Микромир: концепции современной физики

Содержание Министерство образования и науки Российской Федерации 1 Федеральное агентство по образованию 1 КУРСОВАЯ РАБОТА 1 Студентка 1 Содержание 3 Введение 4 Квантово-механическая концепция описания микромира. 5 Взгляды ученых на природу микромира 8 Особенности волновой генетики 14

Заключение 16 Список литературы: 17 Введение Естествознание, будучи сложнейшей совокупностью наук о природе, выработало в процессе своей длительной эволюции такие способы, методы и приемы познания, которые, несомненно, могут служить и служат эталонными нормами не только для всякой науки, но и приобретают общекультурное значение. [2, c 3] Физика - основа естественных наук. Огромное ветвисто дерево естествознания медленно произрастало из натурфилософии – философии природы,

представляющей собой умозрительное истолкование природных явлений и процессов. Одна из главных задач физики – выявление самого простого и самого общего в природе. Под самым простым обычно принято понимать первичные объекты: атомы, молекулы, поля и т.п а под самым общим – движение, пространство и время, движение. Физика занимает особое место среди естественных наук, и ее принято считать лидером естествознания. Хотя натурфилософия породила физику, можно утверждать,

что физика выросла из потребностей механики. [1,c 50 – 53] Физика выявляет взаимосвязи между телами в трех мирах: микро макро- и мегамире. Для явлений микромира характерна тесная связь корпускулярных и волновых свойств, которая находит свое выражение в статистических законах квантовой механики. [4] Квантово-механическая концепция описания микромира.

Квантовая механика – это физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне. Ее начало совпало с началом 20 века. Немецкий физик М. Планк в 1900 году предположил, что свет испускается неделимыми порциями энергии – квантами и представил это в виде формулы E=hv, где Е – энергия, v – частота света, h – универсальная постоянная, характеризующая меру дискретной порции энергии, которой обмениваются вещество и излучение.

Последующее изучение явлений микромира привело к результатам, которые резко различались с общепринятыми в классической физике и даже в теории относительности представлениями. В квантовой механике нет места для законов, управляющих изменениями отдельного объекта во времени. [3, c.91] В микромире господствует статистика, а не уравнения Дж. К. Максвелла или законы И. Ньютона. «Вместо этого мы имеем законы, управляющие изменениями во времени»1.На

базе квантовой механики невозможно описать положение и скорость элементарной частицы или предсказать ее будущий путь. [3, c.92] Первая модель атома была построена Н.Бором (1913 г.) на основе экспериментального обнаружения квантования света. По мнению ученого, при переходе электрона с одной орбиты на другую рождается квант света с энергией, равной разности энергий уровней, между которыми осуществляется переход.

Так происходит излучение и возникает линейчатый спектр (в спектрах оказываются лишь определенные длины волн) – основная особенность атомных спектров. Рис.1 Бора [5] Важная особенность явлений микромира заключается в том, что электрон ведет себя подобно частице, когда движется во внешнем электрическом или магнитном поле, и подобно волне, когда дифрагирует, проходя

сквозь кристалл. В связи с этим Л. Де Бройль предположил, что электрон – это волна определенной длины. Дифракция подтверждает волновую гипотезу, а отсутствие увеличения энергии выбиваемых светом частиц – квантовую. Объединение этих гипотез получило название корпускулярно – волнового дуализма. [3, c.92 - 93] Квантово – механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей, установленном немецким физиком В.Гейзенбергом, и принципе дополнительности

Н.Бора. В. Гейзенберг раскрывает содержание соотношения неопределенностей в своей книге «Физика атомного ядра». Он пишет, что никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату и скорость. Соотношение неопределенностей есть выражение возможности наблюдать микромир, не нарушая его. 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 тоже время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».[6, c.107 – 108] Энергию системы можно измерить с точностью, не превышающей определенной величины. Причиной этому является взаимодействие системы с измерительным прибором, который препятствует точному измерению энергии. Из соотношения неопределенностей вытекает, что энергия возбужденных состояний атомов, молекул, ядер не могут быть строго определенными.

