Элементы современной физической картины мира

Наука – это неустанная многовековая работа мысли свести вместе посредством системы все познаваемые явления нашего мира.

А. Эйнштейн

Если мы хотим открывать законы природы, мы можем достичь этого лишь путем возможно более точного ознакомления с явлениями природы.

Дж. Максвелл

Итак, какова же наша картина мира? Отвечая на этот вопрос, выдающийся физик нашего времени и лауреат Нобелевской премии по физике Ричард Фейнман отметил, что если бы из-за некоей катастрофы все накопленные научные знания были бы уничтожены, и для последующих поколений живых существ сохранилось бы лишь одно предложение, то по его мнению наибольшую информацию при наименьшем количестве слов содержала бы атомная гипотеза: все тела состоят из атомов ‑ маленьких частиц, которые пребывают в бесконечном движении и притягиваются друг к другу. Как видите, в одном этом предложении содержится огромное количество информации о мире, если только к нему приложить немного размышления и воображения.

Радиус атомов 1 или 2·10^-8 см. Отрезок в 10^-8 см или 10^-10 м называется ангстрем, так что мы говорим, что атомы имеет радиус 1 или 2 ангстрема (Å). Есть способ представить себе их размер: если яблоко увеличить до размеров Земли, тогда атомы в яблоке станут размером с яблоко.

Древние греки предположили, что вещество Вселенной состоит из мельчайших «неделимых» частиц, которые они назвали атомами. Они высказали гипотезу, что точно также, как в языках алфавитного типа огромное количество слов строится путем комбинации небольшого числа букв, так и огромное разнообразие материальных объектов может быть результатом комбинации небольшого числа элементарных строительных блоков. Это было гениальным предвидением. Спустя 2000 лет мы продолжаем считать его верным, хотя представление о сущности этих строительных блоков неоднократно пересматривалось.

Сегодня мы знаем, что мельчайшие частицы вещества, сохраняющие его химические свойства ‑ это молекулы и атомы. Однако мы также знаем, что атомы в свою очередь имеют сложную структуру и состоят из атомного ядра и электронов. К началу 1930-х гг. совместными усилиями Джозефа Джона Томсона, Эрнеста Резерфорда, Нильса Бора и Джеймса Чедвика была разработана, известна большинству из нас модель строения атома, похожая на солнечную систему.

Атомные ядра состоят из нуклонов ‑ нейтронов и протонов. Нуклоны в свою очередь состоят из кварков. Но разделить нуклоны на составляющие их кварки уже нельзя. Что вовсе не означает, что кварки «элементарны». Понятие элементарности объекта в значительной мере определяется уровнем наших знаний. Поэтому привычное для нас утверждение «состоит из …» на субкварковом уровне может оказаться лишенным смысла. Понимание этого сформировалось в процессе изучения физики субатомных явлений.

Историки расходятся в том, когда началась современная научная эпоха, но несомненно начало ей положили труды Галилео Галилея (1564-1642), Рене Декарта (1596-1650) и Исаака Ньютона (1642-1727).

В то время был заложен новый метод для изучения природы – научный подход, возникший благодаря тому, что данные, полученные в ходе земных и небесных явлений, все больше указывали – все происходящее в космосе подчиняется строгому порядку, описываемому на языке математического анализа.

Первые научные исследования фокусировались на том, что можно было видеть или ощущать в повседневной жизни. Галилей сбрасывал предметы различного веса с наклонной башни (как гласит легенда) и наблюдал за скатыванием шаров по наклонной плоскости; Ньютон наблюдал за падением яблок (как гласит легенда) и изучал орбиту Луны. Ньютон затмил всех. С помощью нескольких уравнений он описал все известное о движении на Земле и в небесах и тем самым положил начало классической физике.

Даже сегодня, более чем лет спустя, уравнения Ньютона можно видеть на университетских досках по всему миру; по этим уравнениям рассчитываются траектории движения космических аппаратов. Уравнения Ньютона используются в расчетах на переднем крае науки. Ньютон описал многообразие физических явлений в рамках единого теоретического подхода.

Но, формулируя свои законы движения, Ньютон наткнулся на трудную проблему. Все знают, что объекты могут двигаться, но что представляет собой арена, на которой происходит движение? Это пространство, ‑ ответим мы. Но что такое пространство? – спросил бы Ньютон. Является ли пространство некоей физической сущностью или оно представляет собой некую абстрактную идею?

Ньютон сознавал, что надо ответить на этот ключевой вопрос, иначе, без опоры на пространство и время его  уравнения окажутся просто бессмысленными. В нескольких предложения в «Математических началах натуральной философии» Ньютон изложил свою концепцию пространства и времени, объявив их абсолютными и вечными сущностями, представляющими для Вселенной жесткую и неизменную арену. Согласно Ньютону пространство и время образуют невидимый каркас, придающий форму и структуру Вселенной. В течение двух следующих столетий его концепция абсолютного пространства и времени утвердилась как догма.

