Разбираемся в физике частиц: 7) частицы – это кванты. Квантовые частицы
7) частицы – это кванты / Хабр
Вот мы, наконец, и добрались до нашей цели: понять, что на самом деле представляют собой те штуки, что мы зовём «частицами», а именно – электроны, фотоны, кварки, глюоны и нейтрино. Всё, это, конечно же относится к современной науке. Стоит помнить, что в науке нет никаких гарантий того, что текущее понимание не будет в дальнейшем углублено.
Предыдущая статья описывала, что такое поля – объекты, обладающие значением в любой точке пространства и в любой момент времени (функции от пространства и времени), удовлетворяющие уравнению движения, и физически осмысленные в плане того, что они способны переносить энергию из одного места в другое и влиять на физические процессы Вселенной.
Мы узнали, что большинство знакомых нам полей описывают свойство среды, такой, как высота верёвки или давление в газе. Но также мы узнали, что в эйнштейновской теории относительности существует особый класс полей, релятивистские поля, не требующие среды. Или, по крайней мере, если у них и есть среда, она весьма необычная. Ничто в уравнениях поля не требует наличия какой-то среды и не говорит о том, какое свойство этой среды описывают релятивистские поля. Так что пока мы будем рассматривать релятивистские поля как элементарные физические объекты вселенной, а не как определённые свойства неизвестной среды. Будет ли среди физиков поддерживаться такая точка зрения и дальше – покажет время.
Мы рассматривали два класса релятивистских полей, и теперь мы изучим их чуть подробнее. Они удовлетворяют либо уравнению движения Класса 0, где cw = c (где c – универсальный предел скорости, часто называемый «скоростью света»).
Или уравнениям движения Класса 1, где cw=c В предыдущей статье показано, что μ – минимальная частота волны в таких полях. В этой статье мы будем обозначать её νmin.Почему универсальный предел скорости часто называют скоростью света? Волны с уравнением класса 0 перемещаются со скоростью cw. Свет (общий термин, обозначающий электромагнитные волны любой частоты), перемещаясь через пустое пространство, удовлетворяет релятивистскому уравнению класса 0, поэтому волны света (и волны любых релятивистских полей, удовлетворяющих релятивистскому уравнению класса 0) перемещаются со скоростью c.
Более того, в той же статье мы видели, что если у поля класса 1 есть волна с амплитудой А, частотой ν, длиной волны λ и равновесным состоянием Z0, то уравнение движения требует, чтобы частота и длина волны были связаны с величиной μ = νmin, появляющейся в уравнениях, формулой
Это пифагорова формула – её можно при желании представить в виде треугольника, как на рис. 1. Минимальная частота любой волны равна νmin, а присвоение ν = νmin (и, следовательно, при λ → ∞), соответствует сжатию треугольника до вертикальной линии (рис. 1, внизу). Также можно получить схожее соотношение класса 0, сделав μ = νmin нулевым. Потом можно извлечь квадратный корень, и получить Это уже треугольник, сжатый до горизонтальной линии (рис. 1, справа). В этом случае минимальная частота равна нулю. Поле может колебаться как угодно медленно.Рис. 1
Релятивистские квантовые поля
Реальный мир – квантово-механический, поэтому амплитуда А не может быть любой. Она принимает дискретные значения, пропорциональные квадратному корню из n, неотрицательного целого числа, обозначающего количество квантов колебаний в волне. Хранящаяся в волне энергия равна Где h – постоянная Планка, обязательно появляющаяся там, где квантовая механика имеет значение. Иначе говоря, энергия, связанная с каждым квантом колебаний, зависит только от частоты колебаний волны, и равна Это соотношение впервые было предложено, конкретно для волн света, Эйнштейном в 1905 году, в его объяснении фотоэлектрического эффекта.Но вспомним наше пифагорово соотношение частоты и длины волны. Если мы умножим его на h3, мы получим, что для кванта поля класса 1
Выглядит знакомо. Мы уже знаем, что любой объект в эйнштейновской теории относительности должен удовлетворять уравнению, описывающему его энергию, импульс и массу: Ещё одно пифагорово соотношение. Минимальная энергия объекта равна mc2, что напоминает утверждение о минимальной частоте, которой может обладать волна класса 1, νmin. У нас может возникнуть искушение предположить, что, вероятно, для кванта релятивистского поляРис. 2
Имеет ли это смысл? Как мы отмечали, в релятивистские поля класса 0 входят и электрические поля, а их волны – это электромагнитные волны, то есть, свет. Версия формулы (*), которую мы получаем для квантов класса 0, такая же, как для полей класса 1, у которых μ = νmin приравнивается к нулю – то есть, m = 0. Извлечём квадратный корень, и получим
Или Эйнштейновское уравнение для безмассовых частиц. А кванты электромагнитных волн (включая все виды света: видимый, ультрафиолет, инфракрасный, радиоволны, гамма-излучение, и т.п., отличающиеся только частотой, и, следовательно, энергией квантов) и правда будут безмассовыми частицами – как только мы применим указанную выше пару уравнений (**) и (***). Это фотоны.Из уравнения (***) мы, наконец, можем подсчитать массу частицы. Каждая обладающая массой частица – это квант поля класса 1. Минимальная частота таких волн равна νmin. Минимальная энергия одного кванта такой волны равна h, помноженной на частоту. А масса частицы – просто минимальная энергия, делённая на c2.
Заключим: частицы природы – это кванты релятивистских квантовых полей. Безмассовые частицы – это кванты волн полей, удовлетворяющих уравнению класса 0. Обладающие массой соответствуют полям уравнения класса 1. Всяких деталей существует множество, но этот факт – одно из основных фундаментальных свойств нашего мира.
Действительно ли эти кванты ведут себя как частицы?
Мы представляем себе частицы, как частички пыли или песчинки. Кванты в этом смысле частицами не являются – это волны, у которых для определённой частоты есть минимальные энергия и амплитуда. Но они ведут себя так похоже на частицы, что нас можно простить за использование слова «частица» в их описании. Посмотрим, почему так.Если поднять волну в воде, и позволить ей пройти через камни, лежащие неглубоко под поверхностью, часть волны перейдёт линию камней, а часть отразится, как показано на рис. 3. То, какая именно часть волны перейдёт линию, зависит от формы камней, их близости к поверхности, и т.п. Но суть в том, что часть волны передаётся через камни, а часть отразится. Часть энергии волны пойдёт в том же направлении, часть пойдёт в обратном.
