Понятие кванта: Значение слова «квант» в 5 словарях

Квантовые теории

Введение

Всего в природе известно четыре вида фундаментальных взаимодействий. ОТО описывает одно из этих взаимодействий – гравитационное. Три других вида взаимодействий – электромагнитное, слабое и сильное – описываются квантовыми теориями. Квантовая теория гравитации находится в стадии разработки. В рамках данного курса мы кратко затронем квантовые теории, играющие фундаментальную роль в современной физике: квантовую механику, квантовую теорию поля и такие ее разделы как квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика и теории слабого взаимодействия.

Классическая картина мира в начале XX в. основывалась на представлениях о двух типах физических объектах: частиц и полей. Квантовая механика рассматривает объекты микромира как частицы, а квантовая теория поля – как кванты полей. Такие теории, как квантовая электродинамика, квантовая хромодинамика и теория электрослабого взаимодействия, описывающие, соответственно, электромагнитное, сильное и слабое взаимодействие, представляют собой воплощение идей квантовой теории поля.

Квантовая механика должна объяснять как корпускулярные, так и волновые свойства вещества ирассматривает элементарные частицы как волновые пакеты.

Квантовая теория поля рассматривает второй элемент классической картины мира – поля. Эта теория является релятивистской квантовой теорией физических систем с бесконечным числом степеней свободы. Эта теория построена для описания одного из самых общих свойств микромира – взаимной превращаемости элементарных частиц. Для описания такого рода процессов требовался переход к квантовому волновому полю. Квантовая теория поля с необходимостью является релятивистской, поскольку если система состоит из медленно движущихся частиц, то их энергия может оказаться недостаточной для образования новых частиц с ненулевой массой покоя.

Квантовая электродинамика, (авторы С. Томонога, Ю.С. Швингер, Р.Ф. Фейнман) сформировавшаяся к началу 1950 г., является теорией электромагнитного взаимодействия и входит в состав теории поля. Квантовая электродинамика – та часть квантовой теории поля, в которой рассматривается взаимодействие электромагнитного поля и заряженных частиц (или электронно-позитронного поля). Квантовая электродинамика описывает взаимодействие квантованных электромагнитных полей, заряженных частиц друг с другом, а также взаимодействие излучения с веществом. Электромагнитное взаимодействие рассматривается как обмен квантами электромагнитного поля – фотонами, любая заряженная частица создает поле, непрерывно излучая и поглощая виртуальные фотоны.

Теория электрослабого взаимодействия Слабое взаимодействие – один из четырех видов взаимодействий, оно слабее сильного и электромагнитного, но гораздо сильнее гравитационного на малых расстояниях. Первым обнаруженным процессом, протекающим с участием слабого взаимодействия является b-распад. В слабом взаимодействии участвуют и тяжелые частицы – адроны и легкие частицы – лептоны. Оно является единственным типом взаимодействий, в которых участвуют нейтрино. Единая теория электромагнитного и слабого взаимодействия была предложена в 1967-1968 гг. А. Саламом и С. Вайнбергом.

Прежде чем перейти к более подробному обсуждению упомянутых теорий, рассмотрим появление понятия кванта.

Понятие кванта

Макс Планк, пытаясь найти формулу, согласующуюся с экспериментальными значениями во всем диапазоне частот, предположил, что излучаемая энергия изменяется дискретными порциями – квантами. Физический смысл кванта – минимальное значение переносимой энергии, таким образом, нагретое тело может излучать только те волны, которые могут переносить энергию не меньше, чем некоторая минимальная порция.

Планк предположил, что энергия осциллятора пропорциональна его частоте ε₀=h ν. Входящая в выражение константа h = 6,625·10^-34 Дж·с называется постоянной Планка. Часто она используется в виде ħ= h/2π = 1,05·10^-34 Дж·с и тогда формула Планка перепишется в виде ε₀= ħω. В формуле Планка энергия изменяется порциями, кратными величине h. Если энергия волны может быть представлена как сумма n элементарных волн, то энергия электромагнитной волны равна ε_n= nhν, а энергия всего электромагнитного поля – сумме энергий волн E = . Формула ε_n= nhν давала для энергии значение, соответствующее экспериментальному.

