2.1.6. Квантовата механика

Тези,  които при първото си запознаване с квантовата механика не са изпаднали в шок, сигурно не са я разбрали.                           

Макс Борн

В началото на ХХ век са открити две групи явления (привидно несвързани помежду си), свидетелстващи за неприложимостта на нютоновата механика и класическата електродинамика на Максуел към атомните процеси. Първата група явления е свързана с опитното установяване на двойствената природа на светлината – дуализъм на светлината; втората – с невъзможността да се обясни устойчивостта на атомите и техните оптически спектри в рамките на класическите представи.

Установяването на връзки между тези групи явления и опитите за обяснението им,  довеждат в крайна сметка до откриване на законите на квантовата механика.

За пръв път понятието квант е въведено от немския физик Макс Планк през 1900 г. Изхождайки от експерименталните резултати, той изказва идеята, че светлината не се излъчва непрекъснато (както това следва от класическата теория на излъчването), а на определени дискретни порции – кванти. По-късно, развивайки идеята на Планк, Айнщайн допуска, че светлината не само се излъчва и поглъща, но и се разпространява на кванти, т.е. дискретността е присъща на самата светлина: светлината се състои от отделни порции – светлинни кванти, наречени по-късно фотони. Освен това, Айнщайн обосновава идеята за квантуването на енергията – делението на енергията на порции.

През 1922 г. американският физик А. Комптън доказва експериментално, че светлината притежава както вълнови, така и корпускулярни свойства, т.е. светлината се явява едновременно и вълна, и частица. Възниква логическо противоречие: за обясняването на едни явления трябва да се приеме светлината за вълна,  а за обяснението на други явления – за корпускула. „Фундаменталните физически елементи на микросвета – частиците и вълните – проявяват несрещана по-рано в опитите способност да заявяват за съществуването  си едва в момента на наблюдение, проявявайки се или като вълна, или като частица.

По същество, именно разрешаването на това противоречие води до създаването на физическите основи на квантовата теория.

През 1924 г. френският физик Луи дьо Бройл издига хипотезата за всеобщия корпускулярно-вълнов дуализъм, според която не само фотоните, но и всички „обикновени частици“ (протони, неутрони, електрони и др.) също притежават вълнови свойства. По-късно тази хипотеза е потвърдена експериментално.

През 1926 г. австрийският физик Е. Шрьодингер извежда уравнение, описващо поведението на такива „вълни“ във външни силови полета. Така възниква вълновата механика, а уравнението на Шрьодингер става основно уравнение на нерелативистката квантова механика. В основата на релативистката квантова механика стои релативисткото уравнение, получено от английския физик П. Дирак две години по-късно, описващо движението на електрон във външно силово поле.

Окончателното формиране на квантовата механика като последователна теория, става след появата на трудовете на В. Хайзенберг за принципа за неопределеност и на Н. Бор – за принципа за допълнителност.

Забележка: Номерата които виждате до заглавията са по ред на публикациите, за да Ви е лесно да ги намирате в търсачката, и не отговарят на страниците. Забележката важи за всички публикации където има * и число * в заглавието.

източник:http://www.beinsadouno.com

2.1.1. Превратностите на ефира

Античността завещава своя ефир на средните векове и по това време в европейската наука ефирът се разглежда като петата стихия: земя, вода, въздух, огън и ефир. Учените от ХVІІІ-ХІХ век,  които приемат учението за ефира като световно поле, от самото начало се оказват в много трудно положение. За разлика от античните философи и средновековните схоластици, те са представители на новата наука, опираща се на гръмогласно провъзгласения от Франсис Бейкън принцип за експериментална проверка на теоретичните хипотези.

При разглеждане на различните явления, учените приписват на ефира различни свойства, но какво всъщност представлява той, остава неясно.

