2014 dxdy logo

Научный форум dxdy

Математика, Физика, Computer Science, Machine Learning, LaTeX, Механика и Техника, Химия,
Биология и Медицина, Экономика и Финансовая Математика, Гуманитарные науки




Начать новую тему Ответить на тему
 
 Распад свободного нейтрона с точки зрения квантовой механики
Сообщение27.03.2007, 19:55 


27/03/07
5
Собственно, интересует такой детский вопрос. Положим, есть свободный нейтрон, состоящий, как известно, из трёх кварков, который изолирован от внешей среды. Я правильно понимаю, что с точки зрения квантовой механики он никогда не распадётся?
Во всяком случае, до того, пока на него кто-нибудь не посмотрит. :wink:

 Профиль  
                  
 
 
Сообщение27.03.2007, 20:58 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
Распадётся. Но узнать об этом можно будет, только если на него посмотреть. И всегда остаётся ненулевая вероятность, что когда на него посмотрели, он ещё не распался.

Такие вещи, как распады частиц, описываются не квантовой механикой, а общей квантовой физикой (в т. ч. физикой элементарных частиц) и квантовой теорией поля. Там, кроме механических, есть ещё и другие законы. Это если вы будете искать ответ в учебниках...

 Профиль  
                  
 
 
Сообщение28.03.2007, 13:25 


27/03/07
5
Munin писал(а):
Распадётся. Но узнать об этом можно будет, только если на него посмотреть. И всегда остаётся ненулевая вероятность, что когда на него посмотрели, он ещё не распался.


Таким образом, необратимость (и, одновременно, коллапс волновой функции) появляется имеенно в тот момент, когда из изолированной квантовой системы во внешний мир приходит некая новая информация, так?

Munin писал(а):
Такие вещи, как распады частиц, описываются не квантовой механикой, а общей квантовой физикой (в т. ч. физикой элементарных частиц) и квантовой теорией поля. Там, кроме механических, есть ещё и другие законы. Это если вы будете искать ответ в учебниках...


С одной стороны, это понятно. С другой стороны, на сколько я понимаю, по современным представлениям никакие процессы в природе не могут противоречить фундаментальным законам квантовой механики. Так вот, нет ли здесь противоречия в том, что эти другие законы вступают в противоречие с квантовой механикой подобно тому, как больцмановский подход к термодинамике вступил в явное противоречие с законами классической механики? Грубо говоря, с точки зрения квантовой механики изолированный нейтрон должен эволюционировать обратимым образом, а, скажем, физика элементарных частиц неявным образом подразумевает наличие некоторых необратимых процессов (непредсказуемое появление виртуальных элементарных частицы в пределах, допустимых неравенством Гейзинберга и т.д.).
Это понятно (кстати, не подкинете ссылочку, где об этом можно почитать более подробно)

 Профиль  
                  
 
 
Сообщение28.03.2007, 21:51 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
Combinator писал(а):
Munin писал(а):
Распадётся. Но узнать об этом можно будет, только если на него посмотреть. И всегда остаётся ненулевая вероятность, что когда на него посмотрели, он ещё не распался.


Таким образом, необратимость (и, одновременно, коллапс волновой функции) появляется имеенно в тот момент, когда из изолированной квантовой системы во внешний мир приходит некая новая информация, так?

Ну, грубо говоря, да. Только не забывайте, что в этот момент квантовая система обязана перестать быть изолированной.

Combinator писал(а):
Munin писал(а):
Такие вещи, как распады частиц, описываются не квантовой механикой, а общей квантовой физикой (в т. ч. физикой элементарных частиц) и квантовой теорией поля. Там, кроме механических, есть ещё и другие законы. Это если вы будете искать ответ в учебниках...


С одной стороны, это понятно. С другой стороны, на сколько я понимаю, по современным представлениям никакие процессы в природе не могут противоречить фундаментальным законам квантовой механики.

Не так. Квантовой физики. "Квантовой механики" в данном случае - упрощение, для популярного изложения перед аудиторией, которая не знает различий между КМ, КФ и КТП, и слышала от силы первое название.

Combinator писал(а):
Так вот, нет ли здесь противоречия в том, что эти другие законы вступают в противоречие с квантовой механикой подобно тому, как больцмановский подход к термодинамике вступил в явное противоречие с законами классической механики?

Не нашёл.

Combinator писал(а):
Грубо говоря, с точки зрения квантовой механики изолированный нейтрон должен эволюционировать обратимым образом, а, скажем, физика элементарных частиц неявным образом подразумевает наличие некоторых необратимых процессов (непредсказуемое появление виртуальных элементарных частицы в пределах, допустимых неравенством Гейзинберга и т.д.).

При аккуратной постановке задачи нейтрон эволюционирует обратимо. Берёте область ограниченных размеров с отражающими граничными условиями (чтобы не было несохранения через границы), и помещаете в неё нейтрон. Он распадается на протон, электрон и антинейтрино, которые разлетаются в разные стороны. Через некоторое время они опять слетаются, и превращаются обратно в нейтрон. Время до такого превращения тем больше, чем больше размеры области, и если убрать стенки, то это будет предельным переходом при увеличении размеров до бесконечности. Таким образом, время до встречи тоже увеличится до бесконечности.