Но формула Планка предполагала, что энергия излучается только дискретными порциями – квантами, что противоречило общепринятому пониманию энергии, как непрерывной величины.

Фотоэффект

В 1887 году Г. Герц обнаружил, что когда на поверхность металла падает свет, металл испускает электроны. Само явление фотоэффекта не казалось парадоксальным: было известно, что электроны в металлах слабо связаны с ядрами и свет, падающий на металл, вполне мог сообщить энергию, достаточную, чтобы выбить с поверхности электроны. Необычными казались свойства фотоэффекта. При освещении металла светом постоянной частоты и фазы (когерентным), все выбиваемые электроны обладали одинаковой энергией. Казалось бы, что при увеличении интенсивности излучения (яркости света) скорость вылетающих электронов увеличится, так как электромагнитное поле переносит больше энергии.

Волновая теория не могла объяснить фотоэффект, объяснение было дано Эйнштейном, применившим введенное Планком понятия кванта – дискретной порции энергии. Эйнштейн предположил, что не только энергия должна рассматриваться как дискретная, но и световой луч должен рассматриваться как поток микроскопических частиц – фотонов. Он ввел импульс светового кванта по формуле p = hk, где k = — волновой вектор, длина которого связана с длиной волны λ, частотой ω и скоростью света с. Эйнштейн предположил, что электромагнитное поле передает только определенную порцию (квант) энергии, которая переносится частицей света – фотоном. Электрон выбивается с поверхности, если с ним сталкивается достаточно энергичный фотон, а энергия каждого фотона пропорциональна частоте световой волны h ν = E_{электрона} + const., где константа – работа выхода электрона, зависящая от природы металла. Чтобы вырваться с поверхности, электрон должен получить определенное количество энергии, однако, если частота света слишком мала, энергии сообщаемой фотоном недостаточно, чтобы вырвать электрон. Энергия каждого фотона зависит от частоты света, а с ростом интенсивности увеличивается количество падающих фотонов, следовательно, чтобы увеличить скорость электрона нужно увеличить частоту света, а чтобы увеличить количество электронов – интенсивность.

Квантовая механика

Амплитуда вероятности

Обычная вероятность описывает некоторую систему, которая может находиться в различных альтернативных состояниях. Вероятность – это действительное число, которое изменяется в пределах от нуля до единицы 0 ≤ p ≤ 1. Понятие вероятности в квантовой механике аналогично классическому, с той лишь разницей, что р – комплексное число.

Вернемся к эксперименту с двумя щелями (рис. 5.2.). Какова классическая вероятность найти электрон в точке u? Если открыта только верхняя щель, она равна произведению вероятностей того, что электрон попадет из точки s в точку t , а из точки t в точку u.

P(s,t)× P(t,u)

Если открыта только нижняя щель, она равна произведению вероятностей того, что электрон попадет из точки s в точку b , а из точки b в точку u.

P(s,b)× P(b,u)

Если открыты обе щели, то полная вероятность равна сумме этих двух вероятностей

P(s,u) = P(s,t)× P(t,u)+ P(s,b)× P(b,u)

В квантовой механике правила вычислений будут аналогичными, но вместо вероятности будет стоять амплитуда вероятности.

A(s,u) = A(s,t)× A(t,u)+ A(s,b)× A(b,u)

Как можно интерпретировать амплитуду вероятности? Комплексное число z=x+iy можно представить, в виде вектора с началом в точке O и концом в точке (x,y) на комплексной плоскости (см. рис. 5.3.) .

Для получения классической вероятности надо взять квадрат модуля амплитуды |z|² = x²+y², который является вещественным числом и, если необходимо, нормировать.

Если открыта только одна щель, то амплитуда того, что электрон попадет на экран, равна произведению амплитуд, что он из точки s попадет в точку t, а из точки t попадет в точку u: А(s, t)*А(t, u). Если открыта другая щель, то амплитуда будет равна А(s, b)*А(b, u). Квадрат модуля произведения равен произведению квадратов |zw|² = |z|²|w|²,

Если открыт более чем один маршрут, надо образовать суммы. Сумма комплексных чисел зависит от угла между ними |w+z|² = |w|²+|z|²+2|z||w|cos θ, где –1<cos θ<1.