Рис. 3
Но если вы отправите один фотон в сторону отражающего стекла, этот фотон либо пройдёт сквозь него, либо отразится (рис. 4). Точнее сказать, если вы измерите поведение фотона, то узнаете, отразился он или передался. Если не измерите – невозможно будет сказать, что произошло. Добро пожаловать в болото квантовой механики. Фотон – это квант. Его энергию нельзя поделить на часть, которая прошла через стекло, и часть, которая отразилась – потому что тогда с каждой стороны будет меньше одного кванта, что запрещено. (Мелкий шрифт: стекло не меняет частоту фотона, поэтому энергию нельзя разделить между двумя или более квантами меньших частот). Так что фотон, хотя это и волна, ведёт себя как частица в этом случае. Он либо отражается от стекла, либо нет. Отражается он, или нет – этого квантовая механика не предсказывает. Она даёт только вероятность отражения. Но она предсказывает, что, что бы там ни произошло, фотон будет путешествовать как единое целое и сохранять свою идентичность.
Рис. 4
А что будет с двумя фотонами? Это зависит. К примеру, если фотоны испущены в разное время из разных мест, то наблюдатель увидит два кванта, разделённых в пространстве, и, вероятно, двигающихся в разных направлениях (рис. 5). У них могут быть и разные частоты.
Рис. 5: независимые кванты
В особом случае, когда два фотона испускаются совместно и идеально синхронно (как в лазерах), они ведут себя, как показано на рис. 6. Если мы отправим комбинацию из двух фотонов на стекло, то сможет случиться не две, а три вещи. Либо оба фотона пройдут через стекло, либо оба отразятся, либо один пройдёт, а другой отразится. От стекла отразятся 0, 1 или 2 фотона – других вариантов нет. В этом смысле кванты света опять ведут себя, как частицы, как маленькие мячики – если бросить два мяча в решётку, в которой есть отверстия, то от решётки смогут отразиться 0, 1 или 2 мяча, и через отверстия пройдут 0, 1 или 2 мяча. Не существует возможности, в которой от решётки отразится 1,538 мяча.
Рис. 6
Но это фотоны, которые, не имея массы, обязаны двигаться со скоростью света и E = p c. Что насчёт частиц с массой, вроде электронов? Электроны – это кванты электрического поля, и, как и фотоны, их можно испускать, поглощать, отражать или передавать как единое целое. У них есть определённые энергия и импульс, , где me — это масса электрона. Отличие электронов от фотонов в том, что они движутся медленнее света, поэтому могут и покоиться. Зарисовка такого события (в квантовой механике из-за принципа неопределённости ничто не может быть по-настоящему статичным) стационарного электрона дана на рис. 7. Это волна минимальной частоты, полученной присвоением длине волны очень большого, практически бесконечного, значения. Поэтому пространственная форма волны на рис. не демонстрирует никаких извилин – она просто колеблется во времени.
Рис. 7
Так что, да, на самом деле кванты ведут себя очень похоже на частицы, и потому называть электроны, кварки, нейтрино, фотоны, глюоны, W-частицы и частицы Хиггса «частицами» не будет катастрофическим обманом. Но слово «квант» подходит для этого лучше – потому что это именно кванты.
Чем фермионы и бозоны отличаются друг от друга
Именно поэтому из фотонов можно делать лазеры – поскольку они бозоны, они могут находиться в одинаковом состоянии и порождать мощный луч одного света. Но лазер нельзя сделать из электронов, являющихся фермионами.
Как проявляет себя это различие на языке математики? Оказывается, что приводимые мною формулы подходят для бозонов, а для фермионов их нужно изменить – слегка, но с большими последствиями. Для бозонов у нас будет:
Что означает, что энергия каждого кванта равна h ν. Это подразумевает, что кванты-бозоны могут делать одно и то же; когда n больше 1, у бозонного поля волна будет состоять из нескольких квантов, колеблющихся и движущихся совместно. Но для фермионов: Энергия одного кванта всё ещё равна h ν, так что всё обсуждение частиц и их энергий, импульса и масс остаётся в силе. Но количество квантов у электронной волны может равняться только 0 или 1. Десять электронов, в отличие от десяти фотонов, нельзя организовать в одну волну большей амплитуды. Поэтому не существует фермионных волн, состоящих из большого количества фермионов, колеблющихся и движущихся совместно.Квантовая частица Википедия
Элемента́рная части́ца — собирательный термин, относящийся к микрообъектам в субъядерном масштабе, которые невозможно расщепить на составные части[1].
Следует иметь в виду, что некоторые элементарные частицы (электрон, нейтрино, кварки и т. д.) на данный момент считаются бесструктурными и рассматриваются как первичные фундаментальные частицы[2]. Другие элементарные частицы (так называемые составные частицы, в том числе частицы, составляющие ядро атома — протоны и нейтроны) имеют сложную внутреннюю структуру, но, тем не менее, по современным представлениям, разделить их на части невозможно по причине эффекта конфайнмента.
Всего вместе с античастицами открыто более 350 элементарных частиц. Из них стабильны фотон, электронное и мюонное нейтрино, электрон, протон и их античастицы. Остальные элементарные частицы самопроизвольно распадаются по экспоненциальному закону с постоянной времени от приблизительно 1000 секунд (для свободного нейтрона) до ничтожно малой доли секунды (от 10−24 до 10−22 с для резонансов).
Строение и поведение элементарных частиц изучается физикой элементарных частиц.
Все элементарные частицы подчиняются принципу тождественности (все элементарные частицы одного вида во Вселенной полностью одинаковы по всем своим свойствам) и принципу корпускулярно-волнового дуализма (каждой элементарной частице соответствует волна де-Бройля).
Все элементарные частицы обладают свойством взаимопревращаемости, являющегося следствием их взаимодействий: сильного, электромагнитного, слабого, гравитационного. Взаимодействия частиц вызывают превращения частиц и их совокупностей в другие частицы и их совокупности, если такие превращения не запрещены законами сохранения энергии, импульса, момента количества движения, электрического заряда, барионного заряда и др.
