Современная квантовая теория. Квантовая теория кратко
Краткая история квантовых альтернатив / Хабр
«Копенгагенская» квантовая механика говорит, что реальность не существует, пока она не измерена, поэтому многие продолжают искать альтернативы этой интерпретации
В 1915 году Альберт Эйнштейн с помощью своих друзей разработал теорию гравитации, перевернувшую всё то, что мы считали самим фундаментом физической реальности. Мысль о том, что населяемое нами пространство не может быть совершенно описано евклидовой геометрией, была непостижимой; настолько, что философ Иммануил Кант, во многих смыслах радикальный мыслитель, заявил, что никакая теория физики не сможет с ней справиться.Позже физик Вернер Гейзенберг указал на смысл ошибки Канта. Великий философ постулировал, что наше интуитивное понимание древней геометрии Евклида означало, что она была необходимым основанием физической реальности. На самом деле это оказалось неверным, поставив под вопрос всю философскую систему Канта.
Несмотря на радикальный разрыв с прошлыми представлениями о пространстве и времени, теории Эйнштейна вскоре соединились с идеями Ньютона как часть "классической физики". Человечество вынуждено было это сделать, потому что революция научной мысли оказалась столь глубокой, что создала яркий след в истории науки: разработку теории квантовой физики.
Что можно назвать научной революцией более глубокой, чем общая теория относительности? Что могло создать тектонический сдвиг, более мощный, чем идея о том, что сами пространство и время искривляются материей? Чтобы понять это, мы сначала должны попытаться понять: такова неотъемлемая странность, присущая квантовой механике. Как только мы начнём чувствовать себя некомфортно в квантовом мире, то начнём понимать, почему после появления на сцене КМ физики пытались создать ей альтернативы — альтернативы, воссоздающие те же фантастические соответствия с экспериментами, в то же время сохраняющие часть классического ядра, согласующегося с нашим глубинным интуитивным пониманием о том, как должна себя вести природа.
Всё что вы знаете — неверно
Наше глубинное интуитивное понимание природы реальности возникает из наблюдений и взаимодействия с миром вокруг нас, начиная с самого детства. Ещё до того, как мы сможем это выразить, мы начинаем понимать причинно-следственные связи. Причиной любого происходящего события бывает другое произошедшее событие. Мир предсказуем.Однако такой «реалистичный» взгляд на вещи не может пережить (и не пережил) полученных при экспериментах над фотонами и другими субатомными частицами жестких данных. Это не физики из-за своей упрямой несговорчивости решили создать теорию, противоречащую нашим самым драгоценным интуитивным ощущениям о реальности: на самом деле, это результаты экспериментов упорно отказывались соответствовать любым классическим интерпретациям. Изобретение квантового формализма был актом отчаяния — единственным, который оказался работающим. Если мы ограничим себя, задавая вопросы, допускаемые квантовой теорией, то будем вознаграждены правильными ответами. Но если мы будем упорствовать, пытаясь уяснить то, что говорит нам теория, с помощью концепций классического мира, то придём в замешательство.
Будучи студентом-физиком, я увидел учебную демонстрацию того, что позволило мне бросить краткий взгляд на невидимую странность окружающего нас мира. Вы можете повторить этот опыт дома, воспользовавшись всего лишь фонариком или лазерной указкой, а также тремя поляризационными фильтрами (можно также использовать стёкла из разбитых солнцезащитных очков с поляризацией). Расположите два фильтра в ряд, оставив между ними зазор. Пропустите свет через эту пару и поворачивайте один фильтр до тех пор, пока свет не перестанет проходить; оси их поляризации стали перпендикулярными. Теперь вставьте третий фильтр между первыми двумя. Вы увидите, что свет начнёт проходить через эту конструкцию: каким-то образом добавление лишнего фильтра позволяет пропускать свет.
Эта демонстрация была частью вводной части курса по квантовой механике. На протяжении нескольких недель мы были погружены в формализм квантовой теории, из которого это кажущееся парадоксальным поведением возникает как тривиальное следствие.
Есть люди, утверждающие, что здесь нет парадокса и что такое поведение можно объяснить при классическом подходе. И в каком-то смысле они совершенно правы. Но результаты настольной демонстрации, потрясающие студентов, уже знакомых с классической физикой, очевидно возникают из квантового формализма. И это что-то да значит.
Двухщелевой эксперимент с электронами.Учёные первых десятилетий прошлого века столкнулись с гораздо более поразительными и необъяснимыми результатами экспериментов. Часто упоминают показанный выше эксперимент с двумя щелями. Выполняя этот эксперимент с электронами или фотонами, мы получим одинаковые результаты: интерференционную картину, как будто из двух щелей возникли две мешающие друг другу волны. Это показывает, что свет является волной и что даже частицы с массой, такие как электроны, похоже, ведут себя в таких условиях как волны.
Но эксперимент можно изменить двумя любопытными способами. Во-первых, если замедлить частоту испускания частиц (фотонов, электронов или даже целых молекул) так, чтобы за раз через щели проходила только одна частица, то результат не изменится. Это должно означать, что частица каким-то образом разделяется на две, проходит через обе щели и взаимодействует сама с собой! Во-вторых, если внести любое изменение в установку, чтобы она фиксировала, через какую щель проходит частица, то интерференционная картина исчезает и заменяется на паттерн, который можно было ожидать, если бы частицы были обычными частицами без волновых свойств: просто два симметричных распределения, центрированные относительно каждой из щелей.
Сложно было найти теорию, которая бы и объясняла результаты, и устраивала бы всех. Было похоже, что фотоны или электроны иногда решали вести себя как волны, а иногда как частицы, в зависимости от того, на что хотел смотреть экспериментатор.
Дальше всё становилось ещё страннее. Технологии развились до такой степени, что мы можем выбирать, какой тип измерения делать уже после того, как частица начала своё путешествие. Результаты таких экспериментов с «отложенным выбором» остались теми же. Если мы смотрим, чтобы увидеть, какое направление выбрала частица, то интерференция разрушается. Если мы, так сказать, отвернёмся, то знакомая интерференционная картина возвращается. И тем не менее частица должна была «решить», вести ли себя как частица или как волна ещё до прохождения через щели и до создания окончательной конфигурации эксперимента.
Результаты экспериментов с отложенным выбором заставили не одного физика сделать предположение о том, что информация о выборе поведения частицы или волны передаётся назад во времени, от времени выбора в какое-то время до того, как частица пройдёт сквозь устройство. То, что это предположение обсуждалось с полной серьёзностью, должно дать вам некое представление о том, насколько сложно было объяснить результаты экспериментов в микромире с помощью набора концепций (таких как причинность), взятых из наших реалистичных взглядов на мир. Объяснение с возвратом назад во времени продержалось до недавнего момента, когда провели эксперимент с медленными и холодными атомами гелия в похожей схеме. Атомы проходили через установку под действием только гравитации, поэтому между моментом прохождения и выбором способа наблюдения за ними проходило значительное время. Хотя физики иногда описывают некоторые очень быстрые субатомные процессы как использующие ограниченную форму путешествия назад во времени, большая длительность в экспериментах с гелием сделала невозможной существование такого объяснения.
