Принципы дополнительности и неопределенности

В классическом естествознании господствовал принцип детерминизма: от научного описания требовалась полная определенность. При изучении микромира физики столкнулись с невозможностью такого детерминированного описания. Оказалось, что в одних экспериментах электрон и другие элементарные частицы обнаруживают корпускулярные свойства, т.е. ведут себя подобно частице, а в других – проявляют волновые свойства. Любой детектор регистрирует их как частицы, как нечто целое, локализованное в очень малой области пространства. С другой стороны, все микрочастицы обнаруживают типичные волновые свойства в явлениях интерференции и дифракции: подобно волнам огибают препятствия и проходят сразу через несколько щелей дифракционной решетки. Иными словами, у микрообъектов совмещаются корпускулярные и волновые свойства. Это явление получило название корпускулярно-волнового дуализма.

Н. Бор, рассматривая этот феномен, сформулировал в 1927 г. принцип дополнительности: в связи с тем что микрочастицы в одних экспериментах проявляются как частицы, в других – как волны, для более полного описания их поведения следует использовать законы и из волновой, и из квантовой теории. Первоначально сформулированный применительно к микромиру принцип дополнительности рассматривался Н. Бором как общее правило: «Мы встречаемся здесь с иллюстрацией старой истины, что наша способность анализировать гармонию окружающего мира и широта его восприятия всегда будут находиться во взаимно исключающем, дополнительном соотношении». Различные подходы к изучаемому объекту взаимодополнительны, и ни одна теория не может быть исчерпывающей. Необходимо использовать результаты разных экспериментов и теорий для получения достаточно полной картины объекта.

Частным выражением принципа дополнительности является принцип (соотношение) неопределенности. В 1927 г. немецкий физик В. Гейзенберг, анализируя закономерности изменения координаты и импульса электрона, пришел к заключению о том, что невозможно одновременно точно определить координату частицы и величину ее импульса. Это можно сделать лишь с приближением, допускающим неопределенность в значениях координат ∆x, ∆y, ∆z и неопределенность ∆р_x, ∆р_y, ∆р_z в значениях составляющих импульса. Произведение этих неопределенностей не может быть меньше постоянной Планка ħ:

∆x∆р_x ≥ ħ.

Чем точнее определен импульс, тем неопределеннее будет значение координаты, и наоборот. Так же соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого кроется во взаимодействии прибора с объектом измерения. В процессе исследования любое наблюдение или измерение подразумевают взаимодействие между наблюдателем и объектом. Это взаимодействие в физике происходит через посредника – прибор. В случае макротел эксперимент достаточно легко поставить так, чтобы он не искажал изучаемого явления, чтобы взаимодействие прибор-объект было сведено к минимуму. При исследовании микрочастиц положение осложняется. Если масса изучаемого объекта очень мала, то давлением света уже нельзя пренебрегать. После определения координаты частица может поглотить квант света и радикально изменить свое состояние, при этом мы теряем способность определить ее скорость.

Значение эксперимента возросло в квантовой механике до такой степени, что, по словам Гейзенберга, наблюдение играет решающую роль в атомном событии, и реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет. Сам измерительный прибор влияет на результаты измерения. Человек перешел на тот уровень исследования, где его влияние оказывается неустранимым в ходе эксперимента и фиксируемым результатом является взаимодействие изучаемого объекта и измерительного прибора.

Элементарные частицы

Открытие элементарных частиц началось с конца XIX в. Первая элементарная частица (электрон) была открыта Дж. Томсоном в 1897 г., протон – Э. Резерфордом в 1919 г., нейтрон – Дж. Чэдвиком в 1932 г. Тяжелые частицы (протон и нейтрон), составляющие ядро, называются нуклонами (лат. nucleus – ядро). Фотон как частица света (греч. рhōtόs – свет) был введен в теоретическую физику А. Эйнштейном в 1905 г.

В 1928 г. Поль Дирак предсказал существование частицы, противоположной по свойствам электрону. В 1936 г. такую частицу, заряженную положительно, экспериментально обнаружил К. Андерсон. Ее назвали позитрон (лат. positivus – положительный). Антипротон был открыт в 1955 г., антинейтрон – в 1956. Заряд у антинейтрона, как и у нейтрона, отсутствует, но его магнитный момент имеет противоположный знак. При встрече частицы с античастицей происходит их аннигиляция, взаимоуничтожение, в результате чего рождаются другие частицы. Например, электрон и позитрон превращаются в два фотона.

В 1935 г. Х. Юкава предсказал существование частиц с промежуточной массой (легче протона, тяжелее электрона). Их назвали мезонами (греч. mesos – средний) и обнаружили экспериментально в 1947 г. Эти частицы появляются, например, при аннигиляции нуклонов и антинуклонов, присутствуют в космических лучах, используются в ядерной физике.

Во второй половине ХХ в. основным средством открытия элементарных частиц и исследования их свойств стали ускорители элементарных частиц. Сейчас их насчитывается более 350 видов. Конечно, их все время стараются упорядочить: по массе, по времени жизни, по спину и др. По массе различаются барионы (тяжелые частицы, к ним относятся нуклоны), мезоны, лептоны (легкие частицы – электрон, нейтрино) и фотон, вообще не имеющий массы покоя. По времени жизни: стабильные частицы (электрон, протон, фотон, нейтрино), квазистабильные (нейтрон) и нестабильные.

Термин «спин» (англ. spin – вращение) характеризует собственный момент импульса частицы. Он может принимать значения, кратные постоянной Планка ħ или ħ/2. Частицы с полуцелым спином, фермионы (к ним относятся частицы вещества – электроны, протоны, нейтроны) подчиняются принципу Паули, согласно которому в одном состоянии может находиться только один фермион. Частицы с целым спином, бозоны (это кванты полей, переносчики взаимодействий – мезоны, фотоны) не ограничены этим правилом. Заряд у всех элементарных частиц кратен заряду электрона.

Почти у всех частиц, кроме фотона и двух мезонов, есть античастицы. По своим свойствам они аналогичны обычным частицам, отличаясь лишь противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента.

Еще одним общим свойством элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость. Продукты превращения и распада частиц не более просты, чем исходные объекты. Это другие элементарные частицы. Почти каждая частица может быть составной частью другой элементарной частицы.

Сравнительное изучение элементарных частиц показало, что они также, как и атомы, не совсем элементарны, а состоят из еще более мелких «кирпичиков» материи. В 1964 г. М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг выдвинули гипотезу кварков. Термин этот был взят из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», где его произносит человек, пораженный безумием. Теоретически почти все элементарные частицы можно рассматривать как комбинации кварков. Например, барионы (протоны, нейтроны) состоят из трех кварков, лептоны - из кварка и антикварка. Типы кварков названы ароматами. Их шесть: up – верхний, down – нижний, strange – странный, charmed – очарованный, beauty –прелестный, truth – истинный. Каждый может находиться в трех состояниях, называемых цветами: желтом, красном, синем. Размеры кварков примерно в 10 раз меньше нуклона, спин – полуцелый, а заряды должны быть дробными.