Основные характеристики элементарных частиц: время жизни, масса, спин, электрический заряд, магнитный момент, барионный заряд, лептонный заряд, странность, изотопический спин, чётность, зарядовая чётность, G-чётность, CP-чётность.
Классификация
По времени жизни
Все элементарные частицы делятся на два класса:
По массе
Все элементарные частицы делятся на два класса:
По величине спина
Все элементарные частицы делятся на два класса:
По видам взаимодействий
Элементарные частицы делятся на следующие группы:
Составные частицы
Фундаментальные (бесструктурные) частицы
- Лептоны — фермионы, которые имеют вид точечных частиц (то есть не состоящих ни из чего) вплоть до масштабов порядка 10−18 м. Не участвуют в сильных взаимодействиях. Участие в электромагнитных взаимодействиях экспериментально наблюдалось только для заряженных лептонов (электроны, мюоны, тау-лептоны) и не наблюдалось для нейтрино. Известны 6 типов лептонов.
- Кварки — дробнозаряженные частицы, входящие в состав адронов. В свободном состоянии не наблюдались (для объяснения отсутствия таких наблюдений предложен механизм конфайнмента). Как и лептоны, делятся на 6 типов и считаются бесструктурными, однако, в отличие от лептонов, участвуют в сильном взаимодействии.
- Калибровочные бозоны — частицы, посредством обмена которыми осуществляются взаимодействия:
Адроны и лептоны образуют вещество. Калибровочные бозоны — это кванты разных типов взаимодействий.
Кроме того, в Стандартной модели с необходимостью присутствует хиггсовский бозон, предсказанный в 1964 году и обнаруженный в 2012 году на Большом адронном коллайдере.
Размеры элементарных частиц
Несмотря на большое разнообразие элементарных частиц, их размеры укладываются в две группы. Размеры адронов (как барионов, так и мезонов) составляют около 10−15 м, что близко к среднему расстоянию между входящими в них кварками. Размеры фундаментальных, бесструктурных частиц — калибровочных бозонов, кварков и лептонов — в пределах погрешности эксперимента согласуются с их точечностью (верхний предел диаметра составляет около 10−18 м) (см. пояснение). Если в дальнейших экспериментах окончательные размеры этих частиц не будут обнаружены, то это может свидетельствовать о том, что размеры калибровочных бозонов, кварков и лептонов близки к фундаментальной длине (которая весьма вероятно[4] может оказаться планковской длиной, равной 1,6·10−35 м).
Следует отметить, однако, что размер элементарной частицы является достаточно сложной концепцией, не всегда согласующейся с классическими представлениями. Во-первых, принцип неопределённости не позволяет строго локализовать физическую частицу. Волновой пакет, представляющий частицу как суперпозицию точно локализованных квантовых состояний, всегда имеет конечные размеры и определённую пространственную структуру, причём размеры пакета могут быть вполне макроскопическими — например, электрон в эксперименте с интерференцией на двух щелях «чувствует» обе щели интерферометра, разнесённые на макроскопическое расстояние. Во-вторых, физическая частица меняет структуру вакуума вокруг себя, создавая «шубу» из кратковременно существующих виртуальных частиц — фермион-антифермионных пар (см. Поляризация вакуума) и бозонов-переносчиков взаимодействий. Пространственные размеры этой области зависят от калибровочных зарядов, которыми обладает частица, и от масс промежуточных бозонов (радиус оболочки из массивных виртуальных бозонов близок к их комптоновской длине волны, которая, в свою очередь, обратно пропорциональна их массе). Так, радиус электрона с точки зрения нейтрино (между ними возможно только слабое взаимодействие) примерно равен комптоновской длине волны W-бозонов, ~3×10−18 м, а размеры области сильного взаимодействия адрона определяются комптоновской длиной волны легчайшего из адронов, пи-мезона (~10−15 м), выступающего здесь как переносчик взаимодействия.
История
Первоначально термин «элементарная частица» подразумевал нечто абсолютно элементарное, первокирпичик материи. Однако, когда в 1950-х и 1960-х годах были открыты сотни адронов с похожими свойствами, стало ясно, что по крайней мере адроны обладают внутренними степенями свободы, то есть не являются в строгом смысле слова элементарными. Это подозрение в дальнейшем подтвердилось, когда выяснилось, что адроны состоят из кварков.
Таким образом, физики продвинулись ещё немного вглубь строения вещества: самыми элементарными, точечными частями вещества сейчас считаются лептоны и кварки. Для них (вместе с калибровочными бозонами) применяется термин «фундаментальные частицы».
В активно разрабатываемой примерно с середины 1980-х теории струн предполагается, что элементарные частицы и их взаимодействия являются следствиями различных видов колебаний особо малых «струн».
Стандартная модель
Стандартная модель элементарных частиц включает в себя 12 ароматов фермионов, соответствующие им античастицы, а также калибровочные бозоны (фотон, глюоны, W- и Z-бозоны), которые переносят взаимодействия между частицами, и обнаруженный в 2012 году бозон Хиггса, отвечающий за наличие инертной массы у частиц. Однако Стандартная модель в значительной степени рассматривается скорее как теория временная, а не действительно фундаментальная, поскольку она не включает в себя гравитацию и содержит несколько десятков свободных параметров (массы частиц и т. д.), значения которых не вытекают непосредственно из теории. Возможно, существуют элементарные частицы, которые не описываются Стандартной моделью — например, такие, как гравитон (частица, гипотетически переносящая гравитационные силы) или суперсимметричные партнёры обычных частиц. Всего модель описывает 61 частицу[5].
Фермионы
12 ароматов фермионов разделяются на 3 семейства (поколения) по 4 частицы в каждом. Шесть из них — кварки. Другие шесть — лептоны, три из которых являются нейтрино, а оставшиеся три несут единичный отрицательный заряд: электрон, мюон и тау-лептон.
Античастицы
Также существуют 12 фермионных античастиц, соответствующих вышеуказанным двенадцати частицам.
Кварки
Кварки и антикварки никогда не были обнаружены в свободном состоянии — это объясняется явлением конфайнмента. На основании симметрии между лептонами и кварками, проявляемой в электромагнитном взаимодействии, выдвигаются гипотезы о том, что эти частицы состоят из более фундаментальных частиц — преонов.