И не плутайте в трёх соснах.

Combinator писал(а):
Это понятно (кстати, не подкинете ссылочку, где об этом можно почитать более подробно)

Увы, нет. Такие элементарные вещи, боюсь, вообще не расписаны в литературе, предполагается, что после курсов КМ и ураматов человек такое сам соображает, и при изложении ФЭЧ и КТП на этом не останавливаются...

Добавлено спустя 5 минут 43 секунды:

P. S. Хотя, может быть, вам полезно будет почитать главу про вторичное квантование в любом учебнике квантовой механики. Да, точно, это там. Ландау-Лифшиц, Давыдов, Блохинцев.

 Профиль  
                  
 
 
Сообщение28.03.2007, 22:36 


27/03/07
5
Munin писал(а):
Ну, грубо говоря, да. Только не забывайте, что в этот момент квантовая система обязана перестать быть изолированной.


ОК.

Munin писал(а):
Не так. Квантовой физики. "Квантовой механики" в данном случае - упрощение, для популярного изложения перед аудиторией, которая не знает различий между КМ, КФ и КТП, и слышала от силы первое название.


ОК.

Munin писал(а):
Combinator писал(а):
Так вот, нет ли здесь противоречия в том, что эти другие законы вступают в противоречие с квантовой механикой подобно тому, как больцмановский подход к термодинамике вступил в явное противоречие с законами классической механики?

Не нашёл.


Хорошо, попробую несколько переформулировать вопрос. Вы согласны, что наличие стрелы времени просто постулируется в современной физике, и в этом смысле, ситуация с необратимостью в КФ практически ничем не отличается от ситуации с обратимостью в классической механике?



Munin писал(а):
При аккуратной постановке задачи нейтрон эволюционирует обратимо. Берёте область ограниченных размеров с отражающими граничными условиями (чтобы не было несохранения через границы), и помещаете в неё нейтрон. Он распадается на протон, электрон и антинейтрино, которые разлетаются в разные стороны. Через некоторое время они опять слетаются, и превращаются обратно в нейтрон. Время до такого превращения тем больше, чем больше размеры области, и если убрать стенки, то это будет предельным переходом при увеличении размеров до бесконечности. Таким образом, время до встречи тоже увеличится до бесконечности.


Да, пожалуй, согласен. И получается довольно красиво. :)
Хотя, я весьма смутно себе представляю, как с помощью уравнения Шрёдингера можно описать систему, являющуюся одновремено и тремя кварками, и тройкой электрон, протон, антинейтроино, но это, видимо, уже проблемы моего недостаточного знания квантовой механики. Ну не преподовали нам в своё время таких вещей в курсе КМ....

Ещё, если нетрудно, хотел спросить, где можно почитать о том, исходя из каких принципов вычисляется теоретическое время полураспада нейтрона?

Munin писал(а):
Увы, нет. Такие элементарные вещи, боюсь, вообще не расписаны в литературе, предполагается, что после курсов КМ и ураматов человек такое сам соображает, и при изложении ФЭЧ и КТП на этом не останавливаются...

Добавлено спустя 5 минут 43 секунды:

P. S. Хотя, может быть, вам полезно будет почитать главу про вторичное квантование в любом учебнике квантовой механики. Да, точно, это там. Ландау-Лифшиц, Давыдов, Блохинцев.


ОК, спасибо, почитаю.

 Профиль  
                  
 
 
Сообщение29.03.2007, 00:46 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
Combinator писал(а):
Хорошо, попробую несколько переформулировать вопрос. Вы согласны, что наличие стрелы времени просто постулируется в современной физике

Что постулируется - согласен.

Combinator писал(а):
и в этом смысле, ситуация с необратимостью в КФ практически ничем не отличается от ситуации с обратимостью в классической механике?

А в КФ всё обратимо (в отличие, кстати, от классической механики с диссипативными силами). "Необратимость" возникает только там, где участвуют системы с большим числом степеней свободы, и имеет статистическую природу.

Combinator писал(а):
Munin писал(а):
При аккуратной постановке задачи нейтрон эволюционирует обратимо. Берёте область ограниченных размеров с отражающими граничными условиями (чтобы не было несохранения через границы), и помещаете в неё нейтрон. Он распадается на протон, электрон и антинейтрино, которые разлетаются в разные стороны. Через некоторое время они опять слетаются, и превращаются обратно в нейтрон. Время до такого превращения тем больше, чем больше размеры области, и если убрать стенки, то это будет предельным переходом при увеличении размеров до бесконечности. Таким образом, время до встречи тоже увеличится до бесконечности.


Да, пожалуй, согласен. И получается довольно красиво. :)
Хотя, я весьма смутно себе представляю, как с помощью уравнения Шрёдингера можно описать систему, являющуюся одновремено и тремя кварками, и тройкой электрон, протон, антинейтроино, но это, видимо, уже проблемы моего недостаточного знания квантовой механики. Ну не преподовали нам в своё время таких вещей в курсе КМ....

