Тема 2 МАТЕРИЯ АТОМИЗМ СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ

Тема 2. МАТЕРИЯ * АТОМИЗМ * СТАНДАРТНАЯ МОДЕЛЬ МИКРОМИРА * АДРОНЫ, КВАНТОВАЯ ХРОМОДИНАМИКА * КОНТИНУАЛИСТСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ МИРА, ФИЗИЧЕСКИЙ ВАКУУМ, ПОЛЕ * КОРПУСКУЛЯРНО - ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ * КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА. (Динамические и статистические закономерности. Причинность и детерминизм. Квантовый компьютер) * МИР АТОМА * ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ, СИММЕТРИЯ * ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ * ПЕРСПЕКТИВЫ В ИЗУЧЕНИИ МАТЕРИИ

МАТЕРИЯ Материя – философская категория для обозначения объективной реальности, которая отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них. Материя – объективная реальность, содержимое пространства (Ньютон), либо как нечто задающее свойства пространства и времени (Лейбниц, Эйнштейн) Онтологическая сущность физической материи : взаимодействующий субстрат, взаимодействующее «нечто» . Такой субстрат противостоит внутренне сам себе , благодаря чему выступает в качестве сторон взаимодействия. Вне взаимодействия материя не существует, через взаимодействие материя приобретает все материальные свойства. Процесс взаимодействия не просто неотъемлемый атрибут материи, не способ существования материи, но как раз и есть сама материя как таковая, в каком бы состоянии она не находилась. Никакой внутренней неизменной сущности, кроме взаимодействия, у физической материи нет. В процессе преобразования меняется состояние материи: основное (ФИЗИЧЕСКИЙ ВАКУУМ), энергетическое состояние материи (например, ФОТОНЫ), зарядовое состояние (например, ЭЛЕКТРОНЫ), зарядово-энергетическое (ВЕЩЕСТВО)

АТОМИЗМ Концепция атомизма: материя имеет прерывистое, дискретное строение, т. е. состоит из мельчайших неделимых частиц – атомов. Родина концепции атомизма: Древняя Греция. Авторы: Левкипп - Демокрит – Эпикур. Противоположная версия: континуалистская концепция Анаксагора. Аристотеля - учение о непрерывности (бесконечной делимости материи). Современная наука признает как атомизм, так и фрагментарно континуализм Современные «атомы» электричества - электроны, «атомы» света - фотоны и т. д. , микромир квантован, вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, атомы из нуклонов (протонов и нейтронов ) и электронов, нуклоны из кварков, последние и электроны на настоящий момент – фундаментальны, т. е. неделимы и не имеют частей. По современным представлениям набор фундаментальных частиц также конечен и един в пределах Вселенной. Большая часть «видимой» материи представлена во Вселенной весьма ограниченным числом частиц. Однако доказано существование так называемой тёмной материи, состав и структуру которой ещё предстоит раскрыть. Из перечня великих научных истин: «ВСЁ – МАТЕРИЯ, ЭНЕРГИЯ, КВАНТОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЧАСТИЦ – ВЫСТУПАЮТ ДИСКРЕТНЫМИ ВЕЛИЧИНАМИ, И НЕЛЬЗЯ ИЗМЕРИТЬ НИ ОДНУ ИЗ НИХ, НЕ ИЗМЕНИВ ЕЕ» .

Материя в современной научной картине мира Тёмная энергия, 70% Светлая материя, 5% Вещество Тёмная материя, 95% Физические поля Виртуальное вещество Физический вакуум Виртуальные поля

Стандартная модель микромира (СМ). Фундаментальные частицы и взаимодействия СМ существует с 1973 г. и содержит : 17 фундаментальных (неделимых) частиц - ФЧ; 3 фундаментальных взаимодействия (ФВЗ): электромагнитное, сильное , слабое. ФЧ делятся на: фермионы (12 типов) – «кирпичи» , спин = ½ ћ; бозоны (5 типов) – «клей для кирпичей» с. = (0, 1, 2, ) ћ. Каждый бозон представляет какое-то ФВЗ: электромагнитное - фотоны, сильное - глюоны, слабое - векторные бозоны. Фермионы представлены группой лептонов – частиц, не участвующих в сильном взаимодействии, и группой кварков, участвующих во всех взаимодействиях.

Стандартная модель микромира. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ЧАСТИЦЫ ФЕРМИОНЫ БОЗОНЫ 1 -е поколение Л e, υе Е П u, d 2 -е поколение Т О μ, υμ Ы τ, υτ В А s, c Р К 3 -е поколение Н К b, t И Лептоны: электрон (е ), мюон (μ), тау лептон (τ ), электронное нейтрино (νе), мюонное нейтрино (νμ), тау- нейтрино (ντ) Кварки: «верхний» (u), «нижний» (d), «странный» (s), «очарованный» (c), «прелестный» (b), «истинный» (t). г л ю о н, q В Е К Т О Р Н Ы Е, W±, Z Х и г г с а, H Фотоны - кванты э/м поля, для статического электрического поля фотоны - виртуальны, для поля излучения реальны, безмассовые. Глюоны переносчики сильного взаимодействия между кварками, их 8 типов, безмассовые Промежуточные векторные бозоны, их 3 типа, переносчики слабого взаимодействия, тяжелые Хиггса, кванты поля Хиггса, наделяющего массой

СМ полагает объемы фундаментальных частиц = 0, на рисунке их различия в объемах тождественны различием в массах

НЕСМОТРЯ НА «ОБИЛИЕ» ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ В ПРИРОДЕ, РЕАЛЬНЫЙ ОКРУЖАЮЩИЙ НАС МИР ЖИВОЙ и НЕЖИВОЙ ПРИРОДЫ СОСТОИТ ПРАКТИЧЕСКИ ИЗ ТРЕХ КИРПИЧЕЙ - ФЕРМИОНОВ: ЭЛЕКТРОНА , ВЕРХНЕГО И НИЖНЕГО КВАРКОВ. ПОЧЕМУ ТОЛЬКО ИЗ ТРЕХ? ? ? ЧЕМ ОБЕСПЕЧИВАЕТСЯ ТАКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ ФОРМ, СВОЙСТВ И ХАРАКТЕРИСТИК? ? ?

Массы частиц Стандартной модели Ряд версий допускает несколько типов бозонов Хиггса, найден указанный стрелкой

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ПРИЧИНА КАЖДОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ – ОСОБОЕ СВОЙСТВО МАТЕРИИ НОСИТЕЛЬ И КОЛИЧЕСТВЕННАЯ МЕРА ЭТОГО СВОЙСТВА – НЕКОТОРАЯ ЗАРЯДОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА - G СИЛА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ: F = k G 1 G 2 f (r) ОБМЕННЫЙ МЕХАНИЗМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ

Гравитационное взаимодействие Тип бозона – гравитон (вне СМ) Участники - всё, что имеет массу ( вн. энергию) Расстояние взаимодействия Характер взаимодействия: притяжение Теории: всемирного тяготения общая относительности

Электромагнитное взаимодействие закон Кулона Тип бозона - виртуальный фотон Участники - всё, что имеет электрический заряд (+, -) Характер взаимодействия: отталкивание одноименных зарядов; притяжение разноимённых зарядов, вплоть до аннигиляции Теории: электродинамка Максвелла, квантовая электродинамика

Слабое взаимодействие • Тип бозона: векторные бозоны 3 -х видов : W+(m=160000 me), W- (m=160000 me), Z 0 (m=180000 me) • Участники взаимодействия: все фермионы • Характер взаимодействия: «распад» • Теория: нейтральных токов Салама и Вайнберга. Пример реакции:

Сильное взаимодействие Тип бозона - глюоны 8 видов Участники: адроны и их компоненты Тип заряда - цветной Расстояние взаимодействия: 10 -15 м Теория: квантовая хромодинамика Пример реакции: u d + π+

Фундаментальные взаимодействия В современной научной картине мира: 1. Признано ЧЕТЫРЕ фундаментальных взаимодействия во Вселенной: ГРАВИТАЦИОННОЕ; ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ; СИЛЬНОЕ; СЛАБОЕ. 2. Сила взаимодействия двух элементарных частиц вещества F = k x G 1 x G 2 x f (r), где G 1 , G 2 – некоторые зарядовые характеристики частиц, для каждого взаимодействия свои, r – расстояние между частицами. 3. Частицы образуют вокруг себя в зависимости от набора зарядовых характеристик различные поля (гравитационное электромагнитное, сильное, слабое). Одноименные поля взаимодействуют, разноименные друга «не замечают» . 4. Квантами полей являются фундаментальные виртуальные бозоны. У каждого поля свои бозоны, например у сильного – глюоны, у электромагнитного – фотон… 5. Взаимодействия носят обменный характер, одна взаимодействующая частица вещества испускает (генерирует) фундаментальный бозон, другая поглощает. Обмен бозонами создаёт эффект притяжения или отталкивания. 6. Виртуальность бозона означает его принадлежность к физическому вакууму, точнее он результат взаимодействия частицы вещества с физическим вакуумом. 7. Для длиннодействуйщих взаимодействий (гравитационного и электромагнитного) f (r) = r— 2 , что соответствует ньютоновскому закону всемирного тяготения и закону Кулона, сильное и слабое взаимодействия - короткодействующие ( «обрезные» )

Характеристики фундаментальных взаимодействий Характеристики Гравитационное взаимодействия Сильное Электромагнитное Слабое Относит. сила 10 -39 1 -15 1/137 10 -17 Участники всё адроны и их компоненты эл. заряженные частицы фермионы Обменная частица (ОЧ) гравитон глюоны фотон векторные бозоны Масса ОЧ 0 0 0 160000 -180000 me Расстояние, м ∞ 10 -15 ∞ 10 -18 Время , с 1017 10 -22 - 10 -24 10 -18 - 10 -21 10 -8 - 10 -10 Теории всемирного тяготения, относительности квантовой хромодинамики квантовой электродинамики нейтральных токов Области проявления консолидация материи Примеры структура силы давления, адронов, ядерные трения, упругости, реакции сопротивления , хим. силы и др. распад и превращения элементарных частиц

Мир элементарных частиц, I ОСНОВНЫЕ КЛАССИФИКАЦИОННЫЕ ПРИЗНАКИ: КРАТНОСТЬ СПИНА УЧАСТИЕ В СИЛЬНОМ И СЛАБОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ ЗАРЯДОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВРЕМЯ ЖИЗНИ ВИРТУАЛЬНОСТЬ I. Фермионы и бозоны Микрочастица характеризуется квантовой характеристикой – спином, равным jћ, эквивалентным моменту ее вращения; Здесь ћ - постоянная Планка, j - дробное число ( ± 1/2, ± 3/2, …) или целое из ряда (0, ± 1, ± 2, …. ) Концепция спина введена в 1925 г. американцами Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом. Случаю j = ± 1/2, ± 3/2, …соответствуют ФЕРМИОНЫ ( «кирпичи» ); (в их ансамблях действует распределение Ферми-Дирака, запрет Паули). Примеры: электрон, протон, нейтрино… Случаю j= 0, ± 1, ± 2, …- БОЗОНЫ ( «клей для кирпичей» ), в их ансамблях - распределение Бозе. Эйнштейна, нет запрета Паули). Примеры: фотон, глюон, α– частица… Фундаментальные (неделимые) фермионы – «частицы вещества» , фундаментальные бозоны – «частицы поля» . Для составных частиц, спин определяется алгебраической суммой спинов, входящих частиц и указанное деление уже не действует. Пример, ядро основного изотопа атома гелия: α– частица - бозон

Мир элементарных частиц, II II. Принцип Паули В пределах одной квантовой системы в данном квантовом состоянии может находиться только один фермион, состояние другого должно отличаться хотя бы одним квантовым числом. Так, электроны в атоме характеризуются набором из 4 -х квантовых чисел, но никогда одинаковым, что приводит к удивительному разнообразию окружающего мира. На бозоны принцип Паули не распространяется. III. Семейства частиц ПАУЛИ Вольфганг — (1900 - 1958), швейцарский физик - теоретик По участию в сильном и слабом взаимодействиях частицы относят к 3 семействам Семейство (количество типов частиц)* Сильное взаимодействие Слабое взаимодействие Фотон (1) - - Лептоны (12) - + Адроны (>300) и их составные части – кварки(12) + + * Количество типов частиц включает частицы и античастицы

Мир элементарных частиц, III. IV. Зарядовые характеристики (квантовые числа) частиц ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД (q): g =0 – электрически нейтральные частицы: нейтрон, нейтрино, π0 – мезон, . . ; g ≠ 0 - электрически заряженнные: электрон (g = -1), протон (g = +1), кварки (g = ± 1/3, ± 2/3), мезоны π+, π- (g = ± 1), … БАРИОННЫЙ ЗАРЯД (B): В=0 - лептоны, мезоны, В≠ 0 - барионы, кварки, … ЛЕПТОННЫЙ ЗАРЯД (Le, Lμ, Lτ): (L =0) - все кроме лептонов, СЛАБЫЙ ЗАРЯД (+, -, 0): все фермионы ЦВЕТНОЙ ЗАРЯД (красный, синий, желтый, . . . ): части адронов – партоны: кварки и глюоны СТРАННОСТЬ (S = ± 1, ± 2, ± 3) ОЧАРОВАНИЕ (C = ± 1, ± 2, ± 3) Некоторые кварки и адроны их содержащие КРАСОТА (b = ± 1, ± 2, ± 3) ……………………. . V. Частицы - античастицы Античастица – это частица, у которой все зарядовые характеристики противоположны по знаку. Все остальные характеристики и свойства ( масса, спин, участие во взаимодействиях и др. ) у частиц и античастиц идентичны. Примеры: электрон (е-) – позитрон (е+) е- : g = - 1, Le=+1, B = 0, m~0, 5 Мэв, сп=+1/2 е+ : g = +1, Le= -1, B = 0, m~0, 5 Мэв, сп=+1/2 протон (р) – антипротон (р) p : g = + 1, Le= 0, B = +1, m~ 983 Мэв, сп=+1/2 p : g = - 1, Le= 0, B = - 1, m~ 983 Мэв, сп=+1/2

Мир элементарных частиц, IV. VI. Стабильные и нестабильные частицы По этой характеристике частицы разделяют на стабильные и нестабильные. Стабильными по состоянию на настоящий момент считаются фотон, протон, электрон, все типы нейтрино, их античастицы. Нестабильные частицы, распадающиеся за счет э/м и слабого взаимодействий: нейтрон ( t ~ 0, 93 ∙ 103 с), мюон (t ~ 2, 2 ∙ 10 -6 с ), мезоны (t~10 -8 - 10 -19 с ), иногда называют квазистабильными. Нестабильные частицы , распадающиеся за счет сильного взаимодействия c характерными временами жизни 10 -22 – 10 -24 с называют резонансами. Особую ситуацию в физике создает протон, его стабильность доказана лишь на уровне ~1032 лет. Если всё же окажется, что протон нестабилен, ученым предстоит пересмотреть многие гипотезы, особенно астрофизические предсказания будущего Вселенной. . VII. Реальные и виртуальные частицы Согласно специальной теории относительности между энергией E частицы, её импульсом p и массой m для реальных частиц должно выполняться уравнение массовой поверхности в пространстве параметров – E, p: Е 2 - с2 р2 = m 2 с4, соответствующее Е=mc 2. Однако существует класс частиц (или состояний) с характеристиками, не лежащими на этой поверхности, а отстоящими от неё на величину ВИРТУАЛЬНОСТИ. Такие частицы по принадлежности относятся к вакууму и называются виртуальными. Выше было показано, что виртуальные частицы возникают в силу принципа неопределённости на короткий промежуток времени ∆t , как бы «ниоткуда» за счет энергии, заимствованной временно у вакуума.

