Что изучает квантовая физика?
Несмотря на звучность и загадочность сегодняшней темы, мы постараемся рассказать, что изучает квантовая физика, простыми словами, какие разделы квантовой физики имеют место быть и зачем нужна квантовая физика в принципе.
Предлагаемый ниже материал доступен для понимания любому школьнику.
Прежде чем разглагольствовать о том, что изучает квантовая физика, будет уместно вспомнить, с чего же все начиналось...
К середине XIX века человечество вплотную занялось изучением проблем, решить которые посредством привлечения аппарата классической физики было невозможно.
Ряд явлений казались «странными». Отдельные вопросы вообще не находили ответа.
В 1850-е годы Уильям Гамильтон, полагая, что классическая механика не способна точно описать движение световых лучей, предлагает собственную теорию, вошедшую в историю науки под названием формализм Гамильтона-Якоби, в основе которой лежал постулат о волновой теории света.
В 1885 г., поспорив с приятелем, швейцарский математик и физик Иоганн Бальмер вывел эмпирически формулу, которая позволяла рассчитать длины волн спектральных линий водорода с очень высокой точностью.
Объяснить причины выявленных закономерностей Бальмер тогда так и не смог.
В 1895 г. Вильгельм Рентген при исследовании катодных лучей открыл излучение, названное им X-лучами (впоследствии переименованными в рентгеновские лучи), характеризовавшееся мощным проникающим характером.
Еще через год – в 1896 году – Анри Беккерель, изучая соли урана, открыл самопроизвольное излучение с аналогичными свойствами. Новое явление было названо радиоактивностью.
В 1899 году была доказана волновая природа рентгеновских лучей.
Фото 1. Родоначальники квантовой физики Макс Планк, Эрвин Шредингер, Нильс Бор
1901-ый год ознаменовался появлением первой планетарной модели атома, предложенной Жаном Перреном. Увы, ученый сам же отказался от этой теории, не найдя ей подтверждения с позиций теории электродинамики.
Спустя два года ученый из Японии Хантаро Нагаока предложил очередную планетарную модель атома, в центре которого должна была находиться положительно заряженная частица, вокруг которой по орбитам вращались бы электроны.
Эта теория, однако, не учитывала излучение, испускаемое электронами, а потому не могла, например, объяснить теорию спектральных линий.
Размышляя над строением атома, в 1904 году Джозеф Томсон впервые интерпретировал понятие валентности с физической точки зрения.
Годом рождения квантовой физики, пожалуй, можно признать 1900-ый, связывая с ним выступление Макса Планка на заседании Немецкого физического общества.
Именно Планк предложил теорию, объединившую множество доселе разрозненных физических понятий, формул и теорий, включая постоянную Больцмана, увязывающую энергию и температуру, число Авогадро, закон смещения Вина, заряд электрона, закон излучения Стефана-Больцмана...
Им же введено в обиход понятие кванта действия (вторая – после постоянной Больцмана – фундаментальная постоянная).
Дальнейшее развитие квантовой физики напрямую связано с именами Хендрика Лоренца, Альберта Эйнштейна, Эрнста Резерфорда, Арнольда Зоммерфельда, Макса Борна, Нильса Бора, Эрвина Шредингера, Луи де Бройля, Вернера Гейзенберга, Вольфганга Паули, Поля Дирака, Энрико Ферми и многих других замечательных ученых, творивших в первой половине XX века.
Ученым удалось с небывалой глубиной познать природу элементарных частиц, изучить взаимодействия частиц и полей, выявить кварковую природу материи, вывести волновую функцию, объяснить фундаментальные понятия дискретности (квантования) и корпускулярно-волнового дуализма.
Квантовая теория как никакая другая приблизила человечество к пониманию фундаментальных законов мироздания, заменила привычные понятия более точными, заставила переосмыслить огромное число физических моделей.
Что изучает квантовая физика?
Квантовая физика описывает свойства материи на уровне микроявлений, исследуя законы движения микрообъектов (квантовых объектов).
Предмет изучения квантовой физики составляют квантовые объекты, обладающие размерами 10−8 см и меньше. Это:
- молекулы,
- атомы,
- атомные ядра,
- элементарные частицы.