Отношенията на великия физик Нютон с ефира са сложни, трудни и даже трагични. В течение на целия си живот Нютон ту потвърждава, ту отрича съществуването на ефира като световно поле. Анализирайки многобройните данни от наблюденията върху движението на планетите, Нютон открива закона за всеобщото привличане, съгласно който се определя силата на взаимодействие между небесните тела. По-нататък, съгласно този закон,  експериментално е потвърдено взаимодействието между телата на Земята. Законът за всеобщото привличане е един от върховете на класическата физика. Той е типичен класически закон за далекодействието. Не всичко в този закон удовлетворява Нютон. Какво е това „не всичко“? Неизбежното в теорията на далекодействието е мигновеното действие на силите на привличане на големи разстояния. Нютон разбира,  че неговите закони могат да имат смисъл, само ако пространството притежава физическа реалност. В писмо до един от приятелите си Нютон пише: „Мисълта, че едно тяло може да въздейства върху друго на разстояние през пустотата, без участието на нещо такова, което би пренесло действието и силата от едното тяло до другото, ми се струва толкова нелепа, че както предполагам, няма човек, способен на философско мислене, на когото такава мисъл да му мине през ума.“

В творчеството си Нютон редовно се връща към този въпрос, стремейки се да обоснове теоретично гравитацията; като при това възлага огромни надежди на ефира и счита,  че разкриването на същността на ефира би позволило да се стигне до решение и на този най-важен въпрос. Ефирът бил нужен и полезен за теорията на Нютон. Но придържайки се към принципа на точните наблюдения и строгите експерименти и без да има възможност да докаже съществуването на ефира, Нютон предупреждава, че при излагане на хипотезата за ефира, „понякога ще говори за нея така, сякаш я е приел и вярва в нея“, обаче само за „да избегне многословието и за по-ясна представа“.

През 1679 г. в писмо до великия физик Роберт Бойл, Нютон излага своето предположение за съществуването на някакво вездесъщо фино вещество, наречено „ефир“. То има различна плътност, състои се от „фини“ частици, при това фини в различна степен. Колкото по-близо е тялото (което и да е) до центъра на привличане, толкова повече все по-фини частици запълват порите на това тяло, изтласквайки от тях по-едрите, по-груби ефирни частици. Това движение на ефира кара тялото да се стреми към центъра на привличане, предизвиквайки неговото падане на Земята.

В първото издание на генералния му труд за всеобщото привличане  „Математически начала на натурфилософията“, излязъл през 1687 г.,  отсъства всякакъв намек за ефира. Но във второто издание на този труд през 1713 г., Нютон отделя сериозно внимание на „един изключтелно фин ефир, проникващ през всички плътни тела и съдържащ се в тях, чрез чиято сила и действия частиците на телата при много малки разстояния се привличат, а при допир се сливат; наелектризираните тела действат на големи разстояния, както привличайки, така и отблъсквайки близки малки тела; светлината се излъчва, отразява, пречупва, отклонява се и нагрява телата, възбужда чувство,  заставящо крайниците на животните да се движат по желание, предавайки се именно чрез трептенията на този ефир от външните органи на чувствата към мозъка и от мозъка към мускулите“ .

В течение на своя дълъг и плодотворен живот, великият учен многократно сменя позициите си. От време на време Нютон отбелязва, че за ефира не е известно нищо достоверно, неизвестно е даже дали го има или не и затова той не желае дори да изказва своето мнение по този проблем! А след това  отново и отново изказва мнение, което е ту за съществуването на ефира,  ту против него.

С.Смирнов, д-р на физ.-мат.н., който специално  изучава сложните отношения на Нютон с ефира, решава загадката, благодарение спомените на приятелите на Нютон. За учудване става ясно, че Нютон не само вярва в Бога – вездесъщия и всемогъщия, но и не можел да си го представи по друг начин, освен като особена субстанция, пронизваща цялото пространство и регулираща всички сили на взаимодействие между телата,  а чрез това и всички движения на телата,  всичко,  което става в света. Тоест,  Бог – това е ефирът! От гледна точка на църквата, това е ерес. Затова Нютон (като добър християнин и добър физик) не смеел да пише за това свое убеждение, а само понякога го споменавал в приятелски разговори.

Интуицията никога не е подвеждала Нютон. Не го е подвела и по отношение на ефира.

Особената материална субстанция,  пронизваща цялото пространство и регулираща всички сили на взаимодействие, която съществено се отличава от ефира, както са си го представяли по времето на Нютон, бе открита от учените на ХХ век, изследвана и наречена физически вакуум.

Авторитетът на Нютон увеличава авторитета на ефира. Съвременниците и потомците на Нютон обръщат повече внимание на онези изказвания на великия физик, които утвърждават съществуването на ефира, отколкото на другите, които  поставят това под съмнение.

