Анатолий Трутнев - Квантовая физика и нити пространства

Одной из самых замечательных достижений квантовой физики является создание теории квантовой хромодинамики, предсказания которой были многократно подтверждены экспериментально. К началу шестидесятых годов прошлого века было открыто более 100 видов составных адронов, С открытием каждой новой частицы ученые надеялись получить фундаментальную частицу, которую нельзя разделить на части. Поэтому, когда два физика Марри Гелл Ман и Джордж Цвейг предложили теоретическую модель, где адроны состояли из более мелких составных частей, она была принята большинством физиков. В 1968 году в национальной ускорительной лаборатории при обстреле протонов ускоренными электронами, протоны были разделены на мелкие части. Частицы назвали кварками. Это явилось подтверждением выдвинутой модели. Для того, чтобы расчеты теоретической модели были работоспособны, заряд электрона был раздроблен, хотя тот считается элементарным. Исходя из этого, было предложено, чтобы один тип кварков имел положительный заряд электрона в +2/3 заряда электрона, а другой бы имел отрицательный заряд электрона в -1/3 заряда электрона. В настоящее время известно 6 типов кварков: u, d. s. c. b. t. Экспериментальное подтверждение о существовании кварков u. d.было получено в 1968 году. Кварки sи cоткрыли в 1974 году, кварк bв 1977 году, а кварк tв 1995 году. Кварк u верхний кварк имеет заряд + (2/3) е и массу 2.01 МэВ/сек 2. Кварк dнижний кварк он имеет заряд – (1/3) е и массу 4,8 МэВ/сек 2. Кварк sстранный кварк имеет заряд – (1/3) е,и массу 95 МэВ/сек. Кварк cочарованный кварк имеет заряд + (2/3) е и массу 95 МэВ/сек 2. Кварк bпрелестный кварк имеет заряд- (1/3) е и массу 4,18 ГэВ/ сек 2. Кварк tистинный кварк имеет заряд + (2/3) е и массу 173 ГэВ/ сек 2. У всех кварков имеются антикварки. Они подразделяются на поколения: u и d – кварки первого поколения, s и с – кварки второго поколения, b и t кварки третьего поколения.

Кварк составная часть других частиц и не может существовать отдельно от других кварков, Отдельно он может «прожить» не более 3 10 —24 сек. Кварки непрерывно получают «пакеты» энергии от соседних кварков и сами их посылают другим кваркам. Эти пакеты называются глюонами, если они их не получают, то становятся виртуальными частицами и исчезают. Глюоны являются переносчиками сильного ядерного взаимодействия. Сильное взаимодействие имеет отличительную черту от других взаимодействий. Оно до определенного предела усиливает свое действие на кварки, чем дальше они удаляются друг от друга, тем оно сильнее действует на них. Чтобы сильнее стягивать кварки сильное взаимодействие создает новые и новые глюоны. Кварки взаимодействуют между собой, обмениваясь глюонами. Взаимодействия кварков, в некоторой степени, тождественно взаимодействию электрических зарядов. Но в отличие от электрических зарядов, у них не два, а три заряда: красный (r), синий (b),зеленый (q). Каждому цвету соответствует антицвет: «антикрасный», «антизелёный» и «антисиний. На кварки не распространяется запрет Паули. Концепция цветов была предложена российскими физиками Н. Н. Боголюбовым, Б. В. Струминским в 1965 году, а американскими физиками М. Ханом и И. Намбу в 1964 году, Предложенная этими учеными концепции цветов была использована при создании квантовой хромодинамики. Она помогла объяснить сосуществование кварков с одинаковыми квантовыми числами внутри адронов, не нарушая при этом принцип Паули. Переносчиками взаимодействия между кварками, находящимися внутри адронов являются глюоны. Они также как фотоны имеют спин равный 1 и нулевую массу покоя. Но в отличие от фотона, который нейтрален, глюоны обладают цветовым зарядом. Кварки, имея три цветовых состояний, могут испускать восемь типов цветных глюонов. Глюоны, обладая цветовым зарядом, могут испускать другие глюоны, то есть превращаться в два или три глюона. Взаимодействие между цветовыми зарядами, в корне, отличается от взаимодействия между электрическими зарядами. Если при сближении положительных и отрицательных зарядов сила их притяжения увеличивается, то при уменьшении расстояний между цветовыми зарядами и заряд уменьшается. Эти свойства цветных зарядов, позволяют объяснить, каким образом кварки удерживаются внутри адронов.

Одна из теорий квантовой механики допускает, что при манипуляции с частицами имеется возможность устранения независимости их поведения. Это физическое явление носит название квантовой запутанности. Она может возникать, как естественным, так и искусственным путем в результате столкновения частиц. В естественных условиях независимые состояния частиц встречаются значительно реже, чем связанные. Примером могут служить атомы химических элементов. Когда атомы стабильны, электронные облака и ядра в них находятся в запутанном состоянии, потому что расположение их составляющих электронов, протонов, нейтронов не может быть независимым. В лабораторных условиях независимости частиц лишают искусственно, Например, сталкивая их между собой. Суть её проста и в тоже время, сложная. Она заключается в том, что если связать между собой две элементарные частицы, то манипулируя одной, можно заставить другую реагировать в ответ на действия с первой частицей, даже если их удалить на значительные расстояния друг от друга. В большинстве экспериментов используют фотоны, которые связывают между собой с помощью лазеров. Неоднократно проведенные эксперименты неизменно подтверждали физическое существование квантовой запутанности. Так в 2008 году группа швейцарских исследователей разнесла два потока спутанных фотонов на 18 километров, а в 2010 году группе австрийских исследователей удалось разнести потоки запутанных фотонов на 144 километра. При этом было установлено, что скорость взаимодействия значительно превышала скорость света. Кроме квантовой запутанности в квантовом мире действует не менее странный закон ограничение скорости. Это доказали ученые из Университета в Бонне. Поставленные ими эксперименты показали, что максимальная скорость в квантовых операциях определяется неопределенностью их энергетических состояний. То есть, чем больше у неё энергетической свободы, тем с большей скоростью она может двигаться. Ученые проводили опыты по транспортировки атомов цезия. Было замечено, чем глубже была «долина», в которую они помещали атом цезия, тем больше у него было возможностей принять различные энергетические квантовые состояния, Тем быстрее можно было переместить атом из одного местоположения в другое.

Тунеллирование одна из заметных загадок странностей квантовой физики. Это явление квантовой природы, которое в классической механике не может происходить. Суть его заключается в следующем. Микрочастица может преодолеть потенциальный барьер, когда её полная энергия меньше высоты барьера. При тунеллировании сохраняются как полная энергия частицы, так и её и импульс. Из уравнения де Бройля следует, что элементарные частицы имеют определенный импульс и определенную длину волны. Из вероятностной интерпретации Борна следует, если частица не локализирована в пространстве, то неопределенность её положения становится бесконечной. Но в реальности длины волн не бесконечны, поэтому неопределенность положения частицы и неопределенность её импульса имеют ограниченное значение. Эффект квантового тунеллирования возникает, когда частицы движутся через барьер, который по канонам классической физики, они не могут пройти. Барьером может быть непроходимая среда в виде области с высоким потенциалом энергии. Если при столкновении частицы с барьером, она как квантовая волна не погаснет, а ее амплитуда уменьшится, то это будет означать уменьшение вероятности прохождения частицы сквозь барьер. Если барьер будет достаточно тонкий, то амплитуда частицы в этом случае может быть ненулевой с другой стороны барьера. Следовательно, существует вероятность того, что отдельные частицы будут проходить через барьер. В физике нет единого определения туннельного времени, потому что время не является оператором в квантовой механике. Эксперименты по определению времени прохождения сквозь барьер квантовых частиц вследствие малых масштабов времени (аттосекунды) и масштабов длины (субнанометры), а также из-за помех окружающей среды, очень затруднительны. Впервые тунелльное время было измерено и описано в 1962 году немецким физиком Томасом Хартманом и с тех пор носит название эффект Хартмана. В результате проведенных экспериментов Хартман установил. тунеллирование является сверхсветовым процессом. Неоднократно проведенные экспериментальные проверка эффекта Хартмана независимо с какой точностью физики определяли время туннелирования, он неизменно проявлялся. Последние сомнения в точности проведения экспериментов по определению времени туннелирования поставили исследователи из Университета Торонто Дэвид Спирингс и Изабель Рашико. Барьером для прохождения служил лазерный луч, сквозь который исследователи пропустили магнитное поле. Потом взяли атомы рубидия. Спины атомов были ориентированы в определенном направлении, Направили атомы на барьер. часть из них прошла через него. Затем измерили спины атомов рубидия на другой стороне барьера и определили время тунеллирования атомов через лазерный луч. В итоге оказалось, что скорость прохождения атомов сквозь барьер превышает скорость света 10 5 раз. Однако ученые не считают, что при этом происходит сверхсветовая передача сигналов, хотя и отмечают, что туннелирование является еще более странным, нежели запутанность.