ארונוב ר.א., שמיאקינסקי ו.מ. שתי גישות לבעיית הקשר בין גיאומטריה לפיזיקה // פילוסופיה של המדע. כרך א. 7: היווצרות פרדיגמה מודרנית של מדעי הטבע - M.: , 2001

בפיזיקה המודרנית, הדעה הרווחת באה לידי ביטוי בצורה הברורה ביותר על ידי וו. הייזנברג במאמר "פיתוח מושגים בפיזיקה של המאה העשרים": גישתו של איינשטיין לבעיית הקשר בין גיאומטריה לפיזיקה "הערכת יתר על המידה את היכולות של הגיאומטרי. נקודת מבט. המבנה הגרגירי של החומר הוא תוצאה של תורת הקוונטים, לא של גיאומטריה; תורת הקוונטים נוגעת לתכונה בסיסית מאוד של תיאור הטבע שלנו, שלא נכללה בגיאומטריזציה של איינשטיין של שדות כוח."

כמובן, אפשר להתווכח אם גישתו של איינשטיין הפריזה באפשרויות נקודת המבט הגיאומטרית או לא הפריזה בה. אבל נראה בטוח שההצהרה של הייזנברג: "המבנה הגרעיני של החומר הוא תוצאה של תורת הקוונטים, לא של גיאומטריה", אינה מדויקת. לחומר יש מבנה לפני, בחוץ וללא תלות בתיאוריה כלשהי. באשר לגיאומטריה, למרות שההקשר של מאמרו של הייזנברג לא ברור על מה בדיוק אנחנו מדברים - ההיבט האפיסטמולוגי של הבעיה (על הגיאומטריה כשבר של מתמטיקה או האונטולוגי (על הגיאומטריה של המרחב האמיתי), לעומת זאת, בשני המקרים המבנה של החומר אינו תוצאה של גיאומטריה, מאותה סיבה שהיא אינה תוצאה של תורת הקוונטים, כי הגיאומטריה של המרחב האמיתי הוא אחד ההיבטים של מבנה החומר.

נכון, כמובן, שתורת הקוונטים משקפת תכונות כאלה של הטבע, שמידע לגביהן לא נכלל בגיאומטריזציה של שדות הכוח של איינשטיין. אבל נקודת המבט הגיאומטרית והצורה הספציפית שבה היא מוצגת בניסיונו של איינשטיין לבצע גיאומטריזציה של שדות כוח אינם אותו דבר. בסופו של דבר, דווקא הנסיבות האחרונות הן שקבעו שהיישום המוצלח של נקודת המבט הגיאומטרית בתורת היחסות הכללית (GTR) עורר את החיפוש אחר תיאוריה פיזיקלית המבוססת על המאפיינים המטריים והטופולוגיים של מרחב וזמן אמיתיים. , יכול לשחזר (ועל ידי כך להסביר) את ההתנהגות והמאפיינים של חלקיקים אלמנטריים.

תופעות קוונטיות. רוב הפיזיקאים ללא ספק יענו ב"לא" חד, כי הם מאמינים שיש לפתור את הבעיה הקוונטית בצורה שונה מהותית. כך או כך, אנו נותרים עם דברי לסינג כנחמה: "הרצון לאמת הוא בעל ערך רב יותר, יקר יותר מההחזקה הבוטחת בה".

אכן, קשיים מתמטיים כשלעצמם אינם יכולים לשמש טענה נגד הכיוון בהתפתחות הפיזיקה שאיינשטיין דבק בו. תחומים אחרים מתמודדים עם קשיים דומים, שכן (כפי שציין איינשטיין) הפיזיקה עוברת בהכרח מתיאוריות ליניאריות לתיאוריות לא ליניאריות במהותן. הבעיה העיקרית היא האם תמונת שדה גיאומטרית של העולם הפיזיקלי יכולה להסביר את המבנה האטומי של החומר והקרינה, כמו גם תופעות קוונטיות, והאם היא יכולה, באופן עקרוני, להוות בסיס מספיק לשיקוף נאות של תופעות קוונטיות. נראה לנו שניתוח היסטורי, מדעי ופילוסופי של הפוטנציאלים הטמונים בגישותיהם של פואנקרה ואיינשטיין יכול לשפוך אור על כמה היבטים של בעיה זו.

הביטוי הנפלא של P.S Laplace ידוע שהמוח האנושי נתקל בפחות קשיים כשהוא מתקדם מאשר כשהוא הולך עמוק יותר לתוך עצמו. אבל להתקדם קשור איכשהו עם העמקת הנפש לתוך עצמה, עם שינוי ביסודות, בסגנון ובשיטות, עם עדכון של הערך והתכלית של הידע המדעי, עם המעבר מהפרדיגמה הרגילה לחדש, יותר. מורכבת ובדיוק בגלל זה, מסוגלת לשחזר את הסיבה והמציאות של ההתכתבות האבודה.

אחד הצעדים הראשונים בדרך זו, כידוע, היה ההצדקה הלא אמפירית של גיאומטריות לא אוקלידיות שניתנה על ידי "תוכנית ארלנגן" של פ. קליין, שהייתה אחד התנאים המוקדמים לשחרור החשיבה הפיזית מכבלי המרחב המרחבי. תמונת העולם והבנת התיאור הגיאומטרי לא כתיאור של זירת התהליכים הפיזיים, אלא כהסבר הולם לדינמיקה של העולם הפיזי. חשיבה מחודשת זו על תפקידה של הגיאומטריה בקוגניציה הפיזית הובילה בסופו של דבר לבניית תוכנית לגיאומטריזציה של הפיזיקה. עם זאת, הדרך לתוכנית זו הייתה דרך הקונבנציונליזם של פואנקרה, שהרחיב את שיטת הקבוצה הבלתי משתנה של קליין לפיזיקה.

בפתרון בעיית הקשר בין גיאומטריה לפיזיקה, פואנקרה הסתמך על הרעיון של "תוכנית ארלנגן", המבוסס על רעיון הגיאומטריה כמדע מופשט, שבעצמו

אינו משקף לעצמו את חוקי העולם החיצוני: "תיאוריות מתמטיות אינן מכוונות לחשוף בפנינו את טבעם האמיתי של הדברים; טענה כזו תהיה פזיזה. מטרתם היחידה היא לסדר את החוקים הפיזיקליים שאנו לומדים מניסיון, אך שאפילו לא יכולנו לבטא אותם ללא עזרת המתמטיקה".

בגישה זו, הגיאומטריה חומקת בבירור מאימות ניסיוני: "אם הגיאומטריה של לובצ'בסקי תקפה, אז הפרלקסה של כוכב מרוחק מאוד תהיה סופית; אם הגיאומטריה של רימן תקפה, אז היא תהיה שלילית. נראה כי תוצאות אלו כפופות לאימות ניסיוני; וקיווה שתצפיות אסטרונומיות עשויות להכריע את הבחירה בין שלוש הגיאומטריות. אבל מה שנקרא באסטרונומיה קו ישר הוא פשוט מסלול של קרן אור. אם, לפיכך, מעבר למצופה, ניתן היה לגלות פרלקסים שליליים או להוכיח שכל הפרלקסים גדולים מגבול ידוע, אזי הייתה מוצגת בחירה בין שתי מסקנות: נוכל לנטוש את הגיאומטריה האוקלידית, או לשנות את חוקי האופטיקה ותודו שהאור לא נע בדיוק בקו ישר".

פואנקרה מפרש את הנחת היסוד הראשונית של ידע פיזיקלי - הפיזיקה חוקרת תהליכים חומריים במרחב ובזמן - לא כיחס השקעה (חלל וזמן, לפי ניוטון, הם מיכלים של תהליכים חומריים), אלא כיחס בין שני מחלקות מושגים: גיאומטריים. , שאינם מאומתים ישירות בניסיון, ולמעשה פיזיים, תלויים לוגית בגיאומטריים, אך ניתנים להשוואה לתוצאות של ניסויים. עבור פואנקרה, האובייקט היחיד של ידע פיזיקלי הוא תהליכים חומריים, והמרחב מתפרש כמגוון מופשט, בהיותו נושא למחקר מתמטי. כשם שהגיאומטריה עצמה לא חוקרת את העולם החיצוני, כך הפיזיקה לא חוקרת מרחב מופשט. אבל בלי קשר לגיאומטריה אי אפשר להבין תהליכים פיזיקליים. גיאומטריה היא תנאי מוקדם של התיאוריה הפיזיקלית, ללא תלות בתכונות האובייקט המתואר.

בניסוי, רק גיאומטריה (G) וחוקים פיזיקליים (F) נבדקים יחד, ולכן, חלוקה שרירותית ל-(G) ו-(F) אפשרית בתוך אותן עובדות ניסוי. מכאן הקונבנציונליזם של פואנקרה: היחס הבלתי מוגדר של גיאומטריה לחוויה מוביל לשלילת המעמד האונטולוגי של הגיאומטריה והחוקים הפיזיקליים ולפירושם כמוסכמות מותנות.

בעת בניית תורת היחסות המיוחדת (STR), יצא איינשטיין מגישה ביקורתית כלפי המושג הקלאסי של חומר כחומר. גישה זו קבעה את הפרשנות של הקביעות של מהירות האור כמאפיין ייחוס של השדה. מנקודת המבט של איינשטיין, עקרון הקביעות אינו כך

מהירות האור דורשת הצדקה מכנית, והיא מאלצת עדכון ביקורתי של מושגי המכניקה הקלאסית. ניסוח אפיסטמולוגי זה של הבעיה הוביל למימוש השרירותיות של הנחות לגבי מרחב וזמן מוחלטים, עליהן מבוססת הקינמטיקה של המכניקה הקלאסית. אבל אם עבור פואנקרה השרירותיות של הנחות אלו ברורה, אז עבור איינשטיין היא תוצאה של מגבלות החוויה היומיומית שעליהן מבוססות הנחות אלו. עבור איינשטיין, אין זה הגיוני לדבר על מרחב וזמן ללא התייחסות לאותם תהליכים פיזיקליים שרק נותנים להם תוכן ספציפי. לכן, תהליכים פיזיקליים שאינם ניתנים להסבר על בסיס המושגים הקלאסיים הרגילים של מרחב וזמן ללא השערות מלאכותיות נוספות צריכים להוביל לעדכון של מושגים אלה.

לפיכך, ניסיון כרוך בפתרון הבעיה של פואנקרה: "דווקא אותן נסיבות שבעבר גרמו לנו לקשיים כואבים, מובילות אותנו לדרך הנכונה לאחר שאנו מקבלים יותר חופש פעולה על ידי נטישת ההנחות השרירותיות הללו. מסתבר שדווקא שתי ההנחות הללו, במבט ראשון, שאינן תואמות שהניסיון מצביע עלינו, דהיינו: עקרון היחסות ועקרון הקביעות של מהירות האור, מובילים לפתרון מוגדר מאוד לבעיית טרנספורמציות הקואורדינטות. והזמן." כתוצאה מכך, לא צמצום למוכר, אלא יחס ביקורתי כלפיו, בהשראת הניסיון, הוא תנאי לפתרון נכון של בעיה פיזית. גישה זו היא שאיפשרה לאיינשטיין להעניק לטרנספורמציות לורנץ משמעות פיזיקלית נאותה, שלא לורנץ ולא פואנקרה שמו לב אליה: הראשונה נבלמה על ידי הגישה האפיסטמולוגית של החומרנות המטפיזית, המבוססת על יחס לא ביקורתי כלפי המציאות הפיזית, השנייה. - קונבנציונליזם, המשלב גישה ביקורתית כלפי ייצוגי המרחב-זמן של המכניקה הקלאסית עם יחס לא ביקורתי כלפי מושג החומר שלה.

"השחרור של מושג השדה מהנחת הקשר שלו עם נשא מכני באה לידי ביטוי בתהליכים המעניינים ביותר מבחינה פסיכולוגית בהתפתחות המחשבה הגופנית", כתב איינשטיין ב-1952, והזכיר את תהליך היווצרות ה-SRT. החל מעבודתם של מ. פאראדיי וג'יי סי מקסוול וכלה בעבודתם של לורנץ ופואנקרה, המטרה המודעת של הפיזיקאים הייתה הרצון לחזק את הבסיס המכני של הפיזיקה, אם כי באופן אובייקטיבי תהליך זה הוביל להיווצרות תפיסה עצמאית של השדה.

מושג רימניאני של גיאומטריה עם מטרי משתנה. הרעיון של רימן לגבי הקשר בין מדדים וסיבות פיזיקליות הכיל את האפשרות האמיתית לבנות תיאוריה פיזיקלית המוציאה את הרעיון של מרחב ריק בעל מדד נתון ומסוגל להשפיע על תהליכים חומריים מבלי להיות נתון להשפעה הפוכה.

מגלם ישירות את הרעיון הזה של רימן בתורת הפיזיקה, תוך שימוש בגיאומטריה רימנית, אשר שוללת את המשמעות הפיזיקלית של קואורדינטות, GTR נותן בדיוק פרשנות פיזיקלית של המדד הרימני: "לפי תורת היחסות הכללית, התכונות המטריות של המרחב- הזמן אינם תלויים סיבתית במה מתמלא המרחב-זמן הזה, אך נקבעים על ידי זה האחרון." בגישה זו, החלל כמשהו פיזי בעל תכונות גיאומטריות קבועות מראש אינו נכלל לחלוטין מהייצוג הפיזי של המציאות. ביטול הקשר הסיבתי בין חומר למרחב וזמן לקח מ"מרחב וזמן את השריד האחרון של האובייקטיביות הפיזית". אבל זה לא אומר שלילת האובייקטיביות שלהם: "החלל והזמן נשללו... לא מהמציאות שלהם, אלא מהמוחלטות הסיבתית שלהם (המשפיעים, אבל לא הושפעו)." תורת היחסות הכללית הוכיחה את האובייקטיביות של מרחב וזמן, וביססה קשר חד משמעי בין המאפיינים הגיאומטריים של המרחב והזמן לבין המאפיינים הפיזיקליים של אינטראקציות כבידה.

בניית תורת היחסות הכללית מבוססת בעיקרה על העמדה הפילוסופית לגבי ראשוניות החומר ביחס למרחב ולזמן: "בהתאם למכניקה הקלאסית ולפי תורת היחסות המיוחדת, המרחב (מרחב-זמן) מתקיים ללא תלות בחומר ( כלומר חומר - ר.א., ו.ש.) או שדות... מאידך, לפי תורת היחסות הכללית, המרחב אינו קיים בנפרד, כמשהו מנוגד ל"מה שממלא חלל"... חלל ריק, כְּלוֹמַר חלל ללא שדה אינו קיים. המרחב-זמן אינו קיים בפני עצמו, אלא רק כמאפיין מבני של השדה". לפיכך, התכחשותו של איינשטיין לחלל הריק משחקת תפקיד בונה, שכן היא קשורה להכנסת ייצוג שדה לתמונה הפיזית של העולם. לכן, איינשטיין מדגיש שמסלול המחשבה שהוביל לבניית תורת היחסות הכללית "מבוסס בעיקרו על הרעיון של שדה כמושג עצמאי". גישה זו של מחבר GR שונה לא רק

בפתרון בעיית הקשר בין גיאומטריה לפיזיקה במסגרת הקונבנציונליזם, יש להבחין בין שני היבטים. מצד אחד, שפת הגיאומטריה הכרחית לניסוח חוקים פיזיקליים. מצד שני, המבנה הגיאומטרי אינו תלוי בתכונות המציאות הפיזית. עבור פואנקרה זה לא משנה מהי הגיאומטריה המשמשת בפיזיקה; הדבר החשוב היחיד הוא שבלעדיו אי אפשר לבטא חוקים פיזיקליים. הבנה זו של תפקידה של הגיאומטריה בפיזיקה מובילה לשלילת התפקוד הקוגניטיבי שלה, וזה לא מקובל על איינשטיין. מבחינתו, בחירת הגיאומטריה בעת בניית תיאוריה פיזיקלית כפופה למטרה הגבוהה ביותר של הפיזיקה – הכרת עולם החומר. המעבר מגיאומטריה אוקלידית לגיאומטריה מינקובסקי, ומהאחרונה לגיאומטריה רימן במהלך המעבר ממכניקה קלאסית ל-SRT, ולאחר מכן ל-GTR, נבע לא רק ולא כל כך מהמודעות לקשר ההדוק של הגיאומטריה המשמשת ב-. פיזיקה עם בעיית המציאות הפיזית. מנקודת מבטו של איינשטיין, הגיאומטריה בפיזיקה לא רק קובעת את מבנה התיאוריה הפיזיקלית, אלא גם נקבעת על ידי מבנה המציאות הפיזיקלית. רק הביצוע המשותף של שתי הפונקציות הללו על ידי גיאומטריה פיזיקלית מאפשר לנו להימנע מהקונבנציונליות.

"בשל הברירה הטבעית", כתב פואנקרה, "המוח שלנו הסתגל לתנאי העולם החיצוני הוא אימץ את הגיאומטריה המועילה ביותר למין, או, במילים אחרות, את הנוחה ביותר... הגיאומטריה אינה נכונה; , אבל רק מועיל." המוח האנושי, אכן, הסתגל לתנאי העולם החיצוני, לרבות התכונות המטריות של מרחב וזמן אמיתיים באזור המקביל של העולם החיצוני, ולכן רכש את הגיאומטריה שהתבררה כמתאימה למציאות ורק כתוצאה מכך נוח יותר. גיאומטריה כמרכיב בתיאוריה היא עניין אחר. היא עשויה לשקף את המאפיינים המטריים של מרחב וזמן אמיתיים, או שאינה משקפת אותם, אלא היא גיאומטריה של מרחב מופשט כלשהו, ​​שבעזרתו נוצרות מחדש בתיאוריה תכונות האינטראקציות החומריות. במקרה הראשון, נפסקת שאלת אמיתותו או שקר, במקרה השני - לגבי רווחיותו. אבסוללת הפתרון השני, צמצום אליו של בעיית הקשר בין גיאומטריה למציאות היא תולדה של זיהוי בלתי חוקי של מרחב מופשט ומרחב וזמן ממשיים (אחד הביטויים של מה שנודע מאוחר יותר כתסמונת פיתגורס - הזדהות

אלמנטים מסוימים של המנגנון המתמטי של התיאוריה עם מרכיבי המציאות התואמים הקיימים לפני, מחוץ וללא תלות בכל תיאוריה).

