Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника



Второй постулат ОТО гласит:в присутствии массивных тел должно искривляться не только пространство, а все пространство-время.




Читайте также:
  1. B) это составная часть общественного воспроизводства, отражающая те же стадии (фазы) процесса воспроизводства, но только со стороны движения инвестиционного капитала;
  2. I. Квалификационные требования, предъявляемые для замещения высших должностей муниципальной службы
  3. II. Должностные обязанности
  4. II.5.3) Полномочия и должностная власть магистрата.
  5. III-яя глава: Режим, применяемый к почетным консульским должностным лицам и консульским учреждениям, возглавляемым такими должностными лицами.
  6. Mиpoвoe хозяйство второй половины ХХ В.
  7. N-мерное метрическое пространство, расстояние между точками.
  8. Non corpus solum aestimatur, sed potius quanti interfuit (D. 9.2.21.2). -Оценивается не столько врожденная вещь, сколько интерес.
  9. Quot;Наши взгляды как часы - все показывают разное время, но каждый верит только свои".
  10. V. В момент смерти может помочь только Дхарма

Общая теория относительности объединила в рамках одной концепции понятия инерции, гравитации, и метрики пространства-времени. В соответствии с принципом эквивалентности, общая теория относительности трактует тяготение как искривлениечетырехмерного пространственно-временного континуума (и в этом ее отличие от евклидовой геометрии). Поля тяготения были включены в пространственно-временной континуум как его «искривление». Иными словами, тяготение есть следствие геометрических свойств пространства-времени вблизи массивных тел.Чем массивнее тело и выше его плотность, тем больше оно искривляет окружающее его пространство-время, и тем большую силу притяжения испытывают соседние тела. Кривизна континуума стала рассматриваться как результат распределения движущихся в нем масс. Метрика континуума т.о. стала неевклидовой метрикой.

Квантовая механика. С созданием специальной и общей теории относительности изменились наши взгляды на природу материи. Это была настоящая революция в нашем понимании пространства, времени и Вселенной. Но это была не единственная революция в физике начала ХХ века. Примерно в то же время в корне изменились представления о природе излучения и вещества. Это было и время становления квантовой теории или квантовой физики. Волновая, или квантовая механика возникает в связи с описанием процессов, происходящих в мире мельчайших частиц – в микромире. Первый шаг в этом направлении сделал Макс Планк, выдвинувший гипотезу о квантах электромагнитного излучения.

Все началось с исследования абсолютно черного тела. На рубеже 18-19 веков было серьезное расхождение между теорией и экспериментом при исследовании абсолютно черного тела. Согласно господствующей теории считалось, что его излучение должно быть непрерывным, континуальным. Однако это приводило к парадоксальным выводам вроде того, что общая энергия, излучаемая черным телом при данной температуре равна бесконечности (формула Релея-Джина). Но основанная на уравнениях Максвелла классическая теория излучения нагретых тел противоречила результатам экспериментов.

Описывая обмен энергией между нагретым телом и окружающим пространством, Планк предположил, что такой процесс может быть не непрерывным, а дискретным. Иными словами, Планк выдвинул гипотезу, что вещество может излучать или поглощать энергию, конечными порциями, квантами, пропорциональными излучаемой частоте. Используя эту гипотезу, Планк получил выражение для распределения энергии в спектре излучения черного тела, совпадающее с экспериментом:



E=hn,

где h – универсальная константа, имеющая размерность действия (эрг\с), названная планковской, а n – частота излучения.

Только после этого удалось построить согласующуюся с опытными данными теорию излучения, которая устранила абсолютно неприемлемую гипотезу, известную как ультрафиолетовая катастрофа, согласно которойвсе тела должны излучать в коротковолновом диапазоне бесконечную энергию.Но идея дискретности энергии подрывала основы классической физики. Т.о. Планк подложил первую мину в фундамент классической физики.

Квантовая теория света. Квантовая теория вещества и излучения получила подтверждение в экспериментах, обнаруживших, что при облучении твердых тел светом из них выбиваются электроны. Для объяснения фотоэффекта А.Эйнштейном была использована гипотеза Планка.

