Наука в 20-ом веке: Материя и энергия

Основные моменты из лекций 2 — 11 курса Стивена Голдмана Наука в 20-ом веке: Социально-интеллектуальный обзор (Steven L. Goldman, Science in the 20th Century: A Social-Intellectual Survey).

Специальная теория относительности

Проблемы, которые решал Эйнштейн:

  • Невозможность измерения движения Земли относительно эфира.
  • Что означает утверждение, что события в двух удаленных местах произошли одновременно.

Время и пространство как отношения, абсолютное пространство и абсолютное время не существуют.

Связь между массой и энергией.

Общая теория относительности

Пространство, время, масса и энергия связаны между собой отношениями. Масса объекта зависит от общего распределения масс во вселенной. Пространство зависит от распределения масс. Пространство имеет форму.

Общая теория относительности предсказывала расширение вселенной. Это настолько противоречила существующим тогда представлениям о вселенной, что Эйнштейн решил ввести в уравнения космологическую константу, которая позволяла получить стационарное решение для вселенной.

Квантовая механика

Три периода развития квантовой механики:

  • 1900-1929 — «героический» период: введение и радикальная интерпретация квантовой механики.
  • 1930-1964 — «работающий» период: развитие квантовой электродинамики (QED)-
  • С 1964 развитый уровень: квантовая хромодинамика и объединение известных сил природы.

«Героический» период квантовой механики

1900. Макс Планк, статья об излучении черного тела. Квантование энергии. Следующие двенадцать лет Планк посвятил тому, чтобы закрыть квант энергии обратно.

1905, Эйнштейн, статья об фотоэлектическом эффекте. Квант — это факт природы.

1911, Резерфорд, планетарная модель атома. Бор — квантовая теория атомного строения, чтобы объяснить устойчивость атома. Теория Бора также давала объяснения спектроскопическим данным.

1917–1918, Бор и Эйнтшейн показали, что орбитальные перехода электрона носят случайный характер. Принцип соответствия Бора — квантовая механика сосуществует с классическомй механикой.

1923, де Бройль, материя как и электромагнитная энергия обладает свойствами как волны, так и частицы.

1923-1925. Волновая механика Шрёдингера. Матричная формулировка Гейзенберга. Математическая эквивалентность двух формулировок.

1927. Было экспериментально показана дифракция электронов при прохождении их через кристалл.

1927. Приницип неопределенности Гейзенберга: умножение матриц не коммутативно.

1929. Бор и Гейзенберг — копенгагенская интерпретация квантовой механики. Введение наблюдателя размывает разницу между разумом и миром.

Цена квантовой механики: отказ от каузальности в квантовом мире и дискретность в природе.

«Работающий» период квантовой механики

1929-1930. Дирак. Объединение квантовой механики со специальной теорией относительности: квантовая электродинамика. Предсказание антиэлектрона.

Нулевая энергия электрона богата виртуальной энергией. Когда электрон спонтанно переходит с более высокого энергетического уровня на низкий, испускается фотон. Откуда он берется? Ответ Дирака: из нулевой энергии электрона, где фотон хранится, когда фотон используется для возбуждения электрона.

Развитие квантовой электродинамики продолжилось после второй мировой войны, поскольку  у Дирака оставались открытые места. Ренормализация.

Строение атомного ядра. Протон, нейтрон, нейтрино.

1937. Юкава. Слабое и сильное взаимодействие в ядре.  Предсказание мезона.

Использование квантовой электродинамики для расчета вероятностей поглощения или рассеивания ядром частицы. Использование теори для оценки массы урана-235, необходимой для создания атомной бомбы.

Гейзенберг отвечал за разработку атомной бомбы у Гитлера. Неверный расчет Гейзенберга предсказывал слишком большую массу урана, необходимую для создания атомной бомбы.

1938. Ханс Бете. Теория звезд на принципе термоядерных реакций.

Ускорители для сталкивания частиц

1930. John Cockcroft, Ernest Walton. Электростатический ускоритель протонов. 400000 eV.

1930е годы. Ernest O. Lawrence. Циклотрон. До 1 MeV.

1939. Циклотрон достиг 10 MeV.

1946. Синхроциклотрон в Беркли. 195 MeV.

1952. Brookhaven National Laboratory. Cosmotron. 3 GeV.

1954. Bevatron в Беркли. 6.2 GeV.

Гонка ускорителей в 60-х, 70-х годах.

В 1993 году США отказались от строительства Суперколлайдера.

Ускоритель в Церне достигает 7 TeV.

Полезные приложения квантовой механики

  • Полупроводники.
  • Лазеры.
  • Сверхпроводимость.
  • Квантовая химия — теория химической связи.
  • Квантовая криптография.

Квантовая хромодинамика

1953, обзор Abraham Pais и Murray Gell-Mann. Четыре силы отвечают за все физические взаимодействия. Объединения этих сил в одну теорию начинается с конца пятидесятых годов.

Квантовая элекродинамика объясняла электромагнитные и слабые взаимодействия. Объяснения сильным взаимодействиям отсутствовало.

1962 — 1964, Gell-Mann (Caltech) и независимо George Zweig (CERN) предложили новую теорию сильных взаимодействии, когда протоны и нейтроны были признаны как  неэлементарные частицы.

В квантовой хромодинамике были использованы причудливые имена, у которых не было аналогов в классическом мире. Это исключало вопросы типа, что такое спин в квантовой механики и как он соотносится с вращением классических частиц.

Можно сказат, что квантовая хромодинамика получила завершение в 1995 году экспериментальным подтверждением существования top quark (всего в теории шесть кварков).

После экспериментов до объявления существования t-кварка прошло два года. Столько времени потребовалось для обработки результатов. В статье 440 авторов из 35 научных учреждений.

Объединение взаимодействий в теорию всего

Идея заключается в том, что в самом начале было только одно взаимодействие, которое потом разложилось на несколько взаимодействий. Аналогия — фазовый переход.

1950е годы. Попытка объединить электромагнитные и слабые взаимодействия. Abdus Salam и John Ward.

1961. Sheldon Glashow. Использование предыдущей результатов в новом объединении электромагнитных и слабых взаимодействий. Объедение было завершено в течение следующих десяти лет: Glashow, Steven Weinberg, Salam, Peter Higgs, Gerardus t’Hooft.

Использованные подходы:

  • Калибровочная инвариантность.
  • Использование теории групп.
  • Спонтанное нарушение симметрии.

В дальнейшем было осуществлено объединение с квантовой хромодинамикой. Стандартная модель.

Попытки объединения стандартной модели и гравитации.

  • Теория суперструн.
  • Петлевая квантовая гравитация.

См. также

Наука в 20-ом веке: Введение
Наука в 20-ом веке: Математика
Наука в 20-ом веке: Вселенная
Наука в 20-ом веке: Земля


Comments are closed.