בעיקרו של דבר, זה בדיוק מה שאיינשטיין כותב עליו במאמרו "גיאומטריה וחוויה", וציין שגישתו של פואנקרה לבעיית הקשר בין גיאומטריה לפיזיקה יוצאת מהעובדה ש"גיאומטריה (G) לא אומרת דבר על התנהגותם של דברים אמיתיים. ", בו "הקשר בין גיאומטריה למציאות פיזית נהרס". כל שאר השיפוטים הם ש"התנהגות זו מתוארת רק על ידי גיאומטריה יחד עם קבוצת החוקים הפיזיקליים (F)... שרק הסכום (G) + (F) נתון לאימות ניסיוני", ש"אפשר לבחור באופן שרירותי כמו (ז'), וחלקים בודדים (ו)" - כפי שקל להבין, נובע מהנחות היסוד הראשוניות הללו. עם זאת, שניהם שקריים. הגיאומטריה של המרחב האמיתי "מדברת" על התנהגותם של דברים אמיתיים המאפיינים המטריים של המרחב והזמן ותכונות האינטראקציות החומריות המתאימות קשורות זו לזו במציאות האובייקטיבית. בתיאוריה הפיזיקלית, לפי המאפיינים המטריים של מרחב וזמן של אזור מרחב-זמן מסוים של מציאות אובייקטיבית, שופטים את התכונות המקבילות של האינטראקציות החומריות השולטות באזור זה לפי הגיאומטריה ששופטים את הפיזיקה לפי (G); ו).

עם זאת, תהליך שחזור המאפיינים של אינטראקציות חומר תוך שימוש בתכונות המטריות התואמות של מרחב וזמן אינו הליך ניסיוני, אלא הליך תיאורטי גרידא. כהליך תיאורטי בלבד, הוא, באופן עקרוני, אינו שונה מתהליך של יצירת מחדש בתיאוריה את אותן תכונות של אינטראקציות חומריות תוך שימוש בתכונות המטריות לא של מרחב וזמן אמיתיים, אלא של מרחבים מופשטים מאורגנים כהלכה. מכאן, מצד אחד, א) האשליה שרק הסכום של (G) ו-(F) הוא נושא לאימות ניסיוני, שהתיאורטיקן יכול לבחור באופן שרירותי בגיאומטריה כרקע לחקר האינטראקציות החומריות; מאידך, ב) הגרעין הרציונלי של מושג הקשר בין גיאומטריה לפיזיקה של פואנקרה: גיאומטריות כמרכיבים של התיאוריה, שבעזרתן משחזר התיאורטיקן את תכונות האינטראקציות החומריות, אכן יכולות להיות שונות, וב. במובן זה התיאוריה מכילה מרכיב של קונבנציונליות.

בוחרים באופן שרירותי גיאומטריה בתיאוריה, אנחנו תמיד בוחרים אותה בצורה כזו שבעזרת הגיאומטריה המתאימה (G), נוכל ליצור מחדש בתיאוריה את המאפיינים של אינטראקציות אמיתיות (F). שנית, מכיוון שהשאלה איזו מהגיאומטריות, שבעזרתה נוצרות מחדש תכונות האינטראקציות החומריות בתיאוריה, מייצגת בצורה נאותה את התכונות המטריות של המרחב והזמן האמיתיים בה, אינה ניתנת לפתרון במסגרת התיאוריה; זה חורג מתיאוריה לתחום הניסוי. וזה כל העניין.

הפנייה לרעיון "הפשטות המדהימה", בבדיקה מעמיקה יותר, מתבררת כטיעון מורכב מאוד. כבר איינשטיין, שמתח ביקורת על עקרון הפשטות של פואנקרה, שבו השתמש כדי להצדיק את הבחירה בגיאומטריה אוקלידית בעת בניית תיאוריה פיזיקלית, ציין כי "מה שחשוב הוא לא שגיאומטריה לבדה בנויה בצורה הפשוטה ביותר, אלא שכל הפיזיקה בנויה ב הדרך הפשוטה ביותר (כולל גיאומטריה)".

מאמרם של יא.ב.זלדוביץ' ול.פ.גרישוק "כוח המשיכה, תורת היחסות הכללית ותיאוריות אלטרנטיביות" מדגיש כי המניע העיקרי שהביא את לוגונוב להכחיש את גישתו של איינשטיין לבעיית הקשר בין גיאומטריה לפיזיקה - ללא קשר לכוונות הסובייקטיביות של מחבר RTG, - לא כל כך פיזי, אלא בעל אופי פסיכולוגי. אכן, הבסיס לגישה הביקורתית של מחבר RTG לתורת היחסות הכללית הוא הרצון להישאר במסגרת המוכר (ועל ידי כך הפשוט)

סגנון חשיבה. אבל הקשר ההדוק בין המוכר לפשוט, הצדקת הפשטות על ידי המוכר הוא האידיאל של סגנון החשיבה הפסיכולוגי.

האבולוציה של הפיזיקה מוכיחה באופן משכנע שמה שמוכר ופשוט עבור דור אחד של פיזיקאים עשוי להיות בלתי מובן ומורכב עבור דור אחר. השערת האתר המכני היא דוגמה מצוינת לכך. דחיית המוכר והפשוט היא מלווה בלתי נמנע של הרחבת הניסיון, שליטה בתחומי טבע וידע חדשים. כל התקדמות גדולה במדע לוותה באובדן של המוכר והפשוט, ולאחר מכן שינוי בעצם הרעיון שלהם. בקיצור, המוכר והפשוט הם קטגוריות היסטוריות. לכן, לא צמצום למוכר, אלא הרצון להבין את המציאות הוא המטרה העליונה של המדע: "המטרה הקבועה שלנו היא הבנה טובה יותר ויותר של המציאות... ככל שההנחות שלנו הופכות לפשוטות ובסיסיות יותר, כך ההנחות המתמטיות מורכבות יותר. כלי ההיגיון שלנו; הדרך מהתיאוריה להתבוננות הופכת להיות ארוכה יותר, דקה יותר ומורכבת יותר. למרות שזה נשמע פרדוקסלי, אפשר לומר: הפיזיקה המודרנית פשוטה יותר מפיזיקה הישנה, ​​ולכן היא נראית קשה ומבלבלת יותר".

החיסרון העיקרי של סגנון החשיבה הפסיכולוגי קשור בהתעלמות מההיבט האפיסטמולוגי של בעיות מדעיות, שבמסגרתו מתאפשר רק יחס ביקורתי כלפי הרגלים אינטלקטואליים, השוללת הפרדה ברורה בין מקורם ומהותם של רעיונות מדעיים. ואכן, המכניקה הקלאסית קודמת למכניקת הקוונטים ול-STR, והאחרונה קודמת להופעתו של GTR. אבל זה לא אומר שתיאוריות קודמות עדיפות על התיאוריות הבאות בבהירות ובמובחן, כפי שמניחים במסגרת סגנון החשיבה הפסיכולוגי. מנקודת מבט אפיסטמולוגית, STR ומכניקת הקוונטים פשוטות ומובנות יותר ממכניקה קלאסית, ו-GR פשוט ומובן יותר מ-SRT. לכן "בסמינרים מדעיים... מקום לא ברור באיזו שאלה קלאסית מומחש פתאום על ידי מישהו שמשתמש בדוגמה קוונטית ידועה, והשאלה הופכת ל"שקופה" לחלוטין.

לכן "פראי הגיאומטריה הרימנית" מקרבים אותנו להבנה נאותה של המציאות הפיזית, בעוד ש"מרחב מינקובסקי פשוט להפליא" מרחיק אותנו ממנה. איינשטיין והילברט "נכנסו" ל"פרא" הללו ו"גררו" לתוכם את "הדורות הבאים של פיזיקאים" בדיוק בגלל שהם התעניינו לא רק ולא כל כך כמה פשוט או מורכב

תכונות מטריות של מרחב מופשט, בעזרתן ניתן לתאר בתיאוריה מרחב וזמן אמיתיים, כמו מהן התכונות המטריות של אלה האחרונים. בסופו של דבר, זו בדיוק הסיבה שלוגונוב נאלץ לפנות למרחב ה"יעיל" של הגיאומטריה הרימניאנית כדי לתאר השפעות כבידה בנוסף למרחב מינקובסקי המשמש ב-RTG, מכיוון שרק המרחב הראשון מבין שני אלה מייצג בצורה נאותה את המרחבים האמיתיים ב-RTG (כמו כמו גם בתורת היחסות הכללית).

הטעויות האפיסטמולוגיות של RTG עם גישה פילוסופית אליו מתגלות בקלות. לוגונוב כותב כי "אפילו לאחר שגילה את הגיאומטריה הרימנית בניסוי, אין למהר להסיק מסקנה לגבי מבנה הגיאומטריה, שיש להשתמש בה כבסיס לתיאוריה." נימוק זה דומה לנימוק של פואנקרה: כשם שמייסד הקונבנציונליזם התעקש לשמר את הגיאומטריה האוקלידית ללא קשר לתוצאות הניסויים, כך מחבר RTG מתעקש לשמר את הגיאומטריה הנתונה של מינקובסקי כבסיס לכל תיאוריה פיזיקלית. הבסיס לגישה זו הוא בסופו של דבר תסמונת פיתגורס, האונטולוגיזציה של מינקובסקי למרחב המופשט.

אנחנו כבר לא מדברים על העובדה שקיומו של מרחב-זמן כמיכל של אירועים, שיש לו יכולת מוזרה לגרום להשפעות אינרציאליות בחומר מבלי להיות נתון להשפעה הפוכה, הופך להנחה בלתי נמנעת. מושג כזה במלאכותיותו עולה אפילו על ההשערה של אתר מכני, שכבר הפנינו אליה את תשומת הלב לעיל, בהשוואה בין מכניקה קלאסית לבין STR. זה, באופן עקרוני, סותר את GTR, שכן "אחד ההישגים של תורת היחסות הכללית, שככל הידוע לנו חמקה מתשומת לבם של הפיזיקאים", הוא ש"המושג הנפרד של מרחב... הופך למיותר . בתיאוריה הזו, החלל הוא לא יותר משדה ארבע ממדי, ולא משהו שקיים בפני עצמו". לתאר את כוח הכבידה מגיאומטריית מינקובסקי ובמקביל להשתמש בגיאומטריה רימניאנית עבור איינשטיין פירושו להראות חוסר עקביות: "להישאר עם קבוצה צרה יותר ובו בזמן לקחת מבנה שדה מורכב יותר (זהה כמו בתורת היחסות הכללית ) פירושו חוסר עקביות נאיבי. חטא נשאר חטא, גם אם הוא בוצע על ידי גברים שהם מכובדים אחרת".

תורת היחסות הכללית, שבה המאפיינים של אינטראקציות כבידה נוצרות מחדש באמצעות המאפיינים המטריים של המרחב-זמן המעוקל של רימן, משוחררת מחוסר העקביות האפיסטמולוגית הללו: "יפה

האלגנטיות של תורת היחסות הכללית... נובעת ישירות מהפירוש הגיאומטרי. הודות להצדקה גיאומטרית, התיאוריה קיבלה צורה מוגדרת ובלתי ניתנת להריסה... הניסיון או מאשר או מפריך אותה... אם מפרשים את כוח הכבידה כפעולה של שדות כוח על החומר, הם קובעים רק מסגרת התייחסות כללית מאוד, ולא אחת. תֵאוֹרִיָה. אפשר לבנות משוואות וריאציות רבות בדרך כלל ו... רק תצפיות יכולות להסיר אבסורדיות כמו תורת הכבידה המבוססת על שדה וקטור וסקלרי או על שני שדות טנזור. לעומת זאת, במסגרת הפרשנות הגיאומטרית של איינשטיין, תיאוריות כאלה מתבררות כאבסורדיות כבר מההתחלה. הם נמחקים על ידי הטיעונים הפילוסופיים שעליהם מתבססת פרשנות זו". אמון פסיכולוגי באמיתות ה-GTR מבוסס לא על נוסטלגיה לסגנון החשיבה הרגיל, אלא על המוניזם, היושרה, הבידוד שלו, העקביות הלוגית והיעדר שגיאות אפיסטמולוגיות האופייניות ל-RTG.

אחת הטעויות האפיסטמולוגיות העיקריות של RTG היא, להערכתנו העמוקה, עמדתו האפיסטמולוגית הראשונית, לפיה די בקריטריונים פנים-תיאורטיים כדי לפתור את השאלה איזה מהמרחבים המופשטים של התיאוריה מייצגים בה בצורה נאותה את המרחב והזמן האמיתיים. . גישה אפיסטמולוגית זו, שאינה מתיישבת עם זו העומדת בבסיס ה-GTR, בידו הקלה של הייזנברג, מיוחסת... לאיינשטיין, אשר בשיחה עמו באביב 1926 בברלין, ניסח אותה בצורה כללית עוד יותר. כהצהרה שזה לא ניסוי, אלא תיאוריה שקובעת מה ניתן לצפייה.

בינתיים, פרדוקסלי ככל שזה נראה במבט ראשון, בניגוד לדעה הרווחת בקהילה המדעית (כולל דעתו של הייזנברג עצמו), איינשטיין למעשה סיפר לו לא על זה, אלא על משהו אחר לגמרי. הבה נשחזר את הקטע המקביל מהדו"ח "פגישות ושיחות עם אלברט איינשטיין" (שעשה הייזנברג ב-27 ביולי 1974 באולם), שבו נזכר הייזנברג בשיחה זו עם איינשטיין, שבמהלכה התנגד לעקרון הנצפה שנוסח על ידי הייזנברג: "כל התבוננות, טען, מניחה קשר קבוע חד משמעי בין התופעה שאנו בוחנים לבין התחושה החושית המתעוררת בתודעה שלנו. עם זאת, אנו יכולים לדבר בביטחון על הקשר הזה רק אם אנו יודעים את חוקי הטבע שלפיהם הוא נקבע. אם - וזה ברור המקרה באטומי המודרני

פיזיקה - החוקים עצמם מוטלים בספק, אז גם המושג "התבוננות" מאבד את משמעותו הברורה. במצב כזה, התיאוריה צריכה קודם כל לקבוע מה ניתן לצפייה".

ההגדרה האפיסטמולוגית הראשונית של RTG לוגונוב היא תולדה של פרלוגיזם פשוט יחסית - זיהוי התנאי ההכרחי להתאמה של המבנים התיאורטיים של המציאות האובייקטיבית עם מצבה המספיק. כפי שלא קשה להבין, זה מסביר בסופו של דבר את השגיאות הלוגיות והאפיסטמולוגיות העומדות בבסיס ה-RTG ואת התנגדותו ל-GTR - השימוש בקריטריונים תוך-תיאורטיים בלבד כדי להחליט איזה מהמרחבים המופשטים של התיאוריה מייצגים בה כראוי את המרחב והזמן האמיתיים. ההזדהות הבלתי חוקית שלו איתם הן בעצם אותן שגיאות לוגיות ואפיסטמולוגיות שעומדות בבסיס גישתו של פואנקרה לבעיית הקשר בין גיאומטריה לפיזיקה.

לא משנה מה ניתן לומר על גישתו של איינשטיין לבעיית הקשר בין גיאומטריה לפיזיקה, הניתוח שלנו מצביע על כך ששאלת האפשרויות של גישה זו ביצירת פרדיגמה מודרנית של מדעי הטבע נותרה פתוחה. זה נשאר פתוח עד שהוכח

קיומן של תכונות של תופעות חומריות שאינן קשורות בשום אופן לתכונות המרחב והזמן. ולהיפך, הסיכויים הטובים של גישתו של איינשטיין נובעים בסופו של דבר מהעובדה שהקשר בין התכונות המטריות והטופולוגיות של מרחב וזמן עם תכונות שונות שאינן מרחביות-זמניות של תופעות חומריות מתגלה יותר ויותר. יחד עם זאת, ניתוח היסטורי, מדעי ופילוסופי של גישתו של פואנקרה לבעיית הקשר בין גיאומטריה לפיזיקה מוביל למסקנה שהיא חסרת תועלת כחלופה לגישתו של איינשטיין. מעיד על כך גם ניתוח הניסיונות להחיות אותו, שנעשו בעבודותיהם של לוגונוב ועמיתיו.

הערות

ארונוב ר.א.על בעיית המרחב והזמן בפיזיקה של החלקיקים היסודיים // בעיות פילוסופיות של פיזיקת החלקיקים היסודיים. מ', 1963. עמ' 167; הוא אותו דבר. בעיית מבנה המרחב-זמן של עולם המיקרו // סוגיות פילוסופיות של פיזיקת הקוונטים. מ', 1970. עמ' 226; הוא אותו דבר. בשאלת ההיגיון של עולם המיקרו // Vopr. פִילוֹסוֹפִיָה. 1970. מס' 2. עמ' 123; הוא אותו דבר. תורת היחסות הכללית והפיזיקה של עולם המיקרו // תורת הכבידה הקלאסית והקוואנטית. מנ', 1976. עמ' 55; ארונוב ר.א. ליסודות הפילוסופיים של תכנית איחוד העל // לוגיקה, מתודולוגיה ופילוסופיה של המדע. מוסקבה, 1983. עמ' 91.

