Основные этапы развития квантовой механики. Использование квантово-механических моделей для изучения процессов сознания

МИНОБРНАУКИРОССИИ

Государственноеобразовательное  учреждение

ВысшегоПрофессионального  Образования

«ВолгоградскийГосударственный Социально - педагогический Университет» 
 
 
 
 
 
 

Кафедра философии 
 

Контрольная работа по курсу КСЕ:

«Основные этапы развития квантовой механики. Использование квантово-механических моделей для изучения процессов сознания». 
 
 
 
 
 
 

  Выполнила:

Студентка4к, гр. Э-42

Специальности: менеджмент организации

Факультета Экономики и Управления

Маркевич  Евгения Михайловна 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Волгоград, 2011.

Содержание

1. Предмет квантовой теории………………………………………………...….2
2. Основные квантово-механические принципы………………………….……5
1. Волны и вероятности………………………………………………………5
2. Принцип дополнительности………………………………………...……..8
3. Основные положения современной квантовой механики……………….8
4. Принцип неопределённости Гейзенберга………………………………...9
5. Уравнение Шредингера…………………………………………………..10
3. Использование квантово-механических моделей для объяснения процессов сознания…………………………………………………………..11

Заключение……………………………………………………………….…..26

Список используемой литературы…………………………………………..28

1. Предмет квантовой механики

    Характерной особенностью современной науки  является глубокое проникновение в  существо изучаемых явлений и  процессов. Поскольку все физические тела состоят из мельчайших частиц, свойства макроскопических тел в определенной степени зависит от поведения составляющих материю электронов, протонов, нейтронов, атомов и молекул. Эти частицы обладают определенной энергией и находятся в непрерывном движении. Описание движения микрочастиц – задача не из легких, что привело, в дополнение к классической механике Ньютона, к разработке принципиально новой научной дисциплины – квантовой механики.

    Квантовая механика - теория, которая устанавливает  способ описания и законы движения микрочастиц и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте.

    Но  не следует понимать задачу квантовой  механики слишком узко – как описание движения квантовых объектов. Поняв  особенности движения микрочастиц, мы сможем охарактеризовать их свойства, а значит и свойства макроскопических тел. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строение вещества. Они позволили выяснить строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений.

    В начале XX века выяснилось, что классическая механика Ньютона имеет ограниченную область применимости и нуждается в обобщении. В первую очередь, она неприменима при скоростях движения тел, сравнимых со скоростью света. В этом вопросе ее заменила релятивистская механика, построенная на специальной теории относительности Эйнштейна. Во-вторых, для классической механики характерно описание частиц путем задания их координат, скорости и зависимости этих величин от времени, что описывает движение частиц по вполне определенным траекториям. Однако, как оказалось, это не всегда справедливо, особенно для частиц с очень маленькой массой. Более общее описание как раз и дает квантовая механика.

    Квантовая механика делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую  требованиям специальной теории относительности. Нерелятивистская квантовая механика - это законченная и логически непротиворечивая фундаментальная физическая теория. Релятивистская квантовая механика не является в такой степени завершенной и свободной от противоречий теорией.

        Если в нерелятивистской области  можно считать, что взаимодействие  передается мгновенно на расстоянии, то в релятивистской области  оно распространяется с конечной  скоростью, значит, должен существовать  агент, передающий взаимодействие - физическое поле. Трудности релятивистской теории - это трудности теории поля, с которыми встречается как релятивистская классическая механика, так и релятивистская квантовая механика.

    Соотношение между классической механикой и  квантовой механикой определяется существованием универсальной постоянной Планка (h=6.626176*10^-34), называемой также квантом действия. Если физические величины размерности значительно больше постоянной Планка, то применима классическая механика. Формально это условие и является критерием применимости классической механики.

    Основная  заслуга в строгой формулировке принципов квантовой механики принадлежит  Н.Бору. В первоначальном варианте им использовалась планетарная модель атома Резерфорда, в рамках которой  движущемуся по круговой орбите электрону сопоставлялась волна, квадрат модуля которой определял вероятность обнаружения электрона в данной точке (“волна де Бройля”). Бор постулировал существование стационарных орбит, при движении по которым электрон не излучает электромагнитные волны (оказалось, что на таких орбитах укладывается целое число длин волн де Бройля). При переходе электрона с одной орбиты на другую изменение его энергии сопровождается излучением или поглощением фотона. Такая модель прекрасно объясняла частотные закономерности в спектре излучения атомов водорода, но еще сохраняла черты отвергаемой классической теории (электроны в атоме имели траектории, которые нельзя наблюдать, не изменяя состояния атома).

    Теория  не могла объяснить некоторых  деталей, обнаруженных при более  точных исследованиях спектра водорода. Более того, с помощью постулатов Бора не удавалось объяснить наблюдаемые весьма сложные спектры многоэлектронных атомов и их молекулярных соединений. Наконец, “старая” квантовая механика не объясняла множества других явлений, происходящих с атомами и молекулами, которые были уже хорошо известны в химии.

      Спустя более десятилетия после  создания первой квантово-механической  модели атома водорода, Н.Бором  была построена новая законченная  и непротиворечивая квантово-механическая теория, в целом с успехом используемая до настоящего времени. Как это уже не раз случалось в физике, ее создание потребовало развития нового математического аппарата, адекватно описывающего сформулированные в ее рамках новые физические идеи. 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Основные  квантово-механические принципы.

