Контрольна робота
«Концепція сучасного природознавства»
Варіант 5
1. Принцип невизначеності Гейзенберга
2. Харчові ланцюги і екологічна піраміда.
1. Принцип невизначеності Гейзенберга
У першій чверті ХХ століття саме такою була реакція фізиків, коли вони почали досліджувати поведінку матерії на атомному та субатомному рівнях. Поява та бурхливий розвиток квантової механіки відкрило перед нами цілий світ, системне улаштування якого просто не вкладається в рамки здорового глузду і повністю суперечить нашим інтуїтивним уявленням. Але потрібно пам'ятати, що наша інтуїція заснована на досвіді поведінки звичайних предметів сумірних з нами масштабів, а квантова механіка описує речі, які відбуваються на мікроскопічному і невидимому для нас рівні, - жодна людина ніколи безпосередньо з ними не стикався.
Принцип Гейзенберга взагалі грає у квантовій механіці ключову роль хоча б тому, що досить наочно пояснює, як і чому мікросвіт відрізняється від знайомого нам матеріального світу. Щоб зрозуміти цей принцип, задумайтеся для початку про те, що значить «виміряти» яку б то не було величину. Щоб відшукати, наприклад, цю книгу, ви, увійшовши до кімнати, оглядає її поглядом, поки він не зупиниться на ній. Мовою фізики це означає, що ви провели візуальне вимірювання (знайшли поглядом книгу) і отримали результат - зафіксували її просторові координати (визначили місце розташування книги в кімнаті). Насправді процес вимірювання відбувається набагато складніше: джерело світла (Сонце або лампа, наприклад) випускає промені, які, пройшовши певний шлях у просторі, взаємодіють з книгою, відбиваються від її поверхні, після чого частина з них доходить до ваших очей, проходячи через кришталик, фокусується, потрапляє на сітківку - і ви бачите спосіб книги і визначаєте її положення в просторі. Ключ до вимірювання тут - взаємодія між світлом і книгою. Так і при будь-якому вимірі, уявіть собі, інструмент вимірювання (в даному випадку, це світло) вступає у взаємодію з об'єктом вимірювання (в даному випадку, це книга).
На початку 1920-х років, коли відбувся бурхливий сплеск творчої думки, що призвів до створення квантової механіки, цю проблему першим усвідомив молодий німецький фізик-теоретик Вернер Гейзенберг. Почавши зі складних математичних формул, що описують світ на субатомному рівні, він поступово прийшов до дивної по простоті формулою, що дає загальний опис ефекту впливу інструментів вимірювання на вимірювані об'єкти мікросвіту, про який ми тільки що говорили. В результаті їм був сформульований принцип невизначеності, названий тепер його ім'ям:
невизначеність значення координати x невизначеність швидкості> h / m,
математичне вираження якого називається співвідношенням невизначеностей Гейзенберга:
Δx х Δv> h / m
де Δx - невизначеність (погрішність) просторової координати мікрочастинки, Δv - невизначеність швидкості частки, m - маса частинки, а h - постійна Планка, названа так на честь німецького фізика Макса Планка, ще одного з основоположників квантової механіки. Постійна Планка дорівнює приблизно 6,626 x 10-34 Дж · с, тобто містить 33 нуля до першої значущої цифри після коми.
Термін «невизначеність просторової координати» якраз і означає, що ми не знаємо точного місця розташування частинки. Наприклад, якщо ви використовуєте глобальну систему рекогносцировки GPS, щоб визначити місце розташування цієї книги, система обчислить їх з точністю до 2-3 метрів. (GPS, Global Positioning System - навігаційна система, в якій задіяні 24 штучні супутники Землі. Якщо у вас, наприклад, на автомобілі встановлений приймач GPS, то, приймаючи сигнали від цих супутників і зіставляючи час їх затримки, система визначає ваші географічні координати на Землі з точністю до кутової секунди.) Однак, з точки зору вимірювання, проведеного інструментом GPS, книга може з певною ймовірністю перебувати де завгодно в межах зазначених системою кількох квадратних метрів. У такому випадку ми і говоримо про невизначеність просторових координат об'єкту (у даному прикладі, книги). Ситуацію можна поліпшити, якщо взяти замість GPS рулетку - в цьому випадку ми зможемо стверджувати, що книга знаходиться, наприклад, в 4 м 11 см від однієї стіни і в 1м 44 см від іншої. Але і тут ми обмежені в точності вимірювання мінімальним діленням шкали рулетки (нехай це буде навіть міліметр) і похибками вимірювання і самого приладу, - і в самому кращому випадку нам вдасться визначити просторове положення об'єкта з точністю до мінімального поділу шкали. Чим більш точний прилад ми будемо використовувати, тим точніше будуть отримані нами результати, тим нижче буде похибка вимірювання і тим менше буде невизначеність. У принципі, в нашому повсякденному світі звести невизначеність до нуля і визначити точні координати книги можна.
