ЗМІСТ
Введення. 3
1. Атомізм СТАРОЖИТНОСТІ .. 4
2. Механістичний Атомізм .. 5
3. Нищівного удару по ПРИНЦИПАМ Механіцизм .. 6
4. ПЕРЕДУМОВИ ДЛЯ СТВОРЕННЯ БІЛЬШЕ ВИСОКОГО РІВНЯ РОЗВИТКУ Атомізм .. 7
5. КВАНТОВА теорії будови атома .. 9
6. Істотна особливість Атомізм XX ст. 9
7. Континуально КОНЦЕПЦІЯ .. 10
8. Корпускулярно-ХВИЛЬОВИЙ Дуалізм .. 11
8.1. Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла і речовини. 11
8.2. Співвідношення невизначеностей Гейзенберга. 13
8.3. Основні поняття і принципи КПКМ .. 15
9.КОРПУСКУЛЯРНАЯ І ХВИЛЬОВА КОНЦЕПЦІЇ СВІТЛА .. 18
10. Елементарні частинки .. 21
Висновок. 24
Список літератури .. 26
Введення
Одним з найбільш важливих і суттєвих питань як філософії, так і природознавства є проблема матерії. Уявлення про будову матерії знаходять своє вираження в боротьбі двох концепцій: переривчастості (дискретності) - корпускулярна концепція, і безперервності (континуальності) - континуальна концепція. З ними тісно пов'язані проблеми взаємодії матеріальних об'єктів, які проявлялися як концепція дальнодії (передача дії без фізичного середовища) та концепція блізкодействія (передача дії від точки до точки).
Концепція переривчастості була створена І. Ньютоном Підхід Ньютона визначив вихідне положення атомізму, який грунтувався на визнанні дальнодіючих сил.
В історії фізики найбільш плідною і важливою для розуміння явищ природи була концепція атомізму, згідно якої матерія має переривчасте, дискретне будову, тобто складається з найдрібніших частинок - атомів. До кінця XIX ст. відповідно до концепції атомізму вважалося, що матерія складається з окремих неподільних частинок - атомів. З точки зору сучасного атомізму, електрони - "атоми" електрики, фотони - "атоми" світла і т. д.
Концепція атомізму, вперше запропонована давньогрецьким філософом Левкиппом у V ст. до н. е.., розвинена його учнем Демокрітом і потім давньогрецьким філософом-матеріалістом Епікура (341-270 до н. е..) з апечатленная в чудовій поемі "Про природу речей" римського поета і філософа Лукреція Кара (I ст. до н. е..) , аж до нашого століття можна було умоглядної гіпотезою, хоча і підтверджується побічно деякими експериментальними доказами (наприклад, броунівським рухом, законом Авогадро та ін.)
Багато провідних фізики та хіміки навіть наприкінці XIX ст. не вірили в реальність існування атомів. До того ж багато експериментальні результати хімії та розраховані відповідно до кінетичної теорії газів дані стверджували інше поняття для найдрібніших частинок - молекули.
Реальне існування молекул було остаточно підтверджено в 1906 р. дослідами французького фізика Жана Перрена (1870-1942) з вивчення закономірностей броунівського Руху. У сучасному уявленні молекула-найменша частка речовини, що володіє його основними хімічними властивостями і складається з атомів, з'єднаних між собою хімічними зв'язками. Число атомів у молекулі становить від двох (Н2, О2, НF, КСI) до сотень і тисяч (деякі вітаміни, гормони і білки). Атоми інертних газів часто називають одноатомними молекулами. Якщо молекула складається з тисяч і більше повторюваних одиниць (однакових або близьких за будовою груп атомів), її називають макромолекулою.
Атом - складова частина молекули, в перекладі з грецького означає "неподільний". Дійсно, аж до кінця XIX в.неделімость атома не викликала серйозних заперечень. Проте фізичні досліди кінця XIX і початку XX століть не тільки піддали сумніву неподільність атома, але і довели існування його структури. У своїх дослідах в 1897 р. англійський фізик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) відкрив електрон, названий пізніше атомом електрики. Електрон, як добре відомо, входить до складу електронної оболонки атомів. У 1898 р. Томсон визначив заряд електрона, а в 1903 г.предложіл одну з перших моделей атома.
1. Атомізм СТАРОЖИТНОСТІ
У натурфілософії виділяється матеріалістична спрямованість видатних мислителів давнини. Атомізм, основу якого представляла проблема матерії, згадується у вченні про частки, створеному Анаксагором у V ст. до н. е., знайшов своє відображення в працях видатних представників атомізму давнину Демокріта і Левкіппа. З вихору атомів, за Демокріту, утворюються як окремі тіла, так і незліченні світи;
послідовниками цих навчань були Епікур і Лукрецій. Давньогрецький поет і філософ Лукрецій, популяризатор вчення Епікура, створив дидактичну поему «Про природу речей», - єдиний повністю збережений систематичний виклад матеріалістичної філософії давнини. Філософія Епікура стала вищим етапом розвитку атомістичного матеріалізму і завершенням матеріалістичних поглядів давньогрецької філософії.
Загальна тенденція атомістики виражалася у прагненні звести все різноманіття властивостей матеріальних об'єктів до обмеженого числа вихідних об'єктивних властивостей і закономірностей елементарних матеріальних частинок.
Основоположними ознаками атомістики були:
незмінність атомів (тобто несотворімость і незнищенність матерії);
протиставлення атомів порожньому простору (визнання об'єктивності простору та руху).
Недоліки механістичної атомістики:
відсутність достовірного експериментального матеріалу;
не була достатньо обгрунтованою природничо теорією;
атоми розглядалися як частки, позбавлені можливості перетворення;
єдиною формою руху приймалося механічний рух;
прагнула всі явища природи розглядати як модифікацію механічного руху.
