АННОТАЦИЯ
Энциклопедия «Физика микромира» посвящена квантовой физике, в особенности её наиболее бурно развивающейся части —физике элементарных частиц. Читатель вводится в круг современных представлений о строении материи и законов её движения, книга даёт картину состояния физики микромира на 1979 г. и перспективы её развития.
Книга рассчитана на студентов вузов, учителей физики средней школы и техникумов, а также специалистов в областях смежных с физикой наук.
**
ПРЕДИСЛОВИЕ
Эта книга — маленькая энциклопедия, посвящённая основам квантовой физики. Процесс формирования и быстрого разпития возникших на рубеже 19 и 20 веков квантовых представлений о природе материи в конце первой четверти нашего столетия ознаменовался созданием квантовой механики, а к середине века привёл к формулировке релятивистской теории элементарных частиц квантовой теории поля, образующей фундамент всех физических воззрений на природу микрочастиц, их строение, свойства, взаимодействия и взаимные превращения. Квантовая теория открыла путь к пониманию процессов, происходящих в микромире — мире молекул, атомов, атомных ядер, элементарных частиц. Поскольку же свойства макроскопических тел обусловлены движением и взаимодействием слагающих их микрочастиц, квантовые законы позволяют объяснить и большинство явлений макромира.
Практически вся современная физика — квантовая. Однако ограниченный объём маленькой энциклопедии позволил осветить здесь лишь главное: квантовую механику (в основном атома) и физику элементарных частиц. Такие важные физические системы, как атомное ядро, молекула, твёрдое тело, рассмотрены лишь в отдельных больших статьях, иллюстрирующих применение к ним квантовой теории.
Бурное развитие физики элементарных частиц началось в 50-е годы в результате быстрого прогресса ускорительной техники. За истекшее время был накоплен огромный экспериментальный материал, причём темпы получения новой информации значительно опережали её осмысление. Перелом наметился лишь к концу 60-х годов. Успехи теории «внутренних» симметрий элементарных частиц и кварковой модели строения адронов, создание теории калибровочных нолей позволили теоретикам «вырваться вперёд». На основе гипотезы об «очарованном» кварке и связанном с ним особом квантовом числе были предсказаны существование и характеристики новых тяжёлых частиц, часть из которых уже открыта. Единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий количественно объясняет практически все опытные данные но процессам, обусловленным этими взаимодействиями, и предсказывает существование «переносчиков» слабого взаимодействия — гипотетических промежуточных векторных бозонов. Ближайшие годы несомненно ознаменуются новыми достижениями на самом «переднем крае» физики — физике элементарных частиц.
Энциклопедия открывается обзорными статьями, в которых изложены ведущие квантовые теории,— «Квантовая механика», «Квантовая статистика» (включая её классические основы), «Квантовая теория поля». За обзорными статьями следуют в алфавитном порядке около 300 статей об отдельных понятиях, явлениях, физических объектах, фундаментальных взаимодействиях, а также некоторых направлениях развития квантовой теории. Каждая большая статья является самостоятельной, «замкнутой», не требующей обязательного обращения к другим статьям энциклопедии. Это привело к некоторому «перерытию» материала, хотя мы стремились но возможности ограничить повторения. Книга содержит также статьи «Ускорители», «Детекторы», «Спектроскопия», в которых описываются экспериментальные методы получения частиц высоких энергий, их регистрации и определения некоторых характеристик.
К большинству статей дана библиография. Если библиография не указана, она, как правило, приводится в соответствующих обзорных статьях. К некоторым статьям, содержащим новый материал, доступной литературы ещё нет. Маленькая энциклопедия «Физика микромира» не претендует на исчерпывающее изложение предмета. Целью её является, с одной стороны, осветить развитие идей, приведшее к осознанию непригодности классической физики для описания поведения микрообъектов и к созданию в конечном итоге квантовой механики и квантовой теории ноля (этим обусловлено подробное изложение таких явлений, как фотоэффект, эффекты Зеемана и Комптона, дифракция частиц, аннигиляция и рождение пар и др., которые способствовали становлению квантовой теории.и её утверждению), с другой — ввести читателя в круг современных представлений о строении материн и законах её движения, в круг новых идей и проблем в области физики высоких энергий — физики элементарных частиц. Книга в целом даёт картину состояния физики микромира на 1979 г. и перспективы сё развития.
