ппп. мироздание фурса. Мысли мудрецов востока

• Название: Мысли мудрецов востока
• Дата: 09.08.2022
• Размер: 3.29 Mb.
• Имя файла: мироздание фурса.doc
• Тип: Реферат; #642817
• страница: 32 из 45

..3- 10'° 10" 1,24- 10* | Переходы

I внешних

Дальний УФ

Yатомных

..3- 10"10*1,24- Ю¹электронов

Ближний УФ

В идимый свет/. 1 мкм 3 ■ 10^Ы ш' 1,24 • 10

Ближнее ИК

3 ■ ю" Ю³ 1,24- 10"'

Дальнее ИК

..3 • 10 10" 1,24- 10

гщательные уровни молекул

....1 мм 3 ■ 10^м Ю 1,24 ■ 10°

Микро­волновое

Магнитные уровни (ЭПР)

...Л см 3 ■ ю'° 1 1,24- Ю"¹

...,1дм 3 ■ 10⁹ 10"' 1,24 ■ I0"⁵

Радно-частотне

1 м 3 ■ 10 10" 1,24 ■ 10'

Магнитные L ядерные г уровни (ЯМР)

3 • 10⁷ 10"³ 1,24 • I0'⁷

3 • 10° 10"¹ 1,24 • 10"⁸

...J Ш 3 ■ 10⁵ \0'\1,24 ■ 10""

3 ■ 10' 10' 1,24 ■ 10"

Рис. 8. Шкала электромагнитных излучений

336



Рис. 9. Формирование электромагнитной волны:

а) -трансформация колебательного контура в антенну; б - д) — отрыв поля излучения от излучателя (антенны)

Строгое научное обоснование электромагнетизма заложено в урав­нениях Джеймса Максвелла. В соответствии с волновой теорией, все эти виды излучения имеют одну природу и представляют собой взаи­мосвязанные колебания напряжённости электрического и магнитного полей. Синусоидальные колебания электрической и магнитной состав­ляющих волны происходят синфазно под углом 90° в плоскости, пер­пендикулярной направлению распространения излучения. Разнятся электромагнитные волны лишь длиной X (или частотой v) и, следова­тельно, энергией hv.

Нужно было иметь поистине гениальное воображение и смелость, чтобы увязать, казалось бы, совершенно разные процессы в простых, гармонично связанных и подчиняющихся законам симметрии, уравне­ниях. Вот впечатления современников.

Лорд Кельвин: «Я могу сказать об этом только одно. Я не думаю, что это допустимо».

Анри Пуанкаре: «Чувство неловкости, даже недоверия, которое смешивалось с восхищением». Через 23 года выводы теории Максвел­ла были блестяще подтверждены экспериментами Генриха Герца.

337

Волны вероятности

Едва учёный мир смирился с электромагнитной природой волны, как последовали новые потрясения. «Все тела при температуре выше абсолютного нуля (-273 °С) излучают в широком диапазоне частот», -заявил Макс План к в 1900 году и объяснил это тем, что в твёрдом те­ле имеется множество осцилляторов (атомов, молекул), настроенных на определённую частоту. Но самым невероятным было другое. М. Планк установил, что излучатель не может обмениваться со своим окружением порциями энергии любой величины, а лишь определён­ными количествами энергии - квантами. Понять это и согласиться с таким утверждением было трудно. Так что же всё-таки: волна или час­тица? Споры не утихают до сих пор. В честь учёного минимальную порцию волновой энергии, представляющую собой коэффициент про­порциональности между частотой и энергией, назвали постоянной Планка (/г). С тех пор излучение принято представлять в квантовой электродинамике в виде энергетических пакетов (hv), называемых фо­тонами. Скорость распространения фотонов в вакууме составляет 3-10^sm/c. Энергия фотона тем больше, чем выше частота излучения. Отсюда следует дискретный, квантованный характер энергетических состояний - у систем, генерирующих и поглощающих излучение, -уровней энергии, линейчатый характер спектров.

Квант Планка не только дал старт новой серьёзной теории - кван­товая механика как истинное знание утвердилась на огромном про­странстве материального мира, размеры которого простираются на 24 порядка, - но и послужил отправной точкой для серьёзных подви­жек в осмыслении мироздания. Квантование, в совокупности с други­ми неразгаданными константами, такими как заряд электрона, скорость света, гравитационная постоянная, а также принципом неопределённо­сти Гейзенберга, определяющим границы познания, принципом запрета Паули, устанавливающим начало физического порядка, свя­занные незыблемыми законами сохранения энергии и момента количе­ства движения, - выглядят проявлениями какой-то более тонкой пау­тины, канвы, взаимосвязи и всеобщей закономерности, определяющей и унифицирующей все явления в мироздании, и наводят на мысль о существовании более Высоких, возможно Космических, Законов.