Что же нам остаётся? Результаты этих и многих других экспериментов просто невозможно описать с помощью традиционных концепций на основе реальности: о том, что объекты существуют с определённым набором свойств; что если мы решаем не измерять отдельное свойство, оно всё равно имеет какое-то значение. Физики имели опыт работы с неопределённостью задолго до квантовой революции, но эта неопределённость была совершенно другого типа. Это была неопределённость знания, подразумевавшая неизвестный, но существующий, уровень детерминированной реальности под тем, что мы непосредственно воспринимаем.
Если мы отбросим все эти понятия, столь фундаментальные для нашего понимания мира, то чем же нам их заменить? Ведь они не просто стали интуитивной частью нашего повседневного опыта, но и служат фундаментом других областей науки.
То, что мы не видим
В девятнадцатом веке детерминизм на микроскопическом уровне привёл к первому огромному успеху вероятностных рассуждений в физике: кинетической теории газов. Она была основана на старой идее о том, что материя состоит из гигантского количества простых атомов, отталкивающихся друг от друга подобно субмикроскопическим шарикам для пинг-понга. Благодаря нескольким простым допущениям, а также хорошей доле математики, создавшим кинетическую теорию учёным удалось вывести известные нам законы термодинамики как средние значения поведения идеальных атомов. Кинетическая теория показала, как наблюдаемые нами явления могут возникать из усреднённого поведения множества процессов, которые мы неспособны наблюдать непосредственно. Тем не менее, эти усреднённые поведения действовали в соответствии с известными детерминированными законами классической механики — на них основывалась вся теория.Частицы, демонстрирующие броуновское движение.Эйнштейн получил свою Нобелевскую премию не за эту работу, и не за другую статью 1905 года, в которой ввёл понятие относительности E = mc2. Премия была вручена ему за ещё одну работу, опубликованную в том же году и посвящённую фотоэффекту. Эта публикация ненамеренно запустила процесс, который привёл к крушению нашей классической реальности.
Заработавшая Эйнштейну премию статья объясняла множество загадочных результатов экспериментов по взаимодействию света и материи. В ней постулируется, что свет поглощается и испускается из материи дискретными величинами энергии, называемыми квантами. Эта работа ознаменовала рождение квантовой физики — и это дитя Эйнштейна начало развиваться в направлении, раздражавшем даже собственного отца.
Следующие два десятилетия стали свидетелями взрыва экспериментальных исследований в новой области атомной физики и химии. Электрон освободили от оков атома и начали экспериментировать непосредственно с ним. В результатах экспериментов стали появляться ещё более странные явления, появился ряд неполных теорий и моделей, математических трактовок для описания микромира. Всё постепенно начало соединяться вместе и физики наконец оказались способными предсказывать экспериментальные результаты. Но это требовало непривычной, абстрактной математической структуры и набора правил, связывающих её с измеряемыми аспектами природы, а именно квантовой механики. (Эта история рассказывается в очень хорошо написанной книге Дэвида Линдли).
К третьему десятилетию двадцатого века почти все учёные приняли реальность атомов и даже более мелких частиц. Но они представляли их как невидимые крошечные версии знакомых объектов: для сравнения использовались планеты, бильярдные шары и песчинки. Большинство учёных, не относившихся к небольшому кружку, создавшему или понявшему новую теорию, предполагали, что она является ещё одной версией чего-то вроде кинетической теории газов. И сегодня большинство людей, вероятно, считают похожим образом: атомы и другие составляющие части микромира могут обладать экзотическими свойствами и следовать странным математическим правилам, но они, по крайней мере, принимают участие в известной нам реальности. Однако квантовая механика утверждает нечто обратное.
Одна из ключевых фигур в её разработке — Нильс Бор (со значительным влиянием Макса Борна и Вернера Гейзенберга), который был также одной из самых странных фигур в истории физики. Бор был физиком-философом, утомлявшим своих коллег произнесением длинных, развёрнутых, иногда непостижимых предложений. Хотя он, без сомнений, в совершенстве знал теорию и был известен решением нескольких загадок на начальном этапе исследования атомов, но часто предпочитал манипуляциям с уравнениями досужие, бесцельные разговоры. Он настаивал на необходимости понимания значения всего. (Его поиски значения не разделяли некоторые из других пионеров квантовой физики, потому что они уже начали исследования, исповедуя подход «Заткнись и вычисляй!».)
Частично вдохновлённый теорией физики, которую помогал создавать, Бор постепенно начал разрабатывать её мистическую сторону, и даже добавил в свой герб символ «инь-ян».
Это первое понимание или интерпретация квантовой механики позже стала известна как «копенгагенская интерпретация» в честь университета Бора. Она по-прежнему является стандартным взглядом на квантовую механику, даже несмотря на отсутствие формального определения. Скорее, это набор получивших всеобщее одобрение практических правил, относящихся к тем частям теории, которые можно наблюдать в лаборатории. Их можно сформулировать различными способами; вот одна из версий, отражающая современное понимание основных аспектов:
- Состояние (позиция, импульс и т.д.) системы полностью определяется её «волновой функцией» — математическим объектом, который детерминированно преобразуется согласно уравнениям квантовой механики. Волновую функцию невозможно наблюдать непосредственно; однако она даёт нам вероятность того, что в момент выполнения измерений мы обнаружим систему в конкретном состоянии. Такими «системами» могут быть элементарные частицы, например, электроны и протоны, атомы или даже крупные молекулы. В процессе измерения волновая функция и её вероятности «стягиваются» к измеренному значению.
- Нет никакой «реальности», кроме вычисления вероятностей. Нет никакого лежащего в его основе слоя детерминированности; нет никаких скрытых механизмов, регистрирующих то, что будет измерено перед проведением измерений. Эти вероятности не отражают нехватку наших знаний, как в классической статистической физике, потому что нет ничего, о чём можно иметь знания. Существует только вероятность.
- Существуют фундаментальные ограничения того, что может быть измерено, описанные отношениями неопределённости: определённые пары величин можно одновременно измерить с определённой степенью точности (примерами могут служить позиция-импульс и время-энергия). Это никак не связано с технологиями или способами проведения экспериментов; эти ограничения являются частью природы и их невозможно избежать.
Выхода нет?
Последствия квантовой механики вместе с копенгагенской интерпретацией неинтуитивны, причудливы и неприемлемы метафорически. Именно первичность вероятностей и уничтожение детерминированной причинности заставили Эйнштейна возразить, что бог «не играет в кости с миром». Так почему же физики с радостью приняли эту теорию? Почему мы не можем сказать, что могут существовать детерминированные «скрытые параметры», ставшие причинами вероятностей квантового мира?Важнейшей и непосредственной причиной является теорема Белла. Эта теорема, доказанная Джоном Стюартом Беллом в 1964 году, показывает, что если существует слой скрытых параметров, которые мы не можем измерить, то определённые эксперименты должны давать определённые результаты. На сегодняшний день существует множество свидетельств чрезвычайно точных экспериментов, что измерения не дают таких результатов. Логика требует признать, что в микромире не существует неизвестного детерминированного слоя.
