Зміст
Введення
1. Корпускулярна і континуальна концепції опису природи
2. Теорія про корпускулярних і хвильових властивості мікрочастинок
3. Принципи невизначеності і додатковості
Висновок
Список літератури
Введення
Добре відомо прагнення людей знайти загальне в оточуючому їх різноманітті речей і явищ природи. Це прагнення втілилося в уявленні про єдність світу. Цілісне відображення єдності світу - це результат синтезу даних природничих наук: фізики, астрономії, хімії, біології та ін
Історично світогляд розвивалося від комплексу первісних емпіричних знань, міфологічних, релігійних уявлень до філософсько-теоретичного світогляду, і, найчастіше у навчаннях мислителів перепліталися релігійні та раціональні компоненти пізнання. Привнесення раціональних уявлень піднімало світогляд на якісно новий щабель, але не знімало ще саме по собі питання про ненауковому відображенні дійсності, про наявність ірраціонального елемента в цьому світогляді.
Прагнення до єдності різноманітного отримало одне зі своїх втілень у наукових здогадах мислителів Стародавнього Сходу, античної Греції та Риму. Слід підкреслити, що ці здогади, а потім гіпотези представляли собою єдність природничо-наукового і філософського підходів до аналізу дійсності.
Ідея про Всесвіт як єдине ціле, закони функціонування якого доступні людському пізнанню і розумінню зіграли і продовжують грати конструктивну роль у формуванні наукової картини світу. Дійсно, саме ця ідея наріжним каменем лежить у світоглядному і методологічному підставі сучасної науки.
Мета даної роботи - розглянути корпускулярну і континуальний картину світу.
Завдання: вивчити корпускулярну і континуальний картину світу; виявити значення корпускулярної та хвильової теорії мікроорганізмів.
1. Корпускулярна і континуальна концепції опису природи
Беручи участь у виробленні природничо або «фізичної» картини світу, природознавство головним чином своєю теоретичною частиною (поняття, категорії, закони, принципи, теорії), а також розробкою прийомів і методів наукового дослідження примикає до філософського матеріалізму. З кожним етапом розвитку природознавства закономірно змінювалася форма розвитку матеріалізму в залежності від природничо-наукових відкриттів.
В цілому хід розвитку природознавства це від споглядання природи (давнина) через аналітичне розчленування (15-18 ст.), Де отримав метафізичний погляд на природу, до синтетичного відтворення картини природи в її всебічності, цілісності і конкретності (19-20 ст.).
У центрі сучасного природознавства до середини 20 ст. стояла фізика, яка шукала способи використання атомної енергії і проникає в область мікросвіту, в глиб атома, атомного ядра і елементарних частинок. Так наприклад, фізика дала поштовх у розвитку інших галузей природознавства - астрономії, космонавтики, кібернетики, хімії, біології, біохімії та інших природних наук. Фізика разом з хімією, математикою і кібернетикою допомагає молекулярної біології вирішувати теоретично та експериментально завдання штучного біосинтезу, сприяє розкриттю матеріальної сутності спадковості. Фізика також сприяє пізнанню природи хімічного зв'язку, вирішення проблем космології та космогонії. В останні роки починає лідирувати ціла група наук - молекулярна біологія, кібернетика, мікрохімія.
До сучасного природознавства ставляться концепції, що виникли в ній у ХХ столітті. Але не тільки останні наукові дані можна вважати сучасними, а всі ті, які входять у товщу сучасної науки, оскільки наука являє собою єдине ціле, що складається з різночасових за своїм походженням частин.
На відміну від класичної механіки дослідження мікрочастинок до початку XX століття були в початковій стадії. Лише в самому кінці XIX століття в результаті серії експериментів В. Крукса, Ж. Перрена, Дж.Дж. Томпсона і Ч. Вільсона був відкритий електрон. Результати цих експериментів показали, що електрон представляє собою мікрочастинок, негативно заряджену, що має масу близько 10 ~ 27 г (що приблизно в 2000 разів менша за масу атома водню), що поширюється у вакуумі при відсутності зовнішніх полів прямолінійно і отклоняющуюся під дією електричного або магнітного полів. Такі властивості електрона перебували у повній відповідності як з класичною механікою, так і з класичною електродинамікою.
У 1913 році Е. Резерфорд запропонував планетарну модель атома з електронами, що обертаються навколо атомного ядра, а Н. Бор сформулював свої знамениті постулати, що визначають будову атома. При цьому не виникало ніяких сумнівів, що цей новий і ще детально не вивчений субатомних світ мікрочастинок описується законами класичної механіки.
Єдиний експеримент тих років викликав подив - це експеримент К. Девіссона 1921-1922 років, в якому спостерігався процес розсіювання електронів тонкої металевої фольги. Було розсіювання досить вузького пучка досить монохроматичних електронів класична механіка пророкувала, що електрони повинні розсіюватися також у вигляді вузького пучка, спрямованого під певним кутом до падаючого пучка. Припустили, що спостережуваний ефект є результатом наявності неоднорідностей на поверхні фольги [1].