ס"מ.: ארונוב ר.א.על בעיית היחס בין מרחב, זמן וחומר // Vopr. פִילוֹסוֹפִיָה. 1978. מס' 9. עמ' 175; זה הוא. על שיטת הגיאומטריזציה בפיזיקה. הזדמנויות וגבולות // שיטות ידע מדעי ופיזיקה. מ', 1985. עמ' 341; ארונוב ר.א., קניאזב ו.נ.. על בעיית הקשר בין גיאומטריה לפיזיקה // חומרנות דיאלקטית וסוגיות פילוסופיות של מדעי הטבע. מ', 1988. עמ' 3.

ס"מ.: ארונוב ר.א.הרהורים על פיזיקה // שאלות בהיסטוריה של מדעי הטבע והטכנולוגיה. 1983. מס' 2. עמ' 176; זה הוא. שתי גישות להערכת השקפותיו הפילוסופיות של א. פואנקרה // חומרנות דיאלקטית וסוגיות פילוסופיות של מדעי הטבע. מ', 1985. ש' 3; ארונוב ר.א., שמיאקינסקי ו.מ. הצדקה פילוסופית לתוכנית הגיאומטריזציה של הפיזיקה // חומרנות דיאלקטית וסוגיות פילוסופיות של מדעי הטבע. מ', 1983. ש' 3; הם. על יסודות הגיאומטריזציה של הפיזיקה // בעיות פילוסופיות של מדעי הטבע המודרניים. קייב, 1986. ו' 61. עמ' 25.

הייזנברג V. פיתוח מושגים בפיזיקה של המאה העשרים // Vopr. פִילוֹסוֹפִיָה. 1975. מס' 1. עמ' 87.

להלן רשימה בעיות בלתי פתורות של הפיזיקה המודרנית. חלק מהבעיות הללו הן תיאורטיות. משמעות הדבר היא שתיאוריות קיימות אינן מסוגלות להסביר תופעות מסוימות שנצפו או תוצאות ניסויים. בעיות אחרות הן ניסיוניות, כלומר יש קשיים ביצירת ניסוי כדי לבדוק תיאוריה מוצעת או לחקור תופעה ביתר פירוט. הבעיות הבאות הן בעיות תיאורטיות בסיסיות או רעיונות תיאורטיים שאין לגביהם הוכחות ניסיוניות. חלק מהבעיות הללו קשורות זו בזו. לדוגמה, מימדים נוספים או סופרסימטריה יכולים לפתור את בעיית ההיררכיה. מאמינים כי התיאוריה השלמה של כוח הכבידה הקוונטית מסוגלת לענות על רוב השאלות המפורטות (למעט בעיית אי היציבות).

• 1. כבידה קוונטית.האם ניתן לשלב את מכניקת הקוונטים ותורת היחסות הכללית לתיאוריה אחת העקבית לעצמה (אולי תורת שדות קוונטים)? האם זמן המרחב רציף או שהוא דיסקרטי? האם התיאוריה העקבית לעצמה תשתמש בכבידה היפותטית או שהיא תהיה לגמרי תוצר של המבנה הבדיד של המרחב-זמן (כמו בכבידה הקוונטית בלולאה)? האם יש סטיות מהתחזיות של תורת היחסות הכללית עבור קנה מידה קטן מאוד או גדול מאוד או נסיבות קיצוניות אחרות הנובעות מתורת הכבידה הקוונטית?
• 2. חורים שחורים, היעלמות מידע בחור שחור, קרינת הוקינג.האם חורים שחורים מייצרים קרינה תרמית כפי שהתיאוריה חוזה? האם קרינה זו מכילה מידע על המבנה הפנימי שלהם, כפי שהוצע על ידי דואליות אינוריאנטיות של מד הכבידה, או לא, כפי שמשתמע מהחישוב המקורי של הוקינג? אם לא, וחורים שחורים יכולים להתאדות ללא הרף, אז מה קורה למידע המאוחסן בהם (מכניקת הקוונטים לא מספקת הרס של מידע)? או האם הקרינה תיפסק בשלב מסוים כאשר יישאר מעט מהחור השחור? האם יש דרך אחרת ללמוד את המבנה הפנימי שלהם, אם בכלל קיים מבנה כזה? האם חוק שימור מטען הבריון נכון בתוך חור שחור? ההוכחה לעקרון הצנזורה הקוסמית, כמו גם הניסוח המדויק של התנאים שבהם הוא מתקיים, אינה ידועה. אין תיאוריה שלמה ושלמה של המגנטוספירה של חורים שחורים. הנוסחה המדויקת לחישוב מספר המצבים השונים של מערכת, שקריסתה מובילה להופעתו של חור שחור בעל מסה, תנע זוויתי ומטען נתונים, אינה ידועה. אין הוכחה ידועה במקרה הכללי של "משפט ללא שיער" לחור שחור.
• 3. מימד של מרחב-זמן.האם ישנם מימדים נוספים של מרחב-זמן בטבע מלבד הארבעה שאנו מכירים? אם כן, מה המספר שלהם? האם הממד "3+1" (או גבוה יותר) הוא תכונה אפריורית של היקום או שהוא תוצאה של תהליכים פיזיקליים אחרים, כפי שמציעה, למשל, התיאוריה של טריאנגולציה דינמית סיבתית? האם אנו יכולים "להתבונן" בניסוי בממדים מרחביים גבוהים יותר? האם העיקרון ההולוגרפי נכון, לפיו הפיזיקה של המרחב-זמן המימדיים "3+1" שלנו שווה ערך לפיזיקה על פני שטח עם מימד "2+1"?
• 4. מודל אינפלציוני של היקום.האם תורת האינפלציה הקוסמית נכונה, ואם כן, מהם הפרטים של שלב זה? מהו שדה האינפלציה ההיפותטי שאחראי לעליית האינפלציה? אם האינפלציה התרחשה בשלב מסוים, האם זו תחילתו של תהליך מקיים את עצמו עקב ניפוח של תנודות מכניות קוונטיות, שיימשכו במקום אחר לגמרי, מרוחק מנקודה זו?
• 5. רב-יקום.האם ישנן סיבות פיזיקליות לקיומם של יקומים אחרים שאינם ניתנים לצפייה ביסודו? לדוגמה: האם יש "היסטוריות חלופיות" מכאניות קוונטיות או "עולמות רבים"? האם ישנם יקומים "אחרים" עם חוקים פיזיקליים הנובעים מדרכים חלופיות לשבירת הסימטריה הנראית לעין של כוחות פיזיקליים באנרגיות גבוהות, הממוקמים אולי רחוק להפליא בגלל האינפלציה הקוסמית? האם יקומים אחרים יכולים להשפיע על שלנו, ולגרום, למשל, לאנומליות בחלוקת הטמפרטורה של קרינת הרקע הקוסמית של המיקרוגל? האם מוצדק להשתמש בעיקרון האנתרופי כדי לפתור דילמות קוסמולוגיות גלובליות?
• 6. עקרון הצנזורה הקוסמית והשערת ההגנה על כרונולוגיה.האם ייחודויות שאינן מוסתרות מאחורי אופק האירועים, הידועות כ"ייחודיות עירומה", נובעות מתנאים ראשוניים מציאותיים, או שמא ניתן להוכיח גרסה כלשהי של "השערת הצנזורה הקוסמית" של רוג'ר פנרוז שמרמזת שזה בלתי אפשרי? לאחרונה הופיעו עובדות בעד חוסר העקביות של השערת הצנזורה הקוסמית, מה שאומר שייחודיות עירומה צריכות להתרחש לעתים קרובות הרבה יותר מאשר רק כפתרונות קיצוניים של משוואות קר-ניומן, אולם עדויות חותכות לכך טרם הוצגו. כמו כן, יהיו עקומות סגורות דמויות זמן שיופיעו בחלק מהפתרונות של משוואות היחסות הכללית (ואשר מרמזות על אפשרות של מסע בזמן אחורה) שאינן נכללות על ידי תורת הכבידה הקוונטית, המאחדת את תורת היחסות הכללית עם מכניקת הקוונטים, כפי שהוצע על ידי סטיבן. "השערת הגנה כרונולוגית" הוקינג?
• 7. ציר הזמן.מה יכולות לספר לנו תופעות הנבדלות זו מזו על ידי תנועה קדימה ואחורה בזמן על טבעו של הזמן? במה שונה זמן מהחלל? מדוע נצפות הפרות של CP רק בכמה אינטראקציות חלשות ולא בשום מקום אחר? האם הפרות של אינוריאנטיות CP הן תוצאה של החוק השני של התרמודינמיקה, או שהן ציר זמן נפרד? האם יש חריגים לעקרון הקשר הסיבתי? האם העבר היחיד האפשרי? האם הרגע הנוכחי שונה פיזית מהעבר והעתיד, או שהוא פשוט תוצאה של מאפייני התודעה? איך בני האדם למדו לנהל משא ומתן מהו הרגע הנוכחי? (ראה גם למטה אנטרופיה (ציר זמן)).
• 8. מָקוֹם.האם ישנן תופעות לא מקומיות בפיזיקה הקוונטית? אם הם קיימים, האם יש להם מגבלות בהעברת מידע, או: האם אנרגיה וחומר יכולים לנוע גם בדרך לא מקומית? באילו תנאים נצפות תופעות לא מקומיות? מה כרוכה בנוכחות או היעדר תופעות לא מקומיות עבור המבנה הבסיסי של מרחב-זמן? איך זה קשור להסתבכות קוונטית? כיצד ניתן לפרש זאת מנקודת מבט של פרשנות נכונה של הטבע היסודי של פיזיקת הקוונטים?
• 9. העתיד של היקום.האם היקום הולך לקראת הקפאה גדולה, קריעה גדולה, קראנץ' גדול או הקפצה גדולה? האם היקום שלנו הוא חלק מדפוס מחזורי שחוזר על עצמו בלי סוף?
• 10. בעיית ההיררכיה.מדוע כוח הכבידה הוא כוח כל כך חלש? הוא הופך להיות גדול רק בסולם פלאנק, עבור חלקיקים עם אנרגיות בסדר גודל של 10 19 GeV, שהוא הרבה יותר גבוה מהסקאלה האלקטרו-חלשה (בפיזיקה של אנרגיה נמוכה האנרגיה הדומיננטית היא 100 GeV). מדוע המאזניים האלה כל כך שונים זה מזה? מה מונע מכמויות בקנה מידה אלקטרו-חלש, כמו המסה של בוזון היגס, לקבל תיקונים קוונטיים על סולמות בסדר גודל של פלאנק? האם סופרסימטריה, מימדים נוספים או סתם כוונון עדין אנתרופי הם הפתרון לבעיה זו?
• 11. מונופול מגנטי.האם חלקיקים - נושאי "מטען מגנטי" - היו קיימים בתקופות עבר עם אנרגיות גבוהות יותר? אם כן, האם יש כאלה זמין היום? (פול דיראק הראה שנוכחותם של סוגים מסוימים של מונופולים מגנטיים יכולה להסביר כימות מטען.)
• 12. ריקבון פרוטונים והאיחוד הגדול.כיצד נוכל לאחד את שלושת אינטראקציות היסוד המכניות הקוונטיות השונות של תורת השדות הקוונטיים? מדוע הבריון הקל ביותר, שהוא פרוטון, יציב לחלוטין? אם הפרוטון אינו יציב, אז מה זמן מחצית החיים שלו?
• 13. סופר סימטריה.האם סופרסימטריה של החלל מתממשת בטבע? אם כן, מהו המנגנון לשבירת העל-סימטריה? האם סופרסימטריה מייצבת את סולם האלקטרו-חלש, ומונעת תיקונים קוונטיים גבוהים? האם החומר האפל מורכב מחלקיקים סופר-סימטריים בהירים?
• 14. דורות של חומר.האם יש יותר משלושה דורות של קווארקים ולפטונים? האם מספר הדורות קשור לממד המרחב? מדוע קיימים דורות בכלל? האם יש תיאוריה שיכולה להסביר את נוכחות המסה בכמה קווארקים ולפטונים בדורות בודדים בהתבסס על עקרונות ראשונים (תורת האינטראקציה של יוקאווה)?
• 15. סימטריה בסיסית וניטרינו.מה טיבם של הנייטרינים, מהי המסה שלהם וכיצד הם עיצבו את התפתחות היקום? מדוע כיום מתגלה ביקום יותר חומר מאשר אנטי-חומר? אילו כוחות בלתי נראים היו נוכחים בשחר היקום, אך נעלמו מהעין עם התפתחות היקום?
• 16. תורת השדות הקוונטיים.האם העקרונות של תורת השדות הקוונטיים המקומיים רלטיביסטיים תואמים את קיומה של מטריצת פיזור לא טריוויאלית?
• 17. חלקיקים חסרי מסה.מדוע חלקיקים חסרי מסה ללא ספין אינם קיימים בטבע?
• 18. כרומודינמיקה קוונטית.מהם מצבי השלב של חומר בעל אינטראקציה חזקה ואיזה תפקיד הם ממלאים במרחב? מהו המבנה הפנימי של נוקלונים? אילו תכונות של חומר בעל אינטראקציה חזקה חוזה QCD? מה שולט במעבר של קווארקים וגלואונים לפי-מזונים ונוקלאון? מה תפקידם של גלואונים ואינטראקציה של גלואון בגרעינים ובגרעינים? מה מגדיר את תכונות המפתח של QCD ומה הקשר שלהם לאופי הכבידה והמרחב-זמן?
• 19. גרעין אטום ואסטרופיזיקה גרעינית.מה טיבם של כוחות גרעיניים הקושרים פרוטונים וניוטרונים לגרעין יציבים ולאיזוטופים נדירים? מהי הסיבה לכך שחלקיקים פשוטים מתחברים לגרעין מורכב? מה טבעם של כוכבי נויטרונים וחומר גרעיני צפוף? מהו מקורם של אלמנטים בחלל? מהן התגובות הגרעיניות שמניעות כוכבים וגורמות להתפוצצותם?
• 20. אי של יציבות.מהו הגרעין היציב או הגררתי הכבד ביותר שיכול להתקיים?
• 21. מכניקת הקוונטים ועקרון ההתכתבות (נקרא לפעמים כאוס קוונטי).האם יש פרשנויות מועדפות למכניקת הקוונטים? כיצד התיאור הקוונטי של המציאות, הכולל אלמנטים כמו סופרפוזיציה קוונטית של מצבים וקריסת פונקציית גל או דה-קוהרנטיות קוונטית, מוביל למציאות שאנו רואים? ניתן לנסח את אותו הדבר באמצעות בעיית המדידה: מהי "המדידה" שגורמת לפונקציית הגל לקרוס למצב מסוים?
• 22. מידע פיזי.האם ישנן תופעות פיזיקליות, כמו חורים שחורים או קריסת פונקציית גלים, שהורסות לצמיתות מידע על המצבים הקודמים שלהן?
• 23. התיאוריה של הכל ("התיאוריות המאוחדות הגדולות").האם יש תיאוריה שמסבירה את הערכים של כל הקבועים הפיזיקליים הבסיסיים? האם יש תיאוריה שמסבירה מדוע אינווריאציה המדידה של המודל הסטנדרטי היא כפי שהיא, מדוע למרחב הנצפה יש מימדים של 3+1 ומדוע חוקי הפיזיקה הם כפי שהם? האם "קבועים פיזיים בסיסיים" משתנים עם הזמן? האם חלק מהחלקיקים במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים מורכב למעשה מחלקיקים אחרים הקשורים זה לזה בצורה כה הדוקה עד שלא ניתן לצפות בהם באנרגיות הניסוי הנוכחיות? האם ישנם חלקיקים יסודיים שטרם נצפו, ואם כן, מה הם ומהן תכונותיהם? האם יש כוחות יסוד בלתי ניתנים לצפייה שהתיאוריה מציעה שמסבירים בעיות בלתי פתורות אחרות בפיזיקה?
• 24. איווריות מד.האם יש באמת תיאוריות מד לא אבליות עם פער בספקטרום ההמונים?
• 25. סימטריית CP.מדוע סימטריית CP אינה נשמרת? מדוע הוא נשמר ברוב התהליכים הנצפים?
• 26. פיזיקה של מוליכים למחצה.תורת הקוונטים של מוליכים למחצה אינה יכולה לחשב במדויק קבוע בודד של מוליכים למחצה.
• 27. הפיזיקה הקוונטית.הפתרון המדויק של משוואת שרדינגר עבור אטומים רב-אלקטרונים אינו ידוע.
• 28. כשפותרים את הבעיה של פיזור שתי אלומות על מכשול אחד, חתך הפיזור מתברר כגדול לאין שיעור.
• 29. פיינמניום: מה יקרה ליסוד כימי שמספרו האטומי גבוה מ-137, כתוצאה מכך האלקטרון 1s 1 יצטרך לנוע במהירות העולה על מהירות האור (לפי מודל בוהר של האטום) ? האם פיינמניום הוא היסוד הכימי האחרון המסוגל להתקיים פיזית? הבעיה עשויה להופיע סביב אלמנט 137, שבו התפשטות חלוקת המטען הגרעיני מגיעה לנקודה הסופית שלה. עיין במאמר הטבלה המחזורית המורחבת של היסודות וסעיף ההשפעות היחסיות.
• 30. פיזיקה סטטיסטית.אין תיאוריה שיטתית של תהליכים בלתי הפיכים המאפשרת לבצע חישובים כמותיים עבור כל תהליך פיזיקלי נתון.
• 31. אלקטרודינמיקה קוונטית.האם יש השפעות כבידה הנגרמות מתנודות נקודת אפס של השדה האלקטרומגנטי? לא ידוע כיצד לעמוד בו-זמנית בתנאי סופיות התוצאה, אינווריות רלטיבית וסכום כל ההסתברויות החלופיות השוות לאחדות בעת חישוב האלקטרודינמיקה הקוונטית באזור התדר הגבוה.
• 32. בִּיוֹפִיסִיקָה.אין תיאוריה כמותית לקינטיקה של הרפיה קונפורמטיבית של מקרומולקולות חלבון והקומפלקסים שלהן. אין תיאוריה מלאה של העברת אלקטרונים במבנים ביולוגיים.
• 33. מוליכות על.אי אפשר לחזות תיאורטית, לדעת את המבנה וההרכב של חומר, אם הוא יעבור למצב מוליך עם ירידה בטמפרטורה.