Теорема Белла может позволить сосуществовать нашим результатам экспериментов и детерминированным скрытым параметрам только при одном условии: влияние этих параметров должно распространяться быстрее скорости света. Однако такое влияние не может быть истинной, классической передачей информации, потому что возможность этого исключается специальной теорией относительности. Как указал Эйнштейн, перемещение информации быстрее скорости света ещё больше нарушит наши представления о причинах и следствиях: оно позволит следствиям предварять причины, даже на уровне макромира.
Ещё одна возможность заключается в том, чтобы позволить скрытым параметрам передавать эфемерное воздействие квантовой механики, которое распространяется мгновенно, но не переносит информации в классическом смысле. Эти таинственные воздействия Эйнштейн издевательски называл «жутким дальнодействием», но именно ими мы объясняем результаты измерений запутанных частиц. Для них измерение состояния частицы может сообщить нам, каким будет результат измерения другой частицы, находящейся на произвольном расстоянии. Теории, избегающие влияния теоремы Белла, допуская существование скрытых переменных, передающих некое мгновенное воздействие на расстоянии, называются «нелокальными теориями скрытых параметров». Но они являются единственным способом сделать квантовую механику более комфортной для нас.
Менее известный эксперимент с трубой Шрёдингера.Свобода имеет свою цену
Вас не должно удивлять, что физики искали выход из ситуации с самых первых дней квантовой механики. Но как может быть возможно что-то иное, если теорема Белла не оставляет нам выхода?В основе любой теоремы всегда лежат допущения, явные и неявные. В доказательстве Белла используется довольно простая математика и, похоже, не применяются никакие допущения, которые бы мы не приняли уже как истинные. Но отчаянно сложные проблемы вдохновляют людей на отчаянные меры. Квантовые теоретики искали альтернативы копенгагенской интерпретации, исследуя некоторые из таких негласно принятых допущений — тех, которые редко подвергаются сомнению, потому что никто не может представить, что они не истинны.
Квантовая логика
Одно из таких неисследованных допущений затрагивает правила логики, на которых основывается любой вид рассуждения, в том числе и математика. Интерпретации квантовой механики, меняющие саму логику, пытаясь что-то заменить, называются квантовой логикой. Эта область знания имеет почтенную родословную и берёт начало с Джона фон Неймана, потрясающего эрудита, написавшего раннюю математическую формулировку квантовой теории. Ещё в 1930-х он показал, что математическая структура теории привязана к логике, отличающейся от лежащей в основе классической физики аристотелевой логики. Исследования в этой области продолжают оставаться экзотическим (и восхитительным) полем для изучения; пока никто не создал полнофункциональную, удовлетворительную альтернативу копенгагенской интерпретации.Хотя эта область очень глубока и является довольно таинственной, существуют простые примеры того, как знакомая нам логика плохо подстраивается под квантовый мир и того, как можно создать ей альтернативу. Одной из первых в литературе встречается уникальная квантовая идея суперпозиции состояний. В квантовом мире наши обычные понятия о реальности заменяются волновой функцией, которая даёт нам вероятности обнаружения системы в различных состояниях. Если система может быть только в одном из двух состояний, то до выполнения самих измерений она находится в состоянии, являющемся ни одним из них, или и тем, и другим: в суперпозиции. Популярный пример этого — мысленный эксперимент с «котом Шрёдингера», который считается одновременно живым и мёртвым, пока не открыта коробка, в которой он сидит. Эксперимент является драматическим конфликтом с классической механикой и нашими повседневными представлениями о реальности: «кот» требует, чтобы система на самом деле находилась в одном из двух возможных состояний, и только акт измерения открывает нам, каким всё это время было состояние.
Эрвин ШрёдингерОдин из возможных способов придать суперпозиции смысл заключается в том, чтобы применить другие правила логики. В привычной нам логике если утверждение p (допустим, «электрон находится в состоянии с ориентированным вверх спином») ложно, и утверждение q («электрон находится в состоянии с ориентированным вниз спином») тоже ложно, то p ∨ q (где ∨ означает «или») также должно быть ложно. Именно так и бывает с классическими измерениями. В квантовой механике p не может быть истинным, если не было измерено. Должно ли оно считаться «ложным» в классическом смысле, или чем-то иным — это уже другой вопрос. Аналогично, q тоже не может быть истинным. Однако сочетание p ∨ q должно быть истинным, потому что таково определение суперпозиции, в которой находится электрон перед измерением. Поэтому наша квантовая логика должна позволить p ∨ q быть истинным в случае, когда ни p, ни q не являются истинными, в противоположность аристотелевой логике.
Может показаться странным полагаться на изменение правил самой логики. Но таким образом мы можем спустить странность квантовой механики на один-два уровня, с уровня физики до уровня правил, которые мы можем использовать для рассуждений.
Стохастическая механика
Эта интепретация, или объяснение квантовой механики, оставляет логику нетронутой, но добавляет новый физический процесс. Современная и многообещающая отрасль стохастической механики началась со статьи 1966 года Эдварда Нельсона, смело заявившего:«В этой статье мы должны показать, что радикальное отклонение от классической физики, вызванное появлением сорок лет назад квантовой механики, не было необходимым».
Основной результат статьи впечатляет: автор выводит уравнение Шрёдингера — центральное уравнение квантовой механики — допуская, что частицы подвергаются воздействию быстро колеблющейся случайной силы. Следовательно, микроскопические частицы, например, электроны, демонстрируют нечто похожее на броуновское движение. Выводя уравнение, Нельсон активно использует математику из статистической физики.
Со времени статьи Нельсона эта область стабильно развивалась и привлекла к себе большое сообщество исследователей. Некоторыми из её интригующих успешных достижений являются объяснение квантованного момента количества движения («спина»), квантовая статистика и знаменитый двухщельный эксперимент. Однако стохастическая механика ещё далека от того, чтобы заменить копенгагенскую интепретацию или традиционную квантовую механику. В ней используется то, что выглядит как нефизическое мгновенное действие на расстоянии и она даёт неверные прогнозы в некоторых видах измерений. Тем не менее, её апологеты не сдаются. Как говорит Нельсон в разборе этой темы, «как может быть теория быть настолько правильной и в то же время столь ошибочной?»
