakcije. Postoje četiri vrste osnovnih fizičkih interakcija: gravitacione, elektromagnetne, jake i slabe. Oni su opisani na osnovu principa interakcije kratkog dometa, interakcije, prenose se odgovarajućim poljima od tačke do tačke, brzina prenosa interakcije je uvek konačna i ne može premašiti brzinu svetlosti u vakuumu (300.000 km/ s).

1. Korpuskularno-talasni dualizam materije. Slika kvantnog polja svijeta. Materija je filozofska kategorija za označavanje objektivne stvarnosti, koju reflektuju naši osjeti, koji postoje neovisno o njima - to je filozofska definicija materije.

U klasičnoj prirodnoj nauci razlikuju se dvije vrste materije: supstancija i polje. Prema modernim konceptima, priznaje se postojanje druge vrste materije - fizičkog vakuuma.

U klasičnoj Newtonovoj mehanici, materijalne formacije su predstavljene materijalnom česticom male veličine - korpuskulom, koja se često naziva materijalna tačka, i fizičkim tijelom, kao jedinstvenim sustavom korpuskula, nekako međusobno povezanim. Specifični oblici ovih materijalnih formacija prema klasičnim konceptima su zrno pijeska, kamen, voda itd.

U devetnaestom veku, sa pojavom ideja o elektromagnetno polje počela je nova era u prirodnim naukama.

Danski fizičar Oersted (1777 - 1851) i francuski fizičar Ampere (1775 - 1836) eksperimentalno su pokazali da provodnik sa električnom strujom stvara efekat skretanja magnetne igle. Oersted je sugerirao da postoji magnetsko polje oko provodnika sa strujom, a to je vrtložno polje. Amper je primijetio da se magnetni fenomeni javljaju kada struja teče kroz električni krug. Pojavila se nova nauka - elektrodinamika.

Engleski fizičar Faraday (1791 - 1867) otkrio je fenomen elektromagnetne indukcije - pojavu struje u provodniku u blizini magneta koji se kreće.

Na osnovu Faradejevih otkrića u oblasti elektromagnetizma, engleski matematičar i fizičar Maksvel (1831 – 1879) uveo je koncept elektromagnetnog polja.

Prema Maksvelovoj teoriji, svaka naelektrisana čestica je okružena poljem – nevidljivim oreolom koji utiče na druge naelektrisane čestice u blizini, tj. polje jedne nabijene čestice djeluje na druge nabijene čestice određenom silom.

Teorija elektromagnetnog polja uvela je novu ideju da je elektromagnetno polje stvarnost, materijalni nosilac interakcije. Svijet je postupno počeo da se pojavljuje kao elektrodinamički sistem, izgrađen od električno nabijenih čestica koje međusobno djeluju putem električne energije. polja.

2. Kvantna mehanika. Krajem treće decenije dvadesetog veka, klasična fizika je naišla na poteškoće u opisivanju fenomena mikrosveta. Postoji potreba za razvojem novih istraživačkih metoda. Pojavljuje se nova mehanika – kvantna teorija, koja uspostavlja metodu opisa i zakone kretanja mikročestica.

Godine 1901., njemački fizičar Max Planck (1858-1947), proučavajući termalno zračenje, došao je do zaključka da U procesima zračenja energija se ne emituje niti apsorbuje kontinuirano, već samo u malim porcijama - kvantima, a energija svakog kvanta je proporcionalna frekvenciji emitovanog zračenja: E = hy, gdje je y frekvencija svjetlosti, h je Plankova konstanta.

Godine 1905. Ajnštajn je primenio Plankovu hipotezu na svetlost i došao do zaključka da korpuskularnu strukturu svetlosti treba prepoznati.

Kvantna teorija materije i zračenja potvrđena je eksperimentima (fotoelektrični efekat), koji su otkrili da kada se čvrsta tijela ozrači svjetlošću, iz njih se izbijaju elektroni. Foton udara u atom i izbacuje elektron.

Ajnštajn je objasnio ovaj takozvani fotoelektrični efekat zasnovan na kvantnoj teoriji, dokazujući da energija potrebna za oslobađanje elektrona zavisi od frekvencije svetlosti. (kvant svjetlosti) koji apsorbira supstanca.

Dokazano je da svjetlost pokazuje valna svojstva u eksperimentima difrakcije i interferencije, a korpuskularna svojstva u fotoelektričnim eksperimentima, tj. može da se ponaša i kao čestica i kao talas, što znači da ima dualizam.

Einsteinove ideje o svjetlosnim kvantima dovele su do ideje o "materijskim valovima", što je poslužilo kao osnova za razvoj teorije o dualnosti materije valova i čestica.

Godine 1924. francuski fizičar Louis de Broglie (1892-1987) došao je do zaključka da je kombinacija svojstava talasa i čestica osnovno svojstvo materije. Talasna svojstva su svojstvena svim vrstama materije (elektroni, protoni, atomi, molekuli, čak i makroskopska tijela).

Godine 1927. američki naučnici Davis i Germer i nezavisno od njih P.S. Tartakovski je otkrio valna svojstva elektrona u eksperimentima na difrakciji elektrona na kristalnim strukturama. Kasnije su otkrivena valna svojstva i kod drugih mikročestica (neutrona, atoma, molekula). Na osnovu sistema formula talasne mehanike, predviđene su i otkrivene nove elementarne čestice.

Moderna fizika je prepoznala dualizam talasa i čestica materije. Svaki materijalni objekat se pojavljuje i kao čestica i kao talas, u zavisnosti od uslova posmatranja.

Razvojem teorije fizičkog vakuuma definicija materije je dopunjena. Moderna definicija materije: materija je supstancija, polje i fizički vakuum.

Teorija fizičkog vakuuma je u fazi razvoja, priroda vakuuma nije do kraja istražena, ali je poznato da ni jedna materijalna čestica ne može postojati bez prisustva vakuuma; to je okruženje u kojem postoji i od što se čini. Vakum i materija su neodvojivi.

3. Principi moderne fizike. Godine 1925, švajcarski fizičar W. Pauli(1900-1958) potkrijepljeno princip: u bilo kom kvantnom sistemu (atomu), 2 ili više elektrona ne mogu biti u istom kvantnom stanju (na istom energetskom nivou ili u istoj orbiti). Paulijev princip određuje obrasce punjenja elektronskih omotača atoma, periodičnost njihovih hemijskih svojstava, valencije i reaktivnosti. Ovo je osnovni zakon prirode.

Godine 1924. N. Bohr je formulisao princip komplementarnosti: nijedna teorija ne može opisati objekat tako iscrpno da isključi mogućnost alternativnih pristupa. Primjer je rješenje situacije talasno-čestičnog dualiteta materije. „Koncepti čestica i talasa se međusobno dopunjuju i istovremeno su u suprotnosti, oni su komplementarne slike onoga što se dešava.”

Godine 1927. njemački fizičar W. Heisenberg formulirao je poznati princip nesigurnosti. Značenje je to nemoguće je istovremeno izmjeriti i koordinate i brzinu (moment) čestice. Nikada ne možete istovremeno znati gdje se čestica nalazi i koliko brzo i u kom smjeru se kreće.

