Релятивистская квантовая механика

Релятивистская квантовая физика. Мир античастиц. Квантовая теория поля

Релятивистская квантовая механика

Квантовая механика, которая в первых работах Бора, Шредингера, Гейзенберга и других ученых являлась, в ос­новном, теорией атомных спектров, получила за короткое время интенсивное развитие и была обобщена до теории, описывающей поведение микрообъектов в микромире. Фи­зики стали делить окружающий нас мир на три уровня: мега-, макро- и микромир. Это оказалось возможным бла­годаря синтезу квантовой механики и специальной теории относительности, благодаря созданию релятивистской кван­товой механики.

В 1927 году английский физик Поль Дирак, рассмат­ривая уравнение Шредингера, обратил внимание на его не­релятивистский характер.

При этом квантовая механика описывает объекты микромира, и хотя к 1927 году их было известно только три: электрон, протон и фотон (даже ней­трон был экспериментально обнаружен только в 1932 году), было ясно, что движутся они со скоростями, весьма близ­кими к скорости света или равными ей, и более адекват­ное описание их поведения требует применения специаль­ной теории относительности. Дирак составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов и квантовой механики и теории относительности Эйнштей­на, и получил формулу для энергии электрона, которой удовлетворяли два решения: одно решение давало извест­ный электрон с положительной энергией, другое — неизве­стный электрон-двойник, но с отрицательной энергией. Так возникло представление о частицах и соответствующих им

античастицах, о мирах и антимирах. К этому же времени была разработана квантовая электродинамика. Суть ее со­стоит в том, что поле более не рассматривается как кон-тинуалистская непрерывная среда. Дирак применил к те­ории электромагнитного поля правила квантования, в результате чего получил дискретные значения поля.

Обна­ружение античастиц углубило представление о поле. Счи­талось, что электромагнитного поля нет, если нет квантов этого поля — фотонов. Следовательно, в этой области про­странства должна быть пустота. Ведь специальная теория относительности «изгнала» из теории эфир, можно сказать, что победила точка зрения о вакууме, о пустоте.

Но пуст ли вакуум, — вот вопрос, который вновь возник в связи с открытием Дирака. Сейчас хорошо известны факты, дока­зывающие, что вакуум пуст только в среднем. В нем по­стоянно рождается и исчезает огромное количество вирту­альных частиц и античастиц. Даже если мы меряем заряд электрона, то, как оказалось, голый заряд электрона равнял­ся бы бесконечности.

Мы же измеряем заряд электрона в «шубе» окружающих его виртуальных частиц.

Собственно представление о вакууме как непрерывной активности содержащихся в нем виртуальных частиц со­держится в принципе неопределенности Гейзенберга. Прин­цип неопределенности Гейзенберга имеет, кроме приведен­ного выше, еще и такое выражение: Согласно этому квантовые эффекты могут на время нарушать закон сохранения энергии.

В течение короткого времени энер­гия, взятая как бы «взаймы», может расходоваться на рож­дение короткоживущих частиц, исчезающих при возвраще­нии «займа» энергии. Это и есть виртуальные частицы. Возникая из «ничего», они снова возвращаются в «ничто».

Так что вакуум в физике оказывается не пустым, а пред­ставляет собой море рождающихся и тут же гасящихся всплесков.

Квантовая теория поля является ядром всей современ­ной физики, представляет собой общий подход ко всем известным типам взаимодействий. Одним из важнейших результатов ее является представление о вакууме, но уже не пустом, а насыщенным всевозможными флуктуациями всевозможных полей. Вакуум в квантовой теории поля определяется как наинизшее энергетическое состояние кван-

тованного поля, энергия которого равна нулю только в сред­нем. Так что вакуум — это «Нечто» по имени «Ничто».

Релятивистская квантовая теория поля, которая нача­лась работами Дирака, Паули, Гейзенберга в конце 20-х го­дов нашего столетия, была продолжена в трудах Фейнма-на, Томонаги, Швингера и других ученых, давая все более полное представление о физической неразложимости мира, о несведении его к отдельным элементам.

Здесь принцип целостности находит свое отражение при рассмотрении взаимодействия микрообъектов с определенным состояни­ем физического вакуума. Именно в этом взаимодействии все элементарные частицы обнаруживают свои свойства.

Вакуум рассматривается как объект физического мира, выражающий как раз момент физической неразложимос­ти его.