Кванты-фотоны во многом похожи на частицы (корпускулы) - они обладают определённой энергией и импульсом, взаимодействуют с веществом как целое. А как же быть с хорошо известными волновыми свойствами электромагнитного излучения, которые проявляются в яв­лениях дифракции и интерференции света? В 1924 г. Луи де Бройль пришел к выводу, что корпускулярно-волновой дуализм - двойствен-

333

ность поведения - присущ всем без исключения видам материн: элек­тронам, атомам, молекулам и т.д., причем количественные соотноше­ния между волновыми и корпускулярными свойствами те же, что и установленные ранее для фотонов. Например, для электронов с энерги­ей от I эВ до 10 эВ длины волн лежат в пределах от 10 ангстрем до 0,1 ангстрем (1 ангстрем = Ю^1Ом), т.е. в интервале длин волн рентгенов­ского излучения, а значит, волновые свойства электронов должны про­являться при рассеянии на кристаллах, на которых наблюдается ди­фракция рентгеновских лучей. Идея де Бройля о- корпус кул ярно-волповом дуализме микрочастиц, подтверждённая опытами, принци­пиально изменила представление об облике микромира.

Поскольку всем микрообъектам (по традиции за ними сохраняется термин «частицы») присущи и корпускулярные, и волновые свойства, то, очевидно, любую из них нельзя считать ни частицей, ни волной в классическом понимании этих слов. Возникла потребность в такой теории, в которой волновые и корпускулярные свойства материи вы­ступали бы как взаимно дополняющие друг друга. В основу такой тео­рии - квантовой механики - и легла концепция де Бройля.

В 1926 г. Макс Борн облёк её в более замысловатую форму. Он высказал идею о том, что волновым законам подчиняется величина, описывающая состояние частицы. Она была названа волновой функци­ей. Квадрат модуля этой функции определяет вероятность нахождения частицы в различных точках пространства в разные моменты времени. Так математическая абстракция Борна привела к вероятностной интер­претации волновых проявлений мпкрообъектов.

Когда частица попадает в ограниченный объем пространства, она реагирует на это ограничение особым способом - начинает усиленно двигаться, и чем значительнее ограничение, тем выше скорость. Такая картина наблюдается в атоме, где взаимодействуют два вида сил про­тивоположного характера. С одной стороны, электрические силы очень прочно привязывают электрон к ядру, стремясь сблизить их. С другой стороны, электрон реагирует на это ограничение увеличением своей скорости: чем сильнее притяжение ядра, тем выше скорость - она мо­жет достигать 1000 км/сек. Вследствие этого атом воспринимается как жёсткая, непроницаемая среда, подобно тому, как вращающийся про­пеллер выглядит как диск. Притяжение ядра и скоростное противодей­ствие этому электронов идеально уравновешены в атоме. Тем не менее орбиты электронов, в силу их волновой природы, значительно отлича­ются от орбит планет Солнечной системы. Мы должны представить себе не частицы, вращающиеся вокруг ядра, а вероятностные волны, распределённые по орбитам. На орбитах эти электронные волны фор-

339

мируют замкнутые паттерны т.н. стоячих оолн. Эти паттерны возника­ют всегда, когда волны ограничены конечным пространством. В случае электронов внутри атома это означает, что они могут существовать только на определённых орбитах, имеющих соответствующую конфи­гурацию относительно ядра. При нормальных условиях электрон все­гда будет на нижней орбите - стационарное состояние атома. Отгуда электрон, получив необходимое количество энергии извне, может пе­рескочить на более высокие орбиты, и тогда говорят, что атом нахо­дится в возбуждённом состоянии, из которого может вновь перейти в стационарное, испустив избыточное количество энергии в виде фотона или кванта электромагнитного излучения. Состояние атома однозначно описывается набором квантовых чисел, обозначающих местонахожде­ние и форму электронных орбит.

Световая волна, звуковая волна, колебания струны гитары, волны на поверхности воды могут быть описаны одними и теми же форму­лами. Волновые свойства любой линейной однородной среды (систе­мы) полностью характеризуются законом дисперсии или дисперсион­ным уравнением. Квантовая теория пользуется ими же для описания волн, связанных с частицами. Однако в этом случае волны имеют гораздо более абстрактный характер. Волны, связанные с частицами, -это не «настоящие» трёхмерные волны, как, например, на поверхно­сти воды или звуковые колебания, а «вероятностные волны» - абст­рактные математические величины, выражающие вероятность суще­ствования частиц в тех или иных точках с теми или иными характе­ристиками. Будучи вероятностным паттерном, частица может суще­ствовать в разных точках п, таким образом, представляет собой странную разновидность физической реальности, нечто среднее меж­ду существованием и несуществованием. Частица не находится в оп­ределённой точке и не отсутствует там, она не перемещается и не покоится. Изменяется только вероятностный паттерн, т.е. тенденция частицы существовать в определённых точках. Вероятностное описа­ние реальности, скачкообразное переключение атомов с одного кван­тового состояния в другое - вот лишь некоторые черты необычной для микромира атомной действительности.