Теория волны-пилота
Эта версия квантовой механики возвращается к самым началам области. Если первый кусок квантового паззла был положен на место в 1905 году Эйнштейном, когда он объяснил, как свет поглощается и испускается из материи дискретными величинами, то второй фрагмент был положен в 1924 году Луи де Бройлем. Де Бройль заявил, что в то время как световые волны могут вести себя как частицы, частицы наподобие электронов могут вести себя как волны.На следующий год де Бройль оформил свою теорию волны-пилота, в которой волны материи, наблюдаемые в реальных физических объектах, порождаются движением частиц. В каком-то смысле это было первоначальной интепретацией квантовой механики, но её вскоре победила копенгагенская интерпретация. Идеи де Бройля были открыты заново в 1950-х Дэвидом Бомом, давшим им дальнейшее развитие. В этой формулировке волновая функция также управляется уравнением Шрёдингера, но теория волны-пилота добавляет выведенное из него уравнение, непосредственно влияющее на движение частиц. Частицы считаются имеющими реальные траектории, существующие независимо от измерений; характерные квантовые эффекты, такие как интерференция в эксперименте с двумя щелями, возникают из-за сложных траекторий, по которым следуют электроны или фотоны во время эксперимента. Эта интерпретация воссоздаёт большую долю поведения квантового мира, сохраняя при этом реализм. Она возвращает вероятность обратно на привычное нам место, то есть вероятность снова становится показателем нашего неполного знания, а не неотъемлемой частью природы.
Луи де БройльСерьёзным препятствием для теории волны-пилота является то, что создаваемые ею траектории частиц сложны и часто причудливы; ещё одно препятствие заключается в том, что для неё необходима чрезвычайная нелокальность, в принципе описывающая движение частицы как зависящее от состояния всех остальных частиц Вселенной. Однако эта теория считается многими физиками самой многообещающей альтернативой копенгагенской интерпретации и активно исследуется.
Интригующей особенностью теории волны-пилота является возможность наблюдения аналогов некоторых прогнозируемых ею поведений, характерных для микроуровня, в макроскопическом масштабе. Видео с экспериментами отталкивающихся капель масла демонстрируют поразительное поведение, при котором капли играют роль субатомных частиц, а масляная ванная, над которой они подвешены, выполняет некоторые из функций волны-пилота.
Множественные миры
«Многомировая» интерпретация квантовой механики наделала много шуму в популярной прессе. Поэтому многие люди, в том числе и некоторые физики, приобрели неверные взгляды на эту теорию.Эта интерпретация не настаивает на создании новой вселенной при выполнении каждого измерения, как считают обычно. Она просто всерьёз воспринимает традиционную квантовую механику как описание нашей Вселенной и всего находящегося в ней. Квантовая механика описывает частицу, например, электрон, как существующую в суперпозиции всех возможных состояний; при выполнении измерения суперпозиция заменяется измеренным состоянием. Многомировая точка зрения расширяет идею суперпозиции на управление всем, в том числе измерительной установкой и её операторами. Она отстаивает мнение о том, что для обеспечения целостности весь мир должен существовать в в суперпозиции.
Понятие «множества миров» относится к суперпозиции состояний, применённой ко всему миру; каждое потенциальное состояние, или Вселенная, уже существует в квантовомеханическом смысле, при котором каждое возможное состояние субатомной частицы обладает потенциальным существованием. Измерение состояния частицы выбирает один возможный результат и делает его реальным. Одновременно измерение выбирает один возможный результат для Вселенной: тот, который экспериментатор получил при этом конкретном измерении.
Множественные миры считаются детерминированными и устраняют необходимость стягивания волновой функции. Её критики заявляют, что она всё равно не может освободиться от центральной роли вероятности и не способна вместить в себя гравитацию.
Существует множество других альтернативных подходов, описать которые нам просто не хватит места. Часто они ближе к метафизике, чем к физике. Одной из таких идей, находящейся посредине между наукой и философией, является сверхдетерминизм. Хотя эта идея пока не смогла воссоздать результаты квантовой механики, она привлекает постоянное внимание, возможно благодаря репутации своего основного апологета — Нобелевского лауреата по физике Герарда ’т Хоофта. Сверхдетерминизм должен был стать лазейкой в теореме Белла и на самом деле был описан как возможный самим Беллом. Теория избегает базовых допущений теоремы Белла, рассматривая всё во Вселенной, в том числе сделанный экспериментатором выбор измерений, как определённое с начала времён. Естественно, он отрицает всякую возможность свободы воли. Интересным развитием теории в этой области является попытка ’т Хоофта воплощения своих идей созданием модели квантовой механики в клеточном автомате.
Метафоры метафизического беспокойства
Эйнштейн хорошо владел словом и глубоко понимал природу. Он оставил нам в наследство две колоритные фразы, которые продолжают цитировать для выражения нашей неудовлетворённости соответствующими аспектами квантовой механики: «жуткое дальнодействие» и «Бог [...] не играет в кости с миром».Хотя копенгагенская интерпретация по-прежнему остаётся главенствующей, и со спокойствием принимает обе эти фразы, порождаемая ими мучительная неудовлетворённость будет продолжать мотивировать новые поколения физиков на поиски альтернативы. Эта альтернатива может быть дальнейшим развитием одной из описанных здесь моделей, одним из тех проектов, которые мы не смогли рассмотреть, или совершенно новой идеей. Но никто не может сказать точно, завоюет ли одна из них в будущем всеобщее признание.
Об авторе: Ли Филлипс — физик и постоянный автор Ars Technica. Ранее он писал о таких темах, как наследие языка программирования Fortran и изменившей физику Эмми Нётер.
habr.com
Квантовая теория Планка
Формулу, совершенно точно описывающую спектр излучения черного тела, удалось вывести Максу Планку, ставшему вскоре главой школы немецких физиков, ректором Берлинского университета. Да, тому самому Максу Планку, которого так отговаривали заниматься теоретической физикой.
Планк долгое время колебался, на чем остановить свой выбор — на гуманитарных занятиях или физике. Влечение к физике оказалось сильнее, но увлечения молодости не пропали зря: все теоретические работы Планка, книги и статьи отличаются редким изяществом и красотой слога. «При изучении его трудов,— сказал Альберт Эйнштейн,— вообще создается впечатление, что требование художественности является одной из главных пружин его творчества. Ведь недаром рассказывают, что Планк после окончания гимназии сомневался, посвятить ли себя изучению математики и физики или музыки».
Планк сделал необычайное предположение: излучение черного тела передается окружающему пространству не непрерывно, а в виде отдельных мелких порций, которые он назвал квантами действия (действием в физике именуется величина, получаемая после перемножения энергии на время).
Музыка помогала Максу Планку, как и многим другим ученым,работать сосредоточенно и вдохновенно
Вскоре слово «действие» исчезло из названия частиц, «изобретенных» Планком, и их стали именовать квантами или фотонами, мельчайшими порциями излучения. По сути, Планк изменил одно, не очень существенное звено в цепи рассуждений. Но оно оказалось решающим — математические расчеты стали совершенно другими и привели к формуле, которая описывала спектр излучения черного тела в прекрасном согласии с экспериментом.
