Микромир: концепции современной физики

    Разрешение  этого противоречия было предложено в 1923 г. де Бройлем, приписавшим волновые свойства частице - волны де Бройля.

    Бройль  Луи де (15.07.1892-19.03.1987) – французский  физик, член Парижской АН.

    Работы  в области классической и квантовой  механики, теории поля, квантовой электродинамики, истории и методологии физики. В 1923 распространил идею А.Эйнштейна  о двойственной природе света  на вещество, предположив наличие  у материальных частиц волновых свойств, однозначно связанных с массой и энергией. Эту идею о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма Э.Шредингер использовал при создании своей волновой механики. За открытие волновой природы электрона де Бройль в 1929 удостоен Нобелевской премии.

    В 1925 г. Гейзенберг, следуя, как и Эйнштейн, принципу соответствия Бора, предложил  матричный вариант квантовой  механики, которая позволяла объяснить  существование стационарных квантованных энергетических состояний и рассчитать энергетические уровни различных систем.

    Гейзенберг  Вернер Карл (05.12.1901–01.02.1976) – немецкий физик, почетный член многих академий наук и научных обществ, медали Маттеучи, Планка, Бора и др.

    Работы  в области квантовой механики, квантовой электродинамики, релятивистской квантовой теории поля, теории ядра, магнетизма, физики космических лучей, теории элементарных частиц, философии естествознания. В 1925 разработал матричную механику – первый вариант квантовой механики (Нобелевская премия, 1932). В 1926 объяснил отличия двух систем термов для пара- и ортогелия, в 1927 сформулировал принцип неопределенности, ограничивающий применение к микрообъектам классических представлений.

    Совместно с П.Дираком в 1928 выдвинул идею обменного  взаимодействия и независимо от Я.И.Френкеля разработал первую квантовомеханическую теорию ферромагнетизма, основанную на обменном взаимодействии электронов. В 1929 совместно с В.Паули предпринял попытку дать формулировку квантовой электродинамики, введя общую схему квантования полей. Развил (1934-36) теорию дырок Дирака, вслед за ним постулировал (1934) существование эффекта поляризации вакуума.

    Вслед за Д.Д.Иваненко пришел к протонно-нейтронной модели ядра (1932), ввел понятие изотопического спина, показал, что ядерные силы насыщающие. Построил теорию ядерных сил, развив идею обменного взаимодействия Иваненко-Тамма. В 1943 в квантовой теории поля ввел матрицу рассеяния (S – матрицу) – важный инструмент для описания взаимодействия. В 1958 проквантовал нелинейное спинорное уравнение (уравнение Иваненко-Гейзенберга), занимался созданием единой теории поля.

    Практически одновременно, развивая идеи волновой механики, в 1926 г. Шредингер предложил  свое волновое уравнение и метод  квантования, которые приводили  к тем же результатам, что и  квантовая механика Гейзенберга. Фактически это означало тождественность волновой и квантовой механики, хотя их математические методы существенно различаются.

    Шредингер Эрвин (12.08.1887-04.01.1961) - австрийский физик, член ряда академий наук и научных  учреждений. Основные достижения в области квантовой теории и квантовой механики. Исходя из идей де Бройля о волнах материи и принципа Гамильтона, разработал теорию движения микрочастиц, в основу которой положил уравнение (уравнение Шредингера), играющее в атомных процессах такую же фундаментальную роль, как законы Ньютона в классической механике, и ввел для описания состояний микрообъекта волновую функцию. В 1926 доказал эквивалентность своей волновой механики и матричной механики Гейзенберга. В том же году построил квантовую теорию возмущений – приближенный метод в квантовой механике. За создание волновой механики удостоен Нобелевской премии (1933). Придерживаясь классических традиций полного детерминизма, Шредингер не принял квантовую механику как завершенную теорию.

    Дальнейшие  работы Шредингера относятся к теории мезонов, термодинамике, нелинейной электродинамике, общей теории относительности, разработке единой теории поля. Он имел разносторонние интересы: занимался лепкой, написал книгу по греческой философии, изучал проблемы генетики, опубликовал томик стихов и т.д.