Успехи квантовой физики сыграли важнейшую роль в научно-технической революции. Полупроводниковая электроника, квантовая электроника, ядерная энергетика, даже возможность осуществления в земных условиях реакции термоядерного синтеза связаны в конечном итоге с квантовыми законами. Дальнейшее развитие квантовой физики и её новые открытия приблизят нас к пониманию единства мира, к построению единой физической картины мира, контуры которой вырисовываются всё отчётливее.
Энциклопедия предназначена для широкого круга читателей: студентов вузов, учителей физики средней школы и техникумов, специалистов в областях смежных с физикой наук и всех лиц со средним образованием, интересующихся современной физикой. Хотя она рассчитана на использование в справочных целях, можно порекомендовать читателю ознакомиться в первую очередь с обзорными статьями.
В составлении книги принимал участие большой коллектив физиков — сотрудников Физического института АН СССР им. II. Н. Лебедева, Объединённого института ядерных исследований, Института физики высоких энергий, Института теоретической и экспериментальной физики, Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова, Института ядерных исследований АН СССР, Института физических проблем АП СССР им. С. И. Вавилова, Математического института АН СССР им. В. А. Стеклова и др.
Редколлегия.
***
ОБЗОРНЫЕ СТАТЬИ
Квантовая механика 8
1. Представления о материи в классической физике 8
2. Возникновение идеи квантования 9
3. Корпускулярно-волновой дуализм излучения 11
4. Атом и квантование 11
5. Гипотеза де Бройля 13
6. Принцип неопределённости .... 14
7. Физическое истолкование волн де Бройля 16
8. Принцип суперпозиции 17
9. Описание состояния системы в квантовой теории 19
10. Операторы физических величин . . 19
11. Переставимые (коммутирующие) и непереставимые(некоммутирующие) операторы 22
12. Уравнение Шрёдингера 23
13. Взаимосвязь между классической и квантовой механикой 25
14. Туннельный эффект 25
15. Частица в потенциальной яме с бесконечно высокими стенками . . . . 27
16. Линейный гармонический осциллятор 29
17. Квантование момента импульс а . . 31
18. Атом водорода 32
19. Теория рассеяния 35
20. Спин 36
21. Уравнение Шрёдингера для системы частиц 38
22. Принцип тождественности одинаковых частиц 39
23. Принцип Паули 40
24. Чётность 41
25. Обменное взаимодействие. Молекула водорода 42
26. Движение частицы в периодическом поле 45
27. Теория относительности и квантовая механика 45
28. Границы применимости квантовой механики ..... 46
Квантовая статистика 47
I. Термодинамическое описание макроскопических процессов ... 47
II. Основные принципы классической статистической физики .... 49
III. Квантовая статистика 61
IV. Квантовая теория неравновесных процессов 76
Квантовая теория поля 79
I. Материя в классической и в квантовой теории 79
1. Частицы и поля в классической теории 79
2. Кванты электромагнитного поля 79
3. Корпускулярно-волновой дуализм 80
4. Квантовая теория поля как обобщение квантовой механики ... 80
5. Квантовая теория поля и релятивизм ... 82
II. Основные представления и методы квантовой теории поля 82
1. Вакуумное состояние 82
2. Представление чисел заполнения. Вторичное квантование 83
3. Связь спина со статистикой . . 84
4. Кванты — переносчики взаимодействия 85
III. Теория возмущений и перенормировки 87
1. Графический метод описания про¬цессов (диаграммы Фейнмана) 87
2. Взаимодействие частицы с вакуумом. Квантовая электродинамика 89
3. Перенормировка массы и заряда 90
4. Некоторые наблюдаемые вакуумные эффекты 91
5. Трудности теории возмущений 93
IV. Дальнейшее развитие квантовой теории поля 95
1. Ренормализационная группа . . 95
2. Аксиоматический подход .... 97
3. Дисперсионные соотношения 93
4. Процессы с большой передачей импульса и партоны 98
5. Квантовая хромодинамика и асимптотическая свобода 100
V. Калибровочная симметрия и объединительные тенденции
1. Классы частиц и типы взаимодействий 103
2. Калибровочная симметрия и калибровочные поля 104
3. Спонтанное нарушение симметрии. Объединение взаимодействий. Суперсимметрия 105