Формула, выведенная Планком, позволила определить форму спектральной кривой излучения. В этом спектре при обычных «земных» температурах было ничтожно мало ультрафиолетовых лучей. Спектр излучения тела, наконец, и в теории стал похож на горб верблюда…
Расчетный спектр излучения, как и на практике, начинал с ростом температуры сдвигаться в сторону коротких волн, и при температуре выше 500°С в нем появлялись видимые лучи.
Если движение автомобиля ночью сфотографировать с большой выдержкой, то вместо светящихся точек — фар и габаритных огней — мы получим яркие длинные линии. Не помогает ли это сравнение понять, как из отдельных квантов света образуются сплошные непрерывные лучи?
Из формулы Планка в виде частных случаев могли быть получены и закон Вина, и соотношение Стефана — Больцмана, показывающее, что общая энергия излучения тела пропорциональна его абсолютной температуре в четвертой степени.
Физики облегченно вздохнули: «ультрафиолетовая катастрофа» закончилась вполне благополучно. Но создатель новой формулы не был удовлетворен достигнутым.
Вот как описывал Планк сомнения, мучившие его: «…или квант действия был фиктивной величиной — тогда весь вывод закона излучения был принципиально иллюзорным и представлял собой просто лишенную содержания игру в формулы, или при выводе этого закона в основу была положена правильная физическая мысль — тогда квант действия должен был играть в физике фундаментальную роль, тогда появление его возвещало нечто совершенно новое, дотоле неслыханное, что, казалось, требовало преобразования самых основ нашего физического мышления…»
После как будто бы окончательной победы волновой теории света физикам было необычайно трудно возвращаться к представлениям об излучении как о потоке частиц, вспоминать о корпускулах Ньютона. Эти затруднения, возможно, возрастали из-за обманчивости наших чисто эмоциональных ощущений: всегда кажется, что солнечное излучение заливает все вокруг непрерывным потоком, волнами света.
В поэзии — от Гомера и до наших дней — ощущениям, рождаемым светом, всегда отводилось особое место. Наиболее часто поэты воспринимали свет как особую, светоносную, сияющую жидкость. Федор Иванович Тютчев, например, писал:
Снова жадными очами
Свет живительный я пью.
Неужели эта удивительная жидкость так же многолика, как вода? Водой наполнены безграничные моря, огромные озера, быстротекущие реки. Сравнение с речными и морскими волнами всегда помогало создателям волновой теории распространения света и звука. Но ведь та же самая вода часто предстает перед нами в виде дождя, мелкой дробью барабанящего по крыше! Крупинки льда, снежинки, крупные горошины града — все это тоже вода. Почему бы не существовать и «крупинкам» света?
Источник: Марк Колтун “Мир физики“.www.thingshistory.com
Современная квантовая теория
Кратко о событиях в физике, которые способствовали развитию квантовой теории как нового этапа развития квантовой механики.
Первой частицей, с которой началось создание квантовой механики, был электрон. Но уже к 1908 г. стали говорить о фотоне.На современном уровне фотон — это кванты электромагнитного
поля. Он не имеет массы покоя, нет системы отсчета, в которой он находится в
покое, т. е. не движущегося фотона не существует. Он движется со скоростью света. Фотоны излучаются атомами, ядрами атомов, при распадах некоторых частиц, торможении и ускорении заряженных частиц, а также в процессах аннигиляции, т. е. взаимодействия частиц со своими античастицами. Фотоны различаются по свойственной им длине электронно-магнитной волны. В 1910—
1912 гг. было обнаружено космическое излучение.Поднятый на высоту 4,5—5,2
км электроскоп на воздушном шаре разряжался с одинаковой скоростью днем и ночью. Сегодня известно, что космические лучи состоят в основном из потока протонов (90%), ядер гелия (7%) и ядер более тяжелых химических элементов. Ониидут из глубин Вселенной и от Солнца, среди космических частиц имеются частицы с очень высокой энергией (до 1021 эВ). Физики утверждают, что человеческое тело ежесекундно «пронизывают» приблизительно 20 000 частиц, которые свободно проходят через магнитную сферу Земли и ее атмосферу.
Важным событием было открытие в 1932 г. позитрона(е+), античастицы электрона. Американский физик К. Д. Андерсон (р. 1905) на фотографии космических лучей обнаружил трек, след частицы, аналогичной электрону, но с положительным зарядом и спином, равным 1/2. К. А. Андерсон открыл позитрон случайно. Но до этого времени уже существовало теоретическое предсказание этой частицы. В 1928 г. П. Дирек создал релятивистское уравнение для электрона, которое учитывало принципы релятивистской механики. Описание физических явлений, происходящих в системе частиц (например, электрон-фотон с релятивистско-полевой точки зрения) осуществляется с помощью записи определенной функции (лагранжиан системы). Лагранжиан— это функция, которая определяет форму уравнения движения частиц в системе полевого пространства. В уравнении П. Дирака получалось четыре решения: два решения с положительной энергией (+E, +1/2), (+Е, -1/2) и два других решения, которые давали нечто невразумительное: (-Е, + 1/2) и (-E, -1/2). В первых решениях речь шла
о положительной энергии. В двух других — об отрицательной энергии для античастицы электрона. Энергия в релятивистской механике пропорциональна массе (Е= тс2). Следовательно, отрицательной энергии соответствует отрицательная масса (-m). П. Дирак построил «теорию дырок». В этой теории состояние с отрицательной энергией и отрицательным зарядом трактова-
лось как дырочное состояние с положительной массой, энергией и зарядом. Эта
теория утверждала, что в физическом мире частицам соответствуют античастицы.
Открытие позитрона вызвало оживленную дискуссию о возможном существовании антивещества и антимиров.Античастицы — это двойники обычных частиц, из которых состоит наш мир. Они различаются только противоположным зарядом и направлением спина у частиц, не имеющих заряда
типа нейтрона. Известен принцип зарядового сопряжения: замена частиц на
античастицы не изменяет сильного и электромагнитного взаимодействия, но изменяет слабое взаимодействие. Это означает, что возможен мир с веществом из античастиц и соответствующими силами физического взаимодействия.
Большую роль в развитии квантовой теории сыграло открытие нейтронаи доказательство существования протона.
Нейтрон был открыт в 1932 г. в результате облучения альфа-частицами пластинки из бериллия. Это не имеющая заряда частица. По массе нейтрон больше массы протона приблизительно на 2,5 массы электрона.
Нейтронявляется нестабильной частицей. Внутри ядра нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтри-
но: n -> p + е- + 
(антинейтрино). Распад нейтрона в ядре атома объясняется, как потом было установлено, физической природой бета-излучения (β-) как потока электронов с высокой энергией. В ядре атома нет электронов, но распад нейтронов в ядре приводит к возникновению электронов с энергией значительно более высокой, чем энергия электронов на орбите атома.