В тех областях экрана, где фазы колебаний совпадают, cos θ = 1 и волны усиливают друг друга. Освещенность в таких местах экрана возрастает в 4 раза. Там где волны находятся в противофазе cos θ = –1 и волны гасятся, образуя темную полосу нулевой освещенности. В промежуточных положениях освещенность убывает пропорционально разности амплитуд.

Волновой пакет

Если бы элементарная частица была точечной, то вероятность ее нахождения в некоторой точке пространства, была бы равна нулю, если частицы там нет, или единице, если частица там есть. Но элементарные частицы не точки и, строго говоря, их нельзя считать локализоваными в бесконечно малой области пространства. Свободно движущийся электрон представляет собой волновой пакет, т. е. «сгусток» распространяющихся вместе электронных волн. Ширина волнового пакета не остается постоянной во времени, а непрерывно увеличивается.

В квантовой механике каждому состоянию частицы с определенным значением импульса и энергии соответствует волна де Бройля, т.е. волна с определенным значением частоты и длины волны, занимающая все пространство. Если частица имеет энергию Е и импульс р, то с ней связана волна, частота которой и длина волны .

Координата частицы с точно определенным импульсом является полностью неопределенной – частица с равной вероятностью может быть обнаружена в любой точке пространства, что соответствует соотношению неопределенностей. Если же частица локализована в некоторой ограниченной области пространства, то ее импульс уже не является точно определенной величиной (см. рис. 5.5. и рис. 5.6.).

Состояние каждой частицы представляется как сумма волн с частотами, соответствующими интервалу возможных значений импульса. Наложение (суперпозиция) группы таких волн, имеющих почти одинаковое направление распространения, но слегка отличающихся по частотам и образует волновой пакет: результирующая волна будет отлична от нуля лишь в некоторой ограниченной области пространства. То есть вероятность обнаружить частицу в этой области велика, а вне ее практически равна нулю. Скорость волнового пакета совпадает с механической скоростью частицы.

Из того, что электрон представляет собой волновой пакет, не локализованный в одной точке пространства, следует невозможность различить электроны.

Тождественность электронов

Электроны являются элементарными частицами, каждая из которых обладает одинаковыми физическими свойствами: определенной массой m_e, зарядом –е, спином e_s=±1/2 и пропорциональным спину магнитным моментом. Следовательно, электроны при одинаковых внешних условиях движутся одинаково. В классической механике для того, чтобы различать частицы достаточно пометить их в некоторый начальный момент времени.

В квантовой механике частицы представлены волновыми пакетами. Допустим мы пометим номерами два волновых пакета. С течением времени они расплываются в пространстве. Если взять точку из области наложения этих расплывшихся волновых пакетов, то можно ли сказать какой из электронов наблюдается?

В квантовой механике имеется лишь возможность вычислить вероятность нахождения частицы в той или иной точке пространства. Поэтому волновая функция только определяет область, в которой возможно движение частицы. Если для двух или более частиц области допустимых значений перекрываются, то нельзя определить, какая именно частица обнаружена в данной точке. Следовательно, частицы следует рассматривать как тождественные.

Из принципа тождественности частиц следует невозможность различить два состояния системы, которые отличаются друг от друга только перестановкой двух частиц одинаковой природы. Важное следствие принципа тождественности частиц состоит в том, что вол новая функция системы частиц при перестановке координат двух частиц не должна меняться.

Принцип тождественности математически означает, что распределение плотностей вероятности найти частицу совпадают при замене одного электрона на другой.

|Ψ(1,2)|²=|Ψ(2,1)|².

Это возможно если функции пропорциональны

Ψ(1,2)=k² Ψ(2,1), где k²=1, k=±1.

Следовательно, перестановка двух одинаковых частиц не повлечет за собой изменения состояния системы тогда и только тогда, когда волновая функция системы является

1) симметричной Ψ(1,2)= Ψ(2,1),

2) антисимметричной Ψ(1,2)= –Ψ(2,1).

В общем случае Ψ функция не будет ни симметричной, ни антисимметричной, но из взаимозаменяемости частиц следует, что для системы из частиц одинаковой природы всегда существуют волновые функции, одни симметричные, другие антисимметричные по отношению ко всем парам частиц одинаковой природы.

