§1 Классикалық теориялық физика
жүктеу/скачать 1,76 Mb.
|
Кванттық механика (лекция)
- Бұл бет үшін навигация:
- §1 Классикалық теориялық физика
|
1 – Тарау КВАНТТЫҚ
БАСТАУЛАРЫ Бұл тарауда табиғатты зерттейтін жаратылыстану ғылымдарының негізі больп табылатын физика ғылымының тарихынан сыр шертіліп, оның XIX ғасырдың екінші жартысындағы даму барысына жан-жақты шолу жасалынады. Әсіресе, осы кезеңдегі классикалық физиканың қол жеткізген жетістіктері кеңінен әңгімеленеді. Ғылымның бұдан арғы даму барысында жаңа тәжірибелік деректер жинақталып, осы деректерге теориялық тұрғыдан түсінік берер кездегі классикалық физиканың тірелген қиыншылықтары талданады, осы қиышылыктардың түйінін табу жолындагы ұсынылған жаңа кванттық идеялардың мәнісі түсіндіріледі. Негізінен, бұл тарауда баяндалатынмәселелер физика ғылымыныңтағлымы мол даму тарихынан хабардар болып,классикалық және кванттық теориялардың ара қатынасы мен қолдану аясынанық аңғару үшін кажет-ақ. §1 Классикалық теориялық физика XIX ғасырдың екінші жартысында жаратылыстану ғылымдарының дамуы зор қарқынға ие болды. Ғалымдар осы кезеңде қоршаған дүниедегі өтетін сан алуан құбылыстарды зерттеуде және осы құбылыстардың өзара терең байланыстарын түсінуде елеулі ғылыми жетістіктерге қолжеткізген болатын. Олардың ең маңыздылары ағылшынның ғұлама ғалымдары И.Ньютон мен Дж.Максвеллдің зерттеулерімен, осы ғалымдар ашып, қалыптастырған классикалық механика мен классикалық электродинамиканың іргелі заңдарымен тікелей байланысты еді. Осы заңдар бұл күндері физиканың классикалық теориялық физика деп аталатын үлкен бөлімінің негізін құрайды. Классикалық теориялық физиканың, әсіресе, оның ішінде Ньютон механикасының табыстары орасан зор болатын. Бұл теорияның тартылыс пен қозғалыстың сырларына терең бойлағаны соншалық, оның негізінде жүргізілген теориялық есептеулер Күн жүйесінде сол кезге дейін белгісіз болып келген жаңа бір планетаның бар екеніне мегзеп, оның кеңістіктегі орнын дәл анықтауга мүмкіндік берді. Кейіннен астрономдар осы есептеулерге сүйене отырып бұл планетаны тауып, оны Нептун деп атады. Ньютон механикасының мұндай жеңісті қадамдары тек макроскопиялық денелердің қозғалысы зерттеумен ғана шектеліп қалган жоқ. Заттардың атомдық құрылымы жөнінде болжам ұсынылған кезде ол бұл мәселеге қатысты да кеңінен қолданыс тапты. Оның мәнісі мынада еді. Әрине, әр түрлі заттардың тәжірибе жүзінде тікелей бақылауга болатын макроскопиялыққасиеттері оларды құрайтын жекелеген белшектердің, яғни зат атомдары мен молекулаларының қасиеттерімен қандай да бір жолмен байланысқандығы белгілі. Дегенмен де, бұл байланыстың сырын ашу оңай мәселе емес. Яғни заттың жекелеген белшектерінің қозғалыстарын қарастыра отырып, оның негізінде осы заттың макроскопиялық қасиетін анықтау іс жүзінде мүмкін бола бермейді. Оның басты себебі макроскопиялық денелер өте көп белшектерден құралып, ол бөлшектер бір-бірімен бей-берекет әрекеттесетіндіктен, мұндай жүйенің еркіндік дәрежесінің орасан үлкен болатындығында. Ал мұндай жүйе үшін бір-бірімен байланысқан қозғалыс теңдеулерінің жүйесін жазып, оларды сандық әдіспен шешу бүгінгі күннің электронды есептегіш машинелерінің мумкіндіктерінің шегінен тысқары жатыр. Бірақ, табиғат бізден бір сырын тереңге