Вне ядра атома нейтрон также является нестабильным: распадается на протон, электрон и нейтрино, приблизительно за 12—16 мин. Отсутствие заряда нейтрона объясняет его легкую способность проникать в ядра атомов. На ядрах нейтрон может рассеиваться или захватываться ими. Различают быстрые и медленные (тепловые) нейтроны, энергия первых — от 0,1 до 50 МэВ, вторых — от 0,025 до
0,5 эВ. В природе есть естественные замедлители скорости движения нейтрона (графит, тяжелая вода). Медленные (тепловые) нейтроны захватываются ядрами и создают избыток нейтронов в ядре, что ведет к распаду ядра на две равные половины (осколки, фрагменты). Этот процесс называется ядерным делением.При этом высвобождаются нейтроны, которые при взаимодействии с осколками и фрагментами ядра вызывают цепную реакцию
деления ядер как продуктов первичного распада. Если эти осколки или
фрагменты не оказываются ядрами стабильных химических элементов, процесс ядерного деления высвобождает огромную энергию. Например, при делении 1 г урана-238 выделяется энергия 22 000 кВт/ч.
Эта способность нейтронов используется при производстве электроэнергии и тепла на атомных станциях. Первая атомная станция в мире была простроена
Читайте также:
lektsia.com
| :  Fender: , - ...  : , ...  : 1:50, 1:100, 1:200 ... | На протяжении 1930-х и 1940-х гг. физики-теоретики во главе с такими личностями, как Поль Дирак, Вольфганг Паули, Юлиан Швингер, Фриман Дайсон, Син-Итиро Томонага и Фейнман, не покладая рук пытались разработать математический аппарат, который помог бы справиться с буйством микромира. Они установили, что квантовое волновое уравнение Шредингера (упомянутое в главе 4) на самом деле дает только приближенное описание физики микромира. Это приближенное описание работает очень хорошо, пока вы не пытаетесь (экспериментально или теоретически) слишком глубоко залезть в микроскопический хаос, но определенно отказывается работать, если кто-то делает такую попытку. Основным разделом физики, которым Шредингер пренебрег в своей формулировке квантовой механики, была специальная теория относительности. На самом деле Шредингер сначала сделал попытку включить специальную теорию относительности, но полученное в результате квантовое уравнение давало предсказания, находившиеся в противоречии с экспериментальными данными для атома водорода. Это побудило Шредингера воспользоваться широко применяемым в физике подходом «разделяй и властвуй»: вместо того, чтобы пытаться одним махом объединить в новой теории все, что известно о физическом мире, часто гораздо выгоднее бывает делать небольшие шаги, которые последовательно включают новейшие открытия, сделанные на переднем крае исследований. Шредингер искал и нашел математический аппарат, который позволил учесть экспериментально подтвержденный корпускулярно-волновой дуализм, но он не смог на этой стадии включить в рассмотрение специальную теорию относительности4) . Однако вскоре физики осознали, что специальная теория относительности крайне важна для корректной формулировки законов квантовой механики. Хаос микромира требует признания, что энергия может проявлять себя самыми различными способами. Впервые это было осознано в формуле специальной теории относительности Е = тс2. Игнорируя специальную теорию относительности, подход Шредингера не учитывал взаимопревращаемость материи, энергии и движения. Прежде всего физики сконцентрировали свои усилия на попытках объединить специальную теорию относительности с принципами квантовой механики при описании электромагнитного поля и его взаимодействия с веществом. В результате серии вдохновляющих достижений они создали квантовую электродинамику. Это был пример теории, впоследствии получившей название релятивистской квантовой теории поля или, кратко, квантовой теории поля. Такая теория является квантовой, поскольку она с самого начала строилась с использованием понятий вероятности и неопределенности; она является теорией поля, поскольку объединяет понятия квантовой механики и ранее 88 Часть II. Дилемма пространства, времени и квантов существовавшее классическое представление о силовом поле, и данном случае, максвелловском электромагнитном поле. Наконец, эта теория является релятивистской, поскольку с самого начала учитывает специальную теорию относительности. (Если вам нужен визуальный образ квантового поля, вы можете использовать образ классического поля, скажем, океан невидимых силовых линий, пронизывающих пространство, дополнив его в двух отношениях. Во-первых, вы должны представить квантовое поле образованным из частиц-составляющих, таких как фотоны в случае электромагнитного поля. Во-вторых, вы должны представить, что энергия, сосредоточенная в массах частиц и их движении, бесконечно много раз переходит от одного квантового поля к другому в процессе их непрерывных осцилляции в пространстве и времени.) Квантовая электродинамика, бесспорно, является наиболее точной из когда-либо созданных теорий, описывающих природные явления. Иллюстрацию ее точности можно найти в работах Тойхиро Киношиты, специалиста по физике элементарных частиц из Корнелльского университета, который в течение последних 30 лет неутомимо использовал квантовую электродинамику для расчета некоторых тонких свойств электронов. асчеты Киношиты заполняют тысячи страниц, и в конце концов потребовали для завершения самых мощных из когда-либо созданных компьютеров. Но затраченные им усилия принесли свои плоды, позволив рассчитать характеристики электронов, которые подтвердились экспериментально с точностью, превышающей одну миллиардную. Это согласие между результатами абстрактных теоретических вычислений и данными реального мира совершенно поразительно. С помощью квантовой электродинамики физики смогли подтвердить роль фотонов как «наименьших возможных сгустков света» и описать их взаимодействие с электрически заряженными частицами в рамках математически законченной модели, позволяющей получать убедительные предсказания. Успех квантовой электродинамики побудил других физиков в 1960-х и 1970-х гг. попытаться использовать аналогичный подход для квантово-механического описания слабого, сильного и гравитационного взаимодействий. Для слабого и сильного взаимодействий этот подход оказался чрезвычайно плодотворным. Физики сумели, по аналогии с квантовой электродинамикой, разработать квантово-полевые теории сильного и слабого взаимодействий, получившие название квантовой хромодинамики и квантовой теории электрослабых взаимодействий. Название «квантовая хромодинамика» выбрано из-за колорита, более логичным было бы «квантовая динамика сильных взаимодействий», но это всего лишь название без глубокого смысла. С другой стороны, название «электрослабое» указывает на важную веху в нашем понимании взаимодействий в природе. В работе, за которую Шелдон