Микромир концепции современной физики 2

Содержание:

Введение................................................................................................................2

1. Сущность квантово-механической концепции описания микромира.........3

2. Взгляды М. Планка, Луи де Бройля, Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу микромира.......................................................................5

3. Особенности волновой генетики.....................................................................9

Заключение...........................................................................................................15

Список использованной литературы.................................................................16

Введение:

Разработка квантовой механики относится к началу XX в., когда были обнаружены две, казалось бы, не связанные между собой группы явлений, свидетельствующих о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики к процессам взаимодействия света с веществом и к процессам, происходящим в атоме: установление на опыте двойственной природы света - дуализма света и невозможность объяснить на основе имевшихся представлений существование устойчивых атомов и их оптические спектры. Установление связи между этими группами явлений и попытки объяснить их на основе новой теории и привели к открытию законов квантовой механики.

В своей работе я хотела бы раскрыть такие вопросы, как сущность квантово-механической концепции описания микромира, специфика поведения объектов в микромире и особенности их описания с помощью квантовой механики, обозначить особенности квантовой электроники и изучения строения вещества. Изложить взгляды М. Планка, Луи де Бройля, Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу микромира. И указать возможности применения знаний квантовой механики для изучения гена в современной генетике.

1. Сущность квантово-механической концепции описания микромира.

Для описания явлений микромира обычно привлекают квантовую механику, иногда ее еще называют волновой механикой. Квантовой механикой называют теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) в заданных внешних полях и их систем (например, кристаллов), а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, и позволили 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. Например, квантовая механика позволила объяснить температурную зависимость теплоемкостей газов, твердых тел и вычислить их значения; определить строение и понять многие свойства твердых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников); последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость; понять природу астрофизических объектов - белых карликов, нейтронных звезд; выяснить механизм протекания термоядерных реакций на Солнце и звездах. В некоторых эффектах (например, Джозефсона) законы квантовой механики проявляются непосредственно в поведении макроскопических объектов.

Ряд крупнейших технических достижений XX в. основан, по сути, на специфических законах квантовой механики. Например, квантово-механические законы лежат в основе работы ядерных реакторов, обусловливают возможность осуществления термоядерных реакций в земных условиях, наблюдаются в ряде явлений в металлах и полупроводниках и т.д. Теория квантово-механического излучения составляет фундамент квантовой электроники. Законы квантовой механики используются при целенаправленном поиске и создании новых материалов (магнитных, полупроводниковых, сверхпроводящих и др.)

Для классической механики и теории относительности характерно описание частиц путем задания их положения в пространстве координат и скоростей и зависимости этих величин от времени. Такому описанию соответствует движение частиц по вполне определенным траекториям. Однако это описание не всегда справедливо, особенно для частиц с очень малой массой (микрочастиц). В таких случаях используют законы квантовой механики.

Квантовая механика делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной теории относительности. Нерелятивистская квантовая механика - это вполне законченная и логически непротиворечивая теория, которая позволяет количественно решать в принципе любую физическую задачу в области своей компетентности. Разработка релятивистской квантовой механики еще не доведена до такого уровня. Например, если в нерелятивистской области можно считать, что движение определяется силами, действующими мгновенно на расстоянии, то в релятивистской области это допущение несправедливо. Поскольку, согласно теории относительности, взаимодействие передается с конечной скоростью, должен существовать физический агент, переносящий взаимодействие. Таким агентом считается физическое поле. Поэтому можно сказать, что трудности создания релятивистской теории по существу связаны с построением теории поля.

Соотношение между классической и квантовой механикой определяется существованием универсальной мировой постоянной - постоянной Планка (или кванта действия). Если в условиях конкретной задачи физическая величина, имеющая размерность действия, значительно больше постоянной Планка, то применима классическая механика или теория относительности. Формально это условие и является критерием выбора физической теории для описания картины мира.

2. Взгляды М. Планка, Луи де Бройля, Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу микромира.

Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства. Первые исследования в этой области были проведены немецким физиком М. Планком. В процессе исследования теплового излучения он пришел к выводу, что энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в определенных неделимых порциях – квантах. Сумма энергий этих порций определяется через число колебаний и универсальную естественную постоянную. Понятие элементарного кванта в дальнейшем послужило основой для понимания всех свойств атомной оболочки и атомного ядра. А. Эйнштейн перенес идею квантованного поглощения и отдачи энергии на излучение вообще и, таким образом, обосновал новое учение о свете.

Квантовая теория света или фотонная теория Эйнштейна утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. Вместе с тем световая энергия концентрируется в определенных точках, и свет, поэтому имеет прерывистую структуру. Свет можно рассматривать как поток энергетических квантов или фотонов. Таким образом, ранее считавшаяся опровергнутой корпускулярная теория света оказалась тоже отчасти верной.