    В 1927 г. американский физик Клинтон  Джозеф Дэвиссон (1881-1958) в лаборатории "Белл телефон" и английский физик  Джордж Паджетт Томсон (1892-1975) в Абердинском  университете (Шотландия) независимо открыли  дифракцию электронов, экспериментально доказав наличие волновых свойств у частиц (Нобелевская премия по физике, 1937). А в 1929 г. немецкие физики Отто Штерн (1888-1969) и Иммануэль Эстерман (1900-1973) в опытах с атомарными пучками водорода также наблюдали дифракцию, показав, что любым корпускулярным пучкам присущи волновые свойства. Явление дифракции электронов нашло широкое применение в физических исследованиях поверхностных слоев и тонких пленок, а также в электронной микроскопии. Сейчас уже без волновой механики нельзя себе представить ни одной современной науки.

    Шредингер, выводя свое уравнение, использовал  подходы классической механики. В 1928 г. Дирак предложил свою теорию, которая  включала представления о квантах, теории относительности и спине (такое понятие введено американскими физиками Джорджем Юджином Уленбеком (р.1900) и Самуэлем Абрахамом Гаудсмитом (1902-1979) в 1925 г.) и позволяла учитывать релятивистские эффекты.

    Дирак Поль Адриен Морис (08.08.1902-20.10.1984) – английский физик, член Лондонского королевского общества (1930). Работы в области квантовой механики, квантовой электродинамики, квантовой теории поля, теории элементарных частиц, теории гравитации. Разработал математический аппарат квантовой механики – теорию преобразований, предложил метод вторичного квантования. В 1927 применил принципы квантовой теории к электромагнитному полю и разработал первую модель квантованного поля. Предсказал тождественность вынужденного и первичного излучений, лежащую в основе квантовой электронике. В 1928 с В.Гейзенбергом открыл обменное взаимодействие.

    Построил  релятивистскую квантовую механику, предложив волновое уравнение, описывающее  движение электронов и удовлетворяющее  релятивистской инвариантности. Создал теорию дырок (1930), в 1931 предсказал существование  античастиц, рождение и аннигиляцию электронно-позитронных пар, постулировал эффект поляризации вакуума (1933). За создание квантовой механики в 1933 был награжден Нобелевской премией.

    Развивались и статистические методы описания поведения  квантовых объектов. В 1924-25 г.г. индийский физик Шатвендранат Бозе (1894-1974) и Эйнштейн создали новую квантовую статистику для фотонного газа, получив распределение Планка, а в 1926 г. почти одновременно Ферми и Дирак вывели с учетом запрета Паули вывели свою статистику для электронов.

    Ферми Энрико (29.09.1901-28.11.1954) - итальянский физик, член Национальной академии деи Линчеи (1935), многих академий наук и научных  обществ, иностранный член АН СССР (1929). В США учреждена премия его  имени, в его честь назван 100 химический элемент - фермий, его имя присвоено Чикагскому институту ядерных исследований.

    Работы  в области атомной и ядерной  физики, статистической механики, физики космических лучей, физики высоких  энергий, астрофизики, технической  физики. В 1926 разработал независимо от П.Дирака статистику частиц с полуцелым спином, в 1928 дал схему описания и расчета основного состояния многоэлектронных атомов (модель Томаса-Ферми). В 1929-30 разработал канонические правила квантования поля, в 1933-34 создал количественную теорию бета-распада, положив начало теории слабых взаимодействий. В 1934 открыл искусственную радиоактивность, обусловленную нейтронами, обнаружил и дал теорию явления замедления нейтронов (Нобелевская премия, 1938), высказал идею получения новых элементов при облучении урана нейтронами, в 1936 открыл селективное поглощение нейтронов. Все это положило начало нейтронной физике.

    В 1939 независимо от Ф.Жолио-Кюри, Л.Сцилларда  и других доказал, что при делении  урана под действием медленных  нейтронов излучаются 2-3 новых нейтрона и возможно осуществление цепной ядерной реакции. Построил первый ядерный реактор и 2 декабря 1942 впервые получил самоподдерживающуюся цепную реакцию.

    В 1949 разработал теорию происхождения  космических лучей, в 1950 - статистическую теорию множественного образования частиц (мезонов), в 1952 открыл адронный резонанс - изотопический квадруплет. Вместе с Ч.Янгом в 1949 предложил первую составную модель элементарных частиц (модель Ферми-Янга).

    Паули Вольфганг (25.04.1900-14.12.1958) - австрийско-швейцарский физик, член Швейцарского физического и ряда других научных обществ, медали Франклина, Планка.

    Высказал  в 1931 гипотезу о существовании нейтрино и описал в 1933 его основные свойства. Автор фундаментальных исследований по теории элементарных частиц и квантовых полей, мезонной теории ядерных сил. В 1940 доказал теорему о связи статистики и спина, в 1941 показал связь закона сохранения заряда с инвариантностью относительно калибровочных преобразований. В 1955 в окончательном виде сформулировал СРТ-теорему, отражающую симметрию элементарных частиц.