І тут ми підходимо до найпринциповішого відмінності мікросвіту від нашого повсякденного фізичного світу. У звичайному світі, вимірюючи положення і швидкість тіла в просторі, ми на нього практично не впливаємо. Таким чином, в ідеалі ми можемо одночасно виміряти і швидкість, і координати об'єкта абсолютно точно (іншими словами, з нульовою невизначеністю).
У світі квантових явищ, проте, будь-яке вимірювання впливає на систему. Сам факт проведення нами виміру, наприклад, місця розташування частинки, призводить до зміни її швидкості, причому непередбачуваного (і навпаки). Ось чому в правій частині співвідношення Гейзенберга коштує не нульова, а позитивна величина. Чим менше невизначеність стосовно однієї змінної (наприклад, Δx), тим більше невизначеною стає інша змінна (Δv), оскільки твір двох похибок в лівій частині співвідношення не може бути менше константи в правій його частині. Насправді, якщо нам вдасться з нульовою похибкою (абсолютно точно) визначити одну з вимірюваних величин, невизначеність іншої величини буде дорівнювати нескінченності, і про неї ми не будемо знати взагалі нічого. Іншими словами, якщо б нам вдалося абсолютно точно встановити координати квантової частинки, про її швидкості ми не мали б ні найменшого уявлення, якщо б нам вдалося точно зафіксувати швидкість частинки, ми б поняття не мали, де вона знаходиться. На практиці, звичайно, фізикам-експериментаторам завжди доводиться шукати якийсь компроміс між двома цими крайнощами і підбирати методи вимірювання, що дозволяють з розумною похибкою судити і про швидкість, і про просторове положення частинок.
Насправді, принцип невизначеності пов'язує не тільки просторові координати і швидкість - на цьому прикладі він просто виявляється найнаочніше; в рівній мірі невизначеність пов'язує і інші пари взаємно ув'язаних характеристик мікрочастинок. Шляхом аналогічних міркувань ми приходимо до висновку про неможливість безпомилково виміряти енергію квантової системи та визначити момент часу, в який вона володіє цією енергією. Тобто, якщо ми проводимо вимірювання стану квантової системи на предмет визначення її енергії, цей вимір займе певний відрізок часу - назвемо його Δt. За цей проміжок часу енергія системи випадковим чином змінюється - відбуваються її флуктуація, - і виявити її ми не можемо. Позначимо похибка вимірювання енергії ДЕ. Шляхом міркувань, аналогічних вищенаведеним, ми прийдемо до аналогічного співвідношенню для ДЕ і невизначеності часу, яким квантова частка цієї енергією мала: ΔЕΔt> h
Щодо принципу невизначеності потрібно зробити ще два важливі зауваження: він не має на увазі, що будь-яку одну з двох характеристик частинки - просторове розташування або швидкість - не можна виміряти як завгодно точно;
принцип невизначеності діє об'єктивно і не залежить від присутності розумного суб'єкта, що проводить вимірювання.
Іноді вам можуть зустрітися твердження, ніби принцип невизначеності має на увазі, що у квантових частинок відсутні певні просторові координати і швидкості, або що ці величини абсолютно непізнавані. Не вірте: як ми тільки що бачили, принцип невизначеності не заважає нам з будь-якою бажаною точністю виміряти кожну з цих величин. Він стверджує лише, що ми не в змозі вірогідно дізнатися і те, і інше одночасно. І, як і багато в чому іншому, ми змушені йти на компроміс. Знову ж, письменники-антропософи з числа прихильників концепції «Нової ери» іноді стверджують, що, нібито, оскільки вимірювання увазі присутність розумного спостерігача, то, значить, на якомусь фундаментальному рівні людську свідомість пов'язано з Вселенським розумом, і саме цей зв'язок зумовлює принцип невизначеності . Повторимо з цього приводу ще раз: ключовим у співвідношенні Гейзенберга є взаємодія між часткою-об'єктом вимірювання і інструментом виміру, що впливає на його результати. А той факт, що при цьому присутній розумний спостерігач в особі вченого, ставлення до справи не має; інструмент вимірювання в будь-якому випадку впливає на його результати, присутній при цьому розумне істота чи ні.
Висновки. Викладене змінює поширене уявлення про співвідношення невизначеності та пов'язаних з нею парадокси.
Вплив вимірювального інструмента н одночасне його вплив на результат вимірювання пов'язаних параметрів не є специфікою квантової механіки і розглянутого співвідношення. Специфічним є феномен квантування "дії". Співвідношення невизначеності не відображає хвильових властивостей частинок. Специфічна невизначеність відповідає неможливості визначення параметрів окремої частинки і не відображає імовірнісний підхід, що відноситься до ансамблю частинок.
Специфічна невизначеність окремо кожного з пов'язаних параметрів визначається методикою вимірювання.
Зв'язок між точностями вимірювання пов'язаних параметрів має місце не просто при одночасному вимірі обох параметрів, а при єдиному вимірі, відповідним визначенням кількості квантів дії з паралельною, що залежить від використовуваної методики вимірювання, оцінкою їх компонентів - пов'язаних параметрів. Моделлю подібного виміру є індикатор, в якому є три шкали, відградуйованих не тільки в кванти дії, а й у вимірюваних сполучених параметрах.
2. Харчові ланцюги та екологічні піраміди
Усередині екологічної системи органічні речовини створюються автотрофними організмами (наприклад, рослинами). Рослини поїдають тварини, яких, у свою чергу, поїдають інші тварини. Така послідовність називається харчової ланцюгом; кожна ланка харчового ланцюга називається трофическим рівнем (грец. trophos «харчування»).
Організми перший трофічного рівня називаються первинними продуцентами. На суші більшу частину продуцентів становлять рослини лісів і лугів; у воді це, в основному, зелені водорості. Крім того, виробляти органічні речовини можуть синьозелені водорості і деякі бактерії.
Організми другий трофічного рівня називаються первинними консументами, третього трофічного рівня - вторинними консументами і т. д. Первинні консументи - це травоїдні тварини (багато комахи, птахи і звірі на суші, молюски та ракоподібні у воді) і паразити рослин (наприклад, паразитують гриби) . Вторинні консументи - це м'ясоїдні організми: хижаки або паразити. У типових харчових ланцюгах хижаки виявляються більше на кожному рівні, а паразити - дрібніші.
Існує ще одна група організмів, званих редуцентами. Це сапрофіти (зазвичай, бактерії і гриби), що харчуються органічними залишками мертвих рослин і тварин (детритом). Детритом можуть також харчуватися тварини - детрітофагі, прискорюючи процес розкладання залишків. Детритофагов, у свою чергу, можуть поїдати хижаки. На відміну від пасовищних харчових ланцюгів, що починаються з первинних продуцентів (тобто з живої органічної речовини), детритні харчові ланцюжки починаються з детриту (тобто з мертвої органіки).
У схемах харчових ланцюгів кожен організм представлений харчується організмами якогось певного типу. Дійсність набагато складніше, і організми (особливо, хижаки) можуть харчуватися самими різними організмами, навіть з різних харчових ланцюгів. Таким чином, харчові ланцюги переплітаються, утворюючи харчові мережі.
Харчові мережі служать основою для побудови екологічних пірамід. Найпростішими з них є піраміди чисельності, яка відображає кількість організмів (окремих особин) на кожному трофічному рівні. Для зручності аналізу ці кількості відображаються прямокутниками, довжина яких пропорційна кількості організмів, що мешкають у досліджуваній екосистемі, або логарифму цієї кількості. Часто піраміди чисельності будують у розрахунку на одиницю площі (в наземних екосистемах) або об'єму (у водних екосистемах).
У пірамідах чисельності дерево і колосок враховуються однаково, незважаючи на їх різну масу. Тому більш зручно використовувати піраміди біомаси, які розраховуються не за кількістю особин на кожному трофічному рівні, а по їх сумарній масі. Побудова пірамід біомаси - більш складний і тривалий процес.
Піраміди біомаси не відображають енергетичної значимості організмів і не враховують швидкість споживання біомаси. Це може призводити до аномалій у вигляді перевернутих пірамід. Виходом з положення є побудова найбільш складних пірамід - пірамід енергії. Вони показують кількість енергії, що пройшло через кожен трофічний рівень екосистеми за певний проміжок часу (наприклад, за рік - щоб врахувати сезонні коливання). У основу піраміди енергії часто додають прямокутник, що показує приплив сонячної енергії. Піраміди енергії дозволяють порівнювати енергетичну значущість популяцій всередині екосистеми. Так, частка енергії, що проходить через грунтових бактерій, незважаючи на їх незначну біомасу, може складати десятки відсотків від загального потоку енергії, що проходить через первинних консументів.
Органічне речовина, вироблене автотрофами, називається первинною продукцією. Швидкість накопичення енергії первинними продуцентами називається валовий первинної продуктивністю, а швидкість накопичення органічних речовин - чистої первинної продуктивністю. ВПП приблизно на 20% вище, ніж ПВП, так як частина енергії рослини витрачають на дихання. Всього рослини засвоюють близько відсотка сонячної енергії, поглиненої ними.
При поїданні одних організмів іншими речовина і їжа переходять на наступний трофічний рівень. Кількість органічної речовини, накопиченого гетеротрофами, називається вторинною продукцією. Оскільки гетеротрофи дихають і виділяють неперетравлені залишки, у кожній ланці частина енергії втрачається. Це накладає істотне обмеження на довжину харчових ланцюгів; кількість ланок у них рідко буває більше 6. Зазначимо, що ефективність переносу енергії від одних організмів до інших значно вище, ніж ефективність виробництва первинної продукції. Середня ефективність переносу енергії від рослини до тварини складає близько 10%, а від тварини до тварини - 20%. Зазвичай рослинна їжа енергетично менш цінна, тому що в ній міститься велика кількість целюлози та деревини, не переварюваних більшістю тварин.
Вивчення продуктивності екосистем важливо для їх раціонального використання. Ефективність екосистем може бути підвищена за рахунок підвищення врожайності, зменшення перешкод з боку інших організмів (наприклад, бур'янів по відношенню до сільськогосподарських культур), використання культур, більш пріспобленних до умов даної екосистеми. По відношенню до тварин необхідно знати максимальний рівень видобутку (тобто кількість особин, які можна вилучити з популяції за певний проміжок часу без шкоди для її подальшої продуктивності).
Трофічну структуру і трофічну функцію можна зобразити графічно у вигляді екологічних пірамід. Підставою цих пірамід служить перший трофічний рівень - рівень продуцентів, а наступні рівні утворюють поверхи і вершину піраміди. Екологічні піраміди можна віднести до трьох основних типів:
1) піраміда численностей, що відображає чисельність окремих організмів;
2) піраміда біомаси, що характеризує загальну суху масу, калорійність або іншу міру загальної кількості живої речовини;
3) піраміда енергії, що показує величину потоку енергії та (або) "продуктивність" на послідовних трофічних рівнях.
Піраміди чисельності і маси можуть бути зверненими, або частково оберненими, тобто підстава може бути менше, ніж один або кілька верхніх поверхів. Так буває, коли середні розміри продуцентів менші від розмірів консументів. Можна сформулювати якесь "екологічне правило": дані по чисельності призводять до переоцінки значення дрібних організмів, а дані по біомасі - до переоцінки ролі великих організмів. Отже, ці критерії непридатні для порівняння функціональної ролі популяцій, сильно різняться по відношенню інтенсивності метаболізму до розміру особин, хоча, як правило, біомаса все ж таки більш надійний критерій, ніж чисельність.
З трьох типів екологічних пірамід піраміда енергії дає найповніше уявлення про функціональну організації угруповань. Число і маса організмів, яких може підтримувати певний рівень в тих чи інших умовах, залежить не від кількості фіксованою енергії, наявної в даний час на попередньому рівні, а від швидкості продукування їжі. На противагу пірамідам численностей і біомаси, що відображає статику системи (тобто характеризує кількість організмів в даний момент), піраміда енергії відображає картину швидкостей проходження маси їжі через харчовий ланцюг. На форму цієї піраміди не впливають зміни розмірів та інтенсивності метаболізму особин, і якщо враховано всі джерела енергії, то піраміда завжди буде мати "правильну форму", як це диктується другим законом термодинаміки. Концепція потоку енергії не тільки дозволяє порівнювати екосистеми між собою, але і дає засіб для оцінки відносної ролі популяцій в їх біотичних спільнотах.
Багато дослідників вважають, що трофічна структура - фундаментальне властивість кожної спільноти, бо після гострого порушення його трофічна структура повертається до рівноваги незалежно від видового складу і швидше його, тобто трофічна структура має здатність відновлюватися. І тільки якщо екосистема постійно знаходиться під стресовим впливом, трофічна структура може змінитися при пристосуванні біотичних компонентів екосистеми до хронічних порушень.
ЛІТЕРАТУРА
1. Гейзенберг В. Розвиток квантової механіки. У кн. Гейзенберг В., Шредінгер Е., Дірак П. А. М. Сучасна квантова механіка. Три нобелівських доповіді. М., ГТТІ, 2004, с. 13 - 35.
2. Гейзенберг В. Фізика і філософія. М., ІЛ, 2003.
3. Планк М. Двадцять років роботи над фізичною картиною світу. Планк М. Вибрані праці. М., Наука, 1975, с. 567 - 589.
4. Шредінгер Е. До принципом невизначеності Гейзенберга. Шредінгер Е. Вибрані праці з квантової механіки. М., Наука, 1976, с. 210 - 217.
«Концепція сучасного природознавства»
Варіант 5
1. Принцип невизначеності Гейзенберга
2. Харчові ланцюги і екологічна піраміда.
1. Принцип невизначеності Гейзенберга
У першій чверті ХХ століття саме такою була реакція фізиків, коли вони почали досліджувати поведінку матерії на атомному та субатомному рівнях. Поява та бурхливий розвиток квантової механіки відкрило перед нами цілий світ, системне улаштування якого просто не вкладається в рамки здорового глузду і повністю суперечить нашим інтуїтивним уявленням. Але потрібно пам'ятати, що наша інтуїція заснована на досвіді поведінки звичайних предметів сумірних з нами масштабів, а квантова механіка описує речі, які відбуваються на мікроскопічному і невидимому для нас рівні, - жодна людина ніколи безпосередньо з ними не стикався.
Принцип Гейзенберга взагалі грає у квантовій механіці ключову роль хоча б тому, що досить наочно пояснює, як і чому мікросвіт відрізняється від знайомого нам матеріального світу. Щоб зрозуміти цей принцип, задумайтеся для початку про те, що значить «виміряти» яку б то не було величину. Щоб відшукати, наприклад, цю книгу, ви, увійшовши до кімнати, оглядає її поглядом, поки він не зупиниться на ній. Мовою фізики це означає, що ви провели візуальне вимірювання (знайшли поглядом книгу) і отримали результат - зафіксували її просторові координати (визначили місце розташування книги в кімнаті). Насправді процес вимірювання відбувається набагато складніше: джерело світла (Сонце або лампа, наприклад) випускає промені, які, пройшовши певний шлях у просторі, взаємодіють з книгою, відбиваються від її поверхні, після чого частина з них доходить до ваших очей, проходячи через кришталик, фокусується, потрапляє на сітківку - і ви бачите спосіб книги і визначаєте її положення в просторі. Ключ до вимірювання тут - взаємодія між світлом і книгою. Так і при будь-якому вимірі, уявіть собі, інструмент вимірювання (в даному випадку, це світло) вступає у взаємодію з об'єктом вимірювання (в даному випадку, це книга).
На початку 1920-х років, коли відбувся бурхливий сплеск творчої думки, що призвів до створення квантової механіки, цю проблему першим усвідомив молодий німецький фізик-теоретик Вернер Гейзенберг. Почавши зі складних математичних формул, що описують світ на субатомному рівні, він поступово прийшов до дивної по простоті формулою, що дає загальний опис ефекту впливу інструментів вимірювання на вимірювані об'єкти мікросвіту, про який ми тільки що говорили. В результаті їм був сформульований принцип невизначеності, названий тепер його ім'ям:
невизначеність значення координати x невизначеність швидкості> h / m,
математичне вираження якого називається співвідношенням невизначеностей Гейзенберга:
Δx х Δv> h / m
де Δx - невизначеність (погрішність) просторової координати мікрочастинки, Δv - невизначеність швидкості частки, m - маса частинки, а h - постійна Планка, названа так на честь німецького фізика Макса Планка, ще одного з основоположників квантової механіки. Постійна Планка дорівнює приблизно 6,626 x 10-34 Дж · с, тобто містить 33 нуля до першої значущої цифри після коми.
Термін «невизначеність просторової координати» якраз і означає, що ми не знаємо точного місця розташування частинки. Наприклад, якщо ви використовуєте глобальну систему рекогносцировки GPS, щоб визначити місце розташування цієї книги, система обчислить їх з точністю до 2-3 метрів. (GPS, Global Positioning System - навігаційна система, в якій задіяні 24 штучні супутники Землі. Якщо у вас, наприклад, на автомобілі встановлений приймач GPS, то, приймаючи сигнали від цих супутників і зіставляючи час їх затримки, система визначає ваші географічні координати на Землі з точністю до кутової секунди.) Однак, з точки зору вимірювання, проведеного інструментом GPS, книга може з певною ймовірністю перебувати де завгодно в межах зазначених системою кількох квадратних метрів. У такому випадку ми і говоримо про невизначеність просторових координат об'єкту (у даному прикладі, книги). Ситуацію можна поліпшити, якщо взяти замість GPS рулетку - в цьому випадку ми зможемо стверджувати, що книга знаходиться, наприклад, в 4 м 11 см від однієї стіни і в 1м 44 см від іншої. Але і тут ми обмежені в точності вимірювання мінімальним діленням шкали рулетки (нехай це буде навіть міліметр) і похибками вимірювання і самого приладу, - і в самому кращому випадку нам вдасться визначити просторове положення об'єкта з точністю до мінімального поділу шкали. Чим більш точний прилад ми будемо використовувати, тим точніше будуть отримані нами результати, тим нижче буде похибка вимірювання і тим менше буде невизначеність. У принципі, в нашому повсякденному світі звести невизначеність до нуля і визначити точні координати книги можна.
І тут ми підходимо до найпринциповішого відмінності мікросвіту від нашого повсякденного фізичного світу. У звичайному світі, вимірюючи положення і швидкість тіла в просторі, ми на нього практично не впливаємо. Таким чином, в ідеалі ми можемо одночасно виміряти і швидкість, і координати об'єкта абсолютно точно (іншими словами, з нульовою невизначеністю).
У світі квантових явищ, проте, будь-яке вимірювання впливає на систему. Сам факт проведення нами виміру, наприклад, місця розташування частинки, призводить до зміни її швидкості, причому непередбачуваного (і навпаки). Ось чому в правій частині співвідношення Гейзенберга коштує не нульова, а позитивна величина. Чим менше невизначеність стосовно однієї змінної (наприклад, Δx), тим більше невизначеною стає інша змінна (Δv), оскільки твір двох похибок в лівій частині співвідношення не може бути менше константи в правій його частині. Насправді, якщо нам вдасться з нульовою похибкою (абсолютно точно) визначити одну з вимірюваних величин, невизначеність іншої величини буде дорівнювати нескінченності, і про неї ми не будемо знати взагалі нічого. Іншими словами, якщо б нам вдалося абсолютно точно встановити координати квантової частинки, про її швидкості ми не мали б ні найменшого уявлення, якщо б нам вдалося точно зафіксувати швидкість частинки, ми б поняття не мали, де вона знаходиться. На практиці, звичайно, фізикам-експериментаторам завжди доводиться шукати якийсь компроміс між двома цими крайнощами і підбирати методи вимірювання, що дозволяють з розумною похибкою судити і про швидкість, і про просторове положення частинок.
Насправді, принцип невизначеності пов'язує не тільки просторові координати і швидкість - на цьому прикладі він просто виявляється найнаочніше; в рівній мірі невизначеність пов'язує і інші пари взаємно ув'язаних характеристик мікрочастинок. Шляхом аналогічних міркувань ми приходимо до висновку про неможливість безпомилково виміряти енергію квантової системи та визначити момент часу, в який вона володіє цією енергією. Тобто, якщо ми проводимо вимірювання стану квантової системи на предмет визначення її енергії, цей вимір займе певний відрізок часу - назвемо його Δt. За цей проміжок часу енергія системи випадковим чином змінюється - відбуваються її флуктуація, - і виявити її ми не можемо. Позначимо похибка вимірювання енергії ДЕ. Шляхом міркувань, аналогічних вищенаведеним, ми прийдемо до аналогічного співвідношенню для ДЕ і невизначеності часу, яким квантова частка цієї енергією мала: ΔЕΔt> h
Щодо принципу невизначеності потрібно зробити ще два важливі зауваження: він не має на увазі, що будь-яку одну з двох характеристик частинки - просторове розташування або швидкість - не можна виміряти як завгодно точно;
принцип невизначеності діє об'єктивно і не залежить від присутності розумного суб'єкта, що проводить вимірювання.
Іноді вам можуть зустрітися твердження, ніби принцип невизначеності має на увазі, що у квантових частинок відсутні певні просторові координати і швидкості, або що ці величини абсолютно непізнавані. Не вірте: як ми тільки що бачили, принцип невизначеності не заважає нам з будь-якою бажаною точністю виміряти кожну з цих величин. Він стверджує лише, що ми не в змозі вірогідно дізнатися і те, і інше одночасно. І, як і багато в чому іншому, ми змушені йти на компроміс. Знову ж, письменники-антропософи з числа прихильників концепції «Нової ери» іноді стверджують, що, нібито, оскільки вимірювання увазі присутність розумного спостерігача, то, значить, на якомусь фундаментальному рівні людську свідомість пов'язано з Вселенським розумом, і саме цей зв'язок зумовлює принцип невизначеності . Повторимо з цього приводу ще раз: ключовим у співвідношенні Гейзенберга є взаємодія між часткою-об'єктом вимірювання і інструментом виміру, що впливає на його результати. А той факт, що при цьому присутній розумний спостерігач в особі вченого, ставлення до справи не має; інструмент вимірювання в будь-якому випадку впливає на його результати, присутній при цьому розумне істота чи ні.
Висновки. Викладене змінює поширене уявлення про співвідношення невизначеності та пов'язаних з нею парадокси.