См. также
Примечания
Ссылки
wikiredia.ru
Квантовые частицы - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Квантовые частицы
Cтраница 1
Квантовые частицы способны проникать в области пространства, недоступные для классических частиц. [1]
Квантовые частицы помимо волновых свойств обладают соб-ственным ( спиновым) механическим моментом. Его величина равна - ] / s ( s l) - h, где спин s - целое ( включая нуль) или полуцелое положительное число, определяемое природой частиц. Возможны 2s l состояний с заданной волновой функцией, отличающихся ориентацией спина. [2]
Квантовые частицы делятся, как известно, на фермионы - частицы с полуцелым спином - и бозоны - частицы с нулевым или целым спином. Помимо силового взаимодействия в системах, состоящих из одинаковых частиц, имеет место своеобразное взаимное влияние их друг на друга, связанное с тождественностью. [3]
Квантовые частицы в полях Керра-Ньюмена. [4]
А вот квантовые частицы принципиально неразличимы. [5]
Принцип коллапсирования мы можем распространить на все квантовые частицы, уходящие от макротел в бесконечность. Тем самым мы как бы утверждаем, что расходящаяся в бесконечность волновая функция не может быть реальным объектом, если эта функция соответствует одной единственной частице. Такая частица должна проявить себя при взаимодействии с внешним миром только в ограниченном объеме, поскольку она соответствует единой сущности. [7]
Он состоит в мысленном эксперименте, когда две квантовые частицы после взаимодействия разносятся очень далеко друг от друга. Обе частицы коррелиро-ваны между собой, и поэтому результаты измерений над одной частицей оказываются скоррелированными с результатами измерений над другой частицей. На первый взгляд это выглядит, как мгновенное дальнодействие. Не удивительно, что разными авторами в разное время обсуждалась возможность передачи сигналов быстрее скорости света с помощью коррелированных ЭПР-пар. [8]
Для квантовых систем такое задание состояния невозможно, поскольку квантовые частицы не обладают одновременно координатами и импульсами. Состояние отдельной квантовой системы в тех или иных условиях определяется совокупностью независимых физических величин ( динамических переменных), которые одновременно имеют определенные значения. Число таких величин равно числу степеней свободы квантовой системы и называется полным набором. [9]
Причина появления квантового члена состоит в том, что квантовые частицы не могут быть локализованы в областях, меньших чем длина волны де Бройля. [10]
И все же квазичастицы очень похожи на обычные, конечно, квантовые частицы. [11]
ИНДУЦИРОВАННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ( вынужденное излучение), электромагнитное поле, которое могут излучать квантовые частицы вещества ( атомы молекулы) под воздействием внешнего электромагнитного поля. [12]
В результате подобного квантования на физической сцене появляются, наряду с частицами, создающими рассматриваемое поле или создаваемыми им, новые квантовые частицы, служащие для передачи взаимодействия между исходными частицами. [13]
Из того же перестановочного соотношения вытекает и выведенное затем Гейзенбергом соотношение неопределенности сопряженных пар динамических величин, указывавшее на то, что квантовые частицы - не обычные классические частицы. [14]
Приведенные примеры показывают, что одинаковость квантовых частиц имеет гораздо более глубокую природу, чем одинаковость классических частиц. Квантовые частицы не просто одинаковы, но совершенно тождественны. [15]
Страницы: 1 2
www.ngpedia.ru
Квантовые частицы - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 2
Квантовые частицы
Cтраница 2
Все это попросту означает, что понятия классической частицы и классической волны не способны передать всю специфику свойств микромира. Электроны, фотоны и другие микрообъекты - это особые квантовые частицы или микрочастицы, в которых знакомые нам по макромиру корпускулярные и волновые свойства настолько переплетены и качественно изменены, что их следовало бы называть волночастицами. Тем самым вместо двойственной качественно отличной природы форм материи на макроуровне ( либо вещество, либо излучение) в микромире проявляется двуединая корпускулярно-волновая природа, общая для всех форм материи. [16]
ОКГ - генератор индуцированного возбужденного излучения оптического диапазона, представляющего узкий ( угол расхождения не более 1) когерентный, мощный световой поток, сосредоточенный в малом диапазоне длин волн ( в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра), характеризующийся чрезвычайно высокой плотностью. Источником возбужденного излучения является электромагнитное поле, способное излучать квантовые частицы вещества ( атомы и молекулы) под воздействием внешнего электромагнитного поля. [17]
Переходы же частиц 3 - 2 дают либо люминесценцию, либо, если созданы необходимые условия, индуцированное излучение. И, наконец, в результате безызлучательного перехода 2 - / квантовые частицы возвращаются на основной уровень. Поэтому в такой системе по сравнению с трехуровневой относительно легко достичь инверсного состояния. Поэтому для больших k функция распределения частиц по уровням в общем виде очень громоздка. [18]
Соответствующее вихревое движение можно представить состоящим из совокупности элементарных вихревых движений, которым можно придать соответствующее название ротонов, для того чтобы отличить их от фононов. Таким образом, при некоторой температуре, отличной от абсолютного нуля, мы должны себе представить жидкость как тело, в котором двигаются во все стороны такие квантовые частицы - фононы и ротоны. [19]
Трехуровневая схема накачки применяется в квантовых усилителях радио-диапазона ( мазерах) и в оптич. С др. стороны, в условиях теплового равновесия при обычных темп - pax практически все квантовые частицы находятся на самом ниж. Выбрав вещество с четырьмя уровнями энергии, при благоприятных соотношениях скоростей релаксац. [21]
Теплопроводность твердых тел в зависимости от типа твердого тела имеет различную природу. В диэлектриках, не имеющих свободных электрических зарядов, перенос энергии теплового движения осуществляется фононами. Фононы представляют собой квазичастицы ( элементарные возбуждения конденсированной среды, ведущие себя в некоторых отношениях как квантовые частицы), сопоставляемые волне смещений атомов ( ионов) и молекул кристалла из положений равновесия. [22]