Представления Эйнштейна о квантах света послужили отправным пунктом для теории Нильса Бора и привели к возникновению идеи о «волнах материи». В 1924 г. французский физик Луи де Бройль выдвинул идею о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления для описания свойств материи. Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже микроскопическим телам. В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи. Английский физик Поль Дирак обобщил его. Таким образом, была выдвинута идея о возможности создания единой математической модели материи и энергии. Экспериментальные данные подтвердили существование явлений дифракции атомов, нейтронов, электронов и даже молекул. Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств. Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенности, установленном немецким физиком В. Гейзенбергом. Принцип соотношения неопределенности утверждает, что для элементарных частиц никогда нельзя установить одновременно оба важнейших параметра классической механики – координату и скорость. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то при этом нарушается ее движение, и, наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы. Это связано с тем, что, пользуясь законами макромира, невозможно построить модель явлений микромира. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов опирается либо на волновое, либо на корпускулярное представление и не дает возможности описать квант, являющийся и частицей, и волной одновременно. Нильс Бор сформулировал это как принцип дополнительности: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего». В процессе исследования мы наблюдаем не реальность как таковую, а результат взаимодействия микрообъекта с приборами, одни из которых способны фиксировать волновую, другие – корпускулярную природу элементарных частиц. Обе картины законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую.

Параллельно с исследованиями квантовой природы энергии велись исследования атомов как структурных единиц материи. В XVIII в. химик Дальтон принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. В XIX в. Д.И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе. В физике исследования атома начинаются с открытия явления радиоактивности (самопроизвольного превращения атомов одних элементов в атомы других) французскими физиками А. Беккерелем и Пьером и Марией Кюри. Исследование структуры атома началось в 1895 г. с открытия Дж. Томсоном электрона – отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку атом в целом электрически нейтрален, было сделано предположение о наличии в его структуре положительно заряженных частиц. В 1911 г. исследования лаборатории Э. Резерфорда позволили сделать вывод, что атом имеет структуру, напоминающую солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны.

В 1913 г. датский физик Нильс Бор, отталкиваясь от планетарной модели Резерфорда, в которой, подобно тому, как планеты вращается вокруг Солнца, электроны движутся вокруг ядра, и квантовой концепции энергии, предложил следующую гипотезу строения атома: «В каждом атоме существует несколько стационарных состояний или орбит электронов, двигаясь по которым электрон существует, не излучая. При переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии». Концепция Бора позволяла объяснить устойчивость атомов и излучение ими энергии.

Следующие исследования показали, что сам электрон не является точкой. Он обладает внутренней структурой, которая может меняться в зависимости от его состояния, поэтому описать структуру атома, исходя из представлений классической механики, нельзя. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы распространены по всему атому, но в некоторых местах электронная плотность заряда больше, а в других – меньше. Кривая, связывающая точки максимальной плотности, формально называется орбитой электрона. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механистических моделей по аналогии с событиями в макромире.

Дальнейшее развитие представлений о структуре материи было связано с исследованиями элементарных частиц, то есть частиц, входящих в состав атома. Сейчас их известно более 350. Первоначально термин «элементарный» означал, что эти частицы являются далее неразложимыми. Сейчас уже не подлежит сомнению, что эти частицы имеют ту или иную структуру.

Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий:

Сильное взаимодействие. Происходит на уровне атомных ядер. Оно представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии 10-13 см.

Электромагнитное взаимодействие. Примерно в 1000 раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является фотон – квант электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие соединяет атомные ядра, электроны в атоме и атомы в молекуле.

Слабое взаимодействие. Действует на расстоянии порядка 10-15 – 10-22 см. Связано, главным образом, с распадом частиц, например, с превращением нейтрона в протон, электрон и антинейтрино.

Гравитационное взаимодействие. Самое слабое, в теории элементарных частиц почти не учитывается. Но при сверхбольших энергиях тяжелые частицы могут создавать вокруг себя заметное гравитационное поле. Гравитационные взаимодействия имеют решающее значение в космических масштабах. Радиус их действия неограничен.

3. Особенности волновой генетики.

Уникальные опыты российских ученых в области волновой генетики продемонстрировали возможность воздействия на живые организмы на расстоянии. По мнению исследователей, новый подход в области генетических исследований поможет человечеству остановить процессы старения, избавиться от смертельных заболеваний и создать биотехнологии, не имеющие аналогов в мире. Во все времена наука считалась не просто предметом мышления, а процессом, который постоянно пересекался с практикой и подтверждался конкретными экспериментами. Доктор биологических наук Петр Горяев и кандидат технических наук
Георгий Тертышный провели в области волновой генетики уже не один десяток экспериментов, и достигнутые ими результаты можно назвать сенсационными.
Одним из первых их экспериментов был удивительный процесс воссоздания растения, погибшего во время чернобыльской катастрофы. Ученые поставили перед собой, казалось бы, недостижимую цель: по прошествии 17 лет попробовать вернуть к жизни семена растения, убитого
громадной дозой радиации. Для этого взяли семена здорового растения и вновь подвергли облучению, только на этот раз при помощи хитрого прибора, названного разработчиками лазером на информационных биомакромолекулах. При этом носители света – фотоны проходили через
генетический материал, размещенный на стекле, и словно считывали и записывали информацию с матрицы. Проходя через ДНК растения, фотоны меняли угол направления векторов магнитного и электрического полей. В результате таких изменений фотоны становились носителями генетической информации, которая затем передавалась погибшему растению, находившемуся за стеклом, и "ремонтировала" его поврежденный геном.

Исследователи решили провести опыты на весьма опасных бактериях - золотистых стафилококках, которые, попадая в организм человека, могут вызывать самые разные заболевания вплоть до заражения крови. Традиционно эти бактерии "выводят" из организма с помощью антибиотиков. Однако новое поколение стафилококков научилось весьма успешно противостоять сильнодействующим препаратам. Квантовые генетики решили использовать в своих опытах две группы бактерий. Первая не обладала защитными свойствами против антибиотиков, а другая относилась к новому, более сильному поколению. Ученые с помощью все той же лазерной установки облучили через генетическую матрицу, на которой располагались молекулы "старых" бактерий, их "повзрослевших" собратьев. В результате более совершенные штаммы вернулись в свое первоначальное состояние и соответственно потеряли устойчивость к
антибиотикам.

Главная мысль новых генетических исследований: гены - это и вещество, и поле одновременно. Дело в том, что ДНК, содержащая в себе генетический код, является своеобразным контейнером для хранения информации о биологических особенностях организма. Его, в свою очередь, по устройству можно сравнить с большим государством. В организме каждого живого существа есть своя транспортная система, свое производство, свое управление. Для бесперебойной слаженной работы государства необходима развитая коммуникационная система. По мнению квантовых генетиков, в роли материальных носителей информации в организме выступают биоэлектромагнитные сигналы. Посредством их клетки обмениваются между собой данными, необходимыми для поддержания нормальной жизнедеятельности. Одни клетки выдают эту информацию, другие ее считывают. При этом, чем быстрее происходит "соединение", тем быстрее работает система. В живом организме сотни миллиардов клеток совершают будничную работу с громадной скоростью. Они обмениваются между собой своеобразными текстами, в которых при их небольшом изменении может поменяться весь смысл.

Эта идея и заставила ученых изучить наследственный аппарат высших биосистем с позиций лингвистики и сравнить ДНК с текстами естественных языков. Оказалось, что "тексты" ДНК и естественные языки выполняют одинаковые управленческие и регуляторные функции, только ДНК выполняет их на клеточном уровне, а языки – на общественном уровне. Белок, например, является "предложением", составленным с помощью двадцати "букв"- аминокислот. Информация, которую клетки передают друг другу, напоминает, таким образом, структуру текста. Причем некоторые составляющие такого текста могут иметь разночтение, как омонимы – слова разного значения, но одинаково звучащие. Так и в генетическом тексте встречаются "омонимы". И если изменить контекст генома организма, то поменяется и смысл информации, содержащейся в отдельной клетке. При этом вовсе не значит, что последствия такой замены всегда будут только в положительную сторону. Как считает Петр Горяев, повсеместное использование трансгенных продуктов через несколько поколений может привести к серьезным изменениям в хромосомном наборе человеческого организма, вплоть до вырождения человечества.

Свои открытия Петр Горяев и Георгий Тертышный хотят направить на создание биологически активного компьютера, в основе работы которого будут лежать принципы волновой генетики. Исследователи полагают, что создать биокомпьютер возможно на базе ДНК: генетические молекулы способны хранить, обрабатывать и записывать информацию, которая будет передаваться посредством биоэлектромагнитного сигнала.

Идея разработки суперкомпьютера, который до сих пор существовал только в умах фантастов, пришла во время проведения экспериментов по проращиванию облученных семян. К удивлению ученых, семена продолжали прорастать даже тогда, когда луч лазера проходил через стекла, на которых не было никакой биологической информации. Этот результат стал хорошим подтверждением "теории локализованных фотонов", выдвинутой в начале 90-х годов доктором физико-математических наук Владимиром Максименко. Согласно этой теории фотоны могут застревать среди атомов металла, из которого сделаны зеркала лазера. Там они накапливаются, а когда их количество становится критическим, извергаются на поверхность. Этот процесс сопровождается излучением радиоволн, которые, в свою очередь, несут биологически активную информацию. Так получилось, что лазерные зеркала могут хранить подобную информацию на протяжении нескольких недель. Надо сказать, что объем этой информации достаточно большой, в ней содержатся данные о строении биологического организма. Петр Горяев уверен, что можно найти более совершенные носители информации по сравнению с уже существующими. Кроме металла, записывать информацию можно было бы и с помощью воды.