משרד החינוך והמדע של הסוכנות הפדרלית לחינוך של הפדרציה הרוסית ירוסלבסקימדינה אוּנִיבֶרְסִיטָהאוֹתָם.<...>S.P. Zimin © ירוסלבסקימדינה אוּנִיבֶרְסִיטָה, 2007 2 תוכן בשאלת הערכת איכות מְשׁוּחזָר תמונות 7 <...>T.K. ארטיומובה, א.ס. Gvozdarev, E.A. קוזנצוב................................... 14 על השפעת הטעינה החשמלית על תנאי הפיתוח של הסעה תרמית פנימה נוזל שִׁכבָהעם משטח חופשי<...>א.א. עבדאללוב, E.Yu. Sautov∗ תקציר נושא הערכת האיכות נשקל מְשׁוּחזָר תמונות. <...>כרגע, המדד האובייקטיבי הפופולרי ביותר הוא שִׂיא יַחַסאות לרעש (SNR).<...>פ.ג. דמידובה מדגמנת אובייקט בסמוך רדיולוגיהעל פי תרשים הפיזור הביסטטי שלו<...>T.K. ארטיומובה, א.ס. Gvozdarev, E.A. קוזנצוב תקציר נבדקה האפשרות לזהות אובייקט לפי השדה המפוזר בו משימותליד הולוגרפיה רדיו. <...>כאשר (ψ~hs ) הם מקדמי התפשטות חדשים, ahs הם מוֹתֵחַ פִּזוּר, ופונקציות הבסיס (H hs ) נבחרות כך שהשדה המתקבל יעמוד בתנאי הקרינה של זומרפלד: 16 לים<...>אם לוקחים בחשבון שהצילינדר נחשב כמוליך מושלם, מוֹתֵחַ פִּזוּרניתן לייצג כמטריצה ​​אלכסונית:  a ρ Ar 0 0   hs<...>פ.ג. דמידובה על השפעת הטעינה החשמלית על תנאי הפיתוח של הסעה תרמית ב נוזל שִׁכבָהעם משטח חופשי<...>מבוא שאלת קביעת התנאים לפיתוח הסעה תרמית בא נוזל שִׁכבָהנחקר שוב ושוב בניסוחים שונים, כולל אלו שלוקחים בחשבון את האפשרות לפתח דפורמציה של צורת המשטח החופשי של הנוזל.<...>תנועה בנוזל עם שדה מהירות U (x, t) ועיוות גל של ההקלה של המשטח החופשי של הנוזל ξ (x, t), ויש להם אותו הדבר להזמין קצת, כמו ξ , כלומר: T ~ ρ ~ ​​​​p ~ U ~ ξ ~ kT γ .<...>E = − grad (Φ 0 (z) + Φ(x, z, t)), כאשר התיקון הקטן Φ(x, z, t) הקשור לעיוות הגל של המשטח החופשי<...>

בעיות_נוכחיות_של_פיסיקה._גיליון_6_אוסף_יצירות_מדעיות_של_מדענים_צעירים,_סטודנטים_תואר שני_וסטודנטים.pdf

משרד החינוך והמדע של הפדרציה הרוסית הסוכנות הפדרלית לחינוך אוניברסיטת מדינת ירוסלב על שם. פ.ג. דמידובה בעיות עכשוויות של הפיזיקה אוסף עבודות מדעיות של מדענים צעירים, סטודנטים לתארים מתקדמים וסטודנטים גיליון 6 ירוסלב 2007 1

עמוד 1

UDC 53 BBK V3ya43 A 44 מומלץ על ידי מועצת העריכה וההוצאה של האוניברסיטה כפרסום מדעי. תוכנית לשנת 2005 בעיות נוכחיות בפיזיקה: ש'. מַדָעִי tr. מדענים צעירים, סטודנטים לתארים מתקדמים וסטודנטים. גיליון 6 / נציג לכל גיליון דוקטור לפיזיקה ומתמטיקה Sciences S.P. זימין; ירוסל. מדינה univ. – Yaroslavl: YarSU, 2007. –262 עמ'. האוסף מציג מאמרים על תחומים שונים בפיזיקה, שנכתבו על ידי מדענים צעירים, סטודנטים לתארים מתקדמים וסטודנטים מהפקולטה לפיזיקה של אוניברסיטת ירוסלב. פ.ג. דמידובה. UDC 53 BBK V3ya43 האחראי על הנושא הוא דוקטור למדעי הפיזיקה והמתמטיקה S.P. Zimin © אוניברסיטת Yaroslavl State University, 2007 2

עמוד 2

תוכן בשאלת הערכת איכות התמונות המשוחזרות 7 א.א. עבדאללוב, E.Yu. סאוטוב ................................................ ....... ............... 7 מודלים של אובייקט ברדיולוגראפיה קרובה לפי תרשים הפיזור הביסטטי שלו T.K. ארטיומובה, א.ס. Gvozdarev, E.A. קוזנצוב................................... 14 על השפעת מטען חשמלי על התנאים לפיתוח של הסעה תרמית בשכבה נוזלית עם משטח חופשי D.F. Belonozhko, A.V. קוזין................................................ . ............... בוקוב, א.ס. לאונטייב ................................................ .......... ......... 31 תנודות לא-ציריות לא-סימטריות של סילון טעון של נוזל דיאלקטרי N.V. וורונינה ................................................ .......... ............................................ 39 יישום המכשיר של שרשראות MARKOV לחקר מערכת הסינכרון המחזורי במערכות OFDM I.A.Denezhkin, V.A.Chvalo................................................ .................................... 48 התקנת מיקרו-בקר להשגת הודוגרפים של מתח היציאה של ממיר EDY CURRENT א.ע. גלדון ................................................... ............................................................ .... 59 חישוב מגנט מעבדה מבוקרת מחשב S.A. גוליזין ................................................ ....................................................... 65 תכונות של מיקרואורלפיה של סרטי EPITAXIAL PbSe לאחר טיפול ב- ARGON PLASMA E.S. Gorlachev, S.V. קוטרובסקאיה ................................................ . ........ 72 3

עמוד 3

מערכת משולש לייזר אופטית באמינות גבוהה................................... ...................... ....... 78 E.V. דייוידנקו ................................................ ............................................................ ........ 78 קליטת קרינה אלקטרומגנטית על ידי הכתף האנושית בטווחי התדרים של תקשורת סלולרית ורדיו רלא V.V. דריאבינה, T.K. ארטיומובה ................................................ ....... ............ 86 השפעת עקמומיות חזית שלב על היחלשות השדה במהלך דיפרקציה על ידי סט מסכי ספיגה A.V. דימוב................................................ . ............................................ 94 השפעת הטמפרטורה תנאים על תנודות בועה בנוזל I.G. ז'רובה ................................................ ...................................................... 102 אופטימיזציה של אלגוריתם פרקטל לדחיסת תמונות סטטיות D.A .Zaramensky........................................ ................................................ 110 ניתוח היעילות של הערכת תדירות הספק והשלב הראשוני בזיהוי קונסטלציות של מניפולציה של שלב O. IN. קָרוֹן................................................. ...................................... 118 גלים תקופתיים לא ליניאריים בשכבה דקה של נוזל צמיג A. IN. קלימוב, א.ו. פריז'ניוק ................................................ ....... .......... 124 סיווג קודים עמידים להפרעות במערכות העברת מידע O.O. קוזלובה ................................................ ...................................................... 133 מחקר של ה מאפיינים מכניים של נוזל בשימוש בשיטה האופטית E.N. קוקומובה................................................ ...................................................... 138 אלגוריתם לזיהוי פקודות עם מוגבלות מילון א.וו. קונובלוב................................................ ...................................................... 144 4

עמוד 4

ניתוח של סנכרון כאוטי שלב של מערכות PLL מצמודות באמצעות טרנספורמציה מתמשכת של WAVELET Yu.N. קונובלובה, א.א. קוטוצ'יגוב, A.V. חודונין........................... 151 חשבונאות ההשפעה של סיבוב מגנטרון יו.V. קוסטריקינה ................................................ ........................................................ 159 תנודות לא-לינאריות של א שכבה טעונה של נוזל אידיאלי על פני ליבה כדורית מוצקה בשדה כוחות התנודות O.S. Kryuchkov. ..................................................................... .......................... 164 מחקר על המאפיינים האופטיים של מבני CrOx/Si M. Yu. ................................................ .. ................................ 172 שגיאות בעיצוב אלמנטים ממוקדים והשפעתם על איכות תמונת הרדיו א.ס. לאונטייב ................................................ .......... ............................ 176 שידור של הזרמת וידאו על גבי רשת IP עם עומס ערוץ משמעותי באמצעות אלגוריתם שחזור QoS V.G. מדבדב, V.V. Tupitsyn, E.V. Davydenko................................ 181 הסרת רעש מתמונות על בסיס טרנספורמציה של גל א.א. Moiseev, V.A. וולוחוב ................................................ . .............. 189 סינתזה של אלגוריתם להערכת הפרעות שברים בספקטרום האותות של ΔΣ-SYNTHESIZER של תדרי יציבות גבוהים M.V. נזרוב, ו.ג. שושקוב ................................................ .......... ..... 198 DYNAMICAL STATISTICAL OF PULSE PLL RING עם גלאי פאזה סטרובוסקופי V.Yu. נוביקוב, א.ס. טפרב, V.G. שושקוב ................................................ .. 209 יישום מסנני גלים חד-מימדיים תואמים בבעיה של זיהוי אותות דיבור S.A. נובוסלוב ................................................... ...................................................... 217 5

עמוד 5

מחקר של איהומוגניות בנוזלים A.V. פרמינוב ................................................ ...................................................... 224 תמונה תרמית דיגיטלית מבוססת על מכשיר קבלת תמונות FUR-129L A.I. טופניקוב, א.נ. פופוב, א.א. Selifontov................................ 231 תנודות של גלי מילימטר בקרקע-קרקע אטמוספירה סופגת סוערת E.N. טורקינה ................................................... ...................................................... 239 שימוש בזיהוי דיבור ואלגוריתמים של סינתזה ליצירת קוד דיבור יעיל S.V. אולדינוביץ'................................................ ...................................................... 246 חוסר יציבות אלקטרוסטטית פרמטרית של הממשק של שניים ENVIRONMENTS S.V. צ'רניקובה, א.ס. גולובנוב ................................................... ....... ....... 253 6

עמוד 6

בשאלת הערכת איכות התמונות המשוחזרות א.א. עבדאללוב, E.Yu. Sautov∗ תקציר נושא הערכת האיכות של תמונות משוחזרות נשקל. כדי להעריך עיוות חזותי, מוצע להשתמש במדד איכות אוניברסלי. שלא כמו אלגוריתמים דומים המבוססים על קריטריון השגיאה הריבועית הממוצעת, הגישה המוצעת לוקחת בחשבון עיוותים בהירות וניגודיות, כמו גם את מידת המתאם בין ההתייחסות לתמונות המשוחזרות. תוצאות הסימולציה מראות מתאם טוב של קריטריון זה עם האיכות החזותית של התמונות. מבוא עד כה, ההערכה האמינה ביותר של איכות התמונה נחשבת להערכת מומחה ממוצעת. אבל זה דורש עבודה רציפה של כמה אנשים ולכן הוא יקר ואיטי מדי לשימוש מעשי. במובן זה, קריטריונים לאיכות תמונה אובייקטיביים (אלגוריתמיים) עדיפים יותר, המאפשרים הערכות אוטומטיות. נכון לעכשיו, הדרישות הבאות מוטלות על מדדי איכות אובייקטיביים. ראשית, מדדים אלה צריכים להיות אמינים ויזואלית ככל האפשר, כלומר, להתאים היטב לתוצאות של הערכות סובייקטיביות. שנית, עליהם להיות בעלי מורכבות חישובית נמוכה, מה שמגביר את המשמעות המעשית שלהם. שלישית, רצוי שלמדדים אלו יהיו צורה אנליטית פשוטה ושהם יוכלו לשמש כקריטריונים אופטימליים בבחירת פרמטרים למערכת עיבוד תמונה. נכון לעכשיו, המדד האובייקטיבי הפופולרי ביותר הוא שיא יחס אות לרעש (PSNR). זה משמש בדרך כלל כדי להשוות אלגוריתמי עיבוד שונים. ∗ העבודה בוצעה בהנחיית V.V. קריאשצ'וב. 7

• תִרגוּם

המודל הסטנדרטי שלנו של חלקיקים ואינטראקציות אלמנטריים הפך לאחרונה לשלם ככל שניתן היה לרצות. כל חלקיק יסודי בודד - על כל צורותיו האפשריות - נוצר במעבדה, נמדד ונקבעו תכונותיו. המחזיקים לאורך זמן, הקווארק העליון, האנטי-קווארק, הטאו נייטרינו והאנטינוטרינו, ולבסוף בוזון ההיגס, נפלו קורבן ליכולות שלנו.

והאחרון - בוזון היגס - פתר גם בעיה ישנה בפיזיקה: לבסוף, אנו יכולים להדגים מאיפה חלקיקים יסודיים מקבלים את המסה שלהם!

כל זה מגניב, אבל המדע לא נגמר כשמסיימים לפתור את החידה הזו. להיפך, זה מעלה שאלות חשובות, ואחת מהן היא "מה הלאה?" לגבי המודל הסטנדרטי, אנחנו יכולים לומר שאנחנו עדיין לא יודעים הכל. ולרוב הפיזיקאים, שאלה אחת חשובה במיוחד - כדי לתאר אותה, הבה נבחן תחילה את התכונה הבאה של המודל הסטנדרטי.

מצד אחד, הכוחות החלשים, האלקטרומגנטיים והחזקים יכולים להיות חשובים מאוד, בהתאם לאנרגיות שלהם ולמרחקים שבהם מתרחשת האינטראקציה. אבל זה לא המקרה עם כוח המשיכה.

אנחנו יכולים לקחת כל שני חלקיקי יסוד - מכל מסה ונתונים לכל אינטראקציות - ולגלות שכוח הכבידה חלש ב-40 סדרי גודל מכל כוח אחר ביקום. המשמעות היא שכוח הכבידה חלש פי 10 פי 40 משלושת הכוחות הנותרים. לדוגמה, למרות שהם לא יסודיים, אם לוקחים שני פרוטונים ומפרידים ביניהם במטר, הדחייה האלקטרומגנטית ביניהם תהיה חזקה פי 10 40 ממשיכה הכבידה. או, במילים אחרות, אנחנו צריכים להגדיל את כוח הכבידה בגורם של 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 כדי להשתוות לכל כוח אחר.

במקרה זה, אתה לא יכול פשוט להגדיל את המסה של פרוטון פי 10 20 כך שכוח הכבידה מושך אותם יחד, ומתגבר על הכוח האלקטרומגנטי.

במקום זאת, כדי שתגובות כמו זו המוצגת לעיל יתרחשו באופן ספונטני כאשר פרוטונים מתגברים על הדחייה האלקטרומגנטית שלהם, עליך לרכז 10 56 פרוטונים. רק על ידי התאחדות ונכנעים לכוח הכבידה הם יכולים להתגבר על האלקטרומגנטיות. מסתבר ש-10 56 פרוטונים מהווים את המסה המינימלית האפשרית של כוכב.

זהו תיאור של איך היקום עובד - אבל אנחנו לא יודעים למה הוא עובד כמו שהוא עובד. מדוע כוח המשיכה חלש בהרבה מאינטראקציות אחרות? מדוע "מטען כבידה" (כלומר מסה) חלש בהרבה מחשמל או צבע, או אפילו חלש?

זו בעיית ההיררכיה, והיא, מסיבות רבות, הבעיה הכי לא פתורה בפיזיקה. איננו יודעים את התשובה, אך איננו יכולים לומר שאנו בורים לחלוטין. בתיאוריה, יש לנו כמה רעיונות טובים למציאת פתרון, וכלי למצוא ראיות לנכונותם.

עד כה, מאיץ ההדרונים הגדול - מתנגש האנרגיה הגבוהה ביותר - הגיע לרמות אנרגיה חסרות תקדים במעבדה, אסף חבילות של נתונים ושיחזר את מה שקרה בנקודות ההתנגשות. זה כולל יצירת חלקיקים חדשים שלא נראו עד כה (כגון בוזון היגס), והופעה של חלקיקים ישנים ומוכרים מהמודל הסטנדרטי (קווארקים, לפטון, בוזונים של מד). הוא גם מסוגל, אם הם קיימים, לייצר כל חלקיק אחר שאינו נכלל במודל הסטנדרטי.

יש ארבע דרכים אפשריות שאני מכיר - כלומר, ארבעה רעיונות טובים - לפתור את בעיית ההיררכיה. החדשות הטובות הן שאם הטבע יבחר באחד מהם, ה-LHC ימצא אותו! (ואם לא, החיפוש יימשך).

מלבד בוזון היגס, שנמצא לפני מספר שנים, לא נמצאו חלקיקים בסיסיים חדשים ב-LHC. (יתרה מכך, לא נצפים כלל מועמדים מסקרנים לחלקיקים חדשים). ובכל זאת, החלקיק שנמצא תאם במלואו לתיאור המודל הסטנדרטי; לא נראו רמזים מובהקים סטטיסטית לפיזיקה חדשה. לא לבוזונים מרוכבים של היגס, לא לחלקיקי היגס מרובים, לא להתפרקות לא סטנדרטית, שום דבר כזה.

