Концепция корпускулярно-волнового дуализма материи В основании квантовой

Концепция корпускулярно-волнового дуализма материи

В основании квантовой механики лежит несколько новых принципов Принцип квантования энергии Планка Принцип дополнительности (корпускулярно-волновой дуализм) де Бройля и Бора Принцип неопределенности Гейзенберга

Кризис физики на рубеже веков 19 – 20 Противоречие между предсказанием электромагнетизма в задаче об излучении тел и экспериментальными данными

С чего все началось Задача об излучении тел Была важна для исследования звезд

Тепловое излучение – это электромагнитное излучение испускаемое телами за счет своей внутренней энергии. Возникает за счет столкновений молекул при движении пропорционально температуре

Формула Вина Совпадение на коротких волнах И н т е н с и в н о с т ь и з л у ч е н и я Ультрафиолетовая катастрофа Е = ∞ Формула Релея. Джинса Совпадение на длинных волнах Длина волны (мкм)

Существует минимальная порция энергии для каждой длины волны Чем больше энергия волны, тем больше эта порция Квант энергии большой Если энергия, которая должна излучаться на данной длине, окажется меньше этой порции, то излучение волн такой длины невозможно Квант энергии маленький

Постоянная Планка Частота Видимый свет Квант энергии ~1014 с– 1 ~10– 18 Дж Можно поднять на 1 сантиметр массу в 10– 13 грамма (1011 нейтронов) γ-лучи – энергия кванта в миллион раз больше

Определение Квантованными называются физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения

Дискретность в истории физики Дискретность вещества – атомистика Демокрита 5 в. до н. э. Дискретность света 1 – Ньютон Дискретность электрического заряда – Томсон 17 в. конец 19 в. Дискретность энергии – Планк 1900 Дискретность света 2 – Эйнштейн 1905

Дискретность электрического заряда – открытие электрона 1870 -80 -е годы Дж. Стони и Г. Гельмгольц высказывают идею об «атомах электричества» . Термин электрон 1897 Джозеф Томсон в Кавендишской лаборатории (основана Максвеллом) открывает минимальный электрический заряд и его носителя – электрон

Джозеф Джон Томсон

Заряд электрона е = 1. 6· 10 -19 Кл. Любой другой заряд равен целому числу элементарных зарядов e. Таким образом, заряд дискретен q = ± ne

Дискретные свойства электромагнитных волн – открытие фотона 1905 Эйнштейн свет ē металл Фотоэффект – выбивание электронов из металла светом

Увеличиваем яркость свет Увеличиваем частоту света Уменьшаем частоту света ↑ число ē, но не их скорость ē ↑ скорость ē металл ē перестают вылетать совсем Вывод: энергию вылетевших ē определяет не полная энергия облучения, а его цвет

Вывод Эйнштейна Энергия не только излучается, но и поглощается квантами Корпускулярная модель света Свет состоит из частиц – фотонов Уравнение фотоэффекта: Энергия фотона с частотой ν Энергия выхода ē из металла

Нобелевскую премию в 1921 Эйнштейн получил именно за фотоэффект!

Переходный период от классической физики к квантовой Модели строения атома

Открытие радиоактивности 1896 Антуан Беккерель уран 1898 Пьер и Мария Кюри

Радиоактивный распад – это распад ядер атомов с превращением их в другие элементы -частицы – ядра гелия 2 p + 2 n -частицы – электроны -лучи – коротковолновое электромагнитное излучение <10– 10 м

Модель атома Томсона 1903 «Пудинг с изюмом» 10– 10 м = 1 Å

Модель атома Резерфорда 1911 Поток (+) заряженных α-частиц (ядер He) Тонкая золотая фольга По модели Томсона (+) заряд на весь атом По модели Резерфорда (+) заряд в центре

Модель атома Резерфорда 99. 99% массы атома – в ядре ρ ≈ 1015 г/см 3 Атом 10– 10 м Ядро 10– 15 м

Проблема с атомом Резерфорда Электроны движутся с ускорением должны излучать энергию когда она кончится, упадут на ядро

Модель атома Бора 1913 квантовый принцип разрешенных орбит Нильс Бор 1885 – 1962 Институт теоретической физики Бора при Копенгагенском университете