Состояние, волновая функция которого симметрична, называется симметричным состоянием системы, а состояние, волновая функция которого антисимметрична, – антисимметричным состоянием системы. Симметричная зависимость от координат каждой пары частиц означает невозможность осуществить переход системы из симметричного состояния в ассиметричное и обратно. То есть, симметричное и ассиметричное состояния образуют два отдельных ансамбля, между которыми невозможны никакие переходы. То есть для частиц одного типа может осуществляться либо симметричное, либо антисимметричное состояние, поскольку если ансамбль находится в начальный момент времени в состоянии одного типа, то он навсегда останется в этом состоянии.

Принцип Паули

Волновые функции системы тождественных частиц, обладающих полуцелыми спинами (электроны, протоны, нейтроны) являются антисимметричными. Волновые функции системы тождественных частиц с целыми спинами (фотоны, π-мезоны) являются симметричными. Частицы с полуцелыми спинами носят название фермионов, а частицы с целыми спинами – название бозонов. Частицы с полуцелыми спинами – электроны, протоны, нейтроны и др. являются частицами, из которых состоит вещество, частицы с целыми спинами, например, фотон, являются переносчиками взаимодействия. В соответствии со свойствами симметрии волновых функций при описании состояний частиц говорят о статистике Ферми-Дирака (для фермионов) или о статистике Бозе-Эйнштейна (для бозонов).

Принцип Паули формулируется для фермионов, этот принцип не является логически необходимым следствием квантовой механики, поэтому кратко рассмотрим причину его формулировки.

При изучении строения атома было отмечено, что существует насыщение энергетических уровней, то есть на каждом энергетическом уровне может находиться не больше определенного числа электронов. Чтобы объяснить этот факт, Паули предположил, что два электрона не могут находиться в строго тождественных состояниях. Таким образом, для частного случая квантовых систем – атомов или молекул – принцип Паули формулируется следующим образом: в атоме или молекуле два электрона никогда не находятся в одном и том же квантовом состоянии. То есть, если существование электрона в некотором квантовом состоянии запрещает появление еще одного электрона в этом же состоянии.

Принцип Паули действует только для фермионов. Для бозонов, волновая функция которых симметрична, одинаковые частицы симметричны в отношении занимаемых ими положений и «не мешают» друг другу занимать одинаковые физические состояния. Следовательно, бозоны могут находиться в одинаковых квантовых состояниях.

Значение принципа Паули в том, что он дал возможность объяснить насыщение энергетических уровней. Теперь чтобы узнать максимальное число электронов на данном уровне нужно посчитать число возможных состояний, которые соответствуют различным комбинациям квантовых чисел. Для описания состояния элементарных частиц, используют понятие квантового числа. Например, если электроны находятся в разных состояниях, то все наборы квантовых чисел, характеризующих состояние электрона в атоме, должны быть различными. Рассмотрим понятие квантового числа более подробно.

Квантовая теория поля

Квантовая механика позволяла описать многие атомные явления при помощи дискретного набора значений энергии, момента, но электромагнитное поле по-прежнему описывалось классическими уравнениями Максвелла, т.е. рассматривалось как непрерывное поле. В квантовой теории поля, в отличие от классической электродинамики, поле рассматривается, как состоящее из виртуальных частиц – квантов. Эта особенность обуславливает второе отличие полей от частиц: поле может порождаться и поглощаться, в то время как идея возникновения и уничтожения частиц чужда квантовой механике. В квантовой теории поля испускание и поглощение электромагнитных волн описывается как рождение и уничтожение фотона.

Рождаться и исчезать могут не только фотоны, взаимопревращаемость частиц является универсальным свойством микромира. В результате столкновений при высоких энергиях одни частицы превращаются в другие. Квантовая механика является низкоэнергетическим приближением квантовой теории поля, когда энергии недостаточно для взаимопревращений частиц. Чтобы определить количество энергии, достаточной для превращения частиц, нужно воспользоваться отношением между массой и энергией, установленным в специальной теории относительности:

.

Энергия, необходимая для образования новой частицы не может быть меньше . Если система состоит из медленно движущихся частиц, то их энергия недостаточна для образования новых частиц. Сказанное относится к массивным частицам, но у фотона масса покоя равна нулю и для его образования не требуется больших релятивистских энергий. В квантовой теории поля фотон играет особую роль – он является частицей-переносчиком взаимодействия.