Какова судьба понятия «вакуум» в современной физике XXI столетия? Почему наш мир состоит преимущественно из вещества, а «антивещество» долгое время оставалось скрытым от нашего взгляда? На эти и другие вопросы мы постараемся ответить в кратком очерке современного со­стояния физики элементарных частиц на рубеже третьего тысячелетия, приведенном в следующей главе. Заканчивая же разговор о квантовой физике, отметим, что результаты ее полностью изменили наши представления о мире, наш подход к структуре физических законов. В итоге, вырабо­тан новый тип научного мышления, называемый некласси­ческим, в котором есть место случайности, вероятности, целостности.

Вопросы для самоконтроля

1. Напишите формулу Планка и объясните ее физиче­
ский смысл.

2. Какие физические эффекты являются эксперимен­
тальным подтверждением гипотезы Планка?

3. В чем состоит гипотеза де Бройля? Чему равна длина
волны де Бройля?

4. Опишите опыт с двумя щелями и поясните, как вы понимаете волново-корпускулярный дуализм микрообъ­

ектов.

5. Сформулируйте принцип неопределенности Гейзен­ берга. В чем заключается различие в описании поведения

классических и квантовых объектов?

6. Расскажите о принципе дополнительности Бора.

7. В чем состоит принцип физической целостности квантовых объектов? Какие выводы можно сделать из ана­

лиза парадокса Эйнштейна-Подольского-Розена?

8. Какая физическая величина характеризует состояние
квантовой системы?

9. В чем заключается различие между динамическими и статистическими закономерностями в физике с философ­

ской точки зрения?

10. Какие новые представления о мире возникают в ре­ лятивистской квантовой физике? Расскажите об античас­

тицах и о виртуальных частицах.

11. Что представляет собой физический вакуум в кван­
товой теории поля?

Источник: https://megaobuchalka.ru/1/20429.html

Релятивистская квантовая механика

Релятивистская квантовая механика

Квантовая механика смогла за короткий период времени получить интенсивное развитии, а затем ученые обобщили ее до теории, которая детально описывает поведение микрообъектов в микромире. Это удалось сделать благодаря синтезу данной отрасли науки и созданию релятивистской квантовой механики.

Рисунок 1. Суть релятивистской и квантовой механики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Определение 1

Релятивистская квантовая механика – обширный раздел теоретической физики, в котором изучаются удовлетворяющие требованиям относительности теории, а также квантовые законы движения электронов.

В начале 1927 года английский исследователь П. Дирак, рассматривая уравнение Шредингера, отметил его нерелятивистский характер.

При этом механика квантов и дальше описывала предметы микромира, однако в тот период их было известно только три: протон, электрон и фотон.

Было понятно, что все элементы движутся со скоростями, которые близки к скорости света, следовательно, более объективное описание их поведения требует использования специальной теории относительности.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Дирак составил новую формулу, которая описывала движение и взаимосвязь электрона с другими частицами, и учитывала все законы квантовой механики и теории относительности Эйнштейна.

В результате физик-теоретик получил уравнение для энергии электрона, которой удовлетворяли два решения:

  • из одного решения вытекал известный электрон с положительной энергией;
  • из другого — неизвестный электрон-двойник, однако обладающий отрицательной энергией.

Так и появилось более обширное представление о физических частицах и соответствующих им античастицах, об антимирах и мирах.

Релятивистские эффекты в квантовой механике

Рисунок 2. Фотон. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Релятивистские эффекты возможно сравнить с энергией покоя, хотя их элементы велики при энергиях частицы. При таких факторах может происходить зарождение виртуальных или реальных частиц, поэтому исследование одного объекта в общем случае неправомерно. Последовательное и детальное описание характеристик релятивистских квантовых частиц реально сделать только в рамках теории поля.

Вопрос о том, на самом ли деле пуст вакуум, возник после открытия Дирака. На сегодняшний день хорошо известны факты, которые доказывают, что указанное пространство пусто только в среднем.

В нем систематически рождается и исчезает множество виртуальных частиц и античастиц.

Само представление о вакууме как стабильной активности и содержащихся в нем веществ содержится в принципе неопределенности Гейзенберга, который имеет такое выражение: $ \Delta Е• \Delta t \geqslant h$.

Согласно этому, все квантовые эффекты могут на определенное время нарушать постулаты, связанные с сохранением энергии.

В течение непродолжительного периода времени $\Delta t$ энергия, взятая как бы «в аренду», может расходоваться на рождение других частиц, которые исчезают при возвращении «займа» этого энергетического потенциала. Это и есть виртуальные частицы.

Возникая из «пустоты», они вновь возвращаются в «ничто». Так что вакуум в физике считается не пустым, а представляет собой огромное количество рождающихся и тут же исчезающих всплесков.