Relacija neizvjesnosti izražava nemogućnost promatranja mikrosvijeta a da se on ne naruši. Primjer: ako je u eksperimentu potrebno utvrditi koordinatu čestice poznate brzine, ona mora biti osvijetljena, tj. usmjeravaju snop fotona, ali će fotoni koji se sudaraju sa česticama prenijeti dio energije na njih i čestica će se početi kretati novom brzinom i u novom smjeru. Posmatrač-eksperimentator, intervenirajući u sistem, uvodeći se u njega svojim instrumentima, narušava trenutni poredak događaja.

Glavna ideja kvantne mehanike je da je u mikrosvijetu odlučujući faktor ideja o vjerojatnosti događaja. Predviđanja u kvantnoj mehanici su probabilističke prirode; nemoguće je precizno predvidjeti rezultat eksperimenta; može se izračunati samo vjerovatnoća različitih eksperimentalnih ishoda.

Sa stanovišta fizike, na mikro nivou dominiraju statistički obrasci, on dinamički zakoni na makro nivou. Filozofsko razumijevanje principa neizvjesnosti pokazuje da su slučajnost i neizvjesnost temeljna svojstva prirode i inherentna i mikrosvijetu i makrosvijetu – svijetu ljudskih aktivnosti.

4. Elementarne čestice i sile u prirodi. Danas postoje 4 nivoa organizacije mikrosvijeta: molekularni, atomski, protonski (nukleon) i kvark.

Elementarne čestice su one koje se na sadašnjem nivou naučnog razvoja ne mogu smatrati kombinacijom drugih, jednostavnijih.

Razlikovati stvarne čestice– mogu se fiksirati pomoću instrumenata i virtuelno– moguće, o čijem se postojanju može suditi samo posredno.

Aristotel je smatrao da je materija kontinuirana, odnosno da se svaki komad materije može zgnječiti u nedogled. Demokrit je vjerovao da materija ima granularnu strukturu i da se sve na svijetu sastoji od raznih atoma koji su apsolutno nedjeljivi.

Urušavanje ideja o apsolutnoj nedeljivosti atoma koje su postojale do kraja 19. veka počelo je otkrićem 1897. engleskog fizičara J. Thomsona najjednostavnije elementarne čestice materije - elektron, koji je izleteo iz atoma. Godine 1911, engleski fizičar Ernst Rutherford dokazao je da atomi materije imaju unutrašnju strukturu: sastoje se od pozitivno nabijenog jezgra i elektrona koji rotiraju oko njega.

U početku se pretpostavljalo da se jezgro atoma sastoji od pozitivno nabijenih čestica, koje su tzv. protona. Godine 1932, James Chadwig je otkrio da postoje i druge čestice u jezgru - neutroni, čija je masa jednaka masi protona, ali koji nisu nabijeni.

Teoretski fizičar P. Dirac je 1928. godine predložio talasnu teoriju elektrona, zasnovanu na njegovoj korpuskularno-valnoj prirodi. Prema teoriji čestica-val, čestice se mogu ponašati kao valovi. Jedna od premisa ove teorije bila je da mora postojati elementarna čestica koja ima ista svojstva kao elektron, ali sa pozitivnim nabojem. Takva čestica je otkrivena i imenovana pozitron. Iz Diracove teorije također slijedi da pozitron i elektron međusobno djeluju ( reakcija anihilacije), formiraju par fotoni, tj. kvanti elektromagnetnog zračenja. Pozitron i elektron se kreću po istoj orbitali. Kada se sudare, pretvaraju se u kvante zračenja.

Šezdesetih godina dvadesetog veka protoni i neutroni su smatrani elementarnim česticama. Ali pokazalo se da se protoni i neutroni sastoje od još manjih čestica. Godine 1964. američki naučnici M. Gell-Mann i D. Zweig nezavisno su iznijeli sličnu hipotezu o postojanju "podčestica". Gell-Mann ih je nazvao kvarkovi. Naslov je preuzet iz stiha (Joyce's "Finegan's Wake").

Poznato je nekoliko varijanti kvarkova; Predlaže se da postoji šest aroma, na koje se odgovara: vrh (u), niže (d), čudno, začarano, lijepo,t- kv... Svaki okus kvarka može imati jednu od tri boje - crvenu, žutu i plavu, iako je ovo samo oznaka.

Kvarkovi se međusobno razlikuju po naboju i kvantnim karakteristikama. Na primjer, neutron i proton se sastoje od tri kvarka: proton - oduud, sa punjenjem +2/3 +2/3 -1/3 = 1;

neutron - odudd, sa punjenjem +2/3 -1/3 -1/3 = 0.

Svaki kvark, prema zakonu simetrije, ima antikvark.

Kvantna karakteristika je spin: S = 0; S= 1; S = 2; S = ½.. Spin je vrlo važna kvantna karakteristika elementarne čestice, ništa manje važna od naboja ili mase.

U Evropi je 2008. godine, zajedničkim naporima fizičara iz mnogih zemalja, izgrađen hadronski sudarač, zbog čega je moguće dobiti informacije o „početnim građevnim blokovima“ od kojih se gradi materija u prirodi.

5. Fundamentalne fizičke interakcije. U prvoj polovini dvadesetog veka fizika je proučavala materiju u njene dve manifestacije – supstancu i polje. Štaviše, kvanti polja i čestice materije pokoravaju se različitim kvantnim statistikama i ponašaju se na različite načine.

Čestice materije su Fermi-čestice ( fermioni). Svi fermioni imaju polucijeli spin vrijednost ½. Za čestice sa polucijelim spinom važi Paulijev princip prema kojem dvije identične čestice sa polucijelim spinom ne mogu biti u istom kvantnom stanju.

Svi kvanti polja su Bose čestice (bozoni). To su čestice sa cjelobrojnom spin vrijednošću. Sistemi identičnih Bose čestica podliježu Bose–Einstein statistici. Za njih ne vrijedi Paulijev princip: bilo koji broj čestica može biti u jednom stanju. Bose i Fermi čestice se smatraju česticama različite prirode.

Prema modernim konceptima, interakcija bilo koje vrste ne nastaje bez posrednika, ona mora imati svog fizičkog agenta. Privlačenje ili odbijanje čestica se prenosi kroz medij koji ih razdvaja, takav medij je vakuum. Brzina prijenosa interakcije ograničena je fundamentalnom granicom - brzinom svjetlosti.

U kvantnoj mehanici pretpostavlja se da sve sile ili interakcije između čestica materije nose čestice sa cjelobrojnim spinom jednakim 0, 1, 2 (Boze čestice, bozoni). To se događa na sljedeći način: čestica materije (fermion), na primjer elektron ili kvark, emituje drugu česticu, koja je nosilac interakcije, na primjer, foton. Kao rezultat trzaja, brzina čestice materije (fermiona) se mijenja. Čestica nosača (bozon) se sudara sa drugom česticom materije (fermion) i ona se apsorbuje. Ovaj sudar mijenja brzinu druge čestice.