Адроны – самый многочисленный «отряд» элементарных частиц и как установлено в 60 -годы прошлого столетия, являются составными частицами со сложной кварк-глюонной структурой. Фермионный состав адронов соответствует схеме: БАРИОН=КВАРК+КВАРК; МЕЗОН = КВАРК + АНТИКВАРК АНТИБАРИОН = АНТИКВАРК + АНТИКВАРК; АНТИМЕЗОН = АНТИКВАРК + КВАРК. Примеры структуры «популярных» барионов и мезонов: нуклоны: протон p = uud, нейтрон n = udd, лямбда-гиперон: Λо = uds, Структура основного сигма-гипероны : + = uus, - = dds, о = uds, изотопа атома гелия омега – минус – гиперон Ω- = sss. пионы (π - мезоны): По мере расшифровки кварковой структуры известных и вновь открываемых барионов стало ясно, что ароматы кварков (верхний, нижний, странный, …) не являются квантовыми числами, иначе как, исходя из принципа Паули, могли существовать барионы типа sss? Зарядовыми характеристиками сильного взаимодействия были предложены – ЦВЕТА , а теория сильного взаимодействия получила название – КВАНТОВАЯ ХРОМОДИНАМИКА. Любой кварк в составе адрона «окрашен» в любой момент в один из цветов: красный, синий желтый; антикварк в оранжевый, фиолетовый, зеленый. В составе любого адрона комбинация кварков оказывается безцветной. Например: БАРИОН: + = Все наблюдаемые в природе частицы безцветны, а явление невылетания цвета названо КОНФАЙНМЕНТОМ.

Квантовая хромодинамика Между кварками в адронах существует сильное взаимодействие. Переносчиками (обменными частицами) этого взаимодействия являются «цветные» частицы – глюоны и, соответственно, поле сильного взаимодействия – глюонное поле. Как и фотоны глюоны не имеют массы, их спин равен 1. Но в отличии от фотонов они обладают тем же зарядом ( «цветом» ), переносчиком которого являются. Поэтому глюоны, порождаемые цветовым зарядом кварков, сами способны «производить» глюоны и даже кварк – антикварковые пары – «струи адронов» . При обмене глюонами кварки также обмениваются цветом так, что всегда присутствует их безцветная комбинация. Например, красный кварк, порождая красно-жёлтый глюон, превращается в жёлтый, а жёлтый, поглощая этот глюон, превращается в красный. Восемь цветных глюонов определяют сценарий смены цветов кварков в адронах; различают глюоны: красно-синий, жёлто-красный, сине-жёлтый и т. д. Глюоны сильно взаимодействуют друг с другом, чем длиннее путь пролетаемый от кварка к кварку глюоном, тем в большей степени «размножается» глюон. Поэтому с ростом расстояния между кварками их взаимодействие увеличивается! Всякая попытка выбить кварк из адрона оборачивается тем, что энергия затраченная на выбивание идёт сначала на рождение новых глюонов, а затем образуется пара кварк – антикварк. Возникает ситуация неизвестная ни по гравитационному, ни по электромагнитному взаимодействию: чем дальше кварки друг от друга в адроне, тем больше сила их взаимного притяжения. Когда размножившиеся глюоны не в состоянии удекржать кварки, струи адронов справляются с этой задачей без сбоев. Так, попытка выбить кварк u из протона приводит, в конечном счёте, к образованию двух новых безцветных объектов – нейтрона и положительного пиона. Изображённое на рисунке (слайд «» ) превращение нуклонов p n + + имеет в основе кварковое преобразование . Таким образом квантовая хромодинамика объяснила почему невозможно расщепить адроны на кварки и почему цветные объекты (кварки, глюоны) бывают только внутри бесцветных.

Рождение, исчезновение и взаимопревращение частиц, I Одно из самых общих свойств микромира – универсальная взаимопревращаемость частиц. Стабильность частиц – это исключение, особый (хотя и важный) случай, а правилом является нестабильность; почти все элементарные частицы нестабильны. При столкновениях, а иногда самопроизвольно они распадаются. В действительности происходит не расщепление, а рождение новых частиц; они рождаются за счёт энергии распадающихся или сталкивающихся частиц при активной роли первичной субстанции – физического вакуума. Т. е. вакуум обменивается с миром реальных частиц формами возбуждения (как бы заменяя одни частицы на другие). В таких процессах действует правило: разрешено всё, что не запрещено законами сохранения. Эти законы играют роль правил запрета, регулирующих взаимопревращение частиц. Укажем наиболее важные из них, действующие в любых превращениях, это законы сохранения: энергии, импульса (количества движения), электрического заряда, барионного заряда, лептонных зарядов (для каждого отдельно типа лептона) и др. Соблюдение ( или несоблюдение) некоторых законов сохранения очевидно уже при анализе соответствующих символических записей взаимопревращений. Например, 1) n → p + e; 2) р → n + π+. Первая запись: β - распад свободного нейтрона под действием слабого взаимодействия (происходит в среднем через 20 минут). Сохранился электрический (0) и барионный заряд (+1), для сохранения лептонного (электронного) заряда(0) физический вакуум сформировал микрочастицу с отрицательным лептонным зарядом (-1) – электронное антинейтрино. Вторая запись: обычный внутриядерный процесс – результат сильного взаимодействия. Сохранился электричкеский заряд (+1), барионный (+1). Конечно такие записи не позволяют проверить сохранения суммарной энергии , импульса частиц и ряд других законов. , которые безусловно выполняются.

Рождение, исчезновение и взаимопревращение частиц, II Важную роль при рождении Вселенной и заметную в ее современном состоянии играет взаимопревращение частиц в процессах аннигиляции. Аннигиляция - превращение при столкновении частицы и античастицы в другие частицы. При аннигиляции происходит превращение одной формы материи в другую, при этом общая масса и энергия системы частиц, ее импульс, момент количества движения и электрический заряд сохраняются. Например, для однонаправленных спинов возможно Ричард Фейман, выдающийся Образовавшиеся фотоны летят в противоположные стороны, и каждый из них американский забирает половину первоначальной энергии системы электрон-позитрон, т. е. ~ физик (1918 Е 0= mс2 = 0, 51 Мэв (m — масса электрона, с — скорость света в вакууме). -1988) При вступлении во взаимодействие 1 кг антиматерии и 1 кг материи выделится энергия, равная выделяемой при взрыве 47 000000 тонн тринитротолуола. При энергиях частиц > 100 Мэ. В их аннигиляция, как правило, дает пары адронов. При определенных условиях возможен обратный процесс, когда в результате взаимодействия электромагнитных или других полей одновременно возникают частица и античастица. Американский физик Р. Фейман разработал диаграммную технику изображения взаимопревращения и взаимодействия и частиц. На всех диаграммах линии изображают распространение частиц, а вершины (точки, в которых сходятся три линии) – их взаимодействия. Линии, один из концов которых свободен, отвечают свободным частицам: сталкивающимся или вылетающим. Линия, соединяющая две вершины - распространение виртуальной частицы. Именно виртуальные частицы ответственны в рамках диаграммной техники за описание силовых полей, посредством которых взаимодействующие частицы воздействуют друг на друга.

Пример диаграммы Феймана В качестве примера рассмотрим диаграмму Фейнмана, которая описывает взаимодействие электронов, позитронов и фотонов между собой. Для этого случая имеются всего один тип вершин (рис. 1) и два типа линий (рис. 2). Волнистая линия - фотон, а направленная прямая — электрон или позитрон. Распространению электрона соответствует движение по направлению стрелки, а распространению позитрона— движение против стрелки. Каждая диаграмма Фейнмана имеет несколько интерпретаций в зависимости от направления движения вдоль линий этой диаграммы. Так, для диаграммы, изображённой на рис. 3 : Движение слева направо — рассеяние фотона на электроне (эффект Комптона). В вершине 1 начальный электрон поглощает начальный фотон, при этом образуется промежуточный электрон, распространяющийся от вершины 1 к вершине 2. Здесь он излучает конечный фотон и превращается в конечный электрон. Результатом процесса является перераспределение 4 -импульса (энергии и импульса) между электроном и фотоном. Движение по линиям справа налево — рассеяние фотона на позитроне. Движение снизу вверх — аннигиляция электрона и позитрона с превращением их в два фотона. Движение сверху вниз — рождение электрон-позитронной пары при столкновении двух фотонов. Согласно правилам Фейнмана, в каждой вершине взаимопревращение частиц происходит с соблюдением закона сохранения 4 -импульса. Вместе с тем релятивистское соотношение между энергией и импульсом (Ε — энергия, р— обычный трёхмерный импульс, m — масса) выполняется только для начальных и конечных частиц, описываемых внешними линиями (реальные частицы). Это соотношение нарушается для промежуточных виртуальных частиц, описываемых внутренними линиями. Расстояние между вершинами- это тайная кухня физического вакуума. Здесь Ε и р могут независимо принимать значения от Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3 —∞ до +∞.

Распад нейтрона в слабом взаимодействии n р + е + e e Диаграмма Феймана n d u d W u u d p

Континуалистская концепция мира и её эволюция в научных картинах мира. 1) Натурфилософия в качестве ведущей концепции о материи предполагала ее непрерывность «Пустоты нет, всё во всём, во всём часть всего, «существующие вещи» - вечны, любую вещь можно делить бесконечное число раз» ( континуалистская программа Анаксагора – Аристотеля ). 2) В механическойи картине мира континуализм отвергнут, признавалась единственная форма материи - вещество, состоящее из отдельных дискретных корпускул (амел, атомов, . . ). 3) Электромагнитная картина мира возродила непрерывную форму материи электромагнитное поле, возбуждаемое в «светоносном эфире» - состоящем из дискретных частиц. 4) В квантово-механической и современной картинах мира утверждается, что поле подобно веществу обладает корпускулярными свойствами, т. е. квантовано. Но вводится новая (базовая) форма материи – физический вакуум – скалярное поле, отличительными признаками которой является непрерывность и инвариантность относительно любых направлений.

Физический вакуум, обзор, I Физический вакуум – это первичная субстанция, базовая форма материи, среда охватывающая всю Вселенную, среда с очень низким (но ненулевым энергосодержанием!) Многие свойства и характеристики физического вакуума не более, чем плод изощренных теоретических изысканий, поэтому физический вакуум можно характеризовать и как исходную базовую абстракцию современной физики. Теория допускает различные ( по удельной энергии и другим свойствам) вакуумные состояния, вакуум нашей Вселенной возник вместе с ней путем распада другого ( «ложного» ) вакуума примерно 13 млрд. лет назад, его атрибутами являются главные константы нашей Вселенной: постоянная Планка ћ , скорость света в вакууме – с, гравитационная постоянная G. В процессе его рождения возникли пространство и время нашей Вселенной, сформировались законы природы. Следует признать, что о физическом вакууме – первичной субстанции мы знаем пока немного, но свойств эфира (перемещения под действием силы) у него нет.

Физический вакуум, обзор, II В рамках современной физики, физический вакуум - основное, энергетически низшее, квантовое состояние поля, в котором отсутствуют свободные частицы. При этом отсутствие свободных частиц не означает отсутствия так называемых виртуальных частиц (процессы рождения которых в нем постоянно происходят) и полей (это противоречило бы принципу неопределенности). Физический вакуум генетически предшествует физическим полям и веществу, он порождает их, поэтому вся Вселенная живет по законам физического вакуума, которые науке пока еще не известны. Вещество и поля, которые мы наблюдаем и более 2000 лет изучаем – порождение вакуума, они также неотъемлемая часть и его характеристика, его возбуждения, конденсаты, закрепленные необходимым количеством энергии. Однако перед человечеством стоит гигантская задача проникновения в тайны состава, структуры и свойств невозбужденного состояния вакуума, механизмов его концентрации, возбуждения.

Физический вакуум, обзор, III В триаде: пространство, время, материя современная физика отдает пальму первенства материи, полагая, что пространство, время, а точнее пространство - время лишь форма ее существования. И, тогда, физический вакуум – первичная субстанция (порождающая иные) всего сущего во Вселенной. Вакуум обладает чрезвычайно высокой симметрией (читай: неизменностью при различных преобразованиях), поэтому так трудно человеку взаимодействовать с ним, например, извлечь часть его энергии. Большинство ученых наделяют физический вакуум свойством непрерывности, по сути восходя к Аристотелю, полагавшему, что пустоты нет. Однако доказательная база для такого утверждения не достаточна. Нульмерность, безструктурность хотя и создают предпосылки для формирования образа онтологического статуса исходной субстанции, но также пока плод абстрагирования! Трудно представить себе, что нечто бесструктурное обладает столь огромной ( по количеству и разнообразию объектов) созидательной мощью!