Эйнштейндоказал на основе квантовой теории, что энергия, необходимая для освобождения электрона, зависит от частоты света (светового кванта), поглощаемого веществом, а не от его интенсивности. Он показал также, что свет не только испускается, но и поглощается в форме квантов энергии. Кванты света представляют собой частицы, которые движутся в вакууме со скоростью 300 000 км/сек. Квантованные порции электромагнитного излучения в 20-е годы ХХ в. стали называть фотонами. Эйнштейн также предположил, что свет, в соответствии с формулой Планка, обладает одновременно и волновыми и корпускулярными свойствами. В сообществе физиков заговорили о корпускулярно-волновом дуализме. Одним из доказательств корпускулярно-волнового дуализма является интерференция.



Открытие корпускулярно-волнового дуализма привело к уточнению полевого механизма взаимодействий и превращению его в квантово-полевой механизм. Поскольку возмущение поля — волна — может одновременно рассматриваться как совокупность частиц — квантов поля, то взаимодействие, переносимое полем, можно представлять как процесс обмена квантами поля между взаимодействующими телами.

Отсюда можно говорить и о волновых свойствах электрона, например о дифракции электрона, которые были экспериментально установлены через несколько лет К.Дэвидсоном, исследовавшим рассеяние пучка электронов на монокристаллической решетке. Дифракция тесно связана с явлением интерференции. Более того, само явление дифракции зачастую трактуют как частный случай интерференции.

В результатемногочисленных экспериментальных данныхЛуи де Бройль выдвинул гипотезу, что дуализм корпускулярных и волновых свойств присущ не только свету, но и веществу, элементарным частицам, введя представление о волнах материи.

Для того, чтобы объяснить взаимодействие электромагнитных волн с веществом, немецкий физик Гендрик Антон Лоренц выдвинул гипотезу о существовании электрона, т.е. малой заряженной электрически частички, которая в громадных количествах присутствует во всех весомых телах. Эта гипотеза объяснила открытое в 1896 году немецким физиком П.Зееманом явление расщепления спектральных линий в магнитном поле. Однако эксперименты Р.Фейнмана с «обстрелом» электронами щита с двумя отверстиями показали, что невозможно, с одной стороны, сказать, через какое отверстие пролетает электрон, т.е. точно определить его координату, а с другой стороны, не исказить картины распределения регистрируемых электронов, не нарушив характера интерференции. Это значит, что мы можем знать или координату электрона, или импульс, но не то и другое вместе. Этот эксперимент поставил под вопрос само понятие частицы в классическом смысле точной локализации в пространстве и времени.

Ясность в эту специфическую особенность квантовой теории в 1927 г. внес немецкий физик Вернер Гейзенберг. Им впервые было дано объяснение этого неклассического поведения микрочастицы. Он показал, что описание поведения элементарных частиц с помощью классических понятий координат, импульса и энергии лишь приблизительно соответствует их реальным свойствам. Точное знание координаты частицы приводит к полной неопределенности ее импульса, и наоборот – точное знание импульса частицы – к полной неопределенности ее координаты. Соответствующее ограничение получило название принципа неопределенности.

 

, где

Принцип Гейзенберга фундаментален и важен. Гейзенберг наглядно объяснил свой принцип на примере гипотетического микроскопа. Если бы мы захотели установить координату электрона, точное значение импульса которого уже известно, то для того, чтобы увидеть электрон и определить его положение, нам пришлось бы осветить его, т.е. направить на него пучок фотонов. Однако фотоны, сталкиваясь с электроном, передадут ему часть своей энергии и тем самым изменят его импульс на неопределенную величину. Таким образом, мы измерим точную координату частицы, но ее импульс окажется неопределенным.

Выход из положения неопределенности нашел Эрвин Шрёдингер, который воспользовавшись идеей де Бройля о волнах материи, сопоставил движение микрочастицы с комплексной функцией координат и времени, которую он назвал волновой. Решение волнового уравнения Шрёдингера для волновой функции и характеризует состояние микрочастицы. Один из основных постулатов квантовой механики гласит, что состояние объекта полностью описывается его волновой функцией (иногда говорят о пси-функции, поскольку волновую функцию принято обозначать греческой буквой Ψ).

Уравнение Шрёдингера является основным уравнением квантовой механики. Зная волновую функцию объекта, можно рассчитать все его характеристики, доступные измерению.

Квантовая теория дала новый образец описания состояния физической системы. В отличие от механики, где состояние тела определяется его координатами и скоростью, или от МКТ, где состояние системы задается распределением вероятностей тех или иных значений координат и скорости, в квантовой теории волновая функция не имеет столь наглядного смысла.