Эта задача непосредственно связана с квантово-механическим описанием молекул, поскольку именно такой вид имеет выражение для электронной подсистемы молекулы в адиабатическом приближении. В этом случае ядра рассматриваются как классические частицы, являющиеся источником классического внешнего поля, в котором движутся электроны, рассматриваемые как квантовые частицы. В данной главе основное внимание обращено на отличие случая TV электронов от случая одного электрона. [23]
Фрейду, мы делим духовный мир на области сознания и бессознательного. Вышеописанная модель динамического мышления описывает бессознательные процессы. Рассматриваемое поле ( ведущая волна) сознания является чисто информационным полем. В частности, оно не переносит настоящей физической энергии. Одной из важнейших отличительных черт стандартной теории ведущей волны, используемой в обычной физической квантовой механике, является нелокальность. Квантовые частицы, находящиеся на огромных расстояниях друг от друга, могут взаимодействовать с помощью так называемого квантового потенциала при полном отсутствии классических взаимодействий. В модели духовной ведущей волны ( поля сознания) духовные объекты ( мысли, идеи, образы, чувства) могут взаимодействовать при полном отсутствии классических физических и духовных взаимодействий. [24]
Имеются более определенные данные о наличии черных дыр в ядрах других галактик. Третий тип черных дыр, которые не запрещены теоретически, правда, экспериментальных указаний на их существование пока нет - это реликтовые черные дыры относительно малой массы и микроскопических размеров. Согласно квантовой теории, черная дыра испускает частицы с тепловым спектром ( квантовое испарение Хокинга), преимущественно гравитоны, фотоны и нейтрино. Черная дыра с массой порядка массы астероида ( - 1015 г), образовавшаяся на начальной стадии космологического расширения, к настоящему моменту должна почти полностью испариться, при этом заключительная фаза испарения будет иметь взрывной характер. В заключение заметим, что квантовое испарение не противоречит классическому свойству горизонта событий как односторонней мембраны, поскольку квантовые частицы подчиняются соотношению неопределенностей и не являются строго локализованными. Можно считать, что черная дыра рождает частицы вне горизонта, такие частицы могут уходить на бесконечность, если они обладают достаточной энергией. [25]
Страницы: 1 2
www.ngpedia.ru
краткий обзор квантовой реальности — Мегаобучалка
Согласно ньютоновскому механистическому взгляду на космос, Вселенная мыслится как состоящая из частиц, чье поведение можно узнать и предсказать в любой момент времени. Эго что-то вроде шаров на бильярдном столе. Если у нас есть информация о силе, с которой один шар ударяется о другой (скорость, угол и так далее), мы сможем предсказать, куда и как быстро покатится ударяемый шар. А если и он на своем пути ударит другие шары, мы и в этом случае будем знать, куда и как быстро они покатятся. Такая метафора — ключ к механистическому пониманию Вселенной, согласно которому мельчайшие частички вещества нашего мира, суть отдельные объекты.
Квантовая физика смотрит на Вселенную иначе. За последние годы ученые создали приборы, благодаря которым стало возможно фиксировать странности, а порой и чудеса в поведении квантовой энергии — квинтэссенции Вселенной и наших тел. Установлено, например, что:
* квантовая энергия присутствует повсюду и может существовать в двух различных состояниях: как частицы и как волны;
* квантовая частица может находиться как в одном, так и в нескольких местах одновременно; интересно, что, как бы далеко квантовые частицы ни находились друг от друга физически, они действуют так, словно по-прежнему взаимосвязаны;
* квантовые частицы взаимодействуют между собой и в прошлом, и в будущем. Они не ограничены нашими концепциями прошлого, настоящего и будущего; для квантовой частицы существуют лишь понятия «здесь» и «сейчас».
Все эти факторы очень важны, поскольку мы сами состоим из тех же квантовых частиц, которые могут вести себя чудесным образом, если создать для них подходящие условия. Здесь напрашивается вопрос: если квантовые частицы не ограничены «законами» физики — по крайней мере в том виде, как они нам известны сегодня, — и если мы сами состоим из этих частиц, то можем ли мы тоже творить чудеса? Другими словами, указывает ли та свобода во времени и пространстве, которую демонстрируют квантовые частицы, на то, что такая же свобода возможна и в нашей жизни? Исходя из исследований, документов и непосредственного опыта тех, кто перешагнул рамки своих убеждений, я безоговорочно убежден, что ответ на этот вопрос — твердое «да».
Убеждение-код № 4: Если частицы, из которых мы состоим, мгновенно сообщаются друг с другом, могут одновременно находиться в двух местах и даже меняют свое прошлое с помощью выбора, сделанного в настоящем, значит, это же можем и мы.
Единственное различие между этими частицами, связанными между собой загадочным нечто, заполняющим пространство, которое мы привыкли называть «пустым», и нами состоит в том, что мы скомпонованы из их великого множества. Но что это за связующее нечто, признанное наукой совсем недавно и позволяющее нам совсем иначе, чем прежде, взглянуть на свою роль во Вселенной?
В 1944 году Макс Планк, человек, которого многие считают отцом квантовой теории, потряс мир, заявив, что существует энергетическая «матрица», которая является чертежом или схемой физического мира. Матрица — это то место чистой энергии, откуда начинается все — от рождающихся звезд и ДНК до сокровенных взаимоотношений между людьми, мира между народами и личного здоровья. Готовность признать существование Матрицы еще только-только зреет в умах представителей современной науки, поэтому ученые пока согласились только с самим названием.
Одни называют ее просто «полем». Другие используют различные термины, варьирующиеся от технических («квантовая голограмма») до почти духовных («Ум Бога» и «ум «природы»). В своей предыдущей книге я привел доказательства существования этого поля как связующего мостика между наукой и духовностью и называл его «Божественной матрицей». Добытые экспериментальным путем доказательства того, что матрица Планка реальна, дают нам не достававшее ранее звено, соединяющее наш духовный опыт (веру, воображение и молитву) с теми научно-техническими чудесами, которые мы видим в окружающем мире.
Заявление Планка навсегда изменило имеющиеся у нас представления о собственном теле, о мире и нашей роли во Вселенной. Оно подразумевает, что мы представляем собой нечто гораздо большее, чем просто «наблюдателей», рождающихся, как утверждают ученые, среди уже существующего творения на короткий миг времени. Оказывается, мы способны непосредственно влиять на волны и частицы Вселенной. Короче говоря — Вселенная откликается на нашу веру и наши убеждения.
