В 1928 А. Зоммерфельд применил функцию распределения Ферми – Дирака для описания процессов переноса в металлах. Это разрешило ряд трудностей классической теории и создало основу для дальнейшего развития квантовой теории кинетических явлений (электро- и теплопроводности, термоэлектрических, гальваномагнитных и др. эффектов) в твёрдых телах, особенно в металлах и полупроводниках.
Согласно принципу Паули, энергия всей совокупности свободных электронов металла даже при абсолютном нуле отлична от нуля. В невозбуждённом состоянии все уровни энергии, начиная с нулевого и кончая некоторым максимальным уровнем (уровнем Ферми), оказываются занятыми электронами. Эта картина позволила Зоммерфельду объяснить малость вклада электронов в теплоёмкость металлов: при нагревании возбуждаются только электроны вблизи уровня Ферми.
В работах Ф. Блоха,Х. А. Бете и Л. Бриллюэна (1928–34) была разработана теория зонной энергетической структуры кристаллов, которая дала естественное объяснение различиям в электрических свойствах диэлектриков и металлов. Описанный подход, получивший название одноэлектронного приближения, имел дальнейшее развитие и широкое применение, особенно в Ф. полупроводников.
В 1928 Я. И. Френкель и Гейзенберг показали, что в основе ферромагнетизма лежит квантовое обменное взаимодействие (которое на примере атома гелия было в 1926 рассмотрено Гейзенбергом); в 1932–33 Л. Неель и независимо Л. Д. Ландау предсказали антиферромагнетизм.
Открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннесом (1911) и сверхтекучести жидкого гелия П. Л. Капицей (1938) стимулировали развитие новых методов в квантовой статистике. Феноменология. теория сверхтекучести была построена Ландау (1941); дальнейшим шагом явилась феноменология, теория сверхпроводимости Ландау и В. Л. Гинзбурга (1950).
В 50-х гг. были развиты новые мощные методы расчётов в статистической квантовой теории многочастичных систем, одним из наиболее ярких достижений которых явилось создание Дж. Бардином,Л. Купером,Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) микроскопической теории сверхпроводимости.
Попытки построения последовательной квантовой теории излучения света атомами привели к новому этапу развития квантовой теории – созданию квантовой электродинамики (Дирак, 1929).
Во 2-й четверти 20 в. происходило дальнейшее революционное преобразование Ф., связанное с познанием структуры атомного ядра и совершающихся в нём процессов и с созданием Ф. элементарных частиц. Упомянутое выше открытие Резерфордом атомного ядра было подготовлено открытием радиоактивности и радиоактивных превращений тяжёлых атомов ещё в конце 19 в. (А. Беккерель,П. и М. Кюри ) .В начале 20 в. были открыты изотопы.Первые попытки непосредственного исследования строения атомного ядра относятся к 1919, когда Резерфорд путём обстрела стабильных ядер азота a-частицами добился их искусственного превращения в ядра кислорода. Открытие нейтрона в 1932 Дж. Чедвиком привело к созданию современной протонно-нейтронной модели ядра (Д. Д. Иваненко,Гейзенберг). В 1934 супруги И. и Ф. Жолио-Кюри открыли искусственную радиоактивность.
Создание ускорителей заряженных частиц позволило изучать различные ядерные реакции. Важнейшим результатом этого этапа Ф. явилось открытие деления атомного ядра.
В 1939–45 была впервые освобождена ядерная энергия с помощью цепной реакции деления 235U и создана атомная бомба. Заслуга использования управляемой ядерной реакции деления 235U в мирных, промышленных целях принадлежит СССР. В 1954 в СССР была построена первая атомная электростанция (г. Обнинск). Позже рентабельные атомные электростанции были созданы во многих странах.
В 1952 была осуществлена реакция термоядерного синтеза (взорвано ядерное устройство), и в 1953 создана водородная бомба.
Одновременно с Ф. атомного ядра в 20 в. начала быстро развиваться Ф. элементарных частиц. Первые большие успехи в этой области связаны с исследованием космических лучей. Были открыты мюоны, пи-мезоны, К-мезоны,первые гипероны.После создания ускорителей заряженных частиц на высокие энергии началось планомерное изучение элементарных частиц, их свойств и взаимодействий; было экспериментально доказано существование двух типов нейтрино и открыто много новых элементарных частиц, в том числе крайне нестабильные частицы – резонансы,среднее время жизни которых составляет всего 10 -22–10 -24сек .Обнаруженная универсальная взаимопревращаемость элементарных частиц указывала на то, что эти частицы не элементарны в абсолютном смысле этого слова, а имеют сложную внутреннюю структуру, которую ещё предстоит открыть. Теория элементарных частиц и их взаимодействий (сильных, электромагнитных и слабых) составляет предмет квантовой теории поля – теории, ещё далёкой от завершения.
