Квантовая механика смогла за короткий период времени получить интенсивное развитии, а затем ученые обобщили ее до теории, которая детально описывает поведение микрообъектов в микромире. Это удалось сделать благодаря синтезу данной отрасли науки и созданию релятивистской квантовой механики.
Рисунок 1. Суть релятивистской и квантовой механики. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Релятивистская квантовая механика – обширный раздел теоретической физики, в котором изучаются удовлетворяющие требованиям относительности теории, а также квантовые законы движения электронов.
В начале 1927 года английский исследователь П. Дирак, рассматривая уравнение Шредингера, отметил его нерелятивистский характер. При этом механика квантов и дальше описывала предметы микромира, однако в тот период их было известно только три: протон, электрон и фотон. Было понятно, что все элементы движутся со скоростями, которые близки к скорости света, следовательно, более объективное описание их поведения требует использования специальной теории относительности.
Дирак составил новую формулу, которая описывала движение и взаимосвязь электрона с другими частицами, и учитывала все законы квантовой механики и теории относительности Эйнштейна.
В результате физик-теоретик получил уравнение для энергии электрона, которой удовлетворяли два решения:
- из одного решения вытекал известный электрон с положительной энергией;
- из другого — неизвестный электрон-двойник, однако обладающий отрицательной энергией.
Так и появилось более обширное представление о физических частицах и соответствующих им античастицах, об антимирах и мирах.
Релятивистские эффекты в квантовой механике
Рисунок 2. Фотон. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Релятивистские эффекты возможно сравнить с энергией покоя, хотя их элементы велики при энергиях частицы. При таких факторах может происходить зарождение виртуальных или реальных частиц, поэтому исследование одного объекта в общем случае неправомерно. Последовательное и детальное описание характеристик релятивистских квантовых частиц реально сделать только в рамках теории поля.
Вопрос о том, на самом ли деле пуст вакуум, возник после открытия Дирака. На сегодняшний день хорошо известны факты, которые доказывают, что указанное пространство пусто только в среднем. В нем систематически рождается и исчезает множество виртуальных частиц и античастиц. Само представление о вакууме как стабильной активности и содержащихся в нем веществ содержится в принципе неопределенности Гейзенберга, который имеет такое выражение: $ \Delta Е• \Delta t \geqslant h$.
Согласно этому, все квантовые эффекты могут на определенное время нарушать постулаты, связанные с сохранением энергии.
В течение непродолжительного периода времени $\Delta t$ энергия, взятая как бы «в аренду», может расходоваться на рождение других частиц, которые исчезают при возвращении «займа» этого энергетического потенциала. Это и есть виртуальные частицы.
Возникая из «пустоты», они вновь возвращаются в «ничто». Так что вакуум в физике считается не пустым, а представляет собой огромное количество рождающихся и тут же исчезающих всплесков.
Однако в конкретных задачах, в которых релятивистские эффекты более существенны, образование элементарных частиц возможно не учитывать и применять только волновые уравнения, которые описывают движение физического тела. Так ученые находят релятивистские поправки к атомным формулам энергии. Такой метод является логически незамкнутым, поэтому релятивистская квантовая механика не может существовать как последовательное учение в отличии от классической теории поля и нерелятивистской квантовой гипотезы.
Рисунок 3. Релятивистское сокращение размеров. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Релятивистская механика и в самом деле постепенно переходит в ньютоновскую при появлении малых скоростей, однако именно предположение, что теория Ньютона «ложна», привело некоторых естествоиспытателей на бессознательное перенесение изучаемого раздела физики в новую науку.
Релятивистская квантовая астрофизика
Релятивистская астрофизика - раздел астрофизики, в котором рассматриваются астрономические процессы и небесные тела в определенных условиях, для которых абсолютно неприменимы законы тяготения Ньютона и классическая механика.
К таким условиям ученые относят:
- скорость движения, которая близка к скорости света;
- чрезвычайно высокие значения плотности и давления энергии;
- гравитационный потенциал, приближенный к квадрату скорости света.
Первая работа, которая комплексно описала данные явления релятивистской механики, была представлена в 1916 году, когда исследователи теоретически рассматривали возможности гравитационного поля вокруг сильно сжатой массы. Это понимание сыграло большую роль в дальнейшем развитии релятивистского учения.
Сверхплотные и массивны звезды, масса которых сосредоточена внутри конкретной сферы с радиусом, обладают рядом универсальных свойств. Так, падающая к звезде элементарная частица при приближении к гравитационным линиям приобретает невероятную скорость, близкую к скорости света. Релятивистское замедление временного пространства становится бесконечным возле такого радиуса.
Далекий наблюдатель, у которого есть необходимый инструмент, смог бы увидеть, что вещество асимптотически приближается к гравитационной сфере, но не может рассмотреть, как частица пересекает это пространство, внутри которого энергия не действует. Таким образом была заложена база современной квантовой теории. С помощью специальных приборов, поднятых за границы атмосферы, были впервые открыты источники рентгеновского излучения, находящиеся в составе двойных звёзд.
Некоторые из этих открытий оказались нейтронными планетами с сильным магнитным полем, которое испускает направленные потоки световой энергии.
Излучение при этом выступает результатом перетекания газа с поверхности обычной звезды на территорию нейтронной звезды. Весомое место в релятивистской механике уделяется гамма-излучению, являющегося следствием взаимодействия протонов и тяжёлых ядер космических лучей с межзвездным элементом.
Сопровождающиеся возникновением нейтронных звезд взрывы и «чёрные дыры», приводящие к выбрасыванию космических лучей, также считаются предметом исследований этой отрасли в квантовой механике.
Применение релятивистской квантовой механики
Уже в течение столетия существования квантовой механики и ее предсказания никогда не были оспорены научно или же экспериментом.
Квантовая механика описывает, по крайней мере, три типа физических явлений, которые классическая электродинамика и теория не может объяснить:
- корпускулярно-волновой дуализм;
- квантования определенных физических величин;
- наличие смешанных квантовых состояний.
Квантовая релятивистская механика может быть представлена как нерелятивистская теория, которая также часто применяется в научной среде, учитывая удобство. Полный аппарат квантовой теории поля считается неполным для описания действия электромагнитных систем. Простой подход предлагает назвать заряженные частицы квантово-механическими предметами в классическом поле.
Релятивистская механика имела огромный успех в описании многих феноменов, наблюдаемых в окружающей среде. Поведение и взаимосвязь микроскопических частиц, создающих все формы материи протонов, электронов и нейтронов - может быть адекватно объяснена только посредством принципов квантовой механики. Более отдаленная цель данной сферы науки - создание квантовых компьютеров, которые в ближайшем будущем смогут реализовывать важные алгоритмы с большей эффективностью, чем классические компьютеры. Другая область активных исследований - квантовая телепортация, связанная с технологиями передачи определенных состояний на значительные расстояния.
Современные технологии и разработки уже достигли того масштаба, где квантовые эффекты становятся крайне важными. Яркими примерами являются транзисторы, лазеры, электронные мощные микроскопы, магнитно-резонансная томография, которые являются незаменимыми инструментами в современном мире.
