Номер 4, страница 272 - гдз по физике 11 класс учебник Жилко, Маркович

4. Какие научные открытия положены в основу квантово-полевой картины мира?

Квантово-полевая картина мира является синтезом трех фундаментальных физических теорий: специальной теории относительности, квантовой механики и классической теории поля. В ее основу легли следующие ключевые научные открытия и концепции:

• Идея поля в классической физике (Фарадей, Максвелл, XIX век): Концепция о том, что взаимодействия (например, электромагнитные) передаются не мгновенно, а через посредника — поле, которое пронизывает все пространство. Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле, стали прототипом для всех последующих полевых теорий.
• Специальная теория относительности (А. Эйнштейн, 1905 г.): Эта теория объединила пространство и время в единый четырехмерный континуум и установила предельную скорость передачи взаимодействий, равную скорости света. Она также вывела знаменитую формулу эквивалентности массы и энергии $E=mc^2$. Квантовая теория поля является релятивистской, то есть ее уравнения инвариантны относительно преобразований Лоренца, что позволяет описывать частицы, движущиеся с околосветовыми скоростями, а также процессы рождения и уничтожения частиц.
• Квантовая гипотеза (М. Планк, 1900 г.): Планк предположил, что энергия излучается и поглощается не непрерывно, а дискретными порциями — квантами. Энергия кванта пропорциональна частоте излучения: $E = h\nu$. Это открытие положило начало квантовой эпохе в физике и ввело идею дискретности на фундаментальном уровне.
• Корпускулярная природа света (А. Эйнштейн, 1905 г.): Объясняя явление фотоэффекта, Эйнштейн предположил, что свет состоит из частиц-квантов, названных позже фотонами. Это стало первым примером квантования поля — электромагнитного. Фотон — это квант электромагнитного поля.
• Корпускулярно-волновой дуализм (Л. де Бройль, 1924 г.): Де Бройль выдвинул гипотезу, что не только свет, но и все частицы материи (электроны, протоны и др.) обладают как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Длина волны частицы связана с ее импульсом соотношением $\lambda = h/p$. Эта идея стала центральной для квантовой механики и легла в основу представления о частицах как о возбуждениях (квантах) соответствующих полей.
• Создание квантовой механики (В. Гейзенберг, Э. Шрёдингер, М. Борн, 1925-1926 гг.): Был разработан математический аппарат для описания микромира. Уравнение Шрёдингера описывало эволюцию волновой функции, а принцип неопределенности Гейзенберга установил фундаментальный предел точности одновременного измерения сопряженных величин (например, координаты и импульса).
• Релятивистское уравнение для электрона и предсказание антиматерии (П. Дирак, 1928 г.): Дирак создал уравнение, объединившее квантовую механику и специальную теорию относительности для описания электрона. Важнейшим следствием этого уравнения стало предсказание существования античастицы для электрона — позитрона, который обладает той же массой, но противоположным зарядом. Возможность рождения и аннигиляции пар частица-античастица является одним из ключевых положений квантовой теории поля.
• Разработка квантовой электродинамики (Р. Фейнман, Дж. Швингер, С. Томонага, 1940-е гг.): Это первая последовательная и экспериментально подтвержденная квантовая теория поля, описывающая взаимодействие электронов и фотонов. Ученые разработали метод перенормировок для устранения бесконечностей, возникавших в расчетах, что позволило достичь высочайшей точности предсказаний. Успех КЭД стал триумфом квантово-полевого подхода.

Таким образом, квантово-полевая картина мира описывает Вселенную как совокупность фундаментальных квантовых полей, а все наблюдаемые частицы — как кванты возбуждения этих полей. Взаимодействия между частицами рассматриваются как обмен квантами полей-переносчиков.

Ответ: В основу квантово-полевой картины мира положены: специальная теория относительности А. Эйнштейна, квантовая гипотеза М. Планка, концепция корпускулярно-волнового дуализма Л. де Бройля, формализм квантовой механики (уравнение Шрёдингера, принцип неопределенности Гейзенберга), релятивистское уравнение П. Дирака, предсказавшее антиматерию, и создание квантовой электродинамики, описывающей взаимодействие частиц через обмен квантами поля.