Физический вакуум, обзор, IV Первичной субстанции свойственны особые ( и разных родов!) свойства (качества) в той или иной степени концентрироваться во времени и пространстве через волновые образования, обладающие одновременно и корпускулярными свойствами. Такие образования получили название элементарных частиц. Уже к середине ХХ века стало ясно, что многие элементарные – это комплексы более простых – фундаментальных. Кроме того, и эти фундаментальные частицы порой сложные корпускулярно-волновые образования, сочетающие до четырёх типов волновых пакетов и соответствующих им зарядовых характеристик, каждая из которых обеспечена определённого рода свойством (качеством) первичной субстанции. Например, широко известный электрон по современным представлением является фундаментальной частицей, обладающей массой, электрическим и слабым зарядами. Т. е. вакуум располагает такими качествами, которые позволяют «наделить» электрон перечисленными зарядовыми характеристиками. А любой кварк еще и цветным зарядом

Эффект Казимира Вакуум может рассматриваться как море так называемых нулевых колебаний, и, даже если в пространстве нет ни одной реальной частицы и ни одного реального бозона, электромагнитные и другие квантовые поля совершают нулевые колебания. В 1948 году Хендрик Казимир рассмотрел две плоские металлические нейтральные – незаряженные – пластины, расположенные в вакууме параллельно другу на некотором расстоянии. Поскольку электрическое поле не проникает в глубь металла, электрическая составляющая нулевых колебаний, направленная вдоль пластин, должна обращаться в нуль. А значит, рассуждал Казимир, вакуумное море обязано претерпеть определенные искажения и пластины притянутся друг к другу

Физический вакуум, обзор, V Перечисленные зарядовые характеристики побуждают элементарную частицу взаимодействовать с вакуумом так, что в окружающей её области генерируются и перемещаются на перефирию некоторые виртуальные образования – частицы (бозоны), базисные структуры, определяющие природу того, что мы называем полем. Поле ещё одна форма существования материи. Каждому полю соответствует своё фундаментальное взаимодействие: гравитационное, электромагнитное, слабое, сильное. Каковы же возможности физического вакуума по концентрации энергии в перечисленных формированиях , какое количество энергии вакуум способен преобразовать в то, что мы называем молекулами, светом, электронами, веществом. Его возможности колоссальны. Всё что мы видим вокруг себя на Земле: исключительно низкая степень возбуждения вакуума ( в единицах массы: не более 25 г/см 3, в единицах температуры ~109 K). Звезда – белый карлик имеет плотность в миллион раз выше, чем Земля (~106 г/см 3), но и это еще невысокая степень возбуждения вакуума; плотность нейтронных звёзд – 1014 г/см 3 и, наконец, современная наука обосновала теоретически и с высокой вероятностью указала местоположение в космосе уникальных объектов, так называемых «чёрных дыр» – объектов с фантастической степенью удельного энергосодержания (~ 1096 г/см 3 ). Это планковская - предельная плотность материи.

Физический вакуум, обзор, VI По мере роста энергосодержания физический вакуум меняет свои характеристики: искривляется пространство, замедляется время, снижается предельная скорость движения объектов микромира (например, фотонов), исчезают условия для рождения традиционных частиц, исчезают привычные и появляются новые типы возбуждений (читай – новые типы частиц, полей), новые типы взаимодействий и мы возвращаемся к «ложному» вакууму – прародителю, из которого много миллиардов лет тому назад сформировался наш родной физический вакуум - «спокойный» , с очень низким удельным содержанием энергии, с четырьмя ( известными науке) фундаментальными взаимодействиями, с огромным разнообразием вариантов организации материи – разнообразием, подарившем нам ВСЕЛЕННУЮ, ЖИЗНЬ и РАЗУМ

Физический вакуум, обзор, VII Требование фундаментальности и первичности для физического объекта влечет за собой выполнение следующих основных условий: Не быть составным. Иметь наименьшее количество признаков, свойств и характеристик. Иметь наибольшую общность для всего многообразия объектов и явлений. Быть потенциально всем, а актуально ничем!!! Не иметь никаких мер. Иметь отрицательное давление и определенное энергосодержание Не быть составным – это означает не содержать в себе ничего, кроме самого себя, т. е. быть целостным объектом. Относительно второго условия идеальным должно быть требование - совсем не иметь признаков. Иметь наибольшую общность для всего многообразия объектов и явлений – это означает не обладать признаками частных, конкретных объектов, поскольку любая конкретизация сужает общность. Быть потенциально всем, а актуально ничем – это означает оставаться ненаблюдаемым и одновременно быть основой всему сущему. Не иметь никаких мер – это означает быть континуальным объектом.

Нерелятивисткая квантовая механика 14 декабря 1900 года - день рождения одной из главных теоретических моделей человека в познании природы. Макс Планк выдвинул гипотезу о том, что любая энергия поглощается или испускается только дискретными порциями (квантами). Эти порции состоят из целого числа квантов с энергией , определяемой по формуле: Е = hv, где h — постоянная Планка. Альберт Эйнштейн, использовав квантовую гипотезу Планка, предположил, что свет состоит из квантов, названных позже фотонами. В 1913 году для объяснения структуры атома Нильс Бор предложил существование стационарных состояний электрона, в которых энергия может принимать лишь дискретные значения. В 1923 году Луи де Бройль выдвинул идею двойственной природы вещества, опиравшуюся на предположение о том, что материальные частицы обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. В 1927 году это получило экспериментальное подтверждение при исследовании дифракции электронов в кристаллах. В 1926 году подхвачены идею копускулярно-волнового дуализма Э. Шрёдингер, развернул в так называемую волновую механику. И, наконец, в 1927 году когда Вернер Гейзенбеог предложил свой знаменитый принцип неопределенности стало ясно, что фундаментальная физика оснастилась мощным теоретическим фундаментом в лице квантовой нерелятивистской теории.

Принцип неопределенности В квантовой механике Гейзенбергом в 1927 г. был установлен принцип неопределенности (соотношение неопределённости), согласно которому в любой физической системе существуют пары параметров (координата центра инерции и импульс, энергия и время, скорость частицы и её координаты, удельная плотность частиц и напряжённость поля и т. д. ), точное одновременное определение (измерение) которых невозможно! Например, Вернер Гейзенберг, где - неопределённость определения (измерения) величины (среднеквадратичное немецкий отклонение от средней величины); рх – проекция импульса р на ось х; х – координата, физик, 1901 v – скорость, m – масса частицы. Из соотношения неопределённостей очевидно, что 1976 если координата х установлена абсолютно достоверно, то мы ничего не можем утверждать об импульсе объекта (его произведении массы на скорость) и наоборот. Ввиду малости по сравнению с макроскопическими величинами той же размерности действия принцип неопределённости существенен лишь для явлений атомного и субатомного масштаба, хотя формально ограничивает возможности экспериментов с любыми объектами. Принцип неопределенности является одним из проявлений корпускулярно – волнового дуализма излучения и вещества. Волну нельзя локализовать в пространстве, и поэтому любое измерение положения объекта, обнаруживающего волновые свойства, принципиально сопряжено с неопределенностью. Принцип неопределенности Гейзенберга дает количественное выражение этой неопределенности. В развитии квантовой механики , теоретических изысканий в области физического вакуума принцип неопределенности играет одну из основополагающих ролей, конструктивных идей, главных достижений современного естествознания. В. Гейзенберг – автор принципа по праву считается одним из основателей квантовой физики.

Принцип неопределенности и физический вакуум Фундаментальное соотношение неопределённостей проливает свет на природу рождения и превращения частиц в физическом вакууме. В соответствии с принципом неопределённости, если число частиц в вакууме равно нулю, то напряжённость поля не может быть также равной нулю (иначе оба параметра будут известны и строжайший принцип будет нарушен). Напряжённость поля в вакууме существует в виде флуктуационных колебаний около нулевого значения. Этим колебаниям соответствует определённая, хотя и достаточно малая энергия. В отличие от известных нам векторных полей (например, электромагнитного), поле вакуума - скалярное. По современным представлениям колебания полей обязаны порождать частицы. И здесь мы сталкиваемся с ещё одним парадоксом микромира. В силу того же принципа неопределённости квантовые эффекты могут на очень короткое время нарушать ( точнее приостанавливать ) действие закона сохранения энергии. В течение этого промежутка времени энергия может быть взята «взаймы» на различные цели, в том числе на рождение частиц. Разумеется, все возникающие при этом частицы живут очень короткое время t где h – постоянная Планка, Е – энергия частицы, т. к. израсходованная на них энергия должна быть возвращена. Обретая мимолётное бытиё, эти виртуальные частицы, вызывают «кипение» вакуума и способны взаимодействовать с миром реальных частиц (в том числе вызывая их превращения) и полей. Предотвратить это кипение невозможно ; «кипящий» (иногда применяют термин «мерцающий» ) вакуум - это и есть наинисшее возможное энергетическое состояние всех полей. Применяя формулу энергии покоя к элементарным частицам: электрону, протону и др. , обнаруживается, что время их существования как виртуальных объектов ничтожно мало в масштабах макромира, однако , вполне достаточно, чтобы они провзаимодействовали с миром реальных частиц.

Принцип дополнительности Н. Бор в 1928 г. дал более широкую трактовку соотношению неопределённости, выдвинув принцип дополнительности, который утвержает, что получение экспериментальной информации об одних физических величинах микрообъекта неизбежно связано с потерей информации о некоторых других (дополнительных к первым); ранее мы назвали первые и дополнительные канонически сопряжёнными. Физическое обоснование принципа дополнительности базируется на активном «вмешательстве» измерительной аппаратуры в «жизнь» объекта измерения, приводящее к искажению и даже потере части информации о нём. Хотя объективно принципы Гейзенберга и Бора отражают свойства квантовых систем, не связанные с наблюдателем, свойства двойственного их поведения. Волновое и корпускулярное описания микрообъектов и микропроцессов не исключают и не заменяют, а взаимно дополняют друга. Принцип дополнительности получил в науке и других разделах человеческой культуры глубокое философское осмысление, расширяющее его первоначальные рамки вплоть до принципа равноправия противоположных точек зрения. Существование любой части целого предполагает также существование части, дополняющей ее до целого. Например, если есть ложное, то все остальное будет истинное, если есть абсолютное, то все остальное есть относительное, если есть свет, то ……. . есть и тьма и т. д. Существование одного влечет за собой существование другого. Часть может существовать только в паре со своим дополнением. Пренебрегая противоположным тезисом, мы теряем целостность. « Образ, дивно расчленённый, исчезает навсегда» – лучше Гёте не скажешь!

Корпускулярно-волновой дуализм как всеобщее свойство материи. Корпускулярные свойства света 1) Фотоэффект - испускание электронов веществом под действием света Открыт в 1887 г. Г. Герцем 2) Эффект Комптона — явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие рассеивания его электронами е . Волновые свойства частиц 1) Дифракция частиц- рассеяние электронов, нейтронов, атомов и т. п. совокупностями частиц, отверстиями…, при этом рассеиваемые частицы проявляют свойства аналогичные свойствам волны. Гипотеза де Бройля, 1925. Девиссон и е Джермер подтвердили её в в опытах в 1927 г. Обнаружен В основе современной американским квантовой физики лежит физиком представление о А. Комптоном в двойственной природе всех 1923 году для материальных объектов: они рентгеновского обладают как волновыми, так излучения. и корпускулярными свойствами. е

Состояние в квантовой механике. Волновая функция. Квантовое состояние — любое возможное состояние, в котором может находиться квантовая система (частица). Состояние квантовой частицы задается двумя в общем случае неопределенными величинами: координатами и импульсом . Квантовая механика вместо двух функций W и V вводит одну единую волновую комплексную функцию Ψ (Υ), имеющую действительную и мнимую часть: для свободных частиц (на которые не действуют внешние силы) удобнее использовать , которая не зависит от времени; для связанных частиц удобнее использовать Свободная частица имеет строго определенный импульс р=const и согласно принципу неопределенности совершенно неопределенные координаты. Её волновая функция может быть представлена как комплексная синусоида: Как для фотона, так и для любой другой частицы , например, электрона: и тогда для одномерного случая: (1) В квантовой механике нельзя ввести понятия скорости и силы, ибо они являются производными по времени от координат и импульса – величин неопределенных

Волновое уравнение Движение в пространстве Движение электрона при наличии свободном от действия сил с электростатических сил учетом того, что волновая механика , где Шредингера основана на нерелятивистской механике, кинетическая энергия частицы потенциальная энергия электрона в поле с потенциалом . Волновое уравнение, решением которого является (1) представляется как: , аналог 1 - го закона Ньютона, где - оператор Лапласа Для трёхмерного случая: Движение связанной частицы – электрона будет задаваться волновым уравнением Шрёдингера – аналогом 2 -го закона Ньютона Э. Шрёдингер (1987 – 1961) В классической механике движение описывается первым и вторым законами Ньютона для свободного и Квадрат модуля функции связанного состояния плотность вероятности материальной точки обнаружения электрона в данной (частицы). Волновые точке пространства (постулат уравнения их аналоги М. Борна) в представлениях квантовой механики

Теория суперструн (струн) Это, пожалуй, на сегодня наиболее яркая альтернатива стандартной модели микромира, основанной на фундаментальных бесструктурных точечных фермионах и фундаментальных взаимодействиях обменного характера. Основная идея ТС состоит в том, что каждая из элементарных частиц состоит из крошечной одномерной петли, представляющей собой - вибрирующее, колеблющееся, пляшущее волокно, подобное бесконечно тонкой резиновой ленте, которое авторы теории назвали струной. ТС разрешает основное противоречие современной теоретической физики, противоречие между квантовой механикой и общей теорией относительности. ТС утверждает, что все наблюдаемые свойства элементарных частиц являются проявлением различных типов колебаний струн. Петли в ТС имеют резонансные частоты, подобные резонансным частотам скрипки, на которых она предпочитает колебаться, и которые наше ухо воспринимает как музыкальные ноты. Каждая из разрешенных мод колебаний струны в ТС проявляется в виде частицы, масса и заряды которой определяются конкретным видом колебаний. Электрон представляет собой один набор колебаний струны, и- кварк – другой, и так далее. Та же идея применяется и к взаимодействиям, существующим в природе. Предоставить детальные количественные характеристики «элементарных частиц» на настоящий момент теория еще не готова, но в отличии от стандартной модели с её точечными частицами теория струн способна дать объяснение почему частицы и взаимодействия имеют те свойства, которые они имеют. ТС как и стандартная модель еще не может предсказать ( «априори» ) количественно массу частиц, их заряды, константы взаимодействия. Экспериментально мы также не в состоянии увидеть петли (струны), имеющие размер ~ 10 -33 м. Для того чтобы физикам- экспериментаторам проникнуть в тайны таких масштабов необходим ускоритель размером с Галактику и энергетическими затратами большими, чем располагает родная планета. Поэтому наука вынуждена пока опираться я на математическую мощь передового отряда ученых.

ПРИЧИННОСТЬ И ДЕТЕРМИНИЗМ ДИНАМИЧЕСКИЕ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ Детерминизм – учение о всеобщей закономерной связи природных, социальных и психических явлений. Индетерминизм – учение, отрицающее объективную причинную обусловленность явлений природы, общества и человеческой психики. Причинность – одна из форм детерминизма В макромире причинность проявляется в форме однозначных динамических законов. При изучении микромира постепенно пришло осознание вероятностного детерминизма, проявляемого в виде статистических закономерностей природы.