Постулаты Бора 1. В атоме существуют стационарные состояния, не меняющиеся без внешних воздействий. В них атом не излучает энергию. Энергии стационарных состояний образуют дискретный спектр Е 1, Е 2, Е 3 … Противоречие с классической механикой, где энергия системы может быть любой

Постулаты Бора 2. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое им испускается или поглощается один квант энергии. Энергия этого кванта равна разности энергий стационарных состояний: Противоречие с электродинамикой. Частота волны должна определяться характером движения заряда

Испускание кванта света Поглощение кванта света

Атом Бора и спектры излучения т ле о и ь Ул аф р т вет ый с Видим n=1 n=2 n=3 n=4 n=5 Инф рак рас ный

В атоме Бора электроны не падают на ядро Устойчивость атомов – это макроскопический эффект квантовой механики

Недостатки теории Бора Квантовый принцип не получил физического объяснения – он «просто работал и все» Теория была «полуклассической» и «полуквантовой» Переходный этап от классики к квантовой механике

Еще одна нерешенная проблема Свет – волна или частица? Максвелл Планк и Эйнштейн

Второй принцип квантовой механики Корпускулярно-волновой дуализм (принцип дополнительности)

1923 Луи-де. Бройль

Корпускулярно-волновой дуализм Не только фотоны, но любые тела являются одновременно частицей и волной Распространение свойств волны на тела, обладающие массой!

Корпускулярно-волновой дуализм Длина волны любого тела определяется через импульс Для тел, имеющих массу При v << c Из-за малой величины h волновые свойства у тел с большой массой не проявляются

Как зависит длина волны от импульса При v << c Электрон Для (1/100 скорости света) Длина волны Это среднее расстояние между атомами в веществе. Из электромагнитных волн такую длину имеют рентгеновские лучи.

Как зависит длина волны от импульса При v << c Бегущий человек Длина волны На порядок меньше планковской длины – наименьшей, которую можно теоретически измерить.

Гипотеза де Бройля объясняла, почему орбиты электронов квантованы. Должно укладываться целое число длин волн.

Нильс Бор Принцип дополнительности Принцип соответствия

Принцип дополнительности Бора Волновое и корпускулярное описание квантового объекта не исключают и не заменяют, а взаимно дополняют друга Это связано с тем, что мы вынуждены описывать в классических понятиях объекты, к которым эти понятия неприменимы

Принцип дополнительности в общей формулировке Многие явления природы не могут быть определены однозначно с помощью слов нашего языка и требуют для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий

Принцип соответствия Всякая неклассическая теория в соответствующем предельном случае переходит в классическую

Доказательство волновых свойств частиц, имеющих массу Дифракция электронов К. Девиссон и Л. Джермер, 1927 Дж. Томсон, 1928

Дифракция – изменение структуры любой волны при огибании препятствий. Если за препятствием установить датчик (экран), то на нем появится картинка, отражающая интенсивность попадающих волн. Ее называют картиной интерференции – результата взаимодействия всех волн приходящих на экран.

Поведение частиц Экран Источник пуль Пули

Поведение волн

Поведение волн и … электронов Интерференционные полосы на экране

длительная экспозиция короткая экспозиция Картина дифракции электронов. В случае (b) видны точки попадания отдельных электронов (частицы!) на фотопластинку. Такая картина получается даже если поток электронов так слаб, что одновременно через перегородку проходит только одна частица.

Электроны ведут себя как пули Измерительный прибор (источник света) Наличие прибора влияет на результат опыта! Интерференция исчезает

Но если в этом опыте уменьшить энергию фотонов? Чтобы они не сбивали электрон с траектории? Тогда длина волны станет очень большой. А точность определения координаты – не более, чем длина волны Чем меньше энергия волны Тем больше длина

1927 Вернер Гейзенберг Соотношение неопределенностей

Соотношение неопределенностей При любых измерениях любыми сверхточными приборами невозможно одновременно точно определить координату и скорость частицы. Чем точнее вы измеряете координату – тем больше будет погрешность в скорости и наоборот: Δx – погрешность в измерении координаты Δp – погрешность в измерении импульса

Соотношение неопределенностей Аналогично для энергии частицы и времени ее измерения Невозможно сказать, что частица имеет такую-то энергию в такой-то точный момент времени

Классический мяч Квантовый мяч Туннельн ый эффект

Эрвин Шрёдингер 1928 Нерелятивистская квантовая механика

Квантовый объект – это объект, который не встречается в классической физике В макромире он проявляет себя либо частицей, либо волной, однако теряя при этом часть свойств квантового объекта. Поэтому классические понятия в применении к квантовому объекту теряют свой смысл, но используются за неимением других.

