Точные науки

Всё дело в том, что на таких маленьких масштабах, как размеры атомов и меньше классическая механика, являющаяся по существу лишь приближением, работающим на масштабах пылинок и выше, перестаёт верно описывать механическое поведение частиц.

Квантовая механика утверждает, что электроны (и другие микрочастицы) описываются волновыми функциями, определяющими лишь вероятность обнаружить электрон в заданной точке. И в такой системе, как атом, электроны могут иметь лишь фиксированные энергии (занимать фиксированные энергетические уровни) - в атоме они как бы покоятся на этих фиксированных энергетических уровнях и потому не излучают. Картинки вида электронов (правильнее их уже называть электронными оболочками) можно увидеть на школьных уроках химии - это так называемые s-орбитали, p-орбитали и т д.

Это простой ответ, но ничего не объясняющий. Поэтому если автору хочется подробностей, то предлагаю читать текст дальше.

Согласно классической электродинамике любая ускоренно движущаяся заряженная частица должна излучать электромагнитные волны. А в планетарной модели атома Резерфорда (описывающей атом как структуру, состоящюую из положительно заряженного тяжёлого ядра в центре и движущихся вокруг него отрицательно заряженных лёгких электронов) электрон действительно движется с ускорением, поскольку вращается вокруг ядра. Классическая (неквантовая) электродинамика предсказывает, что т.к. эти непрерывно излучаемые электроном электромагнитные волны уносят с собой энергию электрона, то ему следовало бы упасть на ядро, т.к. теряя свою энергию, он должен сближаться с ядром.

Справиться с этим противоречием впервые попытался Нильс Бор, постулировав два факта, никак не объясняя их происхождение: Во первых он заявил, что в отличие от планет солнечной системы, электроны могут пребывать долго лишь на орбитах, на которых они имели бы определённую заданную энергию. А во вторых излучение электромагнитных волн может происходить лишь при переходе электрона с одной такой "орбиты" на другую, на которой он имел бы меньшую энергию.

Несмотря на то, что в чём-то эти постулаты соответствовали действительности, т.к. они по прежнему учитывали принципы классической механики, они приводили к некоторым противоречиям в теории и к тому же ни откуда не следовали. (Заглядывая вперёд сообщу, что противоречие заключалось в том, что эти постулаты могли быть описаны только появившейся уже позднее квантовой механикой, но само движение частиц по прежнему описывалось классической, в рамках которой эти постулаты являются чем-то чуждым ей, не выводящимся из неё и даже противоречащим ей. Это приводило к предсказанию неправильных эффектов, не наблюдавшихся в экспериментах. Был понятно, что мир нуждается в теории, в рамках которой постулаты Бора были бы следствием этой самой теории и что классическая механика нуждается в пересмотрении)

Разрешить эту проблему в 20 - 30 годы 20го века смогла развиваемая ещё молодыми в тот момент физиками (такими как Поль Дирак, Вернер Гейзенберг, Луи Де Бройль и др.) новая теория - Квантовая механика.

Квантовая механика разительно отличается от классической. Однако при переходе к макромасштабам превращается в классическую и в её силах описать принцип работы транзистора, решить противоречие с излучением электронов в атоме, объяснить уже известную из экспериментов на тот момент корпускулярно-волновую природу света, а так же объяснить дискретные спектры излучения атомов химических веществ, твёрдо опровергающие понимание физики микромира тех времён. А если использовать ещё и специальную теорию относительности - предсказать такую чисто квантово-механическую характеристику частиц, как спин, И это ещё далеко не всё, на что она способна.

Всё дело в том, что в квантовом мире (на микромасштабах) механикой частиц управляет не уравнение Ньютона, а так называемое уравнение Шрёдингера. Для решения накопившихся в механике проблем пришлось основательно пересмотреть понимание понятия измерения и взгляда на то, что такое частица.

Руководствуясь волновым поведением света в опыте Юнга, физики пришли к выводу, что распространяется свет как волна. Это позволило описать интерференционную картину, возникающую в упомянутом опыте. А соображения Макса Планка об излучении абсолютно черного тела и исследование Эйнштейна, касающееся фотоэффекта, твёрдо утверждали, что поглощаются и излучаются "порции" света дискретно - как частицы. (В то время как синтез классической механики и электродинамики описывал непрерывное излучение и поглощение электромагнитных волн ускоренно движущимися заряженными частицами. На макромасштабах порциальность или иначе - корпускулярность излучения просто становится незаметной, поскольку порции очень маленькие и приборы с низкой точностью смогут увидеть лишь непрерывный спектр).