אבל עכשיו התחלנו לקבל נתונים מאנרגיות גבוהות עוד יותר, פי שניים מהקודמות, עד 13-14 TeV, כדי למצוא משהו אחר. ומהם הפתרונות האפשריים והסבירים לבעיית ההיררכיה ברוח זו?

1) סופרסימטריה, או SUSY. סופרסימטריה היא סימטריה מיוחדת שיכולה לגרום למסה הרגילה של כל חלקיק גדול מספיק כדי שכוח המשיכה יהיה דומה להשפעות אחרות כדי לבטל זה את זה ברמת דיוק גבוהה. סימטריה זו מעידה גם על כך שלכל חלקיק במודל הסטנדרטי יש שותף לחלקיקי-על, ושקיימים חמישה חלקיקי היגס וחמשת שותפי העל שלהם. אם קיימת סימטריה כזו, יש לשבור אותה, או שלשותפי העל יהיו אותן מסות כמו חלקיקים רגילים והיו מוצאים מזמן.

אם SUSY קיים בקנה מידה מתאים לפתרון בעיית ההיררכיה, אזי ה-LHC, המגיע לאנרגיות של 14 TeV, צריך למצוא לפחות שותף-על אחד, כמו גם חלקיק היגס שני. אחרת, קיומם של שותפי-על כבדים מאוד יוביל בעצמו לבעיית היררכיה נוספת שלא יהיה לה פתרון טוב. (מעניין, היעדר חלקיקי SUSY בכל האנרגיות יפריך את תורת המיתרים, שכן סופרסימטריה היא תנאי הכרחי לתיאוריות מיתרים המכילות את המודל הסטנדרטי של חלקיקים אלמנטריים).

הנה הפתרון האפשרי הראשון לבעיית ההיררכיה, שכרגע אין לה הוכחות.

אפשר ליצור סוגרים זעירים סופר מקוררים מלאים בקריסטלים פיזואלקטריים (שמייצרים חשמל כאשר הם מעוותים), עם מרחקים ביניהם. טכנולוגיה זו מאפשרת לנו להטיל מגבלות של 5-10 מיקרון על מדידות "גדולות". במילים אחרות, כוח הכבידה פועל על פי התחזיות של תורת היחסות הכללית על סולמות הקטנים בהרבה ממילימטר. אז אם יש מימדים נוספים גדולים, הם נמצאים ברמות אנרגיה שאינן נגישות ל-LHC, וחשוב מכך, לא פותרים את בעיית ההיררכיה.

כמובן, לבעיית ההיררכיה עשוי להיות פתרון שונה לחלוטין שלא ניתן למצוא על מתנגשים מודרניים, או שאין פתרון כלל; זה פשוט עשוי להיות תכונה של הטבע ללא כל הסבר לכך. אבל המדע לא יתקדם בלי לנסות, וזה מה שהרעיונות והמשימות האלה מנסים לעשות: לדחוף את הידע שלנו על היקום קדימה. וכמו תמיד, עם תחילת הריצה השנייה של ה-LHC, אני מצפה לראות מה עשוי להופיע שם, מלבד בוזון היגס שכבר התגלה!

תגיות:

• כוח משיכה
• אינטראקציות בסיסיות
• טַנק

מַסָה

בפיזיקה

בנושא:

« בעיות של פיזיקה מודרנית»

נתחיל מהבעיה שמושכת כעת את תשומת הלב הגדולה ביותר של הפיזיקאים, שעליה, אולי, המספר הגדול ביותר של חוקרים ומעבדות מחקר ברחבי העולם פועלים - זוהי הבעיה של גרעין האטום, ובפרט, כפי שהוא ביותר. חלק רלוונטי וחשוב - מה שנקרא בעיית האורניום.

ניתן היה לקבוע כי אטומים מורכבים מגרעין בעל מטען חיובי כבד יחסית המוקף במספר מסוים של אלקטרונים. המטען החיובי של הגרעין והמטענים השליליים של האלקטרונים המקיפים אותו מבטלים זה את זה. בסך הכל האטום נראה נייטרלי.

מ-1913 עד כמעט 1930, פיזיקאים בחנו בקפידה את התכונות והביטויים החיצוניים של האטמוספירה של אלקטרונים המקיפה את גרעין האטום. מחקרים אלו הובילו לתיאוריה אחת ושלמה שגילתה חוקים חדשים של תנועת אלקטרונים באטום, שלא היו ידועים לנו בעבר. תיאוריה זו נקראת תיאוריית הקוונטים, או הגל, של החומר. נחזור אליו בהמשך.

משנת 1930 לערך, ההתמקדות העיקרית הייתה בגרעין האטום. הגרעין מעניין אותנו במיוחד מכיוון שכמעט כל מסת האטום מרוכזת בו. ומסה היא מדד למאגר האנרגיה שיש למערכת נתונה.

כל גרם של כל חומר מכיל אנרגיה ידועה בדיוק, ויותר מכך, אנרגיה משמעותית מאוד. לדוגמה, כוס תה ששוקלת כ-200 גרם מכילה כמות אנרגיה שתדרוש שריפת כמיליון טונות של פחם כדי להשיג אותה.

אנרגיה זו ממוקמת בדיוק בגרעין האטום, מכיוון ש-0.999 מכלל האנרגיה, כל מסת הגוף, מצויה בגרעין ורק פחות מ-0.001 מהמסה הכוללת ניתן לייחס לאנרגיה של אלקטרונים. מאגרי האנרגיה העצומים הממוקמים בגרעינים אינם ניתנים להשוואה לאף אחד מהם צורת אנרגיה כפי שהכרנו אותה עד עכשיו.

באופן טבעי, התקווה להחזיק באנרגיה זו מפתה. אבל כדי לעשות זאת, תחילה עליך ללמוד אותו ואז למצוא דרכים להשתמש בו.

אבל, בנוסף, הגרעין מעניין אותנו מסיבות אחרות. גרעין האטום קובע לחלוטין את כל טבעו, קובע את תכונותיו הכימיות ואת האינדיבידואליות שלו.

אם ברזל שונה מנחושת, מפחמן, מעופרת, אז ההבדל הזה טמון דווקא בגרעיני האטום, ולא באלקטרונים. לכל הגופים יש את אותם אלקטרונים, וכל אטום יכול לאבד חלק מהאלקטרונים שלו, עד כדי כך שניתן להפשיט את כל האלקטרונים מהאטום. כל עוד גרעין האטום עם המטען החיובי שלו שלם ובלתי משתנה, הוא תמיד ימשוך כמה אלקטרונים שצריך כדי לפצות על המטען שלו. אם לגרעין הכסף יש 47 מטענים, אז הוא תמיד יצמיד לעצמו 47 אלקטרונים. לכן, בזמן שאני מכוון לגרעין, אנחנו עוסקים באותו יסוד, באותו חומר. ברגע שהגרעין משתנה, יסוד כימי אחד הופך לאחר. רק אז יתגשם החלום הוותיק והנטוש מזמן על האלכימיה - הפיכתם של אלמנטים מסוימים לאחרים. בשלב הנוכחי של ההיסטוריה, החלום הזה התגשם, לא ממש בצורות ולא עם התוצאות שהאלכימאים ציפו להן.

מה אנחנו יודעים על גרעין האטום? הליבה, בתורה, מורכבת ממרכיבים קטנים עוד יותר. רכיבים אלו מייצגים את הגרעינים הפשוטים ביותר המוכרים לנו בטבע.

הגרעין הקל ביותר ולכן הפשוט ביותר הוא הגרעין של אטום המימן. מימן הוא היסוד הראשון בטבלה המחזורית עם משקל אטומי של בערך 1. גרעין המימן הוא חלק מכל שאר הגרעינים. אבל, מצד שני, קל לראות שכל הגרעינים אינם יכולים להיות מורכבים רק מגרעיני מימן, כפי שהניח פרוט לפני זמן רב, לפני יותר מ-100 שנה.

לגרעיני האטומים יש מסה מסוימת, הניתנת לפי משקל אטומי, ומטען מסוים. המטען הגרעיני מציין את המספר שאלמנט נתון תופס Vהמערכת המחזורית של מנדלייב.

מימן במערכת זו הוא היסוד הראשון: יש לו מטען חיובי אחד ואלקטרון אחד. ליסוד השני לפי הסדר יש גרעין עם מטען כפול, השלישי - עם מטען משולש וכו'. עד היסודות האחרון והכבד מכל, אורניום, שלגרעין שלו יש 92 מטענים חיוביים.

מנדלייב, תוך שיטתיות של החומר הניסיוני העצום בתחום הכימיה, יצר את הטבלה המחזורית. הוא כמובן לא חשד באותה תקופה בקיומם של גרעינים, אבל הוא לא חשב שסדר היסודות במערכת שיצר נקבע רק לפי מטען הגרעין ותו לא. מסתבר ששני המאפיינים הללו של גרעיני אטום - משקל אטומי ומטען - אינם תואמים למה שהיינו מצפים בהתבסס על ההשערה של פרוט.

אז, ליסוד השני - הליום יש משקל אטומי של 4. אם הוא מורכב מ-4 גרעיני מימן, אז המטען שלו צריך להיות 4, אבל בינתיים המטען שלו הוא 2, כי זה היסוד השני. לכן, אתה צריך לחשוב שיש רק 2 גרעיני מימן בהליום. אנו קוראים לגרעיני מימן פרוטונים. אבל בְּ- בנוסף, בגרעין ההליום יש עוד 2 יחידות מסה שאין להן מטען. המרכיב השני של הגרעין חייב להיחשב כגרעין מימן לא מטען. עלינו להבחין בין גרעיני מימן שיש להם מטען, או פרוטונים, לבין גרעינים שאין להם שום מטען חשמלי, ניטרליים, אנו קוראים להם נויטרונים.

כל הגרעינים מורכבים מפרוטונים ונויטרונים. להליום יש 2 פרוטונים ו-2 נויטרונים. לחנקן יש 7 פרוטונים ו-7 נויטרונים. לחמצן יש 8 פרוטונים ו-8 נויטרונים, לפחמן C יש פרוטונים ו-6 נויטרונים.

אבל אז הפשטות הזו קצת מופרת, מספר הנייטרונים הופך יותר ויותר בהשוואה למספר הפרוטונים, וביסוד האחרון ממש - אורניום יש 92 מטענים, 92 פרוטונים, ומשקלו האטומי הוא 238. כתוצאה מכך, עוד אחד 146 נויטרונים מתווספים ל-92 פרוטונים.

כמובן, אי אפשר לחשוב שמה שאנחנו יודעים ב-1940 הוא כבר השתקפות ממצה של העולם האמיתי והמגוון מסתיים בחלקיקים האלה, שהם אלמנטריים במובן המילולי של המילה. מושג האלמנטריות אומר רק שלב מסוים בחדירה שלנו למעמקי הטבע. אולם בשלב זה אנו יודעים את הרכב האטום רק עד היסודות הללו.

התמונה הפשוטה הזו למעשה לא הובנה כל כך בקלות. היינו צריכים להתגבר על סדרה שלמה של קשיים, שורה שלמה של סתירות, שגם ברגע זיהוין נראו חסרות סיכוי, אבל, כמו תמיד בתולדות המדע, התבררו כצדדים שונים של תמונה כללית יותר. , שהייתה סינתזה של מה שנראה כסתירה, ועברנו להבנה הבאה, מעמיקה יותר של הבעיה.

הקשיים החשובים ביותר התבררו כאלה: ממש בתחילת המאה שלנו כבר היה ידוע שחלקיקי b (התברר שהם גרעיני הליום) וחלקיקי b (אלקטרונים) עפים החוצה ממעמקי אטומים רדיואקטיביים (עדיין לא היה חשד לגרעין באותה תקופה). נראה היה שמה שעף החוצה מהאטום הוא מה שהוא מורכב ממנו. כתוצאה מכך, נראה היה שגרעיני האטומים מורכבים מגרעיני הליום ואלקטרונים.

הכשל של החלק הראשון של הצהרה זו ברור: ברור שאי אפשר להרכיב גרעין מימן מגרעיני הליום כבדים פי ארבעה: החלק אינו יכול להיות גדול מהשלם.

גם החלק השני של הצהרה זו התברר כלא נכון. אלקטרונים אכן נפלטים במהלך תהליכים גרעיניים, ובכל זאת אין אלקטרונים בגרעינים. נראה שיש כאן סתירה לוגית. האם זה כך?

אנו יודעים שאטומים פולטים אור, קוונטות אור (פוטונים).

מדוע הפוטונים הללו מאוחסנים באטום בצורת אור ומחכים לרגע להשתחרר? ברור שלא. אנו מבינים את פליטת האור בצורה כזו שהמטענים החשמליים באטום, הנעים ממצב אחד למשנהו, משחררים כמות מסוימת של אנרגיה, שהופכת לצורת אנרגיה קורנת, המתפשטת בחלל.

ניתן לעשות שיקולים דומים לגבי האלקטרון. מכמה סיבות, לא ניתן לאתר אלקטרון בגרעין האטום. אבל לא ניתן ליצור אותו בגרעין, כמו פוטון, כי יש לו מטען חשמלי שלילי. זה מבוסס היטב שמטען חשמלי, כמו אנרגיה וחומר בכלל, נשאר ללא שינוי; כמות החשמל הכוללת לא נוצרת בשום מקום ולא נעלמת לשום מקום. כתוצאה מכך, אם מטען שלילי נסחף, אז הגרעין מקבל מטען חיובי שווה. תהליך פליטת האלקטרונים מלווה בשינוי במטען של הגרעין. אבל הגרעין מורכב מפרוטופופים ונויטרונים, מה שאומר שאחד הנייטרונים הלא טעונים הפך לפרוטון בעל מטען חיובי.

אלקטרון שלילי אינדיבידואלי לא יכול להופיע ולא להיעלם. אבל שני מטענים מנוגדים יכולים, אם הם מתקרבים זה לזה במידה מספקת, לבטל זה את זה או אפילו להיעלם לחלוטין, ולשחרר את אספקת האנרגיה שלהם בצורה של אנרגיה קורנת (פוטונים).

מהם המטענים החיוביים האלה? ניתן היה לקבוע כי בנוסף לאלקטרונים שליליים, נצפים מטענים חיוביים בטבע וניתן ליצור אותם באמצעות מעבדות וטכנולוגיה, אשר על כל תכונותיהן: במסה, בגודל המטען, מתאימים למדי לאלקטרונים, אך יש רק מטען חיובי. אנו קוראים למטען כזה פוזיטרון.

לפיכך, אנו מבחינים בין אלקטרונים (שליליים) לבין פוזיטרונים (חיוביים), הנבדלים רק בסימן המטען ההפוך. ליד גרעינים יכולים להתרחש גם תהליכים של שילוב פוזיטרונים עם אלקטרונים ופיצול לאלקטרון ולפוזיטרון, כאשר אלקטרון יוצא מהאטום ופוזיטרון שנכנס לגרעין והופכים נויטרון לפרוטון. במקביל לאלקטרון יוצא גם חלקיק לא טעון, נייטרינו.

נצפים גם תהליכים בגרעין שבהם אלקטרון מעביר את המטען שלו לגרעין, הופך פרוטון לנייטרון, ופוזיטרון עף החוצה מהאטום. כאשר אלקטרון נפלט מאטום, המטען על הגרעין גדל באחד; כאשר נפלט פוזיטרון או פרוטון, המטען והמספר בטבלה המחזורית יורדים ביחידה אחת.

כל הגרעינים בנויים מפרוטונים טעונים ומנייטרונים לא טעונים. השאלה היא, באילו כוחות הם מוחזקים בגרעין האטום, מה מחבר אותם יחד, מה קובע את בנייתם ​​של גרעיני אטום שונים מהיסודות הללו?

שאלה דומה לגבי הקשר בין הגרעין לאלקטרונים באטום קיבלה תשובה פשוטה. המטען החיובי של הגרעין מושך אליו אלקטרונים שליליים על פי חוקי החשמל הבסיסיים, בדיוק כפי שהשמש מושכת את כדור הארץ וכוכבי לכת אחרים לעצמה על ידי כוחות כבידה. אבל בגרעין האטום, אחד החלקים המרכיבים הוא ניטרלי. איך הוא מתחבר לפרוטון הטעון חיובי ולנייטרונים אחרים? ניסויים הראו שהכוחות הקושרים שני נויטרונים זהים בגודלם בערך לכוחות הקושרים נויטרון עם פרוטון ואפילו 2 פרוטונים אחד עם השני. אלה אינם כוחות כבידה, לא אינטראקציות חשמליות או מגנטיות, אלא כוחות בעלי אופי מיוחד הנובעים ממכניקת הקוונטים, או הגלים.

אחד המדענים הסובייטים, I.E. "גמ"ש שיער שהחיבור בין נויטרון לפרוטון מסופק על ידי מטענים חשמליים - אלקטרונים ופוזיטרונים. הפליטה והבליעה שלהם אכן אמורות לתת כמה כוחות של חיבור בין פרוטון לנויטרון. אבל, כפי שהראו חישובים, כוחות אלה הם הרבה פעמים חלשים מאלה שקיימים בפועל בליבה ומספקים את כוחו.

ואז הפיזיקאי היפני יוקאווה ניסה להציג את הבעיה כך: מכיוון שהאינטראקציה באמצעות אלקטרונים ופוזיטרונים אינה מספיקה כדי להסביר כוחות גרעיניים, אז מהם החלקיקים שיספקו מספיק כוחות? והוא חישב שאם יימצאו בגרעין חלקיקים שליליים וחיוביים בעלי מסה גדולה פי 200 מפוזיטרון ואלקטרון, אז החלקיקים הללו יספקו את הרלוונטיות הנכונה של כוחות האינטראקציה.

