Физика пространства - времени, Уиллер Джон Арчибальд

Физика пространства - времени

на обложку

Уиллер Джон Арчибальд

Шрифт:

(127)

где

e^2

(4)

137

— безразмерная постоянная, называемая постоянной тонкой структуры. [Эта формула верна, когда e выражается в кулонах, 4=1,113·10^1 (кулон·сек)^2/кг·м^3, h и c — в кг, м, сек. Если её выразить в системе г, см, сек, причём e взять в единицах CGSE, то =e^2/hc=1/137). Полученное выражение для использовалось в упражнении 41.

102*.

Ви'дение посредством электронов

Из общих принципов физической оптики следует невозможность получить изображение таких деталей объекта, которые меньше длины волны света, с помощью которого получают это изображение. Предположим, что это утверждение верно и в применении к волнам вещества, обсуждавшимся в предыдущем упражнении. Через какую разность потенциалов должны быть пропущены (ускорены) электроны, чтобы с их помощью было можно получить изображение бактерии (размером около 1 мк, т.е. 10 м) в электронном микроскопе? Какой энергией (в Мэв) должны обладать электроны, чтобы с их помощью можно было исследовать структуру протонов и нейтронов (диаметр которых равен около 1 ферми, т.е. 10^1 м)?

103**. Прецессия Томаса

Рис. 126. Ньютоновская механика утверждает, что при обороте электрона вокруг ядра ориентация его спина не изменится.

Представьте себе электрон как отрицательно заряженный шарик, вращающийся вокруг своей оси, подобно гироскопу. Эта грубая классическая модель не соответствует действительности, но приемлема для некоторых целей, например для следующей. Ньютоновская механика предсказывает, что электрон в атоме должен вращаться по некоторой орбите вокруг ядра и сохранять при этом неизменным направление оси своего вращения относительно инерциальных систем отсчёта точно так же, как это происходит с гироскопом, перемещаемым по окружности.

Рис. 127. Теория относительности предсказывает прецессию оси вращения электрона на угол, обозначенный здесь через , за один оборот вокруг ядра.

Однако, как открыл в 1927 г. Л. X. Томас 1), теория относительности удивительным образом утверждает, что если электрон вращается вокруг ядра, вектор его спина направлен по-разному после каждого оборота. Такая прецессия, названная прецессией Томаса, приводит к наблюдаемому эффекту в спектральных линиях излучения некоторых атомов. Объяснение этой прецессии связано с эффектом наклонного метрового стержня (упражнение 52) и основывается на относительности одновременности. Проанализируйте эффект прецессии Томаса для электрона по следующей схеме (или другим способом).

1) L. H. Thomas, Philosophical Magazine, (7) 3, 1 (1927).

Рис. 128. Правильный многоугольник как приближённое описание ньютоновской круговой орбиты электрона в атоме.

Что заставляет ось вращения электрона принимать новое направление после того, как электрон опишет полный круг? Двигаясь по окружности, электрон испытывает ускорение, направленное к её центру. Но, к сожалению, частная теория относительности неспособна описывать действие ускорения на ориентацию векторов. Поэтому мы поступим так, как это часто делается в физике: если данная проблема не поддаётся непосредственному решению, следует найти более простую, но аналогичную ей задачу, решить которую мы сумеем! В данном случае приближённо представим круговой путь классического электрона как правильный многоугольник с n сторонами. Для того чтобы совершить один полный оборот по орбите, электрон должен пройти теперь по ряду прямолинейных отрезков, испытав между ними n резких изменений направления движения, каждый раз на угол =2/n. План штурма задачи: исследовать, как изменится направление спина электрона при прохождении одного из таких углов [пункты от (а) до (в)]; затем устремить число сторон n к бесконечности так, чтобы угол , на который всякий раз меняется направление движения электрона, стремился к нулю, пока не получится в качестве предельного случая классическая круговая орбита [пункты от (г) до (д)].

Рис. 129. Частный случай изменения ориентации оси вращения электрона при изменении направления его движения.

