(4 оценок, среднее: 4,75 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Доклад: Принцип запрета Паули
Австрийский физик Вольфганг Паули — один из нескольких европейских физиков-теоретиков, сформулировавших в конце 1920-х — начале 1930-х годов главные принципы и постулаты квантовой механики. Принцип, носящий его имя, является одним из основополагающих в этом разделе физической науки. Проще всего представить для себя, в чем конкретно заключается принцип Паули, если сопоставить электроны с авто на многоярусной скрытой стоянке. В любой бокс помещается лишь одна машинка, а опосля того, как все боксы на нижнем этаже стоянки заняты, карам приходится в поисках вольного места заезжать на последующий этаж. Так же и электроны в атомах — на каждой орбите вокруг ядра их помещается не больше, чем там имеется «парковочных мест», а опосля того, как все места на орбите заняты, последующий электрон отыскивает для себя пространство на наиболее высочайшей орбите.
Дальше, электроны ведут себя, условно говоря, так, как будто они вращаются вокруг собственной оси (другими словами, владеют своим моментом вращения, который в этом случае принято именовать спином и который может принимать только два значения: +1/2 либо –1/2). Два электрона с обратным спином могут занимать одно пространство на орбите. Это, как если б в один бокс помещались сразу машинка с правым рулем и машинка с левым рулем, а две машинки с схожим расположением руля не помещались. Вот почему в первом ряду повторяющейся системы Менделеева мы лицезреем всего два атома (водород и гелий): на нижней орбите отведено всего одно сдвоенное пространство для электронов с обратным спином. На последующей орбите помещается уже восемь электронов (четыре со спином –1/2, и четыре со спином +1/2), потому во 2-м ряду таблицы Менделеева мы лицезреем уже восемь частей. И так дальше.
Снутри стареющих звезд температура так высока, что атомы в главном находятся в ионизированном состоянии, и электроны свободно передвигаются меж ядрами. И тут опять срабатывает принцип запрета Паули, но уже в видоизмененной форме. сейчас он говорит, что в определенном пространственном объеме может сразу находиться не наиболее 2-ух электронов с обратным спином и определенными интервалами максимально допустимых скоростей. Но картина резко меняется опосля того, как плотность вещества снутри звезды превзойдет пороговое воды; спичечный коробок такового вещества весит около 100 тонн). При таковой плотности принцип Паули начинает выражаться в быстром росте внутреннего давления в звезде. Это доп давление вырожденного электрического газа, и его проявлением становится тот факт, что гравитационный кризис старенькой звезды останавливается опосля того, как она сжимается до размеров, сравнимых с размерами Земли. Такие звезды именуют белоснежными лилипутами, и это крайняя стадия эволюции звезд с массой, близкой к массе Солнца (см. Предел Чандрасекара).
Выше я обрисовал действие запрета Паули применительно к электронам, но он действует и в отношении всех простых частиц с полуцелым спиновым числом (1/2, 3/2, 5/2 и т. д.). А именно, спиновое число нейтрона равно, как и у электрона, 1/2. Это означает, что нейтронам, как и электронам, требуется определенное «актуальное место» вокруг себя. Если масса белоснежного лилипута превосходит 1,4 массы Солнца (см. Предел Чандрасекара), силы гравитационного притяжения принуждают протоны и электроны снутри звезды попарно объединяться в нейтроны. Но тогда нейтроны, подобно электронам в белоснежных лилипутах, начинают создавать внутренне давление, которое именуется давлением вырожденного нейтронного газа, и в этом случае гравитационный кризис звезды останавливается на стадии образования нейтронной звезды, поперечник которой сравним с размерами огромного городка. Но при еще большей массе звезды (начиная приблизительно с тридцатикратной массы Солнца) силы гравитации сламывают и сопротивление вырожденного нейтронного газа, и звезды коллапсируют далее, превращаясь в темные дыры.