Квантование поля

Метод квантования полей был разработан в 1927 г. П.А.М.Дираком, предложившим ввести операторы, описывающие рождение и уничтожение частиц. Чтобы пояснить суть метода Дирака, рассмотрим систему операторов, состоящую из одинаковых частиц в одном и том же состоянии. В квантовой механике состояние системы частиц описывается волновой функцией или вектором состояния. Если через N обозначить число частиц, то определяет вероятность данного состояния. Если число частиц N точно известно, то , т.е. вектор состояния для любого фиксированного N нормирован на единицу.

Введем операторы уничтожения частицы а^– и оператор рождения частицы а⁺. По определению а^– переводит состояние с N частицами в состояние с N – 1 частицей:

.

а+ переводит состояние с N частицами в состояние с N + 1 частицей:

.

В частности, если имеется вакуумное состояние поля где N=0, ,где – вектор состояния, характеризующий вакуум. Таким образом, получается одночастичное состояние, которое получается в результате рождения из вакуума одной частицы. Определение вакуума , т.к. невозможно уничтожить частицу в состоянии в котором частиц нет. Вакуумный вектор состояние имеет в квантовой теории поля особое значение, так как из него при помощи оператора а⁺, можно получить любые состояния, применив его соответствующее количество раз.

.

Характерным свойством операторов рождения и уничтожения частиц является то, что они не коммутируют.

Операторы рождения и уничтожения частиц удовлетворяют перестановочному отношению

Приведенные выше перестановочные отношения выполняются для полей, кванты которых имеют целый спин, т.е. являются бозонами и могут находиться в одном состоянии. Если описывается система фермионов, то согласно принципу запрета Паули, все частицы должны находиться в различных состояниях. Соответственно операторы рождения и уничтожения частиц следует конкретизировать, добавив указание к какому состоянию частицы эти операторы относятся. С учетом различных состояний частиц перестановочные отношения запишутся в виде

где n, m – целые числа, обозначающие номера частиц.

Перестановочные отношения отражают тот факт, что невозможно уничтожить частицы, которых нет, то есть . Данные соотношения имеют место для полей, кванты которых имеют полуцелый спин и подчиняются принципу запрета Паули, запрещающего наличие в одной системе двух систем в одинаковых состояниях.

Квантовая электродинамика (КЭД)

Квантовая электродинамика является теорией электромагнитного взаимодействия и представляет собой часть теории поля. В квантовой электродинамике рассматриваются процессы взаимодействия заряженных частиц с электромагнитным полем.. Основные электродинамические явления могут быть сведены к трем процессам: фотон взаимодействует с фотоном, фотон взаимодействует с электроном, электрон взаимодействует с электроном.

Диаграммы Фейнмана

Для описания этих процессов используются диаграммы Фейнмана, которые представляют собой графики движения частиц в 4-х мерном пространстве-времени. В диаграммах Фейнмана физическому процессу сопоставляется его графическая схема. Движение фотона отображается волнистой линией движение электрона – прямой, движение античастиц изображается как движение вспять по времени. Взаимодействие частиц на диаграмме изображается вершиной (или узлом), в котором сходятся две фермионных и одна бозонная линии (см. рис. 5.9). Линии, один из концов которых свободен, соответствуют свободным частицам. Данный рисунок иллюстрирует процесс испускания фотона электроном.

Согласно теории относительности длина стрелок находится по формулам для 4-х интервала. С величиной интервала данной стрелки в КЭД связывается амплитуда – плотность вероятности того, что частица, которая находится в данный момент времени в данном месте, окажется в другой момент времени в другом месте. Поэтому диаграммы Фейнмана не только являются иллюстрацией реакций с частицами, но и позволяют сделать оценки соотношения вероятностей процессов. В частности, с их помощью легко доказать д

Квант — Традиция

Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»

Квант (от нем.  Quant—«квант», от лат. quantum — «сколько») — неделимая порция какой-либо элементарной частицы или величины в физике (например, количество (порция) электромагнитного излучения, которое в единичном акте способен излучить или поглотить или др. квантовая система; элементарная частица, то же, что фотон). В основе понятия лежит представление квантовой механики о том, что некоторые физические величины могут принимать только определённые значения (говорят, что физическая величина квантуется). ^[1]