Динамические законы (теории) Динамический закон отражает объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин, выражаемых количественно. Например, PV = m/μ RT , ΔQ = ΔU + ΔA , V = H · R , F =ma Каждый из законов (теорий) состоит из трех элементов: - совокупности физических величин, с помощью которых описываются объекты; - фиксируемого состояния системы; - уравнения эволюции системы. Динамические законы носят достоверный и однозначный характер Применение динамических законов почти автоматически ведет к признанию однозначных причинно-следственных связей, а их абсолютизация к лапласовскому детерминизму.

Статистические законы Максвелл в 1859 г. ввел в физику понятие вероятности, выработанное математиками при анализе случайных явлений. По мере проникновения науки в микромир появились законы нового - статистического типа. В этих законах : - состояние системы представляет собой вероятностную характеристику, т. е. оно определяется не значениями физических величин, а их распределениями; - по известному начальному состоянию определяется не сами значения физических величин , а вероятности этих значений внутри заданных интервалов, и следовательно однозначно определяются средние (наиболее вероятные значения физических величин); Пример статистической закономерности – волновое уравнение движения микрочастицы – эволюцию её состояния : На уровне статистических законов проявляется более глубокая форма детерминизма в природе – вероятностный детерминизм, его истинное всеобъемлющее значение стало очевидным после создания квантовой механики

Соотношение динамических и статистических законов Исторически динамические законы предшествовали статистическим, считались главными, природообразующими. Статистические законы пытались вывести из динамических. Возникновение и развитие квантовой теории привело к переосмыслению их роли. Через равнозначимость законов наука пришла к выводу о том, что статистические законы – наиболее глубокая, наиболее общая форма описания всех физических закономерностей. На сегодня нет почвы для индетерминизма, поскольку статистические законы ничуть не менее объективны, чем динамические. любое движение материи можно описать в рамках как динамических, так и статистических законов, но связь между случайным и необходимым познается только в рамках статистических закономерностей. Вероятностная причинность является более общей, а динамическая – лишь ее частным случаем.

Специфика квантовой причинности 1. Представление о причинности как о «генетической связи состояний» включает два аспекта: - диахронный (временной) – причина предшествует следствию во времени; - синхронный (пространственный, системный и т. п. ) – причина и следствие одновременны В физике, основываясь на абстракциях нестатистического классического этапа обычно рассматривается лишь первый аспект (вспомним СТО). В квантовой механики второй аспект выражается новыми понятиями : «квантовая неразделимость состояния» , «целостность квантового явления» , «когерентность» и т. д. Таким образом в квантовом мире связь состояний (причинность) подчиняется определенным законам, но носят они исключительно вероятностный характер)

Причинность как связь состояний 1. Классическая нестатистическая физика обходится без введения категорий возможности, случайности и неопределенности (её основа «материальные точки» ) 2. Классическая статистическая физика учла микросостояния материальных точек, что потребовало введения категории возможного и вероятности ( Тем не менее, Л. Д. Ландау считал, что они «не лежат в самой природе» , а А. Эйнштейн, что «Бог не играет в кости» ) 3. Квантовая статистическая физика (микрообъект может находиться сразу в нескольких микросостояниях, при этом в каждом из них он обладает набором характеристик одновременно) Введение вероятности в классическую статистическую физику обосновывает статистика, а квантовая статистика сама обосновывается квантово – физической вероятностью

Квантовый компьютер Идея квантовых вычислений была впервые предложена Ю. И. Маниным в 1980 году. До сих пор полномасштабный квантовый компьютер является пока гипотетическим устройством, построение которого связано со многими вопросами квантовой теории и, прежде всего, с решением проблемы декогеренции. Ограниченные (в несколько кубитов) квантовые «миникомпьютеры» уже созданы в лабораториях Канады, США и др. стран. Первое удачное применение с полезным результатом продемонстрировано международным коллективом учёных в 2007 году. Одним из бурно развивающихся прикладных направлений квантовой физики является квантовая криптография и к 2011 году несколькими лабораториями и коммерческими фирмами были созданы работающие прототипы передатчиков и приёмников. Её успехи базируются на гарантированном уведомлении о перехвате сообщения , основанном на квантовой телепортации связанных состояний, на необратимости коллапса волновой функции. Определенные успехи достигнуты на первых шагах квантового Интернета.

Квантовый компьютер, I В обычном компьютере информация хранится в битах, которые принимают значения 0 или 1. Ячейками памяти управляет логический вентиль, выполняющий элементарные логические операции. Ячейкой хранения информации в квантовом компьютере является квантовый бит (quantum bit, qubit) или кубит. Это квантовая частица, которая благодаря природе, есть ни 0, ни 1, но некая суперпозиция и того и другого, несёт в себе как бы оба «ответа» сразу до измерения её состояния. Измерение меняет состояние частицы – она переходит в одно из базовых состояний, условно, становится «точно нулём» или «точно единичкой» . Если мы имеем дело с системой из N кубитов , то они формируют после измерения пространство из 2 N состояний (смотри рисунок для трёх классических битов и трёх кубитов). …. Кубиты, кроме того, могут находиться в состояниях, запутанных между собой. Это предоставляет возможность согласованно менять состояния всех кубитов сразу, воздействуя на них каким-либо определённым способом. При этом окажется, что, выполняя одну так называемую квантовую логическую операцию, мы выполняем одновременно 2 N операций в привычной нам двоичной логике. В классическом компьютере такая операция потребовала бы 2 N шагов. Это обеспечивает беспрецедентный параллелизм вычислений, и именно это является основой мощности и быстродействия квантовых компьютеров. Таким образом, квантовый компьютер может кардинально обойти компьютер обычный в тех задачах, где по мере роста количества переменных время, требуемое для вычислений, растёт по экспоненте и где обычные компьютеры, базирующиеся на ньютоновой физике и принципах машины Тьюринга бессильны Квантовый компьютер не будет конкурентом нынешним, скорее, он предназначен для решения задач с огромным количеством исходной информации и большим числом переменных. Такие задачи характерны для систем криптографии и безопасной передачи данных, биологии и медицины, моделирования квантовых систем, оптимизации различных процессов.

Квантовый компьютер, II. Квантовый процессор За 30 с лишним лет в различных странах опробированы различные технические решения квантового процессора (чипа, регистра) на системе кубитов, каждый из которых представлял из себя: - ион в одномерном кристалле, пойманный в магнитную ловушку; - электрон в полупроводниковой квантовой точке, имеющий два возможных значения спина - вниз и вверх, ; - атом на сверхпроводниковых мезоструктурах; - атом и связанная с ним фотонная структура; - сверхпроводящее кольцо, в котором ток может течь в двух направлениях; - атомное ядро и т. п. Для фиксации кубитов применяют ловушки (оптические в частности), которые могут кроме того заданным образом менять их квантовые параметры и выполнять измерение (считывание информации). В компьютере, продемонстрированном канадцами в 2007 году, использованы электронные кубиты. Однако, чтобы из электронов (вернее из целых полчищ электронов) сделать кубиты, нужно было, чтобы целая группа электронов находилась одновременно в одном и том же квантовом состоянии. Поскольку электрон относится к фермионам, таковое «согласованное пребывание» им запрещают законы квантовой физики. Однако если посмотреть на электроны в сверхпроводнике – картина меняется. Там электроны формируют так называемые куперовские пары, которые являются бозонами, движущимися словно солдаты целой роты в ногу. А это значит, что огромное число таких электронов в куске сверхпроводника может находиться одновременно в одном квантовом состоянии, представляя собой регистр кубитов. 13 февраля 2007 г. произошло поистине эпохальное событие - демонстрация квантового компьютера. И это случилось лет на 20 раньше, чем предсказывали ученые. Квантовый компьютер Orion - это первая практическая реализация технологии, позволяющей осуществлять одновременно до 65 536 вычислительных потоков. В чипе этого канадского компьютера 16 кубитов

Квантовый компьютер, III Для квантового чипа практически определены следующие операции: 1. Каждый кубит можно приготовить в некотором известном состоянии |0>. 2. Каждый кубит может быть измерен в базисе {|0>, |1>}. 3. Универсальный квантовый гейт (или набор гейтов) можно применить к любому подмножеству, состоящему из фиксированного числа кубитов. 4. Состояние кубитов не изменяется кроме как посредством вышеуказанных преобразований Природа сама нам подарила двухуровневые системы, одно из состояний которых может служить 0, а другое 1, поэтому с выполнением первых двух требований проблем нет. Способ управлять, то есть осуществите нужную эволюцию системы с двумя состояниями посредством определенного малого множества простых операций разработал в 1985 году Дойчем. Эти простые операции называются квантовыми “гейтами” по аналогии с существующими в классических компьютерах. Например, операция НЕ(Х) есть не что иное, как вынужденный переход между двумя энергетическими уровнями |0>и |1>. Имеющая важное значение операция КОНТРОЛИРУЕМОЕ НЕ может быть определена как управляемый переход в четырехуровневой системе. Так что, третий пункт тоже в принципе выполним. А вот с выполнением четвертого пункта большие проблемы. Но пункт 4 ? ? ? Мы не можем отгородиться от окружающего мира. Работа квантового компьютера подразумевает изменение состояния кубита только посредством действия на него логического гейта. В действительности не существует ни идеального квантового гейта, ни изолированной системы. Можно, конечно, надеяться, что удастся как угодно точно приблизить реальное устройство к идеальному, но многим это кажется неосуществимой мечтой. В основе логических квантовых гейтов, таких как КОНТРОЛИРУЕМОЕ НЕ, лежит взаимодействие двух изначально разделенных кубитов, но если кубиты будут взаимодействовать друг с другом, то они неизбежно будут взаимодействовать с чем-либо еще. Это взаимодействие будет приводить к сбою, потере когерентности между состояниями. Эффект квантовой интерференции, который обеспечивает функционирование вычислительных алгоритмов, является очень хрупким, квантовый компьютер очень чутко реагирует на помехи при эксперименте и прочие воздействия. Причем больше кубитов задействовано в данном алгоритме, тем больше вероятность сбоя.

Квантовый компьютер, IV При формировании квантового регистра возникает ряд трудно разрешимых задач. Основное препятствие на пути создания квантовых компьютеров — декогеренция (прекращение квантовой запутанности), без подавления которой прогресс здесь немыслим. Запутанность удается сохранить лишь несколько миллисекунд, хотя в последнее время появились работы о расширении диапазона до 2 секунд! Для борьбы с декогеренцией предлагаются два подхода — либо изоляция квантовой системы от воздействий среды (сверхнизкие температуры, высочайший вакуум), либо введение в квантовые вычисления кодов, устойчивых к ошибкам. Средством контроля квантовых состояний и процессов служит квантовая томография* , основанная на статистическом восстановлении квантовых состояний по результатам взаимно-дополнительных измерений (в соответствии с принципом дополнительности Нильса Бора). В отличие от классических, квантовые компьютеры не универсальны: не для всяких вычислительных задач существует алгоритм их решения на квантовом компьютере. До сих пор найдено лишь небольшое число квантовых алгоритмов. для задач с перебором. Первый алгоритм для квантовых компьютеров - разложение числа на простые множители - был разработан в 1994 году Питером Шором. Эту задачу умеют решать и классические компьютеры, но времени они на это требуют неизмеримо больше (квантовые же справляются с разложением за время, полиномиальное от раскладываемого числа). Еще одним известным алгоритмом является алгоритм Гровера: алгоритм поиска в неструктурированной базе данных. * Томография (томо — сечение) представляет собой восстановление определенного состояния по его сечениям. В квантовой механике состояние представляет собой вектор в гильбертовом пространстве многочастичных квантовых состояний, а сечение — его проекция на одну из координатных осей, называемая измерением. Процесс воссоздания амплитуд формулируется на алгебраическом языке; его можно уподобить обратному преобразованию в обычной компьютерной томографии. Основное аппаратное обеспечение (hardware) квантового компьютера должно включать: ● квантовый процессор; ● устройство для хранения квантовой информации (квантовая память); ● квантовуй шину для обмена информацией

Квантовый компьютер, V

Квантовый Интернет Современный Интернет – больше чем соединенные вместе компьютеры, это и узлы, где сигналы, передаваемые по сети, прочитываются и маршрутизируются. Если проделать такое с кубитами возникнет декогеренция и хрупкое квантовое состояние разрушится! Однако проблема разрешима. Например, кубиты в виде фотонов при попадании в узел – одиночный атом могут сохраняться без нарушений своих квантовых состояний, а потом ретранслироваться дальше. Развертывание квантового Интернета – очень сложная задача, лазерные лучи можно использовать для спутников, самолетов, но надежным вариантом является лишь оптоволокно, только оно снизит существенно риск декогерентности и его потребуется тысячи и тысячи километров. Основным двигателем квантового Интернета могут стать коммерческие предложения, которым потребуются повышенная безопасность и сверхбыстрый поиск. На данный момент в Швейцарии уже действует квантовый интернет, уже три года сеть протяженность 100 км связывает Женеву и Цюрих. В основе передачи информации такой сетью лежит квантовая сцепленность – явление, при котором квантовые состояния двух или более объектов влияют друг на друга, даже если они разнесены в пространстве. Достоинство сети - в ее безопасности. При попытке получить доступ к трафику сети извне сигнал искажается, что сигнализирует принимающей стороне о попытке перехвата (или технических проблемах). Параллельная обработка позволяет квантовым процессорам существенно ускорить работу поисковых машин, что уже продемонстрировано на работе Google c помощью симуляции квантового процессора на классическом компьютере.

Квантовые компьютеры обычно манипулируют частицами при помощи света и магнитных полей. И хотя одна ячейка информации в таком аппарате может быть материализована в виде небольшой группы атомов или вовсе – в виде единичных частиц, даже отдельных фотонов, управление этой информацией требует построения виртуозной аппаратуры

Схема предлагаемого устройства. В его основе – дорожки, создающие микроволновый резонатор, внешние поля и армия частиц, несущих «согласованные» спины электронов ( Wesenberg et al. ). Кот Шредингера Rainier – опытный прототип 128 -кубитного чипа от DWave Systems. Каждый кубит представляет собой крошечную петлю из ниобия, находящегося в сверхпроводящем состоянии, по которой может курсировать ток по часовой или против часовой стрелки (это базовые состояния 0 и 1).

