Пошук остаточних законів природи
Цей сайт присвячений великій інтелектуальній пригоді - пошуку остаточних законів природи. Мрія про остаточну теорію багато в чому надихає роботи в області фізики високих енергій. Хоча ми й не знаємо, як можуть виглядати остаточні закони або скільки років пройде, перш ніж вони будуть відкриті, все-таки ми думаємо, що вже в сучасних теоріях уловлюються проблиски контурів остаточної теорії.
Сама ідея остаточної теорії суперечлива і є в наші дні предметом інтенсивних суперечок. Це протиріччя вже досягло комітетських кабінетів конгресу США: фізика високих енергій стає усе більше дорогою наукою й обіг учених за суспільною підтримкою частково обґрунтовується історичною місією відкриття остаточних законів
Із самого початку в наміри входив виклад тих питань, які виникають у зв'язку із самою ідеєю остаточної теорії як частини інтелектуальної історії нашого часу, розраховане на людей без спеціальної підготовки по фізиці й вищій математиці. Мова йде про ключові ідеї, що лежать в основі сучасних фундаментальних досліджень по фізиці. Але це не підручник по фізиці, і Ви не зустрінете окремих глав, повністю присвячених часткам, взаємодіям, симетріям і струнам. Навпроти, тут уплетені поняття сучасної фізики в обговорення того, що таке остаточна теорія і як ми збираємося неї шукатися
Остаточна теорія
зі стану з найменшою енергією в один зі станів з більшою енергією (при випущенні світла відбувається зворотний
процес). Якщо об'єднати ідеї Эйнштейна й Бору, то виходить, що світло може поглинатися атомом або молекулою,
тільки якщо довжина хвилі світла приймає певне значення. Ці певні довжини хвиль відповідають таким енергіям
фотонів, які саме рівні різниці енергій між початковим станом атома або молекули й одним зі станів
с більшою енергією. У противному випадку при поглинанні фотона атомом або молекулою не зберігалася б енергія.
Типові з'єднання міді мають зелено-синій колір, тому що існує певний стан атома міді,
обладающее енергією, на два електрон-вольти2) більшої, ніж енергія нормального стану атома. Тому атом особливо
2) Ми будемо використовувати загальноприйняту одиницю виміру енергії электронвольт (еВ). Таку енергію
одержує електрон, якщо його проштовхує по проведенню батарейка напругою 1 У.
23
легко перестрибує в стан з більшою енергією, поглинувши фотон з енергією 2 еВ. Довжина хвилі такого фотона дорівнює
0,62 напівтемних, що відповідає червоно-жовтогарячому кольору, так що після поглинання цього фотона відбите світло, що залишилося
має зелено-синій відтінок12. (Наведене міркування - не просто вкрай складний спосіб пояснити те, що ми й так
знаємо про зелено-синій колір з'єднань міді; подібна структура енергетичних станів атомів міді проявляється й
тоді, коли вони одержують ззовні енергію іншими способами, наприклад, від пучка електронів.) Крейда має білий колір
тому що в молекул, з яких він складається, виявляється, немає таких рівнів енергії, куди можна легко перестрибнути,
поглинаючи фотони будь-якого кольору з видимого світла.
Чому? Чому атоми й молекули існують тільки в дискретних станах, що володіють певною енергією?
Чому ці енергії такі, а не інші? Чому світло складається з окремих часток, енергія яких назад
пропорційна довжині хвилі світла? І чому атоми або молекули особливо легко перестрибують у певні
стану, поглинаючи фотони? Всі ці властивості світла, атомів і молекул було неможливо зрозуміти аж до середини 1920-х
гг., коли був розвинений новий підхід у фізику, відомий як квантова механіка. У рамках квантової механіки частки в
атомі або молекулі описуються так званою хвильовою функцією. Ця функція поводиться в чомусь схоже на хвилю
світла або звуку, але її значення (точніше, значення її квадрата) визначає ймовірність виявлення частки в будь-якому
даному місці. Точно так само, як повітря в органній трубі може коливатися тільки в певних модах, кожна з
яких має свою довжину хвилі, так і хвильова функція частки в атомі або молекулі може існувати тільки в
певних модах або квантових станах, кожне з яких має свою певну енергію. Коли рівняння
квантової механіки застосували для розгляду атома міді, виявилося, що один з електронів на далекої зовнішньої
орбіті цього атома слабко зв'язаний і в результаті поглинання видимого світла може бути легко перекинений на наступну
більше високу орбіту. Квантовомеханические обчислення показали, що енергії атома в цих двох станах відрізняються
на два електрон-вольти, що саме дорівнює енергії фотона червоно-жовтогарячого світла3). З іншого боку, у молекул карбонату
кальцію в шматку мела немає подібних слабосвязанных електронів, які могли б поглинути фотони якої-небудь довжини
хвилі. Що ж стосується фотонів, те їхні властивості пояснюються застосуванням принципів квантової механіки до самого світла.
Виявляється, що світло,
3) У металі ці зовнішні електрони відриваються від окремих атомів і подорожують між ними, так що
чисто металева мідь не проявляє особливої тенденції поглинати фотони саме жовтогарячого кольору,
тому сама мідь не виглядає зелено-голубой.
[...]
Початок
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [82] [83] [84] [85] [86] [87] [88] [89] [90] [91] [92] [93] [94] [95] [96] [97] [98] [99] [100] [101] [102] [103] [104] [105] [106] [107] [108] [109] [110] [111] [112] [113] [114] [115] [116] [117] [118] [119] [120] [121] [122] [123] [124] [125] [126] [127]
У світі фізики
Наука та техніка