Ньютон включил в свои уравнения и силу гравитации, но только в 1860-х гг. шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл включил в классическую физику силы электричества и магнетизма. Для этого Максвеллу понадобились дополнительные уравнения, которые столь же успешно описывали явления электричества и магнетизма, как уравнения Ньютона описывали движение.

После успешного включения в классические уравнения сил электричества и магнетизма многим ученым того времени казалось, что физика становится законченной наукой. В 1984 г. известный физик Альберт Майкельсон отметил, что «большинство основополагающих принципов прочно установлены» и сослался на «именитого ученого» (большинство полагают, что это был английский физик лорд Кельвин), сказавшего, что все, что остается – это определить некоторые числа с большим числом знаков после запятой. В 1900 году Кельвин сам заявил, что горизонт омрачают лишь «два облачка», одно из которых относится к свойствам движения света, а другое – к аспектам нагретых тел.

За следующее десятилетие все изменилось – две проблемы, поставленные Кельвином были вскоре разрешены, и каждая из них вызвала целую революцию и требовала фундаментально переписать законы природы. Релятивистская революция произошла в 1905 и 1915 гг., когда Альберт Эйнштейн закончил создание своей теории относительности.

Слово «относительность» ассоциируется у нас с Эйнштейном, но это понятие возникло гораздо раньше. Галилей, Ньютон и многие другие прекрасно понимали, что скорость ‑ как ее величина, так и направление – относительна. Декарт говорил, что объекты сопротивляются изменению своего состояния движения: неподвижный объект будет оставаться неподвижным, пока кто-то или что-то не вынудит его изменить скорость или свернуть с прямой линии. Но что, ‑ спросил Ньютон, в действительности означают эти понятия «неподвижности» или «движения с постоянной скоростью по прямой линии»? Неподвижность или постоянная скорость с чьей точки зрения? Если скорость постоянна, то по отношению к чему или с чьей точки зрения она не постоянна?

Декарт сознательно опустил наиболее тонкие аспекты смысла движения, но Ньютон понял, что ключевые вопросы остались без ответа. В качестве подходящей системы отсчета он выбрал само пространство, выдвинул пустую арену, на которой мы все находимся и на которой происходит всякое движение, в качестве реальной физической сущности, которую назвал абсолютным пространством. Мы не можем прикоснуться к абсолютному пространству или ощутить его с помощью своих органов чувств, но, тем не менее, Ньютон заявил, что абсолютное пространство есть нечто. Это есть то, что дает самую правильную систему отсчета для описания движения. Объект по-настоящему неподвижен, если он неподвижен по отношению к пустому пространству. Объект по-настоящему движется, если он движется по отношению к абсолютному пространству. И, самое главное, как заключил Ньютон, объект по-настоящему ускоряется, если он ускоряется по отношению к пустому пространству.

Но что такое абсолютное пространство на самом деле? Ньютон ответил на этот вопрос, лишь постулировав существование абсолютного пространства. Сначала он написал в своих «Началах»: «так как время, пространство, место и движение составляют понятия общеизвестные, я их не определяю», не пытаясь дать строгое и точное определение этим понятиям. Его следующие слова стали широко известными: «Абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было, остается всегда одинаковым и неподвижным». Иными словами, абсолютное пространство просто существует, и так было и будет всегда.

За столетия, прошедшие после работы Ньютона, эти вопросы изредка обсуждались, но только в середине XIX века, когда проблемой абсолютного пространства занялся австрийский физик и философ Эрнст Мах, был предложен новый, смелый и проницательный взгляд на пространство – и это взгляд, среди прочего, оказал глубокое влияние на Альберта Эйнштейна. Мах предположил, что в совершенно пустой Вселенной нет понятия движения или ускорения, если нет точек отсчета для сравнения. В совершенной пустой Вселенной состояние неподвижности и состояние однородного вращения неотличимы друг от друга. В совершенно пустой Вселенной, согласно Маху, вы ничего не почувствуете, если начнете вращаться, точнее, там нет даже понятия вращения.

Во Вселенной, наполненной звездами и другими материальными объектами, существующими в нашей Вселенной, начав вращаться, вы почувствуете силу, разбрасывающую в сторону ваши руки и ноги. Мах предположил, что во Вселенной, не совсем пустой, но содержащей меньше материи, чем наша Вселенная, при вращении вы почувствуете силу, хотя и меньшую чем в нашей Вселенной, однако не равную нулю.

То есть ощущаемая вами сила пропорциональна количеству материи во Вселенной. В этой теории сила, которую вы чувствуете из-за ускорения, появляется как коллективный эффект, коллективное влияние всей материи во Вселенной и это предположение справедливо для всех видов ускорения, а не только для вращения. Из рассуждений Маха следует, что имеет значение только относительное движение и относительное ускорение. Вы чувствуете ускорение только тогда, когда ускоряетесь по отношению к среднему распределению материи, присутствующей в космосе. В отличие от ньютоновской системы отсчета (чего-то невидимого, названного абсолютным пространством), предложенную Махом систему отсчета могут видеть все – это материя, распределенная по космосу. Предположение Маха не было законченной теорией, поскольку он никогда не уточнял, как материя, составляющая Вселенную, могла бы оказывать предполагаемое влияние.

