(здесь ?- — отрицательно заряженный ?-мезон, являющийся античастицей по
отношению к ?+-мезону) . Эти схемы хорошо иллюстрируют беспредметность
выяснения того, входит ли протон в “состав” нейтрона или же, напротив,
нейтрон в “состав” протона.
Повседневный опыт учит: разобрать предмет на части – значит выяснить, из
чего он структурно состоит. Идея анализа (идея дробления) отражает
характерную сторону классических представлений. При переходе к
микрообъектам эта идея в определенной мере еще “работает” : молекула
состоит из атомов, атом состоит из ядра и электронов, ядро состоит из
протонов и нейтронов. Однако на этом указанная идея себя исчерпывает:
“дробление” , например, нейтрона или протона не выявляет никакой структуры
этих частиц. В отношении элементарных частиц нельзя утверждать: “распад
объекта на какие-либо части означает, что объект состоит из этих частей” .
Именно это обстоятельство может служить определением самого термина
“элементарная частица” .
Распады элементарных частиц далеко не исчерпывают всех происходящих
взаимопревращений частиц. Не менее богата картина взаимопревращений,
происходящих при столкновениях частиц. В качестве примера приведем
некоторые схемы взаимопревращений при столкновении фотонов (?) с протонами
и нейтронами: ?+pаn+ ?+, ?+n?p+ ?-, ?+p?p+ ?0, ?+n?n+ ?0, ?+p?p+ ?++ ?-,
?+n?n+ ?0+ +?0, ?+p?p+ p+ p (p – ?нтипротон) .
Полезно обратить внимание на то, что во всех приведенных здесь схемах сумма
масс покоя конечных частиц больше массы покоя исходных. Иначе говоря,
энергия сталкивающихся частиц превращается здесь в массу (согласно
известной формуле E=mc2) . Эти схемы демонстрируют, в частности,
бесплодность попыток расщепить элементарные частицы (в данном случае
нуклоны) , “обстреливая” их другими частицами (в данном случае фотонами) :
в действительности происходит не расщепление обстреливаемых частиц, но
рождение новых, причем в определенной мере за счет энергии сталкивающихся
частиц.
Исследование взаимопревращений элементарных частиц позволяет выяснить
определенные закономерности. Эти закономерности выражают в виде законов
сохранения неких величин, играющих роль определенных характеристик частиц.
В качестве простого примера укажем электрический заряд частицы. При любом
взаимопревращении частиц алгебраические суммы электрических зарядов
исходных и конечных частиц равны. Закон сохранения электрического заряда
отражает определенную закономерность взаимопревращений частиц: он позволяет
заведомо исключить из рассмотрения те схемы, где суммарный электрический
заряд частиц не сохраняется.
В качестве более сложного примера укажем так называемый барионный заряд
частицы. Было подмечено, что число нуклонов при превращениях частиц
сохраняется. С открытием антинуклонов обнаружили, что рождение
дополнительных нуклонов возможно, но обязательно в паре с антинуклонами.
Тогда была введена характеристика частицы – барионный заряд, равный нулю
для фотонов, лептонов и мезонов, единице – для нуклонов, минус единице –
для антинуклонов. Это позволило рассматривать замеченные закономерности как
закон сохранения суммарного барионного заряда частиц. Закон подтвердился
также последующими наблюдениями; при этом обнаруженным впоследствии
гиперонам пришлось приписать барионный заряд, равный единице (как и
нуклонам) , а антигиперонам – минус единице (как и антинуклонам) .
Универсальные динамические переменные. При переходе от макрообъектов к
микрообъектам следует ожидать качественно новых ответов на вопросы: какими
динамическими переменными описывается состояние объекта? как описывается
его движение? Ответы на эти вопросы в существенной мере раскрывают
специфику физики микрообъектов.
В классической физике используются законы сохранения энергии, импульса,
момента импульса. Как известно, эти законы являются следствиями
определенных свойств симметрии пространства и времени. Так, закон
сохранения энергии – следствие однородности времени (следствие
независимости протекания физических процессов от выбора того или иного
момента в качестве начала отсчета времени) ; закон сохранения импульса –
следствие однородности пространства (следствие того, что все точки в
пространстве физически равноправны) ; закон сохранения момента импульса –
следствие изотропности пространства (следствие того, что все направления в
пространстве физически равноправны) . Для пояснения свойств симметрии
пространства и времени заметим, что благодаря этим свойствам, например,
законы Кеплера для движения планет вокруг Солнца не зависят от положения
Солнца в галактике, от ориентации в пространстве плоскости движения
планеты, а также от того, в каком именно столетии открыты эти законы. Связь
между свойствами симметрии пространства и времени и соответствующими
законами сохранения означает, что энергия, импульс или момент могут
рассматриваться как интегралы движения, сохранение которых есть следствие
соответственно однородности времени, однородности и изоторопности
пространства.
Отсутствие каких-либо экспериментальных указаний на нарушения в
микроявлениях отмеченных свыше свойств симметрии пространства и времени
позволяет заключить, что такие динамические переменные, как энергия,
импульс, момент импульса, должны сохранять смысл и в применении к
микрообъектам. Иначе говоря, связь этих динамических переменных с
фундаментальными свойствами симметрии пространства и времени превращает их
в универсальные переменные, т.е. переменные, имеющие “хождение” при
рассмотрении самых различных явлений из самых разных областей физики.