Однако в конкретных задачах, в которых релятивистские эффекты более существенны, образование элементарных частиц возможно не учитывать и применять только волновые уравнения, которые описывают движение физического тела.

Так ученые находят релятивистские поправки к атомным формулам энергии.

Такой метод является логически незамкнутым, поэтому релятивистская квантовая механика не может существовать как последовательное учение в отличии от классической теории поля и нерелятивистской квантовой гипотезы.

Рисунок 3. Релятивистское сокращение размеров. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Релятивистская механика и в самом деле постепенно переходит в ньютоновскую при появлении малых скоростей, однако именно предположение, что теория Ньютона «ложна», привело некоторых естествоиспытателей на бессознательное перенесение изучаемого раздела физики в новую науку.

Релятивистская квантовая астрофизика

Определение 2

Релятивистская астрофизика — раздел астрофизики, в котором рассматриваются астрономические процессы и небесные тела в определенных условиях, для которых абсолютно неприменимы законы тяготения Ньютона и классическая механика.

К таким условиям ученые относят:

  • скорость движения, которая близка к скорости света;
  • чрезвычайно высокие значения плотности и давления энергии;
  • гравитационный потенциал, приближенный к квадрату скорости света.

Первая работа, которая комплексно описала данные явления релятивистской механики, была представлена в 1916 году, когда исследователи теоретически рассматривали возможности гравитационного поля вокруг сильно сжатой массы. Это понимание сыграло большую роль в дальнейшем развитии релятивистского учения.

Сверхплотные и массивны звезды, масса которых сосредоточена внутри конкретной сферы с радиусом, обладают рядом универсальных свойств. Так, падающая к звезде элементарная частица при приближении к гравитационным линиям приобретает невероятную скорость, близкую к скорости света. Релятивистское замедление временного пространства становится бесконечным возле такого радиуса.

Далекий наблюдатель, у которого есть необходимый инструмент, смог бы увидеть, что вещество асимптотически приближается к гравитационной сфере, но не может рассмотреть, как частица пересекает это пространство, внутри которого энергия не действует. Таким образом была заложена база современной квантовой теории. С помощью специальных приборов, поднятых за границы атмосферы, были впервые открыты источники рентгеновского излучения, находящиеся в составе двойных звёзд.

Замечание 1

Некоторые из этих открытий оказались нейтронными планетами с сильным магнитным полем, которое испускает направленные потоки световой энергии.

Излучение при этом выступает результатом перетекания газа с поверхности обычной звезды на территорию нейтронной звезды. Весомое место в релятивистской механике уделяется гамма-излучению, являющегося следствием взаимодействия протонов и тяжёлых ядер космических лучей с межзвездным элементом.

Сопровождающиеся возникновением нейтронных звезд взрывы и «чёрные дыры», приводящие к выбрасыванию космических лучей, также считаются предметом исследований этой отрасли в квантовой механике.

Применение релятивистской квантовой механики

Уже в течение столетия существования квантовой механики и ее предсказания никогда не были оспорены научно или же экспериментом.

Квантовая механика описывает, по крайней мере, три типа физических явлений, которые классическая электродинамика и теория не может объяснить:

  • корпускулярно-волновой дуализм;
  • квантования определенных физических величин;
  • наличие смешанных квантовых состояний.

Квантовая релятивистская механика может быть представлена как нерелятивистская теория, которая также часто применяется в научной среде, учитывая удобство. Полный аппарат квантовой теории поля считается неполным для описания действия электромагнитных систем. Простой подход предлагает назвать заряженные частицы квантово-механическими предметами в классическом поле.

Релятивистская механика имела огромный успех в описании многих феноменов, наблюдаемых в окружающей среде. Поведение и взаимосвязь микроскопических частиц, создающих все формы материи протонов, электронов и нейтронов — может быть адекватно объяснена только посредством принципов квантовой механики.

Более отдаленная цель данной сферы науки — создание квантовых компьютеров, которые в ближайшем будущем смогут реализовывать важные алгоритмы с большей эффективностью, чем классические компьютеры.

Другая область активных исследований — квантовая телепортация, связанная с технологиями передачи определенных состояний на значительные расстояния.

Современные технологии и разработки уже достигли того масштаба, где квантовые эффекты становятся крайне важными. Яркими примерами являются транзисторы, лазеры, электронные мощные микроскопы, магнитно-резонансная томография, которые являются незаменимыми инструментами в современном мире.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/mehanika/relyativistskaya_kvantovaya_mehanika/

Booksm
Добавить комментарий