Квантово-полевая картина мира

Квантово-полевая картина мира (КПКМ) началась с «ломки» ЭКМ, с представлений о строении атомов.

Первую модель атома представил английский физик Дж. Томпсон, которым в 1897 году был открыт электрон. Эта модель представляла собой сгусток материи, обладающей положительным электрическим зарядом, в который вкраплено столько электронов, что в целом атом представлял электрически нейтральное образование.

В 1911 году английский физик Резерфорд предложил свою модель атома: в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по разным орбитам вращаются электроны. Возникающая при их вращении центробежная сила уравновешивается притяжением между ядром и электронами. Эта, так называемая, планетарная модель атома.

В 1913 году датский физик Нильс Бор усовершенствовал модель атома Резерфорда. Он предположил, что электроны движутся вокруг ядра по круговым орбитам. В основу своей теории атома Бор положил следующие постулаты.

Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний): в атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) состояния, в которых он не излучает энергии. Стационарным состояниям атома соответствуют стационарные орбиты, по которым движутся электроны. Движение электронов по стационарным орбитам не сопровождается излучением электромагнитных волн.

Этот постулат находится в противоречии с классической теорией. В стационарном состоянии атома электрон, двигаясь по круговой орбите, должен иметь дискретные квантовые значения момента импульса.

Второй постулат Бора (правило частот): при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую излучается (поглощается) один фотон с энергией равной разности энергий соответствующих стационарных состояний.

Излучение фотона происходит при переходе атома из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией, т. е. осуществляется переход электрона с более удаленной от ядра орбиты на более близлежащую. Поглощение – при переходе атома в состояние с большей энергией, т. е. осуществляется переход электрона на более удаленную от ядра орбиту.

Представление об определенных орбитах, по которым движется электрон в атоме Бора, оказалось весьма условным. На самом деле движение электронов в атоме имеет мало общего с движением планет по орбитам.

В настоящее время с помощью квантовой механики можно ответить на многие вопросы, касающиеся строения и свойств любых элементов.

Французский ученый Луи де Бройль (1892- 1987), осознавая существующую в природе симметрию и развивая представления о двойственной корпускулярно-волновой природе света, выдвинул в 1923 г. гипотезу об универсальности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновыми свойствами.

Согласно де Бройлю с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики - энергия и импульс, а с другой, - волновые характеристики - частота и длина волны.

Вскоре гипотеза де Бройля была подтверждена экспериментально американскими физиками К. Дэвиссоном (1881- 1958) и Л. Джермером (1896- 1971).

Подтвержденная экспериментально гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом дуализме свойств вещества коренным образом изменила представления о свойствах микрообъектов. Всем микрообъектам присущи и корпускулярные, и волновые свойства: для них существуют потенциальные возможности проявить себя в зависимости от внешних условий либо в виде волны, либо в виде частицы.

В 1930 г. швейцарский физик Паули выдвинул гипотезу о нейтрино – микрочастиц не имеющих массы и заряда и уносящих собой половину энергии испускаемой ядром при β-распаде. Английский ученый Дж. Чедвик открыл нейтрон, который обладал массой, но не имел заряда.

В 1934 г. супруги Жолио-Кюри сделали открытие: искусственную радиоактивность легких элементов, доказав этим что свойства радиоактивного распада присуще всем элементам, а не только тяжелым, стоящим в конце периодической системы Д. Менделеева. При этом выявилась определяющая роль атомной массы, а не заряда ядра химических элементов.

Таким образом, на место односторонней ЭКМ пришла двусторонняя КМ, учитывающая взаимосвязи и свойства массы и свойства электрического заряда. Поэтому открытия связанные со строением вещества и взаимосвязи вещества и энергии лежат в основе КПКМ.

Основные понятия КПКМ: дискретность излучения; квант действия (h); единство корпускулярно-волновых свойств материи; волновое уравнение для частиц; физические поля – совокупность квантов; обменный характер взаимодействия; виртуальные частицы и античастицы; взаимопревращаемость элементарных частиц и т.д.

Основные принципы КПКМ: квантование; соотношение неопределенностей; относительность к средствам наблюдения; дополнительность; соответствие; причинность (квантово-механическая) и др.