Итак, квантовая механика пришла к принципиально новым выводам в исследовании микромира: Каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами Вещество может переходить в излучение (аннигиляция2 частицы и античастицы дает фотон, т.е. квант света) Место и импульс элементарной частицы можно предсказать только с определенной вероятностью Прибор, исследующий реальность, влияет на нее Точное измерение возможно только при потоке частиц, но

не одной частицы По существу относительность восторжествовала и в квантовой механике, так как ученые признали, что нельзя во-первых, найти объективную истину безотносительного от измерительного прибора, во-вторых, знать одновременно и положение, и скорость частиц; в-третьих, установить, имеем ли мы в микромире дело с частицами или волнами. [3, c.93 – 94] Взгляды ученых на природу микромира Развитие взглядов на природу света.

Формула Планка. В 19 – 20 веках существовало серьезное расхождение между теорией и экспериментом при исследовании законов теплового излучения абсолютно черного тела. Абсолютно черное тело – это индивидуализированное тело, полностью поглощающее упавшие на него излучения всех частот. Тепловое излучение – свечение тел, обусловленное тепловым хаотическим движением молекул, связанное с переходом энергии теплового движения в электромагнитную волну.

Иными словами, это свечение тел, обусловленное нагреванием. В отличие от теплового излучения, люминесценция представляет собой вид излучения, избыточный над тепловым, обусловленный другими процессами. Только тепловое излучение является равновесным. К равновесным процессам применимы законы термодинамики и, кроме этого, результаты, полученные в электродинамике, позволяли делать попытки в этом направлении. В конце концов

Рэлеем был получен точный закон распределения плотности энергии излучения абсолютно черного тела по частотам, который тем не менее не соответствовал экспериментальным данным. Проблема была решена в 1900 году Максом Планком, благодаря идее, перевернувшей представления ученых о характере физических законов и открыла новую эру в физике.[2, c.197 – 199] Гениальная гипотеза, высказанная Планком, постулирует, что вещество не может излучать или поглощать

энергию иначе, как конечными порциями (квантами), пропорциональными излучаемой (или поглощаемой) частоте. Энергия одной порции (кванта) E=hv, где v – частота излучения, а h – некоторая универсальная константа, получившая название постоянной Планка. Исходя из этой гипотезы Планк получил новый закон распределения спектральной плоскости энергии излучения абсолютно черного тела, дающий полное согласие с экспериментом. [2, c.199]

В 1905 году А.Эйнштейн обратил внимание на то, что явление фотоэффекта указывает на дискретную природу света в соответствии с гипотезой Планка. При этом дискретная природа света проявляется не только в актах испускания или поглощения, но и при свободном распространении излучения в пространстве с течением времени. Иными словами, свет – это поток корпускул, квантов. Эйнштейн назвал кванты света фотонами. В 1923 году было открыто еще одно явление, подтверждающее существование

фотонов – эффект Комптона. Открытие Планка не перечеркивало ряд эффектов, в которых свет проявляет свои волновые свойства. Но при этом были открыты явления, свидетельствующие о корпускулярно – волновом дуализме света: в одних ситуациях свет ведет себя как волна, а в других ситуациях, не совместимых с первыми в одном и том же эксперименте, свет ведет себя как поток фотонов. [2, c.200] Гипотеза Луи да Бройля. Волновые свойства вещества.