Глэшоу, Абдус Салам и Стивен Вайнберг получили Нобелевскую премию, они показали, что слабое и электромагнитное взаимодействия естественным образом объединяются в квантово-полевом описании, несмотря на то, что их проявления в окружающем нас мире столь разительно различаются. Слабое взаимодействие имеет исчезающе малую величину во всех масштабах, кроме субатомного, тогда как электромагнитные поля — видимый свет, радио- и телевизионные сигналы, рентгеновское излучение — неоспоримо присутствуют в нашем макроскопическом мире. Тем не менее, Глэшоу, Салам и Вайнберг показали, что при достаточно высоких энергиях и температурах, которые существовали спустя долю секунды после Большого взрыва, электромагнитное и слабое взаимодействия были слиты одно с другим, их характеристики были неразличимы. Поэтому им дали более точное название электрослабых взаимодействий. Вследствие не прекращающегося со времен Большого взрыва снижения температуры из единого высокотемпературного состояния разными путями выкристаллизовались электромагнитное и слабое взаимодействия в ходе процесса, известного под названием нарушение симметрии, который мы опишем ниже. В результате эти взаимодействия приобрели различный облик в той холодной Вселенной, в которой мы обитаем в настоящее время. Глава 5. Необходимость новой теории: ОТО versus квантовая механика 89 Итак, если вы следите за хронологией, к 1970-м гг. физики разработали успешное квантово-механическое описание трех из четырех взаимодействий (сильного, слабого и электромагнитного), а также показали, что два из трех последних (слабое и электромагнитное взаимодействия) фактически имеют общее происхождение (электрослабое взаимодействие). В течение последних десятилетий физики подвергли это квантово-механическое описание трех негравитационных сил (как они взаимодействуют между собой и с введенными в главе 1 частицами материи) самой разнообразной экспериментальной проверке. Теория с успехом выдержала нее проверки. Когда экспериментаторы измерили значения 19 параметров (масс частиц, приведенных в табл. 1.1, констант взаимодействия для этих частиц, показанных в таблице и примечании 1 к главе 1, интенсивностей трех негравитационных взаимодействий в табл. 1.2, а также ряда других величин, обсуждать которые нет необходимости), а теоретики подставили полученные значения в формулы квантово-полевых теорий для сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий частиц материи, предсказания этих теорий с поразительной точностью совпали с экспериментальными данными. Совпадение наблюдается вплоть до энергий, способных расщепить материю на частицы, размер которых составляет одну миллиардную от одной миллиардной метра, что является пределом для современного уровня развития техники. По этой причине физики называют теорию трех негравитационных взаимодействий и три семейства частиц материи стандартной теорией, или (чаще) стандартной моделью физики элементарных частиц. : 2017-02-24; : 79 | : : |
lektsii.org
Квантовая теория - излучение - Технический словарь Том VI
Блестящее согласие между полностью квантовой теорией излучения и вещества и экспериментом, достигнутое на примере лэмбовского сдвига, обеспечило сильный довод в пользу квантования поля излучения. Однако подробный расчет лэмбовского сдвига увел бы нас далеко от главного направления квантовой оптики.Мессбауэровские переходы, наиболее удобные в экспериментальной. Эти данные подтверждают выводы квантовой теории излучения для гамма-диапазона.Представив это краткое обоснование квантовой теории излучения, приступим к квантованию свободного электромагнитного поля.Масса покоя фотона в квантовой теории излучения считается равной нулю. Однако это лишь постулат теории, потому что ни один реальный физический эксперимент не может подтвердить этого.Остановимся кратко на основных положениях квантовой теории излучения.Если мы хотим на основе квантовой теории излучения понять действие светоделителя и его квантовые свойства, надо следовать указанному выше рецепту: сначала найти собственные моды, а затем проквантовать, как описано в предыдущей главе. Но каковы в нашем случае граничные условия, которые определяют эти моды.Во первых, необходимо расширить квантовую теорию излучения с тем, чтобы рассмотреть неквантовые стохастические эффекты, такие как тепловые флуктуации. Это является важной составляющей теории частичной когерентности. Кроме того, такие распределения делают понятной связь между классической и квантовой теориями.Книга является пособием для изучения курсов Квантовая теория излучения и Квантовая электродинамика. Принцип построения книги: изложение основ курса занимает малую часть ее объема, большая часть фактического материала приводится в форме задач с решениями, необходимый математический аппарат дан в приложениях. Все внимание сосредоточено на нерелятивистском характере излуча-тельных переходов в атомных системах.Теоретически определить AnJBnm в формуле (11.32) элементарная квантовая теория излучения черного тела не в состоянии.Эйнштейн показал, еще до развития квантовой теории излучения, что статистическое равноресие между излучением и веществом возможно только в том случае, когда наряду с вынужденным испусканием, пропорциональным плотности излучения, имеется спонтанное излучение, происходящее и в отсутствие внешнего излучения. Спонтанное излучение обусловлено взаимодействием атомной системы с нулевыми колебаниями электромагнитного поля.Эйнштейн показал, еще до развития квантовой теории излучения, что статистическое равновесие между излучением и веществом возможно только в том случае, когда наряду с вынужденным испусканием, пропорциональным плотности излучения, имеется спонтанное излучение, происходящее и в отсутствие внешнего излучения. Спонтанное излучение обусловлено взаимодействием атомной системы с нулевыми колебаниями электромагнитного поля.Штарк и Эйнштейн, исходя из квантовой теории излучения, в начале XX века дали формулировку второго закона фотохимии: каждая молекула, участвующая в фотохимической реакции, поглощает один квант излучения, который вызывает реакцию. Последнее связано с чрезвычайно малой вероятностью повторного поглощения кванта возбужденными молекулами, ввиду их низкой концентрации в веществе.Выражение для коэффициента поглощения получают на основе квантовой теории излучения. Для микроволновой области оно представляет сложную функцию, зависящую от квадрата частоты перехода, формы линии, температуры, числа молекул на нижнем энергетическом уровне и квадрата матричного элемента дипольно-го момента перехода.В конце 20 - х годов начала разрабатываться квантовая теория излучения, выросшая затем в квантовую электродинамику ( КЭД) - последовательную теорию электромагнитных процессов, взаимодействия электрических зарядов и электромагнитного поля.