Čestice nosača (bozoni) koje se razmenjuju između čestica materije (fermiona) nazivaju se virtuelnim jer se, za razliku od stvarnih, ne mogu direktno detektovati detektorom čestica, jer postoje vrlo kratko.

Dakle, oko čestice materije (fermiona) stvara se polje koje stvara čestice - bozone. Dvije stvarne čestice, jednom u rasponu djelovanja sličnih naboja, počinju stabilno razmjenjivati ​​virtualne bozone: jedna čestica emituje bozon i odmah apsorbira identičan bozon koji emituje druga partnerska čestica i obrnuto.

Nosioci čestica se mogu klasificirati u 4 tipa ovisno o veličini prenesene interakcije i s kojim su česticama stupili u interakciju. Dakle, u prirodi postoje četiri vrste interakcija.

Gravitaciona sila.

Ovo je najslabija od svih interakcija. U makrokosmosu se manifestuje to snažnije, što je veća masa tijela u interakciji, ali u mikrokosmosu se gubi na pozadini snažnijih sila.

U kvantnom mehaničkom pristupu gravitacionom polju, veruje se da gravitacionu silu koja deluje između dve čestice materije prenosi čestica sa okretati 2, koji se zove graviton. Graviton nema sopstvenu masu i sila koju nosi je dalekosežna.

Elektromagnetne sile.

Djelujte između električno nabijenih čestica. Zahvaljujući elektromagnetnim silama nastaju atomi, molekuli i makroskopska tijela. Sve hemijske reakcije su elektromagnetne interakcije.

Prema kvantnoj elektrodinamici, naelektrisanje stvara polje čiji je kvant bozon bez mase sa spinom jednaka 1 - foton. Nosilac elektromagnetne interakcije je foton.

Elektromagnetne sile su mnogo jače od gravitacionih. Ove sile se mogu manifestovati i kao privlačenje i odbijanje, za razliku od gravitacionih sila koje se manifestuju samo kao privlačnost.

Slaba interakcija.

Ova treća fundamentalna interakcija postoji samo u mikrokosmosu. On je odgovoran za radioaktivnost i postoji između svih čestica materije sa spinom ½, ali u njemu ne učestvuju bozonske čestice sa spinom 0, 1, 2 - fotoni i gravitoni.

Radioaktivni raspad je uzrokovan transformacijom kvarka okusa d u kvark okusa u unutar neutrona (proton se pretvara u neutron, pozitron u neutrino), mijenja se naboj čestica. Emitirani neutrino ima ogromnu prodornu moć - prolazi kroz željeznu ploču debelu milijardu kilometara. Zbog slabe interakcije Sunce sija.

Jaka interakcija.

Snažne interakcije predstavljaju međusobnu privlačnost sastavnih dijelova jezgra atoma. Oni drže kvarkove unutar protona i neutrona, a protone i neutrone unutar jezgra. Bez jakih interakcija, atomska jezgra ne bi postojala, a zvijezde i Sunce ne bi mogli generirati toplinu i svjetlost kroz nuklearnu energiju.

Snažna interakcija se manifestuje u nuklearnim silama. Otkrio ih je E. Rutherford 1911. istovremeno sa otkrićem atomskog jezgra. Prema Yukawinoj hipotezi, jake interakcije se sastoje od emisije međučestice - pi-mezona - nosioca nuklearnih sila, kao i drugih mezona pronađenih kasnije (masa mezona je 6 puta manja od mase nukleona). Nukleoni (protoni i neutroni) su okruženi oblacima mezona. Nukleoni mogu ući u pobuđena stanja – barionske rezonancije – i razmjenjivati ​​druge čestice (mezone).

San modernih fizičara je da grade teorija velikog ujedinjenja, koji bi kombinovao sve četiri interakcije.

Danas fizičari vjeruju da mogu stvoriti ovu teoriju zasnovanu na teoriji superstruna. Ova teorija treba da objedini sve fundamentalne interakcije na ultravisokim energijama.

pitanja:

Kako su dokazana korpuskularna i talasna svojstva materije?

Šta proučava kvantna mehanika i zašto se tako zove?

Šta je vakuum i šta znači "pobuđeni vakuum"?

Šta je princip komplementarnosti?

Šta je princip nesigurnosti?

Opišite princip simetrije.

Kako su povezani principi simetrije i zakoni održanja fizičkih veličina?

Kakav je značaj principa superpozicije u kvantnoj mehanici?

Koje su specifičnosti odnosa uređaj-objekat u kvantnoj mehanici?

Definirajte materiju prema savremenim konceptima.

Po čemu se materija razlikuje od polja?

Od čega su napravljeni protoni i neutroni?

Koje su fundamentalne interakcije trenutno integrisane?

književnost:

Dubnischeva T.Ya. KSE. 2003. – str. 238-261. str. 265-309.

Gorelov A.A. KSE. – 2004. – Str. 79-94

Ignatova V.A. Prirodna nauka. 2002. – P.110-125..

Heisenberg V. Koraci iza horizonta. – M. – 1987.

Landau L.D. i dr. Kurs opšte fizike. – M: Nauka, 1969. – P.195-214.

Weinberg S. Snovi o konačnoj teoriji. M. - 1995.

Lindner G. Slike moderne fizike. – M. – 1977.

SAVREMENA HEMIJSKA SLIKA SVIJETA

Nauka

Kvantna fizika se bavi proučavanjem ponašanja najmanjih stvari u našem svemiru: subatomskih čestica. Ovo je relativno nova nauka, koja je postala tek početkom 20. veka nakon što su se fizičari zainteresovali za pitanje zašto ne mogu da objasne neke od efekata zračenja. Jedan od inovatora tog vremena, Maks Plank, koristio je termin „kvanta“ kada je proučavao sićušne čestice sa energijom, pa otuda i naziv „kvantna fizika“. Planck je primijetio da količina energije sadržana u elektronima nije proizvoljna, već odgovara standardima "kvantne" energije. Jedan od prvih rezultata praktične primene ovog znanja bio je pronalazak tranzistora.

Za razliku od krutih zakona standardne fizike, pravila kvantne fizike mogu se prekršiti. Taman kada naučnici pomisle da se bave nekim aspektom proučavanja materije i energije, pojavljuje se novi obrt događaja koji ih podsjeća na to koliko rad u ovoj oblasti može biti nepredvidiv. Međutim, čak i ako ne razumiju u potpunosti šta se dešava, mogu koristiti rezultate svog rada za razvoj nove tehnologije, koje se ponekad mogu nazvati ni manje ni više nego fantastičnim.

U budućnosti, kvantna mehanika bi mogla pomoći u očuvanju vojnih tajni, kao i osigurati sigurnost i zaštititi vaš bankovni račun od sajber lopova. Naučnici sada rade na kvantnim računarima, čije mogućnosti daleko prevazilaze mogućnosti konvencionalnog računara. Podijeljen na subatomske čestice, objekti se lako mogu premjestiti s jednog mjesta na drugo u tren oka. A možda će kvantna fizika moći da odgovori na najintrigantnije pitanje o tome od čega je napravljen svemir i kako je život nastao.

Ispod su činjenice o tome kako kvantna fizika može promijeniti svijet. Kao što je Niels Bohr rekao: “Svako koga ne šokira kvantna mehanika jednostavno još nije shvatio kako ona funkcionira.”