Математический аппарат квантовой механики

Класс. механика Материальная точка Квантовая Квантовый объект Характеристики Физическая величина (x, m, p, E) Оператор (x, p, E) Теория предсказывает числовое значение при измерении вероятность получить данное числовое значение при измерении

Электрон в состоянии 2 s может быть обнаружен на различных расстояниях от ядра. С наибольшей вероятностью его можно обнаружить на расстоянии, равном радиусу r 2 С меньшей – r 1 Вероятность обнаружения электрона в состоянии 1 s (основное состояние атома водорода) максимальна на расстоянии r 1

Невыполнимо требование воспроизводи-мости результатов эксперимента Дано: 1 000 идентичных физических систем с одинаковой волновой функцией. Р (r 1) = 4/5 Р (r 2) = 1/5 в ~800 случаях получим в результате измерения r 1, а в ~200 случаях – r 2 О воспроизводимости в квантовой механике можно говорить лишь в статистическом смысле, но никогда нельзя предсказать результат одного конкретного измерения

Физическая величина для квантового объекта характеризуется не численным значением, а оператором.

Уравнение Шрёдингера Волновая функция (пси) для одной частицы – плотность вероятности найти частицу в объеме dv в момент t для многих частиц – плотность вероятности найти в момент t частицу 1 в объеме dv 1, частицу 2 – в объеме dv 2 и т. д.

Постулаты квантовой механики 1. Состояние движения частицы описывается волновой функцией Ψ (пси). 2. Каждая динамическая переменная представляется определенным линейным оператором. 3. Волновая функция Ψ подчиняется ур. Шрёдингера

Уравнение Шрёдингера постулат где Ψ – искомая волновая функция –оператор, соответствующий гамильтониану системы

Уравнение Шрёдингера Оператор (гамильтониан) является эквивалентом классического понятия энергии системы как суммы кинетической и потенциальной (Ер – потенциальная энергия) принцип соответствия Бора Решениями этого уравнения являются волновые функции Ψ. Если известна волновая функция Ψ в момент времени t, то можно получить ее вид в любой последующий момент

Физический смысл волновой функции Самое вероятное положение электрона Третье по вероятности положение электрона Второе по вероятности положение электрона Квадрат модуля волновой функции в данной точке пропорционален вероятности найти частицу в этой точке

Вероятность Классическая (термодинамика) Возникает из-за того, что много частиц Квантовая Отдельная частица имеет только вероятность Отдельная частица ведет себя детерминированно оказаться в данном месте с данным импульсом

Между 1925– 27 было создано три варианта квантовой механики Вернер Гейзенберг Werner Heisenberg Матричная механика Эрвин Шрёдингер Поль Дирак Erwin Schroedinger Paul Dirac Волновая механика Квантовая алгебра Оказались математически эквивалентны !

Философские следствия квантовой механики Эйнштейн ввел в теорию наблюдателя. В результате пришлось отказаться от абсолютности и независимости пространства и времени Квантовая механика вводит и воздействие наблюдателя на объект: в результате наблюдения объект меняется. Итогом стал отказ от причинности в форме детерминизма и переход к вероятностной модели мира.

Квантовая механика является предельным случаем квантовой теории поля при низких значениях энергии, когда ее недостаточно для взаимопревращений частиц

Строение атома Современная квантовая модель

Квантовая механика дала теоретическое обоснование таблицы Менделеева – почему она именно такая

He - + N N + 2 Номер элемента 4 Масса элемента Число протонов и нейтронов Число электронов = числу протонов

Если бы протоны и нейтроны были Ø 10 см, то электрон – 0, 1 мм, а атом – 10 км

Спектры излучения атомов – это переходы между энергетическими уровнями т ле ио аф тр ль У n=2 n=3 n=4 n=5 Спектр водорода n=1 све имый ид В Инф рак рас т ный

Линейные спектры – у раскаленных газов (атомы не взаимодействуют друг с другом) Гелий Ртуть Азот