3. 3 Мир атома Исторические вехи в познании атома - Модели атома - Планетарная модель Бора – Резерфорда - Квантовая механика и атом - Состав и структура ядра атома - Ядерные реакции - Радиоактивность - Деление ядер - Термоядерный синтез - Газовый лазер -

Исторические вехи в познании атома В канун ХХ в. наука располагала обширными знаниями о поведении коллективов атомов, среди этих знаний выделялись три «бриллианта» : атомистическая теория Дж. Дальтона, закон А. Авогадро и периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные знания ЗАКОН АВОГАДРО (1811): АТОМИСТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ ДАЛЬТОНА: В ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗАХ В РАВНЫХ - ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ СОСТОИТ ИЗ оказались утерянными и ОБЪЕМАХ ПРИ ОДИНАКОВЫХ АТОМОВ; к грядущим поколениям В ХОДЕ РЕАКЦИЙ АТОМЫ НЕИЗМЕННЫ ДАВЛЕНИЯХ СОДЕРЖИТСЯ ОДИНАКОВОЕ перешла бы только одна КОЛИЧЕСТВО МОЛЕКУЛ И НЕДЕЛИМЫ; ЧИСЛО АВОГАДРО = 6, 022 1023 1/МОЛЬ фраза, то какое - АТОМЫ СВЯЗЫВАЮТСЯ В МОЛЕКУЛЫ ЧИСЛО ЛОДШМИДТА = 2, 7 1019 1/СМ 3 утверждение принесло В СТРОГО ОПРЕДЕЛЕННЫХ ЗАКОН ОТКРЫЛ ПУТЬ К ИЗМЕРЕНИЮ ВЕСА бы наибольшую ПРОПОРЦИЯХ; АТОМОВ МОЛЕКУЛ, ПРИНЯВ ВЕС О =16, - СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА НЕ ЗАВИСЯТ ОТ УСТАНОВЛЕНО Не = 4, 003; Nа = 22, 997… информацию? «Я СПОСОБА ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ. считаю, что это атомная гипотеза: все тела состоят из атомов – МЕНДЕЛЕЕВ ОТКРЫЛ ВАЖНУЮ ТАЙНУ ПРИРОДЫ: ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОВТОРЯЮТСЯ ПО МЕРЕ маленьких телец, ВОЗРАСТАНИЯ ИХ АТОМНОГО ВЕСА. которые находятся в Великие открытия в конца ХIX в. создали предпосылки для беспрерывном проникновения в тайны отдельного атома движении, притягиваются на 1895 г. Вильгельм Конрад РЕНТГЕН – РЕНТГЕНОВЫ ЛУЧИ небольшом расстоянии, 1896 г. Анри БЕККЕРЕЛЬ – ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИОАКТИВНОСТЬ но отталкиваются, если 1897 г. Дж. ТОМПСОН – ЭЛЕКТРОН одно из них плотнее 1899 г. БЕККЕРЕЛЬ И ГИЗЕЛЬ – , прижать к другому» . - ЧАСТИЦЫ Ричард Фейман. 1899 г. П. ВИЯР - - ИЗЛУЧЕНИЕ

Модели атома На границе ХIХ и ХХ веков Дж. Томпсон предложил модель атома, в которой положительное электричество «размазано» по сфере, а в неё вкраплены, как изюм в пудинг, электроны. В 1903 г. Хантаро Нагаока предложил сатурноподобную модель атома, предусматривающую симметричное расположение электронов вокруг положительно заряженного сферического ядра. В 1908 г. ученики Резерфорда Гейгер и Мардсен, наблюдая прохождение α - частиц через тонкие пластины золота, обнаружили, что большинство частиц проходят сквозь пластину почти не отклоняясь, тогда как некоторые (1 на 10000) отклоняются сильно, вплоть до возврата назад. Острый ум Резерфорда помог интерпретировать эксперимент: в атоме положительно заряженная частица содержит в себе большую часть массы, занимая при этом очень малый объём; тогда отклонение α - частицы – результат её единственной встречи с положительно заряженным ядром атома золота. Стало ясно, что атом практически пуст; расчёты подтвердили: если атом увеличить до сферы радиусом 1 км, ядро займёт объём футбольного мяча. Таким образом, модель Нагаока – Резерфорда предстала в виде положительно заряженной частицы, вокруг которой на огромных расстояниях (по сравнению с размерами этой частицы) вращались (чтобы не упасть на ядро) электроны. Электрический заряд ядра полностью компенсировался суммой электрических зарядов электронов. Ланжевен и М. Кюри подвергли модель Резерфорда критике, т. к. она не объясняла происхождение электронов модели атома вылетающих из ядра атома при β - распаде и не отвечала на вопрос: почему не излучают электроны атома, вращаясь в электрическом поле ядра (как этого требовали законы электродинамики великого Максвелла). На эти вопросы в 1913 г. ответил Дж. Томпсона Х. Нагаока Э. Резерфорда датчанин Нильс Бор.

Планетарная модель атома Бора -Резерфорда ПОСТУЛАТЫ БОРА 0) ЭЛЕКТРОН ОБРАЩАЕТСЯ ВОКРУГ ЯДРА ПО КРУГОВОЙ ОРБИТЕ (ПРИ ЭТОМ КУЛОНОВСКАЯ СИЛА УРАВНОВЕШИВАЕТ ЦЕНТРОБЕЖНУЮ) 1) ИЗ ВСЕХ ВОЗМОЖНЫХ ОРБИТ РАЗРЕШЕНЫ ТОЛЬКО ТЕ, ДЛЯ КОТОРЫХ МОМЕНТ ИМПУЛЬСА КРАТЕН ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА 2) ПРИ ДВИЖЕНИИ ЭЛЕКТРОНА ПО РАЗРЕШЕННОЙ ОРБИТЕ АТОМ НЕ ИЗЛУЧАЕТ ЭНЕРГИЮ! 3) ПРИ ПЕРЕХОДЕ ЭЛЕКТРОНА С ОДНОЙ ОРБИТЫ НА ДРУГУЮ ИЗЛУЧАЕТСЯ ФОТОН С ЭНЕРГИЕЙ РАВНОЙ РАЗНИЦЕ ЭНЕРГИЙ ЭЛЕКТРОНА НА УКАЗАННЫХ ОРБИТАХ Классическая механика Fq z V Fz - Условие квантования электронных орбит - Разрешенные радиусы электронных орбит водородоподобных атомов (т. е. изотопов Н и ионов других атомов, содержащих один электрон ) - Линии спектра водородоподобного атома m, e, r , V - масса, электрический заряд, радиус орбиты и скорость электрона; h – постоянная Планка, - диэлектрическая постоянная вакуума; n = 1, 2, 3…; I, f – произвольные номера орбит.

Квантовая механика и атом, I ПЛАНЕТАРНАЯ МОДЕЛЬ БОРА - РЕЗЕРФОРДА БЫЛА ПЕРВОЙ КВАНТОВОЙ МОДЕЛЬЮ АТОМА ЧАСТОТЫ, ОПРЕДЕЛЕННЫЕ ПО МОДЕЛИ БОРА - РЕЗЕРФОРДА, СОВПАЛИ С ЛИНИЯМИ СПЕКТРА АТОМА ВОДОРОДА и ВОДОРОДОПОДОБНЫХ ИОНОВ!!!! ЭТО БЛЕСТЯЩАЯ ПОБЕДА НАУКИ!

Квантовая механика и атом, II Дальнейшее развитие взглядов на строение атома связано с именами Де Бройля, Борна, Шредингера, Паули. Французский учёный Луи Де Бройль выдвинул смелую гипотезу: электроны – это волны материи с длиной волны λ = h/p , где р – импульс электрона. Свободно движущийся электрон – бегущая волна, электрон в атоме – стоячая, с длиной волны λ = 2πrn, где r – радиус орбиты, n = 1, 2, …. n. Поскольку в стоячей волне n –целое число, понятно почему радиусы орбит и соответственно энергии Е 1, Е 2, … Еn электронов дискретны. Т. е. электрон в атоме может иметь только целое число «укладывающихся» на той или иной орбите Волны Де Бройля в атоме волн. Он может поглотить или излучить только столько энергии, сколько требуется для изменения одного целого числа волн

Квантовая механика и атом, III Э. Шредингер описал движение электрона волновой функцией ; Макс Борн убедил нас в том, что квадрат модуля волновой функции 2 определяет вероятность пребывания электрона атома в той или иной области; В. Паули обосновал запрет: в атоме не может быть двух полностью тождественных электронов. Современную модель атома связывают с именем Э. Шредингера, вероятность местоположения электрона по Борну, но среднестатистически работает планетарная модель Бора – Резерфорда. АТОМ ШРЁДИНГЕРА

Квантовая механика и атом, II По современным представлениям, столбовую дорогу которым открыли основатели квантовой механики, электрон в атоме не имеет орбит и даже траекторий, в каждый из моментов он может быть локализован в достаточно обширной области вокруг ядра. Однако функция 2 имеет максимум как раз на расстоянии первой боровской орбиты. Аналогичный результат имеет место для атома в возбужденном состоянии (n≥ 2), n =1, 2, 3…получило название главного квантового числа. Средние значения энергий электронов в атоме строго соответствуют боровским орбитам.

Квантовая механика и атом, II Несмотря на переход от орбиты к облаку, движение носителей отрицательного электричества обладает чертами периодичности, им присущ момент импульса. Наличие момента импульса всё же наиболее наглядно в орбитальной модели, поэтому и в квантовой механике этот момент импульса называют орбитальным, он также квантован, его принятое обозначение - L. где = 0, 1, 2, …n-1; - ещё одно квантовое число (орбитальное), Lmin= 0 - на “языке траекторий” означает движение по прямой через ядро как маятник. Состояние с = 0, 1, 2, 3, 4 принято обозначать, соответственно, буквами s, р, d, f, g. Электрону как электрически заряженной частице, обладающей моментом импульса, необходимо приписать также и магнитный момент где m - магнитное квантовое число; m = 0, ± 1± 2, …± Для s – состояния электрона m = 0, в случае р – состояния возможны три варианта: m = - 1; 0; 1, в случае d –состояния – пять вариантов m = -2; -1; 0; 1; 2 и т. д. И, наконец, электрон обладает собственным магнитным моментом LS – спином c соответствующим магнитным спиновым квантовым числом m. S В соответствии с изложенным в атоме выделяют: электронные слои (оболочки): К(n=1), L(n=2), M(n=3), N(n=4), …; Состояния (подгруппы): s (l=0), p (l=1), d(l=2), f(l=3)…. Например, в конфигурация восьми электронов для кислорода представляется как 1 s 2, 2 p 4

Состав и структура ядра атома Протонно-нейтронный состав ядер атомов установлен после открытия Чедвигом нейтрона в 1932 г. А = Z + N, Z – число протонов, N- число нейтронов, Z = const, N = N 1, N 2, …- ИЗОТОПЫ Атомы с определенным значением Z относятся к одному химическому элементу , любой изотоп которого обозначается как , например, углерод : ……… Общее название протонов и нейтронов – нуклоны. Отношение N/Z нарастает от 1 у основных изотопов лёгких элементов до 1, 6 у ядер самых тяжелых химических элементов. В солнечной системе - 273 относительно стабильных естественных изотопов, принадлежащих 92 химическим элементам. Пример - изотопы водорода: ПРОТИЙ (ядро- ПРОТОН, р); ДЕЙТЕРИЙ (ядро – ДЕЙТРОН: протон + нейтрон, р+n); ТРИТИЙ (ядро - ТРИТОН: протон + 2 нейтрона, р+2 n). Нуклоны связаны в ядре ядерными силами, относящимися к сильному взаимодействию. Обменной частицей ядерных сил выступают π – мезоны в реакциях: Ядерные силы характеризуются как: короткодействующие (10 -15 м); зарядово-независимые; самые мощные; насыщающиеся , они существенно превосходят кулоновские силы расталкивания протонов в ядрах и обеспечивают в большинстве случаев их стабильность. Для разрыва нуклонных связей необходимо преодолеть определенный энергетический барьер, получивший название – дефект массы Здесь: - энергия связи, - дефект массы = энергии связи в системе единиц, где скорость света с=1 , = масса протона, - масса нейтрона, - масса ядра. Таким образом, при объединении нуклонов в ядро часть массы протонов и нейтронов (а масса- это форма существования энергии!) переходит в энергию связи нуклонов в ядре. Чтобы расщепить стабильное ядро на составляющие его нуклоны необходимо затратить энергию Е ≥ Е.

Ядерные реакции — процессы образования новых ядер или частиц при столкновениях ядер или частиц. Впервые искусственную ядерную реакцию осуществил в 1919 г. Резерфорд, бомбардируя αчастицами ядра атомов азота , в ядерных реакциях сохраняются: электрический заряд, барионный заряд, энергия, импульс, … Среди ядерных реакций наиболее важные для понимания мироздания и в практической деятельности человечества: нуклеосинтез, радиоактивность, деление ядер, искусственный синтез ядер НУКЛЕОСИНТЕЗ - ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ ОБРАЗОВАНИЯ ТЯЖЁЛЫХ ЯДЕР ИЗ БОЛЕЕ ЛЁГКИХ, ПРОТЕКАЮЩИЕ ПРИ ОПРЕДЕЛЁННЫХ (ДОСТАТОЧНО ВЫСОКИХ) ТЕМПЕРАТУРАХ И ПЛОТНОСТЯХ СВОБОДНЫХ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ. СРЕДИ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЯХ НУКЛЕОСИНТЕЗА ВЫДЕЛЯЮТ: протон-протонный цикл; , е , s, r, р, х- процессы. ПРОТОН-ПРОТОННЫЙ ЦИКЛ ; Превращение ядер водорода ядра гелия происходит в звездах Т ~ 107 - 108 K α - ПРОЦЕСС Объединение ядер гелия происходит при Т> 1, 5 ∙ 108 K , плотностях ρ > 5∙ 104 г/см 3 е – ПРОЦЕСС Захват электронов ядрами с образованием «соседних ядер» , наиболее успешно он идёт в районе ядер типа Fe. S- ПРОЦЕСС медленного захвата нейтронов, когда плотность их потока мала; обычно ядра тут же подвергаютя β – распаду с повышением электрического заряда ядра, т. е. числа протонов на 1. Идет в центре выгоревших звезд вплоть до 20983 Вi. r- ПРОЦЕСС – быстрого последовательного захвата большого числа нейтронов, опережающего β – распад, происходит при высоких плотностях налетающих нейтронов при взрывах сверхновых. х-ПРОЦЕСС – «скалывания» с тяжелых ядер фрагментов, представляющих собой ядра легких элементов Li, Be, B…. . р- ПРОЦЕСС – захват протонов

Радиоактивность Естественная радиоактивность – самопроизвольный распад ядер некоторых природных изотопов химических элементов , открыта А. Беккерелем в 1896 г. ; Искусственная радиоактивность – распад ядер – продуктов ядерных реакций, инициированных человеком, открыта Ирен и Жолио Кюри в 1934 г. Радиоактивность известна как - распады. α- распад результат сильного взаимодействия. β – распад результат слабого взаимодействия, существует также с испусканием позитронов и как е – захват. Ύ – радиоактивность - результат э/м взаимодействия, перевод возбужденного состояния в стабильное Важнейшей характеристикой распада радиоактивных нуклидов является интенсивность превращения ядер; она устанавливается через закон радиоактивного распада который связывает число N 0 радиоактивных ядер в момент t=0 и число ядер N в момент t=t как , где λ - постоянная распада. Величину А = λN называют активностью образца и измеряют в кюри (Ки), 1 Ки = 3, 7 1010 распадов / c. Интенсивность радиоактивного распада характеризуют также продолжительностью жизни радионуклидов, которую, определяют через период полураспада Т½ - промежутком времени, за который число радиоактивных ядер уменьшается в среднем вдвое. Период полураспада может измеряться долями секунды – часами – днями – тысячелетиями. Дочерние ядра, образующиеся после распада, как правило, радиоактивны, причём время их распада может быть совершенно иным по сравнению с родительским ядром. Радиоактивность играла и играет существенную роль в процессах формирования и эволюции нашей планеты, эволюции жизни на ней. Высокоэнергетические ядерные излучения: , , , n, р, … - источники внутреннего тепла планеты, активные реагенты в тонких структурах живой материи. Наибольшую радиологическую опасность вблизи точки распада представляют изотопы с малым периодом полураспада и, следовательно, высокой интенсивностью процесса превращения ядер.