Kontrola turbulencije

Uskoro će, možda zahvaljujući kvantnoj fizici, biti moguće eliminirati turbulentne zone koje uzrokuju da prolijete sok po avionu. Stvaranjem kvantne turbulencije u ultra-hladnim atomima gasa u laboratoriji, brazilski naučnici bi mogli da razumeju turbulenciju koju doživljavaju avioni i čamci. Vekovima je turbulencija zbunjivala naučnike zbog poteškoća da je reprodukuju u laboratoriji.

Turbulenciju uzrokuju nakupine plina ili tekućine, ali u prirodi se čini da se formira nasumično i neočekivano. Iako se turbulentne zone mogu formirati u vodi i vazduhu, naučnici su otkrili da se mogu formirati i u ultrahladnim atomima gasa ili u superfluidnom helijumu. Proučavajući ovaj fenomen u kontrolisanim laboratorijskim uslovima, naučnici će jednog dana moći precizno predvideti gde će se pojaviti turbulentne zone, a možda i kontrolisati ih u prirodi.

Spintronics

Novi magnetni poluprovodnik razvijen na MIT-u mogao bi dovesti do još bržih, energetski efikasnijih elektronskih uređaja u budućnosti. Nazvana "spintronika", ova tehnologija koristi spin stanje elektrona za prijenos i pohranjivanje informacija. Dok konvencionalna elektronska kola koriste samo prednost stanja naelektrisanja elektrona, spintronika koristi prednost smera okretanja elektrona.

Obrada informacija pomoću spintronic kola omogućit će da se podaci akumuliraju iz dva smjera istovremeno, što će također smanjiti veličinu elektronskih kola. Ovaj novi materijal uvodi elektron u poluvodič na osnovu njegove spin orijentacije. Elektroni prolaze kroz poluvodič i postaju spremni da budu spin detektori na izlaznoj strani. Naučnici kažu da novi poluprovodnici mogu da rade na sobnoj temperaturi i da su optički transparentni, što znači da mogu da rade sa ekranima osetljivim na dodir i solarnim panelima. Oni također vjeruju da će to pomoći izumiteljima da smisle još više uređaja bogatih funkcijama.

Parallel Worlds

Da li ste se ikada zapitali kako bi izgledali naši životi da imamo mogućnost da putujemo kroz vreme? Da li biste ubili Hitlera? Ili biste se pridružili rimskim legijama da vidite antički svijet? Međutim, dok svi maštamo o tome šta bismo uradili kada bismo mogli da se vratimo u prošlost, naučnici sa Kalifornijskog univerziteta Santa Barbara već krče put ka obnavljanju prošlih pritužbi.

U eksperimentu iz 2010. godine, naučnici su uspjeli dokazati da objekt može istovremeno postojati u dva različita svijeta. Izolovali su mali komad metala i, pod posebnim uslovima, otkrili da se istovremeno pomera i miruje. Međutim, neko bi ovo zapažanje mogao smatrati delirijumom uzrokovanim prekomernim radom, ali fizičari kažu da posmatranja objekta zaista pokazuju da se on u Univerzumu raspada na dva dela – jedan vidimo, a drugi ne. Teorije paralelnih svjetova jednoglasno kažu da se apsolutno svaki predmet raspada.

Sada naučnici pokušavaju da smisle kako da „preskoče“ trenutak kolapsa i uđu u svet koji ne vidimo. Ovo putovanje u paralelne svemire u vremenu bi teoretski trebalo funkcionirati, budući da se kvantne čestice kreću i naprijed i nazad u vremenu. Sada, sve što naučnici treba da urade je da naprave vremensku mašinu koristeći kvantne čestice.

Kvantne tačke

Uskoro će kvantni fizičari moći pomoći doktorima da otkriju ćelije raka u tijelu i odrede gdje su se proširile. Naučnici su otkrili da neki mali poluvodički kristali, nazvani kvantne tačke, mogu svijetliti kada su izloženi ultraljubičastom svjetlu, a fotografisani su i pomoću posebnog mikroskopa. Zatim su kombinovani sa posebnim materijalom koji je bio „privlačan“ za ćelije raka. Kada su ušle u telo, svetleće kvantne tačke su privukle ćelije raka, pokazujući tako lekarima gde tačno da traže. Sjaj traje prilično dugo, a za naučnike je proces prilagođavanja tačaka karakteristikama određene vrste raka relativno jednostavan.

Dok je visokotehnološka nauka svakako odgovorna za mnoge medicinske napretke, ljudi su stoljećima ovisni o mnogim drugim sredstvima za borbu protiv bolesti.

Molitva

Teško je zamisliti šta bi Indijanci, šamanski iscjelitelji i pioniri kvantne fizike mogli imati zajedničko. Međutim, još uvijek postoji nešto zajedničko među njima. Niels Bohr, jedan od ranih istraživača ove čudne oblasti nauke, vjerovao je da veliki dio onoga što nazivamo stvarnošću ovisi o "efektu posmatrača", odnosno odnosu između onoga što se događa i kako to vidimo. Ova tema izazvala je razvoj ozbiljnih debata među kvantnim fizičarima, međutim, eksperiment koji je proveo Bohr prije više od pola stoljeća potvrdio je njegovu pretpostavku.

Sve to znači da naša svijest utiče na stvarnost i može je promijeniti. Ponavljane riječi molitve i rituali ceremonije šamana-iscjelitelja mogu biti pokušaji promjene smjera "talasa" koji stvara stvarnost. Većina ceremonija se također izvodi u prisustvu brojnih posmatrača, što ukazuje na to da što više "valova iscjeljenja" emituje od posmatrača, to je njihov uticaj na stvarnost snažniji.

Odnos objekata

Međusobno povezivanje objekata moglo bi imati ogroman utjecaj na solarnu energiju u budućnosti. Međusobna povezanost objekata podrazumijeva kvantnu međuzavisnost atoma odvojenih u realnom fizičkom prostoru. Fizičari vjeruju da se ta veza može formirati u dijelu biljaka odgovornih za fotosintezu, odnosno pretvaranje svjetlosti u energiju. Strukture odgovorne za fotosintezu, hromofori, mogu pretvoriti 95 posto svjetlosti koju primaju u energiju.

Naučnici sada proučavaju kako bi ovaj odnos na kvantnom nivou mogao uticati na stvaranje solarna energija u nadi da će stvoriti efikasne prirodne solarne ćelije. Stručnjaci su također otkrili da alge mogu koristiti neku kvantnu mehaniku da pomjere energiju primljenu od svjetlosti, a također je pohranjuju na dva mjesta u isto vrijeme.

Kvantno računanje

Drugi jednako važan aspekt kvantne fizike može se primijeniti u kompjuterskom polju, gdje poseban tip supravodljivog elementa daje kompjuteru brzinu i snagu bez presedana. Istraživači objašnjavaju da se element ponaša kao umjetni atomi u tome što mogu dobiti ili izgubiti energiju samo krećući se između diskretnih energetskih nivoa. Najsloženiji atom u strukturi ima pet energetskih nivoa. Ovaj složeni sistem („qudit“) nudi značajne prednosti u odnosu na rad prethodnih atoma, koji su imali samo dva energetska nivoa („qubit“). Kuditi i kubiti su dio bitova koji se koriste u standardnim računarima. Kvantni računari će u svom radu koristiti principe kvantne mehanike, što će im omogućiti da izvode proračune mnogo brže i preciznije od tradicionalnih računara.