відкриттям рентгенівських променів і радіоактивного випромінювання в 1896 р. А. Беккерелем і дослідженням його в 1898 р. П. Кюрі і М. Склодовської-Кюрі. Радіоактивний розпад показав, що радіоактивність не пов'язана з зовнішніми, механічними впливами, а визначається внутрішніми процесами, що проявляються у вигляді статистичних закономірностей;
створенням теорії електромагнітного поля Дж. Максвеллом (1860-1865 рр..);
відкриттям явища електромагнітної індукції М. Фарадеєм (1831 р.). Ньютонівська теорія дальнодії його схема світу панували до початку XX ст. М. Фарадей і Дж. Максвелл вперше виявили її непридатність і непридатність до електромагнітних явищ;
експериментальним доказом подільності атомів і відкриттям електрона англійським фізиком Дж. Дж. Томсоном (1897 р.), за що він був удостоєний Нобелівської премії в 1906 р. У 1903 р. їм була запропонована одна з перших моделей атома, згідно з якою атом представляв собою позитивно заряджену сферу з вкрапленими в неї електронами (п добно булці з родзинками). У 1911 р. англійський фізик Е. Резерфорд, проводив пити з розсіювання альфа-частинок атомами різних елементів, встановив наявність у атомі щільного ядра діаметром близько 10-12 см, зарядженого позитивно, і запропонував для пояснення цих експериментів планетарну модель атома. Модель підпорядковувалася класичної механіки (рух ядра і електронів) та класичної електродинаміки (взаємодія частинок). Електрони в цій моделі, подібно планет Сонячної системи, оберталися навколо ядра. Стан атомів в класичній фізиці визначається завданням координати і швидкості його складових часток, тобто можна отримати миттєвий знімок його будови. Однак це суперечило експериментальним даним.
1. Постулати Бора були геніальною здогадкою.
2. Розглядаючи орбіти, Бор користувався методами класичної фізики, а пояснював випромінювання з квантової точки зору, тобто використовував як класичні, так і квантові уявлення.
3. Постулати були проміжної фазою між класичною і квантовою механікою, яка була сформована в 20-х рр.. XX ст.
Значення теорії Бора:
показала неправомірність абсолютизації класичних принципів у фізиці;
розкрила обмеженість ньютонівських уявлень;
переконала науковий світ у тому, що панівна фізична теорія дає приблизне, щодо вірний опис явищ дійсності і в процесі розвитку науки буде незмінно збагачуватися, уточнюватися, повніше відображати дійсність, сприяючи створенню більш послідовних фундаментальних теорій.
Це не означає, що віджила теорія втрачає будь-яку наукову цінність. Виникла нова теорія визначає межі застосовності старої теорії, тобто вказує рамки її застосування, використання та отримання значного наукового ефекту.
Все це відноситься до теорії Бора, так як вона створила передумови для створення нового, більш високого рівня розвитку атомізму - квантової теорії атомних процесів.
корпускулярно-хвильової природи елементарних частинок;
те, що хвильові характеристики - це різні прояви єдиного матеріального освіти. Дослідження Л. де Бройля показали, що квантово-
механічна природа є у всіх видів матерії. Класична механіка виключала можливість дифракції електрона, протона, нейтрона, а експериментальні дані підтвердили гіпотезу де Бройля і визначили новий підхід до розуміння процесів мікросвіту.
Абсолютно новими виявилися і властивості об'єктів сучасної атомістики. Прийняті в класичній механіці поняття, що характеризують положення частинки в просторі і її рух, втрачають тепер будь-який сенс. У класичній фізиці траєкторія давала можливість описати шлях, вона могла бути представлена у вигляді лінії. У сучасному атомізму частки не мають траєкторії: можна лише вказати область простору, в якому є певна ймовірність знайти частку.
1. Стан частинки не може бути визначено класичними поняттями.
2. Вводиться хвильова функція, що дає повне квант-по-механічне опис фізичного стану частинки.
3. Виявляється загальна взаімопревращаемость елементарних частинок, обгрунтована величезним експериментальним матеріалом, яка виражає взаємний зв'язок і взаємоперетворення об'єктів мікросвіту і свідчить про якісне різноманітті форм матерії та їх взаємообумовленості.
Таким чином, відкриття квантово-механічних властивостей призвело до переосмислення співвідношення дискретності та безперервності.
Таким чином, у науці відбулася певна переоцінка основних принципів, в результаті якої обгрунтоване І. Ньютоном дальнодійність замінювалося блізкодействія, а замість уявлень про дискретності висувалася ідея безперервності, що отримала своє вираження в електромагнітних полях.
Вся обстановка в науці на початку XX ст. складалася так, що уявлення про дискретність і безперервності матерії отримали своє чітке вираження у двох видах матерії: речовині і поле, відмінність між якими явно фіксувалося на рівні явищ мікросвіту. Однак подальший розвиток науки в 20-і рр.. показало, що таке протиставлення є досить умовним.
Таким чином, частки невіддільні від створюваних ними полів і кожне поле вносить свій внесок у структуру частинок, обумовлюючи їх властивості. У цій нерозривному зв'язку частинок і полів можна бачити одне з найбільш важливих проявів єдності перервності і безперервності в структурі матерії.
Для характеристики перериваної і безперервного в структурі матерії слід також згадати єдність корпускулярних і хвильових властивостей всіх частинок і фотонів. Єдність корпускулярних і хвильових властивостей матеріальних об'єктів являє собою одне з фундаментальних протиріч сучасної фізики і конкретизується в процесі подальшого пізнання мікроявленій. Вивчення процесів макросвіту показали, що переривчастість і безперервність існують у вигляді єдиного взаємопов'язаного процесу. За певних умов макросвіту мікрооб'єкт може трансформуватися в частку або поле і проявляти відповідні їм властивості.
8.1. Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла і речовини.
В історії розвитку вчення про світло змінювали один одного корпускулярна теорія світла (Ньютон) і хвильова (Р. Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель), яка представляла світло як механічну хвилю. У 70-х роках після затвердження теорії Максвелла під світлом стали розуміти електромагнітну хвилю.