Квантовые числа Состояние электрона в атоме полностью задается 4 квантовыми числами Квантовые числа – это собственные значения операторов энергии и импульса электрона

n – главное квантовое число Физический смысл: Собственные значения гамильтониана (оператора энергии) Размер орбиты

n – главное квантовое число n = 1, 2, 3 … 7 Теоретически может принимать целые значения до ∞ В реальности же при n > 7 электроны уже не удерживаются возле ядра

В периодической системе n определяет период

l – орбитальное квантовое число l n = 0, 1, … – 1 Физический смысл: Собственные значения оператора момента импульса, энергетические подуровни Форма орбитали s p d f

m – магнитное квантовое число m = –l, … 0, … +l Физический смысл: Магнитный момент, ориентация орбиталей в пространстве px py pz

s – спин Физический смысл: Магнитный момент, «вращение» электрона относительно собственной оси Вольфганг Паули

s – спин К изумлению Паули, открывшего это число, спин оказался дробным

Спин = 1 / число оборотов, чтобы частица вернулась в прежнее состояние Электрон надо повернуть дважды!

Классификация частиц по спину 1 оборот ½ оборота 2 оборота мезоны Спин = 0 Спин = 1 Спин = 2 Спин = ½ Бозоны целый спин Фермионы Взаимодействие (кванты полей) Вещество

Возможные значения квантовых чисел Название Символ Возможные значения Главное квантовое число n 1, 2, 3, 4, . . . Орбитальное квантовое число ℓ 0, 1, 2, . . . (n-1) Магнитное квантовое число m -ℓ, . . . -1, 0, +1, . . . +ℓ Спиновое квантовое число S

Принцип запрета Паули В атоме или молекуле два электрона никогда не находятся в одном и том же квантовом состоянии. у каждого электрона свой набор квантовых чисел

Элементарны е частицы

История открытия 1897 – е, электрон, Томпсон 1919 – р, протон, Резерфорд 1932 – n, нейтрон, Джеймс Чедвик 1936 – μ, мюон – первая частица, не встречающаяся в атомах, «тяжелый электрон» (~200 me), Карл Андерсон На сегодня известно более 400

Характеристики элементарной частицы: масса заряд спин стабильность Стабильны всего 4 частицы – электрон, протон, нейтрино, фотон Нейтрон вне ядра распадается за 12 мин.

1960 -е – протоны и нейтроны имеют внутреннюю структуру – кварки Элементарные частицы Фундаментальные Не имеют внутренней структуры Составные Адроны Состоят из фундаментальных, но разделить их на части невозможно

Фундаментальные частицы 3 семейства (поколения) В каждом поколении – Два кварка u Электрон (или его аналог) Нейтрино (или его аналог) d – 1 0

Квантовая хромодинамика Сильное взаимодействие Удерживает кварки вместе Переносчик – глюон (8 типов)

Квантовая хромодинамика § Каждый кварк имеет один из трех цветов красный синий зеленый § Антикварки имеют анти-цвета анти-красный анти-синий анти-зеленый

Частицы из 3 кварков – протон, нейтрон Стабильны только бесцветные комбинации Синий + зеленый + красный = белый Нейтрон Протон u u d u 1 барион = 3 кварка d d qqq

Частицы из 2 кварков – мезоны Переносят сильное взаимодействие между протонами и нейтронами qq 1 мезон = 1 кварк + 1 антикварк π– d синий π+ мезон u антисиний u зеленый мезон d антизеленый Синий + антисиний = белый

3 поколения кварков I II u up – верхний d down – нижний III c charm – очарованный s strange – странный t truth (top) истинный b beauty (bottom) прелестный

Вопросы, на которые пока нет от Почему ровно три цвета? Почему ровно три поколения кварков? Случайно ли совпадение числа цветов и числа поколений? Случайно ли совпадение этого числа с размерностью пространства в нашем мире? Из чего состоят кварки?