С нашей современной точки зрения разумно предположить, что какое-то отношение к тому влиянию окружающей материи, которое связано с предположением Маха, может иметь гравитация. В последующие десятилетия эта возможность приковала внимание Эйнштейна.

В середине XIX века Максвелл написал четыре уравнения, которые впервые дали точную теоретическую базу для понимания электричества и магнетизма, а также их тесной взаимосвязи.

, , ,

где E, B, ρ, j, ε₀, µ₀ – обозначают напряженность электрического поля, напряженность магнитного поля, плотность электрического заряда, плотность электрического тока, диэлектрическую проницаемость и магнитную восприимчивость вакуума соответственно.

Максвелл вывел эти уравнения тщательно изучив работу английского физика Майкла Фарадея, который в начале 1800-х гг. провел десятки тысяч экспериментов и вывел неизвестные до того времени свойства электричества и магнетизма. Главным достижением Фарадея было введение концепции поля. Максвелл нашел точную математическую формулировку взаимосвязи электрического и магнитного полей, которые оказались так переплетены, что их назвали электромагнитными полями, а их воздействие – электромагнитной силой. Максвелл показал, что электричество и магнетизм, изначально считавшиеся различными явлениями, на самом деле являются разными проявлениями одной и той же физической сущности.

Анализируя свои уравнения, Максвелл обнаружил, что изменения или возмущения электромагнитного поля распространяются в виде волн с вполне определенной и фиксированной скоростью: 300 000 000 м/с в вакууме. И поскольку эта величина в точности совпадала со скоростью света в вакууме, то Максвелл заключил, что свет должен быть ничем иным, как электромагнитной волной, взаимодействующей особым образом с химическими реагентами сетчатки глаза. Это достижение еще более подняло важность открытий Максвелла: он связал вместе силу взаимодействий магнитов, влияние электрических зарядов и свет. Но здесь встал следующий вопрос.

Когда мы говорим, что скорость света составляет 300 000 000 м/с, то опыт учит нас, что это утверждение бессмысленно, пока мы не укажем, по отношению к чему измерена эта скорость. Уравнения Максвелла просто дают эту величину, не указывая систему отсчета, по отношению к которой получается такая скорость.

Известные нам волны, такие как, например, звуковые переносятся средой. И скорости этих волн устанавливаются по отношению к их среде распространения. Так что физики естественным образом предположили, что световые (электромагнитные) волны должны распространяться также в среде, которую еще никто не видел и никогда не обнаруживал, но которая должна существовать. Для того чтобы обозначить существование этой среды, она была названа светоносным эфиром. И чтобы соотнести эту гипотезу с результатами Максвелла, было выдвинуто предположение, что в его уравнениях неявно заложена система отсчета, связанная с эфиром. Таким образом, скорость 300 000 000 м/с, даваемая уравнениями Максвелла, является скоростью света по отношению к неподвижному эфиру. Но что в действительности представляет собой этот эфир? Из чего он состоит? Существует ли везде?

Те вопросы, которые оказались связанные с эфиром, столетиями ставились по отношению к пространству. Но в отличие от пространства, физики могли предложить вполне реальные эксперименты для определения, существует ли в действительности эфир. Например, если вы плывете навстречу волне, то она быстрее настигает вас; если же вы уплываете от волны, то она медленнее приближается к вам. Аналогично, если вы двигаетесь по предполагаемому эфиру навстречу световой волне или от нее, то скорость приближения к вам световой волны должна быть больше или меньше 300 000 000 м/с. Но в 1887 г. Альберт Майкельсон и Эдвард Морли, неоднократно измеряя скорость света, всякий раз обнаруживали, что она в точности равна 300 000 000 м/с. независимо от движения экспериментальной установки или движения источника света.

Разгадывая загадки, связанные с электричеством, магнетизмом и движением света Эйнштейн разрешил это противоречие в своей специальной теории относительности, полностью изменив наше представление о пространстве и времени. Согласно специальной теории относительности время и пространство не могут более рассматриваться как универсальные понятия, установленные раз и навсегда и воспринимаемые всеми одинаково.

Напротив, пространство и время, как следует из работ Эйнштейна представляют собой податливые конструкции, форма и характеристики которых зависят от состояния движения наблюдателя. Вместо того чтобы быть жесткими и неизменными структурами, как представлял себе Ньютон, пространство и время в переработке Эйнштейна оказались гибкими и динамичными.