III. Фундаментальные теории физики
Классическая механика Ньютона.Фундаментальное значение для всей Ф. имело введение Ньютоном понятия состояния. Первоначально оно было сформулировано для простейшей механической системы – системы материальных точек.Именно для материальных точек непосредственно справедливы законы Ньютона. Во всех последующих физических теориях понятие состояния было одним из основных. Состояние механической системы полностью определяется координатами и импульсами всех образующих систему тел. Если известны силы взаимодействия тел, определяющие их ускорения, то по значениям координат и импульсов в начальный момент времени уравнения движения механики Ньютона (второй закон Ньютона) позволяют однозначно установить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени. Координаты и импульсы – основные величины в классической механике; зная их, можно вычислить значение любой др. механической величины: энергии, момента количества движения и др. Хотя позднее выяснилось, что ньютоновская механика имеет ограниченную область применения, она была и остаётся тем фундаментом, без которого построение всего здания современной Ф. было бы невозможным.
Механика сплошных сред.
Газы, жидкости и твёрдые тела в механике сплошных сред рассматриваются как непрерывные однородные среды. Вместо координат и импульсов частиц состояние системы однозначно характеризуется следующими функцияциями координат ( х, у, z) и времени ( t): плотностью р( х, у, z, t), давлением Р( х, у, z, t) и гидродинамической скоростью v( х, у, z, t), с которой переносится масса. Уравнения механики сплошных сред позволяют установить значения этих функций в любой последующий момент времени, если известны их значения в начальный момент и граничные условия.
Эйлера уравнение,связывающее скорость течения жидкости с давлением, вместе с неразрывности уравнением,выражающим сохранение вещества, позволяют решать любые задачи динамики идеальной жидкости. В гидродинамике вязкой жидкости учитывается действие сил трения и влияние теплопроводности, которые приводят к диссипации механической энергии, и механика сплошных сред перестаёт быть «чистой механикой»: становятся существенными тепловые процессы. Лишь после создания термодинамики была сформулирована полная система уравнений, описывающая механические процессы в реальных газообразных, жидких и твёрдых телах. Движение электропроводящих жидкостей и газов исследуется в магнитной гидродинамике.Колебания упругой среды и распространение в ней волн изучаются в акустике.
Термодинамика.
Всё содержание термодинамики является в основном следствием двух начал: первого начала – закона сохранения энергии, и второго начала, из которого следует необратимость макроскопических процессов. Эти начала позволяют ввести однозначные функции состояния: внутреннюю энергию и энтропию.В замкнутых системах внутренняя энергия остаётся неизменной, а энтропия сохраняется только при равновесных (обратимых) процессах. При необратимых процессах энтропия возрастает, и её рост наиболее полно отражает определённую направленность макроскопических процессов в природе. В термодинамике основными величинами, задающими состояние системы, – термодинамическими параметрами –являются в простейшем случае давление, объём и температура. Связь между ними даётся термическим уравнением состояния (а зависимость энергии от объёма и температуры – калорическим уравнением состояния). Простейшее термическое уравнение состояния – уравнение состояния идеального газа ( Клапейрона уравнение ).
В классической термодинамике изучают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно) процессы. Время не входит в основные уравнения. Впоследствии (начиная с 30-х гг. 20 в.) была создана термодинамика неравновесных процессов. В этой теории состояние определяется через плотность, давление, температуру, энтропию и др. величины (локальные термодинамические параметры), рассматриваемые как функции координат и времени. Для них записываются уравнения переноса массы, энергии, импульса, описывающие эволюцию состояния системы с течением времени (уравнения диффузии и теплопроводности, Навье – Стокса уравнения) .Эти уравнения выражают локальные (т. е. справедливые для данного бесконечно малого элемента объёма) законы сохранения указанных физ. величин.
Статистическая физика(статистическая механика).