Postoji, međutim, problem koji bi mogao nastati ako kvantno računanje postane stvarnost – kriptografija ili kodiranje informacija.

Kvantna kriptografija

Sve od broja vaše kreditne kartice do strogo povjerljivih vojnih strategija dostupno je na internetu, a vješt haker sa dovoljno znanja i moćan kompjuter može iscrpiti vaš bankovni račun ili ugroziti sigurnost svijeta. Posebno kodiranje čuva ove informacije u tajnosti, a kompjuterski naučnici neprestano rade na stvaranju novih, sigurnijih metoda kodiranja.

Kodiranje informacija unutar jedne čestice svjetlosti (fotona) je dugo bio cilj kvantne kriptografije. Činilo se da su naučnici sa Univerziteta u Torontu već bili veoma blizu kreiranju ove metode, jer su mogli da kodiraju video. Šifriranje uključuje nizove nula i jedinica, što je "ključ". Dodavanjem ključa jednom se kodira informacija, a ponovnim dodavanjem se dekodira. Ako neko sa strane uspije doći do ključa, informacije mogu biti hakovane. Ali čak i ako se ključevi koriste na kvantnom nivou, sama činjenica njihovog korištenja sigurno će implicirati prisustvo hakera.

Teleportacija

Ovo je naučna fantastika, ništa više. Međutim, to je izvedeno, ali ne uz ljudsko učešće, već uz učešće velikih molekula. Ali tu leži problem. Svaki molekul u ljudskom tijelu mora biti skeniran s obje strane. Ali malo je vjerovatno da će se to dogoditi u bliskoj budućnosti. Postoji još jedan problem: kada jednom skenirate česticu, prema zakonima kvantne fizike, vi je promijenite, odnosno nemate načina da napravite njenu tačnu kopiju.

Ovdje dolazi do izražaja međusobna povezanost objekata. Povezuje dva objekta kao da su jedan. Skeniramo jednu polovinu čestice, a druga polovina će napraviti teleportovanu kopiju. To će biti tačna kopija, pošto nismo mjerili samu česticu, mjerili smo njen duplikat. Odnosno, čestica koju smo izmjerili bit će uništena, ali će njena tačna kopija biti reanimirana njenim dvostrukim.

God Particles

Naučnici koriste svoju veoma veliku kreaciju - Veliki hadronski sudarač - da proučavaju nešto izuzetno malo, ali veoma važno - fundamentalne čestice za koje se veruje da su u osnovi porekla našeg Univerzuma.

Božje čestice su ono što naučnici kažu da daju masu elementarnim česticama (elektronima, kvarkovima i gluonima). Stručnjaci vjeruju da čestice Boga moraju prožimati cijeli prostor, ali postojanje ovih čestica još nije dokazano.

Pronalaženje ovih čestica pomoglo bi fizičarima da shvate kako se Univerzum oporavio od Velikog praska i postao ono što o njemu danas znamo. To bi takođe pomoglo da se objasni kako materija balansira sa antimaterijom. Ukratko, izolovanje ovih čestica pomoći će da se sve objasni.

WikiHow radi kao wiki, što znači da mnoge naše članke piše više autora. Ovaj članak je izradilo 11 ljudi, uključujući anonimno, kako bi ga uredili i poboljšali.

Kvantna fizika (poznata i kao kvantna teorija ili kvantna mehanika) je zasebna grana fizike koja se bavi opisom ponašanja i interakcije materije i energije na nivou elementarnih čestica, fotona i nekih materijala na vrlo niskim temperaturama. Kvantno polje je definirano kao "akcija" (ili u nekim slučajevima ugaoni moment) čestice koja je unutar veličine male fizičke konstante koja se naziva Planckova konstanta.

Koraci

Plankova konstanta

Započnite učenjem fizičkog koncepta Planckove konstante. U kvantnoj mehanici, Planckova konstanta je kvant akcije, označen kao h. Slično, za interakciju elementarnih čestica, kvant ugaoni moment- ovo je redukovana Plankova konstanta (Plankova konstanta podijeljena sa 2 π) označena kao ħ i zove se "h sa trakom". Vrijednost Planckove konstante je izuzetno mala; ona kombinuje one momente impulsa i oznake radnji koje imaju opštiji matematički koncept. Ime kvantna mehanika implicira da se neke fizičke veličine, slične ugaonom momentu, mogu samo mijenjati diskretno, nije kontinuirano ( cm. analogni) način.

• Na primjer, ugaoni moment elektrona vezanog za atom ili molekul je kvantiziran i može poprimiti samo vrijednosti koje su višekratne smanjene Planckove konstante. Ova kvantizacija povećava orbitalu elektrona za niz cjelobrojnih primarnih kvantnih brojeva. Nasuprot tome, ugaoni moment nevezanih elektrona koji se nalaze u blizini nije kvantizovan. Planckova konstanta se također koristi u kvantnoj teoriji svjetlosti, gdje je kvant svjetlosti foton, a materija stupa u interakciju s energijom putem prijenosa elektrona između atoma, ili "kvantnog skoka" vezanog elektrona.
• Jedinice Planckove konstante mogu se smatrati i vremenom momenta energije. Na primjer, u predmetnoj oblasti fizike čestica, virtualne čestice su predstavljene kao masa čestica koje spontano nastaju iz vakuuma na vrlo maloj površini i igraju ulogu u njihovoj interakciji. Granica života ovih virtuelnih čestica je energija (masa) svake čestice. Kvantna mehanika ima veliku oblast predmeta, ali svaki njen matematički dio sadrži Planckovu konstantu.

1. Naučite o teškim česticama. Teške čestice prolaze kroz klasičnu tranziciju u kvantnu energiju. Čak i ako se slobodni elektron, koji ima neka kvantna svojstva (kao što je spin), kao nevezani elektron, približi atomu i uspori (možda zbog emisije fotona), mijenja se iz klasičnog u kvantno ponašanje kako njegova energija pada ispod energija jonizacije. Elektron se veže za atom i njegov ugaoni moment u odnosu na atomsko jezgro ograničen je kvantnom vrijednošću orbite koju može zauzeti. Ova tranzicija je iznenadna. Može se uporediti sa mehaničkim sistemom koji menja svoje stanje iz nestabilnog u stabilno, ili se njegovo ponašanje menja iz jednostavnog u haotično, ili se čak može uporediti sa raketnim brodom koji usporava i ide ispod brzine poletanja i zauzima orbiti oko neke zvijezde ili drugog nebeskog objekta. Nasuprot tome, fotoni (koji su bestežinski) ne čine ovaj prijelaz: oni jednostavno prelaze prostor nepromijenjeni dok ne stupe u interakciju s drugim česticama i nestanu. Ako pogledate u noćno nebo, fotoni nekih zvijezda lete dugo bez promjene. svjetlosne godine, zatim stupi u interakciju s elektronom u molekulu u vašoj retini, oslobađajući njegovu energiju i zatim nestajući.