Э : Z = Z - 1 -1 ? ? ? ? L : 0 = 0 + 1 -1 B : A = A

γ -РАСПАД Почти все ядра имеют, кроме основного квантового состояния, дискретный набор возбуждённых состояний с большей энергией (исключением являются ядра 1 H, 2 H, 3 H и 3 He). Возбуждённые состояния могут заселяться при ядерных реакциях либо радиоактивном распаде других ядер. Большинство возбуждённых состояний имеют очень малые времена жизни (менее наносекунды). Однако существуют и достаточно долгоживущие состояния (с временем жизни - микросекунды, сутки, годы), которые называются изомерными. Изомерные состояния ядер, как правило, распадаются в основное состояние (иногда через несколько промежуточных состояний). При этом излучаются один или несколько гамма-квантов; возбуждение ядра может сниматься также посредством вылета конверсионных электронов из атомной оболочки. Изомерные состояния могут распадаться также и посредством обычных бета-

Деление ядер, I Стабильность ядер в природе обусловлена явным превосходством сильного взаимодействия ( притяжения) нуклонов над силами кулоновского отталкивания положительно заряженных протонов. Однако с ростом числа нуклонов появляются признаки нестабильности. Трансурановые элементы ( с Z > 92) уже нестабильны и наблюдаются в настоящее время лишь как короткоживущие «дети ускорителей частиц» . Кроме нестабильности, проявляющейся как радиоактивный распад с излучением , , . . . - частиц, тяжёлым ядрам иногда присущ распад на два крупных фрагмента. Впервые Э. Ферми в 1934 г. получил подобную ядерную реакцию, бомбардируя медленными нейтронами ядра изотопа урана. Медленные нейтроны были получены путём замедления их пучков на материалах богатых водородом (вода, парафин), а реакция происходила по схеме: , где - медленный нейтрон, - крайне нестабильный изотоп урана, X и Y – ядра –фрагменты, получаемые при делении урана. - активность, наблюдаемая Ферми, происходила от радиоактивных распадов ядер-фрагментов, «перегруженных нейтронами» , например, по схеме: Выделяющиеся нейтроны, вновь способны к реакции деления , и при наличии ядер 235 U возникает цепная β - распады реакция! За 75 лет с момента открытия управляемой реакции деления ядер человечество сделало два огромных шага в использовании ядерной энергии: 1)научилось управлять моментом запуска цепной реакции и преуспело в создании грозного оружия уничтожения: атомной бомбы ; 2)научилось дозировать нейтроны и строить атомные электростанции. β-распады

Деление ядер, II За 4, 5 млрд. лет Земля истратила практически все самопроизвольно делящие ядра. Уран-235 - единственный, но редко встречающийся в природе изотоп (0, 72%), который можно подвергнуть ядерному делению медленными нейтронами с высокой энергетической отдачей. Его приходится добывать, подвергая сложным процессам обогащения урановую руду и отделением от других изотопов. В настоящее время предпочитают иметь дело с искусственными изотопами. Популярен среди них изотоп плутония , который получают в реакторах – размножителях на быстрых нейтронах по схеме и Здесь подчёркнуты медленные (тепловые) нейтроны, не подчёркнуты быстрые. Медленные нейтроны, генерируемые при распаде используются для поддержания управляемой цепной реакции распада этого радионуклида, а быстрые для наработки изотопа из широко распространённого изотопа урана -238. Такой реактор является одновременно и генератором энергии, и поставщиком сырья для нужд атомной промышленности. Практически все участники процесса в реакторе такого типа радиоактивны, особенно неприятен плутоний с огромным временем самопроизвольного полураспада. Защита от радиоактивных продуктов, их утилизация, хранение, безопасность производства – серьёзные проблемы, которые до конца ещё не решены. Достаточно вспомнить катастрофу на Чернобыльской АЭС в 1986 г. Тем не менее, 1934 год положил начало соревнованию развитых стран за использование ядерной энергии для покрытия энергетических потребностей человечества и сегодня доля электроэнергоресурсов , добытых на атомных станциях с применением реакций ядерного деления составляет 17%, а в ряде стран (Швеция, Франция) более половины. В ядерных реакторах, главное – это строгий контроль за нейтронами, возникающими в каждом акте деления, т. е. предотвращение неуправляемого цепного деления. Для этого используются замедлители из вещества, атомы которых содержат лёгкие ядра, способные замедлять и поглощать нейтроны.

Термоядерный синтез, I Есть более эффективный и безопасный способ извлечения ядерной энергии, чем деление трансурановых ядер. Способ, который реализуется в ядрах звёзд, например, Солнца. Это слияние лёгких ядер, при котором возникает дефект массы и выделяется огромная энергия. Такие реакции называются ядерными реакциями слияния. Рисунок справа убеждает в том, что энергетический эффект на один нуклон для реакций слияния существенно выше, чем деления. Кроме того , радиологическая безопасность синтеза легких ядер также аргумент в пользу синтеза. Однако в земных условиях осуществить его не Это повышение просто, ибо необходимо преодолеть энергии связи электромагнитное отталкивание протонов, используется в препятствующих сближению ядер на расстояние устройствах на реакциях деления (≈ 10 -15 м ), где действует объединяющая сила слияния ядер сильного взаимодействия. Решение проблемы - так называемый термоядерный синтез, слияние ядер при высоких температурах (порядка наблюдаемых на звёздах (~107 – 108 К)) и , следовательно, большие значения кинетических энергий ядер. Это позволяет преодолеть силы кулоновского отталкивания. Чем меньше протонов в ядре, тем меньше силы отталкивания и тем меньше требуемая температура. Поэтому учёные обратили внимание. прежде всего, на синтез ядер водорода в ядра гелия, например, по схеме протон – протонного цикла, приведённой выше. Повторим запись, но в интегрированном виде: , где Q – энергетический эффект, составляющий 26, 2 Мэ. В. Эту энергию уносят с собой -кванты, нейтрино, позитроны и α – частица.

Термоядерный синтез, II Существуют и другие важные для практики ядерные реакции слияния лёгких ядер (изотопов водорода и гелия), все они характеризуются высоким энергетическим эффектом и протекают при высоких температурах исходного вещества. К настоящему времени инициирование и поддержание термоядерной реакции синтеза ядер с получением избыточной энергии в промышленно значимых количествах - исключительно техническая задача, но решить её не удаётся уже более, чем за сорок лет непрерывной работы. В настоящее время предпринимаются попытки удержать плазму и контролировать её поведение с помощью мощного магнитного поля специальной формы. Исследователи многих стран надеются, что при соответствующей напряжённости поля и его форме в такой «магнитной бутылке» удастся нагреть плазму до требуемой температуры и довести до высоких давлений, которые нужны ядерной реакции слияния. Фрагмент экспериментальной установки изображен в правом нижнем углу. Не добыв ещё «ложки мёда» , человечество уже обрело «бочку дёгтя» : на основе термоядерного синтеза разработано и «заготовлено» рядом стран новое чудовищное оружие массового уничтожения: водородная бомба. В такой бомбе, содержащей солидный запас требуемого вещества с лёгкими ядрами (дейтерий, тритий) с помощью «обычной» атомной бомбы (играющей роль «запала» ) инициируется высокотемпературная область термоядерной плазмы, в которой взрывоподобно происходит объединение лёгких ядер с выделением чудовищной энергии. Разрушительная мощь водородной бомбы на единицу веса по сравнению с атомной (основанной на реакции деления ядер) выше многократно.

2. ПРОСТРАНСТВО, ВРЕМЯ, СИММЕТРИЯ 2. 1 ПРИНЦИПЫ СИММЕТРИИ, ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ 2. 2 ИСТОКИ РЕЛЯТИВИЗМА И БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ 2. 3 СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ 2. 4 ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ 2. 1 Принципы симметрии, законы сохранения - Симметрии как игнорирование преобразований - Разновидности симметрий - Теорема Нётер и законы сохранения - Нарушенные симметрии

Симметрии как игнорирование преобразований Симметрия выражает сохранение чего-то при каких-то изменениях или сохранение чего-то несмотря на изменения (преобразования). Симметрия является одной из наиболее общих и фундаментальных закономерностей мироздания: неживой, живой природы и общества. Различают симметрии геометрические, связанные с преобразованиями в пространстве и времени и динамические, связанные с фундаментальными взаимодействиями. Среди геометрических преобразований в пространстве и времени, допускающих непрерывность изменений, выделим: 1) Перенос (сдвиг) системы как целого в пространстве. 2) Поворот системы как целого в пространстве. 3) Изменение начала отсчёта времени (сдвиг во времени). 4) Переход к системе отсчёта, движущейся относительно данной системы с постоянной (по направлению и величине) скоростью. Кроме указанных возможны дискретные геометрические преобразования, например, пространственная инверсия, соответствующая изменениям направлений осей координат на противоположные, обращение времени и др. Динамические преобразования, допускающие непрерывность изменений, получили название калибровочных преобразований. Среди дискретных динамических преобразований отметим : зарядовое сопряжение – замену всех частиц на античастицы, перестановку одинаковых частиц, произведение трёх преобразований: зарядового сопряжения , инверсии и обращения времени ( СРТ- теорема).

Разновидности симметрий В соответствии с типами преобразований классифицируют и симметрии: Геометрические симметрии: поворотная, переносная, зеркальная, подобия, перестановочная. Динамические симметрии: калибровочная, С-, СРТ- симметрии, суперсимметрия Cамая простая симметрия — однородность и изотропность (эквивалентность всех направлений) пространства. Она означает, что любой физический прибор — часы, телевизор, телефон — должен работать одинаково в разных точках пространства, если не изменяются окружающие физические условия. То же самое относится и к повороту прибора, если отвлечься от силы тяжести, которая выделяет на поверхности Земли вертикальное направление. Еще одна важная симметрия — однородность времени. Все физические процессы протекают одинаково, когда бы они ни начались. Электроны в атомах далеких звезд движутся в том же ритме, что и на Земле. Частота испускаемого ими света такая же, несмотря на то, что свет был испущен миллиарды лет тому назад. Примеры поворотной и зеркальной симметрии: буквы Ж, Н, Ф, О, Х. Калибровочная симметрия (инвариантность) – независимость вида уравнений калибровочных теорий при калибровочных преобразованиях. С-симметрия - инвариантность при зарядовом сопряжении (ЗС), СР- симметрия - инвариантность при ЗС и пространственной инверсии (ПИ), СРТ – симметрия при ЗС + ПИ + обращении времени, суперсимметрия при замене бозонов на фермионы. Симметричным называют объект, который можно как-то изменять, получая в результате объект, совпадающий с первоначальным.

Теорема Нётер и законы сохранения ТЕОРЕМА НЁТЕР(1918): Любой наблюдаемой в природе симметрии соответствует определенный закон сохранения и наоборот (упрощенная формулировка). Так для простейшей переносной симметрии: - однородность пространства (эквивалентность всех точек) – следствие закона сохранения импульса (количества движения); Эмми Нётер, - изотропность пространства (эквивалентность всех направлений) - немецкий следствие закона сохранения момента импульса; математик, (1882 - однородность времени следствие закона сохранения энергии. -1935) Таким образом, из физического представления об однородности и изотропности пространствавремени следует, что для всякой замкнутой системы должны существовать семь фундаментальных сохраняющихся величин: энергия, компоненты импульса (три величины) и моментов импульса (три величины). Динамические симметрии также соответствуют законам природы. Калибровочная инвариантность для электромагнитного поля обуславливает закон сохранения электрического заряда. Калибровочная инвариантность для сильного взаимодействия закон сохранения барионного заряда. Как известно определенным симметриям соответствует сохранение лептонных зарядов : электронного, мюонного, таонного. Соответствие симметрий законам сохранения определяет и тактику действия ученого: обнаружив симметрию – он ищет закон и наоборот

Нарушенные симметрии Симметрия – удивительно мощное средство познания, некий универсальный ключ, позволяющий отпирать едва ли не все тайные двери природы, более того, описывать единство и гармонию мира; Обнаружив новые типы симметрии, ученые ищут и соответствующие им законы природы. Зачастую бывает и наоборот. На заре рождения Вселенной мир был максимально симметричен. Его рождение сопровождалось многократными нарушениями симметрии. Вакуумоподобное состояние претерпело в первую секунду кардинальные нарушения симметрии, в результате которых Вселенная приобрела фермионы и бозоны, вещество и антивещество, появилось 4 взаимодействия вместо единого глобального, количество материи значительно превзошло количество антиматерии и т. д. С нарушением исходной симметрии мир раскрылся для дальнейшей эволюции. Постепенно (сначала биологи, а затем и химики, и физики) осознали, что изучение нарушений симметрии, т. е. ассиметрий, не менее плодотворно для познания природы. Асимметрии физических законов, неравновесная термодинамика, теории самоорганизации, новые концепции асимметричного пространства-времени – те точки опоры, на которых может быть построена новая физика организованных систем. Феномен жизни естественно вписывается в эту картину. Жизнь – это тоже нарушение симметрии". Анализируя «живые» молекулы (нуклеиновые кислоты, белки), мы отмечаем их спиралевидную форму и полную ассиметрию в направлениях вращения спирали для каждого типа молекул. Главная научная парадигма современного этапа развития науки формулируется как глобальный эволюционизм, как непрерывная цепь нарушений симметрии.

2. 2 Истоки релятивизма и близкодействия - Классические представления о пространстве и времени - Системы отсчёта - Принцип относительности Галилея - Концепция мирового эфира - Опыт Майкельсона – Морли

Классические представления о пространстве и времени Такие представления мы связываем с именами Г. Галилео и И. Ньютона. Эти представления разделяются большинством людей из числа тех, кто не погружен в достижения науки ХХ века. Пространство и время – инвариантные сущности: пространство выражает порядок расположения одновременно существующих объектов, время показывает последовательность событий и сменяющих друга состояний материи. В 1687 г. великий И. Ньютон писал: « САМО АБСОЛЮТНОЕ ПРОСТРАНСТВО остается в силу своей природы и безотносительно к какому-либо предмету НЕИЗМЕННЫМ И НЕПОДВИЖНЫМ» АБСОЛЮТНОЕ, ИСТИННОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ВРЕМЯ ТЕЧЕТ само по себе и в силу своей природы С ПОСТОЯННОЙ СКОРОСТЬЮ, НЕ ПОДВЕРГАЯСЬ ВНЕШНИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ « Кажется, ничего По классическим (и обыденным) представлениям: нет яснее и ПРОСТРАНСТВО: - абсолютно, однородно, обыкновеннее изотропно, трехмерно, безгранично, непрерывно, времени, а между без центра; тем, в сущности, нет ВРЕМЯ: абсолютно, однородно , необратимо, ничего непонятнее одномерно, бесконечно, непрерывно. и сокровеннее и Пространство – сцена, актеры – различные виды более вызывающего материи и силы, разыгрывающие во времени на размышления» спектакль «Эволюция Вселенной» и пьесы: А. Блаженный, V век «Движение» , «Жизнь» , ……….

Системы отсчета Для описания движения используются системы отсчета Система отчета - это совокупность тела отсчета, определенной системы координат и хронометра. Тело отсчета – условно неподвижное тело (или точка), относительно которого фиксируется движение другого тела (точки). В разных системах отсчета движение тел представляется по разному, на практике обычно выбирают такую систему отсчета, в которой движение математически представляется наиболее просто. Системы отсчета делят на: инерциальные и неинерциальные Инерциальные системы отсчета (ИСО) Неинерциальные системы отсчёта 1. Тело отсчета – свободно, т. е. на него не действуют никакие силы. 2. Другие свободные тела в ИСО движутся прямолинейно и равномерно или покоятся (закон инерции, он же 1 -ый закон Ньютона) 3. Справедливы все законы механики Ньютона. 4. Всякая СО, движущаяся по отношению к ИСО поступательно, равномерно и прямолинейно, есть также ИСО 5. Все ИСО равноправны! Но: в каждой ИСО свои значения характеристик движения. 1. Система находится в поле действия внешних сил, например гравитации. 2. Тела в таких системах перемещаются с ускорением 3. Законы механики Ньютона «не работают» 4. Все реальные системы во Вселенной – неинерциальные, но многие в определенном приближении можно идеализировать до ИСО

Принцип относительности Галилея— фундаментальный физический принцип, согласно которому законы механики в инерциональных системах отсчёта неизменны. Для двух ИСО, одна из которых неподвижна, а другая перемещается с постоянной скоростью вдоль одной из ее координат, Галилей выполнил преобразования, позволяющие представить равномерное поступательное движение тела вдоль оси х в одной ИСО (К), если известно перемещение его в другой (К’). y’ y ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГАЛИЛЕЯ v х’ = х – V’ . 0 z K z’ ‘ y’=y х’ 0 х K’ Пример на сложение скоростей: брошенное копьё скачущего всадника. vt z’=z t’=t Отсюда следует: правило сложения скоростей V= V’ + v

Концепция мирового эфира Концепцию мирового эфира — гипотетической среды, заполняющей все мировое пространство, — признавали практически все физики XIX века. Этому в особенности способствовала победа, одержанная в середине XIX века волновой теорией света над корпускулярной. Для распространения волн необходима была среда, на роль которой прекрасной подходил мировой светоносный эфир, гипотеза о котором была выдвинута еще Рене Декартом в 1618 году. Моделей и концепций эфира существовало множество, но принципиально важным для механики был вопрос об «увлечении эфира» материальными телами, в частности, Землей). Прямые эксперименты конца XIX века доказали отсутствие этого свойства (см. следующий слайд) и «увлечение» науки эфиром пошло на спад, хотя и до сих пор значительна армия «эфироманов» . Большинство, считают, что современная физика не нуждается в гипотезе эфира. Надобность же в эфире как среде, дающей абсолютную систему отсчета, отпала, поскольку получалось, что все системы отсчета относительны. На месте эфира разместился «Физический Вакуум» , казалось бы почему его и не считать эфиром. Но он не увлекается материальными телами и чтобы откреститься от эфира в этом – главном, мы полагаем, его не называют эфиром. Высказывание об эфире : «Насколько мы знаем, он представляет совершенно однородное несжимаемое непрерывное тело, которое невозможно разложить на более простые элементы или атомы; действительно, он непрерывен, а не молекулярен» . Оливер Лодж. «Можно сказать, что эфир подобен газу вроде гелия или аргона, неспособного вступать в химические. соединения. Называя эфир газом, мы понимаем флюид в широком смысле, как эластичный флюид, не имеющий сцепления между своими частицами» . Д. И. Менделеев

Опыт Майкельсона - Морли Знаменитый опыт Майкельсона—Морли (1887 г. ), в результате которого была измерена скорость света и доказана её постоянство, был направлен на то, чтобы подтвердить существование мирового эфира посредством выявления «эфирного ветра» . Двигаясь по орбите вокруг Солнца, Земля совершает движение относительно гипотетического эфира полгода в одном направлении, а следующие полгода в другом. Следовательно, полгода «эфирный ветер» должен обдувать Землю и, как следствие, смещать показания интерферометра в одну сторону, полгода — в другую. Наблюдая в течение года , Майкельсон и Морли не обнаружили никаких смещений в интерференционной картине: полный эфирный штиль! (Современные высокоточные эксперименты подобного рода с лазерными интерферометрами, дали аналогичные результаты. ) Итак: эфирного ветра, а, стало быть, и эфира не существует! Майкельсон и Морли использовали интерферометр — оптический измерительный прибор, в котором луч света расщепляется полупрозрачным зеркалом на два когерентных луча, которые расходятся под прямым углом друг к другу, после чего отражаются от двух равноудаленных зеркал-отражателей и возвращаются на полупрозрачное зеркало, результирующий пучок света от которого позволяет наблюдать интерференционную картину и выявлять малейшую десинхронизацию двух лучей (запаздывание одного луча относительно другого).

2. 3 Специальная теория относительности - Кризис классической механики - Мысленный эксперимент - Постулаты СТО - Преобразования Лоренца - Следствия преобразований Лоренца - Характеристики свободных частиц - Комментарии к СТО - Мир (пространство- время ) Минковского - Заключительные комментарии к СТО

Кризис классической механики К началу ХХ века, когда под натиском результатов экспериментов Майкельсона и других, обнаруживших постоянство скорости света, обрушилась гипотеза мирового эфира, стало ясно, что нет подхода объединяющего механику Ньютона и электродинамику Фарадея - Максвелла. Каждая из теорий дает эффективные для практики результаты в своей сфере применения, но вместе они противоречивы. Наиболее наглядно это иллюстрируется при сложении скоростей механика . электродинамика Автомобиль на скорости 140 км/час освещает шоссе. Согласно правилу Галилея для сложения скоростей свет будет распространяться быстрее, чем свет от неподвижного авто на 140 км/час. Но так ли это? Уравнения Максвелла убеждают нас: скорость света в обеих случаях одинакова! Возможно ли перемещение материальных объектов со скоростью выше, чем скорость света в вакууме? Единая картина мира разрушается, по крайней мере, на две системы с совершенно неясной границей между ними. Все механические системы содержат электрические заряды, из которых состоит вещество. Эти заряженные частицы – объекты и механики и электродинамики. Теорией объединившей эти системы стала специальная (или частная) теория относительности!

Мысленный эксперимент (введение в проблему одновременности событий) Ночью мимо станционного смотрителя на огромной скорости пронесся электропоезд с выключенным освещением. Как только смотритель, фонарь и пассажир сидящий у окна в центре вагона оказались в одной плоскости, лампочка фонаря на перроне зажглась и свет устремился по вагону в обе стороны от пассажира. На схеме справа динамика перемещения вагона. Время по вертикальной оси, путь – по горизонтальной СО – место расположения смотрителя и точка испускания света; АО – ВО – длина вагона; АО - А 4 и ВО - В 4 – траектории задней и передней стенок вагона; СО – ПЧ траектория перемещения пассажира; горизонтальные линии - моменты времени. Условие одинаковой скорости света в обе стороны вагона: С точки зрения смотрителя: свет достиг задней стенки вагона раньше (т. А 2, момент t 2 ), чем передней (т. В 4, момент t 4). Это случилось потому, что задняя стенка «надвигалась» на луч света, а передняя «убегала» . С точки зрения пассажира: расстояние от него до стенок всегда оставалось одинаковым и свет достиг их одновременно (см. т. П 3, А 2 – П 3 = П 3 – В 4). Кто прав из них? СТО утверждает: ОБА! В разных системах отсчета одно и тоже событие происходит не одновременно!!

Постулаты СТО У истоков СТО в начале ХХ века стояли: Г. Лоренц, А. Пуанкаре, А. Эйнштейн, который осознал, что признание постоянства скорости света во всех инерциальных системах отсчета – это ниспровержение всей ньютоновской физики и кардинальный пересмотр классических взглядов на пространство и время!! CТО (на физическом уровне строгости) полностью выводится из двух постулатов: I. Частного принципа относительности: В ИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ОТСЧЕТА ВСЕ ЗАКОНЫ НЕИЗМЕННЫ. II. Принципа постоянства скорости света: CКОРОСТЬ СВЕТА НЕ ЗАВИСИТ ОТ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ВО ВСЕХ ИНЕРЦИАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ ОТСЧЕТА Альберт Эйнштейн, немецкий физик 18791955 СТО справедлива как и ньютоновская механика только для ИСО Переводы оригинальных формулировок постулатов А. Эйнштейна 1905 г. : I. Законы, по которым изменяются состояния физических систем, не зависят от того, к которой из двух координатных систем, движущихся относительно друга равномерно и прямолинейно, эти изменения состояния относятся". II. "Свет в пустоте всегда распространяется с определенной скоростью С o , не зависящей от состояния движения излучающего тела"

Преобразования Лоренца в СТО: - заменяют преобразования Галилея для классической механики; - связывают координаты и времена одних и тех же событий, наблюдаемых из различных ИСО; - объясняют относительность одновременности событий в различных ИСО. Если два разнесённых в пространстве события (например, вспышки света № 1 и№ 2) происходят одновременно в движущейся системе отсчёта , то они будут не одновременны относительно «неподвижной» системы. При Δt' = 0 из преобразований Лоренца следует Если Δx = x 2 − x 1 > 0, то и Δt = t 2 − t 1 > 0. Это означает, что, с точки зрения неподвижного наблюдателя, левое событие происходит раньше правого (t 2 > t 1). Относительность одновременности приводит к невозможности синхронизации часов в различных инерциальных системах отсчёта во всём пространстве. № 1 № 2 y’=y; z’=z; Замедление времени не обходится без сокращения пространства и наоборот – значит, ОНИ ВЗАИМОСВЯЗАНЫ!

Следствия преобразований Лоренца Характеристики Координаты Момент времени, длительность Скорость Масса (инвариант)! Длина стержня Импульс Энергия Инварианты ИСО № 1 ИСО № 2, перемещающаяся относительно ИСО № 1 со скоростью вдоль оси 0 х

Характеристики свободных тел (частиц) Классическая механика Правило сложения скоростей СТО Импульс, Энергия покоя, v = 0, p = 0 Масса Кинетиче ская энергия По лная энергия

Комментарии к СТО по своей сути – релятивистская механика — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при скоростях движения, близких к скорости света. В рамках СТО классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. СТО получила многочисленные подтверждения на опыте и является безусловно верной теорией в области своей применимости. Преобразования Лоренца, лежащие в основе СТО, базируются на тех же постулатах, что и классическая механика. Однако последней дополнительно необходима аксиома абсолютности времени t' = t, что приводит к значению константы c, равному бесконечности, и, следовательно, к преобразованиям Галилея. Таким образом, СТО фактически строится на базе подмножества аксиом классической механики. Следствиями преобразований Лоренца явились революционные новации: относительность одновременности, сложение скоростей, замедление времени, сокращение линейных размеров, новые представления энергии и импульса, эффекта Доплера, уравнения движения. Глубоким проникновением в мир природы следует признать введение энергии покоя Е 0=mc 2 и осознание массы как формы существования энергии, неаддитивности массы в системах, состоящих более, чем из одного элемента. Вместе с тем на волне достижений СТО более ста лет в обиходе формула пропорциональности полной энергии тела и его «релятивистской массы» Е=mc 2 , а также зависимость «массы» от скорости тела. Эти артефакты истории стали элементами массовой культуры, источниками спекуляций и фантазий. Масса тела - инвариант всех ИСО, не зависит от скорости тела. Она константа в инвариантном соотношении Е 2 – p 2 = m 2 в системе единиц, в которой с =1. У частицы(тела) – есть масса! «Масса покоя и релятивистская масса» - устаревшие термины.