На початку 20-го століття на основі експериментів було неспростовно доведено, що світло має як хвильовими, так і корпускулярними властивостями. Було також виявлено, що у прояві цих властивостей існують цілком певні закономірності: чим менше довжина хвилі, тим сильніше виявляються корпускулярні властивості світла.
У 1924 р. французький фізик Л. де Бройль висунув сміливу гіпотезу: корпускулярно-хвильовий дуалізм має універсальний характер, тобто всі частинки, що мають кінцевий імпульс Р, володіють хвильовими властивостями. Так у фізиці з'явилася знаменита формула де Бройля, де m - маса частинки, V - її швидкість, h - постійна Планка.
В даний час хвильові властивості мікрочастинок знаходять широке застосування, наприклад, в електронному мікроскопі. Сучасні електронні мікроскопи дозволяють бачити молекули і навіть атоми речовини (збільшення в 105-106 разів).
При прояві у мікрооб'єкт корпускулярних властивостей його хвильові властивості існують як потенційна можливість, здатна за певних умов перейти у дійсність (діалектичне єдність корпускулярних і хвильових властивостей матерії).
За сучасними уявленнями квантовий об'єкт - це не частка, не хвиля, і навіть не те і не інше одночасно. Квантовий об'єкт - це щось третє, не рівне простої суми властивостей частки і хвилі. Для вираження властивості квантового об'єкта у нас в мові просто немає відповідних понять. Але, оскільки відомості про мікрооб'єктів, про його характеристики ми отримуємо в результаті взаємодії його з приладом (макрооб'єктів), то і описувати цей мікрооб'єкт доводиться в класичних поняттях, тобто використовуючи поняття хвилі і частинки.
Введення. 3
1. Атомізм СТАРОЖИТНОСТІ .. 4
2. Механістичний Атомізм .. 5
3. Нищівного удару по ПРИНЦИПАМ Механіцизм .. 6
4. ПЕРЕДУМОВИ ДЛЯ СТВОРЕННЯ БІЛЬШЕ ВИСОКОГО РІВНЯ РОЗВИТКУ Атомізм .. 7
5. КВАНТОВА теорії будови атома .. 9
6. Істотна особливість Атомізм XX ст. 9
7. Континуально КОНЦЕПЦІЯ .. 10
8. Корпускулярно-ХВИЛЬОВИЙ Дуалізм .. 11
8.1. Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла і речовини. 11
8.2. Співвідношення невизначеностей Гейзенберга. 13
8.3. Основні поняття і принципи КПКМ .. 15
9.КОРПУСКУЛЯРНАЯ І ХВИЛЬОВА КОНЦЕПЦІЇ СВІТЛА .. 18
10. Елементарні частинки .. 21
Висновок. 24
Список літератури .. 26
Введення
Одним з найбільш важливих і суттєвих питань як філософії, так і природознавства є проблема матерії. Уявлення про будову матерії знаходять своє вираження в боротьбі двох концепцій: переривчастості (дискретності) - корпускулярна концепція, і безперервності (континуальності) - континуальна концепція. З ними тісно пов'язані проблеми взаємодії матеріальних об'єктів, які проявлялися як концепція дальнодії (передача дії без фізичного середовища) та концепція блізкодействія (передача дії від точки до точки).
Концепція переривчастості була створена І. Ньютоном Підхід Ньютона визначив вихідне положення атомізму, який грунтувався на визнанні дальнодіючих сил.
В історії фізики найбільш плідною і важливою для розуміння явищ природи була концепція атомізму, згідно якої матерія має переривчасте, дискретне будову, тобто складається з найдрібніших частинок - атомів. До кінця XIX ст. відповідно до концепції атомізму вважалося, що матерія складається з окремих неподільних частинок - атомів. З точки зору сучасного атомізму, електрони - "атоми" електрики, фотони - "атоми" світла і т. д.
Концепція атомізму, вперше запропонована давньогрецьким філософом Левкиппом у V ст. до н. е.., розвинена його учнем Демокрітом і потім давньогрецьким філософом-матеріалістом Епікура (341-270 до н. е..) з апечатленная в чудовій поемі "Про природу речей" римського поета і філософа Лукреція Кара (I ст. до н. е..) , аж до нашого століття можна було умоглядної гіпотезою, хоча і підтверджується побічно деякими експериментальними доказами (наприклад, броунівським рухом, законом Авогадро та ін.)
Багато провідних фізики та хіміки навіть наприкінці XIX ст. не вірили в реальність існування атомів. До того ж багато експериментальні результати хімії та розраховані відповідно до кінетичної теорії газів дані стверджували інше поняття для найдрібніших частинок - молекули.
Реальне існування молекул було остаточно підтверджено в 1906 р. дослідами французького фізика Жана Перрена (1870-1942) з вивчення закономірностей броунівського Руху. У сучасному уявленні молекула-найменша частка речовини, що володіє його основними хімічними властивостями і складається з атомів, з'єднаних між собою хімічними зв'язками. Число атомів у молекулі становить від двох (Н2, О2, НF, КСI) до сотень і тисяч (деякі вітаміни, гормони і білки). Атоми інертних газів часто називають одноатомними молекулами. Якщо молекула складається з тисяч і більше повторюваних одиниць (однакових або близьких за будовою груп атомів), її називають макромолекулою.
Атом - складова частина молекули, в перекладі з грецького означає "неподільний". Дійсно, аж до кінця XIX в.неделімость атома не викликала серйозних заперечень. Проте фізичні досліди кінця XIX і початку XX століть не тільки піддали сумніву неподільність атома, але і довели існування його структури. У своїх дослідах в 1897 р. англійський фізик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) відкрив електрон, названий пізніше атомом електрики. Електрон, як добре відомо, входить до складу електронної оболонки атомів. У 1898 р. Томсон визначив заряд електрона, а в 1903 г.предложіл одну з перших моделей атома.
1. Атомізм СТАРОЖИТНОСТІ
У натурфілософії виділяється матеріалістична спрямованість видатних мислителів давнини. Атомізм, основу якого представляла проблема матерії, згадується у вченні про частки, створеному Анаксагором у V ст. до н. е., знайшов своє відображення в працях видатних представників атомізму давнину Демокріта і Левкіппа. З вихору атомів, за Демокріту, утворюються як окремі тіла, так і незліченні світи;
послідовниками цих навчань були Епікур і Лукрецій. Давньогрецький поет і філософ Лукрецій, популяризатор вчення Епікура, створив дидактичну поему «Про природу речей», - єдиний повністю збережений систематичний виклад матеріалістичної філософії давнини. Філософія Епікура стала вищим етапом розвитку атомістичного матеріалізму і завершенням матеріалістичних поглядів давньогрецької філософії.
Загальна тенденція атомістики виражалася у прагненні звести все різноманіття властивостей матеріальних об'єктів до обмеженого числа вихідних об'єктивних властивостей і закономірностей елементарних матеріальних частинок.
Основоположними ознаками атомістики були:
незмінність атомів (тобто несотворімость і незнищенність матерії);
протиставлення атомів порожньому простору (визнання об'єктивності простору та руху).
2. Механістичний Атомізм
Класична механіка XVII-XVIII ст. з'явилася подальшою розробкою атомістики. І. Ньютон у 1672 - 1676 рр.. поширив атомістики на світлові явища і створив корпускулярну теорію світла. Світ він вважав потоком корпускул (часток), однак на різних етапах розглядав і можливість існування хвильових властивостей світла, зокрема, у 1675 р. зробив спробу створити компромісну корпускулярно-хвильову природу світла. За своїм світоглядом І. Ньютон був другим після Р. Декарта великим представником механістичного матеріалізму в природознавстві XVII-XVIII ст. Р. Декарт прагнув побудувати загальну картину природи, в якій всі явища природи пояснювалися як результат руху великих і малих часток, утворених з єдиної матерії.Недоліки механістичної атомістики:
відсутність достовірного експериментального матеріалу;
не була достатньо обгрунтованою природничо теорією;
атоми розглядалися як частки, позбавлені можливості перетворення;
єдиною формою руху приймалося механічний рух;
прагнула всі явища природи розглядати як модифікацію механічного руху.
3. Нищівного удару по ПРИНЦИПАМ Механіцизм
Нищівного удару по принципам механіцизму було завдано відкриттями XIX-XX ст.:відкриттям рентгенівських променів і радіоактивного випромінювання в 1896 р. А. Беккерелем і дослідженням його в 1898 р. П. Кюрі і М. Склодовської-Кюрі. Радіоактивний розпад показав, що радіоактивність не пов'язана з зовнішніми, механічними впливами, а визначається внутрішніми процесами, що проявляються у вигляді статистичних закономірностей;
створенням теорії електромагнітного поля Дж. Максвеллом (1860-1865 рр..);
відкриттям явища електромагнітної індукції М. Фарадеєм (1831 р.). Ньютонівська теорія дальнодії його схема світу панували до початку XX ст. М. Фарадей і Дж. Максвелл вперше виявили її непридатність і непридатність до електромагнітних явищ;
експериментальним доказом подільності атомів і відкриттям електрона англійським фізиком Дж. Дж. Томсоном (1897 р.), за що він був удостоєний Нобелівської премії в 1906 р. У 1903 р. їм була запропонована одна з перших моделей атома, згідно з якою атом представляв собою позитивно заряджену сферу з вкрапленими в неї електронами (п добно булці з родзинками). У 1911 р. англійський фізик Е. Резерфорд, проводив пити з розсіювання альфа-частинок атомами різних елементів, встановив наявність у атомі щільного ядра діаметром близько 10-12 см, зарядженого позитивно, і запропонував для пояснення цих експериментів планетарну модель атома. Модель підпорядковувалася класичної механіки (рух ядра і електронів) та класичної електродинаміки (взаємодія частинок). Електрони в цій моделі, подібно планет Сонячної системи, оберталися навколо ядра. Стан атомів в класичній фізиці визначається завданням координати і швидкості його складових часток, тобто можна отримати миттєвий знімок його будови. Однак це суперечило експериментальним даним.
4. ПЕРЕДУМОВИ ДЛЯ СТВОРЕННЯ БІЛЬШЕ ВИСОКОГО РІВНЯ РОЗВИТКУ Атомізм
Суперечності між існуючими уявленнями класичної фізики та експериментальними даними, отриманими Е. Резерфордом, були вирішені в 1913 р. датським ученим Н. Бором, який зробив висновок про необхідність прийняття принципово нової теорії - квантової - для побудови моделі атома. Застосовність квантових уявлень і розробка квантової теорії Н. Бором створили можливість систематизувати і пояснити величезний експериментальний матеріал. Постулати Бора правильно відображали закономірності руху частинок і давали можливість підійти до розкриття внутрішніх процесів атома. Однак у теорії Бора були недоліки:1. Постулати Бора були геніальною здогадкою.
2. Розглядаючи орбіти, Бор користувався методами класичної фізики, а пояснював випромінювання з квантової точки зору, тобто використовував як класичні, так і квантові уявлення.
3. Постулати були проміжної фазою між класичною і квантовою механікою, яка була сформована в 20-х рр.. XX ст.
Значення теорії Бора:
показала неправомірність абсолютизації класичних принципів у фізиці;
розкрила обмеженість ньютонівських уявлень;
переконала науковий світ у тому, що панівна фізична теорія дає приблизне, щодо вірний опис явищ дійсності і в процесі розвитку науки буде незмінно збагачуватися, уточнюватися, повніше відображати дійсність, сприяючи створенню більш послідовних фундаментальних теорій.
Це не означає, що віджила теорія втрачає будь-яку наукову цінність. Виникла нова теорія визначає межі застосовності старої теорії, тобто вказує рамки її застосування, використання та отримання значного наукового ефекту.