Структурная организация материи, упорядоченность мира тесно связаны со степенью его постоянства. Тот фундаментальный факт, что тело в отсутствие внешней приложенной силы будет двигаться прямо­линейно и равномерно, является воплощением закона инерции. Откуда телу известно, по какой траектории ему следует двигаться? Каким обра­зом возникает эта прямая линия? Каким образом реализуется это чудо, столь важное для упорядочения мира? Оказывается, причина также

340

обусловлена квантовыми эффектами, в частности волновой природой микрочастиц. Квантовый эффект состоит в том, что частица, например электрон, как бы пробует все возможные пути, соединяющие точку от­правления с точкой прибытия. Вероятностные волны, распространяю­щиеся по криволинейной траектории, гасят друг друга в результате ин­терференции. Единственная траектория, на которой этого не происхо­дит, - та, по которой волны приходят в фазе и, следовательно, не гасят, а усиливают друг друга. Строго говоря, усиление происходит только вдоль прямолинейной траектории. Поэтому наиболее вероятно, что час­тица следует по кратчайшему из возможных путей. Подобная общность принципов, лежащая в основе движения волн и частиц, наводит на мысль о том, что движению в природе присуща глубокая гармония. В определённом смысле световой луч и материальное тело следуют наиболее лёгким из всех возможных путей, - это «принцип лености».

Основная сила, действующая в мире атомов, хорошо известна и в макроскопическом мире. Это электрическая сила притяжения, дейст­вующая между положительно заряженными ядрами и отрицательно заряженными электронами. Взаимодействие этой силы с электронными волнами порождает огромное количество разнообразных явлений и структур, которые окружают нас. Именно оно отвечает за все химиче­ские реакции и за образование молекул - соединений, состоящих из нескольких атомов, связанных силами взаимного притяжения. Таким образом, взаимодействие электронов с ядром лежит в основе сущест­вования всех твёрдых тел, жидкостей и газов, а также живых организ­мов и биологических процессов, т.е. жизнедеятельности. Без гравита­ции, как показали космические эксперименты, живые организмы снос­но существуют, без электромагнетизма- развалятся.

Многие поразительные свойства материи обусловлены волновой природой электронов и др. частиц. Твёрдая, по нашим ощущениям, материя состоит почти из пустого пространства, если рассматривать с точки зрения распределения массы в атомах. Можно представить себе удивление Э. Резерфорда, который первым обнаружил такое. Тонкий сплошной лист из золота оказался прозрачным для пучка а-частиц (ядер гелия). Через экран проходили почти все частицы, и лишь одна из 10000 испытывала отклонение или отражение.

Итак, волна - это периодический колебательный паттерн в про­странстве н времени. В квантовой теории речь идёт о волне вероятно­сти, и таким образом теория связывает свойства вероятностной волны со свойствами соответствующей частицы, соотнося амплитуду в опреде­лённой точке с вероятностью существования в этой точке частицы. Если амплитуда большая, то велика и вероятность того, что частица находится

341

в этой точке; если нет, то вероятность эта мала. Волна, распространяю­щаяся в пространстве, - неограниченная бегущая полна с постоянной амплитудой - даёт мало информации о местонахождении частицы. Час­тица может находиться в любой точке вдоль волны с одинаковой веро­ятностью. Волнообразиость сама по себе есть проявление частицы. В случае атома вероятностная картина ограничена. Этому условию удов­летворяет волновой паттерн, ограниченный пределами некоторой облас­ти и называемый волновым пакетом. Такой волновой пакет состоит из большого числа волн различной длины, которые, интерферируя, унич­тожают друг друга вне некоторой области и образуют колебательный паттерн внутри этой области, где амплитуда, а следовательно, и вероят­ность отличны от нуля. Протяженность пакета является мерилом неоп­ределённости местонахождения частицы. Такой пакет не имеет опреде­лённой длины волны; существует некий разброс длин волн: чем короче пакет, тем разброс значительнее. Это обстоятельство вытекает из свойств обычных волн и не имеет отношения к квантовой теории. Кван­товая теория начинает действовать тогда, когда мы связываем длину волны с импульсом соответствующей частоты. Однако на этом примере наиболее наглядно можно пояснить фундаментальный принцип неопре­делённости. Если волновой пакет не имеет точно определённой длины волны, то частица не имеет точно определённого импульса. Это приво­дит к тому, что нельзя определить не только точное местонахождение частицы в пределах длины пакета, но и точный импульс частицы (по­следнее обусловлено разбросом длин волн). Две неопределённости свя­заны друг с другом, так как разброс длины волны (т.е. неопределённость импульса) зависит от протяженности волнового пакета, т.е. от неопреде­лённости местонахождения. Если мы захотим более точно определить местонахождение частицы (сократить протяженность её волнового паке­та), это приведёт к увеличению разброса длин волн, а следовательно, и к увеличению неопределённости импульса частицы.