2. Теорія про корпускулярних і хвильових властивості мікрочастинок
Фундаментальним відкриттям у фізиці мікросвіту з'явилася гіпотеза французького фізика Луї де Бройля (1899-1987) про корпускулярно-хвильовому дуалізмі природи мікрочастинок. З цієї гіпотези і факту її експериментального підтвердження виросла нова хвильова (квантова) механіка як метод опису мікросвіту. Гіпотеза де Бройля широко відома, вона формулюється і обговорюється у всіх монографіях та підручниках, присвячених фізиці мікросвіту і квантової механіки, а також у багатьох науково-популярних книгах, в тому числі написаних як самим де Бройля, так і іншим засновником квантової механіки, В. Гейзенбергом.
Так як частинка, наприклад електрон, являє собою об'єкт, який добре локалізований в просторі, то з ним не може бути пов'язана нескінченна плоска хвиля, хвиля повинна бути також добре локалізована в просторі. Де Бройль припустив, що це група хвиль, що мають вельми близькі частоти, то, що зараз називається хвильовим пакетом. Центр хвильового пакету переміщається з груповою швидкістю, що збігається зі швидкістю частинки (що видно з формули Релея для групової швидкості хвилі в середовищі з дисперсією).
Де Бройль переніс на частки з масою спокою вже відому на той час модель корпускулярно-хвильової природи фотона, частинки, що не має маси спокою, що дало вихідне співвідношення для довжини хвилі де Бройля (10). Однак хід його думки при цьому був протилежний ходу думки Ейнштейна. Якщо Ейнштейн стартував з хвильових властивостей світла і припустив наявність його корпускулярних властивостей (квантів світла), то де Бройль стартував з корпускулярних властивостей частки і припустив наявність у неї також і хвильових властивостей.
Виходячи з його гіпотези, можна сказати: по-перше, корпускулярно-хвильовий дуалізм був перенесений і на частки з масою спокою. По-друге, використання групової швидкості хвилі в рамках принципу Ферма привело його у відповідність до принципу Мопертюї для частки з масою спокою, що рухається зі швидкістю т). Нарешті, по-третє, з'явилось і пояснення цілим числам в теорії атома Бора: стаціонарні орбіти (стану електрона в атомі) - це ті, на довжині яких точно вкладається ціле число п довжин хвиль де Бройля (10) для електрона, що рухається по даній орбіті .
Проте де Бройль розумів найбільш важливий наслідок зі своєї гіпотези. Він вже в 1923 році писав: «Будь-яке рухоме тіло в певних випадках може дифрагувати. Потік електронів, що проходить через досить малий отвір, повинен виявляти явище дифракції »[2]. У дисертації, написаної в 1924 році, він вже використав свою гіпотезу для якісного і кількісного опису різних оптичних явищ.
Перша реакція на ідеї де Бройля була скоріше негативною, надто революційний характер цієї гіпотези порушував усталений і звичний погляд на частки як на типовий об'єкт класичної механіки. Проте багато що уявлялося переконливим. Минуло всього кілька років, і гіпотеза де Бройля була підтверджена численними експериментами і лягла в основу хвильовий (квантової) механіки, розвиненою серед видатних теоретиків також і де Бройля.
Не викликає сумнівів, що гіпотеза де Бройля про корпускулярно-хвильовому дуалізмі природи мікрочастинок є видатним внеском у пізнання людиною навколишнього світу.
Рентгенівський діапазон частот був на той час уже добре освоєний експериментаторами, зокрема при спостереженні ефекту Комптона. Тому проведення експериментів зі спостереження хвильових властивостей електрона уявлялося цілком реальним. У 1926 році М. Борн, обговорюючи з К. Девіссона результати його старих дослідів з розсіювання електронів металевої фольги, звернув його увагу на гіпотезу де Бройля як можливу причину пояснення максимумів і мінімумів в кутовому розсіянні електронів. Якщо гіпотеза де Бройля вірна, то результат розсіювання електронів на окремому великому кристалі в металевій фользі повинен бути еквівалентний результату інтерференції рентгенівських променів при їх відображенні від кристала, що спостерігалося батьком і сином Брегга на початку XX століття.
У 1927 році К. Девіссон і Л. Джермер відновили досліди 1922-1923 років, поліпшивши постановку експерименту, і отримали для розсіювання електронів від монокристала нікелю результати, добре узгоджуються з формулою Брегга-Вульфа. Це було перше експериментальне підтвердження гіпотези де Бройля.
У подальшому для спостереження хвильових властивостей електронів використовували детально розроблені в оптиці класичні методи Лауе і Дебая - Шерера, що дозволили отримати прекрасні фотографії інтерференційних кілець.
Корпускулярні і хвильові властивості мікрооб'єктів є несумісними щодо їх одночасного прояви, однак вони в рівній мірі характеризують об'єкт, тобто доповнюють один одного. Ця ідея була висловлена Н. Бором і покладена ним в основу найважливішого методологічного принципу сучасної науки, що охоплює в даний час не тільки фізичні науки, але і всі природознавство - принципу додатковості (1927). Суть принципу додатковості по Н. Бору зводиться до наступного: як би далеко не виходили явища за рамки класичного фізичного пояснення, всі досвідчені дані повинні описуватися за допомогою класичних понять. Для повного опису квантово-механічних явищ необхідно застосовувати два взаємовиключних (додаткових) набору класичних понять, сукупність яких дає найбільш повну інформацію про ці явища як про цілісні [3].