В июне 1905 г. Эйнштейн написал статью с непритязательным названием «К электродинамике движущихся тел», раз и навсегда положив конец концепции светоносного эфира. Идеи, предложенные в этой статье, были сформулированы Эйнштейном в течение пяти недель интенсивной работы в апреле-мае 1905 г., но вопросы, на которые он дал ответ, волновали его до этого более десятилетия: Эйнштейн задавался вопросом, как будет выглядеть световая волна, если ее догонять точно со скоростью света. Поскольку и вы, и световая волна двигаетесь по эфиру с одной и той же скоростью, то вы должны шагать со светом в ногу. И поэтому, заключил Эйнштейн, с вашей точки зрения свет должен выглядеть как неподвижный. Но уравнения Максвелла не разрешают свету быть покоящимся – выглядеть так, как будто он неподвижен.

Десять лет спустя Эйнштейн дал миру на этот вопрос в виде своей специальной теории относительности. Эйнштейн предложил исходить из простого утверждения: эксперименты не смогли обнаружить эфир, потому что эфир не существует. И поскольку уравнения Максвелла, описывая распространение света (электромагнитных волн) не предполагают никакой светоносной среды, то и теория и эксперимент приходят к выводу: свет, в отличие от волн другого рода, не требуется среда для своего распространения, свет может распространяться в пустом пространстве. Но, если нет эфира, то по отношению к чему получается скорость 300 000 000 м/с?

Эйнштейн ответил с предельной простотой. Если теория Максвелла не выделяет какого-либо стандарта покоя, то проще всего предположить, что он и не требуется. Скорость света, ‑ декларировал Эйнштейн, ‑ равна 300 000 000 м/с относительно всего. В течение всей жизни Эйнштейн бросал вызов здравому смыслу, и этот раз не явился исключением. Он с уверенностью настаивал, что независимо от того, насколько вы быстро приближаетесь к лучу света или удаляетесь от него, скорость луча с вашей точки зрения будет составлять 300 000 000 м/с, не больше, не меньше.

Это определение разрешало парадокс, поразивший Эйнштейна: теория Максвелла не позволяет свету находиться в покое, потому что свет никогда не покоится; независимо от того, двигаетесь вы сами или покоитесь. Возникает естественный вопрос: как же свет может вести себя таким странным образом?

Скорость вычисляется как мера длины (пройденное расстояние) деленная на меру времени (затраченное время). Еще со времен Ньютона пространство считалось, абсолютным, существующим безотносительно к чему-либо внешнему. Поэтому измерение пространства и расстояний тоже должны быть абсолютными: кто бы ни проводил измерение расстояния между двумя объектами, в результате должна получиться одна и та же величина. В описаниях времени в своих «Математических началах натуральной философии» Ньютон утверждает: «время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно». Иными словами, согласно Ньютону, существует универсальная, абсолютная концепция времени, которая применима всегда и везде.

В ньютоновской Вселенной получается так: кто бы ни измерял время, прошедшее между двумя событиями, в результате должна получаться одна и та же величина. Эйнштейн же заключил, что ньютоновская идея абсолютного пространства и времени неверна. Из утверждения о постоянстве скорости света он пришел к выводу, что пространство и время зависят от наблюдателя.

С каждым из нас связаны свои собственные часы, свой монитор течения времени. Часы каждого из нас показывают разное время, когда мы двигаемся друг относительно друга. Они перестают быть синхронными; они показывают различное время, прошедшее между двумя событиями. Если бы пространство и время не вели себя таким странным образом, то скорость света не была бы постоянной и зависела от состояния движения наблюдателя. Но скорость света действительно постоянна; пространство и время действительно относительны. Пространство и время «подстраиваются» под наблюдателя таким образом, что для всех наблюдателей, независимо от скорости их движения, скорость света остается одной и той же.

Теория Эйнштейна нелегка для понимания, так как ее идеи чужды нашему повседневному опыту и выглядят не согласующимся с ним. Мы привыкли к тому, что объекты могут двигаться в пространстве, но есть другой, не мене важный, тип движения – движение во времени. Ньютон считал, что движение во времени полностью отделено от движения в пространстве, ‑ он думал, что эти два типа движения не имеют ничего общего друг с другом. Но Эйнштейн открыл, что они связаны между собой самым тесным образом.

В действительности революционное открытие специальной теории относительности состоит в следующем: когда вы смотрите на объект, который с вашей точки зрения покоится (например, автомобиль), он не двигается только в пространстве, и все его движение происходит во времени. Автомобиль, водитель, улица – все движется во времени совершенно синхронным образом, секунда за секундой. Но если автомобиль набирает скорость, то часть его движения во времени переводится в движение в пространстве. Скорость автомобиля во времени замедляется, когда он переводит часть своего движения во времени в движение в пространстве. Это означает, что время течет медленнее для движущегося автомобиля и его водителя по сравнению с ходом времени неподвижных объектов. В этом, двух словах, и состоит теория относительности. Одна важная деталь – ограничение скорости.

Специальная теория относительности устанавливает закон для всего движения: полная скорость движения любого объекта в пространстве и во времени всегда в точности равна скорости света. Мы приучены к положению, что только свет может путешествовать со скоростью света. Но эта обычная идея относится только к движению в пространстве, теперь же мы говорим о полном движении объекта в пространстве-времени. В нашем примере с автомобилем: когда автомобиль начинает движение, часть его движения со скоростью света перенаправляется из движения только во времени в движение в пространстве, но при этом полная скорость остается неизменной.

Максимальная скорость движения в пространстве достигается тогда, когда все движение со скоростью света во времени переводится в движение со скоростью света в пространстве. Свет, распространяющийся всегда со скоростью света, уникален как раз тем, что у него происходит полный перевод всего движения в движение в пространстве. Время останавливается при движении в пространстве со скоростью света.

Нетрудно понять, что эффекты специальной теории относительности проявляются тогда, когда скорость движения в пространстве составляет ощутимую часть от скорости света. Чем меньше скорость, тем меньше отклонения от дорелятивистской физики. Но отклонения всегда есть.

В 1971 г. в эксперименте Джозефа Хафеле и Ричарда Китинга сверхточные цезиевые атомные часы облетели вокруг Земли на реактивной самолете. Когда сверили показания часов летавших на самолете с показаниями идентичных часов, оставленных на земле, то обнаружили, что полетавшие часы отмерили меньшее время, разница была крошечной – несколько сотен миллиардных долей секунды, ‑ но в точном соответствии с теорией Эйнштейна.

Десять лет спустя Эйнштейн переписал законы гравитации. Подтверждаемая экспериментально универсальная теория гравитации Ньютона включает в себя взаимодействия, которые мгновенно распространяются на огромные расстояния в пространстве. Одно из следствий работы Эйнштейна состоит в том, что никакой объект, никакое возмущение или воздействие не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость света. В 1915 году Эйнштейн предложил новую концепцию тяготения в своей общей теории относительности. Эйнштейн показал, что пространство и время не только являются частями единого целого и зависят от состояния движения наблюдателя, они также могут деформироваться и искривляться в ответ на присутствие вещества или энергии. Такие деформации структуры пространства и времени передают силу тяжести из одного места в другое.

Математический результат, полученный Эйнштейном, отражен в так называемых, полевых уравнениях Эйнштейна. Как свидетельствует название, Эйнштейн счел деформации пространства-времени проявлением – геометрическим воплощением – гравитационного поля. Эйнштейн смог найти уравнения, играющие для гравитации ту же роль, что уравнения Максвелла для электромагнетизма. С помощью этих уравнений затем были рассчитаны орбиты различных планет и даже траектория света, испущенного далекой звездой и проходящего через искривленное пространство-время. Полученные результаты были подтверждены с высокой степенью точности.

Более того, поскольку общая теория относительности описывает детальный механизм действия гравитации, она позволяет ответить на вопрос: как быстро передается воздействие гравитации? Вопрос о скорости передачи сводится к вопросу о том, насколько быстро форма пространства может меняться во времени. Эйнштейн установил, что гравитация распространяется не мгновенно, как в теории Ньютона, а точно со скоростью света. Ничуть не медленнее или быстрее, полностью согласуясь с ограничением скорости, наложенной специальной теорией относительности.

В своей специальной теории относительности Эйнштейн сосредоточился на особом виде движения: на движении с постоянной скоростью. В своей общей теории относительности он охватил более общее, ускоренное движение. Но и до этого Эйнштейн и другие ученые постоянно возвращались к вопросу о вращательном движении, применяя идеи специальной теории относительности; они приходили к выводу Ньютона, не соглашаясь с Махом: даже в пустой Вселенной вы бы почувствовали силу вращения. Покончив с концепцией Ньютона об абсолютном пространстве и абсолютном времени, как Эйнштейн объяснил это?

Ответ неожиданный. Несмотря на свое название, теория Эйнштейна не заявляет, что все относительно. Специальная теория относительности в действительности утверждает, что некоторые понятия относительны: скорости относительны, расстояния пространства относительны, промежутки времени относительны. Но эта теория на самом деле вводит новую всеобъемлющую абсолютную концепцию: абсолютное пространство‑время.

Пространство-время, но не пространство в отдельности дают абсолютный критерий для определения ускоренного движения.

Абсолютное пространство-время столь же абсолютно в специальной теории относительности, как абсолютное пространство и время были абсолютны для Ньютона; и отчасти по этой причине Эйнштейн предпочитал не называть эту свою теорию «теорией относительности». Вместо этого он и другие физики склонялись к термину «теория инвариантности», подчеркивая, что в своей основе теория включает нечто, с чем все согласны, нечто, что не относительно.

