|
Электроны вращаются благодаря своим полям
|
|
|
|
Глубоко внутри всей материи во Вселенной гудят электроны и ведут себя так, как будто они вращаются вокруг своих осей, как волчки. Эти «вращающиеся» электроны имеют фундаментальное значение для квантовой физики и играют центральную роль в нашем понимании атомов и молекул. Другие субатомные частицы тоже вращаются, и изучение спина имеет технические применения в области химии, физики, медицины и компьютерной электроники.
|
|
|
|
Но многие физики скажут вам, что электроны на самом деле не вращаются — они просто ведут себя подобным образом. Например, у электронов есть угловой момент, то есть тенденция чего-то продолжать вращаться — например, движущегося колеса велосипеда или вращающегося конькобежца, — и поскольку они обладают этим свойством, можно сделать вывод, что они вращаются. Дальнейшее свидетельство исходит из того факта, что электроны действуют как маленькие магниты, а магнитные поля возникают из-за вращения заряженных тел.
|
|
|
|
Проблема с представлением о том, что электроны вращаются, заключается в том, что из-за их крошечного размера электроны должны вращаться быстрее скорости света, чтобы соответствовать наблюдаемым значениям углового момента. (Думайте об электроне как о вращающемся конькобежце со сложенными внутрь руками: чем меньше общий размер, тем быстрее он вращается.)
Чип Себенс, доцент кафедры философии Калифорнийского технологического института, хочет вернуться к чертежной доске и переосмыслить это понятие. Как философ физики, он хочет выяснить, что на самом деле происходит на самых глубоких уровнях природы.
|
|
|
|
|
|
|
«Философов обычно привлекают проблемы, которые долгое время оставались нерешенными, — объясняет Себенс. «В квантовой механике у нас есть способы предсказывать результаты экспериментов, которые очень хорошо работают для электронов и учитывают спин, но важные фундаментальные вопросы остаются без ответа: почему эти методы работают и что происходит внутри атома?» С этой целью Себенс привел аргументы в пользу того, почему, по его мнению, электроны и другие субатомные частицы на самом деле вращаются. Ответ связан с полями.
|
|
|
|
В природе существуют и частицы, и поля. Физики склонны думать, что поля более фундаментальны, чем частицы, но философы физики до сих пор спорят, какая сущность более фундаментальна. Например, свет можно описать как пучок фотонов или как волну в электромагнитном поле. Эта область науки называется квантовой теорией поля. Покойный Ричард Фейнман, физик Калифорнийского технологического института и лауреат Нобелевской премии, работал над аспектами этой теории, создав свои знаменитые диаграммы Фейнмана, которые отображают взаимодействие между частицами, такими как электроны и фотоны, косвенно описывая поля. «Квантовая теория поля — это лучшая физика, которая у нас есть, — говорит Себенс.
|
|
|
|
В нескольких исследованиях, в том числе в недавней статье в журнале Synthese, Себенс излагает, почему он считает, что электрон — это не частица размером с точку, которая просто ведет себя так, как будто она вращается, а, скорее, рассредоточенный сгусток заряда, который действительно вращается. Возвращаясь к аналогии с конькобежцем, электрон похож на конькобежца с раскинутыми в стороны руками. «В атоме электрон часто изображают в виде облака, показывающего, где его можно найти, но я думаю, что на самом деле электрон физически рассредоточен по этому облаку», — говорит Себенс.
|
|
|
|
Теперь, когда размеры электрона распределены, электрон стал достаточно большим, чтобы избежать проблемы, связанной с необходимостью двигаться быстрее скорости света. В этом случае, объясняет Себенс, есть два важных поля: электромагнитное поле, а также то, что известно как поле Дирака в честь физика Поля Дирака. «Точно так же, как электромагнитное поле описывает фотоны, поле Дирака описывает электроны и позитроны», — говорит он. Позитрон является античастицей электрона. Исследование является частью общих усилий Себенса, направленных на то, чтобы ответить на вопрос, состоит ли природа в основе из полей или частиц. В той же статье Synthese Себенс утверждает, что поля более фундаментальны по своей природе.
|
|
|
|
Часть его аргументов основана на вращении. Как упоминалось выше, полевой подход позволяет разобраться в путанице, возникающей с вращающимися электронами. Он также утверждает, что полевой подход помогает ответить на другой важный вопрос, касающийся электронов: как электроны реагируют на создаваемые ими электромагнитные поля? Если электрон представляет собой заряженный шарик размером с точку, создаваемое им поле бесконечно сильно в том месте, где находится электрон. Это означает, что поле не имеет определенного направления и, следовательно, не имеет определенных сил, что приводит к проблемам при расчете сил. Но если бы вместо этого электрон представлял собой протяженное поле заряда, силы, действующие на различные части электрона, были бы конечными и имели бы четко определенные направления.
|
|
|
|
«Это делает проблему самовоздействия менее серьезной», — пишет Себенс в эссе Aeon о фундаментальных строительных блоках природы. «Но это не решено. Если заряд электрона рассредоточен, почему различные части электрона не отталкиваются друг от друга, так что электрон быстро взрывается?»
|
|
|
|
Себенс решает эту проблему самоотталкивания в своих текущих исследованиях. Ответы на эту и другие проблемы, которые он исследует, могут в конечном итоге привести к новым и лучшим способам вычисления и измерения величин в квантовой физике. Работа может даже привести к новым способам ответа на постоянный вопрос в квантовой физике, называемый проблемой квантовых измерений. При измерении квантовой системы, такой как электрон в состоянии суперпозиции (в двух состояниях сразу), система будет коллапсировать и электрон примет то или иное состояние. Физики до сих пор спорят, почему это происходит. Исследование фундаментальных основ того, как работают частицы и поля, может помочь разрешить эту загадку.
|
|
|
|
Как пишет Себенс в эссе Aeon: «Иногда прогресс в физике требует сначала поддержки, чтобы пересмотреть, заново интерпретировать и пересмотреть теории, которые у нас уже есть. Для проведения такого рода исследований нам нужны ученые, которые сочетают роли физика и философа, как это было сделано тысячи лет назад в Древней Греции».
|
|
|
|
Источник
|