Важливо відзначити, що ідея додатковості розглядалася Бором як виходить за рамки суто фізичного пізнання. Він вважав (і ця точка зору розділяється в даний час), що інтерпретація квантової механіки «має далекосяжну аналогію із загальними труднощами освіти людських понять, що виникають з поділу« суб'єкта та об'єкта ».
Принцип додатковості, як загальний принцип пізнання може бути сформульовано таким чином: кожне щире явище природи не може бути визначений однозначно за допомогою слів нашої мови і вимагає для свого визначення, принаймні, двох взаємовиключних додаткових понять. До числа таких явищ належать, наприклад, квантові явища, життя, психіка та ін Бор, зокрема, бачив необхідність застосування принципу додатковості в біології, що зумовлено надзвичайно складною будовою і функціями живих організмів, які забезпечують їм практично невичерпні приховані можливості [4] .
3. Принципи невизначеності і додатковості
Згідно двоїстої корпускулярно-хвильову природу частинок речовини для опису властивостей мікрочастинок використовуються або хвильові, або корпускулярні уявлення. Приписати їм усі властивості частинок і всі властивості хвиль не можна. Виникає необхідність введення деяких обмежень у застосуванні до об'єктів мікросвіту понять класичної механіки.
У класичній механіці всяка частинка рухається по певній траєкторії, так що в будь-який момент часу точно фіксовані її координата та імпульс. Мікрочастинки через наявність у них хвильових властивостей істотно відрізняються від класичних частинок. Одне з основних відмінностей полягає в тому, що не можна говорити про рух мікрочастинки по певній траєкторії і про одночасні точних значеннях її координати і імпульсу. Це випливає з корпускулярно-хвильового дуалізму. Так, поняття «довжина хвилі в даній точці» позбавлене фізичного змісту, а оскільки імпульс виражається через довжину хвилі, то мікрочастинка з певним імпульсом має повністю невизначену координату. І навпаки, якщо мікрочастинка знаходиться в стані з точним значенням координати, то її імпульс є повністю невизначеним.
Німецький фізик В. Гейзенберг, враховуючи хвильові властивості мікрочастинок і пов'язані з хвильовими властивостями обмеження в їх поведінці, прийшов в 1927 р. до висновку:
Об'єкт мікросвіту неможливо одночасно з будь-якою наперед заданою точністю характеризувати і координатою, і імпульсом. Згідно співвідношенню невизначеностей Гейзенберга мікрочастинка (мікрооб'єкт) не може мати одночасно координату х і певний імпульс р, причому невизначеності цих величин задовольняють умові
Δх Δр ≥ h
h - постійна Планка, тобто добуток невизначеностей координати і імпульсу не може бути менше постійної Планка.
Неможливість одночасно точно визначити координату і відповідну їй складову імпульсу не пов'язана з недосконалістю методів вимірювання або вимірювальних приладів. Це наслідок специфіки мікрооб'єктів, що відображає особливості їх об'єктивних властивостей, їх двоїстої корпускулярно-хвильової природи. Співвідношення невизначеностей отримано при одночасному використанні класичних характеристик руху частки (координати, імпульсу) і наявності у неї хвильових властивостей. Оскільки в класичній механіці прийнято, що вимірювання координати та імпульсу може бути вироблено з будь-якою точністю, то співвідношення невизначеностей є, таким чином, квантовим обмеженням застосовності класичної механіки до мікрооб'єктів.
Співвідношення невизначеностей, відображаючи специфіку фізики мікрочастинок, дозволяє оцінити, наприклад, в якій мірі можна застосовувати поняття класичної механіки до микрочастицам, зокрема, з яким ступенем точності можна говорити про траєкторіях мікрочастинок. Відомо, що рух по траєкторії характеризується в будь-який момент часу певними значеннями координат і швидкості.
Для макроскопічних тіл їх хвильові властивості не грають ніякої ролі: координата та швидкість макротіл можуть бути одночасно виміряні достатньо точно. Це означає, що для опису руху макротіл з абсолютною достовірністю можна користуватися законами класичної механіки.
Співвідношення невизначеностей неодноразово був предметом філософських дискусій, що приводили деяких філософів до його ідеалістичного тлумачення: співвідношення невизначеностей, не даючи можливості одночасно точно визначити координати та імпульси (швидкості) часток, встановлює кордон пізнаванності світу, з одного боку, та існування мікрооб'єктів поза простором і часом - з іншого. Насправді співвідношення невизначеностей не ставить будь-якого краю пізнання мікросвіту, а тільки вказує, наскільки застосовні до нього поняття класичної механіки [5].
Для опису мікрооб'єктів Н. Бор сформулював в 1927 р. принципове положення квантової механіки - принцип додатковості, відповідно до якої одержання експериментальної інформації про одні фізичних величинах, що описують мікрооб'єкт (елементарну частинку, атом, молекулу), неминуче пов'язане з втратою інформації про деяких інших величинах, додаткових до перших.
Такими взаємно додатковими величинами можна вважати, наприклад, координату частинки та її швидкість (або імпульс). У загальному випадку додатковими один до одного є фізичні величини, яким відповідають оператори, не комутуючі між собою, наприклад, напрямок і величина моменту імпульсу, кінетична і потенційна енергія.