Две теории относительности относятся к самым ценным из достижений человечества, и этими теориями Эйнштейн опрокинул ньютоновское представление о реальности. Несмотря на то, что ньютоновская физика математически охватывает много из переживаемого нами на физическом уровне, описываемая ею реальность оказалась расходящейся с реальностью нашего мира, наша реальность – релятивистская. Однако, благодаря тому, что расхождение между классической и релятивистской физикой проявляется только в экстремальных условиях (условиях экстремальных скоростей и гравитации), ньютоновская физика дает очень точное приближение, полезное во многих ситуациях.

Новая физика на рубеже веков ‑ теория относительности, квантовая теория

Открытие атомного ядра и элементарных частиц явилось результатом изучения строения вещества, достигнутым физикой в конце XIX века. Исследования электрических явлений в жидкостях и газах, оптических спектров атомов, рентгеновских лучей, фотоэффекта показали, что вещество имеет сложную структуру. В 1897 году при исследовании катодных лучей Джозефом Джоном Томсоном был открыт электрон ‑ носитель отрицательного элементарного электрического заряда.

ХХ век принес много неожиданностей в физику. Именно в это время классическая физика оказалась несостоятельной в объяснении новых экспериментальных фактов. Уменьшение временных и пространственных масштабов, в которых разыгрываются физические явления, привели к «новой физике», столь непохожей на привычную традиционную классическую физику. Развитие физики в начале XX века привело к полному пересмотру классических представлений.

Современная физика покоится на двух столпах:

Один из них – это общая теория относительности Альберта Эйнштейна, которая дает теоретическую основу для понимания вселенной в ее наиболее крупных масштабах – звезд, галактик, скоплений галактик и далее к необъятным просторам самой вселенной. Другой столп – это квантовая механика, дающая теоретическую базу для понимания вселенной в ее наименьших масштабах – молекул, атомов и далее вглубь субатомных частиц, таких как электроны и кварки.

Основное утверждение классической физики состоит в том, если знать положение и скорость всех объектов в заданный момент времени, то с помощью уравнений Ньютона вместе с уравнениями Максвелла можно определить их положение и скорость в любой момент времени, в прошлом или будущем.

В 1930-х годах физики вынуждены были разработать совершенно новую концептуальную схему, названную квантовой механикой. Совершенно неожиданно они пришли к тому, что только квантовые законы могут решить множество загадок и объяснить множество новых данных, касающихся атомной и субатомной областей. Однако квантовые законы гласят, что если провести самые точные измерения, то самое лучшее, на что можно надеяться, ‑ это предсказать вероятность того или иного события в будущем или прошлом. Согласно квантовой механике Вселенная не запечатлена в настоящем, а участвует в некоей игре случая.

В то время как человеческая интуиция и ее отражение в классической физике рисуют перед собой реальность, в которой все происходящее идет определенно тем или иным образом, то квантовая механика описывает реальность, в которой события подвешены в состоянии неопределенности и могут идти частично тем и частично иным образом. События становятся определенными, только когда подходящее наблюдение вынуждает их покинуть квантовую неопределенность и остановиться на каком-либо выборе. Однако реализующийся исход не может быть предсказан – мы можем предсказать лишь вероятность того, что события пойдут тем или иным образом.

(См. http://www.youtube.com/watch?v=-asV1j6M_DM Доктор Квантум и загадка квантовой физики)

Не менее удивительным является свойство, описанное в 1935 г. Эйнштейном в соавторстве с двумя коллегами в работе, которая была направлена против квантовой теории. По иронии научного прогресса, эта работа Эйнштейна теперь может рассматриваться как одна из первых, указавших на то, что согласно квантовой механике нечто, что вы делаете здесь, может быть мгновенно связано с тем, что происходит где-то там, независимо от расстояния.

(См. http://www.youtube.com/watch?v=L9I7mh6fvWg&feature=related Квантовое запутывание)

За годы исследований физики с невообразимой точностью экспериментально подтвердили практически все высказывания каждой из этих теорий. Но использование этих же теоретических средств с неизбежностью ведет еще к одному, обескураживающему выводу: в своей современной формулировке общая теория относительности и квантовая механика не могут быть справедливы одновременно. Эти две теории, обусловившие небывалый прогресс физики последнего столетия являются несовместимыми. За исключением наиболее экстремальных случаев, физики изучают либо объекты малые и легкие (как атомы и их составные части), либо объекты огромные и массивные (как звезды и галактики), но не те и другие одновременно. Это означает, что им достаточно было использовать либо только квантовую механику, либо общую теорию относительности. Но Вселенная может быть экстремальной. В центрах черных дыр чудовищные массы сжимаются до микроскопических объемов. В момент Большого взрыва вся Вселенная была сжата в точку¹. Это примеры объектов, которые являются крошечными по размерам и, в то же время, невероятно массивными, и потому требуют одновременного применения воззрений как квантовой механики, так и общей теории относительности. Однако до настоящего времени объединение этих двух теорий приводило к появлению бессмысленных ответов на корректно поставленные физические вопросы. Возможно ли, чтобы Вселенная была разделена на наиболее фундаментальном уровне, требуя одного набора законов для больших объектов и другого, несовместимого с первым для малых? В течение трех десятилетий Эйнштейн был в поисках единой теории физики, которая должна была по его замыслу представлять собой единое теоретическое полотно, в ткань которого были бы вплетены все силы и взаимодействия природы и все составные элементы материи. Он потерпел неудачу.