жасырғанымен, өзін бізге басқа бір қырынан тануға мүмкіндік бергендей. Шындығында, бір жағынан, белшектер санының көбеюі олар үшін қозгалыс теңдеулерін жазып, шешуді қиындатса, екінші жағынан, бұл көбею аз болшектер үшін байқалмай, тек орасан көп бөлшектер үшін ғана байқалатын жаңа салалық заңдылықтардың - статистикалық зандылыктардың жүзеге асуына жол ашады екен. Статистикалық заңдылықтардың түйіні де сол бұрынғы «материалдық денелердің тәжірибеден байқалатын макроскопиялық қасиеттерін оларды құрайтын жеке белшектердің қозғалысы арқылы түсіндіруге бола ма?» деген сұраққа келіп саяды. Бірақ, бұл жердегі оның оң жауабы өзгеше. Ол мынадай: заттардың тәжірибеде өлшеуге болатын макроскопиялық параметрлері қозғалысты сипаттайтыншамалардың жекелеген молукулаларға арналған мәндеі арқылы емес, керісінше, осы заттың барлық молекулаларыныңкүйінескеретін физикалық шамалардың орташа мәндері арқылы анықталады. Яғни, макроскопиялық параметрлерді табу үшін осындай динамикалық шамалардың орташа мәндерінесептей білуіміз керек. Макроскопиялық жүйелерге статистикалықәдісті қолдану жөніндегі осы бағдарлама ғылымның бұдан арғы даму барысында дәл сол айтылған мағынада толығымен жүзеге асты. Міне, осылай ғылымның жаңа саласы - статистикалықмеханика пайда болды. Ал бұдан сәл кейінірек калыптасып дамыған газдардың кинетикалық теориясы мен статистикалық термодинамика бұл теорияның негізгі кағидаларын сапалық және сандық тұрғыдан тексеріп, оның дұрыстығына толығымен көз жеткізуге мүмкіндік берді. Жоғарыдағы айтылган мағлұматтардың дені негізінен зат құрылысына қатысты маселелер. Сонымен қатар, бұл кезде жарыктың касиеті жөніндегі түсінік те айқындалган еді. «Жарық табиғаты қалай? Ол корпускула ма, жоқ әлде толқын ба?» деген ескіден келе жатқан талас бұл кезде тәжірибеден байқалатынбарлық дифракциялық және интерференциялыққұбылыстардыгеометриялық оптиканы негізгі заңдарымен қоса түсіндіруініңнәтижесінде біржолата толқындық теорияның пайдасына шешілгенболатын. Осы кезеңде толқындық теорияның дамуымен қатар электрлік жане магниттік құбылыстарды зерттеу де зор карқын алган еді. Мұндағы маңызды жетістік Максвелл ұсынған электромагниттік теорияның негізгі теңдеулерімен байланысты болатын. Осы теңдеулерге суйене отырып, Максвелл электромагниттік толкындардың болатыны жөнінде болжам айтты. Көп уақыт өтпей-ақ бұл болжам Герц тәжірибелерінде айқын дәлелденді. Бұдан арғы зерттеулердің нәтижесінде жарықтың өзі де белгілі бір толқын ұзындығындағы электромагниттік толқындар екені аныкталды. Ғылымның дамуы барысында оптика мен электр туралы ілім осылайша бірігіп, бір арнаға түсті. Жоғарыдағы деректерден көрініп тұрғандай, XIX ғасырдың аяғындағы классикалық физика жетістіктері адам таң қаларлықтай еді. Бұл жетістіктер бізді қоршаған дүниедегі барлық белгілі құбылыстарды тек осы классикалық теориялардың ауқымында-ақ түсіндіруге болады деп ойлауга негіз бергендей болатын. Ғалымдар осылай ойлады да. Ал енді мұндай түсіндіру болмаған кезде, ол математикалық есептеулердің киыншылықтарымен байланысты деп есептелетін. Бірақ, ең маңыздысы, теорияның негізгі тендеулерінің дұрыстығына ешбір күмән болмайтын. Шындығында жағдай осындай ма еді? Аса көрнекті ғалым лорд Кельвин ХХ ғасырдың табалдырығынан аттайын деп турып, Балтимор университетінде оқыған дәрістерінің бірінде ХІХ ғасырдағы физиканың даму жолын қорытындылай келіп, «физика дегеніміз толық даму гармониясына жеткен, негізінен анықталған ғылым жүйесі.