Fizički realizam je gledište da je fizički svijet koji vidimo stvaran i da postoji sam po sebi. Većina ljudi misli da se to podrazumijeva, ali već neko vrijeme fizički realizam ozbiljno suprotstavljaju neke činjenice iz svijeta fizike. Paradoksi koji su zbunjivali fizičare prošlog stoljeća još uvijek nisu razriješeni, a obećavajuće teorije struna i supersimetrije još nisu dovele ova kolica nikuda.

Nasuprot tome, kvantna teorija funkcionira, ali kvantni valovi koji se zapliću, superpozicije, a zatim kolabiraju izgledaju fizički nemoguće – izgledaju „imaginarni“. Sve ovo daje zanimljivu sliku: teorija onoga što ne postoji efektivno predviđa ono što postoji – ali kako nerealno može predvidjeti stvarno?

Kvantni realizam je suprotan stav da je kvantni svijet stvaran i stvara fizički svijet kao virtuelnu stvarnost. Kvantna mehanika stoga predviđa efekte fizičke mehanike jer ih ona uzrokuje. Fizičari kažu da je razmišljanje da kvantna stanja ne postoje kao da "ne obraćate pažnju na tu osobu iza zavjese".

Kvantni realizam nije "matrica" ​​u kojoj će drugi svijet koji je stvorio naš biti fizički. I to nije ideja mozga u bačvi, jer je ova virtualnost postojala mnogo prije nego se čovjek pojavio. I nije fantomski drugi svijet taj koji utječe na naš: naš fizički svijet je sam po sebi fantom. U fizičkom realizmu kvantni svijet ne postoji, ali u kvantnom realizmu fizički svijet je nemoguć - osim ako nije virtualna stvarnost. A evo mogućih objašnjenja.

Nastanak Univerzuma

Fizički realizam

Svi su čuli za Veliki prasak, ali ako je fizički svemir pred nama, kako je počeo? Završeni Univerzum se nikako ne bi trebao mijenjati, jer nema kuda i odakle dolazi, i ništa ga ne može promijeniti. Međutim, 1929. godine astronom Edwin Hubble otkrio je da se sve galaksije šire od nas, što je dovelo do ideje o Velikom prasku koji se dogodio u tački prostor-vremena prije oko 14 milijardi godina. Otkriće kosmičke mikrotalasne pozadine (koja se može videti kao beli šum na TV ekranu) potvrdilo je da naš univerzum ne samo da je počeo u jednoj tački, već da su prostor i vreme nastali zajedno sa njim.

Dakle, kada je Univerzum nastao, postojao je već prije svog stvaranja, što je nemoguće, ili je stvoren nečim drugim. Ne može biti da se čitav, potpun i potpun Univerzum pojavio sam od sebe ni iz čega. Ipak, većina današnjih fizičara vjeruje u ovu čudnu ideju. Oni vjeruju da je prvi događaj bila kvantna fluktuacija u vakuumu (u kvantnoj mehanici parovi čestica i antičestica se pojavljuju i nestaju posvuda, što znači da apsolutna praznina ne postoji). Ali ako je materija jednostavno došla iz svemira, odakle je došao prostor? Kako bi kvantna fluktuacija u svemiru mogla stvoriti prostor? Kako bi vrijeme moglo početi da prolazi samo od sebe?

Kvantni realizam

Svaka virtuelna stvarnost počinje prvim događajem, sa kojim se pojavljuju i prostor i vreme. Sa ove tačke gledišta, Veliki prasak se dogodio kada se naš fizički univerzum pokrenuo, uključujući i njegov operativni sistem prostor-vreme. Kvantni realizam sugerira da je Veliki prasak zapravo bio Veliki početak.

Naš univerzum ima maksimalnu brzinu

Fizički realizam

Ajnštajn je zaključio da ništa ne može putovati brže od svetlosti u vakuumu, a vremenom je to postala univerzalna konstanta, iako nije sasvim jasno zašto je to tako. Grubo govoreći, svako objašnjenje se svodi na činjenicu da je „brzina svjetlosti konstantna i ograničavajuća, jer to je tako“. Jer ništa ne može biti ravnije od prave linije.

Ali odgovor na pitanje „zašto stvari ne mogu da se kreću sve brže“, a to je „zato što ne mogu“, teško da je zadovoljavajući odgovor. Svjetlost se usporava (prelama) vodom ili staklom, a kada se kreće u vodi kažemo da je njen medij voda, kada je u staklu staklo, ali kada se kreće u praznom prostoru mi šutimo. Kako talas može da vibrira u praznini? Ne postoji fizička osnova za kretanje svjetlosti kroz bezzračni prostor, a kamoli za određivanje najveće moguće brzine.

Kvantni realizam

Ako je fizički svijet virtualna stvarnost, onda je brzina svjetlosti proizvod obrade informacija. Informacija se definira kao uzorak iz konačnog skupa, pa se i njena obrada mora odvijati konačnom brzinom, što znači da se naš svijet ažurira konačnom brzinom. Konvencionalni superkompjuterski procesor se ažurira 10 kvadriliona puta u sekundi, a naš univerzum se ažurira trilione puta brže, ali principi su u osnovi isti. A ako slika na ekranu ima piksele i brzinu osvježavanja, u našem svijetu postoji Planckova dužina i Planckovo vrijeme.

U ovom slučaju će brzina svjetlosti biti na granici, jer mreža ne može prenijeti ništa brže od jednog piksela po ciklusu, odnosno Planckove dužine po jedinici Plankovog vremena, odnosno oko 300.000 kilometara u sekundi. Brzinu svjetlosti zapravo treba nazvati brzinom kosmosa (prostora).

Naše vrijeme je veoma savitljivo

Fizički realizam

U Einsteinovom paradoksu blizanaca, jedan blizanac putuje raketom skoro brzinom svjetlosti i vraća se godinu dana kasnije i otkriva da je njegov brat blizanac osamdesetogodišnjak. Niko od njih nije znao da im vrijeme drugačije prolazi i da su svi ostali živi, ​​ali život jednoga se bližio kraju, a drugog tek počinjao. U objektivnoj stvarnosti to izgleda nemoguće, ali vrijeme se zapravo usporava za čestice u akceleratorima. Sedamdesetih godina prošlog vijeka, naučnici su letjeli atomskim satovima širom svijeta na avionima kako bi potvrdili da otkucaju sporije od prvobitno sinhroniziranih satova na Zemlji. Ali kako vrijeme, sudac svih promjena, može biti podložno promjenama?

Kvantni realizam

Virtuelna stvarnost zavisi od virtuelnog vremena, gde je svaki ciklus obrade jedan "krpelj". Svaki igrač zna da kada se računar zamrzne zbog kašnjenja, vreme igre se takođe malo usporava. Isto tako, vrijeme u našem svijetu usporava se kako se brzina povećava ili približava masivnim objektima, što ukazuje na virtualnost. Blizanac na raketi ostario je samo godinu dana jer su svi ciklusi obrade njegovog sistema bili zamrznuti kako bi se uštedio novac. Promenilo se samo njegovo virtuelno vreme.