לאחר זמן מה התגלו חלקיקים אלו בקרניים קוסמיות, אשר מגיעות מהחלל החיצון חודרות לאטמוספירה ונצפות על פני כדור הארץ, ובמרומי אלברוס, ואף מתחת לאדמה בעומק גדול למדי. מסתבר שקרניים קוסמיות, החודרות לאטמוספירה, יוצרות חלקיקים בעלי מטען שלילי וחיובי בעלי מסה גדולה פי 200 בערך ממסה של אלקטרון. חלקיקים אלה בו זמנית קלים פי 10 מהפרוטון והנייטרון (שכבדים בערך פי 2000 מהאלקטרון). לפיכך, מדובר בחלקיקים בעלי משקל "ממוצע". לכן הם נקראו מזוטרונים, או בקיצור מזוטרונים. קיומם כחלק מקרניים קוסמיות באטמוספירה של כדור הארץ הוא כעת מעבר לכל ספק.

אותו I.E. תמם חקר לאחרונה את חוקי תנועת המזון. מסתבר שיש להם תכונות מוזרות, מבחינות רבות אינן דומות לתכונות האלקטרונים והפוזיטרון. בהתבסס על תורת המסונים, הוא, יחד עם ל.ד. לנדאו יצר תיאוריה מעניינת ביותר של היווצרות נויטרונים ופרוטונים.

תמם ולנדאו מדמיינים שהנייטרון הוא פרוטון המחובר למסון שלילי. פרוטון טעון חיובי עם אלקטרון שלילי יוצר אטום מימן, המוכר לנו היטב. אבל אם במקום אלקטרון שלילי יש מסון שלילי, חלקיק כבד פי 200, בעל תכונות מיוחדות, אז שילוב כזה תופס הרבה פחות מקום ובכל תכונותיו תואם מאוד את מה שאנחנו יודעים על הנייטרון.

על פי השערה זו, מאמינים שנויטרון הוא פרוטון המזוהה עם מסון שלילי, ולהפך, פרוטון הוא נויטרון שמזוהה עם מסון חיובי.

כך, חלקיקים "אלמנטריים" - פרוטונים וניטרונים - לפני עינינו מתחילים להיפרד שוב ולחשוף את המבנה המורכב שלהם.

אבל אולי אפילו יותר מעניין היא שתיאוריה כזו שוב מחזירה אותנו לתיאוריה החשמלית של החומר, מופרעת על ידי הופעת נויטרונים. כעת שוב ניתן לקבוע כי כל היסודות של האטום והגרעין שלו שהיו ידועים לנו עד כה הם בעיקרם ממקור חשמלי.

עם זאת, אין לחשוב שבגרעין אנו פשוט עוסקים בחזרה על תכונותיו של אותו אטום.

עוברים מהניסיון שנצבר באסטרונומיה ובמכניקה לקנה המידה של האטום, ל-100 מיליוניות הסנטימטר, אנו מוצאים את עצמנו בעולם חדש שבו מופיעות תכונות פיזיקליות חדשות שלא נודעו בעבר של הפיזיקה האטומית. תכונות אלו מוסברות על ידי מכניקת הקוונטים.

זה טבעי לחלוטין לצפות, וככל הנראה הניסיון כבר מראה לנו את זה, שכאשר אנו עוברים לשלב הבא, לגרעין האטום, וגרעין האטום עדיין קטן פי 100 אלף מהאטום, אז כאן אנו מגלים אפילו חוקים חדשים וספציפיים תהליכים גרעיניים שאינם באים לידי ביטוי באופן ניכר לא באטום ולא בגופים גדולים.

אותה מכניקת הקוונטים, שמתארת ​​לנו בצורה מושלמת את כל תכונותיהן של מערכות אטום, מתבררת כלא מספקת ויש להשלים ולתקן אותה בהתאם לתופעות שנמצאות בגרעין האטום.

כל שלב כמותי כזה מלווה בביטוי של מאפיינים חדשים מבחינה איכותית. הכוחות המחברים את הפרוטון והנייטרון עם המסון אינם כוחות המשיכה האלקטרוסטטית, אך חוקי קולומב, המחברים את גרעין המימן עם האלקטרון שלו, הם כוחות בעלי אופי מורכב יותר, המתוארים על ידי התיאוריה של טאם.

כך נראה לנו כעת המבנה של גרעין האטום. בני זוג פייר ומארי קירי ב-1899. גילה את הרדיום וחקר את תכונותיו. אבל נתיב ההתבוננות, בלתי נמנע בשלב הראשון, מאחר שלא היה לנו אחר, הוא נתיב לא יעיל ביותר לפיתוח המדע.

התפתחות מהירה מובטחת על ידי האפשרות של השפעה פעילה על האובייקט הנחקר. התחלנו לזהות את גרעין האטום כאשר למדנו לשנות אותו באופן פעיל. זו תעוזה. לפני כ-20 שנה לפיזיקאי האנגלי המפורסם רתרפורד.

זה זמן רב ידוע שכאשר שני גרעיני אטום נפגשים, אפשר לצפות שהגרעינים ישפיעו זה על זה. אבל איך לבצע פגישה כזו? אחרי הכל, גרעינים טעונים חיובית. כאשר מתקרבים זה לזה, הם דוחים זה את זה הגדלים שלהם כל כך קטנים עד שכוחות הדחייה מגיעים לגדלים עצומים. יש צורך באנרגיה אטומית כדי להתגבר על הכוחות הללו ולאלץ גרעין אחד לפגוש אחר. כדי לצבור אנרגיה כזו, היה צורך להכריח את הגרעינים לעבור בהפרש פוטנציאל בסדר גודל של מיליון וולט. וכך, כאשר בשנת 1930 התקבלו צינורות חלולים, שבהם ניתן היה ליצור הפרשי פוטנציאל של יותר מ-0.5 מיליון V, הם שימשו מיד להשפעה על גרעיני אטום.

יש לומר שצינורות כאלה לא הושגו על ידי הפיזיקה של גרעין האטום, אלא על ידי הנדסת חשמל בקשר לבעיה של העברת אנרגיה למרחקים ארוכים.

חלום ותיק של הנדסת חשמל במתח גבוה הוא המעבר מזרם חילופין לזרם ישר. לשם כך, אתה צריך להיות מסוגל להמיר זרמי חילופין במתח גבוה לזרמים ישרים ולהיפך.

למטרה זו, שעדיין לא הושגה אפילו כעת, נוצרו צינורות שבהם גרעיני מימן עברו מעל 0.5 מיליון וולט וקיבלו אנרגיה קינטית גבוהה. הישג טכני זה נוצל מיד, ונעשה ניסיון בקיימברידג' לכוון את החלקיקים המהירים הללו לתוך גרעינים של אטומים שונים.

באופן טבעי, מחשש שדחייה הדדית לא תאפשר לגרעינים להיפגש, הם לקחו את הגרעינים עם המטען הנמוך ביותר. לפרוטון יש את המטען הקטן ביותר. לכן, בצינור חלול, זרימת גרעיני המימן עברה בהפרש פוטנציאל של עד 700 אלף וולט. בעתיד אפשרו לאנרגיה שמקבל מטען אלקטרונים או פרוטון לאחר מעבר 1 וולט להיקרא וולט אלקטרוני. פרוטונים, שקיבלו אנרגיה של כ-0.7 מיליון eV, הופנו לתכשיר המכיל ליתיום.

ליתיום תופס את המקום השלישי בטבלה המחזורית. משקלו האטומי הוא 7; יש לו 3 פרוטונים ו-4 נויטרונים. כאשר פרוטון נוסף ייכנס לגרעין הליתיום ויצטרף אליו, נקבל מערכת של 4 פרוטונים ו-4 נויטרונים, כלומר. היסוד הרביעי הוא בריליום במשקל אטומי של 8. גרעין בריליום כזה מתפרק לשני חצאים, שלכל אחד מהם משקל אטומי של 4 ומטען של 2, כלומר. הוא גרעין הליום.

אכן, זה מה שנצפה. כאשר הליתיום הופצץ בפרוטונים, נפלטו גרעיני הליום; יתרה מכך, אפשר לגלות ש-2 חלקיקי b עם אנרגיה של 8.5 מיליון eV כל אחד עפים החוצה בכיוונים מנוגדים בו-זמנית.

אנו יכולים להסיק שתי מסקנות מהניסיון הזה. ראשית, קיבלנו הליום ממימן ומליתיום. שנית, לאחר שבזבזנו פרוטון אחד עם אנרגיה של 0.5 מיליון eV (ואז התברר ש-70,000 eV היו מספיקים), קיבלנו 2 חלקיקים, שלכל אחד מהם יש 8.5 מיליון eV, כלומר. 17 מיליון eV.

בתהליך זה ביצענו, אם כן, תגובה המלווה בשחרור אנרגיה מגרעין האטום. לאחר שהוצאנו רק 0.5 מיליון eV, קיבלנו 17 מיליון - פי 35 יותר.

אבל מאיפה האנרגיה הזו? כמובן, חוק שימור האנרגיה אינו מופר. כמו תמיד, אנו עוסקים בהפיכה של סוג אחד של אנרגיה לאחר. הניסיון מלמד שאין צורך לחפש מקורות מסתוריים, שעדיין לא ידועים.

כבר ראינו שמסה מודדת את כמות האנרגיה האצורה בגוף. אם שחררנו אנרגיה של 17 מיליון eV, אז אנחנו צריכים לצפות שמאגר האנרגיה באטומים ירד, ולכן משקלם (מסה) שלהם ירד.

לפני ההתנגשות היה לנו גרעין ליתיום שמשקלו האטומי המדויק הוא 7.01819, ומימן שמשקלו האטומי הוא 1.00813; לכן, לפני הפגישה היה סכום של משקלים אטומיים של 8.02632, ולאחר ההתנגשות שוחררו 2 חלקיקי הליום, המשקל האטומי שלהם היה 4.00389. המשמעות היא שלשני גרעיני הליום יש משקל אטומי של 8.0078. אם נשווה את המספרים הללו, מתברר שבמקום סכום המשקלים האטומיים 8.026, נשאר 8.008; המסה ירדה ב-0.018 יחידות.

מסה זו אמורה להניב אנרגיה של 17.25 מיליון eV, אך למעשה נמדדו 17.13 מיליון. איננו יכולים לצפות לצרוף מקרים טוב יותר.

האם אנו יכולים לומר שפתרנו את בעיית האלכימיה - הפיכת יסוד אחד למשנהו - ואת בעיית השגת אנרגיה ממאגרים תוך-אטומיים?

P זה נכון ושקרי. לא נכון במובן המעשי של המילה. אחרי הכל, כשאנחנו מדברים על האפשרות לשנות אלמנטים, אנחנו מצפים שיתקבלו כמויות כאלה של החומר שאפשר לעשות איתם משהו. כך גם לגבי אנרגיה.

מליבה בודדת קיבלנו למעשה פי 35 יותר אנרגיה ממה שהוצאנו. אבל האם נוכל להפוך את התופעה הזו לבסיס לשימוש טכני במאגרי אנרגיה תוך גרעיניים?

למרבה הצער לא. מכל זרימת הפרוטונים, כאחד למיליון יתקל בגרעין ליתיום בדרך; 999,999 פרוטופופים אחרים נופלים לליבה ומבזבזים את האנרגיה שלהם. העובדה היא שה"ארטילריה שלנו יורה" זרמי פרוטונים לתוך גרעיני האטומים ללא "מראה". לכן מתוך מיליון רק אחד ייפול לגרעין; היתרה הכוללת אינה רווחית. כדי "להפציץ" את הגרעין, משתמשים במכונה ענקית הצורכת כמות גדולה של חשמל, והתוצאה היא כמה אטומים שנפלטים, שלא ניתן להשתמש באנרגיה שלהם אפילו לצעצוע קטן.

כך נראו הדברים לפני 9 שנים. כיצד התפתחה הפיזיקה הגרעינית עוד יותר? עם גילוי הנייטרונים, יש לנו קליע שיכול להגיע לכל גרעין, שכן אין ביניהם כוחות דחייה. הודות לכך, ניתן כיום לבצע תגובות בכל הטבלה המחזורית באמצעות נויטרונים. אין אלמנט אחד שאיננו יכולים להפוך לאחר. אנחנו יכולים, למשל, להפוך כספית לזהב, אבל בכמויות לא משמעותיות. התגלה שיש הרבה שילובים שונים של פרוטונים וניוטרונים.

מנדלייב דמיין שיש 92 אטומים שונים, שכל תא מתאים לסוג אחד של אטום ניקח את התא ה-17, תפוס על ידי כלור. לכן, כלור הוא יסוד שלגרעין שלו יש 17 מטענים; המספר בו יכול להיות 18 או 20; כל אלה יהיו גרעינים בנויים בצורה שונה עם משקלים אטומיים שונים, אך מכיוון שהמטענים שלהם זהים, אלו הם גרעינים של אותו יסוד כימי. אנחנו קוראים להם איזוטופים של כלור. מבחינה כימית, אי אפשר להבחין בין איזוטופים; זו הסיבה שמנדלייב חשד בקיומם. מספר הגרעינים השונים אפוא גדול בהרבה מ-92. אנו מכירים כיום כ-350 גרעינים יציבים שונים, הנמצאים ב-92 תאי הטבלה המחזורית, ובנוסף, כ-250 גרעינים רדיואקטיביים, אשר בעת ריקבון פולטים קרניים - פרוטונים, נויטרונים, פוזיטרונים, אלקטרונים, קרני g (פוטונים) וכו'.

בנוסף לאותם חומרים רדיואקטיביים הקיימים בטבע (אלה היסודות הכבדים ביותר בטבלה המחזורית), יש לנו כעת הזדמנות לייצר באופן מלאכותי כל חומר רדיואקטיבי, המורכב מאטומים קלים ומאטומים בינוניים וכבדים כאחד. בפרט, אנו יכולים לקבל נתרן רדיואקטיבי אם אנו אוכלים מלח שולחן, המכיל נתרן רדיואקטיבי, אז נוכל לעקוב אחר תנועת אטומי הנתרן הרדיואקטיביים בכל הגוף. אטומים רדיואקטיביים מסומנים שהם פולטים קרניים שאנו יכולים לזהות ובעזרתם להתחקות אחר דרכו של חומר נתון בכל אורגניזם חי.

באותו אופן, על ידי החדרת אטומים רדיואקטיביים לתרכובות כימיות, נוכל להתחקות אחר כל הדינמיקה של התהליך, את הקינטיקה של התגובה הכימית. שיטות קודמות קבעו את התוצאה הסופית של התגובה, אבל עכשיו אנחנו יכולים לצפות בכל מהלך שלה.

זה מספק כלי רב עוצמה למחקר נוסף בתחום הכימיה, ביולוגיה וגיאולוגיה; בחקלאות ניתן יהיה לעקוב אחר תנועת הלחות בקרקע, תנועת חומרי הזנה, העברתם לשורשי הצמחים וכו'. מה שלא יכולנו לראות ישירות עד עכשיו הופך לנגיש.

נחזור לשאלה האם ניתן להשיג אנרגיה ממאגרים תוך גרעיניים?

לפני שנתיים זה נראה כמו משימה חסרת סיכוי. נכון, היה ברור שמעבר לגבולות מה שהיה ידוע לפני שנתיים היה אזור עצום של הלא נודע, אבל

לא ראינו דרכים ספציפיות להשתמש באנרגיה גרעינית.

בסוף דצמבר 1938 התגלתה תופעה ששינתה לחלוטין את מצב הנושא. זוהי תופעת ריקבון האורניום.

ריקבון האורניום שונה באופן חד מתהליכי ריקבון רדיואקטיביים אחרים הידועים בעבר, שבהם חלקיק כלשהו - פרוטון, פוזיטרון, אלקטרון - עף החוצה מהגרעין. כאשר נויטרון פוגע בגרעין אורניום, ניתן לומר שהגרעין מתפרק לשני חלקים. במהלך תהליך זה, כפי שמתברר, נפלטים מהגרעין עוד כמה נויטרונים. וזה מוביל למסקנה הבאה.

תארו לעצמכם שנויטרון עף לתוך מסה של אורניום, פגש חלק מגרעיניו, פיצל אותו, משחרר כמות עצומה של אנרגיה, עד כ-160 מיליון eV, ובנוסף, גם 3 נויטרונים עפים החוצה, שיפגשו את האורניום השכן. גרעינים, מפצלים אותם, כל אחד מהם ישחרר שוב 160 מיליון eV ושוב ייתן 3 נויטרונים.

קל לדמיין איך התהליך הזה יתפתח. גרעין מבוקע אחד יפיק 3 נויטרונים. הם יגרמו לפיצול של שלושה חדשים, שכל אחד מהם ייתן 3 נוספים, יופיעו 9, ואז 27, ואז 81 וכו'. נויטרונים. ותוך שבריר שנייה לא משמעותי התהליך הזה יתפשט לכל המסה של גרעיני האורניום.

כדי להשוות את האנרגיה המשתחררת במהלך קריסת האורניום עם האנרגיות שאנו מכירים, הרשו לי לעשות השוואה זו. כל אטום של חומר דליק או נפיץ משחרר בערך 10 eV של אנרגיה, אבל כאן גרעין אחד משחרר 160 מיליון eV. כתוצאה מכך, האנרגיה כאן היא פי 16 מיליון יותר ממה שחומר הנפץ משתחרר. המשמעות היא שיהיה פיצוץ שעוצמתו גדול פי 16 מיליון מהפיצוץ של חומר הנפץ החזק ביותר.

לעתים קרובות, במיוחד בזמננו, כתוצאה בלתי נמנעת מהשלב האימפריאליסטי של התפתחות הקפיטליזם, הישגים מדעיים משמשים במלחמה להשמדת אנשים. אבל טבעי לנו לחשוב על השימוש בהם לטובת האדם.