В некоторых важных частных случаях эта величина или шаг её изменения могут быть только целыми кратными некоторого фундаментального значения — и последнее называют квантом. Например, энергия монохроматического электромагнитного излучения угловой частоты \(\omega\,\) может принимать значения \((N+1/2)\hbar\omega\,\), где \(\hbar\,\) — редуцированная постоянная Планка, а \(N\,\) — целое число. В этом случае \(\hbar\omega\,\) имеет смысл энергии кванта излучения (иными словами, фотона), а \(N\,\) — смысл числа́ этих квантов (фотонов). Именно в этом смысле термин квант был впервые введен Максом Планком в его классической работе 1900 года — первой работе по квантовой теории, заложившей ее основу.

Вокруг идеи квантования с начала 1900-х годов развилась полностью новая физическая концепция, обычно называемая квантовой физикой (например, количество (порция) электромагнитного излучения, которое в единичном акте способен излучить или поглотить или др. квантовая система; элементарная частица, то же, что фотон).

Ныне прилагательное «квантовый» используется в названии ряда областей физики (квантовая механика, квантовая теория поля, квантовая оптика и т. д.). Широко применяется термин квантование, означающий построение квантовой теории некоторой системы или переход от её классического описания к квантовому. Тот же термин употребляется для обозначения ситуации, в которой физическая величина может принимать только дискретные значения — например, говорят, что энергия электрона в атоме «квантуется». Сам же термин «квант» в настоящее время имеет в физике довольно ограниченное применение. Иногда его употребляют для обозначения частиц или квазичас

Фундаментальные открытия кванта пространства-времени (квантона) и сверхсильного электромагнитного взаимодействия (СЭВ)

Необходимость введения в физику кванта пространства-времени

Фундаментальная наука накопила достаточное количество знаний, чтобы состоялся сам факт открытий кванта пространства-времени (квантона) и сверхсильного электромагнитного взаимодействия (СЭВ). Идея Суперобъединения была физиками сформулирована. То, что электромагнетизм, гравитация, ядерные и электрослабые силы являются проявлением единого начала, уже у многих не вызывает сомнения. Концепция Единого Поля была сформулирована еще Эйнштейном, и ее развитию он посвятил более 30 лет своей жизни на пути объединения гравитации и электромагнетизма. Успел в рамках общей теории относительности (ОТО) объединить пространство и время в единую субстанцию пространство-время. Уже в конце жизни Эйнштейн пришел к необходимости дискретных подходов к проблеме пространства-времени и объединения взаимодействий в рамках квантовой теории.

В теоретической физике существуют различные подходы к решению поставленных задач. Это касается и проблемы объединения. Можно идти по пути поиска некой универсальной формулы (или группы формул), описывающей фундаментальные взаимодействия математическими методами. Можно идти по пути поиска универсальной объединяющей частицы. Этот второй путь был менее привлекательным для исследований, поскольку такой частицы физика не знала, и возможности ее открытия были неопределенны. Но именно этот второй путь был выбран на пути к объединению взаимодействий. В этом была определенная логика и ожидаемый успех.

Положительный пример Эйнштейна на пути объединения пространства и времени давал принципиально новые возможности теоретику. Но далее геометризации гравитации дело не пошло. Для дальнейшего продвижения теории физику нужны новые частицы. Поэтому физики начали осваивать теорию кварков в квантовой хромодинамике (КХД) и струнную теорию. Но это были все гипотетические объекты, экспериментальная проверка которых требовала колоссальных энергетических затрат. Естественно, что идея поиска новых частиц, которые решали бы актуальную физическую проблему, стала привлекательной и для теории Суперобъединения.

Но можно ли себе представить, что существует всего одна универсальная объединяющая частица, положенная в основу всех известных взаимодействий? Физика, в первую очередь наука экспериментальная, и если теоретиком введена новая частица, но ее признание требует экспериментального подтверждения. Естественно, что в области физики элементарных частиц это подтверждение может быть только косвенным. Даже всем известный электрон никто не держал в руках. Его заряд и масса были измерены косвенным путем. Но прежде чем это было сделано, пришло осознание реальности электрона.

В этом плане открытие квантона началось с осознания его реальности. Идея того, что пространство-время имеет структуру и структуру более тонкую, чем атомная материя, витала в воздухе на протяжении всего двадцатого столетия. Механистический газоподобный эфир был отвергнут физикой на основании опытов Майкельсона и Морли. Но какая другая материя определяет структуру космического вакуума, если она не поддается экспериментальному наблюдению? Именно структура вакуума оставалась белым пятном в науке, сдерживая развитие физики и теории Суперобъединения.

И все же, экспериментальные зацепки были и касались они симметричности уравнений Максвелла в вакууме. Электричество и магнетизм вакуума в электромагнитной волне проявляли себя вполне эквивалентно в равной мере, причем одновременно.

На графике рис. 1.1 электромагнитной волны в вакууме видно, что электрическое и магнитное поля (вектора E_x и H_y) существуют и изменяются в направлении скорости С вместе и одновременно, без фазового сдвига по времени. Вектора E_x и H_y только ортогональны друг другу в пространстве, но во времени существуют одновременно. Это неопровержимый экспериментальный факт. Но как мы его трактуем? Чтобы обосновать самостоятельность электромагнитной волны, которой якобы не нужен собственный носитель, теоретики пренебрегли экспериментальным фактом. По их мнению, получается, что распространение электромагнитной волны в вакууме обязано тому, что электрическое поле порождает поле магнитное, и наоборот. Но это возможно лишь в одном случае, если между изменениями электрического и магнитного поля волны существует фазовый сдвиг по времени. Экспериментально же такой фазовый сдвиг по времени не обнаружен. В трансформаторах фазовый временной сдвиг имеется, но теорию трансформатора нельзя механически переносить на электромагнитную волну в вакууме.

Это было первой зацепкой на пути экспериментального обоснования того, что космический вакуум имеет структуру, которая является носителем электромагнетизма. На графике рис. 1.1 видно, что электромагнетизм существует как самостоятельная категория, одновременно связывая электричество и магнетизм в единую субстанцию. А это означает, что электричество в электромагнитной волне не порождает магнетизм, и наоборот. Магнетизм и электричество в электромагнитной волне появляются и изменяются одновременно. Объяснить данный экспериментальный факт можно, только имея собственный самостоятельный носитель электромагнетизма, который принадлежит космическому вакууму, а точнее квантованному пространству-времени.

Объединение электричества и магнетизма в единую субстанцию электромагнетизм — это первый этап на пути объединения взаимодействий, который был упущен и с которого начинается теория Суперобъединения. Без первого этапа объединения невозможно дальнейшее развитие теории Суперобъединения.

Чтобы быть более убедительным, необходимо обратить внимание на то, что в электромагнитной волне в вакууме не обнаружены роторы электрического и магнитного полей. Попробуйте ввести роторы в график на рис. 1.1. Ничего не получится, график разрушается. Это означает, что в вакууме ротор электрического поля не порождает ротор магнитного, и наоборот. Казалось бы, что к началу 21 века теория электромагнетизма была закончена. Но не состыковки теории и эксперимента поставили под сомнение законченность теории об электромагнетизме. Электромагнетизму необходим был собственный носитель, как электричеству — электрический заряд, а магнетизму — магнитный заряд.

Но если с электрическим зарядом была определенная ясность, то с магнитным оставались проблемы. Магнитный заряд не обнаружен в свободном состоянии экспериментально. Магнетизм проявляется только в связанном дипольном виде. Это экспериментальный факт. Пока теория связывала появление электромагнетизма с динамическим электричеством, то есть с током, самостоятельность магнитного заряда была второстепенным вопросом. Но это не научный подход к проблеме, когда причинность явления отбрасывается, а в принципе, именно причина явления должна выступать на первое место. Получается, что через непонятную топологию пространства, электрический ток рождает магнетизм. Чтобы убрать ненужные вопросы, необходимо знать топологию и структуру пространства-времени. Тогда становится понятным, откуда берется магнетизм. Не надо быть провидцем, чтобы разглядеть, что магнетизм принадлежит только вакууму, то есть квантованному пространству-времени.