Два кварка Нейтрино 0 Электрон Мюон – 1 Тау

Семейство 1 Семейство 2 Семейство 3 Частица Масса Частиц Масс а а а Электро 0, 00054 Мюон 0, 11 Тау 1, 9 н <0, 033 Электро < 10– 8 Мюонно <0, 0003 Таун-ное е нейтрин но о о и-кварк 0, 0047 с-кварк 1, 6 t-кварк 189, 0 d-кварк 0, 0074 s-кварк 0, 16 b-кварк Фундаментальные частицы и их массы в массах протона. 5, 2

Фундаментальные взаимодействия и квантовые теории поля

Квантовая механика СТО НЕрелятивистская Движение частиц – дискретность Эл-магн. поле – непрерывность (ур-я Максвелла) Не описывает превращения частиц 30 - 40 -е годы Квантовая теория поля релятивистская дискретность поля (любого) Поле – это тоже частицы – переносчики взаимодействия

Фундаментальные взаимодействия Между какими Сила для Е~1 Гэ. В частицами Сильное Кварки, нуклоны 1 Электромагнитное Имеющие заряд 10– 2 Слабое Гравитация уменьшение силы Все 10– 6 Все 10– 39 Кванты поля глюон 0 фотон 0 бозоны 86, 97 g γ W+ W– Z Гравитон G 0

Кванты поля частица mc 2 (Ge. V) фотон 0 0 1 W± векторные бозоны 79. 8 ± 1 1 91. 2 0 1 глюоны 0* 0 1 сильное гравитон 0 0 2 гравитация Z 0 g q спин взаимодействие электромагн. слабое

Устройство протона Силы притяжения между кварками конденсируются в виде облака

Почти вся масса возникает из-за глюонного облака: m=E/c 2

Еще один источник массы § Всю Вселенную заполняет невидимое хиггсовское поле. § Частицы «цепляются» за него и становятся массивными. § На коллайдере LHC физики изучат, как именно возникает это поле.

Бозон Хиггса Частица, отвечающая за появление массы у W± и Z бозонов Питер Хиггс придумал этот бозон в 1965 Если слабое и электромагнитное взаимодействия – одно и то же, то эти бозоны не должны иметь массы, как и фотон НЕ ОТКРЫТА

Схема коллайдера LHC

Туннель LHC

Общий вид детектора ATLAS

Внутренняя часть детектора CMS

Как будет выглядеть распад хиггсовского бозона в детекторе CMS

Как будет выглядеть столкновение двух ядер (Pb+Pb) в детекторе ALICE

Теория Великого объединения ТВО (Теория всего сущего ТВС)

Радиус действия Сильное До 10 -15 м (Ø ядра) Электро магнитн ое Не ограничен Слабое ~10 -18 м (0. 1% Ø протона) Гравита Не ограничен Время протекан ия*) Где Связь нуклонов в ~10 -23 с ядре и кварков в нуклонах Между ~ 10 -20 с. любыми зарядами ~ 10 -10 с β-распад Не ограниче Между любыми

Теория Великого объединения § Эйнштейн сделал попытку создать теорию § объединяющую все фундаментальные взаимодействия. В 1970 –х годах Вайнберг, Салам и Глэшоу создали теорию электрослабого взаимодействия. Силы такого поля объясняются калибровочными полями промежуточных векторных W-бозонов. Эти частицы экспериментально получены на ускорители в Церне.

1967 Абдус Салам Шелдон Глэшоу Стивен Вайнберг Теория единого электрослабого взаимодействия

Как возможно объединение взаимодействий и их теорий? Энергия X, Y бозоны? 1015 Гэ. В глюон 102 Гэ. В W+ бозоны W– Z фотон Eсвязи ē ≈10– 8 Гэ. В глюон Eсвязи ядер ≈10– 2 Гэ. В

Гравитация Сильное Е = 100 Гэ. В T = 1016 К R = 10– 16 см Слабое Е = 1015 Гэ. В T = 1029 К R = 10– 29 см Единое суперсимметрич ное взаимодействие Великое объединение Электрослабое Электромагнитное Е = 1019 Гэ. В T = 1033 К R = 10– 33 см Планковская энергия Планковская длина

Теории фундаментальных взаимодействий Классические Квантовые Электро. Максвелл КЭД магнитное Слабое Сильное Гравитация нет Ньютон Электрослабого взаимодействия Квантовая хромодинамика ОТО Великое Объединение Стандартная модель Теория всего? = струны?