а) На рис. 129 электрон изображён до (A) и после (B) того, как он изменил направление своего движения на угол . Жирная черта, пересекающая в каждом случае электрон,— проекция направления спина на плоскость орбиты (плоскость xy). На рисунке представлен тот частный случай, когда эта проекция была направлена вдоль оси x до изменения электроном его направления движения. Когда же произошло это изменение направления движения электрона как целого, ориентация спина должна была также измениться на некоторый малый угол d, и это изменение нельзя понять в рамках механики Ньютона! Чем оно вызвано? Его причиной является относительность одновременности.

Рис. 130. Заменим одиночный электрон, огибающий угол, двумя электронами, A и B, движущимися по пересекающим прямым путям. Потребуем, чтобы ориентация спина у A и у B была одинаковой в системе отсчёта, где A покоится.

Огибая угол, электрон испытывает сильное и резкое ускорение. К счастью, мы можем анализировать по отдельности шарики A и B, движущиеся с одинаковыми по модулю скоростями в направлениях, образующих в лабораторной системе отсчёта угол , как это изображено на рис. 130. Ни один из этих шариков пусть не ускоряется, но в момент их встречи наблюдатели, движущиеся вместе с ними, могут зарегистрировать одинаковое направление осей вращения шариков A и B. Рисунок в системе отсчёта ракеты изображает относительную ориентацию спинов в той системе отсчёта, где шарик A покоится. Именно в этой системе отсчёта ракеты наблюдатель на A производит сравнение ориентаций векторов спина. (Вопрос: какой наблюдатель проводит сравнение — A или B? В том случае, когда угол весьма мал, наблюдатель A и наблюдатель B будут почти покоиться друг относительно друга, так что в пределе всё равно, кто из них производит сравнение!) Так как мы заменяем одиночный шарик, огибающий угол, двумя шариками A и B, мы требуем, чтобы в системе отсчёта ракеты проекции спина для A и для B были взаимно параллельны. Главное здесь в том, что хотя эти проекции и параллельны в системе отсчёта ракеты, они не параллельны в лабораторной системе отсчёта. В результате направление вектора спина электрона изменяется, когда электрон огибает угол, при наблюдении в лабораторной системе отсчёта.

Рис. 131. Исследование ориентации оси вращения шарика B в лабораторной системе отсчёта и в системе отсчёта ракеты; схема начерчена для того, чтобы получить ответы на вопросы: где и когда точка Q пересекает ось x? Где вследствие этого расположена точка Q в момент времени t=0 в лабораторной системе отсчёта?

На рис. 131 в крупном масштабе изображён шарик B. Обозначим, согласно этой схеме, концы проекции спиновой оси через P и Q. Выберем начала координат в лабораторной системе отсчёта и в системе отсчёта ракеты так, чтобы в момент t=t'=0 эти начала совпадали с точкой P. Тогда в системе отсчёта ракеты точка Q пересечёт ось x в этот же момент t'=tQ'=0. Но в лабораторной системе отсчёта это будет не так! На рис. 131 показан электрон B в момент времени t=0 в лабораторной системе отсчёта. Пусть xQ и tQ будут соответственно другой точкой и более поздним моментом времени в лабораторной системе отсчёта, при которых точка Q пересекает ось x. Пользуясь формулами преобразования Лоренца и полагая tQ=0, покажите, что

(128)

Вопрос: где находилась точка Q в момент времени t=0 в лабораторной системе отсчёта? К моменту tQ точка Q прошла расстояние r tQ, как это показано на рисунке. Покажите, исходя из него, что за это время координаты x и y точки Q изменились на величины

cos

sin

(129)

где на последнем этапе были использованы соотношения (128). Это значит, что в момент t=0 лабораторной системы отсчёта точка P была (по определению) в начале координат, а точка Q имела координаты xQ– x и -y. Поэтому угол наклона d отрезка PQ к горизонтали, найденный в лабораторной системе отсчёта в момент t=0, т.е. изменение ориентации вектора спина после того, как электрон обогнул угол, даётся выражением