Главные характеристики микрообъектов - масса покоя и электрический заряд. Масса одного электрона (me) равна 9,1 · 10−28 г.
Для сравнения – масса мюона равна 207 me, нейтрона – 1839 me, протона 1836 me.
Некоторые частицы вообще не имеют массы покоя (нейтрино, фотон). Их масса составляет 0 me.
Электрический заряд любого микрообъекта кратен величине заряда электрона, равного 1,6 · 10−19 Кл. Наряду с заряженными существуют нейтральные микрообъекты, заряд которых равен нулю.
Фото 2. Квантовая физика заставила пересмотреть традиционные взгляды на понятия волны, поля и частицы
Электрический заряд сложного микрообъекта равен алгебраической сумме зарядов составляющих его частиц.
К числу свойств микрообъектов относится спин (в дословном переводе с английского - «вращаться»).
Его принято интерпретировать как не зависящий от внешних условий момент импульса квантового объекта.
Спину сложно подобрать адекватный образ в реальном мире. Его нельзя представлять вращающимся волчком из-за его квантовой природы. Классическая физика описать этот объект не способна.
Присутствие спина влияет на поведение микрообъектов.
Наличие спина вносит существенные особенности в поведение объектов микромира, большая часть которых – нестабильных объектов - самопроизвольно распадается, превращаясь в другие квантовые объекты.
Стабильные микрообъекты, к которым относят нейтрино, электроны, фотоны, протоны, а также атомы и молекулы, способны распадаться лишь под воздействием мощной энергии.
Квантовая физика полностью вбирает в себя классическую физику, рассматривая ее своим предельным случаем.
Фактически квантовая физика и является – в широком смысле – современной физикой.
То, что описывает квантовая физика в микромире, воспринять чувствами невозможно. Из-за этого многие положения квантовой физики трудно представимы, в отличие от объектов, описываемых классической физикой.
Несмотря на это новые теории позволили изменить наши представления о волнах и частицах, о динамическом и вероятностном описании, о непрерывном и дискретном.
Квантовая физика – это не просто новомодная теория.
Это теория, которая сумела предсказать и объяснить невероятное количество явлений – от процессов, протекающих в атомных ядрах, до макроскопических эффектов в космическом пространстве.
Квантовая физика – в отличие от физики классической – изучает материю на фундаментальном уровне, давая интерпретации явлениям окружающей действительности, которые традиционная физика дать не способна (например, почему атомы сохраняют устойчивость или действительно ли элементарные частицы являются элементарными).
Квантовая теория дает нам возможность описывать мир более точно, нежели это было принято до ее возникновения.
Значение квантовой физики
Теоретические наработки, составляющие сущность квантовой физики, применимы для исследования как невообразимо огромных космических объектов, так и исключительно малых по размерам элементарных частиц.
Квантовая электродинамика погружает нас в мир фотонов и электронов, делая акцент на изучении взаимодействий между ними.
Квантовая теория конденсированных сред углубляет наши познания о сверхтекучих жидкостях, магнетиках, жидких кристаллах, аморфных телах, кристаллах и полимеров.
Фото 3. Квантовая физика дала человечеству гораздо более точное описание окружающего мира
Научные исследования последних десятилетий сосредоточены на изучении кварковой структуры элементарных частиц в рамках самостоятельной ветви квантовой физики – квантовой хромодинамики.
Нерелятивистская квантовая механика (та, что находится за рамками теории относительности Эйнштейна) изучает микроскопические объекты, движущиеся с условно невысокой скоростью (меньше, чем скорость света), свойства молекул и атомов, их строение.
Квантовая оптика занимается научной проработкой фактов, сопряженных с проявлением квантовых свойств света (фотохимических процессов, теплового и вынужденного излучений, фотоэффекта).
Квантовая теория поля является объединяющим разделом, вобравшим в себя идеи теории относительности и квантовой механики.
Научные теории, разработанные в рамках квантовой физики, придали мощный импульс развитию атомной энергетики, квантовой электроники, лазерной техники, квантовой теории твердого тела, материаловедения, квантовой химии.
Без появления и развития отмеченных отраслей знания было бы невозможно создание компьютеров, Интернета, космических кораблей, атомных ледоколов, мобильной связи и многих других полезных изобретений.
|