В классической статистической механике вместо задания координат r i,и импульсов p iчастиц системы задаётся функция распределения частиц по координатам и импульсам, f( r i, p i,..., r N, p N, t) ,имеющая смысл плотности вероятности обнаружения наблюдаемых значений координат и импульсов в определённых малых интервалах в данный момент времени t( N –число частиц в системе). Функция распределения fудовлетворяет уравнению движения (уравнению Лиувилля), имеющему вид уравнения непрерывности в пространстве всех r, и p i(т. е. в фазовом пространстве ) .Уравнение Лиувилля однозначно определяет fв любой последующий момент времени по заданному её значению в начальный момент, если известна энергия взаимодействия между частицами системы. Функция распределения позволяет вычислить средние значения плотностей вещества, энергии, импульса и их потоков, а также отклонения их от средних значений – флуктуации.Уравнение, описывающее эволюцию функции распределения для газа, было впервые получено Больцманом (1872) и называлось кинетическим уравнением Больцмана .
Гиббс получил выражение для функции распределения произвольной системы, находящейся в равновесии с термостатом (каноническое Гиббса распределение ) .Эта функция распределения позволяет по известному выражению энергии как функции координат и импульсов частиц (функции Гамильтона) вычислить все потенциалы термодинамические,что является предметом статистической термодинамики.
Процессы, возникающие в системах, выведенных из состояния термодинамического равновесия, необратимы и изучаются в статистической теории неравновесных процессов (эта теория вместе с термодинамикой неравновесных процессов образует кинетику физическую ) .В принципе, если функция распределения известна, можно определить любые макроскопические величины, характеризующие систему в неравновесном состоянии, и проследить за их изменением в пространстве с течением времени.
Для вычисления физических величин, характеризующих систему (средние плотности числа частиц, энергии и импульса), не требуется знания полной функции распределения. Достаточно более простых функций распределения: одночастичных, дающих среднее число частиц с данными значениями координат и импульсов, и двухчастичных, определяющих взаимное влияние (корреляцию) двух частиц. Общий метод получения уравнений для таких функций был разработан (в 40-х гг. 20 в.) Боголюбовым, Борном, Г. Грином (англ. физик) и др. Уравнения для одночастичной функции распределения, построение которых возможно для газов малой плотности, называются кинетическими. К их числу относится кинетическое уравнение Больцмана. Разновидности уравнения Больцмана для ионизованного газа ( плазмы ) – кинетические уравнения Ландау и А. А. Власова (30–40-е гг. 20 в.).
В последние десятилетия всё большее значение приобретает исследование плазмы. В этой среде основную роль играют электромагнитные взаимодействия заряженных частиц, и лишь статистическая теория, как правило, способна дать ответ на различные вопросы, связанные с поведением плазмы. В частности, она позволяет исследовать устойчивость высокотемпературной плазмы во внешнем электромагнитном поле. Эта задача чрезвычайно актуальна в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза.
Электродинамика.
Состояние электромагнитного поля в теории Максвелла характеризуется двумя основными векторами: напряжённостью электрического поля Еи магнитной индукцией В,являющимися функциями координат и времени. Электромагнитные свойства вещества задаются тремя величинами: диэлектрической проницаемостью e, магнитной проницаемостью (и удельной электропроводностью s ,которые должны быть определены экспериментально. Для векторов Еи Ви связанных с ними вспомогательных векторов электрической индукции Dи напряжённости магнитного поля Нзаписывается система линейных дифференциальных уравнений с частными производными – Максвелла уравнения.Эти уравнения описывают эволюцию электромагнитного поля. По значениям характеристик поля в начальный момент времени внутри некоторого объёма и по граничным условиям на поверхности этого объёма можно найти Еи Вв любой последующий момент времени. Эти векторы определяют силу, действующую на заряженную частицу, движущуюся с определённой скоростью в электромагнитном поле ( Лоренца силу ) .
Основатель электронной теории Лоренц сформулировал уравнения, описывающие элементарные электромагнитные процессы. Эти уравнения, называемые Лоренца – Максвелла уравнениями,связывают движение отдельных заряженных частиц с создаваемым ими электромагнитным полем.
Опираясь на представления о дискретности электрических зарядов и уравнения для элементарных электромагнитных процессов, можно распространить методы статистической механики на электромагнитные процессы в веществе. Электронная теория позволила вскрыть физический смысл электромагнитных характеристик вещества e, m, s и дала возможность рассчитывать значения этих величин в зависимости от частоты, температуры, давления и т.д.
Частная (специальная) теория относительности. Релятивистская механика.
В основе частной теории относительности – физической теории о пространстве и времени при отсутствии полей тяготения – лежат два постулата: принцип относительности и независимость скорости света от движения источника. Согласно принципу относительности Эйнштейна, любые физические явления – механические, оптические, тепловые и т.д. – во всех инерциальных системах отсчёта при одинаковых условиях протекают одинаково. Это означает, что равномерное и прямолинейное движение системы не влияет на ход процессов в ней. Все инерциальные системы отсчёта равноправны (не существует выделенной, «абсолютно покоящейся» системы отсчёта, как не существует абсолютных пространства и времени). Поэтому скорость света в вакууме во всех инерциальных системах отсчёта одинакова. Из этих двух постулатов вытекают преобразования координат и времени при переходе от одной инерциальной системы к другой – Лоренца преобразования. Из преобразований Лоренца получаются основные эффекты частной теории относительности: существование предельной скорости, совпадающей со скоростью света в вакууме
с(любое тело не может двигаться со скоростью, превышающей
с,и
сявляется максимальной скоростью передачи любых взаимодействий); относительность одновременности (события, одновременные в одной инерциальной системе отсчёта, в общем случае не одновременны в другой); замедление течения времени и сокращение продольных – в направлении движения – размеров тела (все физические процессы в теле, движущемся со скоростью
vотносительно некоторой инерциальной системы отсчёта, протекают в
раз медленнее, чем те же процессы в данной инерциальной системе, и во столько же раз уменьшаются продольные размеры тела). Из равноправия всех инерциальных систем отсчёта следует, что эффекты замедления времени и сокращения размеров тел являются не абсолютными, а относительными, зависящими от системы отсчёта.
Законы механики Ньютона перестают быть справедливыми при больших (сравнимых со скоростью света) скоростях движения. Сразу же после создания теории относительности были найдены релятивистские уравнения движения, обобщающие уравнения движения механики Ньютона. Эти уравнения пригодны для описания движения частиц со скоростями, близкими к скорости света. Исключительно важное значение для Ф. получили два следствия релятивистской механики: зависимость массы частицы от скорости и универсальная связь между энергией и массой (см. Относительности теория ) .
При больших скоростях движения любая физическая теория должна удовлетворять требованиям теории относительности, т. е. быть релятивистски-инвариантной. Законы теории относительности определяют преобразования при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой не только координат и времени, но и любой физической величины. Эта теория вытекает из принципов инвариантности, или симметрии в Ф. (см. Симметрия в физике).
Общая теория относительности(теория тяготения). Из четырёх типов фундаментальных взаимодействий – гравитационных, электромагнитных, сильных и слабых – первыми были открыты гравитационные взаимодействия, или силы тяготения. На протяжении более двухсот лет никаких изменений в основы теории гравитации, сформулированной Ньютоном, внесено не было. Почти все следствия теории находились в полном согласии с опытом.
Во 2-м десятилетии 20 в. классическая теория тяготения была революционным образом преобразована Эйнштейном. Теория тяготения Эйнштейна, в отличие от всех прочих теорий, была создана без стимулирующей роли новых экспериментов, путём логического развития принципа относительности применительно к гравитационным взаимодействиям, и получила название общей теории относительности. Эйнштейн по-новому интерпретировал установленный ещё Галилеем факт равенства гравитационной и инертной масс (см. Масса ) .Это равенство означает, что тяготение одинаковым образом искривляет пути всех тел. Поэтому тяготение можно рассматривать как искривление самого пространства-времени. Теория Эйнштейна вскрыла глубокую связь между геометрией пространства-времени и распределением и движением масс. Компоненты т. н. метрического тензора, характеризующие метрику пространства-времени,одновременно являются потенциалами гравитационного поля, т. е. определяют состояние гравитационного поля. Гравитационное поле описывается нелинейными уравнениями Эйнштейна. В приближении слабых полей из них вытекает существование гравитационных волн, пока не обнаруженных экспериментально (см. Гравитационное излучение ) .
Гравитационные силы – самые слабые из фундаментальных сил в природе. Для протонов они примерно в 10 36раз слабее электромагнитных. В современной теории элементарных частиц гравитационные силы не учитываются, т.к. полагают, что они не играют заметной роли. Роль гравитационных сил становится решающей при взаимодействиях тел космических размеров; они определяют также структуру и эволюцию Вселенной.
