Новая физика начала ХХ века - теория относительности, квантовая физика

    Открытие атомного ядра и частиц явилось результатом изучения строения вещества, основанном на достижениях физики конца XIX века. Исследования электрических явлений в жидкостях и газах, оптических спектров атомов, рентгеновских лучей, фотоэффекта показали, что вещество имеет сложную структуру. В 1897 году при исследовании катодных лучей Дж. Томсоном был открыт электрон - носитель элементарного отрицательного электрического заряда. ХХ век принес много неожиданностей в физику. Именно в это время классическая физика оказалась несостоятельной в объяснении новых экспериментальных фактов. Уменьшение временных и пространственных масштабов, в которых разыгрываются физические явления, привели к "новой физике", столь непохожей на привычную традиционную классическую физику. В основе "новой физики" лежат две фундаментальные теории:

• теория относительности
• квантовая теория.

Специальная теория относительности была сформулирована А. Эйнштейном в 1905 г. В ее основе лежат два постулата.

• Равноправие всех инерциальных систем отсчета. Законы природы должны быть одинаковы для всех наблюдателей, движущихся друг относительно друга с постоянной скоростью.
• Скорость света в вакууме постоянна (с = 299792458 м/с) и не зависит от движения источника света относительно наблюдателя.

    Теория относительности привела к кардинальным изменениям представлений о пространстве и времени. Ни одно тело не может двигаться со скоростью большей скорости света. Другим важным следствием теории относительности явилось изменение представлений о массе тела. В релятивистской теории масса может уничтожаться и порождаться. Например, если из протона и нейтрона образовать связанную систему - дейтрон, оказывается, что масса дейтрона меньше суммы масс нейтрона и протона. Связь между массой частицы m и ее энергией покоя E₀ описывается знаменитым соотношением Эйнштейна

E₀ = mc².

Используя эквивалентность массы и энергии, массы частиц часто измеряют в энергетических единицах.
    Если теория относительности лишает смысла понятия абсолютных пространства и времени, то в квантовой физике корпускулярные и волновые свойства частиц приводят к тому, что невозможно одновременно точно определить положение и импульс частицы. Неопределенность в координате x связана с неопределенностью в импульсе p соотношением неопределенности

xp_x = = h/2,

где величина h называется постоянной Планка, = h/2 = 6.582·10^-22 Мэв·с,
Поэтому в квантовом мире теряет смысл такое понятие как движение частицы по определенной траектории.
     В нерелятивистской квантовой механике рассматривают движение частиц со скоростями много меньшими скорости света
    Движение частиц с релятивистскими скоростями, как правило, сопровождается процессами рождения и уничтожения частиц. Например при столкновении электрона e^- и позитрона e⁺ могут родиться протон p и антипротон .

e^- + e⁺ p + .

    Термин квант возник в 1900 г. в работе М. Планка, посвященной тепловому излучению. Из гипотезы Планка и закона сохранения энергии следовало, что излучение энергии происходит квантами. Энергия E каждого кванта пропорциональна частоте

E = h = ,   = 2.

    Величина позволяет оценить роль квантовых эффектов в описании физических явлений. В тех случаях, когда величину можно считать пренебрежимо малой, используется классическое описание.
    Квантовая теория является статистической теорией. Ее предсказания носят вероятностный характер. Известно, что свободный нейтрон является нестабильной частицей. Он распадается на протон p, электрон e^- и электронное антинейтрино _e

n p + e^- + _e.

     Период полураспада нейтрона, т. е. время, за которое распадается половина от первоначального количества нейтронов T_1/2 = 10.4 мин. Однако нельзя сказать ничего определенного о распаде отдельного нейтрона - когда, в какой момент времени он распадется.

    Теория относительности и квантовая теория являются фундаментом, на котором построено описание явлений микромира

04.05.2012