Под понятието ефир започват да подразбират всичко онова, което, както сега знаем, се предизвиква от въздействието на гравитационни и електромагнитни сили. Но тъй като другите фундаментални сили в света практически не са изучавани до възникването на атомната физика, то с помощта на ефира се опитват да обясняват всякакви явления и всякакви процеси.

Интересът към ефира особено нараства след откриването на електромагнитното поле. Точно тук еластичната среда изглежда незаменима при преобразуването на едното поле в другото. Изкусният теоретик на електромагнитните вълни Д. Максуел наблюдава в своите експерименти очевидното възникване на напрягане на ефира при този процес. Нещо като поле на еластични сили,  действащи в деформираното  разтегнато или свито парче ластик.

Ефирът трябвало да осъществи действието на закона за всеобщото привличане; ефирът се оказвал средата, в която се разпространяват светлинните вълни; ефирът носел отговорността за всички проявления на електромагнитните сили. Въобще, отговорите на почти всички загадки на природата: физически,  химически,  биологически – трябвало да се обяснят именно чрез ефира. За едновременното изпълнение на всички тези функции, той би трябвало  да  притежава твърде различни и често пъти доста противоречиви свойства.

Например, бурното развитие на вълновата теория на светлината налага приписването на фантастични свойства на ефира. Когато англичанинът Томас Юнг и французинът Огюстен Френел стигат до извода, че светлината представлява не надлъжни, а напречни вълни, било им е трудно да осмислят и приемат този резултат за реален. За да се осъществи движението на напречните светлинни вълни със скорост,  чиято стойност е определена доста точно още през ХVІІ век, ефирът трябвало да притежава изключителна еластичност. По-голяма от тази на най-еластичната стомана. Еластичността е свойство преди всичко на твърдите тела и то не на всяко. В същото време ефирът трябвало да бъде по-прозрачен за светлината от всеки газ и  да не пречи на движението на планетите и звездите.

Всяко ново постижение на вълновата теория дарява ефира с все нови и нови свойства. Това от една страна, а от друга – няма експеримент, който позволява да се отрече ефира. Постепенно, обаче, обясненията на светлинните явления, основани върху хипотезата за ефира, започват да изглеждат все по-изкуствени. Започва да се формира убеждението за несъвършенството на основите на класическата физика. За излизане от кризата е поет курс към разработването на специална физика – физика на високите скорости,  близки до скоростта на светлината (релативистка физика).

Първо трябва да се провери валидността на основните положения на класическата физика при светлинни и близки до светлинната скорости.

Класическата физика е основана на трите закона на Нютон, при това всеки закон произтича като частен случай от законите на общата теория. По такъв начин, класическата физика е пример за великолепно разработена теория, чиито детайли и общи принципи не са претърпели никакви изменения или поправки вече няколко столетия.

В основата на класическата физика лежи абсолютността на пространството и времето,  съгласно която ходът на времето (продължителността на една негова единица, например,  секунда) и размерът на телата (големината на единицата за дължина, например, метър) са неизменни в произволна отправна система и не зависят от това, дали отправната система е в покой или се движи.

Важна основа на класическата физика е принципът за относителност на Галилей. Той твърди, че опити, проведени в неподвижна система, и същите опити,  проведени в система, движеща се равномерно и праволинейно, ще дадат един и същ резултат, т.е. всички закони на механиката се запазват в произволни инерциални отправни системи. Инерциалните отправни системи са свободни от външни въздействия и следователно, се движат равномерно и праволинейно или са в състояние на покой.

Накрая, към основните положения на класическата физика трябва да отнесем и правилото за събиране на скорости: ако източник на движение, предаващ на дадено тяло скорост U или средата, в която едно тяло се движи със скорост U, имат в едно и също направление скорост V спрямо неподвижен наблюдател, то скоростта на тялото W спрямо този наблюдател, се определя по правилото за събиране на скорости, съгласно което W=V+U

Забележка: Номерата които виждате до заглавията са по ред на публикациите, за да Ви е лесно да ги намирате в търсачката, и не отговарят на страниците. Забележката важи за всички публикации където има * и число * в заглавието.

източник: http://www.beinsadouno.com