Naš prostor je zakrivljen

Fizički realizam

Prema opšta teorija Ajnštajnova relativnost, Sunce drži Zemlju u orbiti zbog zakrivljenog prostora, ali kako se prostor može zakriviti? U prostoru, po definiciji, dolazi do kretanja, dakle, da bi se savijao, mora postojati u drugom prostoru, i tako u nedogled. Ako materija postoji u praznom prostoru, ništa ne može pomjeriti ili saviti taj prostor.

Kvantni realizam

U "idle" modu, računar zapravo nije u stanju mirovanja, već izvršava nulti program, a naš prostor može učiniti isto. Casimirov efekat nastaje kada vakuum prostora vrši pritisak na dvije ploče koje se nalaze blizu jedna drugoj. Moderna fizika tvrdi da je taj pritisak uzrokovan virtuelnim česticama koje se pojavljuju niotkuda, ali u kvantnom realizmu prazan prostor je ispunjen obradom koja izaziva isti efekat. A prostor, kao mreža za obradu, može predstavljati trodimenzionalnu površinu sposobnu za zakrivljenost.

Nesreće se dešavaju

Fizički realizam

U kvantnoj teoriji, kvantni kolaps je slučajan; na primjer, radioaktivni atom može emitovati foton kad god poželi. Klasična fizika ne objašnjava slučajnost događaja. Kvantna teorija objašnjava fizički događaj „kolapsom valne funkcije“, tako da postoji element slučajnosti u svakom fizičkom događaju.

Kako bi spriječio prijetnju ovom primatu fizičke uzročnosti, Hugh Everett je 1957. predložio teoriju mnogih svjetova, neprovjerljivu ideju da svaki kvantni izbor dovodi do novog svemira, tako da se svaka verzija događaja događa negdje u novom „multiverzumu“. .” Na primjer, ako za doručak odaberete sendviče, priroda stvara još jedan univerzum u kojem doručkujete breskve i jogurt. U početku se višesvjetska interpretacija tretirala sa smijehom, ali danas fizičari sve više preferiraju ovu konkretnu teoriju u odnosu na druge kako bi raspršili noćnu moru slučaja.

Međutim, ako kvantni događaji stvaraju nove svemire, nije teško zamisliti da će se svemiri akumulirati brzinom koja nadilazi svaki pojam beskonačnosti. Fantazija mnogih svjetova ne samo da izbjegava Occamov brijač, već ga i krši. Štaviše, multiverzum je reinkarnacija još jedne stare bajke o svemiru sa satnim mehanizmom, koju je kvantna teorija razotkrila u prošlom veku. Lažne teorije ne umiru, one se pretvaraju u teorije zombija.

Kvantni realizam

Procesor u online igrici može generirati nasumičnu vrijednost, kao i naš svijet. Kvantni događaji su nasumični jer uključuju radnje klijent-server kojima nemamo pristup. Kvantna slučajnost se čini besmislenom, ali igra istu ulogu u evoluciji materije koju je genetska slučajnost igrala u biološkoj evoluciji.

Antimaterija postoji

Fizički realizam

Antimaterija se odnosi na subatomske čestice koje odgovaraju elektronima, protonima i neutronima obične materije, ali sa suprotnim električnim nabojem i drugim svojstvima. U našem svemiru negativni elektroni kruže oko pozitivnih atomskih jezgara. U univerzumu antimaterije, pozitivni elektroni bi se okretali oko negativnih jezgara, ali stanovnici ovog svemira bi mislili da je sve u redu sa zakonima fizike. Materija i antimaterija se pri kontaktu anihiliraju, odnosno međusobno se uništavaju.

Diracove jednačine polja predviđale su antimateriju mnogo prije nego što je otkrivena, ali nije bilo sasvim jasno kako je nešto što je uništilo materiju uopće moguće. Feynmanov dijagram sudara elektrona sa antielektronom pokazuje da se ovaj potonji, nakon sudara, vraća u prošlost! Kao što je to često slučaj u modernoj fizici, ova jednačina funkcionira, ali njene posljedice nemaju smisla. Materiji nije potreban antipod, a obrnuti tok vremena podriva uzročno-posledične osnove fizike. Antimaterija je jedno od najmisterioznijih otkrića moderne fizike.

Kvantni realizam

Ako je materija rezultat obrade, a obrada uspostavlja niz značenja, slijedi da se ta značenja mogu obrnuti, čime se proizvodi anti-procesiranje. U tom svjetlu, antimaterija je neizbježan nusproizvod materije stvoren tokom obrade. Ako je vrijeme završetak primarnih ciklusa obrade materije, za antimateriju će to biti završetak sekundarnih ciklusa, što znači da će ići u suprotnom smjeru. Materija ima antipod jer je proces koji je stvara reverzibilan, a antivrijeme postoji iz istog razloga. Samo virtuelno vreme može da ide unazad.

Eksperiment sa dvostrukim prorezom

Fizički realizam

Prije više od 200 godina, Thomas Young je izveo eksperiment koji još uvijek zbunjuje fizičare: propuštao je svjetlost kroz dva paralelna proreza kako bi proizveo interferencijski uzorak na ekranu. To mogu samo valovi, tako da čestica svjetlosti (čak i jedan foton) mora biti talas. Ali svjetlost također može pogoditi ekran kao tačku, što se može dogoditi samo ako je foton čestica.

Da bi to testirali, fizičari su poslali jedan foton kroz Youngove proreze. Jedan foton je proizveo očekivanu tačku udara čestice, ali ubrzo su se tačke postrojile u interferentnom uzorku. Efekat je neovisan o vremenu: jedan foton koji prolazi kroz proreze proizvodi istu sliku svake godine. Nijedan foton ne zna gdje je prethodni sletio, pa kako se pojavljuje interferencijski obrazac? Detektori postavljeni na svaki prorez samo gube vrijeme - foton prolazi kroz jedan ili drugi prorez, nikada kroz oba. Priroda nam se ruga: kada ne gledamo, foton je talas, kada gledamo, to je čestica.

Moderna fizika ovu misteriju naziva dualnošću talasa i čestica, "duboko čudnim" fenomenom koji se objašnjava samo ezoteričnim jednačinama nepostojećih talasa. Međutim, mi razumni ljudi znamo da tačkaste čestice ne mogu da putuju kao talasi, a talasi ne mogu biti čestice.

Kvantni realizam

Kvantna teorija objašnjava Youngov eksperiment kao fiktivne valove koji prolaze kroz oba proreza, interferiraju, a zatim kolabiraju u tačku na ekranu. Radi, ali valovi koji ne postoje ne mogu objasniti šta postoji. U kvantnom realizmu, program fotona može se širiti kroz mrežu kao talas, a zatim početi ispočetka kada se čvor preoptereti i ponovo pokrene kao čestica. Ono što nazivamo fizičkom stvarnošću je serija resetovanja koja objašnjavaju i kvantne talase i kvantni kolaps.