Эта функция может быть получена только на основе квантовой теории излучения, и ее определение выходит за рамки настоящей книги.Естественно, что для описания подобных экспериментов требуется и квантовая теория излучения. Эти вопросы мы не рассматриваем.В 20 - е и 30 - е годы квантовая теория излучения сформировалась практически в современном ее виде.Но я знаю также и то, что имеется единая квантовая теория излучения, которая отводит фотону роль квантового числа, соответствующего периодическим компонентам непрерывного максвелловского поля; вследствие этого становится необязательным приписывать различные ad hoc придумываемые величины - спин, взаимосвязанные электрические и магнитные свойства фотона - только для того, чтобы спасти картину частиц, дуальную волновой картине света. Световые волны являются реальными, а волны материи - искусственным построением во многих отношениях.Испускание и поглощение излучения по квантовой теории и К квантовой теории излучения ( см. § 8.4), он не подозревал, что, образно говоря, выпускает джина из бутылки.Корреляционная функция второго порядка как функция времени задержки т. Когда источником излучения в эксперименте Брауна и Твисса является лампа, корреляционная функция второго порядка д ( т ( пунктирная линия имеет доминирующий максимум при коротких временах задержки. Поэтому более вероятно зарегистрировать два фотона сразу друг за другом, чем с большой задержкой. Свет проявляет свойство группировки. Когда источником является лазер, свет подчиняется статистике Пуассона и д ( т не зависит от задержки ( сплошная линия. Однако, резонансная флюоресценция показывает совершенно другое поведение ( штриховая линия. свет проявляет эффект антигруппировки, так как вероятность двум фотонам следовать сразу. В этом случае для описания света резонансной флюоресценции нам нужна полная квантовая теория излучения.Последовательные ионизационные потенциалы любого элемента чрезвычайно точно вычисляются на основании квантовой теории излучения, исходя из линейных спектров элементов.Последовательные ионизационные потенциалы любого элемента чрезвычайно точно вычисляются - на основании квантовой теории излучения, исходя из линейных спектров элементов.Однако величину гсд легко рассчитать с помощью принципа детального равновесия и не прибегая к квантовой теории излучения.Задача о дисперсии света в квантовой теории может быть поставлена в полную параллель с квантовой теорией излучения и поглощения света. Подобно тому, как в этих последних случаях разыскивается вероятность поглощения или излучения кванта света, так и в случае дисперсии можно искать вероятность того, что первоначальный квант света ( падающий пучок) изменит в результате взаимодействия с атомом направление своего импульса, а в общем случае и свою энергию.Явление лэмбовского смещения дает весьма наглядную иллюстрацию правильности тех представлений, которые были положены в основу квантовой теории излучения и теории позитрона. В квантовой теории излучения принималось, что в пустом пространстве, вакууме, имеется электромагнитное поле. Это то поле, которое отвечает нулевым колебаниям осцилляторов поля. Часто говорят, что совокупность осцилляторов электромагнитного поля, находящихся в состояниях с нулевой энергией, представляет электромагнитный вакуум. В электромагнитном вакууме, отвечающем состоянию поля с наименьшей энергией, имеется некоторая, отличная от нуля напряженность поля. Точнее говоря, средние ( по времени) значения квадратов напряженности полей ( § У и ( Ж) отличны от нуля.Пионерские работы Дирака ( Dirac, 1927) и Ферми ( Fermi, 1932) по квантовой теории излучения следует прочитать каждому, кто изучает данный предмет.Даже это малое отличие от результата простой теории Дирака может быть вычислено с высокой точностью при помощи квантовой теории излучения и согласовано с экспериментальным значением с точностью до нескольких стотысячных. Если протон, частица со спином % и единичным зарядом, так же как и электрон, подчиняется уравнению Дирака, то его магнитный момент должен быть очень близок к одному ядерному магнетону. Так как факты противоречат этому заключению, то это означает, что представление об определенной индивидуальной, лишенной внутренней структуры частице, хорошо применимое к электронам, неприменимо к нуклонам. Мезонная теория в ее простейшей форме приписывает дополнительный момент токам виртуальных мезонов вблизи протона при рассмотрении испускания и поглощения мезонов во время движения протона. Но эта идея является в лучшем случае только качественной. Малые поправки к дираковскому значению момента электрона вычисляются на основе таких же представлений. Виртуальное присутствие, фотонов ( а не мезонов) вызывает флуктуирующую отдачу и переориентацию спина электрона, что приводит к появлению небольшого дополнительного момента. Согласие с опытом является блестящим для электрона, где весь поправочный эффект - порядка одной тысячной.Фотомикрограмма осадка не обладают орбитальными меха-для атомов и молекул натрия иическими н магнитными моментами ( далее рассмотрено подробнее. Следовательно, для таких атомов вообще не должно наблюдаться отклонение в магнитном поле. Кроме того, по правилу пространственного квантования, если бы даже пф1, магнитное квантовое число т в соответствии с возможными, по Бору, значениями для cos а при п1 должно было равняться 1 0, - 1, т. е. на пластинке должны были образоваться три полоски вместо наблюдаемых двух. Модель Бора не объясняет также аномальный эффект Зеемана, тонкую структуру спектральных линий и многое другое.Основной недостаток теории Бора заключается в том, что она представляла собой компромиссное сочетание классической физики с квантовой теорией излучения. Методологически теория Бора требовала решения задач средствами классической физики с последующим отбором дискретных величин, удовлетворяющих требованиям квантовой механики.Зависимость относительной среднеквадратичной флукту - [ IMAGE ] Теоретическая зависимость ации интенсивности лазерного поля от средней интенсивности. Сплош - относительной среднеквадратичной флук-ная кривая построена по формулам и. Масштабный туации интенсивности от параметра накач-множитель для логарифмической шкалы интенсивности подобран та - ки а ким образом, чтобы достигалось лучшее соответствие экспериментальным значениям. ( Из работы Davidson and Mandel, 1967.| Первые четыре кумулянта интенсивности лазерного поля как функции параметра накачки a ( Risken, 1970. Перед тем, как возвратиться к нестационарному уравнению движения (18.3.4) и исследовать его общее решение, мы рассмотрим лазер в рамках квантовой теории излучения. Мы увидим в разд.Нельзя не отметить, что Эйнштейн был настолько убежден в справедливости квантовой модели излучения, что после окончания обсуждавшейся выше работы распространил идеи квантовой теории излучения на физические явления, прямо не связанные со светом.Эта книга, в основу которой лег курс лекций по теории излучения, прочитанных авторами, может быть использована как дополнение к существующим учебникам по квантовой теории излучения.В отличие от принятого тогда метода рассмотрения конкретных квантовых процессов взаимодействия электромагнитного поля с частицами, метода соответствия, И. Е. Тамм исследовал это явление последовательно квантовомеханически - методом квантовой теории излучения. Полученная им формула для сечения совпала с той, которую несколько ранее нашли, используя метод соответствия, Клейн и Нишина и.В первую очередь следует обсудить вопрос о зависимости коэффициента поглощения в линии от частоты. Согласно квантовой теории излучения, для изолированного неподвижного атома коэффициент поглощения в линии, соответствующей переходу i - &, равен ( см. В.Явление лэмбовского смещения дает весьма наглядную иллюстрацию правильности тех представлений, которые были положены в основу квантовой теории излучения и теории позитрона. В квантовой теории излучения принималось, что в пустом пространстве, вакууме, имеется электромагнитное поле. Это то поле, которое отвечает нулевым колебаниям осцилляторов поля. Часто говорят, что совокупность осцилляторов электромагнитного поля, находящихся в состояниях с нулевой энергией, представляет электромагнитный вакуум. В электромагнитном вакууме, отвечающем состоянию поля с наименьшей энергией, имеется некоторая, отличная от нуля напряженность поля. Точнее говоря, средние ( по времени) значения квадратов напряженности полей ( § У и ( Ж) отличны от нуля.Кембриджском университете, является одним из основателей квантовой механики. Разработанная им квантовая теория излучения положила начало развитию квантовой электродинамики.Впервые квантовое рассмотрение проблемы излучения было предложено в 1917 г. Эйнштейном, который ввел коэффициенты Л и В ( называемые теперь коэффициентами Эйнштейна), характеризующие соответственно спонтанные ( самопроизвольные) и вынужденные ( происходящие под действием каких-либо внешних причин) переходы системы с одного энергетического уровня на другой, а также установил связь между этими коэффициентами. Основные идеи квантовой теории излучения заключаются в следующем.
www.ai08.org