З фізичної точки зору принцип додатковості часто пояснюють (слідуючи Бору) впливом вимірювального приладу (мікроскопічного об'єкта) на стан мікрооб'єктів. При точному вимірюванні однієї з додаткових величин (наприклад, координати частинки) за допомогою відповідного приладу інша величина (імпульс) в результаті взаємодії частинки з приладом зазнає повністю неконтрольоване зміна. Хоча таке тлумачення принципу додатковості і підтверджується аналізом найпростіших експериментів, із загальної точки зору воно наштовхується на заперечення філософського характеру. З позиції сучасної квантової теорії роль приладу у вимірах полягає в «приготуванні» деякого стану системи. Стани, в яких взаємодоповнюючі величини мали б одночасно точно певні значення, принципово неможливі, причому якщо одна з таких величин точно визначена, то значення іншої повністю невизначені. Таким чином, фактично принцип додатковості відображає об'єктивні властивості квантових систем, не пов'язані з спостерігачем.
Незважаючи на таку велику кількість експериментальних даних, що підтверджують гіпотезу де Бройля, причому при різній постановці експерименту, залишався один важливий питання, на який був відсутній відповідь: чи не є експериментальні дані результатом колективної взаємодії багатьох електронів з мішенню? Дійсно, всі досліди проводили при великій інтенсивності електронного пучка, такий, що одночасно з мішенню взаємодіяло багато електронів. Відповідь на це питання було отримано значно пізніше, лише в 1949 році, в результаті дослідження, проведеного в Москві Л.М. Біберманом, П.П. Сушкіна і В.А. Фабрикантом. Вони спостерігали розсіювання електронів на кристалі окису магнію методом Дебая - Шерера при настільки малій інтенсивності електронного пучка, що одночасно через експериментальну установку пролітав лише один електрон (час прольоту електрона було в ~ 10 4 разів менше, ніж середній час між попаданням електронів на фотопластинку). При малому числі електронів їхні сліди на фотопластинці носили випадковий характер. Однак і в таких умовах сумарний слід від потрапляння багатьох електронів на фотопластинку представляв собою типові інтерференційні кільця.
Цей експеримент чітко довів, що окремий електрон має хвильовими властивостями.
Нарешті треба відзначити, що ще в 1928 році Дж. Гамов дав якісне і кількісне пояснення процесу α-розпаду атомних ядер виходячи з гіпотези де Бройля. Такий процес був названий тунелюванням α-частинок через бар'єр.
Таким чином, можна говорити про те, що відкриття корпускулярно-хвильового дуалізму природи частинок де Бройля, дозволило науці зробити гігантський стрибок вперед.
Гіпотеза де Бройля грунтувалася на міркуваннях симетрії властивостей матерії і не мала в той час досвідченого підтвердження. Але вона стала потужним революційним поштовхом до розвитку нових уявлень про природу матеріальних об'єктів. Протягом декількох років ціла низка видатних фізиків XX століття - В. Гейзенберг, Е. Шредінгер, П. Дірак, Н. Бор та інші - розробили теоретичні основи нової науки, яка була названа квантовою механікою.
Підтверджена експериментально гіпотеза де Бройля про корпускулярно-хвильовому дуалізмі докорінно змінила уявлення про властивості мікрооб'єктів.
Всім мікрооб'єктами притаманні і хвильові, і корпускулярні властивості, проте, вони не є ні хвилею, ні часткою в класичному розумінні. Різні властивості мікрооб'єктів не проявляються одночасно, вони доповнюють один одного, тільки їх сукупність характеризує мікрооб'єкт повністю. У цьому полягає сформульований знаменитим датським фізиком Н. Бором принцип додатковості. Можна умовно сказати, що мікрооб'єкти поширюються як хвилі, а обмінюються енергією як частки.
Висновок
Становлення сучасної природничо-наукової картини світу являє собою історичну, революційну або еволюційну зміну одних наукових поглядів іншими. Революційними віхами на шляху розвитку, наприклад, в астрономії були: обгрунтування ідеї про кулястість Землі, відкриття Коперником геліоцентричної системи світу, винахід телескопа, відкриття основних законів небесної механіки, застосування спектрального аналізу і фотографії, вивчення структури нашої Галактики, відкриття Метагалактика і її розширення , початок радіоастрономічних досліджень і, нарешті, початок космічної ери і епохи безпосередніх астрономічних експериментів у космічному просторі. Завдяки цим відкриттям поступово вимальовувалася велична картина світобудови, в порівнянні з якою наївними казками здаються тепер старовинні легенди про плоску Землі, нерухомо спочиває в центрі світу, і про небесної тверді з уткнутими в неї срібними зірками-булавами.
Список літератури
1. Агеєв А.С. Квантова фізика. - М.: Наука, 2003.
2. Багров В. Г. Відкриття некласичної логіки / / МОР. - 2002. - Т.6. - № 7
3. Бройль Л. Революція у фізиці. - М.: Прогрес, 1987.
4. Делоне Н.Б. Зміна фундаментальних законів природознавства. / / МОР. - Т.7. - 2001. - № 6.
5. Тернів І.М., Жуковський В. Ч., Борисов А.В. Квантова механіка і макроскопічні ефекти. М.: МГУ, 1993.