Взаимопревращения частиц

Поль Дирак – предсказание античастиц Античастица – те же масса и спин, Отличается знаками характеристик взаимодействия (электрический и цветовой заряд). e– +mc 2 0 Для каждой частицы – 1 анти Анти-электрон = позитрон Открыт Андерсоном в 1932 - mc 2 e+

Е > 2 mc 2 e– e– +mc 2 0 0 - mc 2 e+ Рождение пары частица-античастица e+ Аннигиляция пары частица-античастица

Аннигиляция частиц и рождение частиц с массой из безмассовых квантов поля означали взаимопревращение вещества и энергии, их эквивалентность

Бэта-распад Нейтрон Протон u d d u W Электрон e Анти-электронное нейтрино ne

Физический вакуум

Само понятие "физический вакуум" появилось в науке как следствие осознания того, что вакуум не есть пустота, не есть "ничто". Он представляет собой чрезвычайно существенное "нечто", которое порождает все в мире и задает свойства веществу, из которого построен окружающий мир.

Определение физического вакуума 1. Под физическим вакуумом в современной физике понимают полностью лишённое вещества пространство. Даже если бы удалось получить это состояние на практике, оно не было бы абсолютной пустотой. Квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. 2. Физический вакуум - это единое энергоинформационное поле вселенной. Хоть вакуум чаще всего называют космическим, он присутствует всюду, пронизывая насквозь все пространство и материю. Физический вакуум является самым энергоемким, в прямом смысле слова неисчерпаемым источником жизненно важной, экологически чистой энергии.

В квантовой электродинамики теория указывает на реальность существования в физическом вакууме "океана" энергии. Однако, вследствие высокой симметрии вакуума, непосредственный доступ к этой энергии весьма затруднителен. В результате, находясь, по существу, среди океана энергии, человечество вынуждено пользоваться только традиционными способами ее получения, основанными на сжигании природных энергоносителей. Тем не менее, при нарушении симметрии вакуума доступ к океану энергии возможен. Поэтому внимание исследователей привлекают новые физические эффекты и феномены в надежде на то, что они позволят заставить физический вакуум "работать".

Модели физического вакуума

В настоящее время известны: вакуум Дирака, вакуум Уилера, вакуум де Ситтера, вакуум квантовой теории поля, вакуум Тэрнера-Вилчека и др. § Вакуум Дирака является одной из первых моделей. В ней физический вакуум представлен "морем" заряженных частиц, находящихся в самом низком энергетическом состоянии. На рис. 1 показана модель электронно-позитронного физического вакуума – «море Дирака» .

§ Вакуум Уилера состоит из геометрических ячеек планковских размеров. Согласно Уилеру все свойства реального мира и сам реальный мир есть не что иное, как проявление геометрии пространства.

§ Вакуум де Ситтера представлен совокупностью частиц с целочисленным спином, находящихся в низшем энергетическом состоянии. В модели де Ситтера физический вакуум обладает свойством, совершенно не присущим любому состоянию вещества. Уравнение состояния такого вакуума, связывающее давление Р и плотность энергии W, имеет необычный вид: § Причина появления такого экзотического уравнения состояния связана с представлением вакуума многокомпонентной средой, в которой для компенсации сопротивления среды движущимся частицам введено понятие отрицательного давления.

§ Вакуум квантовой теории поля содержит в виртуальном состоянии всевозможные частицы. Эти частицы лишь на короткое время могут появляться в реальном мире и снова переходят в виртуальное состояние.

§ Существующие модели физического вакуума весьма противоречивы. Как отмечается в большинство предложенных концепций и модельных представлений физического вакуума несостоятельны как в теоретическом, так и в экспериментальном планах. Это относится и к "морю Дирака", и к модели "расслоенных пространств", и к другим моделям. Причина состоит в том, что в сравнении со всеми другими видами физической реальности физический вакуум имеет ряд парадоксальных свойств, что ставит его в ряд объектов, трудно поддающихся моделированию. Обилие различных модельных представлений вакуума указывает на то, что до сих пор отсутствует модель, адекватная реальному физическому вакууму.

Физический вакуум непосредственно не наблюдается, но проявление его свойств регистрируется в экспериментах. К вакуумным эффектам относятся: рождение электронно-позитронной пары, эффект Лэмба-Резерфорда, эффект Казимира.

Рождение электроннопозитронной пары § В результате поляризации вакуума электрическое поле заряженной частицы отличается от кулоновского. Это приводит к лембовскому сдвигу энергетических уровней и к появлению аномального магнитного момента у частиц. При воздействии высокоэнергетичного фотона на физический вакуум в поле ядра возникают вещественные частицы – электрон и позитрон.