Именно это различие в наших представлениях о себе как о могущественных творцах реальности или как о пассивных наблюдателях стало сущностным моментом острейших прений между величайшими умами современной истории, результаты которых просто ошеломляют.
Альберт Эйнштейн в автобиографических заметках не скрывает своего убеждения в том, что мы в целом оказываем очень незначительное влияние на Вселенную и счастье, если есть возможность понять хотя бы малую ее часть. «Мы живем в мире, — говорит Эйнштейн, — который существует независимо от нас, людей, и который предстает перед нами как огромный, вечный, загадочный и по меньшей мере лишь частично доступный для исследования и обдумывания».
В противоположность взгляду Эйнштейна, с которым и сегодня по-прежнему согласно большинство ученых, его коллега физик, почетный член Принстонского университета Джон Уилер выдвигает совершенно иной взгляд на нашу роль в мироздании. Исследования Уилера дают нам полное право полагать, что мы живем во Вселенной, в которой сознание не только важно, но и поистине созидательно, — другими словами, в «соучаствующей Вселенной».
Объясняя свою позицию, Уилер говорит: «Мы вряд ли можем представить себе Вселенную, в которой бы нигде, ни на каком временном отрезке ее протяженности, не было бы наблюдателей, поскольку строительным материалом этой Вселенной являются действия самих наблюдателей-соучастников».
Радикальный сдвиг! Согласно интерпретации наших взаимоотношений с окружающим миром, предлагаемой Уилером, мы не можем просто смотреть, как мир живет и действует вокруг нас. Мы не можем быть просто наблюдателями, поскольку акт наблюдения за веществом, из которого все сформировано, сам по себе является актом творения. Наблюдая, мы создаем и видоизменяем создаваемое. Иногда результат нашего наблюдения почти неощутим и не проявлен. А иногда, как мы убедимся из последующих глав, — наоборот. Как бы то ни было, открытия, сделанные за последнее столетие, позволяют утверждать, что акт наблюдения за миром есть сам по себе акт творения. И это творение вершится именно сознанием.
Такие открытия, несомненно, подтверждают предположение Уилера, призывающего нас перестать считать себя просто зрителями, не оказывающими никакого влияния на мир, за которым мы наблюдаем. Когда мы взираем на свою жизнь, на свои отношения и карьеру, на свою глубочайшую любовь и свои величайшие достижения, так же как и на одолевающие нас страхи, — мы, по сути, пристально смотримся в зеркало собственных осознанных и неосознанных убеждений.
Архитекторы жизни
Посредством своих убеждений мы образуем мост между всем, что мы в состоянии вообразить, и реальностью. Именно сила наших представлений о самих себе является для нас источником высочайших устремлений и величайших мечтаний, которые делают Вселенную такой, какова она есть. И если вся Вселенная слишком велика, чтобы думать о ней, — что ж, не беда, мы можем начать с мыслей о самих себе и о том, что нас непосредственно окружает.
Подумайте о своей связи с той комнатой, где вы сидите, и с машиной, которую вы водите. Думая о них, спросите себя: «Какую роль я сыграл в том, чтобы попасть сюда? Как я попал в это самое место в этот самый момент?» А затем по-думайте о том, как время, пространство, энергия и материя загадочным и непостижимым образом сошлись в одной точке, чтобы доставить вас в этот самый момент времени, и задайте себе вопрос: «Случайно ли это?»
Неужели вы просто случайное дитя биологии, энергии и материи, столь же случайно оказавшееся в данном отрезке времени? Если на этот вопрос вы ответите «нет», тогда вам понравится то, что за этим последует. Ибо если вы искренне убеждены, что являетесь чем-то большим, нежели просто игрой случая, времени, пространства и энергии, неужели вы поверите, что оказались в мире стольких квантовых возможностей без шанса выбрать одну из них?
Признать, что мы играем центральную роль в том, как ведет себя повседневная реальность, — значит признать, что мы каким-либо образом взаимодействуем с сущностью Вселенной. А для этого мы должны также признать нижеследующее.
Убеждение-код № 5: Наши убеждения обладают силой менять поток событий во Вселенной, в буквальном смысле прерывая и переориентируя время, материю, пространство и те события, которые происходят в рамках времени и пространства.
Когда мы выбираем новую карьерную стезю, пускаемся в новые отношения, решаем избавиться от смертельно опасной болезни или же делаем нечто противоположное всему этому, мы действительно переписываем код реальности. Если мы подумаем обо всех возможных результатах, проистекающих из всех решений, принимаемых нами ежедневно, нам станет ясно, что наш, казалось бы, незначительный выбор может вызывать последствия, далеко выходящие за пределы того, что мы считаем своей личной жизнью. Ясно, что во Вселенной, где каждый очередной опыт строится на результатах предшествующего опыта, необходимы все и каждый из них. Не существует «напрасного» выбора, поскольку каждый опыт и каждый выбор насущно необходимы. Всем им надлежит быть там, где они есть, ибо только тогда они повлекут за собой другие опыты и выборы.
Тогда, например, наше неожиданное решение помочь человеку, заблудившемуся в аэропорту, или готовность понять, почему мы гневаемся, прежде чем обрушить свой гнев на головы тех, кто этого не заслуживает, приобретают новый смысл. Каждый сделанный нами выбор приводит в движение волну изменений не только в нашей собственной жизни, но и в окружающем мире.
Поэтому подумайте обо всем, что случилось с вами с момента, предшествовавшего вашему рождению, и до того, когда вы оказались в том месте, где находитесь сейчас. Подумайте о сотнях миллионов крошечных частичек звездной пыли, которые появились во Вселенной в момент ее рождения. Подумайте, где были эти частички и как они надлежащим образом сошлись, чтобы могли появиться «вы», каковы вы есть сегодня. И тогда вам станет совершенно ясно, что нечто, а именно — некая разумная сила, удерживает все те частички вместе прямо сейчас, в тот самый момент, когда вы читаете эти строки.
Именно эта сила и делает наши убеждения столь мощными. И если мы сумеем вступить с ней в контакт, то сможем изменить схему поведения, в соответствии с которой действуют в этом мире «наши» частички. Другими словами, тогда у нас появится возможность переписать код реальности.