Основная идея квантовой механики состоит в том, что в микромире определяющим является представление о вероятности событий. На микроскопическом уровне (т.е. когда речь идет о фотонах или элементарных частицах вещества), мы не можем точно предсказать результат конкретного эксперимента (например, указать на экране точку, в которую должен попасть фотон). Все, что мы можем сделать – это лишь рассчитать вероятность различных исходов опыта. И только при наличии очень большого количества частиц наши предсказания хода эксперимента обретают необходимую точность. Эта очень глубокая мысль предполагает принципиальную ограниченность наших возможностей предсказывать развитие событий.

Физический смысл волновой функции указал физик Макс Борн: квадрат модуля Ψ определяет вероятность того, что частица будет обнаружена в пределах некоторого объема. Это означает, что предсказания квантовой механики, в отличие от классической механики, носят вероятностно-статистический характер, из чего следует, что точное измерение возможно только при потоке частиц, но не одной частицы.

Анализируя принцип неопределенности, Борн показал, что в зависимости от постановки эксперимента микрочастица обнаруживает либо свою корпускулярную природу, либо волновую, но не обе сразу. Следовательно, эти две природы микрочастиц взаимно исключают друг друга, и в то же время должны быть рассмотрены как дополняющие друг друга, а описание их на основе двух классов экспериментальных ситуаций является целостным описанием микрочастицы. Этот принцип был назван принципом дополнительности.

В результате синтеза квантовой теории и специальной теории относительности возникла квантовая электродинамика – теория электромагнитных взаимодействий, которая рассматривает процесс взаимодействия заряженных частиц как обмен фотонами.

Релятивистская механика. Как говорилось выше, частицы могут себя вести и подобно волне (корпускулярно-волновой дуализм). Открытие волновой природы электрона раскрыло новый, своеобразный мир явлений. Изящная теория электрона была предложена выдающимся физиком-теоретиком Полем Дираком в 1928 г. Эта теория дает нам возможность определить, когда электрон сходен с частицей, а когда - с волной. Одна из посылок теории Дирака об электроне заключалась в том, что должна существовать элементарная частица, обладающая такими же свойствами, как и электрон, но с положительным зарядом. Такая частица (античастица) была обнаружена и названа позитроном. Из теории Дирака также следовало, что позитрон и электрон, взаимодействуя между собой (реакция аннигиляции), образует паруфотонов, т.е. квантов электромагнитного излучения. Возможен и обратный процесс (процесс рождения), когда фотон, взаимодействуя с ядром, превращается в паруэлектрон-позитрон. Кроме того, электрон и позитрон могут возникать и исчезать не только совместно, но и по отдельности - при взаимных превращениях нейтронов и протонов или их античастиц, т.е. антинейтронови антипротонов.

В 1927 г. английский физик Поль Дирак обратил внимание, что для описания движения открытых к тому времени микрочастиц (электрона, протона и фотона), т.к. они движутся со скоростями, близкими к скорости света, требуется применение специальной теории относительности. Поэтому квантовая механика делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной теории относительности. Согласно принципу дополнительности, эти два описания являются более полным описанием природы материи.

Характерное для волновой механики (механика, которая рассматривает частицу как волну) вероятностное распределение рассматриваемых частиц (каждой частице сопоставляется волновая функция, квадрат амплитуды которой равен вероятности обнаружить частицу в определенном объеме) относится не только к электрону. В случае атомных ядер оно позволяет составляющим эти ядра нуклонам(т.е. протонам и нейтронам) «просачиваться» через непреодолимый для них потенциальный барьер наружу - это так называемый квантово-механический туннельный эффект.

В современной физике фундаментальную роль играет релятивистская квантовая теория физических систем с бесконечным числом степеней свободы - квантовая теория поля. Эта теория построена для описания одного из самых общих свойств микромира - универсальной взаимопревращаемости элементарных частиц. Для описания такого рода процессов требовался переход к квантовому волновому полю.

Квантовая электродинамика - та часть квантовой теории поля, в которой рассматривается взаимодействие электромагнитного поля и заряженных частиц (или электронно-позитронного поля).

В настоящее время квантовая электродинамика рассматривается как составная часть единой теории слабого и электромагнитного взаимодействий.

 


Дата добавления: 2015-04-05; просмотров: 14; Нарушение авторских прав





lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2020 год. (0.008 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты