Микромир: концепции современной физики

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       

 
 

 

Содержание 

1. Введение    стр. 2
2. Вопрос № 1: «Изложите сущность квантово-механической концепции, описание микромира»    стр. 3
3. Вопрос № 2: «Объясните взгляды М. Планка, Луи Де Бройля,

Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу микромира»  стр. 4

4. Вопрос № 3: «Особенности волновой генетики»    стр. 6                                   
5. Заключение      стр. 7                                                                                          
6. Список литературы      стр. 8                                                                               

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение. 

    Микромир – это мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов. (Пространственная размерность, которых исчисляется от 10^-8 до 10^-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10^-24 с.)

    Квантовая механика (волновая механика) – это теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне.

    Изучение  явлений микромира привело к  результатам, которые резко расходились  с общепринятыми в классической физике и даже теории относительности. Классическая физика видела свою цель в описании объектов, существующих в пространстве, и в формулировке законов, управляющих их изменениями во времени. Но для таких явлений, как радиоактивный распад, дифракция, испускание спектральных линий, можно утверждать лишь, что имеется некоторая вероятность того, что индивидуальный объект таков и он имеет такое-то свойство. В квантовой механике нет места для законов, управляющих изменениями отдельного объекта во времени.

    Для классической механики характерно описание частиц путем задания их положения и скоростей и зависимости этих величин от  времени. В квантовой механике одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Вопрос  № 1: «Изложите сущность квантово-механической концепции, описание микромира».

    Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей, установленном немецким физиком

В. Гейзенбергом, и принцип дополнительности Н. Бора.

    Суть  соотношения неопределенностей  В. Гейзенберга заключается в  следующем. Ставится задача определить состояние движущейся частицы. Если бы можно было воспользоваться законами классической механики, то ситуация была бы простой. Но законы классической механики для микрочастиц применяться не могут: невозможно не только практически, но и вообще с одинаковой точностью установить место и величину движения микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно. В своей книге «Физика атомного ядра» В. Гейзенберг раскрывает содержание соотношения неопределенностей. Он пишет: «Никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату и скорость». Никогда нельзя одновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направлении она движется. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы.

    Соотношение неопределенностей есть выражение  невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, неправленых на точное определение места, напротив, используется волновое объяснение, в частности, при наблюдении отклонения лучей.

  Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является принцип дополнительности, которому Н. Бор дал следующую формулировку: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

    Противоречия  корпускулярно-волновых свойств микрообъектов 

является  результатом неконтролируемого  взаимодействия микрообъектов и  макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты  ведут себя как волны, в других – подобно частицам.

    Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными. Только при учете обоих аспектов можно получить общую картину микромира. 
 

Вопрос  № 2: «Объясните взгляды  М. Планка, Луи Де Бройля,

    Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу микромира».

    Планк одним из первых принял теорию относительности, вывел уравнения релятивистской динамики, получив выражения для энергии и импульса электрона. В 1907 провел обобщение термодинамики в рамках специальной теории относительности. Дал вывод законов химического равновесия в газах и разбавленных растворах. Планк ввел в рассмотрение новую величину - квант действия, означающую, что энергия колеблющимся осциллятором излучается только дискретно - квантами. По решению дополнительно возникающей проблемы распространения излучения Планк, не склонный к революционным шагам, занимает половинчатую позицию: испускание и поглощение излучения дискретно, а само излучение - непрерывно в соответствии с волновым характером распространения света и тепла.

    Важная  заслуга Бора состояла в том, что он нашел принципиально новый подход для создания физической картины атомных процессов. Он ориентировал физиков на исследование противоречивых сторон физической реальности микромира, сформулировал идею о дискретности энергетических состояний атомов, в свете новых идей построил атомную модель, открыв условия устойчивости атомов, и объяснил большой круг явлений. В 1913, исходя из идеи М.Планка о квантовании энергии с использованием модели атома Резерфорда, Бор создал теорию водородоподобного атома, основанную на двух постулатах, которые прямо противоречили классическим представлениям и законам. Он постулировал наличие в атоме стационарных разрешенных орбит, двигаясь по которым электрон не излучает энергию, но может перейти на другую разрешенную орбиту, испустив или поглотив при этом квант энергии, равный разности энергий атома в этих стационарных состояниях. Бор разработал некоторые правила квантования, нашел основные законы спектральных линий и электронных оболочек атомов. В 1923 объяснил особенности периодической системы химических элементов, предложив свой вариант ее изображения, и пришел к представлению об оболочечной структуре атома, основанной на классификации электронных орбит по главному и азимутальному квантовым числам. За создание квантовой теории планетарного атома в 1922 награжден Нобелевской премией. Бор много сделал и для развития ядерной физики. В 1936 предложил теорию составного ядра, он является одним из создателей капельной модели ядра и теории деления атомного ядра, предсказал спонтанное деление ядра.

    В 1925 г. Гейзенберг, следуя принципу соответствия Бора, предложил матричный вариант квантовой механики, которая позволяла объяснить существование стационарных квантованных энергетических состояний и рассчитать энергетические уровни различных систем. Работы в области квантовой механики, квантовой электродинамики, релятивистской квантовой теории поля, теории ядра, магнетизма, физики космических лучей, теории элементарных частиц, философии естествознания. В 1925 разработал матричную механику – первый вариант квантовой механики (Нобелевская премия, 1932). В 1926 объяснил отличия двух систем термов для пара- и ортогелия, в 1927 сформулировал принцип неопределенности, ограничивающий применение к микрообъектам классических представлений. Совместно с П.Дираком в 1928 выдвинул идею обменного взаимодействия и независимо от Я.И.Френкеля разработал первую квантовомеханическую теорию ферромагнетизма, основанную на обменном взаимодействии электронов. В 1929 совместно с В.Паули предпринял попытку дать формулировку квантовой электродинамики, введя общую схему квантования полей. Развил (1934-36) теорию дырок Дирака, вслед за ним постулировал (1934) существование эффекта поляризации вакуума. Пришел к протонно-нейтронной модели ядра (1932), ввел понятие изотопического спина, показал, что ядерные силы насыщающие. Построил теорию ядерных сил, развив идею обменного взаимодействия Иваненко-Тамма. В 1943 в квантовой теории поля ввел матрицу рассеяния (S – матрицу) – важный инструмент для описания взаимодействия. В 1958 проквантовал нелинейное спинорное уравнение (уравнение Иваненко-Гейзенберга), занимался созданием единой теории поля.

    Практически одновременно, развивая идеи волновой механики, в 1926 г. Шредингер предложил свое волновое уравнение и метод квантования, которые приводили к тем же результатам, что и квантовая механика Гейзенберга. Фактически это означало тождественность волновой и квантовой механики, хотя их математические методы существенно различаются. Основные достижения в области квантовой теории и квантовой механики. Исходя из идей де Бройля о волнах материи и принципа Гамильтона, разработал теорию движения микрочастиц, в основу которой положил уравнение (уравнение Шредингера), играющее в атомных процессах такую же фундаментальную роль, как законы Ньютона в классической механике, и ввел для описания состояний микрообъекта волновую функцию. В 1926 доказал эквивалентность своей волновой механики и матричной механики Гейзенберга. В том же году построил квантовую теорию возмущений – приближенный метод в квантовой механике. За создание волновой механики удостоен Нобелевской премии (1933). Придерживаясь классических традиций полного детерминизма, Шредингер не принял квантовую механику как завершенную теорию. Дальнейшие работы Шредингера относятся к теории мезонов, термодинамике, нелинейной электродинамике, общей теории относительности, разработке единой теории поля. Он имел разносторонние интересы: занимался лепкой, написал книгу по греческой философии, изучал проблемы генетики, опубликовал томик стихов и т.д. 
 
 
 
 
 

Вопрос  № 3: «Особенности волновой генетики». 

    Волновая  функция в квантовой механике, величина, полностью описывающая состояние микрообъекта (например: электрона, протона, атома, молекулы) и вообще любой квантовой системы (например: кристалла).

    Описание  состояния микрообъекта с помощью  волновой функции имеет статистический, т.е. вероятностный характер: квадрат  абсолютного значения (модуль) волновой функции указывает значение вероятностей тех величин, от которых зависит волновая функция.

    Петр  Горяев пишет:

    «Идеи русских биологов Гурвича, Любищева и Беклемишева – гигантское интеллектуальное достижение, намного опередившее свое время. Суть их мыслей в триаде:

1. Гены дуалистичны – они вещество и поле одновременно.
2. Полевые эквиваленты хромосом различают пространство  - время организма и тем самым управляют развитием биосистем.
3. Гены обладают эстетически-образной и речевой регуляторными функциями.

Ключевая проблема биологии – преемственность поколений, наследственность, эмбриогенез –  не раскрыта, более того, в тупике». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Заключение. 
 

    Принципиально новыми моментами в исследовании микромира стали:

1. Каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами.
2. Вещество может переходить в излучение (аннигиляция частицы и античастицы дает фотон, т.е. квант света).
3. Можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью.
4. Прибор, исследующий реальность, влияет на нее.
5. Точное измерение возможно только при излучении потока частиц, но не одной частицы.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  литературы.

• Н.И. Иконникова, «Концепции современного естествознания», Москва, 2008 г.
• Б.Я.Пахомов  «Становление современной физической картины» Москва, 1985г.
• В.И. Лавриненко, В.П. Ратников, «Концепции современного естествознания», Москва , 2004.