Введення
1. Корпускулярна і континуальна концепції опису природи
2. Теорія про корпускулярних і хвильових властивості мікрочастинок
3. Принципи невизначеності і додатковості
Висновок
Список літератури
Введення
Добре відомо прагнення людей знайти загальне в оточуючому їх різноманітті речей і явищ природи. Це прагнення втілилося в уявленні про єдність світу. Цілісне відображення єдності світу - це результат синтезу даних природничих наук: фізики, астрономії, хімії, біології та ін
Історично світогляд розвивалося від комплексу первісних емпіричних знань, міфологічних, релігійних уявлень до філософсько-теоретичного світогляду, і, найчастіше у навчаннях мислителів перепліталися релігійні та раціональні компоненти пізнання. Привнесення раціональних уявлень піднімало світогляд на якісно новий щабель, але не знімало ще саме по собі питання про ненауковому відображенні дійсності, про наявність ірраціонального елемента в цьому світогляді.
Прагнення до єдності різноманітного отримало одне зі своїх втілень у наукових здогадах мислителів Стародавнього Сходу, античної Греції та Риму. Слід підкреслити, що ці здогади, а потім гіпотези представляли собою єдність природничо-наукового і філософського підходів до аналізу дійсності.
Ідея про Всесвіт як єдине ціле, закони функціонування якого доступні людському пізнанню і розумінню зіграли і продовжують грати конструктивну роль у формуванні наукової картини світу. Дійсно, саме ця ідея наріжним каменем лежить у світоглядному і методологічному підставі сучасної науки.
Мета даної роботи - розглянути корпускулярну і континуальний картину світу.
Завдання: вивчити корпускулярну і континуальний картину світу; виявити значення корпускулярної та хвильової теорії мікроорганізмів.
1. Корпускулярна і континуальна концепції опису природи
Беручи участь у виробленні природничо або «фізичної» картини світу, природознавство головним чином своєю теоретичною частиною (поняття, категорії, закони, принципи, теорії), а також розробкою прийомів і методів наукового дослідження примикає до філософського матеріалізму. З кожним етапом розвитку природознавства закономірно змінювалася форма розвитку матеріалізму в залежності від природничо-наукових відкриттів.
В цілому хід розвитку природознавства це від споглядання природи (давнина) через аналітичне розчленування (15-18 ст.), Де отримав метафізичний погляд на природу, до синтетичного відтворення картини природи в її всебічності, цілісності і конкретності (19-20 ст.).
У центрі сучасного природознавства до середини 20 ст. стояла фізика, яка шукала способи використання атомної енергії і проникає в область мікросвіту, в глиб атома, атомного ядра і елементарних частинок. Так наприклад, фізика дала поштовх у розвитку інших галузей природознавства - астрономії, космонавтики, кібернетики, хімії, біології, біохімії та інших природних наук. Фізика разом з хімією, математикою і кібернетикою допомагає молекулярної біології вирішувати теоретично та експериментально завдання штучного біосинтезу, сприяє розкриттю матеріальної сутності спадковості. Фізика також сприяє пізнанню природи хімічного зв'язку, вирішення проблем космології та космогонії. В останні роки починає лідирувати ціла група наук - молекулярна біологія, кібернетика, мікрохімія.
До сучасного природознавства ставляться концепції, що виникли в ній у ХХ столітті. Але не тільки останні наукові дані можна вважати сучасними, а всі ті, які входять у товщу сучасної науки, оскільки наука являє собою єдине ціле, що складається з різночасових за своїм походженням частин.
На відміну від класичної механіки дослідження мікрочастинок до початку XX століття були в початковій стадії. Лише в самому кінці XIX століття в результаті серії експериментів В. Крукса, Ж. Перрена, Дж.Дж. Томпсона і Ч. Вільсона був відкритий електрон. Результати цих експериментів показали, що електрон представляє собою мікрочастинок, негативно заряджену, що має масу близько 10 ~ 27 г (що приблизно в 2000 разів менша за масу атома водню), що поширюється у вакуумі при відсутності зовнішніх полів прямолінійно і отклоняющуюся під дією електричного або магнітного полів. Такі властивості електрона перебували у повній відповідності як з класичною механікою, так і з класичною електродинамікою.
У 1913 році Е. Резерфорд запропонував планетарну модель атома з електронами, що обертаються навколо атомного ядра, а Н. Бор сформулював свої знамениті постулати, що визначають будову атома. При цьому не виникало ніяких сумнівів, що цей новий і ще детально не вивчений субатомних світ мікрочастинок описується законами класичної механіки.
Єдиний експеримент тих років викликав подив - це експеримент К. Девіссона 1921-1922 років, в якому спостерігався процес розсіювання електронів тонкої металевої фольги. Було розсіювання досить вузького пучка досить монохроматичних електронів класична механіка пророкувала, що електрони повинні розсіюватися також у вигляді вузького пучка, спрямованого під певним кутом до падаючого пучка. Припустили, що спостережуваний ефект є результатом наявності неоднорідностей на поверхні фольги [1].
2. Теорія про корпускулярних і хвильових властивості мікрочастинок
Фундаментальним відкриттям у фізиці мікросвіту з'явилася гіпотеза французького фізика Луї де Бройля (1899-1987) про корпускулярно-хвильовому дуалізмі природи мікрочастинок. З цієї гіпотези і факту її експериментального підтвердження виросла нова хвильова (квантова) механіка як метод опису мікросвіту. Гіпотеза де Бройля широко відома, вона формулюється і обговорюється у всіх монографіях та підручниках, присвячених фізиці мікросвіту і квантової механіки, а також у багатьох науково-популярних книгах, в тому числі написаних як самим де Бройля, так і іншим засновником квантової механіки, В. Гейзенбергом.