Всё сказанное относится и к категории частоты и энергии частицы. Разброс частоты колебаний паттерна соответствует неопределённости энергии частицы. Поэтому неопределённость положения события во времени оказывается связанной с неопределённостью энергии точно так же, как неопределённость пространственного положения частицы обнаруживает связь с неопределённостью её импульса. Важно понять, что это ограничение не вызвано несовершенством наших измеритель­ных приборов: оно принципиально, и означает, что понятие само­стоятельной физической сущности - такой, как, скажем, части­ца, — носит абстрактный характер и не имеет реального содержа­ния. Оно может быть определено через его связи с целым, а эти связи

342

характеризуются статистической природой. Эти связи могут существо­вать с определённой вероятностью, а могут и не существовать. Нело­кальный характер квантовых систем является общим правилом приро­ды, а не искусственной ситуацией, созданной в лаборатории. Учёные подчёркивали, что квантовая физика рисует картину мира, в кото­рой отдельные частицы материи не существуют сами по себе как первичные объекты. Статусом «реальности» обладает здесь только ансамбль частиц, рассматриваемый как единое целое, в том числе и частиц, из которых состоит измерительный прибор. Американский фи­зик Генри Стэпп так сформулировал квантовую концепцию частицы: «Элементарная частица не есть нечто независимо существующее и не поддающееся анализу. По существу - это среда, распростра­няющаяся вовне на другие области».

Электромагнитное излучение частицы и Вселенной в целом неот­делимы друг от друга. Волны, возникшие в одном месте, невозможно отделить от их эха, в том числе из самых отдалённых областей кос­моса. Множество фотонов, движущихся согласованно, может приво­дить к вполне определённым электромагнитным явлениям, таким как, например, радиоволны (это свойственно всем бозонам). Фермионы не способны на нечто подобное, так как они мешают друг другу (прин­цип Паули). Именно поэтому мы никогда не наблюдаем макроскопи­ческих электронных волн, хотя каждому электрону соответствует своя волна. Бозоны принято ассоциировать с взаимодействием, а фермноны - кварки, лептоны - с веществом. Радиоволны могут рас­пространяться до границ Вселенной, если таковые существуют. Та­ким образом, каждая скромная радиопередача становится поистине космическим событием. Представляете, сколько безобразия мы еже­часно направляем в Космос?

Для особенно любознательных добавим, что распространение воли суще­ственно зависит от размерности пространства. В пространствах с чётным чис­лом измерений не могут распространяться «чистые» волны. За волной обяза­тельно возникают возмущения, которые вызывают реверберацию. Именно поэтому чётко сформулированные сигнал!,! нельзя передавать по двумерной поверхности. Анализируя этот вопрос, математик Г. Дж. Уитроу в 1955 году пришел к выводу, что высшие формы жизни были бы невозможны в простран­ствах чётной размерности, поскольку живым организмам для согласованных действии необходимы эффективная передача и обработка информации.

Реальность не даёт оснований надеяться на то, что достичь понима­ния строения вещества удастся, зная лишь свойства его составных час­тей. Только подход к системе как целому даст возможность познания свойств микромира. Большое и малое существует, однако одно не ис­черпывает другого, как, равным образом, второе не «объясняет» первого.

343

г -"■#% • . ■*•

Глава 25

И злучение и поглощение волн

Ал ачнём с того, что напомним Вам о величайшем заблуждении, в котором мы постоянно пребываем, наблюдая цветовую гамму окру­жающего нас мира. Глядя на жёлтый цветок, мы забываем о том, что на самом деле цветок поглотил из падающего на него белого света тёмно-сиппй п поэтому сам выглядит жёлтым; когда цветок красный, это зна­чит, что он поглотил сине-зелёный цвет, и т.д. Из приведённой ниже таблицы вы сможете составить представление о цветовых явлениях в природе.

Поглощается	Длина волны, А	Наблюдается
Фиолетовый	4000	Зеленовато-жёлтый
Темно-синий	4250	Жёлтый
Синий	4500	Оранжевый
Сине-зеленый	4900	Красный
Зелёный	5100	Пурпурный
Жёлто-зелёный	5300	Фиолетовый
Желтый	5500	Тёмно-синий
Оранжевый	5900	Синий
Красный	6400	Синевато-челёный
Пурпурный	7300	Зелёный