24
Глава 1.
Развитие Специальной теории относительности применительно к гравитационному полю привело к созданию Общей теории относительности [7] или, как ее называют, теории тяготения. Эта теория была также создана Эйнштейном в 1915 г. без стимулирующей роли новых экспериментов, просто путем логического развития принципа относительности применительно к гравитационным взаимодействиям. В Общей теории относительности Эйнштейн по-новому интерпретировал установленный еще Галилеем факт равенства гравитационной и инертной масс. Это равенство, по мнению Эйнштейна, означает, что тяготение одинаковым образом искривляет пути всех тел, что и рассматривается как искривление самого пространства-времени. Метрика пространства-времени в Общей теории относительности описывается компонентами метрического тензора, эти компоненты являются потенциалами гравитационного поля, которое описывается нелинейными уравнениями Эйнштейна. Теория тяготения Эйнштейна привела к новым представлениям об эволюции Вселенной, расширению Вселенной, «Большому взрыву» и т. п.
В начале 20-го столетия возникла квантовая механика [8-10]. Толчком к ее созданию послужили три, казалось бы, не связанные между собой группы явлений, предположительно свидетельствующих о неприменимости обычной классической механики. Ими являются установление на опыте двойственной природы света (корпускулярноволновой дуализм), спектральные закономерности, открытые при изучении электромагнитного излучения атомами (излучение абсолютно черного тела), и невозможность объяснения устойчивости существования атома, структура которого была представлена планетарной моделью Резерфорда.
Суть корпускулярно-волнового дуализма света заключается в том, что в одних явлениях (интерференция, дифракция) свет ведет себя как волна, а в других (давление на препятствие) как частица. Но впервые квантовые представления были введены в физику Планком в 1900 г. Планк разрешил противоречия в теории электромагнитного излучения, предположив, что свет испускается определенными порциями и что энергия каждой такой порции - кванта пропорциональна частоте излучения, т. е.
Е = Ъо,
Структура и основные положения теоретической физики 25
где h - постоянная величина (постоянная Планка).
Противоречия планетарной модели атома разрешил Бор в 1913 г., выдвинувший постулат о стационарности атомных орбит. Чтобы не излучать энергию в пространство, электроны должны занимать каждый одну из «разрешенных» стационарных орбит. Тогда излучения не будет, и атом станет устойчивым.
Важнейшим положением в квантовой механике является представление о волновой функции, объединяющей ансамбль материальных точек, находящихся в силовом поле. Волновой функции приписывается смысл амплитуды вероятности, так что квадрат ее модуля есть плотность вероятности нахождения частицы в данном состоянии. При этом координаты и импульс каждой частицы взаимосвязаны в пределах принципа неопределенности Гейзенберга, согласно которому координаты и импульс, а также энергия и время не могут иметь точных значений.
В квантовой механике момент импульса, его проекция на выбранное направление, а также энергия при движении в ограниченной области пространства могут принимать лишь ряд дискретных значений. С помощью квантовой механики была построена теория атомов, теория химической связи, теория альфа-распада ядер, квантовая теория рассеяния, зонная теория твердого тела. Квантовая теория легла в основу теории квантовой электроники, приведшей к созданию квантовых генераторов - лазеров и мазеров. Таким образом, налицо полезность теории для решения некоторых прикладных задач.
Подобно тому, как на основе классических законов движения отдельных частиц была создана теория поведения большой их совокупности - классическая статистика, так на основе квантовых законов движения частиц была построена квантовая статистика. Квантовая статистика описывает поведение макроскопических объектов, поскольку считается, что классическая механика не применима для описания движения слагающих их частиц. А квантовые свойства микрообъектов отчетливо проявляются в свойствах макроскопических тел.
Математический аппарат квантовой механики существенно отличается от аппарата классической статистики, так как некоторые физические величины в квантовой механике могут принимать только дискретные значения. Однако само содержание статистической теории равновесных состояний не претерпело глубоких изменений. В