Все це відноситься до теорії Бора, так як вона створила передумови для створення нового, більш високого рівня розвитку атомізму - квантової теорії атомних процесів.
5. КВАНТОВА теорії будови атома
Квантова теорія будови атома - це певний розділ квантової механіки, що пояснює різноманітність властивостей найдрібніших частинок речовини. Основоположники її - австрійський фізик-теоретик Е. Шредінгер, французький фізик Л. де Бройль і німецький фізик-теоретик В. Гейзенберг - показали наявність у мікрочастинок ряду нових особливостей, які визначали характер сучасного атомізму:корпускулярно-хвильової природи елементарних частинок;
те, що хвильові характеристики - це різні прояви єдиного матеріального освіти. Дослідження Л. де Бройля показали, що квантово-
механічна природа є у всіх видів матерії. Класична механіка виключала можливість дифракції електрона, протона, нейтрона, а експериментальні дані підтвердили гіпотезу де Бройля і визначили новий підхід до розуміння процесів мікросвіту.
Абсолютно новими виявилися і властивості об'єктів сучасної атомістики. Прийняті в класичній механіці поняття, що характеризують положення частинки в просторі і її рух, втрачають тепер будь-який сенс. У класичній фізиці траєкторія давала можливість описати шлях, вона могла бути представлена у вигляді лінії. У сучасному атомізму частки не мають траєкторії: можна лише вказати область простору, в якому є певна ймовірність знайти частку.
6. Істотна особливість Атомізм XX ст.
До істотних особливостей атомізму XX ст. можна віднести наступні:1. Стан частинки не може бути визначено класичними поняттями.
2. Вводиться хвильова функція, що дає повне квант-по-механічне опис фізичного стану частинки.
3. Виявляється загальна взаімопревращаемость елементарних частинок, обгрунтована величезним експериментальним матеріалом, яка виражає взаємний зв'язок і взаємоперетворення об'єктів мікросвіту і свідчить про якісне різноманітті форм матерії та їх взаємообумовленості.
Таким чином, відкриття квантово-механічних властивостей призвело до переосмислення співвідношення дискретності та безперервності.
7. Континуально КОНЦЕПЦІЯ
Сформовані до початку XIX ст. уявлення про будову матерії були односторонніми і не давали можливості пояснити ряд експериментальних факторів. Розроблена М. Фарадеєм і Дж. Максвеллом у XIX ст. теорія електромагнітного поля показала, що визнана концепція не може бути єдиною для пояснення структури матерії. У своїх роботах М. Фарадей і Дж. Максвелл показали, що поле - це самостійна фізична реальність.Таким чином, у науці відбулася певна переоцінка основних принципів, в результаті якої обгрунтоване І. Ньютоном дальнодійність замінювалося блізкодействія, а замість уявлень про дискретності висувалася ідея безперервності, що отримала своє вираження в електромагнітних полях.
Вся обстановка в науці на початку XX ст. складалася так, що уявлення про дискретність і безперервності матерії отримали своє чітке вираження у двох видах матерії: речовині і поле, відмінність між якими явно фіксувалося на рівні явищ мікросвіту. Однак подальший розвиток науки в 20-і рр.. показало, що таке протиставлення є досить умовним.
8. Корпускулярно-ХВИЛЬОВИЙ Дуалізм
У 1900 р. М. Планк показав, що енергія випромінювання або поглинання електромагнітних хвиль не може мати довільні значення, а кратна енергії кванта, тобто хвильовий процес набуває забарвлення дискретності. Ідея Планка про дискретну природу світла отримали своє підтвердження в області фотоефекту. Де Бройль відкрив приблизно в цей же час у часток хвильові властивості (дифракція електрона).Таким чином, частки невіддільні від створюваних ними полів і кожне поле вносить свій внесок у структуру частинок, обумовлюючи їх властивості. У цій нерозривному зв'язку частинок і полів можна бачити одне з найбільш важливих проявів єдності перервності і безперервності в структурі матерії.
Для характеристики перериваної і безперервного в структурі матерії слід також згадати єдність корпускулярних і хвильових властивостей всіх частинок і фотонів. Єдність корпускулярних і хвильових властивостей матеріальних об'єктів являє собою одне з фундаментальних протиріч сучасної фізики і конкретизується в процесі подальшого пізнання мікроявленій. Вивчення процесів макросвіту показали, що переривчастість і безперервність існують у вигляді єдиного взаємопов'язаного процесу. За певних умов макросвіту мікрооб'єкт може трансформуватися в частку або поле і проявляти відповідні їм властивості.
8.1. Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла і речовини.
В історії розвитку вчення про світло змінювали один одного корпускулярна теорія світла (Ньютон) і хвильова (Р. Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель), яка представляла світло як механічну хвилю. У 70-х роках після затвердження теорії Максвелла під світлом стали розуміти електромагнітну хвилю.
На початку 20-го століття на основі експериментів було неспростовно доведено, що світло має як хвильовими, так і корпускулярними властивостями. Було також виявлено, що у прояві цих властивостей існують цілком певні закономірності: чим менше довжина хвилі, тим сильніше виявляються корпускулярні властивості світла.
У 1924 р. французький фізик Л. де Бройль висунув сміливу гіпотезу: корпускулярно-хвильовий дуалізм має універсальний характер, тобто всі частинки, що мають кінцевий імпульс Р, володіють хвильовими властивостями. Так у фізиці з'явилася знаменита формула де Бройля, де m - маса частинки, V - її швидкість, h - постійна Планка.
В даний час хвильові властивості мікрочастинок знаходять широке застосування, наприклад, в електронному мікроскопі. Сучасні електронні мікроскопи дозволяють бачити молекули і навіть атоми речовини (збільшення в 105-106 разів).
При прояві у мікрооб'єкт корпускулярних властивостей його хвильові властивості існують як потенційна можливість, здатна за певних умов перейти у дійсність (діалектичне єдність корпускулярних і хвильових властивостей матерії).