Однако при переносе понятий энергии, импульса и момента импульса из
классической физики в квантовую механику необходимо учитывать специфику
микрообъектов. Вспомним в связи с этим известные выражения для энергии (Е)
, импульса (р) и момента импульса (М) классического объекта, имеющего массу
m, координату r, скорость v: Е = mv2/2 + U(r) , р = mv, M = m(r . v) .
Исключая скорость, получаем отсюда соотношения, связывающие энергию,
импульс и момент импульса классического объекта: E = p2/2m + U(r) , M = (r
. p) .
Если обратится к микрообъекту, то надо отметить, что вышеприведенные
соотношения здесь не годятся. Иначе говоря, привычные классические связи
между интегралами движения при переходе к микрообъектам становятся
непригодными. Это есть первое качественно новое обстоятельство.
Для рассмотрения других качественно новых обстоятельств необходимо
обратится к двум основополагающим идеям квантовой механики – идее
квантования физических величин и идее корпускулярно-волнового дуализма.
2. Две основополагающие идеи квантовой механики.
Идея квантования (дискретности) . Сущность идеи квантования состоит в
том, что некоторые физические величины, относящиеся к микрообъекту, могут в
соответствующих условиях принимать только какие-то вполне определенные,
дискретные значения. Об этих величинах говорят, что они квантуются.
Так, квантуется энергия любого микрообъекта, находящегося в связанном
состоянии, например энергия электрона в атоме. Энергия же свободно
движущегося микрообъекта не квантуется.
Предположим, что рассматривается энергия электрона в атоме. Дискретному
набору значений энергии электрона соответствует система так называемых
энергетических уровней. Рассмотрим два энергетических уровня: Е1 и Е2, как
показано на рисунке 1 (по вертикальной оси откладываются значения энергии
электрона) . Электрон может иметь энергию Е1 или энергию Е2 и не может Е2
иметь какую-либо “промежуточную” энергию –все значения энергии Е,
удовлетворяющие неравенствам Е1 < E < E2, для него запрещены.
Е1 рис. 1 Примечательно, что дискретность энергии отнюдь не означает, что
электрон “осужден” вечно находится в исходном энергетическом состоянии
(например, на уровне Е1) . Электрон может перейти на другой энергетический
уровень (уровень Е2 или какой-либо другой) , получив или испустив
соответствующее количество энергии. Такой переход называется квантовым
переходом.
Квантомеханическая идея дискретности имеет довольно длинную предысторию.
Еще в конце XIX в. Было установлено, что спектры излучения свободных атомов
являются линейчатыми (состоят из набора линий) , содержат определенные для
каждого элемента линии, которые образуют упорядоченные группы (серии) . В
1885 г. было обнаружено, что атомарный водород дает излучение с частотами
?n (речь идет о циклических частотах ?, связанные с обычными частотами ?
соотношением ? = 2??) , ??торые можно описать формулой ?n = 2?cR(1/4 -
1/n2) , где n – целые числа 3,4,5,... ; c – скорость света, R – постоянная
Ридберга (R=1,097 . 107 м-1) . Вышеприведенная формула установлена
Бальмером; поэтому принято называть совокупность частот, описываемую этой
формулой, серией Бальмера. Частоты серии Бальмера попадают в область
видимого спектра. Позднее (в начале XX в.) были открыты дополнительные
серии частот излучения атомарного водорода, попадающие в ультрафиолетовую и
инфракрасную части спектра. Закономерности в структуре этих серий оказались
тождественными с закономерностями в структуре серии Бальмера, что позволило
обобщить формулу, записав ее в виде ?n = 2?cR(1/k2 - 1/n2) .
Число k фиксирует серию, причем в каждой серии n>k; k=2 дает серию
Бальмера, k=1 – серию Лаймана (ультрафиолетовые частоты) ; k=3 – серию
Пашена (инфракрасные частоты) и т.д.
Закономерность в структуре серий была обнаружена не только в спектре
атомарного водорода, но также и в спектрах других атомов. Она определенно
указывала на возможность каких-то обобщений. В качестве такого обобщения
Ритц выдвинул в 1908 г. свой комбинационный принцип: “Если даны формулы
серий и известны входящие в них постоянные, то путем комбинации в виде сумм
и разностей можно новую открытую линию в спектре вывести из ранее
известных” . В применении к водороду этот принцип следует понимать так.
Составим для разных чисел n так называемые спектральные термы: T(n) =
2?cR/n2.
Тогда каждая наблюдаемая в спектре водорода частота может быть выражена в
виде комбинации каких-то двух спектральных термов. Комбинируя спектральные
термы, можно предсказывать различные частоты.
Примечательно, что в это же время идея дискретности прокладывала себе путь
еще в одном направлении (не имеющим отношения к спектроскопии атомов) .
Речь идет об облучении внутри замкнутого объема, или, иными словами, об
излучении абсолютно черного тела. Анализируя экспериментальные данные,
Планк в 1900 г. выдвинул знаменательную гипотезу. Он предположил, что
энергия электромагнитного излучения испускается стенками полости не
непрерывно, а порциями (квантами) , причем энергия одного кванта равна E =
h?, где ? – частота излучения, а h – некоторая универсальная постоянная
(так в физике появилась постоянная Планка) . Как известно, гипотеза Планка
обеспечила согласие теории с экспериментом и, в частности, устранила
неприятности, возникавшие в прежней теории при переходе к большим частотам