Так як частинка, наприклад електрон, являє собою об'єкт, який добре локалізований в просторі, то з ним не може бути пов'язана нескінченна плоска хвиля, хвиля повинна бути також добре локалізована в просторі. Де Бройль припустив, що це група хвиль, що мають вельми близькі частоти, то, що зараз називається хвильовим пакетом. Центр хвильового пакету переміщається з груповою швидкістю, що збігається зі швидкістю частинки (що видно з формули Релея для групової швидкості хвилі в середовищі з дисперсією).
Де Бройль переніс на частки з масою спокою вже відому на той час модель корпускулярно-хвильової природи фотона, частинки, що не має маси спокою, що дало вихідне співвідношення для довжини хвилі де Бройля (10). Однак хід його думки при цьому був протилежний ходу думки Ейнштейна. Якщо Ейнштейн стартував з хвильових властивостей світла і припустив наявність його корпускулярних властивостей (квантів світла), то де Бройль стартував з корпускулярних властивостей частки і припустив наявність у неї також і хвильових властивостей.
Виходячи з його гіпотези, можна сказати: по-перше, корпускулярно-хвильовий дуалізм був перенесений і на частки з масою спокою. По-друге, використання групової швидкості хвилі в рамках принципу Ферма привело його у відповідність до принципу Мопертюї для частки з масою спокою, що рухається зі швидкістю т). Нарешті, по-третє, з'явилось і пояснення цілим числам в теорії атома Бора: стаціонарні орбіти (стану електрона в атомі) - це ті, на довжині яких точно вкладається ціле число п довжин хвиль де Бройля (10) для електрона, що рухається по даній орбіті .
Проте де Бройль розумів найбільш важливий наслідок зі своєї гіпотези. Він вже в 1923 році писав: «Будь-яке рухоме тіло в певних випадках може дифрагувати. Потік електронів, що проходить через досить малий отвір, повинен виявляти явище дифракції »[2]. У дисертації, написаної в 1924 році, він вже використав свою гіпотезу для якісного і кількісного опису різних оптичних явищ.
Перша реакція на ідеї де Бройля була скоріше негативною, надто революційний характер цієї гіпотези порушував усталений і звичний погляд на частки як на типовий об'єкт класичної механіки. Проте багато що уявлялося переконливим. Минуло всього кілька років, і гіпотеза де Бройля була підтверджена численними експериментами і лягла в основу хвильовий (квантової) механіки, розвиненою серед видатних теоретиків також і де Бройля.
Не викликає сумнівів, що гіпотеза де Бройля про корпускулярно-хвильовому дуалізмі природи мікрочастинок є видатним внеском у пізнання людиною навколишнього світу.
Рентгенівський діапазон частот був на той час уже добре освоєний експериментаторами, зокрема при спостереженні ефекту Комптона. Тому проведення експериментів зі спостереження хвильових властивостей електрона уявлялося цілком реальним. У 1926 році М. Борн, обговорюючи з К. Девіссона результати його старих дослідів з розсіювання електронів металевої фольги, звернув його увагу на гіпотезу де Бройля як можливу причину пояснення максимумів і мінімумів в кутовому розсіянні електронів. Якщо гіпотеза де Бройля вірна, то результат розсіювання електронів на окремому великому кристалі в металевій фользі повинен бути еквівалентний результату інтерференції рентгенівських променів при їх відображенні від кристала, що спостерігалося батьком і сином Брегга на початку XX століття.
У 1927 році К. Девіссон і Л. Джермер відновили досліди 1922-1923 років, поліпшивши постановку експерименту, і отримали для розсіювання електронів від монокристала нікелю результати, добре узгоджуються з формулою Брегга-Вульфа. Це було перше експериментальне підтвердження гіпотези де Бройля.
У подальшому для спостереження хвильових властивостей електронів використовували детально розроблені в оптиці класичні методи Лауе і Дебая - Шерера, що дозволили отримати прекрасні фотографії інтерференційних кілець.
Корпускулярні і хвильові властивості мікрооб'єктів є несумісними щодо їх одночасного прояви, однак вони в рівній мірі характеризують об'єкт, тобто доповнюють один одного. Ця ідея була висловлена Н. Бором і покладена ним в основу найважливішого методологічного принципу сучасної науки, що охоплює в даний час не тільки фізичні науки, але і всі природознавство - принципу додатковості (1927). Суть принципу додатковості по Н. Бору зводиться до наступного: як би далеко не виходили явища за рамки класичного фізичного пояснення, всі досвідчені дані повинні описуватися за допомогою класичних понять. Для повного опису квантово-механічних явищ необхідно застосовувати два взаємовиключних (додаткових) набору класичних понять, сукупність яких дає найбільш повну інформацію про ці явища як про цілісні [3].
Важливо відзначити, що ідея додатковості розглядалася Бором як виходить за рамки суто фізичного пізнання. Він вважав (і ця точка зору розділяється в даний час), що інтерпретація квантової механіки «має далекосяжну аналогію із загальними труднощами освіти людських понять, що виникають з поділу« суб'єкта та об'єкта ».
