Ирина Богданова - Концепции современного естествознания. Шпаргалки

Эксперименты доказали, что свет имеет дуальную природу, и распределение волновых или корпускулярных свойств зависит от длины волны: чем она меньше, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света: E = h · ν. Физик де Бройль в 1924 г. высказал идею, что аналогичными дуальными свойствами обладает не только свет, но и другие элементарные частицы: в одних условиях они ведут себя как корпускулы, в других – как волны. Если частица ведет себя как волна, она не проявляет корпускулярных свойств, если она ведет себя как корпускула, она не проявляет волновых качеств, то есть в конкретный момент она является либо корпускулой, либо волной, и никогда вместе.

В 1927 г. Нильс Бор сформулировал принцип дополнительности, который гласит, что, как бы далеко ни выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий, то есть квантово-механические явления должны описываться при помощи двух взаимоисключающих (дополнительных) наборов классических понятий, и только их совокупность может дать полную информацию о рассматриваемых явлениях как о целостных.

Такие явления не ограничиваются квантовой физикой. Принцип дополнительности применяется в биологии, психологии, социальных науках и т. п., то есть тогда, когда рассматриваемое явление или система достаточно сложно и противоречиво, вследствие чего не может быть описано с точки зрения одного выделенного основополагающего качества.

По современным понятиям, квант не является в полном смысле ни корпускулой, ни волной, он соединяет свойства частиц и свойства волн, образуя некий третий объект, который в силу узости нашего сознания не может быть воспринят и описан в едином понятии.

Принципы классической физики оказались неприменимы для мира сверхмалых частиц. В классической механике движение частиц описывается по существующим правилам: у частицы существуют конкретная траектория движения, конкретные координаты в пространстве, неизменная масса и энергия. Поведение частицы в микромире этим правилам не подчиняется. Микрочастица в силу волновых свойств не имеет ни траектории, ни координат, ни импульса, которые можно точно рассчитать: чем точнее определяется координата, тем менее точно можно определить импульс. О поведении микрочастицы можно говорить только приблизительно. Гейзенберг вывел неравенства, описывающие соотношения этих неопределенностей.

где x – это неопределенность, или неточность, нахождения координаты импульса; px – неопределенность, или неточность, нахождения самого импульса. В случае если это произведение сравнимо с постоянной Планка, то поведение частицы описывается квантовой механикой. В случае если это произведение много больше постоянной Планка, то поведение частицы описывается классической механикой. В то же время ни для какого движения в природе это произведение не может быть меньше постоянной Планка: h

Принцип неопределенности не связан с несовершенством используемых для наблюдения приборов, он связан с самими особенностями поведения частиц в микромире. Неопределенности порождаются законами микромира, а не проблемами у внешнего наблюдателя. Причем принцип неопределенностей распространяется только на частицы микромира, но не на малые материальные объекты макромира.

Существует закономерность: чем крупнее изучаемая частица, чем ближе она подходит к порогу макромира или его переходит, тем вернее можно сказать, что для нее работают законы классической физики, а не законы микромира. Для макроскопических тел можно применять одновременно понятия координат и скорости.

Постоянную Планка для таких объектов в расчетах не учитывают. Принцип неопределенностей показывает, что классическая механика является частным случаем квантовой и релятивистской механики.

Квантово-полевая картина мира ввела в обращение корпускулярно-волновые представления о материи и новую методологию познания и понимания физической реальности. Огромное значение в квантовой физике придается не только частицам, за которыми ведется наблюдение в ходе эксперимента, но и самому наблюдателю, организации процесса эксперимента. До XX в. никакого значения этому не придавалось, наблюдатель находился вне эксперимента, он лишь регистрировал изменения, происходящие с объектами эксперимента. В квантовой механике наблюдатель играет такую же роль, что и частицы, за которыми он наблюдает.

Квантовая картина мира рассматривает материальный мир, но объекты рассмотрения представляют собой не тела макромира, а элементарные частицы микромира, где они проявляют как корпускулярные, так и волновые свойства.

Пространство-время в квантовой картине мира является единым понятием и определяет особенности поведения сверхмалых частиц. В четырехмерном пространстве-времени для частиц невозможно определить точных координат, а также точно измерить их импульс, поэтому к микромиру применяются законы вероятности, более того, частицы могут одновременно существовать и не существовать. Пространственно-временной интервал в квантовой физике инвариантен при переходе из одной инерциальной системы в другую.

В квантовой картине мира пространственно-временные и энергетически импульсные понятия не могут использоваться независимо друг от друга, они дополняют друг друга, то есть пространство, время и причинность существуют комплексно, но параметры существования каждой частицы не могут быть точно определены, для частиц в квантовом мире существуют статистические законы, которые рассматривают поведение частицы как поведение совокупности частиц.

Движение частиц описывается волновыми функциями, которые базируются на уравнении Шредингера , позволяющем применить законы вероятности к максимально возможному числу траекторий частицы. Для определения вероятности каждого случая проводится дополнительная операция (редукция, коллапс) волнового пакета, связанная с проведением измерений.

Квантовая картина мира включает четыре типа взаимосвязи на уровне частиц: сильное (ядерное), слабое (распад частиц), электромагнитное, гравитационное.

Структурно материальный мир разделяется на три уровня – микромир, макромир, мегамир.

Микромир составляют мельчайшие объекты – элементарные частицы, атомы, молекулы. Основные наблюдения ведутся над элементарными частицами, среди которых появляются новые и новые. Первым был открыт отрицательно заряженный электрон, затем – положительно заряженный позитрон, нейтральный к взаимодействиям нейтрон и т. п. Некоторые частицы были теоретически предсказаны и только потом открыты. В микромире в силу его корпускулярно-волнового характера действуют законы квантовой физики.