מאגרי אנרגיה מרוכזים כאלה יכולים לשמש ככוח המניע לכל הטכנולוגיה שלנו. איך לעשות זאת היא כמובן משימה לא ברורה לחלוטין. למקורות אנרגיה חדשים אין טכנולוגיה מוכנה. נצטרך ליצור אותו שוב. אבל קודם כל, אתה צריך ללמוד איך לייצר אנרגיה. יש עדיין קשיים בלתי פתורים בדרך לכך.

אורניום נמצא במקום ה-92 בטבלה המחזורית, יש לו 92 מטענים, אבל יש כמה איזוטופים. לאחת יש משקל אטומי של 238, לאחרת - 234, לשלישית - 235. מכל האורניום השונים הללו, מפולת של אנרגיה יכולה להתפתח רק באורניום 235, אך רק 0.7% ממנה · כמעט 99% הוא אורניום-238, אשר יש את התכונה ליירט נויטרונים לאורך הדרך. נויטרון הנפלט מגרעין אורניום-235 לפני שהוא מגיע לגרעין אורניום-235 אחר ייירט על ידי גרעין אורניום-238. המפולת לא תגדל. אבל אי אפשר לנטוש משימה כזו בקלות. אחת הדרכים החוצה היא לייצר אורניום המכיל כמעט רק אורניום-235.

אולם עד כה ניתן היה להפריד איזוטופים רק בכמויות של שברירי מיליגרם, וכדי לבצע מפולת יש צורך בכמה טונות של אורניום-235. משברירי מיליגרם ועד כמה טונות, הדרך כל כך רחוקה שהיא נראית כמו מדע בדיוני ולא משימה אמיתית. אך גם אם איננו מכירים כיום אמצעים זולים ונרחבים להפרדת איזוטופים, אין זה אומר שכל הדרכים לכך סגורות. לכן, גם מדענים סובייטים וגם מדענים זרים עובדים כעת בשקידה על שיטות הפרדת איזוטופים.

אבל אפשרית גם דרך נוספת של ערבוב אורניום עם חומר הסופג מעט, אך מפזר מאוד ומאט את הנייטרונים. העובדה היא שנויטרונים איטיים, המפצלים אורניום-235, אינם נעצרים על ידי אורניום-238. המצב כרגע הוא כזה שגישה פשוטה לא מובילה למטרה, אבל עדיין יש אפשרויות שונות, מורכבות מאוד, קשות, אבל לא חסרות סיכוי. אם אחת מהדרכים הללו הייתה מובילה למטרה, אז, יש להניח, היא הייתה מחוללת מהפכה בכל הטכנולוגיה, שבמשמעותה הייתה עולה על הופעת מנוע הקיטור והחשמל.

לכן אין סיבה להאמין שהבעיה נפתרה, שכל מה שאנחנו צריכים לעשות זה ללמוד להשתמש באנרגיה וניתן לזרוק את כל הטכנולוגיה הישנה לפח. שום דבר כזה. ראשית, איננו יודעים עדיין כיצד להפיק אנרגיה מאורניום, ושנית, אם ניתן היה להפיק p, אז השימוש בו ידרוש הרבה זמן ועבודה. מאחר שמאגרים אדירים אלה של אנרגיה קיימים בגרעינים, אפשר לחשוב שבמוקדם או במאוחר יימצאו דרכים להשתמש בהם.

בדרך לחקר בעיית האורניום, נעשה מחקר מעניין ביותר באיחוד. זוהי עבודתם של שני מדענים סובייטים צעירים - חבר קומסומול פלרוב והפיזיקאי הסובייטי הצעיר פטרז'ק. תוך כדי לימוד תופעת ביקוע האורניום, הם הבחינו שאורניום מתפרק מעצמו ללא כל השפעה חיצונית. 10 מיליון קרני אלפא שאורניום פולט, רק 6 מתאימות לשברים מהדעיכה שלו. ניתן היה להבחין ב-0 החלקיקים הללו בין 10 מיליון אחרים רק עם התבוננות נהדרת ואמנות ניסויית יוצאת דופן.

שני פיזיקאים צעירים יצרו ציוד שהיה רגיש פי 40 מכל מה שידוע עד כה, ובו בזמן כל כך מדויק שהם יכלו להקצות בביטחון ערך אמיתי ל-6 הנקודות הללו מתוך 10 מיליון. ואז ברצף ו הם בדקו באופן שיטתי את מסקנותיהם וביססו היטב את התופעה החדשה של ריקבון ספונטני של אורניום.

עבודה זו יוצאת דופן לא רק בשל תוצאותיה, בשל התמדתה, אלא בשל העדינות של הניסוי, אלא בשל כושר ההמצאה של המחברים. בהתחשב בכך שאחד מהם בן 27 והשני בן 32, אז אפשר לצפות מהם להרבה. עבודה זו הוגשה לפרס סטלין.

התופעה שגילו פלרוב ופייטרזק מראה שאלמנט 92 אינו יציב. נכון, יעברו 1010 שנים עד שמחצית מכל גרעיני האורניום הזמינים יקרסו. אבל מתברר מדוע הטבלה המחזורית מסתיימת באלמנט זה.

אלמנטים כבדים יותר יהיו אפילו יותר לא יציבים. הם נהרסים מהר יותר ולכן לא שרדו לנו. זה שוב אושר על ידי ניסיון ישיר. אנחנו יכולים לייצר 93 - ה' ואלמנט 94, אבל יש להם אורך חיים קצר מאוד, פחות מ-1000 שנים.*

לכן, כפי שאתה יכול לראות, לעבודה זו יש חשיבות מהותית. לא רק שעובדה חדשה התגלתה, אלא שאחת מתעלומות הטבלה המחזורית הובהרה.

חקר גרעין האטום פתח סיכויים לשימוש ברזרבות תוך-אטומיות, אך עד כה לא נתן לטכנולוגיה שום דבר ממשי. נראה שכן. אבל למעשה, כל האנרגיה שאנו משתמשים בה בטכנולוגיה היא כולה אנרגיה גרעינית. למעשה, מאיפה אנו מקבלים את האנרגיה מפחם, נפט, מאיפה תחנות כוח הידרואלקטריות מקבלות את האנרגיה שלהן?

אתה יודע היטב שאנרגיית קרני השמש, הנספגת בעלים הירוקים של צמחים, מאוחסנת בצורת פחם, קרני השמש, מתאדות מים, מעלה אותם ושופכים אותם בצורת גשם בגבהים, ב. בצורת נהרות הרים הם מספקים אנרגיה לתחנות הידרואלקטריות.

כל סוגי האנרגיה שאנו משתמשים בה מתקבלים מהשמש. השמש פולטת כמות עצומה של אנרגיה לא רק כלפי כדור הארץ, אלא לכל הכיוונים, ויש לנו סיבה לחשוב שהשמש קיימת כבר מאות מיליארדי שנים. אם מחשבים כמה אנרגיה נפלטה בזמן הזה, נשאלת השאלה – מאיפה האנרגיה הזו, מהיכן מקורה?

כל מה שיכולנו להמציא קודם התברר כלא מספק, ורק עכשיו נראה שאנחנו מקבלים את התשובה הנכונה. מקור האנרגיה לא רק מהשמש, אלא גם מכוכבים אחרים (השמש שלנו אינה שונה מכוכבים אחרים בהקשר זה) הן תגובות גרעיניות. במרכז הכוכב, הודות לכוחות הכבידה, יש לחץ אדיר וטמפרטורה גבוהה מאוד - 20 מיליון מעלות. בתנאים כאלה, גרעיני האטומים מתנגשים לעתים קרובות זה בזה, ובמהלך התנגשויות אלו מתרחשות תגובות גרעיניות, שאחת הדוגמאות שלהן היא הפצצת ליתיום עם פרוטונים.

גרעין מימן מתנגש בגרעין פחמן במשקל אטומי 12, ומייצר חנקן 13, שהופך לפחמן 13, הפולט פוזיטרון חיובי. ואז הפחמן החדש 13 מתנגש בגרעין מימן אחר, וכן הלאה. מה שבסופו של דבר אתה הוא אותו פחמן 12 שהתחיל את העניינים. פחמן כאן עבר רק שלבים שונים והשתתף רק כזרז. אבל במקום 4 גרעיני מימן, בסוף התגובה הופיע גרעין הליום חדש ושני מטענים חיוביים נוספים.

בתוך כל הכוכבים, הרזרבות הזמינות של מימן מומרות להליום באמצעות תגובות כאלה, וכאן הגרעינים הופכים מורכבים יותר. מגרעיני המימן הפשוטים ביותר נוצר היסוד הבא - הליום. כמות האנרגיה המשתחררת במקרה זה, כפי שמראה חישובים, מתאימה בדיוק לאנרגיה שנפלטת מהכוכב. בגלל זה כוכבים לא מתקררים. הם כל הזמן ממלאים את אספקת האנרגיה שלהם, כמובן, כל עוד יש אספקה ​​של מימן.

בהתפרקות האורניום, אנו מתמודדים עם קריסת גרעינים כבדים והפיכתם לקלים הרבה יותר.

במעגל תופעות הטבע אנו רואים אפוא שני חוליות קיצוניות - הכבדות מתפרקות, הקלות מתאחדות, כמובן, בתנאים שונים לחלוטין.

כאן עשינו את הצעד הראשון לקראת בעיית האבולוציה של היסודות.

אתה רואה שבמקום מוות תרמי, שנחזה על ידי הפיזיקה של המאה הקודמת, ניבא, כפי שאנגלס ציין, ללא נימוקים מספקים, בהתבסס על חוקי התופעות התרמיות בלבד, לאחר 80 שנה הופיעו תהליכים הרבה יותר חזקים המצביעים על לנו סוג של מחזור אנרגיה בטבע, לעובדה שבמקומות מסוימים יש סיבוך, ובמקומות אחרים ריקבון החומר.

הבה נעבור כעת מגרעין האטום לקליפה שלו, ולאחר מכן לגופים גדולים המורכבים ממספר עצום של אטומים.

כאשר הם למדו לראשונה שאטום מורכב מגרעין של אלקטרונים p, נדמה היה שהאלקטרונים היו הבסיסיים ביותר, הפשוטים ביותר מכל התצורות כמות החומר, אלא כמות האנרגיה שיש לחומר.

אז, ידענו את המטען של האלקטרון, ידענו את המסה שלו, ומכיוון שלא ידענו שום דבר אחר עליו, נראה היה שאין מה לדעת יותר. כדי לייחס לו צורה מבוזרת, מעוקבת, מוארכת או שטוחה, היה צורך שיהיו כמה סיבות, אבל לא היו סיבות. לכן, הוא נחשב לכדור בגודל 2 x 10 אינץ' 2 ס"מ לא היה ברור איך מטען זה ממוקם: על פני הכדור או מילוי נפחו?

כאשר למעשה התקרבנו לאלקטרונים באטום והתחלנו לחקור את תכונותיהם, הפשטות לכאורה הזו החלה להיעלם.

כולנו קראנו את ספרו הנפלא של לנין "מטריאליזם ואימפיריו-ביקורת", שנכתב ב-1908, כלומר. בתקופה שבה נראה היה שהאלקטרונים הם המטענים היסודיים הפשוטים והבלתי ניתנים לחלוקה. ואז הצביע לנין על כך שהאלקטרון לא יכול להיות היסוד האחרון בהכרת הטבע שלנו, שבאלקטרון, עם הזמן, יתגלה זן חדש, לא ידוע לנו כבר אז. תחזית זו, כמו כל התחזיות האחרות של V.I. לנין בספר הנפלא הזה כבר היה מוצדק. לאלקטרון יש מומנט מגנטי. התברר שהאלקטרון הוא לא רק מטען, אלא גם מגנט. נמצא גם שיש לו מומנט סיבובי, מה שנקרא ספין. יתר על כן, התברר שאמנם האלקטרון נע סביב הגרעין, כמו כוכבי לכת מסביב לשמש, אך בניגוד לכוכבי לכת, הוא יכול לנוע רק לאורך מסלולים קוונטיים מוגדרים היטב, יכול להיות בעל אנרגיות מוגדרות היטב ולא ביניים.

התברר שזו תוצאה של העובדה שעצם תנועת האלקטרונים באטום דומה במעורפל מאוד לתנועת כדור במסלולו. חוקי תנועת האלקטרונים קרובים יותר לחוקי התפשטות הגלים, כמו גלי אור.

תנועת האלקטרונים, מסתבר, מצייתת לחוקי תנועת הגלים, המהווים את התוכן של מכניקת הגלים. זה מכסה לא רק את תנועת האלקטרונים, אלא גם כל מיני חלקיקים קטנים למדי.

כבר ראינו שאלקטרון בעל מסה קטנה יכול להפוך למסון בעל מסה גדולה פי 200, ולהפך, המסון מתפורר ומופיע אלקטרון בעל מסה פחותה פי 200. אתה רואה שהפשטות של האלקטרון נעלמה.

אם אלקטרון יכול להיות בשני מצבים: עם אנרגיה נמוכה ועם אנרגיה גבוהה, אז זה לא גוף כל כך פשוט. כתוצאה מכך, הפשטות של האלקטרון בשנת 1908 הייתה פשטות לכאורה, המשקפת את חוסר הידע שלנו. זה מעניין כאחת הדוגמאות לראיית הנולד המבריקה של הפילוסופיה המדעית הנכונה שהובעה על ידי מאסטר מדהים כל כך ששלט בשיטה הדיאלקטית כמו לנין.

אבל האם לחוקי תנועת האלקטרונים באטום בגודל 100 מיליוניות הסנטימטר יש משמעות מעשית?

אופטיקה אלקטרונית שפותחה בשנים האחרונות מגיבה לכך. מכיוון שתנועת האלקטרון מתרחשת על פי חוקי התפשטות גלי האור, זרימות האלקטרון אמורות להתפשט בערך באותו אופן כמו קרני האור. ואכן, תכונות כאלה התגלו באלקטרודות.

בדרך זו ניתן בשנים האחרונות לפתור בעיה מעשית חשובה ביותר - ליצור מיקרוסקופ אלקטרונים. המיקרוסקופ האופטי נתן לאדם תוצאה בעלת חשיבות עצומה. די לזכור שכל ההוראה על חיידקים ועל המחלות שהם גורמים, כל שיטות הטיפול בהם מבוססות על אותן עובדות שניתן לראות במיקרוסקופ. בשנים האחרונות הופיעו מספר סיבות לחשוב שהעולם האורגני אינו מוגבל לחיידקים, שישנן כמה תצורות חיות שמידותיהן קטנות בהרבה מחיידקים. וכאן נתקלנו במכשול בלתי עביר לכאורה.

מיקרוסקופ משתמש בגלי אור. בעזרת גלי האור, לא משנה באיזו מערכת עדשות אנו משתמשים, אי אפשר לחקור אובייקטים קטנים פי כמה מגל האור.

אורך הגל של האור הוא ערך קטן מאוד, הנמדד בעשיריות המיקרון. מיקרון הוא אלפית המילימטר. המשמעות היא שניתן לראות ערכים של 0.0002 - 0.0003 מ"מ במיקרוסקופ טוב, אך לא ניתן לראות אפילו קטנים יותר. המיקרוסקופ הוא חסר תועלת כאן, אבל רק בגלל שאנחנו לא יודעים לעשות מיקרוסקופים טובים, אלא בגלל שכזה טבעו של האור.

מהי הדרך הטובה ביותר לצאת? יש צורך באור עם אורך גל קצר יותר. ככל שאורך הגל קצר יותר, כך נוכל לראות עצמים קטנים יותר. מספר סיבות גרמו לנו לחשוב שישנם אורגניזמים קטנים שאינם נגישים למיקרוסקופ ובכל זאת בעלי חשיבות רבה בעולם הצומח והחי, הגורמים למספר מחלות. אלו הם מה שנקרא וירוסים, ניתנים לסינון ואינם ניתנים לסינון. הם לא זוהו על ידי גלי אור.

זרימות אלקטרונים דומות לגלי אור. ניתן לרכז אותן באותו אופן, כמו קרני אור, וליצור מראית עין שלמה של אופטיקה. זה נקרא אופטיקה אלקטרונית. בפרט, אפשר גם ליישם מיקרוסקופ אלקטרונים, כלומר. אותו מכשיר שייצור תמונה מוגדלת מאוד של עצמים קטנים באמצעות אלקטרונים. את תפקיד המשקפיים ישחקו שדות חשמליים ומגנטיים, הפועלים על תנועת אלקטרונים, כמו עדשה על קרני אור. אבל אורכם של גלי אלקטרונים קצר פי 100 מגלי אור, ולפיכך, בעזרת מיקרוסקופ אלקטרונים ניתן לראות גופים קטנים פי 100, לא פי 10 אלפיות המילימטר, אלא מיליונית המילימטר ומיליית המילימטר. של מילימטר זה כבר גודל של מולקולות גדולות.

ההבדל השני הוא שאנו רואים אור בעיניים, אך איננו יכולים לראות אלקטרון. אבל זה לא פגם כל כך גדול. אם אנחנו לא רואים את האלקטרונים, אז ניתן לראות בבירור את המקומות שבהם הם נופלים. הם גורמים למסך להאיר או ללוח הצילום להשחיר, ואנחנו יכולים ללמוד תצלום של האובייקט. נבנה מיקרוסקופ אלקטרוני, וקיבלנו מיקרוסקופ עם הגדלה לא של 2000-3000, אלא של פי 150-200 אלף, המסמן עצמים קטנים פי 100 מאלה שנגישים למיקרוסקופ אופטי. וירוסים הפכו מיד מהשערה לעובדה. אתה יכול ללמוד את ההתנהגות שלהם. אתה יכול אפילו לראות את קווי המתאר של מולקולות מורכבות. כך, קיבלנו כלי רב עוצמה חדש לחקר הטבע.