Принцип додатковості, як загальний принцип пізнання може бути сформульовано таким чином: кожне щире явище природи не може бути визначений однозначно за допомогою слів нашої мови і вимагає для свого визначення, принаймні, двох взаємовиключних додаткових понять. До числа таких явищ належать, наприклад, квантові явища, життя, психіка та ін Бор, зокрема, бачив необхідність застосування принципу додатковості в біології, що зумовлено надзвичайно складною будовою і функціями живих організмів, які забезпечують їм практично невичерпні приховані можливості [4] .
3. Принципи невизначеності і додатковості
Згідно двоїстої корпускулярно-хвильову природу частинок речовини для опису властивостей мікрочастинок використовуються або хвильові, або корпускулярні уявлення. Приписати їм усі властивості частинок і всі властивості хвиль не можна. Виникає необхідність введення деяких обмежень у застосуванні до об'єктів мікросвіту понять класичної механіки.
У класичній механіці всяка частинка рухається по певній траєкторії, так що в будь-який момент часу точно фіксовані її координата та імпульс. Мікрочастинки через наявність у них хвильових властивостей істотно відрізняються від класичних частинок. Одне з основних відмінностей полягає в тому, що не можна говорити про рух мікрочастинки по певній траєкторії і про одночасні точних значеннях її координати і імпульсу. Це випливає з корпускулярно-хвильового дуалізму. Так, поняття «довжина хвилі в даній точці» позбавлене фізичного змісту, а оскільки імпульс виражається через довжину хвилі, то мікрочастинка з певним імпульсом має повністю невизначену координату. І навпаки, якщо мікрочастинка знаходиться в стані з точним значенням координати, то її імпульс є повністю невизначеним.
Німецький фізик В. Гейзенберг, враховуючи хвильові властивості мікрочастинок і пов'язані з хвильовими властивостями обмеження в їх поведінці, прийшов в 1927 р. до висновку:
Об'єкт мікросвіту неможливо одночасно з будь-якою наперед заданою точністю характеризувати і координатою, і імпульсом. Згідно співвідношенню невизначеностей Гейзенберга мікрочастинка (мікрооб'єкт) не може мати одночасно координату х і певний імпульс р, причому невизначеності цих величин задовольняють умові
Δх Δр ≥ h
h - постійна Планка, тобто добуток невизначеностей координати і імпульсу не може бути менше постійної Планка.
Неможливість одночасно точно визначити координату і відповідну їй складову імпульсу не пов'язана з недосконалістю методів вимірювання або вимірювальних приладів. Це наслідок специфіки мікрооб'єктів, що відображає особливості їх об'єктивних властивостей, їх двоїстої корпускулярно-хвильової природи. Співвідношення невизначеностей отримано при одночасному використанні класичних характеристик руху частки (координати, імпульсу) і наявності у неї хвильових властивостей. Оскільки в класичній механіці прийнято, що вимірювання координати та імпульсу може бути вироблено з будь-якою точністю, то співвідношення невизначеностей є, таким чином, квантовим обмеженням застосовності класичної механіки до мікрооб'єктів.
Співвідношення невизначеностей, відображаючи специфіку фізики мікрочастинок, дозволяє оцінити, наприклад, в якій мірі можна застосовувати поняття класичної механіки до микрочастицам, зокрема, з яким ступенем точності можна говорити про траєкторіях мікрочастинок. Відомо, що рух по траєкторії характеризується в будь-який момент часу певними значеннями координат і швидкості.
Для макроскопічних тіл їх хвильові властивості не грають ніякої ролі: координата та швидкість макротіл можуть бути одночасно виміряні достатньо точно. Це означає, що для опису руху макротіл з абсолютною достовірністю можна користуватися законами класичної механіки.
Співвідношення невизначеностей неодноразово був предметом філософських дискусій, що приводили деяких філософів до його ідеалістичного тлумачення: співвідношення невизначеностей, не даючи можливості одночасно точно визначити координати та імпульси (швидкості) часток, встановлює кордон пізнаванності світу, з одного боку, та існування мікрооб'єктів поза простором і часом - з іншого. Насправді співвідношення невизначеностей не ставить будь-якого краю пізнання мікросвіту, а тільки вказує, наскільки застосовні до нього поняття класичної механіки [5].
Для опису мікрооб'єктів Н. Бор сформулював в 1927 р. принципове положення квантової механіки - принцип додатковості, відповідно до якої одержання експериментальної інформації про одні фізичних величинах, що описують мікрооб'єкт (елементарну частинку, атом, молекулу), неминуче пов'язане з втратою інформації про деяких інших величинах, додаткових до перших.
Такими взаємно додатковими величинами можна вважати, наприклад, координату частинки та її швидкість (або імпульс). У загальному випадку додатковими один до одного є фізичні величини, яким відповідають оператори, не комутуючі між собою, наприклад, напрямок і величина моменту імпульсу, кінетична і потенційна енергія.
З фізичної точки зору принцип додатковості часто пояснюють (слідуючи Бору) впливом вимірювального приладу (мікроскопічного об'єкта) на стан мікрооб'єктів. При точному вимірюванні однієї з додаткових величин (наприклад, координати частинки) за допомогою відповідного приладу інша величина (імпульс) в результаті взаємодії частинки з приладом зазнає повністю неконтрольоване зміна. Хоча таке тлумачення принципу додатковості і підтверджується аналізом найпростіших експериментів, із загальної точки зору воно наштовхується на заперечення філософського характеру. З позиції сучасної квантової теорії роль приладу у вимірах полягає в «приготуванні» деякого стану системи. Стани, в яких взаємодоповнюючі величини мали б одночасно точно певні значення, принципово неможливі, причому якщо одна з таких величин точно визначена, то значення іншої повністю невизначені. Таким чином, фактично принцип додатковості відображає об'єктивні властивості квантових систем, не пов'язані з спостерігачем.