К концу 1924г. точка зрения, согласно которой электромагнитное излучение ведет себя отчасти подобно волнам, а отчасти подобно частицам, стала общепринятой. И именно в это время француза Луи де Бройля, который в то время был аспирантом, осенила гениальная мысль: почему то же самое не может быть для вещества? Луи де Бройль проделал по отношению к частицам работу, обратную той, которую

Эйнштейн провел для волн света. Эйнштейн связал электромагнитные волны с частицами света; де Бройль связал движение частиц с распространением волн, которые он назвал волнами материи. В 1924 году в докторской диссертации он предположил, что для всех частиц справедливо соотношение p = h / λ, полученное ранее А.Эйнштейном для фотонов. Здесь p - импульс частицы, h - постоянная Планка, λ - длина волны, которая сопоставляется

с движение частицы. В случае частиц с массой покоя, не равной нулю, p = mv, причем для малых скоростей m есть постоянная, а для скоростей, сравнимых со скоростью света, m - релятивистская масса, зависящая от скорости. Т.е. по де Бройлю для частиц с не равной нулю массой покоя λ = h / mv. Для электрона малых энергий m = 9.1·10-31кг и λ = 1.22/, где энергия электрона Te в эВ. Причина, по которой волновые свойства вещества не замечались ранее, состоит в чрезвычайно малости

длин волн, связанных с макроскопическими количествами материи. "В оптике говорил де Бройль в течение столетия слишком пренебрегали корпускулярным способом рассмотрения по сравнению с волновым; не делалась ли в теории материи обратная ошибка? Не думали ли мы слишком много о картине "частиц" и не пренебрегали ли чрезмерно картиной волн?" [8] Принцип неопределенности Гейзенберга

Принцип Гейзенберга играет в квантовой механике ключевую роль хотя бы потому, что достаточно наглядно объясняет, как и почему микромир отличается от знакомого нам материального мира. Вернер Гейзенберг, начав со сложных математических формул, он постепенно пришел к удивительной по простоте формуле, дающий общее описание эффекта воздействия инструментов измерения на измеряемые объекты микромира. В результате им был сформулирован принцип неопределенности, названный теперь его именем: неопределенность

значения координаты x неопределенность скорости > h/m, математическое выражение которого называется соотношением неопределенностей Гейзенберга: Δx х Δv > h/m где Δx — неопределенность (погрешность измерения) пространственной координаты микрочастицы, Δv — неопределенность скорости частицы, m — масса частицы, а h — постоянная Планка, названная так в честь немецкого физика Макса Планка. Термин «неопределенность пространственной координаты» как раз и означает, что мы не знаем

точного местоположения частицы. Самое принципиальное отличию микромира от нашего повседневного физического мира в том, что в обычном мире, измеряя положение и скорость тела в пространстве, мы на него практически не воздействуем. Таким образом, в идеале мы можем одновременно измерить и скорость, и координаты объекта абсолютно точно (иными словами, с нулевой неопределенностью). В мире квантовых явлений, однако, любое измерение воздействует на систему.

Сам факт проведения нами измерения, например, местоположения частицы, приводит к изменению ее скорости, причем непредсказуемому (и наоборот). Вот почему в правой части соотношения Гейзенберга стоит не нулевая, а положительная величина. Чем меньше неопределенность в отношении одной переменной (например, Δx), тем более неопределенной становится другая переменная (Δv), поскольку произведение двух погрешностей в левой части соотношения

не может быть меньше константы в правой его части. На самом деле, если нам удастся с нулевой погрешностью (абсолютно точно) определить одну из измеряемых величин, неопределенность другой величины будет равняться бесконечности, и о ней мы не будем знать вообще ничего. Иными словами, если бы нам удалось абсолютно точно установить координаты квантовой частицы, о ее скорости мы не имели бы ни малейшего представления; если бы нам удалось точно зафиксировать скорость

частицы, мы бы понятия не имели, где она находится. [9] Принцип дополнительности Бора. В 1927 году Нильс Бор дал формулировку одного из важнейших принципов квантовой механики — принципа дополнительности. Согласно этому принципу, для полного описания квантово - механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных.