Математически проблему можно решить, постулировав корпускулярно-волновую природу света, обнаруженную в эксперименте. Волновая природа закладывается в вид уравнения исходя из соображений получения интерференции на двух щелях в опыте Юнга и ещё некоторых экспериментов, утверждающих, что свет распространяется как волна. Корпускулярность решается элегантным способом - переходом к операторному методу описания физических величин. Операторный метод подразумевает, что состояние любой частицы описывается некоторой функцией, а теоретически рассчитать её физические параметры можно действием на эту функцию соответствующих операторов этих физических величин. (У каждой физической величины в квантовой механике есть свой оператор). Сам вид операторов строится таким образом, чтобы описание полностью сводилось к тому, что наблюдают в экспериментах. Переход от обычного описания механики к операторному называется процессом квантования теории.

Впоследствии аналогичные эксперименты были поставлены и с электронами, в которых была обнаружена и их корпускулярно-волновая природа. В связи с чем Луи Де Бройль понял, что на фундаментальном уровне микрочастиц корпускулярно-волновой дуализм является общим свойством любой материи. (На сегодняшний день понимание природы материи углубилось ещё больше. И сегодня мы уже понимаем, что любая материя представляет собой квантовые поля)

К сожалению, очень сложно без математики объяснить соображения, из которых следуют корпускулярно-волновой дуализм и теоретическое объяснение странного поведения микрочастиц. Поэтому худо-бедно я попробую объяснить эту математику. Но не сильно искушённый читатель может пропустить следующий абзац полностью, дабы не пугаться:

______________________________________________________________

Оператором называется такая математическая сущность, которая (определение сильно упрощено) при действии на функцию выдаёт какую-то функцию.

То есть если G - оператор, а Ф и Y - функции, то если GФ = Y, то G можно считать оператором.

Примером оператора может служить так называемый оператор дифференцирования G=d/dx.

Тогда если Ф = sin(x), а Y=cos(x), то GФ = dsin(x)/dx = cos(x) = Y.

Далее существует такое понятие, как задача на собственные функции и собственные значения.

Собственной функцией Y оператора G называется такая функция, что GY = hY. Где h - обычная константа. (Обратите внимание, что результат действия G на Y пропорционален Y если Y - собственная функция).

Константа h при этом называется собственным значением. Вся прелесть использования операторов заключается в том, что собственные значения h этих операторов распределены дискретно. То есть они могут принимать лишь конкретные дискретные значения - например 1,2,3...

Квантование теории сводится к тому, что сами частицы (распределение вероятностей обнаружить частицу в заданной точке) теперь начинают описываться собственными функциями операторов, которые зовутся волновыми функциями. А собственные значения являются физическими величинами.

Так, например, если задана некоторая волновая функция электрона Y, являющаяся собственной функцией оператора импульса P, то определить физический импульс электрона можно, подействовав оператором P на Y: PY=hY. Тогда h - физический импульс, который экспериментатор зарегистрирует в опыте.

То есть физические величины, характеризующие частицы (такие как импульс и энергия) определяются видом самих волновых функций (грубо говоря видом функции вероятностей обнаружить частицу в той или иной точке). Или говоря иначе - физические параметры частицы влияют на вид волновой функции частицы. (но не только они. Поле, в котором находится частица тоже оказывает влияние на вид волновой функции)

Точно так же энергии электронов в атоме могут иметь только дискретно распределённые фиксированные величины, являющиеся собственными значениями оператора энергии H.

Отсюда следует, что любая электромагнитная волна на квантовом уровне может излучаться лишь дискретными порциями энергии. Поскольку каждая такая порция излучается при переходе электрона в атоме из состояния с большей энергией в состояние с меньшей. А энергетические состояния (уровни), которые может занимать электрон в атоме так же распределены дискретно.