Но если магнетизм принадлежит только квантованному пространству-времени, то и электричество, в силу симметрии уравнений Максвелла в вакууме, также должно принадлежать вакууму. Космический вакуум в понятии квантованного пространства-времени должен быть носителем магнетизма и электричества одновременно, то есть должен быть носителем электромагнетизма, самостоятельной субстанции, проявляющей свои электромагнитные свойства. В предисловии уже упоминалось об электрической асимметрии квантованного пространства-времени, когда проявления электричества имеют не связанную форму со структурой квантона.

Таким образом, анализ современного состояния теории электромагнетизма и теоретические, ее нестыковки с экспериментальными фактами, логически подводят физику к введению самостоятельного носителя электромагнетизма. Для этого необходимо объединить электричество и магнетизм в единую субстанцию, носителем которого, как это будет показано в дальнейшем, является квантон — квант пространства-времени.

То, что квантон является реальной частицей, носителем электромагнетизма в вакууме, косвенно подтверждают все электромагнитные процессы в вакууме. Вакуум ведет себя как электромагнитная среда, при поляризации проявляя электрические и магнитные свойства. Так диэлектрическая среда при электрической поляризации проявляет свои диэлектрические свойства, характеризуясь диэлектрической проницаемостью. Магнитная среда при магнитной поляризации проявляет свои магнитные свойства, характеризуясь магнитной проницаемостью. Естественно, что процессы электрической и магнитной поляризации идут через вакуум, который представляет собой объединенную электромагнитную среду, характеризуясь электрическими и магнитными параметрами (константами ε_о и μ_о).

Способность вакуума к электромагнитной поляризации позволяет раскрыть структуру квантона. В равновесном состоянии это должна быть электрически и магнито нейтральная частица, электрические и магнитные свойства которой проявляются при нарушении электрического и магнитного равновесия, то есть при электромагнитной поляризации. Это возможно только в одном случае, если квантон включает в себя два диполя: электрический и магнитный, связывая электричество и магнетизм в единую субстанцию. Но чтобы получить два диполя, входящие в структуру квантона, необходимы электрические и магнитные заряды положительной и отрицательной полярности, составляющие диполи.

Так, реалии магнитного заряда, как и электрического, нашли свое воплощение в структуре квантона, подробное описание которого приводится в следующей главе. Исходные кирпичики материи принято называть кварками. Это невесомые частицы, не имеющие массы и являющиеся только носителями зарядов. Чтобы составить квантон необходимо всего четыре кварка, то есть четыре элементарных заряда: два электрических (+1e и -1e) и два магнитных (+1g и -1g). Чтобы связать электричество и магнетизм внутри квантона в единую субстанцию потребовалось введение сверхсильного электромагнитного взаимодействия (СЭВ), носителем которого является квантон. Без реалий СЭВ электромагнитная субстанция существовать не может.

На рис. 1.2 схематично представлена структура квантона, включающая четыре кварка, которые для наглядности выделены различным цветом и обозначены: электрические (+ и — ) и магнитные (N и S). Частица, включающая в себя четыре указанных заряда-кварка, представляет собой электромагнитный квадруполь, ранее неизвестный в те

Основные формулы по физике — КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

Начало развития квантовой физики связано с решением немецким ученым Максом Планком проблемы излучения абсолютно черного тела. Необходимо знать гипотезу Планка о квантовании энергии осцилляторов и уяснить, что на основании формулы Планка могут быть получены законы Стефана- Больцмана и Вина.

Развитие гипотезы Планка привело к созданию представлений о квантовых свойствах света. Кванты света называются фотонами. С позиций квантовой теории света объясняется такое явление как фотоэффект. Здесь следует знать формулу Эйнштейна для фотоэффекта.

Дальнейшее развитие квантовой физики связано с построением теории строения атома. О сложном строении атома говорят исследования спектров излучения разряженных газов.

Смотрите также основные формулы механике

Таблица сновных формул квантовой физики

ориентиров — сдвиг Лэмба подтверждает новую квантовую концепцию

27 июля 2012 г. & bullet; Physics 5, 83

Открытие в 1947 году небольшого расхождения в атомном спектре водорода произошло как раз вовремя, чтобы продвинуть квантовую теорию вперед.

Администрация национальных архивов и документации, любезно предоставлено AIP Эмилио Сегре Visual Archives

Администрация национальных архивов и документации, любезно предоставлено AIP Эмилио Сегре Visual Archives