Например, дополнительными в квантовой механике являются пространственно временная и энергетически-импульсная картины. [7] Уравнение Шрёдингера Шрёдингер применил к понятию волн вероятности классическое дифференциальное уравнение волновой функции и получил знаменитое уравнение, носящее его имя. где x — расстояние, h — постоянная Планка, а m, E и U — соответственно масса, полная энергия и потенциальная энергия частицы. Картина квантовых событий, которую дает нам уравнение

Шрёдингера, заключается в том, что электроны и другие элементарные частицы ведут себя подобно волнам на поверхности океана. С течением времени пик волны (соответствующий месту, в котором скорее всего будет находиться электрон) смещается в пространстве в соответствии с описывающим эту волну уравнением. То есть то, что мы традиционно считали частицей, в квантовом мире ведёт себя во многом подобно волне. [9] Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР-парадокс) — попытка указания на неполноту квантовой

механики с помощью мысленного эксперимента, заключающегося в измерении параметров микрообъекта косвенным образом, не оказывая на этот объект непосредственного воздействия. Целью такого косвенного измерения является попытка извлечь больше информации о состоянии микрообъекта, чем даёт квантово - механическое описание его состояния. Изначально споры вокруг парадокса носили скорее философский характер, связанный с тем, что следует

считать элементами физической реальности — считать ли физической реальностью лишь результаты опытов и может ли Вселенная быть разложена на отдельно существующие «элементы реальности», так что каждый из этих элементов имеет своё математическое описание. Согласно соотношению неопределённостей Гейзенберга, нет возможности измерить одновременно координату частицы и её импульс. Предполагая, что причиной неопределённости является то, что производя измерение

одной величины, вносится принципиально неустранимые возмущения в состояние и искажение значения другой величины, можно предложить гипотетический способ, которым соотношение неопределённостей можно обойти. Допустим, две одинаковые частицы A и B образовались в результате распада третьей частицы C. В этом случае, по закону сохранения импульса, их суммарный импульс должен быть равен исходному импульсу третьей частицы , то есть, импульсы двух частиц должны быть связаны.

Это даёт возможность измерить импульс одной частицы (A) и по закону сохранения импульса рассчитать импульс второй (B), не внося в её движение никаких возмущений. Теперь, измерив координату второй частицы, можно получить для этой частицы значения двух неизмеримых одновременно величин, что по законам квантовой механики невозможно. Исходя из этого можно заключить, что соотношение неопределённостей не является абсолютным, а законы

квантовой механики являются неполными и должны быть в будущем уточнены. [7] Особенности волновой генетики В 1957 г. в Китае исследователь Дзян Каньджен начал, а с 70-х на Российской земле продолжил супергенетические эксперименты, которые перекликались с предвидениями русских ученых А.Г. Гурвича и А.А. Любищева. В 20-х - 30-х годах они предсказали, что генетический аппарат организмов

Земли работает не только на вещественном, но и на полевом уровне и способен передавать генетическую информацию с помощью электромагнитных и акустических волн. С 60-х годов в Новосибирске акад. В.П. Казначеевым и его школой начаты исследования, призванные подтвердить идеи Гурвича-Любищева. И они действительно продемонстрировали так называемый зеркальный цитопатический эффект, когда клетки, разделенные кварцевым стеклом, обмениваются волновой регуляторной информацией,

связанной с функциями генетического аппарата. Совместно с сотрудниками Математического Института РАН группа П.П. Гаряева, главным образом усилиями М.Ю. Маслова, разработала теорию т.н. фрактального представления естественных (человеческих) и генетических языков. В рамках этой теории квази-речь ДНК обладает потенциально неисчерпаемым запасом "слов" и, кроме того, то, что было в одном масштабе рассмотрения

ДНК-"текстов" "фразой" или "предложением" в другом масштабе превращается в "слово" или "букву". В этом проявляется в высшей степени свойственная генетическому аппарату информационная избыточность и, соответственно, помехозащищенность. Она в триединстве его структурно-функциональной организации - голографической, солитонной и фрактальной структурах. Указанная теория дает возможность тонкого количественного сравнения знаковой структуры любых

текстов, в том числе, генетических. Тем самым открывается реальная возможность подойти к дешифровке лексики собственно генотекстов и, соответственно, более точному составлению алгоритмов обращения к геному человека с целью потенциально любого программирования его жизнедеятельности - лечения, продления жизни и т.д. Значительным для фундаментальной науки результатом могут оказаться экспериментальные данные, доказывающие недостаточность генома для полноценного воспроизведения программы развития организма в