Следовательно и разности между энергетическими уровнями тоже будут распределены дискретно, а следовательно, т.к. излучаемая электромагнитная волна может иметь по закону сохранения энергии только энергию, равную разности между энергией более верхнего уровня (с которого перескочил электрон) и более нижнего ( на который перескочил электрон), и т.к. эти разности так же распределены дискретно - то этим объясняется дискретный спектр излучения атомов. Каждая такая электромагнитная волна с одной из возможных дискретно распределённых энергий называется квантом света - фотоном.

В этом и состоит корпускулярность света - в том, что свет излучается не непрерывно, а мгновенными порциями энергии.

Волновая же природа света заключена в том, что волновые функции описывают волны. И распространяются они соответственно тоже как волны

В то время, когда электрон находится на одном из энергетических уровней и никуда не перескакивает (не теряет энергию), согласно закону сохранения энергии он просто не может излучать, поскольку его энергия не изменяется. А поменять энергию электрон может только мгновенно - перескочив с более верхнего уровня на более нижний (т.к. уровни распределены дискретно по энергиям). При этом излучится порция света с энергией, равной разности между уровнями. Вот так всё и устроено.

______________________________________________________________

Важно понимать, что волновые функции, описанные мной в параграфе про математику характеризуют распределение вероятностей обнаружить электрон в той или иной точке.

Я упоминал, что в квантовой механике вместо уравнения Ньютона используется более правильное - уравнение Шрёдингера, получаемое по сути квантованием классической теоретической механики.

И если в классической механике эволюцию системы определяло уравнение Ньютона, то в квантовой её будет определять уравнение Шрёдингера.

Если в уравнении Шрёдингера указать потенциал, в котором находится электрон (например потенциал ядра атома), то оно расскажет, как выглядят волновые функции электронов в этом потенциале ядра - они будут описываться электронными оболочками (s,p,d... орбитали), вид которых можно легко посмотреть в интернете. Для каждой энергии и момента импульса электрона свой вид волновой функции этого электрона.

То есть в отличии от классической механики, квантовая механика просто запрещает электронам непрерывно двигаться в поле ядра - она описывает электроны в поле ядра как покоящиеся волновые функции, являющиеся электронными орбиталями. По этой причине невозможно непрерывное излучение электроном электромагнитных волн, а возможны только дискретные испускания фотонов. "Падение" электрона на более низкий энергетический уровень описывается мгновенным изменением конфигурации электронной оболочки. Сама конфигурация электронных оболочек (вид s,p,d... орбиталей) и определяет энергию и другие физические параметры электрона в поле ядра, т.к. разным волновым функциям соответствуют разные наборы физических параметров, а волновые функции описывают конфигурации электронных оболочек.

Кроме того существует наименьший энергетический уровень с самой маленькой энергией, ниже которого электрон не может упасть по той причине, что у оператора энергии электрона в поле ядра просто нет собственных значений меньше чем это минимальное.

Таким образом представления классической механики о поведении микрочастиц были вкорне не верны. Планетарная модель атома Резерфорда, основанная на классических представлениях о движении частиц, оказалась ошибочной. На самом деле излучение фотонов атомом выглядит как изменение конфигурации электронных оболочек (из состояний с большей энергией в состояния с меньшей), сопровождающееся рождением дискретных порций электромагнитных волн - фотонов. При этом процессе атом излучает только при изменении конфигураций электронных оболочек. И энергия электрона не может перескакивать вниз бесконечно - "упав" на нижний уровень, дальше "падать" она уже не сможет.

Я рассказал несколько больше, чем просил автор. Мне показалось, что это поможет получить правильное представление о квантовой механике. И хотел бы рассказать много чего ещё о самом эксперименте Юнга, туннелировании, нелокальности квантовой механики, редукции волновых функций и принципе построения правильных операторов физических величин и уравнения Шрёдингера. Но ответ и без того получился слишком большим. Поэтому на этом я его закончу. А об остальном буду рассказывать в соответствующих вопросах.

Общая теория относительности запрещает двигаться со сверхсветовыми скоростями только физическим телам, а на само пространство-время ограничения не накладывает. Поэтому теоретически можно создать такую область пространства-времени, скорость которой относительно покоящегося наблюдателя, находящегося в невозмущенной области, будет превышать скорость света. Если космический корабль попадет внутрь этой области, он тоже будет двигаться со сверхсветовой скоростью, не нарушая при этом постулаты ОТО.