Незважаючи на таку велику кількість експериментальних даних, що підтверджують гіпотезу де Бройля, причому при різній постановці експерименту, залишався один важливий питання, на який був відсутній відповідь: чи не є експериментальні дані результатом колективної взаємодії багатьох електронів з мішенню? Дійсно, всі досліди проводили при великій інтенсивності електронного пучка, такий, що одночасно з мішенню взаємодіяло багато електронів. Відповідь на це питання було отримано значно пізніше, лише в 1949 році, в результаті дослідження, проведеного в Москві Л.М. Біберманом, П.П. Сушкіна і В.А. Фабрикантом. Вони спостерігали розсіювання електронів на кристалі окису магнію методом Дебая - Шерера при настільки малій інтенсивності електронного пучка, що одночасно через експериментальну установку пролітав лише один електрон (час прольоту електрона було в ~ 10 4 разів менше, ніж середній час між попаданням електронів на фотопластинку). При малому числі електронів їхні сліди на фотопластинці носили випадковий характер. Однак і в таких умовах сумарний слід від потрапляння багатьох електронів на фотопластинку представляв собою типові інтерференційні кільця.
Цей експеримент чітко довів, що окремий електрон має хвильовими властивостями.
Нарешті треба відзначити, що ще в 1928 році Дж. Гамов дав якісне і кількісне пояснення процесу α-розпаду атомних ядер виходячи з гіпотези де Бройля. Такий процес був названий тунелюванням α-частинок через бар'єр.
Таким чином, можна говорити про те, що відкриття корпускулярно-хвильового дуалізму природи частинок де Бройля, дозволило науці зробити гігантський стрибок вперед.
Гіпотеза де Бройля грунтувалася на міркуваннях симетрії властивостей матерії і не мала в той час досвідченого підтвердження. Але вона стала потужним революційним поштовхом до розвитку нових уявлень про природу матеріальних об'єктів. Протягом декількох років ціла низка видатних фізиків XX століття - В. Гейзенберг, Е. Шредінгер, П. Дірак, Н. Бор та інші - розробили теоретичні основи нової науки, яка була названа квантовою механікою.
Підтверджена експериментально гіпотеза де Бройля про корпускулярно-хвильовому дуалізмі докорінно змінила уявлення про властивості мікрооб'єктів.
Всім мікрооб'єктами притаманні і хвильові, і корпускулярні властивості, проте, вони не є ні хвилею, ні часткою в класичному розумінні. Різні властивості мікрооб'єктів не проявляються одночасно, вони доповнюють один одного, тільки їх сукупність характеризує мікрооб'єкт повністю. У цьому полягає сформульований знаменитим датським фізиком Н. Бором принцип додатковості. Можна умовно сказати, що мікрооб'єкти поширюються як хвилі, а обмінюються енергією як частки.
Висновок
Становлення сучасної природничо-наукової картини світу являє собою історичну, революційну або еволюційну зміну одних наукових поглядів іншими. Революційними віхами на шляху розвитку, наприклад, в астрономії були: обгрунтування ідеї про кулястість Землі, відкриття Коперником геліоцентричної системи світу, винахід телескопа, відкриття основних законів небесної механіки, застосування спектрального аналізу і фотографії, вивчення структури нашої Галактики, відкриття Метагалактика і її розширення , початок радіоастрономічних досліджень і, нарешті, початок космічної ери і епохи безпосередніх астрономічних експериментів у космічному просторі. Завдяки цим відкриттям поступово вимальовувалася велична картина світобудови, в порівнянні з якою наївними казками здаються тепер старовинні легенди про плоску Землі, нерухомо спочиває в центрі світу, і про небесної тверді з уткнутими в неї срібними зірками-булавами.
Список літератури
1. Агеєв А.С. Квантова фізика. - М.: Наука, 2003.
2. Багров В. Г. Відкриття некласичної логіки / / МОР. - 2002. - Т.6. - № 7
3. Бройль Л. Революція у фізиці. - М.: Прогрес, 1987.
4. Делоне Н.Б. Зміна фундаментальних законів природознавства. / / МОР. - Т.7. - 2001. - № 6.
5. Тернів І.М., Жуковський В. Ч., Борисов А.В. Квантова механіка і макроскопічні ефекти. М.: МГУ, 1993.
[1] Делоне Н.Б. Зміна фундаментальних законів природознавства. / / МОР. - Т.7. - 2001. - № 6.
[2] Бройль Л. Революція у фізиці. - М.: Прогрес, 1987.
[3] Багров В. Г. Відкриття некласичної логіки / / МОР. - 2000. - Т.6. - № 7
[4] Агєєв А.С. Квантова фізика. - М.: Наука, 2003.
[5] Тернів І.М., Жуковський В. Ч., Борисов А.В. Квантова механіка і макроскопічні ефекти. М.: МГУ, 1993 ..