За сучасними уявленнями квантовий об'єкт - це не частка, не хвиля, і навіть не те і не інше одночасно. Квантовий об'єкт - це щось третє, не рівне простої суми властивостей частки і хвилі. Для вираження властивості квантового об'єкта у нас в мові просто немає відповідних понять. Але, оскільки відомості про мікрооб'єктів, про його характеристики ми отримуємо в результаті взаємодії його з приладом (макрооб'єктів), то і описувати цей мікрооб'єкт доводиться в класичних поняттях, тобто використовуючи поняття хвилі і частинки.
Принцип додатковості. Отже, зі сказаного вище випливає, що 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.
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.
8.2. Співвідношення невизначеностей Гейзенберга
Двоїста природа мікрочастинок поставила науку перед питанням про межі застосування понять класичної фізики в мікросвіті. У класичній механіці всяка частинка рухається по певній траєкторії і завжди має цілком певні (точні) значення координати, імпульсу, енергії. По-іншому йде справа з мікрочастинок. Мікрочастинка, володіючи хвильовими властивостями, не має траєкторії, а значить, не може мати одночасно певних (точних) значень координати і імпульсу. Іншими словами, ми можемо говорити про значення координати та імпульсу мікрочастинки тільки з деякою мірою наближення. Міру цієї невизначеності (неточності) у значеннях координати та імпульсу, енергії і часу знайшов в 1927 р. У Гейзенберг. Він показав, що ці невизначеності (неточності) задовольняють наступним співвідношенням:
DX × DPX ³ h; DY × DPY ³ h; DZ × DPZ ³ h; DW × Dt ³ h.
Ці нерівності називаються співвідношеннями невизначеностей Гейзенберга.
Таким чином, якщо ми знаємо положення X імпульс Р мікрочастинки (наприклад, електрона в атомі) з похибками DX і DPX, то ця похибка не може бути менше, ніж h. Ця межа малий, оскільки мала сама h - постійна Планка, але він існує, і це фундаментальний закон природи. Важливо зауважити, що ця невизначеність не пов'язана з недосконалістю наших приладів. Мова про те, що принципово не можна визначити одночасно координату і імпульс частинки точніше, ніж це допускає співвідношення невизначеностей. Цього не можна зробити точно, так само як не можна перевищити швидкість світла, досягти абсолютного нуля температур, підняти себе за волосся, повернути вчорашній день.
Зі співвідношення невизначеностей видно, що зі збільшенням маси частинки обмеження, що накладаються їм зменшуються. Наприклад, для порошинки m = 10-13кг, координата якої отримана з точністю до її розмірів, тобто DX = 10-6м, отримуємо DVX = 1,0 × 10-15 м / с. Ця невизначеність практично не буде позначатися ні за яких швидкостях, з якими може рухатися частинка. Для макроскопічних тіл співвідношення невизначеностей не буде вносити жодних обмежень у можливість застосувати для них поняття координати і швидкості одночасно. Справа в тому, що постійна Планка в цих випадках може розглядатися пренебрежимо малою. Це призводить до того, що квантові властивості досліджуваних об'єктів виявляються несуттєвими, а уявлення класичної фізики - повністю справедливими. Аналогічно при швидкостях, набагато менших швидкості світла, висновки теорії відносності збігаються з висновками класичної механіки.
Таким чином, класична механіка є граничним випадком квантової механіки і релятивістської механіки.
Це положення пов'язане з так званим принципом відповідності, що мають важливе філософське і методологічне значення. Принцип відповідності може бути сформульовано таким чином:
Теорії, справедливість яких була експериментально встановлена для певної групи, з появою нової теорії не відкидаються, а зберігають своє значення для колишньої області явищ, як гранична форма і приватний випадок нових теорій.
8.3. Основні поняття і принципи КПКМ
Як і всі попередні картини Світу, КПКМ являє собою процес подальшого розвитку і поглиблення наших знань про сутність фізичних явищ. Процес становлення і розвитку КПКМ триває і пройшов вже ряд стадій, зокрема:
1) затвердження корпускулярно-хвильових уявлень про матерію;
2) зміна методології пізнання і ставлення до фізичної реальності;
Пояснення: Раніше вважалося, що пристрій світу можна пізнавати, не втручаючись у нього, не впливаючи на які відбуваються в ньому процеси, тобто перебуваючи як би поза його, поза абсолютної фізичної реальності. Ейнштейн не включав в поняття «фізична реальність» акт спостереження, а Бор вважав його важливим елементом фізичної реальності. Картина реальності у квантовій механіці стає як би двупланово: з одного боку в неї входять характеристики досліджуваного об'єкта, а з іншого - умови спостереження. Таким чином, в КПКМ з'являється принцип відносності до засобів спостереження.
Усі розглянуті раніше картини світу відрізнялися своїм трактуванням таких фундаментальних понять як простір і час, рух, принцип причинності, взаємодії. Розглянемо, як вони представлені в КПКМ.
Простір і час. При розгляді МКМ підкреслювалося, що простір і час у ній абсолютні і незалежні один від одного. Для характеристики об'єкта в просторі вводилися три просторові координати (X, Y, Z), а для позначення часу незалежно від них вводилася одна тимчасова координата t. У СТО і ЕМКМ вони втратили абсолютний і незалежний характер. З'явилося нове простір-час як абсолютна характеристика чотиривимірного Світу (просторово-часового континууму Маньківського). І нова величина - просторово-часовий інтервал став залишатися незмінним (інваріантним) при переході від однієї системи відліку до іншої.
Причинність. У МКМ при описі об'єктів використовується два класи понять: просторово-часові, які дають кінематичну картину руху і енергетично імпульсні, які дають динамічну (причинну) картину. У МКМ, ЕМКМ вони незалежні. У КПКМ, відповідно співвідношенням невизначеностей вони не можуть застосовуватися незалежно один від одного, вони доповнюють один одного. Таким чином, простір, час і причинність виявилися відносними і залежними один від одного.