Вплив вимірювального інструмента н одночасне його вплив на результат вимірювання пов'язаних параметрів не є специфікою квантової механіки і розглянутого співвідношення. Специфічним є феномен квантування "дії". Співвідношення невизначеності не відображає хвильових властивостей частинок. Специфічна невизначеність відповідає неможливості визначення параметрів окремої частинки і не відображає імовірнісний підхід, що відноситься до ансамблю частинок.
Специфічна невизначеність окремо кожного з пов'язаних параметрів визначається методикою вимірювання.
Зв'язок між точностями вимірювання пов'язаних параметрів має місце не просто при одночасному вимірі обох параметрів, а при єдиному вимірі, відповідним визначенням кількості квантів дії з паралельною, що залежить від використовуваної методики вимірювання, оцінкою їх компонентів - пов'язаних параметрів. Моделлю подібного виміру є індикатор, в якому є три шкали, відградуйованих не тільки в кванти дії, а й у вимірюваних сполучених параметрах.
2. Харчові ланцюги та екологічні піраміди
Усередині екологічної системи органічні речовини створюються автотрофними організмами (наприклад, рослинами). Рослини поїдають тварини, яких, у свою чергу, поїдають інші тварини. Така послідовність називається харчової ланцюгом; кожна ланка харчового ланцюга називається трофическим рівнем (грец. trophos «харчування»).
Організми перший трофічного рівня називаються первинними продуцентами. На суші більшу частину продуцентів становлять рослини лісів і лугів; у воді це, в основному, зелені водорості. Крім того, виробляти органічні речовини можуть синьозелені водорості і деякі бактерії.
Організми другий трофічного рівня називаються первинними консументами, третього трофічного рівня - вторинними консументами і т. д. Первинні консументи - це травоїдні тварини (багато комахи, птахи і звірі на суші, молюски та ракоподібні у воді) і паразити рослин (наприклад, паразитують гриби) . Вторинні консументи - це м'ясоїдні організми: хижаки або паразити. У типових харчових ланцюгах хижаки виявляються більше на кожному рівні, а паразити - дрібніші.
Існує ще одна група організмів, званих редуцентами. Це сапрофіти (зазвичай, бактерії і гриби), що харчуються органічними залишками мертвих рослин і тварин (детритом). Детритом можуть також харчуватися тварини - детрітофагі, прискорюючи процес розкладання залишків. Детритофагов, у свою чергу, можуть поїдати хижаки. На відміну від пасовищних харчових ланцюгів, що починаються з первинних продуцентів (тобто з живої органічної речовини), детритні харчові ланцюжки починаються з детриту (тобто з мертвої органіки).
У схемах харчових ланцюгів кожен організм представлений харчується організмами якогось певного типу. Дійсність набагато складніше, і організми (особливо, хижаки) можуть харчуватися самими різними організмами, навіть з різних харчових ланцюгів. Таким чином, харчові ланцюги переплітаються, утворюючи харчові мережі.
Харчові мережі служать основою для побудови екологічних пірамід. Найпростішими з них є піраміди чисельності, яка відображає кількість організмів (окремих особин) на кожному трофічному рівні. Для зручності аналізу ці кількості відображаються прямокутниками, довжина яких пропорційна кількості організмів, що мешкають у досліджуваній екосистемі, або логарифму цієї кількості. Часто піраміди чисельності будують у розрахунку на одиницю площі (в наземних екосистемах) або об'єму (у водних екосистемах).
У пірамідах чисельності дерево і колосок враховуються однаково, незважаючи на їх різну масу. Тому більш зручно використовувати піраміди біомаси, які розраховуються не за кількістю особин на кожному трофічному рівні, а по їх сумарній масі. Побудова пірамід біомаси - більш складний і тривалий процес.
Піраміди біомаси не відображають енергетичної значимості організмів і не враховують швидкість споживання біомаси. Це може призводити до аномалій у вигляді перевернутих пірамід. Виходом з положення є побудова найбільш складних пірамід - пірамід енергії. Вони показують кількість енергії, що пройшло через кожен трофічний рівень екосистеми за певний проміжок часу (наприклад, за рік - щоб врахувати сезонні коливання). У основу піраміди енергії часто додають прямокутник, що показує приплив сонячної енергії. Піраміди енергії дозволяють порівнювати енергетичну значущість популяцій всередині екосистеми. Так, частка енергії, що проходить через грунтових бактерій, незважаючи на їх незначну біомасу, може складати десятки відсотків від загального потоку енергії, що проходить через первинних консументів.
Органічне речовина, вироблене автотрофами, називається первинною продукцією. Швидкість накопичення енергії первинними продуцентами називається валовий первинної продуктивністю, а швидкість накопичення органічних речовин - чистої первинної продуктивністю. ВПП приблизно на 20% вище, ніж ПВП, так як частина енергії рослини витрачають на дихання. Всього рослини засвоюють близько відсотка сонячної енергії, поглиненої ними.