ידוע כמה עצום היה תפקידו של המיקרוסקופ בביולוגיה, כימיה ורפואה. הופעתו של נשק חדש אולי תגרום לצעד משמעותי עוד יותר קדימה ותפתח בפנינו אזורים חדשים, שלא היו ידועים בעבר. קשה לחזות מה יתגלה בעולם הזה של מיליוניות המילימטר, אבל אפשר לחשוב שזהו שלב חדש במדעי הטבע, הנדסת החשמל ועוד הרבה תחומי ידע.

כפי שאתה יכול לראות, משאלות של תיאוריית הגלים של החומר עם הוראותיו המוזרות והחריגות, עברנו במהירות לתוצאות אמיתיות וחשובות מעשית.

אופטיקה אלקטרונית משמשת לא רק ליצירת סוג חדש של מיקרוסקופ. הערך שלו גדל במהירות רבה. עם זאת, אסתפק רק בדוגמה ליישום שלה.

מכיוון שאני מדבר על הבעיות המודרניות ביותר של הפיזיקה, לא אסביר את תורת האטום, שהושלמה ב-1930: היא דווקא בעיה של אתמול.

אנו מתעניינים כעת כיצד אטומים מתאחדים ויוצרים גופים פיזיים שניתן לשקול אותם על מאזניים, ניתן לחוש את חמימותם, גודלם או קשיותם, ואיתם אנו מתמודדים בחיים, בטכנולוגיה וכו'.

כיצד באות לידי ביטוי תכונות האטומים במוצקים? קודם כל, מסתבר שחוקים קוונטיים שהתגלו באטומים בודדים שומרים על תחולתם המלאה על גופים שלמים. הן באטומים בודדים והן בגוף כולו, אלקטרונים תופסים רק עמדות מוגדרות מאוד ויש להם רק אנרגיות מסוימות, מאוד מוגדרות.

אלקטרון באטום יכול להיות רק במצב תנועה מסוים, ויתרה מכך, בכל מצב כזה יכול להיות רק אלקטרון אחד. לא יכולים להיות שני אלקטרונים באטום שנמצאים באותם מצבים. זהו גם אחד ההוראות העיקריות של תורת האטום.

לכן, כאשר אטומים מתחברים בכמויות עצומות, ויוצרים גוף מוצק - גביש, אז בגופים כל כך גדולים לא יכולים להיות שני אלקטרונים שיתפסו את אותו מצב.

אם מספר המצבים הזמינים לאלקטרונים שווה בדיוק למספר האלקטרונים, אז כל מצב תפוס על ידי אלקטרון אחד ולא נותרו מצבים חופשיים. בגוף כזה, אלקטרונים קשורים. כדי שהם יתחילו לנוע בכיוון מסוים, ליצור זרימה של חשמל, או זרם חשמלי, כך שבמילים אחרות, הגוף מוליך זרם חשמלי, יש צורך שהאלקטרונים ישנו את מצבם. בעבר הם עברו ימינה, אך כעת עליהם לזוז, למשל, שמאלה; בהשפעת כוחות חשמליים, האנרגיה חייבת לגדול. כתוצאה מכך, מצב התנועה של האלקטרון חייב להשתנות, ולשם כך יש צורך ללכת למצב אחר, שונה מהקודם, אך זה בלתי אפשרי, מכיוון שכל המצבים כבר תפוסים. גופים כאלה אינם מציגים תכונות חשמליות כלשהן. אלו הם מבודדים ששום זרם לא יכול לזרום בהם למרות העובדה שיש כמות עצומה של אלקטרונים.

קח מקרה אחר. מספר המקומות הפנויים גדול בהרבה ממספר האלקטרונים שנמצאים שם. אז האלקטרונים חופשיים. אלקטרונים בגוף כזה, למרות שאין יותר מהם מאשר במבודד, יכולים לשנות את מצבם, לנוע בחופשיות ימינה או שמאלה, להגדיל או להקטין את האנרגיה שלהם וכו'. גופים כאלה הם מתכות.

כך, אנו מקבלים הגדרה פשוטה מאוד של אילו גופים מוליכים זרם חשמלי ואילו הם מבודדים. הבדל זה מכסה את כל התכונות הפיזיקליות והפיזיקליות של מוצק.

במתכת, האנרגיה של אלקטרונים חופשיים גוברת על האנרגיה התרמית של האטומים שלה. אלקטרונים נוטים להגיע למצב עם האנרגיה הנמוכה ביותר האפשרית. זה קובע את כל המאפיינים של המתכת.

היווצרות תרכובות כימיות, למשל אדי מים ממימן וחמצן, מתרחשת ביחסים מוגדרים בהחלט, הנקבעים לפי ערכיות - אטום חמצן אחד מתחבר עם שני אטומי מימן, שני ערכיות של אטום חמצן רוויות בשני ערכיות של שני אטומי מימן.

אבל במתכת המצב שונה. סגסוגות של שתי מתכות יוצרות תרכובות לא כאשר הכמויות שלהן ביחס לערכיות שלהן, אלא כאשר, למשל, כאשר היחס בין מספר האלקטרונים במתכת נתונה למספר האטומים במתכת זו הוא 21:13. אין כמו ערכיות בתרכובות האלה; תרכובות נוצרות כאשר האלקטרונים מקבלים הכי פחות אנרגיה, כך שתרכובות כימיות במתכות נקבעות במידה הרבה יותר על פי מצב האלקטרונים מאשר על ידי כוחות הערכיות של האטומים. בדיוק באותו אופן, מצב האלקטרונים קובע את כל התכונות האלסטיות, החוזק והאופטיקה של המתכת.

בנוסף לשני מקרים קיצוניים: מתכות שכל האלקטרונים שלהן חופשיים ומבודדים, שכל המצבים בהם מלאים באלקטרונים ולא נצפים שינויים בפיזור שלהם, ישנו גם מגוון עצום של גופים שאינם מוליכים זרם חשמלי כמו גם מתכת, אבל גם לא הם לא מבצעים את זה לגמרי. אלה מוליכים למחצה.

מוליכים למחצה הם תחום רחב ומגוון מאוד של חומרים. כל החלק האנאורגני של הטבע סביבנו, כל המינרלים, כל אלה הם מוליכים למחצה.

איך קרה שכל תחום הידע העצום הזה עדיין לא נחקר על ידי איש? עברו רק 10 שנים מאז שהתחלנו לעבוד על מוליכים למחצה. למה? כי, בעיקר, לא היה להם יישום בטכנולוגיה. אך לפני כ-10 שנים נכנסו המוליכים למחצה לראשונה להנדסת החשמל, ומאז החלו להשתמש בהם במהירות יוצאת דופן במגוון רחב של ענפי הנדסת חשמל.

ההבנה של מוליכים למחצה מבוססת כולה על תיאוריית הקוונטים שהוכיחה את עצמה כל כך פורייה בחקר האטום האינדיבידואלי.

הרשו לי להפנות את תשומת לבכם לצד אחד מעניין של החומרים הללו. בעבר, גוף מוצק היה מיוצג בצורה זו. אטומים משולבים למערכת אחת, הם לא מחוברים באופן אקראי, אבל כל אטום משולב עם אטום שכן במיקומים כאלה, במרחקים כאלה, שבהם האנרגיה שלהם תהיה מינימלית.

אם זה נכון לגבי אטום אחד, אז זה נכון לגבי כל האחרים. לכן, כל הגוף בכללותו חוזר שוב ושוב על אותם סידורים של אטומים במרחק מוגדר בהחלט זה מזה, כך שמתקבל סריג של אטומים הממוקמים באופן קבוע. התוצאה היא גביש עם קצוות מוגדרים היטב וזוויות מוגדרות בין הקצוות. זהו ביטוי של סדר פנימי בסידור של אטומים בודדים.

עם זאת, תמונה זו היא משוערת בלבד. למעשה, תנועה תרמית והתנאים האמיתיים של צמיחת גבישים מובילים לכך שאטומים בודדים נקרעים ממקומם למקומות אחרים, חלק מהאטומים יוצאים החוצה ומורחקים אל הסביבה. אלו הן הפרעות בודדות במקומות מבודדים, אך הן מובילות לתוצאות חשובות.

מסתבר שמספיק להגדיל את כמות החמצן הכלול בתחמוצת קופרוס, או להפחית את כמות הנחושת ב-1%, כך שהמוליכות החשמלית תגדל פי מיליון וכל שאר התכונות משתנות בצורה דרמטית. לפיכך, שינויים קטנים במבנה של חומר גוררים שינויים עצומים בתכונותיו.

באופן טבעי, לאחר שלמדנו את התופעה הזו, נוכל להשתמש בה כדי לשנות במודע מוליכים למחצה בכיוון שאנו רוצים, לשנות את המוליכות החשמלית, התרמית, המגנטית ואחרות שלהם לפי הצורך כדי לפתור בעיה נתונה.

בהתבסס על תורת הקוונטים ולמידה מהניסיון שלנו במעבדה ומפעל הייצור, אנו מנסים לפתור בעיות טכניות הקשורות למוליכים למחצה.

בטכנולוגיה, מוליכים למחצה שימשו לראשונה במיישרי AC. אם צלחת נחושת מתחמצנת בטמפרטורה גבוהה, ויוצרת עליה תחמוצת נחושת, אז לצלחת כזו יש תכונות מעניינות מאוד. כאשר זרם עובר בכיוון אחד, ההתנגדות שלו קטנה, ומתקבל זרם משמעותי. כאשר זרם עובר בכיוון ההפוך, הוא יוצר התנגדות עצומה, והזרם בכיוון ההפוך מתברר כזניח.

נכס זה שימש את המהנדס האמריקאי גרונדהל כדי "לתקן" זרם חילופין. זרם חילופין משנה את כיוונו 100 פעמים בשנייה; אם אתה מציב צלחת כזו בנתיב הזרם, אז זרם מורגש זורם רק בכיוון אחד. לזה אנחנו קוראים תיקון נוכחי.

בגרמניה החלו לשמש לוחות ברזל מצופים בסלניום למטרה זו. התוצאות שהושגו באמריקה ובגרמניה שוחזרו כאן; פותחה טכנולוגיה לייצור במפעל של כל המיישרים המשמשים את התעשייה האמריקאית והגרמנית. אבל, כמובן, זו לא הייתה המשימה העיקרית. היה צורך, תוך שימוש בידע שלנו על מוליכים למחצה, כדי לנסות ליצור מיישרים טובים יותר.

הצלחנו במידה מסוימת. B.V. קורצ'טוב וי.א. Dunaev הצליח ליצור מיישר חדש שהולך הרבה יותר ממה שידוע בטכנולוגיה זרה. מיישר תחמוצת נחושת, שהוא לוח ברוחב של כ-80 מ"מ ואורך 200 מ"מ, מיישר זרמים בסדר גודל של 10-15 A.

נחושת היא חומר יקר ודל, אבל מיישרים דורשים הרבה מאוד טונות של נחושת.

מיישר קורצ'טוב הוא כוס אלומיניום קטנה אליה יוצקים חצי גרם גופרית נחושת ואשר נסגרת בפקק מתכת עם בידוד נציץ. זה הכל. מיישר כזה לא צריך להיות מחומם בתנורים, והוא מתקן זרמים בסדר גודל של 60 A. קלות, נוחות ועלות נמוכה מעניקים לו יתרון על פני סוגים הקיימים בחו"ל.

בשנת 1932, לאנגה בגרמניה הבחינה כי לאותה תחמוצת נחושת יש את התכונה ליצור זרם חשמלי כאשר הוא מואר. זהו תא פוטו מוצק. בניגוד לאחרים, הוא יוצר זרם ללא סוללות. כך, אנו מקבלים אנרגיה חשמלית מאור – מכונה פוטו-אלקטרית, אך כמות החשמל המתקבלת קטנה מאוד. בתאים סולאריים אלו, רק 0.01-0.02% מאנרגיית האור מומרת לאנרגיית זרם חשמלי, אך עדיין לנגה בנה מנוע קטן שמסתובב בעת חשיפה לשמש.

כמה שנים לאחר מכן, הופק בגרמניה תא פוטו-סלניום, המפיק כ-3-4 פעמים יותר זרם מאשר תא תחמוצת קופרוס, ויעילותו מגיעה ל-0.1%.

ניסינו לבנות תא פוטו מתקדם עוד יותר, ש-B.T. קולומיץ ויו.פ. מסלקובץ. תא הפוטו שלהם מייצר זרם פי 60 יותר מתחמוצת קופרוס, ופי 15-20 יותר מסלניום. זה גם מעניין במובן זה שהוא מייצר זרם מקרני אינפרא אדום בלתי נראות. הרגישות שלו כל כך גדולה שהתברר שנוח להשתמש בו לקולנוע סאונד במקום בסוגי תאי הפוטו שהיו בשימוש עד כה.

לתאים סולאריים קיימים יש סוללה שיוצרת זרם גם ללא תאורה; זה גורם לפצפוצים ולרעשים תכופים ברמקול הפוגעים באיכות הצליל. תא הפוטו שלנו אינו מצריך סוללה כלשהי. הכוח האלקטרומני נוצר על ידי תאורה; אם אין אור, אז לזרם אין מאיפה להגיע. לכן, מתקני סאונד המופעלים על ידי תאי פוטו אלו מייצרים צליל ברור. ההתקנה נוחה גם בדרכים אחרות. מכיוון שאין סוללה, אין צורך בחיבור חוטים, מתבטלים מספר מכשירים נוספים, מפל הגברת צילום וכו'.

כנראה שתאי הצילום הללו מציעים כמה יתרונות לקולנוע. מזה כשנה, מיצב כזה פועל בתיאטרון הדגמה בבית הקולנוע של לנינגרד, וכעת, בעקבות זאת, עוברים לאלו בתי הקולנוע המרכזיים בנבסקי פרוספקט - "טיטאן", "אוקטובר", "אורורה". תאי צילום.

הרשו לי להוסיף לשתי הדוגמאות הללו שלישית, שעדיין לא הושלמה כלל, - השימוש במוליכים למחצה עבור תרמו-אלמנטים.

אנו משתמשים בצמדים תרמיים כבר זמן רב. הם עשויים ממתכות למדידת הטמפרטורה ואנרגיית הקרינה של גופים זוהרים או מחוממים; אבל בדרך כלל הזרמים מהתרמו-אלמנטים הללו חלשים ביותר, הם נמדדים על ידי גלוונומטרים. מוליכים למחצה מייצרים EMF גבוה בהרבה ממתכות רגילות, ולכן מייצגים יתרונות מיוחדים עבור תרמו-אלמנטים שרחוקים מלהיות בשימוש.

אנו מנסים כעת להשתמש במוליכים למחצה שאנו לומדים עבור תרמו-אלמנטים והשגנו הצלחה מסוימת. אם מחממים צד אחד של הצלחת הקטנה שיצרנו ב-300-400°, זה נותן זרם של כ-50 A ומתח של כ-0.1 V.

זה זמן רב ידוע שניתן להשיג זרמים גבוהים מאלמנטים תרמויים, אך בהשוואה למה שהושג בכיוון זה בחו"ל, בגרמניה, למשל, המוליכים למחצה שלנו מספקים הרבה יותר.

המשמעות הטכנית של מוליכים למחצה אינה מוגבלת לשלוש הדוגמאות הללו. מוליכים למחצה הם החומרים העיקריים עליהם בנויות אוטומציה, מערכות אזעקה, שליטה טלפונית וכו'. ככל שהאוטומציה גדלה, כך גם היישומים המגוונים של מוליכים למחצה הולכים וגדלים. עם זאת, משלוש הדוגמאות הללו, נראה לי שניתן לראות שפיתוח התיאוריה מתגלה כטוב ביותר לפרקטיקה.

אבל התיאוריה קיבלה התפתחות כה משמעותית רק בגלל שפיתחנו אותה על בסיס פתרון בעיות מעשיות, תוך עמידה בקצב המפעלים. היקף הייצור הטכני העצום, הצרכים הדחופים שההפקה מציגה, מעוררים מאוד עבודה תיאורטית, מאלצים אותנו לצאת מקשיים בכל מחיר ולפתור בעיות שכנראה היו ננטשות בלעדיה.

אם אין לנו בעיה טכנית לפנינו, אנחנו, חוקרים את התופעה הפיזיקלית שמעניינת אותנו, מנסים להבין אותה, בודקים את הרעיונות שלנו בניסויי מעבדה; יחד עם זאת, לפעמים אפשר למצוא את הפתרונות הנכונים ולוודא שהם נכונים. לאחר מכן אנו מדפיסים את העבודה המדעית, בהתחשב במשימה שלנו שהושלמה. אם? בכל פעם שתיאוריה אינה מוצדקת או שמתגלות תופעות חדשות שאינן משתלבות בה, אנו מנסים לפתח ולשנות את התיאוריה. לא תמיד ניתן לכסות את כל מגוון החומר הניסיוני. לאחר מכן אנו רואים ביצירה כישלון ולא מפרסמים את המחקר שלנו. אולם לא פעם בתופעות אלו שאיננו מבינים טמון משהו חדש שאינו משתלב בתיאוריה, המחייב לנטוש אותו ולהחליפו בגישה שונה לחלוטין לסוגיה ובתיאוריה אחרת.

ייצור המוני אינו סובל פגמים. הטעות תשפיע מיידית על המראה של גחמות בייצור. עד שלא יובן היבט כלשהו של העניין, המוצר הטכני אינו טוב ואינו ניתן לשחרור. בכל מחיר, עלינו לברר הכל ולכסות את אותם תהליכים שטרם הוסברו בתיאוריה הפיזיקלית. אנחנו לא יכולים לעצור עד שנמצא הסבר, ואז יש לנו תיאוריה שלמה, הרבה יותר עמוקה.

לשילוב של תיאוריה ופרקטיקה, לשגשוג המדע, אין בשום מקום תנאים נוחים כמו במדינה הראשונה של הסוציאליזם.