Фрэнк Вильчек - Красота физики. Постигая устройство природы

Успех этих идей, предоставивших превосходное описание слабого взаимодействия, и предсказание существования частицы Хиггса поощряет нас и далее исследовать возможность того, что лежащая в основе всего симметрия уравнений нашего мира намного больше, чем та симметрия, которую мы наблюдаем в природе, рассматривая лежащие в основе еще более широкие группы симметрии.

Среда для нас – это что-то, заполняющее пространство [114] Для англоговорящих читателей автор поясняет, что media – то самое, которое вошло в выражение массмедиа и относится к сфере распространения информации, – является множественным числом от medium – среда. – Прим. ред. .

Таким образом, понятие среда может использоваться наравне с понятием флюида. На полях отметим, что «флюид» предполагает некий материал, части которого могут меняться местами друг с другом, как в потоках воздуха или воды, в то время как «среда» предполагает нечто более осязаемое, которое может колебаться, но имеет структурную целостность, как стекло или желе. Но среды, или флюиды, которые, согласно нашей Основной теории, составляют наиболее фундаментальную материальную основу мира, – такие как глюонный флюиди электронный флюид, настолько отличаются от воздуха, воды, стекла, желе или любой другой привычной нам жидкости или среды, что кажется глупым настаивать на любой одной из двух метафор.

См. Главная теория.

Исторически термин «стационарное состояние» возник в модели атома Бора. Если применять классическую механику и электродинамику к задаче об отрицательно заряженном электроне, связанном с положительно заряженным протоном, то стационарное решение найти нельзя. Электрон будет падать по спирали на протон, излучая электромагнитные волны. Чтобы избежать этой катастрофы, Бор ввел смелую гипотезу – гипотезу о стационарных состояниях . В ней электрону позволено занимать лишь немногие из классически разрешенных орбит, которые и определяют его разрешенные «состояния». В пределах этих особых орбиталей электрон не излучает энергию, а является «стационарным». Таким образом, разрешенные орбиталиопределяют стационарные состояния.

Впоследствии модель Бора была заменена современной квантовой механикой, но некоторые элементы первой, включая понятие стационарного состояния, можно увидеть и в современной теории. В современной квантовой теории состояние электрона описывается волновой функцией. Эта волновая функция и связанное с ней облако вероятностиизменяются во времени согласно фундаментальному уравнению Шрёдингера. Среди решений уравнения Шрёдингера есть некоторые особые, у которых облако вероятности совсем не изменяется во времени. Эти решения – плод квантовой теории – имеют свойства, которые Бор постулировал для стационарных состояний в своей модели. Таким образом, в квантовой теории мы говорим, что волновые функции, чьи облака вероятности не изменяются во времени, определяют стационарные состояния . Повторим, что дополнительную информацию, включая иллюстрации, стоящие тысячи слов, см. в главе «Квантовая красота I», а также в статье о Спектрах.

Специальные волновые функции, которые определяют стационарные состояния (волновые функции, облака вероятности которых не изменяются во времени), являются чрезвычайно полезными при обдумывании задач в атомной физике и химии. Как дань их предшественницам, разрешенным орбитам Бора, их называют орбиталями.

Понятие о стационарности состояния является приблизительным, поскольку существуют физические процессы, с помощью которых электрон может совершить переход между этими состояниями. А именно электрон в стационарном состоянии может перейти в другое стационарное состояние, испустив или поглотив фотон. Бор не мог в пределах его модели разработать подробную картину или механизм для этого скачкообразного изменения орбиты и просто ввел его как дополнительное предположение: возможность квантовых переходов, или квантовых скачков.

В современной квантовой теории переходы между стационарными состояниями происходят как логическое следствие уравнений. Физически они возникают из-за взаимодействия между электронами и электромагнитным флюидом. Поскольку это взаимодействие довольно незначительно по сравнению с основными электрическими силами, которые удерживают электроны, нам нередко хорошо удается учесть его в модели как поправку, сохраняя стационарные состояния в качестве отправной точки. При таком подходе мы обнаруживаем, что переходы не являются истинными нарушениями непрерывности, хотя они действительно происходят быстро.

Процесс излучения особенно интересен с концептуальной точки зрения. В нем электрон порождает электромагнитную энергию в виде фотона там, где его первоначально не было. Это происходит, когда электрон сталкивается со спонтанной активностью в электромагнитном флюиде и, передавая ему часть собственной энергии, усиливает эту активность. Таким образом, электрон переходит в состояние с более низкой энергией, виртуальный фотонстановится реальным фотоном, и да будет Свет.

Колебания волн в ограниченных областях пространства называют стоячими волнами . Таким образом, колебания струн музыкальных инструментов – или их резонансных дек – являются стоячими волнами. Стоячие волны часто называют вибрациями или колебаниями.

Волны, которые не ограничены конечной областью пространства, а перемещаются в нем, называют бегущими волнами . В повседневном языке, а также и в физике, когда мы говорим о «звуковых волнах», мы обычно подразумеваем бегущие волны. Колебания резонансной деки рояля, которые являются стоячими волнами, толкают воздух рядом с ней взад и вперед. Движущийся воздух оказывает воздействие на воздух рядом с ним, который воздействует на воздух чуть дальше, и т. д., вызывая возмущение в воздухе, которое начинает жить собственной жизнью. Это бегущая звуковая волна, которую мы можем обнаружить, т. е. услышать, на больших расстояниях.

Волновая функция, связанная с электроном, может быть как стоячей волной, так и бегущей волной.

Волновую функцию электрона, связанного с протоном и образующего вместе с ним нейтральный атом водорода, считают стоячей волной даже при том, что, строго говоря, она распространяется по всему пространству. Дело в том, что плотность облака вероятности нахождения электрона, которая отражает величину волновой функции, уменьшается очень быстро, когда мы удаляемся от протона, и никогда не бывает значительной за пределами маленькой фиксированной области около протона. Именно это мы имеем в виду, когда говорим, что электрон связан с протоном. Фактически волновая функция локализована в ограниченной области пространства, и ее следует считать стоячей волной.