Микросостояние микрочастицы

В настоящее время квантовая механика решает проблемы целостности и сложности микрообъектов. Микрочастицами называют элементарные частицы, ядра атома, атомы и молекулы. Квантовая механика показывает, что фундаментальные физические величины обладают определенной величиной и дальнейшему дроблению не подлежат. Неделимость минимального кванта действия указывает на целостность объектов природы. Объект может быть составным до определенного предела. Далее он становится целостным. До этого предела целостность объекта зависит от его состояния. Состояние подчиняется принципу суперпозиции. Состояние объекта обладает набором физических характеристик, которые в предельном случае не являются составными.

Важнейшей особенностью микросостояния является его целостность. Это состояние можно сравнивать с пространственным вектором , который можно разложить на базисные векторы , и по осям координат. Установлено, что любая проекция вектора «помнит», из какого вектора она получена. При изменении микросостояния, его целостность сохраняется. Микрообъекты, обладающие целостностью, при удалении друг от друга его частей на макрорасстояния, свою взаимосвязь не теряют. Например, при аннигиляции электрона и позитрона образуются два кванта света. Они разлетаются в противоположные направления. Между ними, согласно квантовой механике, сохраняетсясвязь. Каждый квант, в любой момент времени знает, где находится другой и что с ним происходит. Связь осуществляется путем передачи информации, через поля которые пока неизвестные физике. Если менять состояние одного из фотонов, тогда состояние другого фотона также меняется, хотя они находится далеко друг от друга. Этот факт свидетельствует о целостности двухфотонного микросостояния. Установлено, что микросостояние не определяет состояние своих частей, а макросостояние определяет.

О том, что микрочастицы обладают микросостоянием, впервые догадался швейцарский физик-теоретик Вольфганг Паули. Он в 1924 г. выдвинул гипотезу о том, что электрон обладает внутренней характеристикой, не имеющей классического аналога. В 1925 г.Дж. Уленбек и С. Гаудсмит на опыте показали, что электрон обладает вращательным моментом, т.е. спином. Тем самым была доказана гипотеза Паули. Кроме того, было установлено, что электрон обладает двумя значениями спина:

s_e=g_eћ=±(1/2)ּћ,

где s_е – спин электрона, g_е=±(1/2) - спиновое квантовое число. В дальнейшем выяснилось, что спин свойственен всем элементарным частицам, он является фундаментальной величиной, как масса и заряд. Спин сложных частиц определяется путем суммирования спинов отдельных микрочастиц, входящих в состав сложных частиц. Если сложная частица состоит из трех мелких, тогда в случае антипараллельности спинов ее спин будет равен ±(1/2)ּћ –, а в случае параллельности спинов будет равен ±(3/2)ּћ.

Ученые сначала теоретический, а затем на опыте доказали, что электрон обладает собственным магнитным моментом и он зависит от их спинов:

μ_е=(е/mּc)ּs_e=±(еּћ/2ּmּc),

где μ_е– магнитный момент,е- заряд, m –масса и s_e -спинэлектрона,c – скорость света. Эта формула показывает, что магнитный момент обладает двумя противоположными направлениями. Эксперимент, проведенный в 1921 году Штерном и Герлахом, которые пропускали поток электронов через магнитное поле, обнаружил, что электроны делится на два потока приблизительно равной интенсивности. Тогда ученые не могли объяснить причины возникновения двух потоков электронов. Причины этого явления объяснили позже теоретики, показав, что первый поток электронов обладают магнитным полем противоположного направления, по отношению ко второму потоку.

Минимальное значение энергии, импульса и момента импульса, передаваемого от одного объекта к другому, при помощи электромагнитных волн, определяется, по следующим формулам:

∆ε=ћω; ∆р=ћκ; ∆L= g ћ,

где ω=2π/T – циклическая частота, κ=2π/λ – волновое число, λ – длина волны электромагнитного излучения, g=±1– спиновое квантовое число фотона. Таким образом, фундаментальные характеристики фотона соответственно равны:

ε_ф=ћω; р_ф=ћκ; L_ф=±ћ

Из этих формул видно, что фотон характеризуется двумя группами величин: 1) ε_ф, р_ф, L_ф и 2)ω, κ, g. Фотон, как электрон обладает двумя спиновыми состояниями: «+»1ћ и «-»1ћ.

Первая группа величин характеризует сам фотон, а вторая группа – характеризует состояние фотона. Выяснили, что все квантовые числа такие, как спин, изоспин, странность, очарование, красота, цвет, четность, лептонный заряд, барионный заряд характеризуют внутреннее состояние микрообъекта.

Целостность микросостояний очень ярко проявляется для систем, состоящих из тождественных микрочастиц. Индийский физик Шатьендранат Бозеполучил формулы статистики распределения частиц, так называемых бозонов. Он, при помощи значения спина, ввел принцип тождественности частиц. Частицы, обладающие целыми спинами, назвали бозонами, а частицы, обладающие полуцелыми спинами назвали фермионами.В классических науках критерий тождественности объектов отсутствует. Однако на опыте наблюдается удивительная одинаковость атомов одного сорта. В качестве тождественных частиц можно рассматривать однотипные атомы, электроны, фотоны и т.д.

Одинаковые микрочастицы, способные находиться лишь в полностью симметричных состояниях, называются бозонами (в честь индийского физика-теоретика Ш. Бозе). Бозоны обладают целыми спинами: s_Б=0; ±1ћ; ±2ћ. Одинаковые микрочастицы, способные находиться лишь в полностью антисимметричных состояниях, называется фермионами (в честь итальянского физика-теоретика Энрико Ферми). Фермионы обладают полуцелыми спинами: s_Ф=±1ћ/2; ±3ћ/2. Такое разделение частиц на две группы впервые высказал В. Паули. Эта идея Паули полностью подтвердилась на опытах.

Для фермионов, справедлив принцип запрета Паули, согласно которому вероятность обнаружения двух фермионов в одном и том же микросостоянии равна нулю. Этот принцип объясняется эффективным уменьшением кинетической энергии системы из двух фермионов. Однако вероятность обнаружения двух бозонов в одном и том же микросостоянии вдвое выше, чем двух нетождественных частиц. Этот факт объясняется эффективным возрастанием кинетической энергии двух бозонов из-за неконтролируемых внешних воздействий.

Различие в свойствах систем бозонов и фермионов проявляется на макроскопическом уровне.Например, лучи лазера – это совокупность большого количества фотонов, имеющих одинаковые микросостояния. Высокая плотность фотонов приводит к тому, что их удается описать в модели сплошной среды, что приводит к классической гармонической электромагнитной волне. Однако такого не наблюдается у электронов, т.к. даже два электрона нельзя поместить в одном и том же микросостоянии, поэтому макроскопические тела взаимно непроницаемы, а электромагнитные волны взаимно проницаемы. Отсюда следует, что вещества и поля являются отражением свойств фермионов и бозонов на макроуровне.