Создание А. Эйнштейном в 1905 году теории относительности привело к радикальному пересмотру представлений о свойствах пространства и времени, взглядов на характер электромагнитного поля. Стало ясно, что невозможно создание механических моделей для всех физических явлений.

В основу теории относительности положены две физические концепции.

‑ Согласно принципу относительности равномерное и прямолинейное движение тел не влияет на происходящие в них процессы

‑ Существует предельная скорость распространения взаимодействия ‑ скорость света в пустоте. Скорость света является фундаментальной константой современной теории. Существование предельной скорости распространения взаимодействия означает, что существует связь между пространственными и временными интервалами.

Математической основой специальной теории относительности являются преобразования Лоренца.

Полная энергия и импульс частицы определяются соотношениями

,

(1)

где E, р и  m ‑ полная энергия, импульс и масса частицы, с ‑ скорость света в вакууме,

Полная энергия и импульс частицы зависят от системы отсчета. Масса не меняется при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Она является лоренцевым инвариантом. Полная энергия, импульс и масса связаны соотношением

, (2)

Из соотношения (1) и (2) следует, что если энергия E и импульс p измеряются в двух различных системах движущихся друг относительно друга со скоростью v, то энергия и импульс будут иметь в этих системах различные значения. Однако величина , которая называется релятивистский инвариант, будет в этих системах одинаковой.

В 1900 г. была опубликована работа М. Планка, посвященная проблеме теплового излучения тел. М. Планк моделировал вещество как совокупность гармонических осцилляторов различной частоты. Предположив, что излучение происходит не непрерывно, а порциями ‑ квантами, он получил формулу для распределения энергии по спектру теплового излучения, которая хорошо согласовывалась с опытными данными

,

где h ‑ постоянная Планка, k ‑ постоянная Больцмана, T ‑температура, υ ‑ частота излучения.

Так, впервые в физике появилась новая фундаментальная константа ‑ постоянная Планка. Гипотеза Планка о квантовой природе теплового излучения противоречит основам классической физики и показала границы ее применимости.

Через пять лет А. Эйнштейн, обобщив идею М. Планка, показал, что квантованность является общим свойством электромагнитного излучения. Согласно идеям А. Эйнштейна электромагнитное излучение состоит из квантов, названных позднее фотонами. Каждый фотон имеет определенную энергию и импульс:

, ,

где λ и ν ‑ длина волны и частота фотона, ‑ единичный вектор в направлении распространения волны.

Представления о квантованности электромагнитного излучения позволили объяснить закономерности фотоэффекта, исследованные экспериментально Г. Герцем и А. Столетовым.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.

Фотокатод ‑ электрод вакуумного электронного прибора, непосредственно подвергающийся воздействию электромагнитных излучений и эмитирующий электроны под действием этого излучения.

Зависимость спектральной чувствительности от частоты или длины волны электромагнитного излучения называют спектральной характеристикой фотокатода.

Законы внешнего фотоэффекта:

‑ Закон Столетова: при неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения).

‑ Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.

‑ Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота ν₀ света (зависящая от химической природы вещества и состояния поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном (за что в 1921 году он, получил Нобелевскую премию) на основе гипотезы Макса Планка о квантовой природе света. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза ‑ если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

hν = A_вых + E_k

где A_вых ‑ т. н. работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества), E_k ‑ кинетическая энергия вылетающего электрона (в зависимости от скорости может вычисляться как кинетическая энергия релятивистской частицы, так и нет), ν ‑ частота падающего фотона с энергией hν, h ‑ постоянная Планка.

Из этой формулы следует существование красной границы фотоэффекта, то есть существование наименьшей частоты, ниже которой энергии фотона уже не достаточно для того, чтобы «выбить» электрон из металла.

Суть формулы заключается в том, что энергия фотона расходуется на ионизацию атома вещества и на работу, необходимую для «вырывания» электрона, а остаток переходит в кинетическую энергию электрона.

На основе квантовой теории А. Комптоном в 1922 году было объяснено явление упругого рассеяния электромагнитного излучения на свободных электронах, сопровождающееся увеличением длины волны света. В 1927 Комптон получил за это открытие Нобелевскую премию по физике.

Рисунок ‑ Иллюстрация к эффекту Комптона

При рассеянии фотона на покоящемся электроне частоты фотона и (до и после рассеяния соответственно) связаны соотношением:

где  ‑ угол рассеяния (угол между направлениями распространения фотона до и после рассеяния).

Перейдя к длинам волн:

где  ‑ комптоновская длина волны электрона.

Для электрона м. Уменьшение энергии фотона после комптоновского рассеяния называется комптоновским сдвигом. В классической электродинамике рассеяние электромагнитной волны на заряде (томсоновское рассеяние) не сопровождается уменьшением её частоты.

Объяснить эффект Комптона в рамках классической электродинамики невозможно. С точки зрения классической физики электромагнитная волна является непрерывным объектом и в результате рассеяния на свободных электронах изменять свою длину волны не должна. Эффект Комптона является прямым доказательством квантования электромагнитной волны, другими словами подтверждает существование фотонов. Эффект Комптона является ещё одним доказательством справедливости корпускулярно-волнового дуализма микрочастиц.

Открытие двойственной природы электромагнитного излучения ‑ корпускулярно-волнового дуализма оказало значительное влияние на развитие квантовой физики, объяснение природы материи. В 1924 г. Луи де Бройль выдвинул гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе не только фотоны, но и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают также и волновыми свойствами. Соотношения, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц те же, что были установлены ранее для фотонов

, , ,

где h = 2πћ, λ = 2π ‑ длина волны, которую можно сопоставить с частицей. Волновой вектор ориентирован по направлению движения частицы. Прямыми опытами, подтверждающими идею корпускулярно-волнового дуализма, были опыты, выполненные в 1927 году К. Дэвиссоном и Л. Джермером по дифракции электронов² на монокристалле никеля. Позднее наблюдалась дифракция и других микрочастиц. Метод дифракции частиц в настоящее время широко используется в изучении строения и свойств вещества.

Рисунок ‑ Схема опыта Дэвиссона и Джермера

Экспериментальное подтверждение идеи корпускулярно-волнового дуализма привело к пересмотру привычных представлений о движении частиц и способа описания частиц. Для классических материальных точек характерно движение по определенным траекториям, так, что их координаты и импульсы в любой момент времени точно известны. Для квантовых частиц это утверждение неприемлемо, так как для квантовой частицы импульс частицы связан с ее длиной волны, а говорить о длине волны в данной точке пространства бессмысленно. Поэтому для квантовой частицы нельзя одновременно точно определить значения ее координат и импульса. Если частица занимает точно определенное положение в пространстве, то ее импульс полностью неопределен и, наоборот, частица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату. Неопределенность в значении координаты частицы Δx и неопределенность в значении компоненты импульса частицы px связаны соотношением неопределенности, установленным В. Гейзенбергом в 1927 году

Δx·Δp_x ≈ ћ.

Из принципа неопределенности следует, что в области квантовых явлений неправомерна постановка некоторых вопросов, вполне естественных для классической физики. Так, например, не имеет смысла говорить о движении частицы по определенной траектории. Необходим принципиально новый подход к описанию физических систем. Не все физические величины, характеризующие систему, могут быть измерены одновременно. В частности, если время жизни некоторого состояния равно Δt, то неопределенность величины энергии этого состояния ΔE не может быть меньше ћ/Δt, т. е.

ΔE·Δt ≈ ћ.

У квантовой механики есть много особенностей. В первую очередь она запрещает считать, что частица может двигаться через определенное точно указанное место с определенной точно указанной скоростью. Чтоб показать, насколько ошибочна обычная механика, отметим, что в квантовой механике имеется правило, согласно которому никто в одно и то же время не может знать и место и быстроту движения частицы. Неопределенность в импульсе и неопределенность в положении частицы дополняют друг друга: их произведение постоянно.

А вот другое интереснейшее изменение в идеях и философии науки, осуществленное квантовой механикой: невозможно никогда предсказать точно, что произойдет в каких-то обстоятельствах. Например, можно приготовить атом, способный излучать свет; момент испускания света мы можем заметить, поймав фотон. Но мы не можем предсказать, когда он собирается излучить, или если атомов несколько, то какой из них испустит свет. Природа, насколько мы ее сегодня понимаем, ведет себя так, что принципиально невозможно делать точные предсказания о том, что именно произойдет в данном опыте.

Вернемся к квантовой механике и к основам физики и остановимся на некоторых следствиях квантовомеханических принципов. Вот одно из них: то, что мы обычно считаем волнами, может вести себя как частица; частицы же ведут себя как волны; то же относится и к любым телам. Между волной и частицей просто нет различия. Квантовая механика объединяет идею поля, волн поля и частиц в одно. При низких частотах волновые свойства проявляются более явственно и поэтому оказываются полезнее для приближенного описания в образах нашего повседневного опыта. Но по мере того, как частота возрастает, становится все очевиднее, что через приборы, измеряющие наше явление, проходит не волна, а частица. На самом деле, хоть мы и говорим о высоких частотах, волновые явления, если частота их превышает 10¹² Гц, заметить уже нельзя. Мы только приходим к выводу о наличии высокой частоты, зная энергию частиц и предполагая, что верна идея квантовой механики о частице-волне.