Некоторые современные ученые (и их число с каждым годом увеличивается) сравнивают Вселенную с масштабной и невероятно древней виртуальной реальностью, причем в буквальном смысле. Благодаря такому сравнению наш повседневный мир мыслится как имитация, функционирующая во многом так же, как «голодек» (голографический отсек космического корабля) в телевизионном сериале «Стар трек: следующее поколение», выпущенном на экраны в 1987 году.
Постигая законы этой древней и постоянно действующей программы реальности, мы постепенно, этап за этапом, поймем, как изменить обстоятельства, порождающие страх, войну и болезни, терзавшие нас в прошлом. Под действием подобного образа мышления все приобретет совершенно новый смысл. Сколь бы умозрительно и фантастически ни звучало подобное предположение, это лишь один из возможных результатов, непосредственно вытекающих из нового мощного образа мышления и новых представлений о Вселенной.
Но всему свой черед. Давайте пока вернемся к общей идее реальности как программы. Каким же образом нечто столь огромное и необъятное, как целая Вселенная, может функционировать подобно компьютеру?
Простота ответа на этот вопрос, возможно, вас удивит.
megaobuchalka.ru
КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ МНОГИХ ЧАСТИЦ - это... Что такое КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ МНОГИХ ЧАСТИЦ?
- совокупность теоретич. методов, применяемых для описания квантовомеханич. систем, состоящих более чем из двух частиц. Поскольку Шрёдингера уравнение для таких систем не может быть решено точно, речь идёт о приближённых методах. вторичного квантования. Координатное и импульсное представления в этом случае менее удобны, поскольку число измерений пространства, в к-ром пишется это ур-ние, растёт с увеличением числа частиц. квазичастиц )и кинетических коэффициентов системы. возмущений теория, применяемая в случаях, когда потенц. энергия взаимодействия между частицами достаточно мала. Для двух частиц, взаимодействующих посредством потенциала с конечным радиусом действия, условие этой малости состоит в малости амплитуды рассеяния по сравнению с радиусом действия. Для частиц, взаимодействующих по закону Кулона, оно сводится к требованию малости потенц. энергии по сравнению с кинетической на расстоянии порядка длины волны. Формальное применение теории возмущений приводит к выражениям для характеризующих систему величин в виде ряда по целым степеням потенц. энергии. В нек-рых случаях члены этого формального ряда оказываются бесконечными - содержащими расходящиеся интегралы, что обычно свидетельствует об ошибочности предположения о разложимости по целым степеням потенциала, даже при условии применимости теории возмущений для взаимодействия двух частиц. В этом случае для получения конечного результата приходится суммировать бесконечные последовательности наиболее расходящихся членов ряда. Характерным примером является вычисление термодинамич. ф-ций системы заряж. частиц, где для получение конечного результата необходимо учитывать экранировку потенциала каждой из частиц остальными частицами. Др. пример - вычисление энергии осн. состояния слабонеидеального бозе-газа, в к-ром отличное от нуля значение энергии возникает только при учёте взаимодействия. В обоих случаях разложение термодинамич. ф-ций системы содержит дробные степени потенциала взаимодействия. Своеобразна ситуация в сверхпроводниках, где термодинамич. ф-ции электронного газа содержат экспоненциально малые по потенциалу взаимодействия члены. Эти члены исчезают в любом порядке теории возмущений, однако именно с ними связан сверхпроводящий фазовый переход. распределение частиц системы по импульсам (см. Грина функция в статистической физике). Каждый член ряда теории возмущений изображается в диаграммной технике в виде совокупности нескольких диаграмм Фейнмана, для аналитич. записи к-рых существуют стандартные правила (см.Фейнмана диаграммы). Диаграммная техника оказывается особенно эффективной для упомянутого выше суммирования наиболее расходящихся членов ряда теории возмущений. Разл. диаграммы в одном и том же порядке теории возмущений имеют разл. физ. смысл и могут обладать разной степенью расходимости. Суммирование расходимостей в этом случае сводится к имеющему наглядный физ. смысл выделению определ. графич. последовательностей диаграмм. Важное преимущество диаграммной техники - возможность корректной оценки отброшенных членов и тем самым определения условий применимости сделанных приближений. Боголюбова уравнения). Большие возможности открывает запись ф-ций Грина в виде бесконечнократного функционального интеграла. Для приближённого вычисления последнего существуют методы, принципиально отличные от теории возмущений, напр., перевала метод. Если условие применимости теории возмущений для взаимодействия пар частиц не выполняется, но система является настолько разреженной, что амплитуда рассеяния двух частиц мала по сравнению с межчастичным расстоянием, применимо приближение вириального разложения. Характеризующие систему физ. величины получаются в виде ряда по степеням плотности числа частиц, причём последоват. члены ряда соответствуют взаимодействию пар, троек и т. д. частиц и выражаются через амплитуды парного рассеяния и амплитуды рассеяния более высоких порядков. потенциал медленно меняется на расстоянии порядка длины волны электрона. Электроны в таком атоме можно рассматривать как квазиклассич. ферми-газ, находящийся во внеш. поле, определяющемся самим распределением электронов. Для этого потенциала получается замкнутое ур-ние Томаса - Ферми (см. Томаса - Ферми метод). В том случае, когда при постановке многочастичной задачи не удаётся найти малый параметр, используя малость к-poro можно искать приближённое решение, важную роль играют вариац. методы. Эти методы основаны на том обстоятельстве, что ср. энергия системы, вычисленная для нек-рой нормированной волновой ф-ции, будет минимальна при вычислении по истинной волновой ф-ции осн. состояния. Аналогично волновая ф-ция первого возбуждённого состояния имеет мин. энергию среди всех ф-ций, ортогональных к ф-ции осн. состояния, и т. д. Простейший вариант применения этого метода состоит в подборе нек-рой ф-ции, удовлетворяющей определённым общим требованиям и зависящей от нескольких параметров. Минимизация энергии по этим параметрам может дать достаточно точные результаты, особенно в системе из небольшого числа частиц. Точность зависит при этом от удачного выбора вида "пробной" ф-ции, близкого к виду истинной