Принцип швейцарского физика Вольфганга Паули является одним из важнейших в современной физике, благодаря которому микромир (квантовый мир) является устойчивым. Его сущность заключается в том, что электроны в атоме находятся на «орбитах» с возрастающей энергией, а не «скатываются» все в одно состояние с минимальной энергии. В.Паули показал, что две частицы, входящие в класс фермионов (электроны, протоны, нейтроны), не могут располагаться на одной и той же орбите, если они имеют одинаковые квантовые числа. Электроны, например, обладают квантовым числом, называемым спином, который может быть направлен вверх или вниз. Таким образом, на орбите может находиться не более двух электронов с противоположно направленными спинами.
Советские физики А.Ю.Игнатьев и В.А.Кузьмин 1 из Института ядерных исследований АНСССР опубликовали описание простой модели, которая допускает нахождение в одном состоянии двум идентичным фермионам. Позже теоретики О.Гринберг и Р.Мохапатра из Мэрилендского университета в Колледж-Парке создали релятивистскую теорию поля, в которой заложено небольшое нарушение принципа Паули. В новой теории в редких случаях допускается существование «аномальных» состояний, в которых два идентичных фермиона одновременно могут находиться в одном квантовом состоянии.
Следствием этой теории, по мнению О.Гринберга, может быть доказательство правильности теории струн. Теория суперструн 2 допускает, что элементарная частица представляется не квантово механическим (точечным объектом), а в виде струны. Так как струна является протяженным объектом, она может колебаться подобно обычной скрипичной струне. Гармоничные, или нормальные колебания, моды колебаний определяются натяжением струны. В квантовой механике волны и частицы – это взаимодополняющие описания одного и того же объекта, поэтому каждая колебательная мода струны соответствует какой-то частице. Частота колебаний определяет энергию и, следовательно, массу этой частицы. Известные элементарные частицы интерпретируются как различные колебательные моды единой струны. Теория суперструны соединяет теорию струны с математической теорией суперсимметрии 3. В ней не только удается избежать обычных трудностей, возникающих при объединении гравитации с квантовой механикой, но и появляется возможность рассматривать само существование всех четырех фундаментальных взаимодействий: сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного.
По мнению сегодняшних специалистов в области квантовой физики все же покушение на принцип Паули остается условным и трудно интерпретируемым. На рис. 2.1.4. показаны энергетические уровни четырех взаимодействий.
|
1- Сильное взаимодействие; 2- слабое взаимодействие; 3- электромагнитное взаимодействие; 4- гравитационное взаимодействие; 5- электрослабое взаимодействие; 6- Теория Великого Объединения; 7- Теория Суперобъединения (Всего).
Атомы представляет собой весьма сложный вещественный мир, формирующий собственные структуры самородных металлов железа, меди, золота, серебра, платиноидов и т.д. С каждым годом открывается наличие новых атомарных структур, о существовании которых раньше не подозревали. Расширяется круг самородных элементов, которые характеризуют определенные физико-химические параметры среды их образования и, видимо, все элементы вплоть до Z = 82 окажутся способными формировать атомарные структуры.
Образование специфических атомарных структур с определенной пространственной ориентировкой в них атомов приводит к формированию отличных свойств. Например, графит и алмаз, состоящие из одних и тех же атомов углерода, но образующие разную структуру. Графит – мягкое вещество, а алмаз представляет собой самое твердое вещество, установленное в естественных условиях существования минеральных видов.
Таким образом, свойства атомов, объединяющиеся в определенные структуры, приобретают новые – структурно-вещественные качества, которыми полнится наш окружающий мир. Однако вещественный атомный мир, способный формировать свои пространственные структуры, уступает по своей распространенности, сложности и множественности построения структур молекулярным миром.
Ссылки