Примером подобной пространственно-временной структуры может служить пузырь Алькубьерре, предложенный в 1994 году мексиканским физиком-теоретиком Мигелем Алькубьерре. Спереди от такого пузыря пространство-время сжимается, сзади — растягивается, а мировая линия корабля, находящегося внутри, остается времениподобной. Тем не менее, это решение страдает от ряда существенных недостатков. Во-первых, для того, чтобы искривить пространство нужным образом, понадобится огромная масса материи с отрицательной энергией, сравнимая с массой Наблюдаемой Вселенной. Хотя области пространства-времени с отрицательной энергией и могут существовать в действительности благодаря эффекту Казимира, для перемещения большого корабля их будет явно не достаточно. Во-вторых, пилоты космического корабля, находящегося внутри пузыря Алькубьерре, не имеют связи с внешним миром, а потому управлять таким кораблем невозможно. В-третьих, расчеты показывают, что за время путешествия около передней стенки пузыря соберется достаточно много высокоэнергетических частиц, которые испепелят корабль при попытке разрушить пузырь или выбраться из него (это напоминает гипотетический файервол вокруг черной дыры). Наконец, путешествие объектов со сверхсветовой скоростью явно будет нарушать принцип причинности, что было бы крайне неприятно для физики.

Как бы то ни было, существуют и сравнительно «легальные» способы превысить скорость света, с помощью которых нельзя передавать информацию, а значит, принцип причинности не нарушается. Например, направим лазер на поверхность Луны и будем двигать его с угловой скоростью около 50 радиан в секунду (такая скорость отвечает вращению велосипедного колеса на скорости около десяти километров в час). Поскольку расстояние между Землей и Луной превышает 360000 километров, скорость светового пятна, бегущего по ее поверхности, составит примерно 18 миллионов километров в секунду — в 60 раз быстрее скорости света. Тем не менее, пятно не является физическим объектом и не несет никакой информации о точке, из которой испускается лазер. Поэтому передавать таким образом информацию нельзя, и нарушение принципа причинности не происходит.

Также наряду с лазерным лучом в качестве примера часто приводят ножницы с очень длинными лезвиями (скажем, длиной в один световой год) — при смыкании ножниц их концы якобы движутся со сверхсветовой скоростью. Казалось бы, это нарушает принцип причинности в явном виде, поскольку атомы на концах лезвий являются «настоящими» физическими объектами, в отличие от светового пятнышка. Однако на самом деле пример с ножницами неудачный, поскольку сверхсветовое движение в этой ситуации вообще не возникает — атомы, из которых сложены лезвия, не начнут двигаться, пока до них не дойдет волна деформаций, скорость которой совпадает со скоростью звука и много меньше скорости света. А вот точка смыкания лезвий может двигаться со сверхсветовой скоростью, только физическим объектом она не является и информацию с ее помощью передать нельзя.

Самый простой и важный случай - при мокрой коже. Кожа, будучи сухой, очень плохо проводит электрический ток, однако влажная становится проводником электричества. Именно по этой причине в мокрых помещениях правилами устройства электроустановок предписано соблюдать ряд дополнительных мер по защите от поражения током: герметичные корпуса приборов, использование низкого напряжения, защитные устройства для обнаружения утечки тока и тому подобное.

Вообще говоря, механизм Хиггса отвечает только за массу элементарных частиц — векторных бозонов, кварков и лептонов (в частности, электрона). Однако бо́льшая часть массы материи связана с барионами — протонами и нейтронами, масса которых объясняется энергией глюонного поля, удерживающего кварки вместе. В самом деле, суммарная масса кварков, из которых состоит протон, не превышает десяти мегаэлектронвольт, тогда как масса составной частицы лишь чуть-чуть не дотягивает до 940 мегаэлектронвольт. Характерный масштаб ядерных сил, удерживающих нуклоны в ядре, также много меньше этой величины: в среднем энергия связи колеблется от 2,2 мегаэлектронвольта на нуклон до 8,8 мегаэлектронвольта на нуклон. Энергия других сил, связывающих частицы или атомы между собой, еще меньше. Таким образом, вклад механизма Хиггса в массу материи не превышает одного процента. Тем не менее, при отсутствии механизма Хиггса большинство физических процессов шли бы совершенно по-другому (например, электрон был бы безмассовым), а потому пренебречь полем Хиггса нельзя.

Магнитное и электрическое поля являются двумя проявлениями единого электромагнитного поля и неразрывно связаны друг с другом. Вокруг проводника с током неизбежно индуцируются концентрические линии магнитного поля. Поэтому если поместить проводник, например, в С-образный постоянный магнит и замкнуть цепь, то проводник начнёт отклоняться во внешнем магнитном поле постоянного магнита. Так можно показать что магнитное поле действует на проводник с током.

Этот феномен описывается одним из уравнений Максвелла, а именно: rot(B) ~ j

rot(B) - это вектор, направленный перпендикулярно плоскости завихрения магнитного поля B. j - ток в проводнике. Таким образом уравнение говорит о том, что вокруг проводника с током j образуется "вихревое" магнитное поле B, которое описывается правилом правой руки.

Дано

m1 = 20 кг

с = 4200 Дж/кг°с

m2 = 20 г

h = 40 м

___

(t2 - t1) -?

СИ:

20 г = 0,02 кг

Решение:

Q = c×m1×(t2 - t1)

E = m2×g×h

Q = E

c×m1×(t2 - t1) = m2×g×h

(t2 - t1) = m2×g×h / (c1×m1)

(t2 - t1) = 0,020 кг × 10 Н/кг × 40 м / (4200 Дж/кг°с × 20 кг) ≈ 9,5×10^-5 °с

(если записать десятичной дробью, то изменение температуры будет равно примерно 0,000095 градуса цельсия)

К концу XIX века в мире физики появилась новая важная теория — электродинамика Максвелла. Она была тщательно проверена экспериментально и отлично описывала физическую действительность. Но в уравнениях Максвелла существовала одна важная проблема — они были неинвариантны относительно преобразований Галилея.

Поясним подробнее — вся ньютоновская механика основана на том, что форма уравнений движения не меняется при переходе от одной движущейся равномерно и прямолинейно системы отсчета к другой, причем переход этот выглядит очень просто. Системами отсчета здесь могут быть наблюдатели, один из которых стоит на перроне, а другой сидит в купе проезжающего мимо поезда. Хочется предположить, что для этих наблюдателей сохранятся и уравнения других областей физики — например, термодинамики и электродинамики.

В существовавшей на тот момент электродинамике вводилось понятие абсолютно неподвижного эфира, в котором распространялись электромагнитные волны. Это приводило к тому, что смена системы отсчета изменяла форму уравнений. Как правило, это иллюстрируют тем, что скорость света не меняется, в какой бы инерциальной системе отсчета мы ее не измеряли. Это, конечно же, противоречит ньютоновской механике: та говорит, что если мы будем догонять луч света с постоянной, околосветовой скоростью v, то измеряемая нами скорость этого луча будет меньше, чем измеряемая неподвижным наблюдателем на величину v. В пределе, если мы движемся со скоростью света относительно луча света, то этот луч должен был бы для нас остановиться.

Дальнейшие проблемы у ньютоновской механики возникли при попытке обнаружить движение Земли относительно абсолютно неподвижного эфира. Опыт Майкельсона-Морли однозначно указал на то, что Земля относительно эфира не движется (или движется, но по меньшей мере в шесть раз медленнее, чем того можно ожидать — впрочем, сейчас ограничение на скорость эфирного ветра достигает 10-17). Хендрик Лоренц и Джордж Фитцжеральд попытались сохранить теорию эфира и объяснили результаты эксперимента сокращением линейных размеров тел, движущихся с большой скоростью, а также замедлением местного времени. Работа Альберта Эйнштейна упростила интерпретацию эксперимента и исключила необходимость в эфире, предложив более стройную и изящную теорию относительности.

Необходимость в общей теории относительности сам Эйнштейн объяснял необъяснимой предпочтительностью равномерного и прямолинейного движения над ускоряющимся. Заметив принципиальную неотличимость действия гравитации и ускорения и указав на то, что для объектов в состоянии свободного падения также должны действовать принципы СТО физик создал современную модель гравитации.

Зная атомарную массу кислорода (16 г/моль) и молярну массу оксида (160 г/моль) можем определить атомарную массу металла (х) составив уравнение принимая во внимание формулу высшего оксида :
2*x+3*8=160
Решая уравнение находим х = 56 г/моль
Что соответствует одному металу - железо.