Этот странный квантовый мир - Трейман С.
ISBN 5-93972-117-6
Скачать (прямая ссылка):
1927 году в связи с применением квантовых принципов к электромагнитному
полю. Это было сделано в работе Поля Дирака, провозгласившего квантовую
электродинамику в статье, увидевшей свет в том же году. Несмотря на
множество попыток связать квантовые идеи со специальной теорией
относительности, квантовая механика Шредингера была адресована
нерелятивистской ситуации, т. е. ситуации, когда скорости малы по
сравнению со скоростью света. Тем более значительным был еще один успех
Дирака, который последовал в 1928 г., когда он получил релятивистское
волновое уравнение для электрона. Он преуспел в построении релятивистской
квантовой теории электрона, теории, которая, между прочим, предсказывает
существование античастиц - хотя первоначально Дирак не знал о их
существовании. В конце 1928 года создание основ квантовой теории в
основном завершилось.
Глава 2
Классические основы
Закон Ньютона
Квантовая механика появилась в результате обыкновенного опыта, но
ньютоновская механика, которая была ею вытеснена, тоже была необходима
нашим предшественникам (и остается такой для многих современников).
Вероятно, два наиболее известных заклинания, взятых из физики, - это
соотношение Эйнштейна Е = тс2 и закон Ньютона
F = та. (2.1)
В этой главе мы посмотрим на окружающий мир с доквантовой перспективы; а
для начала, еще и с нерелятивистской. Уравнения Ньютона определяют
движение объектов массы т под действием внешних сил F. Понятие массы в
данный момент мы не будем анализировать, предполагая, что она
определяется интуитивным понятием веса. Ускорение а является скоростью
изменения скорости v. а = dv/dt. Символы F, а и v изображаются жирным
шрифтом, чтобы подчеркнуть, что они являются векторными величинами; т. е.
имеют не только величину, но и направление (например, скорость автомобиля
60 км/ч в северо-западном направлении).
Многие антики, в том числе Аристотель, считали, что покой является
естественным состоянием материальных тел, что движение требует
воздействия внешних факторов, сил, как мы говорим сейчас. Но согласно
Ньютону, в отсутствии сил нулю равно ускорение, но никак не скорость. В
этом смысле естественным состоянием, т. е. движение при отсутствии сил
является состоянием с неизменной скоростью; а именно - прямолинейное
движение с постоянной скоростью. Состояние покоя является очень частным
случаем, когда скорость равна нулю. На самом деле наш земной опыт
отвергает все это. Например, если прекратить тянуть тележку, она
замедлится и остановится. Но мы знаем, что даже если тележку
предумышленно не толкать или не тянуть, на
Гравитация
29
движущую тележку все равно будет действовать сила трения со стороны
Земли. Действительно, известные силы повседневного земного мира являются
в основном контактными силами различного типа: само по себе трение,
короткий контакт с бейсбольной битой меняет направление и скорость мяча,
толчок на дороге, который вызван вращением колес и который может
преодолеть трение и даже привести к ускорению автомобиля и т. д.
Самое время обратиться к дополнительному закону, который связан с
ньютоновским (2.1). Он утверждает, что силы, действующие между любой
парой объектов, равны по величине и противоположны по направлению. Если
тело А создает силу F {А -> В), действующую на В, тогда сила В,
действующая на А, равна F(B -> А) = -F(A -> В), где минус указывает на
противоположное направление. Например, если бейсбольный мяч ускоряется в
некотором направлении благодаря его короткому контакту с битой, то и бита
ускоряется (отскакивает) в противоположном направлении. Мы будем
продолжать говорить о законе Ньютона (одном), но при этом будем понимать,
что речь идет о законах Ньютона (многих), которые используются совместно,
т. е. (2.1) и дополнительный закон, только что обсуждавшийся.
Хотя контактные силы являются известной стороной повседневной жизни, одна
из наиболее распространенных сил, которая приводит к земным (и небесным)
эффектам, гравитация, несомненно, другого сорта. Она не является
контактной силой. Она действует на расстоянии подобно тому, как на
расстоянии действуют электрические и магнитные поля. Действительно,
контактное взаимодействие, которое воспринимается макроскопически вполне
реально, на самом деле лишь отображает электромагнитное действие на
расстоянии между соседними атомами в двух объектах, приведенных в
контакт. "Контакт" не следует понимать буквально на макроскопическом
уровне. Все силы в природе между материальными телами в этом смысле
фактически действуют на расстоянии. Действительно, все силы, которые
существенны для повседневной науки и технологии, и находятся выше ядерной
и субъядерной области, но ниже космической, уже перечислены - это
гравитация и электромагнетизм.
Гравитация
Начнем с гравитации. Гравитация всегда только притягивает. Силы,
действующие со стороны одного объекта из пары гравитационно
взаимодействующих объектов, указывают всегда в сторону другого. Величина