условиях биополевой информационной изоляции. Фильтрация или искажение внешнего естественного информационного фона вызывает уродства и гибель эмбрионов. Это означает, что коммуникации генетических структур с внешним информационным полем безусловно необходимы для гармоничного развития организма. Внешние (экзобилогические) полевые сигналы несут дополнительную, а может быть и главную, информацию в геноконтинуум Земли. Такая идея подтверждается прямыми экспериментами

Группы, которые показали, что ДНК в состоянии жидкого кристалла является подобием антенны для приема и усвоения экзобиологической информации. Это явление, возможно фундаментального значения, проявляется в том, что молекулы ДНК в режиме "приема" экзобиологического сигнала начинают вести себя аномальным образом, имитируя квази-разумное поведение на уровне собственных солитонных акустических полей. Это надежно регистрируется методом корреляционной лазерной спектроскопии.

Не исключено, что при этом регистрируются Высшие регуляторные супергено-сигналы, предназначенные для глобального управления организмами Земли с целью их выживания. Другое явление, регистрируемое в указанных экспериментах, выражается в видимом нарушении 2-го закона термодинамики3 при такого рода квази-спонтанных искусственно наведенных извне акустических колебаниях молекул ДНК, что отмечено также в параллельных исследованиях на

Западе. [10] Заключение В конце XIX — начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого концептуальные построения классической физики оказались непригодными. В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи. Итак, менее чем за один век представления о фундаментальных законах, определяющих всё многообразие явлений в природе, радикально изменились.

Ученые многое узнали о тех «строительных элементах», из которых состоит вещество, об их свойствах и законах взаимодействия между собой. В рамках курсовой работы невозможно остановиться на всех вопросах фундаментальной науки – их истории и влиянии на последующее развитие физики, но коснуться такой удивительно красивой области, как законы микромира все же возможно. [7] Завершить работу мне хотелось бы словами известного французского литератора и философа - материалиста

утилитарного направления Клода Адриана Гельвеция: «В мире нет ничего абсолютного, кроме существования и несуществования. Все остальное поддается вычислению и является относительным». [11, c.270] Список литературы: 1)С.Х. Карпенков. Оснсновные концепции естествознания: Учебное пособие. – 2-е изд.перераб. и доп. – М.: Академический Проект, 2002. – 368 с. – (Серия «Gaudeamus») 2)Концепции современного естествознания: учеб. пособие/В.

О. Голубинцев [и др.];под общ.ред. С.И.Самыгина. – Изд. 7-е, доп. и перераб. – Ростов н/Д.: Феникс, 2005. – 413 с. – (Высшее образование). 3)Концепции современного естествознания. учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / А.А. Горелов. – 2-е изд испр. и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 469с. 4)Цифровая библиотека по философии http://fillosof.historic.ru/enc/item/f00 /s06/a000619.shtml 5)Алексей

Кириллович Иванов-Шиц «Концепции современного естествознания» курс лекций. http://www.limm.mgimo.ru/science/lect_4. html 6)Концепции современного естествознания: учебник для вузов/ В.Н. Лавриненко, В.П. Ратников, Г.В Г.В. Баранов и др.; Под ред.проф. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. – 2-е изд перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ – ДАНА, 2002. – 303 с. 7)Википедия. Свободная энциклопедия. http://ru.wikipedia.org 8)К.

А. Дергозубов. Волновые свойства частиц. Конспект лекций с демонстрациями. http://teachmen.csu.ru/work/lectureW/ 9)Элементы: популярный сайт о фундаментальной науке. http://elementy.ru 10)Волновая генетика. Петр Горяев – 19 мая 2009 – Персональный сайт http://vp777.ucoz.ru/news/2009-05-19-44 11)Борохов Э. Энциклопедия афоризмов (мысль в слове)/Худож. Ю.Д. Федичкин. – М.: Издательство АТС, 1999. – 720 с.