    Таким образом, в результате развития квантовой  теории появились две статистики: Бозе-Эйнштейна для бозонов (частиц с целым спином) и Ферми-Дирака для фермионов (с полуцелым спином).

    Для разрешения дилеммы волна-частица в 1927 г. Гейзенбергом был сформулирован принцип неопределенности, в соответствии с которым нельзя одновременно точно определить координату и импульс (или энергию состояния и время пребывания в нем частицы). Здесь встает принципиальный вопрос о возмущении, которое вносит прибор и метод измерения в определение физической характеристики объекта. Это вызвало большие философские споры о реальности физического мира и физических представлений о реальном мире. Частично возникшие противоречия снимаются принципом дополнительности Бора, по которому любой частице присущи и волновые, и корпускулярные свойства, они друг друга взаимоисключают и взаимодополняют. Эти дискуссии о дуализме волна-частица, детерминизм-неопределенность продолжаются в современной физике. 

    В начале 50-х годов 20 века произошло  крупное открытие в оптике: советские  физики Николай Геннадиевич Басов (1922-2001) и Александр Михайлович Прохоров (1916-2002), а также американский физик  Чарльз Хард Таунс (р.1915) обнаружили стимулированное  излучение в молекулярных системах (Нобелевская премия по физике, 1964), предсказанное в 1917 г. Эйнштейном при описании взаимодействия электромагнитного излучения с молекулами. Это послужило основой создания оптических квантовых генераторов, а в начале 60-х годов были сконструированы первые лазеры, которые во многом определили развитие современной оптики. Лазеры широко применяются в спектроскопии, голографии, оптоэлектронике, информационных технологиях, медицине и других областях науки и техники. 
 
 

Вопрос  № 3: «Подчеркните особенности волновой генетики». 

    Открытия  в квантовой механике оказали  воздействие и на другие области  естествознания, например, на биологию, в рамках которой была разработана  концепция волновой, или квантовой, генетики.

      Когда ученые  Дж. Уотсон, М. Уилкинс и Ф. Крик  получили Нобелевскую премию в 1962году за установление молекулы ДНК и её роли в передаче наследственной информации, то генетики были уверены в близком разрешении проблемы передачи генетической информации. Ставилась задача расшифровки генетического кода, т.е. последовательность нуклеотидов ДНК. Но после открытия структуры ДНК  и детального рассмотрения молекулы в передаче наследственных признаков основная проблема феномена жизни – механизмы её воспроизведения - осталась нераскрытой.

    А.А. Любищев в своем труде писал, что гены не являются ни частями  хромосом, ни молекулами автокаталитических ферментов, ни радикалами, ни физической структурой. Он считал, что ген нужно  признать, как потенциальную субстанцию.

    Развивая  эти идеи,  А. Г. Гурвич  утверждал, что в генетике «необходимо ввести понятие биологического поля, свойства которого формально заимствованы из физических представлений».   Именно в поле заключены формы, принимаемые эмбрионом в процессе развития.

    Идеи  А. А. Любищева и А. Г. Гурвича заключаются в следующем: 

1. гены дуалистичны  – они вещество и поле одновременно;
2. полевые элементы хромосом различают пространство  - время организма и тем самым управляют развитием биосистем;
3. гены обладают эстетически-образной и речевой регуляторными функциями.

      Эти идеи были недооценены,  вплоть до работы В. П. Казначеева, в которых были подтверждены  эксперементально предвидения ученых  о наличии полевых форм передачи  информации у живых организмов.  После его работ существование  волнового знакового канала между клетками биосистем не вызывало сомнений.

    Также китайский исследователь Цзян Каньчжен  провел серию суперэксперементов,  которые перекликались с теорией  А. А. Любищева и      А. Г. Гурвича. Он считал, что носителями полевой  геноинформации являются сверхчастотные электромагнитные излучения. Однако теоретически обосновать это не смог.

    Попытки теоретически обосновать эксперементальные  работы В. П. Казначеева и Цзян Каньчжен  взяли на себя российские ученые П. П. Горяев,  А. А. Березин, А. А. Васильев.  В рамках разработанной ими теории, получившей название волновой генетики, было выдвинуто, обосновано и эксперементально подтверждено несколько положений, которые расширили понимание феномена жизни и процессов, происходящих в живой материи.