волновой ф-ции. точность даёт метод самосогласованного поля (Хартри - Фока метод). Этот метод состоит в том, что волновая ф-ция системы электронов записывается в виде линейной комбинации произведений ф-ции, каждая из к-рых зависит от координат только одного электрона. Линейные комбинации подбираются таким образом, чтобы удовлетворитьнеобходимым условиям симметрии, соответствующим, напр., определ. значениям орбитального момента атома. Для самих же одночастичных ф-ций в результате минимизации энергии получается нелинейное ур-ние типа ур-ния Шрёдингера с потенциалом, зависящим от самих волновых ф-ций. Можно сказать, что электрон движется в самосогласованном поле, определяемом всеми остальными электронами. В отличие от уравнения Томаса - Ферми, для этого потенциала, однако, не предполагается применимость квазиклассического приближения. Большие успехи достигнуты при исследовании электронных свойств металлов. Наиб. интерес представляет расчёт энергетич. спектров электронов в зоне проводимости. Важную роль здесь играет метод псевдопотенциала (см. Зонная теория). В простейшем варианте этого метода волновые ф-ции электронов заполненных зон принимаются равными волновым ф-циям свободных ионов, а волновые ф-ции электронов в зоне проводимости выбираются в виде линейной комбинации плоских волн и волновых ф-ций заполненных оболочек так, чтобы эти комбинации были ортогональны к волновым ф-циям заполненных оболочек. В результате задача сводится к ур-нию типа ур-ния Шрёдингера, в к-ром, однако, вместо потенциала стоит линейная комбинация обычного самосогласованного потенциала и нек-рого связанного с упомянутой ортогонализацией выражения, зависящего от энергии состояния и волновых ф-ций электронов в ионах. Эту сумму и наз. псевдопотенциалом. Он оказывается относительно малым из-за компенсации указанных двух членов, так что ур-ние можно решать по теории возмущений. Это позволяет получить весьма полную информацию о свойствах конкретных металлов. В частности, малость псевдопотенциала позволила объяснить известную эмпирически близость мн. наблюдаемых свойств электронов в металлах к свойствам невзаимодействующих электронов. Лит.: Г о м б а ш П., Проблема многих частиц в квантовой механике, пер. с нем., М., 1952; Абрикосов А. А., Горьков Л. П., Д з я л о ш и н с к и й И. К., Методы квантовой теории поля в статистической физике, М., 1962; Xаррисон У., Псевдопотенциалы в теории металлов, пер. с англ., М., 1968; Mapч Н., Янг У., Сампантхар С., Проблема многих тел в квантовой механике, пер. с англ., М., 1969; Займан Дж., Современная квантовая теория, пер. с англ., М., 1971; Л и п к и н Г., Квантовая механика, пер. с англ., М., 1977; Л и ф ш и ц Е. М., П и т а е в с к и й Л. П., Статистическая физика, ч. 2, М., 1978. Л. П. Питаевский.
Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.
dic.academic.ru
Квантовое состояние - частица - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Квантовое состояние - частица
Cтраница 1
Квантовые состояния частицы характеризуются дискретным набором возможных энергий - энергетическими уровнями. Каждый энергетический уровень включает в себя ряд состояний, одинаковых по энергии, но различных по некоторым другим характеристикам. [1]
Число квантовых состояний частицы с соответствующей ей длиной волны К, находящейся в объеме V, равно, как было показано в гл. Для электронов также необходимо введение множителя 2, так как каждый электрон может иметь два направления спина. [2]
Понятие квантового состояния частицы в системе справедливо в тех случаях, когда взаимод. [3]
Суммирование проводится по всем квантовым состояниям частиц. [4]
Определив обращенную во времени эволюцию квантового состояния частицы, необходимо проверить, что она описывается уравнением Шредингера. [5]
При учете спина электрона обозначение л / квантового состояния частицы в центрально-симметричном поле заменяется обозначением nlj, где квантовое число у, стоящее справа внизу у латинской буквы /, характеризует полный момент электрона в данном состоянии. [6]
Ферми-Дирака, нижний знак - к статистике Бозе-Эйнштейна; суммирование проводится по всем возможным квантовым состояниям частицы. [7]
Уравнение Паули, вообще говоря, является уравнением баланса, в котором должны учитываться переходы между квантовыми состояниями частиц, их химические взаимодействия, а также - возможность генерации ( накачки) возбужденных частиц под действием внешних по отношению к данной системе воздействий. [8]
Монохроматичность лазерного излучения и избирательный характер взаимодействия излучения с частицами обеспечивают сильно выраженную селективность возбуждения в веществе определенных квантовых состояний частиц, соответствующих резонансным условиям их взаимодействия с полем излучения. [10]
Ферми - Дирака, нижний знак - к статистике Бозе - Эйнштейна; суммирование проводится по всем возможным квантовым состояниям частицы. [11]
В отличие от того, что было получено для координаты и импульса, здесь правая часть зависит от квадрата среднего значения координаты z, т.е. от величины, присущей заданному квантовому состоянию частицы. Поэтому подобные соотношения несколько менее популярны, хотя и они подчас позволяют получить полезные выводы. В качестве достаточно тривиального вывода можно отметить, например, тот, что если функция, с которой вычисляются все величины в последнем соотношении неопределенностей, собственная для оператора L с нулевым собственным значением, то г также должно равняться обязательно нулю. [12]
Если температура идеального газа ( при заданной его плотности) достаточно низка, то статистика Болыщана становится неприменимой, и должна быть построена другая статистика, в которой средние числа заполнения различных квантовых состояний частиц не предполагаются малыми. [13]
Если температура идеального газа ( при заданной его плотности) достаточно низка, то статистика Больцмана становится неприменимой, и должна быть построена другая статистика, в которой средние числа заполнения различных квантовых состояний частиц не предполагаются малыми. [14]
Различие симметричных и антисимметричных волновых функций состоит в том, что первые не изменяют своего знака при перестановке любой пары а и Ь частиц системы ( т.е. при пе еходе к состоянию системы, в котором частица а находится в прежнем квантовом состоянии частицы Ь, а частица Ь в нреж. Ls, спинов этих частиц на направление вектора Н внешнего магнитного поля и не изменяется при любых HI eiiiiiiix воздействиях на систему частиц. [15]
Страницы: 1 2
www.ngpedia.ru