Теория тяготения Эйнштейна привела к новым представлениям об эволюции Вселенной. В середине 20-х гг. А. А. Фридман нашёл нестационарное решение уравнений гравитационного поля, соответствующее расширяющейся Вселенной. Этот вывод был подтвержден наблюдениями Э. Хаббла,открывшего закон красного смещения для галактик (означающий, что расстояния между любыми галактиками увеличиваются с течением времени). Др. пример предсказания теории – возможность неограниченного сжатия звёзд достаточно большой массы (больше 2–3 солнечных масс) с образованием т. н. «чёрных дыр».Имеются определённые указания (наблюдения за двойными звёздами – дискретными источниками рентгеновских лучей) на существование подобных объектов.
Общая теория относительности, как н квантовая механика, – великие теории 20 в. Все предшествующие теории, включая специальную теорию относительности, обычно относят к классической Ф. (иногда классической Ф. называют всю неквантовую Ф.).
Квантовая механика.
Состояние микрообъекта в квантовой механике характеризуется волновой функцией y. Волновая функция имеет статистический смысл (Борн, 1926): она представляет собой амплитуду вероятности, т. е. квадрат её модуля, кyк 2, есть плотность вероятности нахождения частицы в данном состоянии. В координатном представлении y = y( х, у, z, t) и величина кyк 2D xD yD zопределяет вероятность того, что координаты частицы в момент времени tлежат внутри малого объёма D xD yD zоколо точки с координатами х, у, z.Эволюция состояния квантовой системы однозначно определяется с помощью Шрёдингера уравнения.
Волновая функция даёт полную характеристику состояния. Зная y, можно вычислить вероятность определённого значения любой относящейся к частице (или системе частиц) физические величины и средние значения всех этих физических величин. Статистические распределения по координатам и импульсам не являются независимыми, из чего следует, что координата и импульс частицы не могут иметь одновременно точных значений (принцип неопределённости Гейзенберга); их разбросы связаны неопределённостей соотношением.Соотношение неопределённостей имеет место также для энергии и времени.
В квантовой механике момент импульса, его проекция, а также энергия при движении в ограниченной области пространства могут принимать лишь ряд дискретных значений. Возможные значения физических величин являются собственными значениями операторов, которые в квантовой механике ставятся в соответствие каждой физической величине. Физическая величина принимает определённое значение с вероятностью, равной единице, лишь в том случае, если система находится в состоянии, изображаемом собственной функцией соответствующего оператора.
Квантовая механика Шрёдингера – Гейзенберга не удовлетворяет требованиям теории относительности, т. е. является нерелятивистской. Она применима для описания движения элементарных частиц и слагающих их систем со скоростями, много меньшими скорости света.
С помощью квантовой механики была построена теория атомов, объяснена химическая связь,в том числе понята природа ковалентной химической связи; при этом было открыто существование специфического обменного взаимодействия – чисто квантового эффекта, не имеющего аналога в классической Ф. Обменная энергия играет главную роль в образовании ковалентной связи как в молекулах, так и в кристаллах, а также в явлениях ферромагнетизма и антиферромагнетизма. Эта энергия имеет важное значение во внутриядерных взаимодействиях.
Такие ядерные процессы, как a-распад, удалось объяснить только с помощью квантового эффекта прохождения частиц сквозь потенциальный барьер (см. Туннельный эффект ) .
Была построена квантовая теория рассеяния (см. Рассеяние микрочастиц ) ,приводящая к существенно другим результатам, чем классическая теория рассеяния. В частности, оказалось, что при столкновениях медленных нейтронов с ядрами поперечное сечение взаимодействия в сотни раз превышает поперечные размеры сталкивающихся частиц. Это имеет исключительно важное значение для ядерной энергетики.
На основе квантовой механики была построена зонная теория твёрдого тела.
Из квантовой теории вынужденного излучения,созданной Эйнштейном ещё в 1917, в 50-х гг. возник новый раздел радиофизики: были осуществлены генерация и усиление электромагнитных волн с помощью квантовых систем. Н. Г. Басов,А. М. Прохоров и независимо Ч. Таунс создали микроволновой квантовый генератор (мазер), в котором использовалось вынужденное излучение возбуждённых молекул. В 60-х гг. был создан лазер – квантовый генератор электромагнитных волн в видимом диапазоне длин волн (см. Квантовая электроника ) .
Квантовая статистика.
Подобно тому, как на основе классических законов движения отдельных частиц была построена теория поведения большой их совокупности – классическая статистика, на основе квантовых законов движения частиц была построена квантовая статистика. Последняя описывает поведение макроскопических объектов в том случае, когда классическая механика неприменима для описания движения слагающих их частиц. В этом случае квантовые свойства микрообъектов отчётливо проявляются в свойствах макроскопических тел.