Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц

Важнейшей особенностью квантоводинамического состояния является его целостность. Это состояние напоминает вектор в обычном эвклидовом пространстве, который можно спроецировать на любую ось или разложить на базисные векторы по осям координат. Но в любом случае любая проекция вектора «помнит» о том, из какого вектора она получена, т.е., будучи проекцией с определенными свойствами, она сохраняет принадлежность к «своему» вектору.

В конкретных условиях наблюдения можно добиться изменения исходного микросостояния, спроецировав его в состояние с определенными свойствами. Но при этом целостность исходного состояния не нарушается, если не разрушается сам микрообъект. С этой точки зрения, утверждение о том, что, например, двухатомная молекула «состоит» из двух атомов носит чисто классический характер. В неклассической стратегии познания, необходимо говорить о целостном «ядерно-электронном» состоянии, в котором находится молекула.

Особенно ярко подобная непривычная классическому взгляду целостность микросостояний проявляется в некоторых опытах по разлету микрочастиц, когда соответствующие объекты удаляются на макроскопические расстояния.

Фундаментальные проявления целостности микросостояния особенно сказываются для систем, состоящих из одинаковых микрочастиц. В связи с этим понятие одинаковости объектов одного сорта приобретает важнейшее значение.

В классической физике критерий одинаковости объектов отсутствует. В то же время на опыте наблюдается удивительная одинаковость атомов одного сорта, электронов и т.п. независимо от способа и условий их получения. Это приводит к появлению специфических свойств состояния систем одинаковых микрочастиц.

Как следует из опыта, в природе реализуются обе эти возможности. Одинаковые микрочастицы, способные находиться лишь в полностью симметричных состояниях, называются бозонами (в честь Ш. Бозе), а одинаковые микрочастицы, способные находиться лишь в полностью антисимметричных состояниях, называются фермионами (в честь Э. Ферми). Как показал В. Паули, отнесение конкретных микрочастиц к классам бозонов или фермионов зависит от их спина. Все микрочастицы, обладающие целым спином (s = 0, , , …), являются бозонами, а все микрочастицы с полуцелым спином (, .) – фермионами. Эксперимент полностью подтвердил этот обобщенный принцип Паули.

Из числа элементарных частиц к бозонам относятся фотоны (), а к фермионам – электроны, протоны, нейтроны (у всех спин ). Различие в свойствах систем бозонов и фермионов проявляется, на макроскопическом уровне. Так, когерентное электромагнитное излучение в лазерах и мазерах – это совокупность большого числа фотонов, находящихся в одном и том же квантоводинамическом состоянии. В то же время у электронов нет предельного состояния классического электронного поля. Оно в принципе не может существовать, ибо даже два электрона нельзя поместить в одно и то же микросостояние. С тем же обстоятельством связана и наблюдаемая на опыте взаимная непроницаемость макроскопических тел, отсутствующая для электромагнитных волн. Иными словами, материя на макроуровне, существующая в двух качественно различных формах – вещества и электромагнитного излучения, – это отражение принципиально различных свойств совокупностей фермионов и бозонов на микроуровне.