Tamna energija i tamna materija

Fizički realizam

Moderna fizika opisuje materiju koju vidimo, ali postoji i pet puta više onoga što se naziva tamnom materijom u svemiru. Može se otkriti kao oreol oko crne rupe u centru naše galaksije, koja povezuje zvijezde čvršće nego što to njihova gravitacija može dopustiti. Nije važno što možemo da vidimo jer ga svetlost ne pokupi; nije antimaterija jer nema potpis gama zraka; to nije crna rupa jer nema efekta gravitacionog sočiva—ali bez tamne materije, zvijezde u našoj galaksiji bi odletjele.

Nijedna poznata čestica ne opisuje tamnu materiju – predložene su hipotetičke čestice poznate kao masivne čestice sa slabom interakcijom (WIMP), ali nijedna nikada nije pronađena, uprkos opsežnim pretragama. Osim toga, 70% svemira predstavlja tamna energija, što fizika također ne može objasniti. Tamna energija je vrsta negativne gravitacije, slabog efekta koji razlaže stvari, ubrzavajući širenje svemira. Ne menja se mnogo tokom vremena, ali nešto što lebdi u širenju prostora trebalo bi da oslabi tokom vremena. Da je ovo svojstvo prostora, ono bi se povećavalo kako se prostor širi. On ovog trenutka niko nema pojma šta je tamna energija.

Kvantni realizam

Ako je prazan prostor nulte obrade, "hibernira", onda nije prazan, a ako se širi, tada se prazan prostor stalno dodaje. Nove tačke obrade, po definiciji, prihvataju ulaz, ali ne proizvode nikakav izlaz. Tako apsorbuju, ali ne emituju, baš kao i negativan efekat koji nazivamo tamnom energijom. Ako se novi prostor dodaje konstantnom brzinom, efekat se neće mnogo promijeniti tokom vremena, tako da je tamna energija posljedica kontinuiranog stvaranja prostora. Kvantni realizam sugerira da čestice koje bi mogle objasniti tamnu energiju i tamnu materiju neće biti otkrivene.

Tuneliranje elektrona

Fizički realizam

U našem svijetu, elektron može iznenada iskočiti iz Gaussovog polja u koje ne može probiti. Ovo se može uporediti s novčićem u potpuno zatvorenoj staklenoj boci koji se iznenada pojavljuje izvan nje. U čisto fizičkom svijetu to je jednostavno nemoguće, ali u našem je sasvim moguće.

Kvantni realizam

Kvantna teorija sugerira da bi elektron ovo trebao učiniti slučajno, jer se kvantni val može širiti bez obzira na fizičke barijere, a elektron može iznenada kolabirati u bilo kojoj tački vala. Svaki kolaps je kadar filma koji nazivamo fizičkom stvarnošću, samo što sljedeći kadar nije fiksiran, već je zasnovan na vjerovatnoći. Elektron koji „tunelira“ kroz neprobojno polje je poput filma koji skriva od pogleda glumca koji izlazi iz kuće.

Možda izgleda čudno, ali teleportacija iz jednog stanja u drugo je način na koji se kreće sva kvantna materija. Vidimo fizički svijet koji postoji nezavisno od našeg zapažanja, ali u kvantnoj teoriji efekat posmatrača opisuje efekat pogleda igre: kada pogledate ulevo, stvara se jedan pogled, kada pogledate udesno, drugi. U Bohmovoj teoriji, sablasni kvantni talas vodi elektron, ali u teoriji koju razmatramo, elektron je sablasni talas. Kvantni realizam razrješava kvantni paradoks čineći kvantni svijet stvarnim, a fizički svijet njegovim proizvodom.

Kvantna zapetljanost

Fizički realizam

Ako atom cezijuma emituje dva fotona u različitim smjerovima, kvantna teorija ih "zapliće", tako da dok se jedan vrti prema gore, drugi se okreće prema dolje. Ali ako se jedan slučajno prevrne, kako drugi može odmah znati za to, na bilo kojoj udaljenosti? Za Ajnštajna, otkriće da merenje spina jednog fotona trenutno određuje spin drugog, gde god da se nalazi u Univerzumu, bilo je „jeziva akcija na daljinu“. Eksperimentalna verifikacija ovoga bila je jedan od najtemeljitijih i najtačnijih eksperimenata uopšte u istoriji nauke, a kvantna teorija je opet bila u pravu. Promatranje jednog upletenog fotona uzrokuje da drugi dobije suprotan spin - čak i ako su previše udaljeni da bi ih svjetlosni signal upozorio. Priroda je od samog početka mogla napraviti tako da spin jednog fotona bude gore, a drugi dolje, ali to je, očigledno, bilo preteško. Stoga je dozvolila da spin jednog odabere bilo koji slučajni smjer, tako da kada ga izmjerimo i odredimo jedan, spin drugog fotona se odmah promijeni u suprotan, iako se to čini fizički nemoguće.

Kvantni realizam

U ovom pogledu, dva fotona se zapetljaju kada se njihovi programi kombinuju kako bi doveli dvije tačke zajedno. Ako je jedan program odgovoran za top spin, a drugi za donji, njihov spoj će biti odgovoran za oba piksela, gdje god da se nalaze. Fizički događaj na svakom pikselu nasumično ponovo pokreće program, a drugi program reagira u skladu s tim. Ovaj kod za ponovno mapiranje zanemaruje udaljenosti jer procesor ne mora ići do piksela da bi zatražio od njega da se okrene, čak i ako je ekran velik kao sam svemir.

Standardni model fizika uključuje 61 fundamentalnu česticu sa utvrđenim parametrima naboja i mase. Da je mašina, imala bi desetine poluga za pokretanje svake čestice. Takođe bi mu bilo potrebno pet nevidljivih polja koja generišu 14 virtuelnih čestica sa 16 različitih „naboja“ da bi delovao. Ovo može izgledati kao potpuni paket, ali Standardni model ne može objasniti gravitaciju, stabilnost protona, antimateriju, promjene kvarka, masu ili spin neutrina, inflaciju ili kvantnu slučajnost – a to su vrlo važna pitanja. Da ne spominjemo tamnu materiju i čestice tamne energije koje čine većinu Univerzuma.

Kvantni realizam reinterpretira jednadžbe kvantne teorije u terminima jedne mreže i jednog programa. Njegova osnovna pretpostavka je da je fizički svijet rezultat obrade, ali to ga ne čini manje stvarnim – mi ga jednostavno ne vidimo. Teorija sugerira da je materija nastala iz svjetlosti kao stabilan kvantni val, što znači da kvantni realizam sugerira da svjetlost u vakuumu može stvoriti materiju nakon sudara. Standardni model kaže da se fotoni ne mogu sudariti, pa je potreban radikalan eksperimentalni pristup za testiranje virtuelne stvarnosti našeg svijeta. Kada svjetlost u vakuumu stvori materiju nakon sudara, model elementarnih čestica će biti zamijenjen modelom obrade informacija.

Za referenciju: Brian Whitworth, tvorac teorije kvantnog realizma, ostavio je detaljan vodič za pojmove, pa ako imate pitanja, pitajte, ja ću pokušati odgovoriti na osnovu njegovih materijala.