Тек оның ашық аспанына қылау түсіріп тұрган кішкене ғана екі бұлт бар, ол -Майкельсон тәжірибесінің теріс нәтижесі және шымқай қара дененің сәуле шығаруы жөніндегі мәселе» деген еді. Бұл сөзінде көпті көрген данышпан ғалым классикалық физиканың ең осал жерлерін тап басып, қадап айткан болатын. Физиканың бұдан арғы дамуы барысында шешілмеген дәл осы екі маселеден казіргі заман физикасының ең күшті теориялары – Эйнштейннің салыстырмалылық теориясы мен кванттық теория бастау алды. XX ғасырдың қарсаңында физиканың қарқындай дамуының нәтижесінде жаңа ғылыми деректер жинақталабастады. Физикалық құбылыстарды зерттейтін құралдардың дамып,жетілуімен байланысты бізді қоршаған дүниенің сырларына тереңірек үңілу мүмкіндіктері туды. 1897 жылы сиретілген газдардағы электр разрядтарын зерттеу барысындаДж.Дж. Томсон алғашкы элементар бөлшек электронды ашты. Бұған дейін тек ыңғайлы болжам ретінде кабылданып келген «барлық заттар атомдардан және молекулалардан тұрады» деген ұғым броундық қозғалыс деп аталатын сұйық емес газдарда жүзіп жүрген ұсақ белшектердің қозғалысын зерттеудің және түсіндірудің нәтижесінде қолға ұстатқандай шындыққа айналды. Эйнштейн және Смолуховский 1905 жылы бұл ұсақ бөлшектердің қозғалысы оларды қоршаған ортаның молекулаларын осы бөлшектермен бей-берекет, әрі үздіксіз болатын соқтығысуларының салдары екенін нақтылы есептеулер арқылы дәлелдеп берді. Міне, осыдан кейін барып барлық заттардың атомдардан тұратындығына деген күмән біржолата сейілді. Бұл кезде тәжірибе жасау құралдары мен әдістерінің дамығаны соншалықты, енді макроскопиялық денелерді ғана емес, тіпті жекелеген атомдар мен молекулаларды зерттеу мүмкіндіктерітуды. 1910 жылы Милликен электронның элементар зарядын өлшесе, 1912 жылы Вильсон өзі ойлап тапқан камерада алғаш рет зарядталған бөлшектердіңжүріп өткеп ізін байқады. 1896 жылы радиоактивтілік құбылысы ашылды. Бұл құбылыс материя құрылымының жаңа деңгейі - атом ядросы қасиетінің алғашқы көрінуі еді. Радиоактивті ыдырау кезінде пайда болатын шапшаң альфа-бөлшектер атом құрылысын зерттеудің тамаша құралынаайналды. Осы альфа-бөлшектердің әр түрлі нысаналардан шашырауын зерттеудің барысында Резерфорд 1911 жылы атомның планетарлық моделін ұсынды. Заттардың құрылысына қатысты зерттеулермен қатар, электромагниттік толқындардың қасиеттерін зерттеу бағытындағы ізденістер де жемістіболды. 1895 жылы Рентген кейіннен өз атымен аталған өте өткір сәулелерді ашқан болатын. Бұл сәулелердің кристалдық торлардан дифракциялануын зерттеубарысында 1912 жылы фон Лауэ оның толқын ұзындықтары өте қысқа электромагниттік толқындар екенін дәлелдеп берді. Спектрлік талдау әдісінің дамуының нәтижесінде заттардың өзінен сәуле шығаруы, шағылдыруы және жұтуы жөнінде де өте көп тәжірибелік деректер жинақталады. Осы жинақталған тәжірибе нәтижелеріне теориялық тұрғыдан түсінік берер кезде алғашрет классикалық теориялық физика қиыншылыққа жолығып, тығырыққа тірелді. Енді осы жөнінде кеңірек әңгімелелік. жүктеу/скачать 1,76 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|