Принцип запрета Паули представляет собой броский пример закона природы новейшего типа, и по мере развития компьютерных технологий такие «неявные» законы будут безизбежно играться всё огромную роль. законы этого типа принципно различаются от законов традиционной физики, таковых как законы движения Ньютона, — они не предвещают, что произойдет в системе. Заместо этого они определяют, чего же в системе не может произойти. Конкретно их биолог и структурный теоретик Харольд Моровиц (Harold Morowitz, р. 1927) именовал «правилами отсечения»: такие правила, а именно, принцип запрета Паули сводятся к тому, что при решении самых сложных и всеохватывающих заморочек (а расчет орбит электронов в сложных атомов к таким, непременно, относится) следует запрограммировать комп таковым образом, чтоб он даже не разглядывал заранее неосуществимые варианты решения. Тем такое правило отсекает от ствола вероятных решений задачки заранее мертвые ветки, оставляя только допустимые способности для ее решения, по этому время компьютерных расчетов сокращается до разумных пределов. Таковым образом, правила, подобные принципу запрета Паули, стают всё наиболее необходимыми, так как мы всё больше зависим от компов в решении самых сложных и всеохватывающих заморочек.
Эффект Паули
Ранее ученые масштаба Исаака Ньютона либо Майкла Фарадея удачно соединяли внутри себя способности экспериментаторов и теоретиков — сами проводили опыты по исследованию разных качеств физического мира и сами же разрабатывали теории для разъяснения приобретенных ими опытным методом результатов. Те времена прошли. Приблизительно с начала ХХ столетия узенькая специализация, эпидемией пронесшаяся по всем отраслям людской деятель, распространилась и на естествознание, включая физику. сейчас мы лицезреем, что подавляющее большая часть ученых относится к одной из 2-ух категорий — экспериментаторов либо теоретиков. Скооперировать внутри себя две эти ипостаси в наше время фактически нереально.
Вольфганг Паули был ярко выраженным физиком-теоретиком и, как характерно почти всем ученым данной нам группы, очень презрительно относился к «сантехникам» (по его же выражению), марающим руки о экспериментальные установки. Снобизм Паули в отношении экспериментаторов, равно как и его полная неспособность вынудить работать даже самую ординарную экспериментальную установку, вошли в легенду. говорят, что стоило ему показаться в физической лаборатории, как какое-нибудь оборудование здесь же выходило из строя. молвят, что страшный взрыв в Лейденском институте (Нидерланды) произошел минутка за минуту по прибытии Паули в этот город поездом из Цюриха.
Правда всё это либо нет, но «эффект Паули» — способность человека разрушительно влиять на опыт одним своим присутствием — крепко вошел в физический фольклор. Но, как и в разъяснении Бора, в нем, быстрее всего, много преувеличений, если разобраться.
***
Вольфганг ПАУЛИ
Wolfgang Pauli, 1900–58
Австрийский, потом швейцарский физик-теоретик. Родился в Вене, в семье доктора Венского института. Крёстным папой Паули был Эрнст Мах (см. Ударные волны). Ещё школьником освоил личную и общую теорию относительности. Изучал теоретическую физику в Мюнхенском институте в одной группе с Вернером Гейзенбергом (см. Принцип неопределенности Гейзенберга), диплом защитил в 1922 году.
Паули явился одним из пионеров квантовой механики, внеся в новейшую научную дисциплину ряд принципных вкладов, самым поразительным из которых, возможно, является его принцип запрета, сформулированный в 1924 году, — за него в 1945 году Паули был удостоен Нобелевской премии по физике. Его мысль наличия квантовых спиновых чисел у простых частиц была экспериментальна доказана 2-мя годами позднее. Не считая того, Паули удалось разъяснить кажущееся нарушение закона сохранения энергии при бета-распаде (см. Радиоактивный распад) средством догадки о излучении при нём, кроме электрона, неведомой частички, позднее нареченной нейтрино.
В годы 2-ой мировой войны Паули работал в США (Соединённые Штаты Америки — войны возвратился в Европу, принял швейцарское гражданство и занял должность доктора экспериментальной физики в федеральном Институте технологии в Цюрихе.
]]>