Мир (пространство - время) Минковского, I Возможны другие подходы к построению СТО. Следуя Минковскому и более ранней работе Пуанкаре, можно постулировать существование единого метрического четырёхмерного пространства-времени с 4 -координатами (ct, x , y, z). В простейшем случае плоского пространства правило для определения расстояния s между двумя его точками – метрика может быть: евклидовой или псевдоэвклидовой. Эвклидово пространство: 1) метрика: + + 2) s 2 = c 2 t 2 + x 2 + y 2+ z 2 Псевдоэвклидово пространство: 1) Метрика : + - - - 2) s 2 = c 2 t 2 - x 2 - y 2 - z 2 В 1907 -08 г. г. Г. Минковским введено 4 -х -мерное псевдоэвклидово пространство как соответствующее специальной теории относительности, он утверждал, что «…пространство само по себе и время само по себе обречены исчезнуть, превратившись в бесплотные тени, и только объединение пространства и времени сохранится как независимая ct реальность» . Преобразования Лоренца являются поворотами в таком пространстве, они оставляют неизменным расстояния между двумя точками. Минковский изобразил четырехмерное пространство - время на 2 3 листе бумаге в виде двух конусов, соприкасающихся остриями (с потерей 0 одной координаты, например Z). Точка в пространстве Минковского х (t, x, y, z) – событие, произшедшее в момент времени t с другими y 1 координатами - x, у, z – есть мировая точка. Линия, соединяющая две мировые точки, есть мировая линия, она принадлежит одному объекту, расстояние между двумя точками – интервал S

Мир (пространство - время) Минковского, II Пространственно-временной интервал между двумя событиями инвариантен ко всем ИСО: SАВ = S’АВ, SАВ=[c 2(t. В-t. А)2–(x. В-x. А)2 –(y. В ct -y. А)2 –(z. В–z. А)2]0, 5 Классификация интервалов: 3 - временеподобные: S 2>0, если находится такая ИСО, где события происходят 2 0 y 1 х в одной точке, т. е. с одним объектом и связаны причино-следственной связью; они идут строго друг за другом во времени (точки таких событий лежат в конусах) - пространственно - подобные: S 2<0, если находится такая ИСО, где эти события одновременны, это всегда разные объекты, порядок возникновения в разных ИСО может быть разный; изотропные: S=0, события связаны лучом света, другим сигналом (гравитационным, электромагнитным, … , распространяющимся со скоростью света). Интервал между событиями, разделенными лучом света равен 0!, хотя ни пространственные, ни временные координаты событий не совпадают! Точки в нижнем конусе – прошлое (абсолютно прошлое) - (точка 1), в верхнем- будущее (абсолютно будущее) - (точка 2), точка соприкосновения (0) конусов- настоящее ( «Есть только миг между прошлым и будущем и это миг называется…настоящее» ). Линии, проходящие по образующим конусов - лучи света. Для них S=0. Попасть в область пространства Минковского вне конусов материальному объекту невозможно, ибо надо двигаться со скоростью выше скорости . света! Но в этой области (точка 3) лежат пространственно - подобные интервалы между событиями, происходящими у разных объектов.

Заключительные коментарии к СТО. 1) Несмотря на то, что многие предсказания СТО на уровне интуиции кажутся невероятными, СТО – верна на строго математическом уровне и верна при любых скоростях перемещения тела в ИСО! 2) В большинстве случаев практики поправки в расчеты кинематики и динамики движения тел потребны при v ≥ (0, 1 -0, 2)c, что соответствует 30000 -60000 км/с! Это сферы микромира, мира элементарных частиц, ускорителей, космических исследований, полетов в космос. 3) Следует подчеркнуть обратимость эффектов СТО. Например, эффект замедления времени в движущейся системе отсчёта 2 относительно неподвижной системы 1 отсчёта справедлив и для наблюдателя в движущейся системе – для него собственная система отсчёта 2 неподвижна, и с его точки зрения замедляться время будет в системе отсчёта 1, движущейся в противоположную сторону. 4) СТО предложила человечеству расстаться с набором устоявшихся ценностей - представлений о пространстве и времени. СТО провозгласила относительность пространства и времени, их свойства отныне зависят от скорости перемещения ИСО. Пространство и время теперь объединены в единую сущность «пространство-время» . Масса – форма- существования энергии и эта часть энергии называемая энергией покоя. 5) С момента опубликования и до сих пор СТО подвергается всесторонней критике со стороны и дилетантов, и профессиональных ученых. Пожалуй, с ней в этом аспекте может сравниться лишь теория эволюции Дарвина. Но как одна, так и другая теории непоколебимо выдерживают критику и вносят громадный вклад в формирование научного мировозрения человечества.

2. 4 Общая теория относительности - Необходимость разработки релятивистской теории гравитации - Постулаты ОТО - Эквивалентность инертной и тяготеющей масс - Мысленный эксперимент с лифтом - Движение по геодезическим линиям - О кривизне пространства - Экспериментальная проверка ОТО - Комментарии к ОТО

Необходимость разработки релятивисткой теории гравитации Теория гравитации Ньютона, основанная на понятии силы тяготения, действующей мгновенно на любом расстоянии (концепция дальнодействия), несовместима с полевой парадигмой современной физики, и, в частности со СТО, согласно которой никакая информация не может распространяться быстрее скорости света в вакууме. В свою очередь, релятивистская теория СТО, разработанная для инерциальных систем отсчета, принципиально неприменима к решению задач тяготения, т. к. с появлением последнего мы попадаем в неинерциальную систему отсчета. Необходима теория, отвечающая принципу инвариантности законов природы в любых СО, основанная безусловно на близкодействии. Эйнштейн начал поиск теории гравитации, которая была бы совместима с принципом инвариантности законов природы относительно любой системы отсчёта. Результатом этого поиска явилась общая теория относительности, основанная на принципе тождественности гравитационной и инертной массы. Предельным (частным) случаем общей теории относительности является специальная теория относительности.

Постулаты общей теории относительности (ОТО) Общая теория относительности — геометрическая теория тяготения, развивающая специальную теорию относительности (СТО), опубликована А. Эйнштейном в 1915 г. В рамках ОТО, постулируется, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве - времени, а деформацией самого пространства - времени, которая связана, с присутствием массы-энергии. ОТО базируется на уравнениях Эйнштейна, устанавливающих связь кривизны пространствавремени с присутствующей в нём материей. При разработке ОТО Эйнштейн применил, как и для СТО, аксиоматический метод, для чего выдвинул три постулата: 1. ОБЩИЙ ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ (ВСЕ* ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ В ЛЮБЫХ** СИСТЕМАХ ОТСЧЕТА ОДИНАКОВЫ) 2. ПРИНЦИП ЭКВИВАЛЕНТНОСТИ***: СИЛУ ТЯЖЕСТИ МОЖНО СОЗДАТЬ ИЛИ УНИЧТОЖИТЬ ПЕРЕХОДОМ В СИСТЕМУ ОТСЧЁТА, ДВИГАЮЩУЮСЯ С УСКОРЕНИЕМ 3. ПРИ ОТСУТСТВИИ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ СПРАВЕДЛИВА СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ * Все : это законы механики и законы электродинамики; ** Любых: как инерциальных, так и неинерциальных; *** Эквивалентности: инертной и тяготеющей масс.

Эквивалентность инертной и тяготеющей масс Понятие об инертной массе иллюстрирует второй закон механики Ньютона F = mиa; о тяготеющей – его закон всемирного тяготения F = Gmг mз /r 2. Принцип равенства этих масс был выдвинут ещё И. Ньютоном a = g = G mз / r 2, равенство mи = mг было проверено им с точностью 0, 999. Этвеш тонкими экспериментами в конце XIX в довел точность до 0, 99999. В течение XX века равенство доказано с точностью 12 -13 девяток. Для ОТО эквивалентность инертной и тяготеющей масс принципиально важна Эйнштейн писал: « Инертная и тяжелая массы равны другу, mи = mг. Сила инерции- настоящая природная сила, эквивалентная силе тяжести» . Если гравитационная масса точно равна инерционной, то в выражении для ускорения тела, на которое действуют лишь гравитационные силы, обе массы сокращаются. Поэтому ускорение тела, а следовательно, и его траектория не зависит от массы и внутреннего строения тела. Если же все тела в одной и той же точке пространства получают одинаковое ускорение, то это ускорение можно связать не со свойствами тел, а со свойствами самого пространства в этой точке. Это принципиальный для ОТО вывод. Теперь можно забыть о «субъекте» , единственной причиной гравитационного воздействия на тело как показал Эйнштейн является кривизна пространства.

Пример на инертную и тяготеющую массу 1 2 3 Два космонавта в свободном полете (1) «» наслаждались» невесомостью, играя с яблоком. Прикрепив себя к полу, они уснули и… проснулись от резкого толчка. Отстегнув ремни, обнаружили что невесомость исчезла, яблоко лежит рядом на полу. Окон в ракете не было и они стали выдвигать версии происшедшего. Один предположил, что какой-то космический корабль захватил их, набирает скорость и они по инерции прижаты к полу (№ 2). Другой космонавт предположил, что они на автомате сели на какое-то небесное тело и испытывают тяготение (№ 3). Они вскочили на на ноги, тут что-то прогрохотало и …. они вновь погрузились в невесомость(№ 4), то ли корабль, захвативший их отцепился, либо…. . . Удар о дно пропасти вновь бросил их на пол (№ 5). Прав оказался космонавт с версией тяготения, возникшего в связи с посадкой на небесное тело. 4 5 Несмотря на кажущуюся очевидность mи = mг Эйнштейн принял равенство как аксиому. Почему?

Мысленный эксперимент с лифтом АВДС – лифт до падения. В момент t=0, обрывается трос, спыхивает лампа и через отверстие во внутрь лифта врывается «кусочек» луча света, лифт падает! А/В/D/C/ - положение лифта в один из моментов падения Пассажир S 2 видит, что луч света летит по прямой от точки Р к точке Q, которая к моменту прилета луча сместилась в точку Q. Но этого он не видит. Это видит наблюдатель S 1 на поверхности земли через прозрачную переднюю стенку лифтаю Он видит что свет летит по параболе! Внизу на фрагменте рисунка в системе S 1 разные фотоны прошли разный по длине путь МNQ/> М/N/Q/ А. Эйнштейн делает два вывода: - наличие массы-энергии искривляет пространствовремя; - скорость света зависит от степени кривизны пространства – времени.

Движение по геодезическим линиям При mи = mг =m, а ≠ f (m), a = f (свойств пространства в точке), следовательно, описание гравитации можно свести к описанию пространства-времени, в котором движутся тела, к отысканию геодезических линий по которым они движутся. Девиация геодезических линий в пространстве- времени называется его кривизной. Основным отличием П-В ОТО от П-В СТО является его искривление, кривизна, которая выражается тензорной величиной- тензором величины. СТО Интервал задаётся 4 -мя величинами (по Минковскому) ОТО Интервал задаётся 10 -ю величинами (метрический тензор Эйнштейн разработал систему тензорных уравнений, позволяющих рассчитать характеристики пространства –времени при любом произвольно заданном распределении параметров массы-энергии. Эта система уравнений , в конечном счете главный итог релятивистской теории тяготения. Природа тяготения по ОТО – искривление пространствавремени.

О кривизне пространства Черные дыры - крайне уплотненные объекты, которые в силу своего притяжения не выпускают даже свет; их физическая сущность была осмыслена в рамках ОТО «Двухмерный аналог» пространства - времени у черной дыры Современные представления о пространстве - времени в микромире Массивное тело, такое как Солнце, заставляет пространство искривляться подобно резиновой плёнке Земля остаётся на орбите вокруг Солнца, потому что катится по орбите искривленной Солнцем структуры пространства.

Экспериментальная проверка ОТО Т. к. ОТО работает с самым слабым по силе взаимодействием (гравитационным), то эксперименты для ее подтверждения при существующем уровне экспериментальной техники в лабораторных условиях практически невозможны. Практически все имеющиеся на данный момент экспериментальные подтверждения теории пришли из астрофизики. 1) Отклонение луча света в поле Солнца. Луч света от звезды проходя мимо Солнца отклоняется к нему. Во время затмения Солнца этот угол экспериментально измеряется ( впервые в 1919 г. ) Данные 1984 г. : α=1, 75// ошибка -0, 3% 2) Изменение частоты электромагнитного сигнала в поле тяготения. Погрешность-0, 02%. 3) Запаздывание сигнала в поле Солнца Фиксация возврата сигнала от Венеры, посланного мимо Солнца и вдали от него. Разница во времени – 2∙ 10 -4 с зафиксирована с отклонением от теории на 0, 1%. 4) Смещение перигелия. Движение планет по эллиптическим орбитам приводит к непрерывному сокращению минимального расстояния между звездой и планетой. За 100 лет смещение перигелия Меркурия составило 43, 11// , а по ОТО это смещение равно 43\ , потрясающая точность. 5) Гравитационное линзирование. Регистрация темных объектов (например, коричневых карликов ) по отклонению лучей ярких объектов. 6) Гравитационное излучение. Подтверждение увеличения частоты вращения двойных звёзд из-за гравитационного излучения системы. ОТО – поразительная по красоте и глубине теория многократно и однозначно успешно верифицирована! ОТО используется во многих практически важных приложениях, включая навигацию космических аппаратов, геодезию, обеспечение нужд точного времени и др.

Комментарии к ОТО Общая теория относительности – одна из высочайших вершин в науке, теоретически безупречная, подтвержденная экспериментах релятивистская теория тяготения. . ОТО в качестве частного случая вобрала в себя СТО, а, следовательно, и классическую механику. ОТО справедлива для любых систем отсчета при любых допустимых природой скоростях перемещения частиц (тел). ОТО в триаде пространство-время- материя установила определяющую роль последней и положила начало геометрическому толкованию фундаментальных взаимодействий в природе. ОТО установила, что: . 1) СКОРОСТЬ СВЕТА В ОБЛАСТЯХ, БЛИЗКИХ К ИСТОЧНИКУ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ , МЕНЬШЕ СКОРОСТИ СВЕТА В ОБЛАСТЯХ, УДАЛЁННЫХ ОТ ИСТОЧНИКА ТЯЖЕСТИ. ЧЕМ СИЛЬНЕЕ ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ НА ПУТИ СВЕТА, ТЕМ МЕДЛЕННЕЕ РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ СВЕТ. 2) СИЛА ТЯЖЕСТИ ЭКВИВАЛЕНТНА ИСКРИВЛЕНИЮ ПРОСТРАНСТВА 3) ИЗМЕНЯЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МАСС (ЭНЕРГИИ) , ЧЕЛОВЕК ИЗМЕНЯЕТ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОСТРАНСТВА-ВРЕМЕНИ! К настоящему моменту современное естествознание располагает двумя внутренне непротиворечивыми подходами к описанию механики тел : ОТО и квантовой механикой. К сожалению, нет подхода позволяющего свести одну теорию к другой и эта их полная несводимость – одна из глобальных проблем современной физики.