    Поскольку законы квантовой механики не обладают той степенью наглядности, которая  свойственна законам классической механики, целесообразно проследить линию развития идей, составляющих её фундамент, и только после этого сформулировать её основные положения. Выбор фактов, на основе которых строится теория, конечно, не единствен поскольку квантовая механика описывает широчайший круг явлений и каждое из них способно дать материал для её обоснования. Будем исходить из требований простоты и возможной близости к истории. 

1. Волны и вероятности.

    Рассмотрим  простейший опыт по распространению  света. На пути пучка света ставится прозрачная пластинка S. Часть света проходит через пластинку, а часть отражается. Известно, что свет состоит из "частиц" - фотонов. Что же происходит с отдельным фотоном при попадании на пластинку? Если поставить опыт (например, с пучком света крайне малой интенсивности), в котором можно следить за судьбой каждого фотона, то можно убедиться, что фотон при встрече с пластинкой не расщепляется на два фотона, его индивидуальность как частицы сохраняется (иначе свет менял бы свою частоту, т. е. "цветность"). Оказывается, что некоторые фотоны проходят сквозь пластинку, а некоторые отражаются от нее. В чем причина этого? Может быть, имеется два разных сорта фотонов? Поставим контрольный опыт: внесем такую же пластинку на пути прошедшего света, который должен бы содержать только один из двух "сортов" фотонов. Однако будет наблюдаться та же картина: часть фотонов пройдет вторую пластинку, а часть отразится. Следовательно, одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному. А это означает, что поведение фотона при встрече с пластинкой непредсказуемо однозначно. Детерминизма в том смысле, как это понимается в классической механике, при движении фотонов не существует. Этот вывод является одним из отправных пунктов для устранения противоречия между корпускулярными и волновыми свойствами частиц и построения теории квантово-механических явлений. 
Задача отражения света от прозрачной пластинки не представляет какой-либо трудности для волновой теории: исходя из свойств пластинки, волновая оптика однозначно предсказывает отношение интенсивностей прошедшего и отражённого света. С корпускулярной точки зрения, интенсивность света пропорциональна числу фотонов. Обозначим через N общее число фотонов, через N₁ и N₂ - число прошедших и число отражённых фотонов (N₁ + N₂= N).Волновая оптика определяет отношение N₁/N₂, и о поведении одного фотона, естественно, ничего сказать нельзя. Отражение фотона от пластинки или прохождение через неё являются случайными событиями: некоторые фотоны проходят через пластинку, некоторые отражаются от неё, но при большом числе фотонов оказывается, что отношение N₁/N₂ находится в согласии с предсказанием волновой оптики. Фотон может с вероятностью w₁пройти пластинку и с вероятностью w₂ отразиться от неё.  
Рассмотренный опыт не специфичен для света. Аналогичные опыты с пучком электронов или др. микрочастиц также показывают непредсказуемость поведения отдельной частицы.

    Проведём  другой опыт. Пусть отражённый пучок  света (или микрочастиц) при помощи зеркала поворачивается и попадает в ту же область А (например, в тот же детектор, регистрирующий фотоны), что и прошедший пучок. Естественно было бы ожидать, что в этом случае измеренная интенсивность равна сумме интенсивностей прошедшего и отражённого пучков. Но хорошо известно, что это не так: интенсивность в зависимости от расположения зеркала и детектора может меняться в довольно широких пределах и в некоторых случаях (при равной интенсивности прошедшего и отражённого света) даже обращаться в ноль (пучки как бы гасят друг друга). Это - явление интерференции света. Что же можно сказать о поведении отдельного фотона в интерференционном опыте? Вероятность его попадания в данный детектор существенно перераспределится по сравнению с первым опытом, и не будет равна сумме вероятностей прихода фотона в детектор первым и вторым путями. Следовательно, эти два пути не являются альтернативными (иначе вероятности складывались бы). Отсюда следует, что наличие двух путей прихода фотона от источника к детектору существенным образом влияет на распределение вероятностей, и поэтому нельзя сказать, каким путём прошёл фотон от источника к детектору. Приходится считать, что он одновременно мог придти двумя различными путями.

    Необходимо  подчеркнуть радикальность возникающих  представлений. Действительно, невозможно представить себе движение частицы  одновременно по двум путям. Квантовая  механика и не ставит такой задачи. Она лишь предсказывает результаты опытов с пучками частиц. Подчеркнём, что в данном случае не высказывается никаких гипотез, а даётся лишь интерпретация волнового опыта с точки зрения корпускулярных представлений. (Напомним, что речь идёт не только о свете, но и о любых пучках частиц, например электронов.) Полученный результат означает невозможность классического описания движения частиц по траекториям, отсутствие наглядности квантового описания.

    Квантовая механика носит вероятностный характер. Она не может с точность до констант описать ни положение частицы в пространстве, ни направления движения, ни скорости. Квантовая механика оперирует лишь вероятностями этих величин.  

2. Принцип дополнительности.

    Ещё одной очень важной особенностью этой науки, в отличие от классической ньютоновской механики, является невозможность разделить микрообъект и наблюдателя. Вот что писал по этому поводу один из классиков квантовой механики В. Паули: