Красота физики. Постигая устройство природы - Фрэнк Вильчек

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 орбитали определяют 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 вероятности изменяются 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 фотон становится реальным фотоном, и да будет Свет.

Стоячая волна и бегущая волна

Standing wave/traveling wave

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.

Волновая функция несвязанного электрона, который свободно перемещается в пространстве, является бегущей волной.

См. также Уравнение Шрёдингера.

Строгость

Rigor

Мы говорим, что утверждение строгое или обладает строгостью, когда оно одновременно точно сформулировано и его трудно оспорить. Мы называем некое понятие строгим, если его смысл точно сформулирован и, таким образом, оно подходит для использования в строгих утверждениях.

Сама «строгость» не является строгим понятием, потому что выражение «трудно оспорить» несколько туманно. (Насколько трудно?) Например, существует огромный массив данных, основанный на решениях уравнений квантовой хромодинамики (КХД) с использованием компьютеров, что эта теория воспроизводит явление конфайнмента кварков и правильно предсказывает спектр адронов. (Другими словами: вычисления правильно предсказывают существование ряда сильно взаимодействующих частиц, их массы и другие свойства; впрочем, кварков среди них нет.) Однако математики обычно не расценивают этот вывод как строгий.

Струя частиц

Jet of particles

После соударений в современных ускорителях высоких энергий, включая, в частности, Большой адронный коллайдер, часто наблюдаются потоки энергичных адронов, движущихся почти в одном и том же направлении. Такие потоки называют струями.

Для струй существует замечательная интерпретация, основанная на квантовой хромодинамике (КХД) и асимптотической свободе и состоящая в следующем. Мы можем описать начальный момент нашего соударения, в котором участвует сильное взаимодействие, непосредственно в терминах кварков, антикварков и глюонов. Но по мере того, как эти частицы рождаются из начального раскаленного шара, они приходят в равновесие с вездесущей самопроизвольной активностью квантовых флюидов КХД – их квантовыми флуктуациями, или виртуальными частицами – и в процессе этого производят потоки адронов. Поскольку энергия и импульс сохраняются, эти потоки наследуют их от кварков, антикварков и глюонов, которые их породили. Таким образом, скажем, кварк с высокой энергией породит поток адронов, движущихся как целое в направлении импульса кварка и делящих между собой его энергию, – т. е. он породит струю! Не будет большим преувеличением сказать, что, когда наблюдаем струи, мы краешком глаза можем взглянуть на реальность существования кварков, антикварков и глюонов, которые не могут существовать как свободные частицы. См. Конфайнмент.