Виды физических полей – электрическое, магнитное, гравитационное. Электрическое поле - поле, посредством которого взаимодействуют электрические заряды. Основными характеристиками электростатического поля являются: напряженность Е (силовая характеристика), потенциал j (энергетическая). Магнитное поле создается проводниками с током, движущимися заряженными частицами и телами, намагниченными телами, а также переменным электрическим полем и действует только на движущиеся заряженные частицы и тела, а также на намагниченные тела. Силовой характеристикой магнитного поля служит вектор магнитной индукции B. Характеристики электростатического и магнитного полей подчиняются принципу суперпозиции. В действительности существует только одно поле – электромагнитное, подчиняющееся принципу относительности. Гравитационное поле порождается объектами, обладающими массой. Это поле носит центрально-симметричный характер, потенциально. Силы гравитационного взаимодействия имеют однонаправленный характер (в природе существует только гравитационное притяжение). Силы гравитации подобны кулоновским силам.
При рассмотрении явлений микромира понятия частицы и поля, которые на макроскопическом уровне относят к различным физическим объектам, сливаются в единое понятие квантового поля как особого вида материи. Частица – это особое состояние поля, квант поля.
Физический вакуум. Он назван третьим видом материи и был введен для объяснения происхождения черных дыр. Физический вакуум – это бескрайний океан виртуальных элементарных частиц. Доказательством существования таких частиц является изучение спектра излучения атома водорода, в котором происходит сдвиг энергетических уровней из-за взаимодействия электрона с физическим вакуумом. Физический вакуум – чрезвычайно сложный и парадоксальный объект, обладающий высокой степенью хаотичности и неопределенности. Потенциально (виртуально) вакуум содержит всевозможные частицы и состояния, которые могут из него получиться при наличии соответствующих условий, но в то же время актуального в нем ничего нет. Из физического вакуума могут рождаться элементарные частицы, т.е. привычное для нас вещество.
С точки зрения квантовой теории поля нет принципиального различия между вакуумом и частицей, различие между ними – это различие между двумя состояниями одной и той же физической реальности. Микрообъект следует рассматривать как материальную сущность, которая имеет потенциальную возможность при одних условиях проявлять себя как поле, при других – как частица. В макроусловиях она проявляет лишь одну из сторон своих свойств. Характерной особенностью поля является отсутствие у него точной локализации. Физическое тело – это дискретное образование, занимающее определенный объем.
Прерывность (дискретность) и непрерывность неотъемлемы друг от друга и объективно существуют только в своем единстве.
Контрольные вопросы
1.При каких условиях можно считать полями величины: плотность населения в стране, плотность звезд в галактике, распределение плотности по объему Земли, плотность воздуха в атмосфере, распределение деревьев в роще? Какие поля будут векторными, а какие скалярными?
2.Вещество и поле как формы материи.
3.Электрическое и магнитное поля. Их характеристики. Принцип суперпозиции для электрического и магнитного полей.
4.На основании каких законов были записаны уравнения Максвелла? Почему про них было сказано, что «уравнения умнее нас, умнее их создателя»? В чем это проявилось?
5.Почему после появления уравнений Максвелла перешли от механической к электромагнитной картине мира? Как передавались взаимодействия в той и другой картинах мира?
6.На каком основании можно утверждать, что свет есть электромагнитная волна?
7.Что такое пустота, или вакуум?
Библиографический список
Основной:
[1, гл. 9];
[2, разд. 2, гл. 3, § 1-4];
[3, гл. 3, § 3.10].
Дополнительный: [16, 22, 25, 27, 45, 49, 56].
Семинар 7. ЭЛЕМЕНТЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ.
КВАНТОВО-ПОЛЕВАЯ КАРТИНА МИРА
В конце XIX - начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого концептуальные построения классической физики оказались непригодными. В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи.
История исследования строения атома началась в 1897 г. благодаря открытию Дж. Томсоном электрона – отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии, помимо электрона, и положительно заряженной частицы. Опыты английского физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу, что в атомах существуют ядра – положительно заряженные микрочастицы, размер которых (10-12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10-8 см), но в которых почти полностью сосредоточена масса атомов.
Кроме того, было обнаружено, что атомы одних элементов могут превращаться в атомы других в результате радиоактивности, впервые открытой французским физиком А. Беккерелем. Явление радиоактивности, окончательно опровергнувшее представление о неделимости и непревращаемости атома, заключается в самопроизвольном превращении неустойчивых ядер атомов радиоактивных элементов в результате ядерных излучений.
Вопросы радиоактивности различных элементов изучались французскими физиками Пьером и Марией Кюри. Ими были открыты новые элементы – полоний и радий, а также установлено, что в результате радиоактивного излучения атом радиоактивного элемента превращается в атом другого элемента.
В конце прошлого века в связи с пристальным вниманием ученых к законам теплового излучения тел возникла проблема получения теоретического выражения для спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела.
Решение этой проблемы было получено М.Планком в 1900 г. на основе предположения о том, что энергия атомного осциллятора излучается не непрерывно, а определенными порциями – квантами. Данное высказывание противоречило положениям классической физики. Создавшееся противоречие разрешилось созданием новой теории, отличной от классической, – квантовой механики. Эта теория позволила объяснить и некоторые другие явления (фотоэффект, эффект Комптона, давление света), суть которых невозможно было прояснить с классической точки зрения. Появление квантовой теории продемонстрировало диалектичность науки физики, определило новые направления ее развития.
Ряд физических явлений демонстрирует корпускулярную сторону света (свет как частица), с другой стороны, интерференция, дифракция, поляризация подтверждают волновую природу света. А давление и преломление света объясняются и квантовой и волновой теориями. Отсюда следует, что электромагнитное излучение обнаруживает единство взаимоисключающих свойств – непрерывных (волновых) и дискретных (фотоны – кванты света).
Французским физиком Луи де Бройлем идея о двойственной природе света была распространена на всю материю. Согласно де Бройлю, с каждой микрочастицей связываются волновые (длина волны l, частота n) и корпускулярные (энергия E, импульс p) характеристики. Аналитически связи этих характеристик имеют вид ( h – постоянная Планка)
E=h·n, p=h/l.
Любой частице материи ставится в соответствие волновой процесс с длиной волны, которая определяется по формуле де Бройля
l=h/p.
Э.Шредингер развил гипотезу о волнах материи до логического конца. Ученым было получено уравнение, описывающее движение электрона в атоме. Квадрат модуля волновой функции, входящей в уравнение Шредингера, имеет смысл вероятности обнаружения частицы в некоторой точке пространства:W~½Y(x,y,z,t)½2. Таким образом, описание состояния микрочастицы с помощью Y -функции носит вероятностный характер.
Соотношения неопределенностей имеют вид
Dх · Dpx ³ h/2
Dy · Dpy³ h/2
Dz · Dpz ³ h/2,
где Dх, Dy, Dz – неопределенности соответствующих координат; Dpx , Dpy , Dpz – соответствующие им неопределенности импульсов.
Данные соотношения демонстрируют принципиальную невозможность одновременного точного определения координаты и импульса частицы. В квантовой теории рассматривается также соотношение неопределенностей для энергии Е и времени t:
DE · Dt ³ h/2.
С точки зрения классической механики соотношение неоп-ределенностей представляется абсурдом. Чтобы лучше оценить создавшееся положение, нужно иметь в виду, что мы, люди, живем в макромире и в принципе не можем построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру. Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, направленных на точное определение места, напротив, используется волновое объяснение, в частности, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при наблюдении отклонения лучей.