При поїданні одних організмів іншими речовина і їжа переходять на наступний трофічний рівень. Кількість органічної речовини, накопиченого гетеротрофами, називається вторинною продукцією. Оскільки гетеротрофи дихають і виділяють неперетравлені залишки, у кожній ланці частина енергії втрачається. Це накладає істотне обмеження на довжину харчових ланцюгів; кількість ланок у них рідко буває більше 6. Зазначимо, що ефективність переносу енергії від одних організмів до інших значно вище, ніж ефективність виробництва первинної продукції. Середня ефективність переносу енергії від рослини до тварини складає близько 10%, а від тварини до тварини - 20%. Зазвичай рослинна їжа енергетично менш цінна, тому що в ній міститься велика кількість целюлози та деревини, не переварюваних більшістю тварин.
Вивчення продуктивності екосистем важливо для їх раціонального використання. Ефективність екосистем може бути підвищена за рахунок підвищення врожайності, зменшення перешкод з боку інших організмів (наприклад, бур'янів по відношенню до сільськогосподарських культур), використання культур, більш пріспобленних до умов даної екосистеми. По відношенню до тварин необхідно знати максимальний рівень видобутку (тобто кількість особин, які можна вилучити з популяції за певний проміжок часу без шкоди для її подальшої продуктивності).
Трофічну структуру і трофічну функцію можна зобразити графічно у вигляді екологічних пірамід. Підставою цих пірамід служить перший трофічний рівень - рівень продуцентів, а наступні рівні утворюють поверхи і вершину піраміди. Екологічні піраміди можна віднести до трьох основних типів:
1) піраміда численностей, що відображає чисельність окремих організмів;
2) піраміда біомаси, що характеризує загальну суху масу, калорійність або іншу міру загальної кількості живої речовини;
3) піраміда енергії, що показує величину потоку енергії та (або) "продуктивність" на послідовних трофічних рівнях.
Піраміди чисельності і маси можуть бути зверненими, або частково оберненими, тобто підстава може бути менше, ніж один або кілька верхніх поверхів. Так буває, коли середні розміри продуцентів менші від розмірів консументів. Можна сформулювати якесь "екологічне правило": дані по чисельності призводять до переоцінки значення дрібних організмів, а дані по біомасі - до переоцінки ролі великих організмів. Отже, ці критерії непридатні для порівняння функціональної ролі популяцій, сильно різняться по відношенню інтенсивності метаболізму до розміру особин, хоча, як правило, біомаса все ж таки більш надійний критерій, ніж чисельність.
З трьох типів екологічних пірамід піраміда енергії дає найповніше уявлення про функціональну організації угруповань. Число і маса організмів, яких може підтримувати певний рівень в тих чи інших умовах, залежить не від кількості фіксованою енергії, наявної в даний час на попередньому рівні, а від швидкості продукування їжі. На противагу пірамідам численностей і біомаси, що відображає статику системи (тобто характеризує кількість організмів в даний момент), піраміда енергії відображає картину швидкостей проходження маси їжі через харчовий ланцюг. На форму цієї піраміди не впливають зміни розмірів та інтенсивності метаболізму особин, і якщо враховано всі джерела енергії, то піраміда завжди буде мати "правильну форму", як це диктується другим законом термодинаміки. Концепція потоку енергії не тільки дозволяє порівнювати екосистеми між собою, але і дає засіб для оцінки відносної ролі популяцій в їх біотичних спільнотах.
Багато дослідників вважають, що трофічна структура - фундаментальне властивість кожної спільноти, бо після гострого порушення його трофічна структура повертається до рівноваги незалежно від видового складу і швидше його, тобто трофічна структура має здатність відновлюватися. І тільки якщо екосистема постійно знаходиться під стресовим впливом, трофічна структура може змінитися при пристосуванні біотичних компонентів екосистеми до хронічних порушень.
ЛІТЕРАТУРА
1. Гейзенберг В. Розвиток квантової механіки. У кн. Гейзенберг В., Шредінгер Е., Дірак П. А. М. Сучасна квантова механіка. Три нобелівських доповіді. М., ГТТІ, 2004, с. 13 - 35.
2. Гейзенберг В. Фізика і філософія. М., ІЛ, 2003.
3. Планк М. Двадцять років роботи над фізичною картиною світу. Планк М. Вибрані праці. М., Наука, 1975, с. 567 - 589.
4. Шредінгер Е. До принципом невизначеності Гейзенберга. Шредінгер Е. Вибрані праці з квантової механіки. М., Наука, 1976, с. 210 - 217.