При первичном квантовании базисными состояниями являются положения частицы "здесь", "там" и "вон там". Полное состояние частицы - суперпозиция таких базисных состояний с разными вероятностями; точнее, комплексными амплитудами вероятности, сумма квадратов которых равна единице. Для такого полного состояния (одночастичной волновой функции) записывают уравнение Шрёдингера $i\hbar\frac{\partial \Psi}{\partial t}=\hat{H}\Psi.$

При вторичном квантовании как базисные рассматриваются состояния "в системе ноль частиц", "в системе одна частица", "в системе две частицы", и так далее, и к каждому из таких состояний прилагается волновая функция на соответствующее число частиц. Полное состояние вторичной квантованной системы - суперпозиция таких базисных состояний с разными вероятностями; точнее, комплексными амплитудами вероятности, сумма квадратов которых равна единице. Для такого полного состояния (вторично квантованной волновой функции) тоже записывают уравнение Шрёдингера $i\hbar\frac{\partial \Psi}{\partial t}=\hat{H}\Psi,$ хотя смысл буковок здесь уже другой. С другой стороны, чисто абстрактно и то, прежнее одночастичное состояние, и новое вторично квантованное - оба укладываются в одинаковое гильбертово пространство состояний; хотя операторы для них разные: как оператор Гамильтона, так и оператор вероятности обнаружить частицу в заданной точке.

В данном случае у нас просто-напросто четыре поля: поле нейтронов, поле протонов, поле электронов и поле нейтрино; и происходит переход (туда-обратно) между состояниями "в поле нейтронов одна частица" и "в поле нейтронов ноль частиц, в поле протонов одна частица, в поле электронов одна частица, в поле нейтрино одна античастица".

Combinator писал(а):
Ещё, если нетрудно, хотел спросить, где можно почитать о том, исходя из каких принципов вычисляется теоретическое время полураспада нейтрона?

Ну, процесс этот является проявлением слабого взаимодействия, когда в нейтроне один d-кварк превращается в u-кварк, с излучением электрона и антинейтрино. Для этого процесса существует теория слабого взаимодействия, связывающая время полураспада (точнее, скорость реакции) для разных ситуаций с энергетическим выигрышем реакции. Так как у нейтрона выигрыш достаточно мал, реакция происходит достаточно медленно, а типичные времена слабых распадов - это времена жизни странных частиц. Теория слабого взаимодействия строится в рамках КТП, и оттуда возникают все её формулы и зависимости.

Однако численные данные не предсказываются КТП, а должны закладываться в качестве параметров теории. И здесь всё происходит наоборот: поскольку параметры теории напрямую не измеряются, они вычисляются из косвенных экспериментальных данных, в число которых входит время жизни нейтрона, как одно из самых точно измеренных.

Где почитать... Наверное, в Перкинсе "Введение в физику высоких энергий", Окуне "Лептоны и кварки". Боюсь, не могу подсказать ничего, что бы охватывало интересующие вас расчёты, и в то же время не требовало бы достаточно серьёзного вникания в КТП.

 Профиль  
                  
 
 
Сообщение29.03.2007, 17:43 


27/03/07
5
2 Munin

Спасибо, стало несколько понятнее.
Я правильно понимаю, что все 6 частиц в нейтроне находятся практически в идеально спутанном состоянии?

 Профиль  
                  
 
 
Сообщение29.03.2007, 22:24 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
1. Какие 6?
2. Состояния бывают не спутанные, а запутанные. И то несколько жаргонизм, правильней говорить, что состояние системы не разложимо на состояния независимых подсистем (так что состояния отдельных частиц вообще выделять неправомерно, по крайней мере в виде волновых функций). Соответственно, и эпитет "идеально" с этим не вяжется. А в целом да, состояния кварков в нейтроне запутаны.

 Профиль  
                  
 
 
Сообщение31.03.2007, 00:01 


27/03/07
5
Munin писал(а):
1. Какие 6?


3 кварка, протон, электрон, антинейтрино.

Munin писал(а):
2. Состояния бывают не спутанные, а запутанные. И то несколько жаргонизм, правильней говорить, что состояние системы не разложимо на состояния независимых подсистем (так что состояния отдельных частиц вообще выделять неправомерно, по крайней мере в виде волновых функций). Соответственно, и эпитет "идеально" с этим не вяжется. А в целом да, состояния кварков в нейтроне запутаны.


Понятно, спасибо.

 Профиль  
                  
 
 
Сообщение31.03.2007, 01:46 
Заслуженный участник
Аватара пользователя


30/01/06
72407
Протон, электрон и антинейтрино не входят в состав нейтрона. В состав нейтрона входят u-кварк и два d-кварка. А протон сам состоит из трёх кварков...

 Профиль  
                  
Показать сообщения за:  Поле сортировки  
Начать новую тему Ответить на тему  [ Сообщений: 10 ] 

Модераторы: photon, whiterussian, profrotter, Jnrty, Aer, Парджеттер, Eule_A, Супермодераторы



Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей


Вы не можете начинать темы
Вы не можете отвечать на сообщения
Вы не можете редактировать свои сообщения
Вы не можете удалять свои сообщения
Вы не можете добавлять вложения

Найти:
Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group