Эффект Казимира § Эффект Казимира указывает на возникновение сил, сближающих две пластины, находящиеся в вакууме и возможность извлечения механической энергии из вакуума.

Согласно квантовой теории поля, физический вакуум представляет собой не абсолютную пустоту. В нём постоянно рождаются и исчезают па ры виртуальных частиц и античастиц — происходят постоянные колебания (флуктуации) связанных с этими частицами полей. В частности, происходят колебания связанного с фотонами электромагнитного поля. В вакууме рождаются и исчезают виртуальные фотоны, соответствующие всем длинам волн электромагнитного спектра. Однако в пространстве между близко расположенными зеркальными поверхностями ситуация меняется. На определённых резонансных длинах (целое или полуцелое число раз укладывающихся между поверхностями), электромагнитные волны усиливаются. На всех остальных же длинах, которых больше, напротив, подавляются (то есть, подавляется рождение соответствующих виртуальных фотонов). В результате, давление виртуальных фотонов изнутри на две поверхности оказывается меньше, чем давление на них извне, где рождение фотонов ничем не ограничено. Как

Cхематически показан эффект Казимира в физическом вакууме. Перечисленные физические эффекты указывают на то, что вакуум не является пустотой, а выступает в качестве реального физического объекта.

Эффект Лэмба-Резерфорда § В современной науке эффект Лэмба - Резерфорда является краеугольным и на нём основано понятие поляризации вакуума. Основная идея этой модели заключалась в том, что вакуум рассматривался Дираком как беспредельный электроннопозитронный океан.

Некоторые свойства физического вакуума § Существование критического уровня возбуждения вакуума, при достижении которого вакуум порождает элементарные частицы. § Свойство вакуума генерировать электроэнергию посредством порождения электрических зарядов – электронов и позитронов. § Переход вакуума в возбужденное состояние при достижении определенной плотности энергии.

непрерывности, расширяет класс известных физических объектов. Несмотря на то, что физический вакуум является столь парадоксальным объектом, он все увереннее становится предметом изучения физики. В то же время, по причине его непрерывности, традиционный подход, основанный на модельных представлениях, для вакуума неприменим. Поэтому, науке предстоит найти принципиально новые методы его изучения. Вся видимая Вселенная и темная материя находятся в ненаблюдаемом, непрерывном физическом вакууме. Физический вакуум генетически предшествует физическим полям и веществу, он порождает их, поэтому вся Вселенная живет по законам физического вакуума, которые науке пока еще не

Вакуум Состояние поля с минимальной энергией (не нулевой!) Виртуальные частицы

Квантовый вакуум Заполнен полями, соответствующими каждому типу частиц. Поле – потенциальная возможность рождения частицы. Квантовые флуктуации поля, даже в отсутствие частиц означают, что вакуум – это море «виртуальных частиц»

Планковская система единиц ≈ 10– 33 см длина ≈ 10− 5 г масса ≈ 10– 43 с время ≈ 1019 Гэ. В энергия

Планковская черная дыра ≈ 10– 33 см Радиус Шварцшильда для частицы с Планковской массой длина ≈ 10− 5 г масса ≈ 1019 Гэ. В энергия

Планковская длина ~ 10– 33 см Противоречие с ОТО

Теория струн

§ Современная теория струн достаточно фундаментальна. § Почему теория струн, а не теория частиц и полей оказывается правильной? § Потому что построить последовательную теорию гравитации в традиционных рамках теории поля невозможно.

Теория струн не имеет прямых экспериментальных подтверждений, ее фундаментальный характер определяется тем, что, она одна оставляет возможность включить все известные взаимодействия в единую непротиворечивую теорию. При этом теория струн предлагает единую фундаментальную сущность взамен многих; из нее можно, в принципе, вывести все свойства нашего мира, а может быть, и узнать кое о чем за его пределами.

Вместо точечных объектов, частиц, эта теория оперирует с протяженными объектами - струнами. Струну можно представлять себе как бесконечно тонкую нить, которая может сворачиваться, изгибаться и колебаться. При этом сама струна ни из чего не состоит, то есть представляет собой фундаментальный объект. Струны бывают открытыми, когда у нитки есть два свободных конца, и замкнутыми, когда оба ее конца соединены.