Незалежність простору, часу і причинності в МКМ дозволяє говорити про точну локалізації об'єкта в просторі, його траєкторії, про однозначну причинно-наслідкового зв'язку (лапласовскій детермінізм), про одночасне, точному вимірюванні координат і швидкості, енергії і часу.
У квантовій механіці відносність простору-часу і причинності призводить до невизначеності координат і швидкості в даний момент, до відсутності траєкторії руху мікрооб'єктів. І якщо в класичній фізиці імовірнісним законам підпорядковувалося поводження великої кількості частинок, то в квантовій механіці поведінка кожної частки підпорядковується не динамічним (детерміністськими), а статистичним законам. Таким чином, причинність у сучасній КПКМ має імовірнісний характер (імовірнісна причинність).
Взаємодія. Все різноманіття взаємодій підрозділяється в сучасній фізичній картині світу на 4 типи: сильне, електромагнітну, слабку і гравітаційне. За сучасними уявленнями всі взаємодії мають обмінну природу, тобто реалізуються в результаті обміну фундаментальними частинками - переносниками взаємодій. Кожне з взаємодій характеризується так званої константою взаємодії, що визначає його порівняльну інтенсивність, часом протікання і радіусом дії. Розглянемо коротко ці взаємодії.
1. Сильна взаємодія забезпечує зв'язок нуклонів у ядрі. Константа взаємодії дорівнює приблизно 100, радіус дії порядку 10-15, час протікання t ~ 10-23с. Частинки - переносники - p-мезони.
2. Електромагнітна взаємодія: константа порядку 10-2, радіус взаємодії не обмежений, час взаємодії t ~ 10-20с. Воно реалізується між усіма зарядженими частинками. Частка-переносник - фотон (g-квант).
3. Слабка взаємодія пов'язана з усіма видами b-розпаду, багато розпади елементарних частинок і взаємодія нейтрино з речовиною. Константа взаємодії порядку 10-13, t ~ 10-10с. Ця взаємодія, як і сильне, є короткодействующим: радіус взаємодії r ~ 10-18м. Частка - переносник - векторний бозон.
4. Гравітаційна взаємодія є універсальним, проте в мікросвіті враховується, оскільки з усіх взаємодій є найслабшим і виявляється тільки при наявності досить великих мас. Його радіус дії не обмежений, в ремя також не обмежена. Обмінний характер гравітаційної взаємодії до цих пір залишається під питанням, оскільки гіпотетична фундаментальна частинка гравітон поки не виявлена.
9. Корпускулярні і хвильові КОНЦЕПЦІЇ СВІТЛА
У другій половині XVII століття були закладені основи фізичної оптики. Ф. Грімальді відкриває явище дифракції світла (огинання світлом перешкод тобто відхилення його від прямолінійного поширення) і висловлює припущення про хвильову природу світла. В опублікованому в 1690 р. "Трактаті про світло" Х. Гюйгенсом був сформований принцип, згідно з яким кожна точка простору, якої досягла в даний момент хвиля, що поширюється, стає джерелом елементарних сферичних хвиль, і на його основі вивів закони відбиття і заломлення світла.
Гюйгенсом було встановлено явище поляризації світла - явище, що відбувається з променем світла при його відображенні, ламанні (особливо при подвійному заломленні) і полягає в тому, що коливальний рух у всіх точках променя відбувається лише в одній площині, що проходить через напрямок променя, тоді як у неполяризованим промені коливання відбуваються в усіх напрямках, перпендикулярно до променя. Гюйгенс, розробивши ідею Грімальді про те, що світло поширюється не тільки прямолінійно із заломленням і відбиттям, а і з розбивкою (дифракція), дав пояснення всім відомим оптичних явищ. Він стверджує, що світлові хвилі поширюються в ефірі, що представляє собою пронизливий всі тіла тонку матерію.
Але що є хвиля? Хвиля обов'язково рухається в якому то носії, в якому і відбуваються періодичні коливання. Але при поширенні хвилі, наприклад, на поверхні води, не відбувається переміщення води у напрямку поширення хвилі - при цьому поверхня води рухається лише вгору і вниз.
Але хвиля при своєму переміщенні передає дію від однієї точки до іншої. Аналогічним чином ситуація з поширенням звукової хвилі, але в цьому випадку хвилі поширюються в просторі в усіх напрямках. Про світлових коливаннях можна судити за непрямими ефектів. Явище інтерференції дає і свідоцтво про хвильову природу світла.
Прикладом інтерференційного ефекту є поява забарвлених смуг або кілець, які є при растекании тонкого шару нафти на поверхні води. Світло в цьому випадку спочатку відбивається від верхньої поверхні плівки, а потім від нижньої. Тому коливання в світловому промені, які відбиваються від нижньої поверхні плівки, відстають від коливань в промені, відбитому від її поверхні, причому це відставання дорівнює відстані, рівному подвоєній товщині плівки. Обидва відображених променя в цьому випадку інтерферують так, що якщо товщина плівки дорівнює чверті довжини хвилі, то другий промінь відстає від першого на половину хвилі. Накладення гребеня хвилі, відбитої від іншої поверхні, дає темряву. Білий світ в результаті інтерференції після відбиття стає пофарбованим.
Ньютон спочатку у своїх доповідях у Лондонському Королівському товаристві і потім у "Оптиці" (опублікованій в 1706 р.) виклав свою концепцію світла. Слідуючи своєму феноменологічного методу, Ньютон експериментально досліджував явище дисперсії (розкладання білого світла за допомогою призми у спектр), заклав основи оптичної спектроскопії: він встановив, що кожному кольору відповідає певна довжина світлової хвилі і визначив їх. Ньютон показав, що кольори створюються не призмою. а є компонентами білого світла. Він бачив слабкість хвильової концепції в тому, що вона виявилася не в змозі пояснити явище дифракції світла - огинання світлом перешкод (це вдасться зробити з позиції хвильової концепції понад століття пізніше Френелю). Ньютон ж явище дифракції пояснював на основі полярності, властивою світлового променя.