Создание биомолекулярно-радиоэлектронных компьютерных систем приведет к тому, что биокомпьютеры будут обладать памятью, сравнимой с генетической. Она позволит вместить в себя все книги человечества за всю историю его существования. И это будет не только память, но и способность обрабатывать информацию с той же эффективностью, с какой это делает человеческий мозг.

По мнению Петра Горяева, современная генетика и молекулярная биология находятся в стадии освоения "орфографических" правил, по которым строятся белковые "тексты" из аминокислотных "букв". Грандиозная программа "Геном человека" за прошедшие десять лет показала, что генетический аппарат человека содержит только около 35 000 белковых генов. Это составляет всего два процента ДНК человека. Функции основной части генетического аппарата, то есть 98 процентов ДНК до сих пор не поняты большей частью генетиков и воспринимаются ими как мусор, который не поддается расшифровке. Сторонники волновой генетики считают, что в этой груде мусора содержится основная информационная часть генетического аппарата, а понимание механизмов его работы поможет человечеству по-новому подойти к решению целого ряда проблем. Например, некоторые процессы волновой генетики говорят о способности генетического аппарата быть "оператором времени". Этот "оператор" заращивает раны, регенерирует оторванный хвост у ящерицы, заставляет прорастать листья из почек. Овладение этим "реле биологического времени" позволит приостановить возраст людей на любой отметке с очень медленным смещением в старость и тем самым намного продлить активную жизнь человека. Вместе с тем механизмы волновой генетики активизируют способности организма сопротивляться болезням, потому что "оживляют" память генетических структур о здоровом состоянии организма - память, с которой, как с матрицей, хромосомы сравнивают сиюминутное состояние организма с его прошлым состоянием. Если же принципы волновой информации найдут свое применение, то это будет совсем иная основа для борьбы с раком, СПИДом, генетическими мутациями, патогенными микроорганизмами. Можно будет по желанию "ремонтировать" поврежденные ткани и органы.

Несмотря на то, что волновые генетики высказывают весьма смелые мысли, их теория не перечеркивает базовую генетику, а лишь указывает на то, что современное понимание генетических процессов существенно ограничено. Во времена не столь отдаленные генетика и квантовая физика были объявлены лженаучными направлениями. Но прошли годы, и на программы по расшифровке генома человека сегодня выделяются миллиарды долларов, а квантовая теория лежит в основе многих открытий. Возможно, что и волновая генетика рано или поздно получит признание в научных кругах и ответит на многие вопросы, которые до сих пор не поддаются объяснениям.

Заключение:

Квантовая механика – это теория, устанавливающая способ описания и законы движения микрочастиц в заданных внешних полях; один из основных разделов квантовой теории. Квантовая механика впервые позволила описать структуру атомов и понять их спектры, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов и т. д. Так как свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием образующих их частиц, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Так, квантовая механика позволила понять многие свойства твердых тел, объяснить явления сверхпроводимости, ферромагнетизма, сверхтекучести и многое другое; квантово-механические законы лежат в основе ядерной энергетики, квантовой электроники и т. д. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

Гены, содержащие в себе генетический код, являются своеобразным контейнером для хранения информации о биологических особенностях организма. Грандиозная программа "Геном человека" за прошедшие десять лет показала, что генетический аппарат человека содержит только около 35000 белковых генов. Это составляет всего два процента ДНК человека. Функции основной части генетического аппарата, то есть 98 процентов ДНК до сих пор не поняты большей частью генетиков. Сторонники волновой генетики считают, что в этой части содержится основная информационная часть генетического аппарата, а понимание механизмов его работы поможет человечеству по-новому подойти к решению целого ряда проблем. Несмотря на то, что волновые генетики высказывают весьма смелые мысли, их теория не перечеркивает базовую генетику, а лишь указывает на то, что современное понимание генетических процессов существенно ограничено.

Список использованной литературы:

1. Е. М. Кляус. Нильс Бор, 1885 — 1962. М. 1977.

2. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. - М., 1999. - С.87-93, 332-343.

3. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. - М., 1997. - С.80-90, 94-106, 138-147.

4. Блохинцев Д.И. Принципиальные вопросы квантовой механики // Иллюзия детерминизма. Классическая механика и причинность. Причинность в квантовой механике. - М., 1987.

5. Горяев П.П. Волновой геном. М., 1994.

6. Концепции современного естествознания. Под ред. Лавриненко В.Н. и Ратникова В.П. М., 2004.