Родственники фотона

Психология и физиология восприятия информации

Родственники фотона

Кончался девятнадцатый век. Физики постепенно привыкли к новым идеям, век был богат открытиями. Учение о тепле превратилось в строгую науку термодинамику. Учения об электричестве, магнетизме и свете объединились в электродинамику, науку об электромагнитном поле. Но новые науки приносили решение старых проблем, и тут же ставили новые: в науке рождение новых идей, новых теорий уже в самом своем зародыше нередко таит семена будущего кризиса, предвещающего новые перевороты. Кризис действительно возник в конце века, когда физики сделали естественную попытку объединить термодинамику и электродинамику, когда они попытались применить к электромагнитному полю представление о тепловом равновесии. Встреча двух наук оказалась нелегкой. Старая классическая физика приводила к выводу, что между атомами и электромагнитным полем не может существовать теплового равновесия, энергия, накопленная атомами, должна неминуемо быть передана электромагнитному полю. В теории наступила, по образному выражению тех времен, "ультрафиолетовая катастрофа". В рамках классической физики собрать вместе дискретные атомы и непрерывное поле оказалось невозможным: это был сигнал о необходимости новых перемен. И сигнал этот не был ложным. В последний год века Планк высказал идею, что электромагнитное поле вовсе не непрерывная, не сплошная среда, как это думали все. Излучение и поглощение электромагнитных волн, сказал Планк, происходит порциями-квантами, энергия которых определяется частотой самих электромагнитных колебаний

Через несколько лет Эйнштейн довел идею Планка до логического конца. Теория относительности потребовала, чтобы поглощаемый (или излучаемый) квант нес с собою не только энергию, но и импульс, равный

Отсюда уже следовало, что электромагнитное поле не только поглощается и излучается порциями, но что само его можно рассматривать как собрание квантов, частиц, имеющих энергию и импульс. Правда, окончательно в этом убедились лишь два десятилетия спустя - в 1925 году, когда молодой физик Шатьендранат Бозе прислал Эйнштейну статью, в которой он доказал, что тепловые статистические свойства излучения совпадают со свойствами газа из квантов-фотонов (фотонами несколько позже, в 1929 году, назвал кванты света фи-зико-химик Льюис).

Может показаться странным, что фотон имеет импульс, отличающийся от энергии Е лишь множителем 1/с. Однако формулы для энергии и импульса фотона не надо сравнивать с аналогичными формулами для частицы в механике Ньютона. Ведь речь идет о фотоне, летящем со скоростью света, к таким частицам надо применять формулы теории относительности, в которой энергия связана с импульсом формулой

, где m - масса покоя частицы, то есть масса частицы, когда ее скорость равна нулю. Масса фотона m = 0 и отсюда как раз и получается написанная выше формула, связывающая энергию и импульс фотона. В квантах Планка реализовалось предвидение Ньютона: свет оказался пучком частиц - фотонов. Но они все же не были корпускулами Ньютона: у фотонов не оказалось массы, однако фотоны в отличие от привычных частиц умели интерферировать, и таким свойством их наделила наука двадцатого века-квантовая механика.

Итак, неудача с объединением теории теплоты и теории электромагнитного поля привела к созданию квантовой механики. В свою очередь, квантовая механика, объединившись с теорией Максвелла, дала жизнь новой науке- квантовой электродинамике, квантовой теории электромагнитного поля. В этом и проявилось могущество электродинамики: созданная в середине прошлого века, она сохранила свою силу после открытия специальной теории относительности и квантовой механики. Более того, уравнения Максвелла и требование об их неизменности для любых инерциальных систем послужили фундаментом теории относительности. Квантовая электродинамика предельно точно описала все электромагнитные явления в микромире. Она позволила, в частности, описать процессы рождения фотонами элементарных частиц, рождение пары электрон и позитрон, пары пионов

и нейтрального пиона

Этого, конечно, не могла сделать старая классическая электродинамика, но в главном -она все же почти не изменилась: уравнения Максвелла в квантовой механике остаются по виду почти теми же, какими они были в физике классической.

Можно утверждать, что электродинамика не подводила физиков при описании явлений, происходящих на самых малых расстояниях вплоть до расстояний, примерно равных 10^-16см. Такое утверждение позволяют сделать, в частности, результаты опытов по измерению магнитного момента, электрона. Отклонений от законов электродинамики не было обнаружено, и в космосе, во Вселенной. Меняются масштабы изучаемого мира, меняется и среда, изменяется сама геометрия пространства, а уравнения Максвелла продолжают жить, лишь слегка изменяя свою форму, подстраиваясь, приспосабливаясь к новым условиям. Однако все это не беспредельно.

На расстояниях порядка 10^-15-10^-16 см проходит граница, к которой физики давно стремились, за ней электродинамика начинает терять свои силы. За этой границей лежит область миллиферми (1 мф = 10^-3ф = 10^-16 см, область, где действуют новые для нас законы и где у фотона появляются родственники - промежуточные бозоны. Свойства этих частиц были предсказаны теоретиками примерно лет десять назад, все эти годы физики были полны надежд на то, что теоретические прогнозы подтвердятся, и вот совсем недавно - еще и года не прошло - они окончательно подтвердились. Когда-то Марк Твен сказал, что его не удивляет открытие Колумбом Америки, удивительным было бы то, заметил он, если бы Америки на этом месте не оказалось. Промежуточные бозоны были найдены там, где они и должны были быть. Но кто усомнится в подвиге Колумба?

Главное меню

Зрительное восприятие

Слух, обоняние, вкус

О жажде

Что такое жажда

Головной мозг

Дополнительно