Как устроены частицы, если смотреть на них с Планковских масштабов? Элементарные частицы ( 10─17 м ) Струны настолько же меньше частиц, насколько частицы меньше нас

Главная идея: частицы – не точечные объекты, а одномерные протяженные электрон фотон Могут быть замкнутыми и открытыми

На достаточном расстоянии от струны ее колебания воспринимаются как частицы. Струна, колеблющаяся с некоторой комбинацией основных гармоник, порождает целый набор частиц, причем с различным спином. Пока мы не разглядываем струну вблизи, эти частицы выглядят в точности как кванты хорошо известных полей, включая гравитационное и электромагнитное.

Частота колебаний энергия частицы

Струны, в силу своей врожденной способности колебаться с разными частотами, служат источниками пространственно-временных (то есть меняющихся во времени и в пространстве) полей. Поля, которые соответствуют низшей частоте, с точки зрения наблюдателя в пространстве-времени массы не имеют, а остальные поля (их бесконечно много, как и высших гармоник струны) оказываются, наоборот, очень массивными, «тяжелыми» , гораздо тяжелее любой известной частицы.

Для появления таких сверхтяжелых - порядка массы Планка и выше - частиц требуется энергия, которую частицы могли иметь лишь в самые ранние моменты жизни Вселенной, когда она была очень горячей. Среди безмассовых частиц, соответствующих самым низкочастотным колебаниям струны, имеется и квант гравитационного поля - гравитон. Струны описывают именно квантовую гравитацию, теорию, построение которой традиционными средствами не представляется возможным.

Протяженность делает взаимодействие частиц «размазанным» - нет одной «точки соприкосновения» (релятивистский эффект)

Суперструна - это суперсимметричная струна, то есть по-прежнему струна, но живущая не в обычном нашем пространстве, а в суперпространстве. Суперсимметрия удивительная теоретическая концепция. Она исходит из того, что пространство-время имеет дополнительные квантовые измерения. Каждой частице соответствует «суперпартнер» : кварку – скварк, электрону – селектрон и т. д. Энергия ТВО – 1018 Гэ. В.

Еще одна идея – пространство на микроуровне имеет больше измерений Скрытые размерности

1919 Геометрия скрытых размерностей Теодор Калуца Оскар Клейн Theodor Kaluza Oskar Klein

Два дополнительных измерения, свернутые в сферу на плоскости

Пространство Калаби-Яу 10 пространственных измерений: 3 обычных и 7 свернутых

Дополнительные 6 свернутых измерений (Калаби-Яу)

Квантование гравитации предполагает, что существуют неделимые атомы пространства и времени: планковские длина =10 -35 м и время=10 -43 с. Привычное нам пространство-время существует в «суперструнной» фазе Мтеории, но она сама по себе кроме суперструн содержит протяженные объекты более высокой размерности. Ими могут быть, например, мембраны.

Сама по себе мембрана - поверхность двумерная, а ее эволюция описывается уже трехмерным мировым объемом, в котором два пространственных и одно временное измерение. Мембраны называют еще странным термином - « 2 -браны» , подчеркивая их двумерность. Наряду с 2 бранами могут существовать 3 -, . . . , 10 -браны

Браны – протяженные p-мерные объекты Материальная точка — 0 -брана Струна — 1 -брана Мембрана — 2 -брана Наша Вселенная — 3 -брана в многомерном пространстве

3 -мерная брана в пространстве с большим числом протяженных измерений

Теория струн предсказывает существование гравитона – частицы со спином 2 Все известные кванты полей имеют спин = 1 И объясняет, почему гравитационное взаимодействие такое слабое: гравитоны распространяются в большем числе измерений и лишь пересекают нашу 3 -брану.

Гравитация Сила взаимодействия убывает как 2 -мерный мир 3 -мерный мир где х – размерность пространства 4 -мерный мир

Свернутые дополнительные измерения Протяженные дополнительные измерения Обычные частицы Гравитон

The Graviton is free to escape the membrane while the electron is tied down

«Изогнутая Вселенная» Свет распространяется только по бране. Гравитация может проходить между слоями браны коротким путем через другие измерения. Гравитация от соседних слоев – темная материя?

Сближение бран Большой Взрыв

Предполагается, что все существующие на сегодня струнные теории являются вариантами одной – М-теории