Іншим недоліком хвильової концепції було її вимогу допустити існування ефіру-середовища, в якій поширюється світло. Той факт, що рух планет і комет в небесному просторі не зустрічає помітного опору, який обов'язково відбилося б на правильності руху, дозволив Ньютону існування такого середовища піддати сумніву. А якщо відкинути можливість існування такого середовища, то гіпотеза про поширення світла через неї втрачає сенс. (Критикуючи хвильову концепцію світла, що представляє світ у вигляді поширюються в ефірі механічних хвиль, Ньютон не міг ще припустити, що світлові хвилі можуть мати не механічну природу.)
Усунення труднощів, що стоять перед хвильової концепцією світла, Ньютон бачив на шляху розгляду світла як складається з корпускул - своєрідних "малих тіл" (атомів), які можуть взаємодіяти з частинками речовини. Такі тіла, на його думку, проходять через однорідні середовища "без загинання". Важливо відзначити, що, порівнюючи хвильову і корпускулярну концепцію світла, Ньютон не висловлюється беззастережно на користь однієї з них. Його висловлювання багатьма дослідниками його творчості трактуються як своєрідний синтез хвильової і корпускулярних концепцій (що передбачив гіпотезу де Бройля, висловлену в 1924 р.).
Відкриття явище поляризації світла переконувало Ньютона у справедливості корпускулярної концепції світла. Дослідження ж інтерференції приводило його до висновку про наявність своєрідною періодичності у властивості світла.
Послідовники Ньютона представили Ньютона як беззастережного прихильника корпускулярної концепції світла. Авторитет імені Ньютона, таким чином, в даному випадку зіграв негативну роль - затримав розвиток хвильової теорії світла.
Розвиток фізики мікросвіту показало невичерпність властивостей елементарних частинок і їх взаємодій. Всі частинки, які мають досить велику енергію, здатні до взаємоперетворення, але при дотриманні ряду законів збереження. Число відомих елементарних частинок постійно зростає і перевищує вже 300 різновидів, включаючи нестійкі резонансні стану. Найважливішим властивістю частки є її маса спокою. За цій властивості частинки поділяються на 4 групи:
1. Легкі частки - лептони (фотон, електрон, позитрон). Фотони не мають маси спокою.
2. Частинки середньої маси - мезони (мю-мезон, пі-мезон).
3. Важкі частки - Ядерна фізика. До них відносяться нуклони - складові частини ядра: протони і нейтрони. Протон - найлегший баріонів.
4. Надважкі - гіперонів. Сталих різновидів небагато:
фотони (кванти електромагнітного випромінювання);
Гравітон (гіпотетичні кванти гравітаційного поля);
електрони;
позитрони (античастинки електронів);
протони і антипротони;
нейтрони;
нейтрино - найзагадковіша з усіх елементарних частинок.
Нейтрино було відкрито в 1956 р., тоді як назва його було дано в 1933 р. Е. Фермі, а гіпотезу про його існування висловив в 1930 р. швейцарський фізик В. Паулі. Нейтрино відіграє велику роль у космічних процесах у всій еволюції матерії у Всесвіті. Час їх життя практично нескінченно. За підрахунками вчених, нейтрино несуть значну частку випромінюваної зірками енергії. Наше Сонце втрачає за рахунок випромінювання нейтрино приблизно 7% енергії, на кожен квадратний сантиметр Землі перпендикулярно сонячним променям щомиті падає приблизно 300 мільйонів нейтрино. Однак вони не реєструються нашими органами чуття і приладами зважаючи на їх слабкої взаємодії з речовиною. Подальша доля цього випромінювання невідома, але, очевидно, нейтрино має знову включитися в круговорот матерії в природі. Швидкість поширення нейтрино дорівнює швидкості світла у вакуумі.
Особливістю елементарних частинок є те, що більшість з них можуть виникати при зіткненні з іншими частками досить високої енергії: протон великої енергії перетворюється в нейтрон з випусканням пі-мезона. При цьому елементарні частинки розпадаються на інші: нейтрон - на електрон, протон і антинейтрино, а нейтральний пі-мезон - на два фотони. Пі-мезони, таким чином, є квантами ядерної поля, що об'єднують нуклони і ядра.
У ході розвитку науки відкриваються все нові властивості елементарних частинок. Взаємна обумовленість властивостей частинок свідчить про складну їх природі, наявності багатогранних зв'язків і відносин. У залежності від специфіки елементарної частки може з'явитися той чи інший вид взаємодії: сильне, електромагнітне, слабке. Сильна взаємодія обумовлюється ядерними силами, воно забезпечує стійкість атомних ядер. Електромагнітні взаємодії, слабкі взаємодії - в процесах розпаду нейтронів, радіоактивних ядер і передбачають участь у цих взаємодіях нейтрино. Слабкі взаємодії в 1010-1012 разів слабкіше сильних. Цей вид взаємодій в даний час досить добре вивчений.
У більшості елементарних частинок є античастинки, що відрізняються протилежними знаками електричних зарядів і магнітних моментів: антипротони, Антинейтрон і т.д. З античастинок можуть бути утворені стійкі атомні ядра і антиречовину, що підкоряється тим же законам руху, що й звичайна речовина. У великих кількостях антиречовину в космосі не виявлено, тому існування «антисвіту», тобто галактик з антиречовини є проблематичним.
Таким чином, з кожним новим відкриттям будова мікросвіту уточнюється і виявляється все більш складним. Чим глибше ми йдемо у нього, тим більше нових властивостей виявляє наука.
Висновок
Наука іде по шляху подальшого пізнавання все нових властивостей невичерпності матеріального світу.
Сучасний атомізм збагачує і конкретизує такі основні категорії, як єдність світу, невичерпність матерії, загальна взаємозв'язок і взаємодія матеріальних об'єктів і т.п.
Як і всі попередні картини Світу, КПКМ являє собою процес подальшого розвитку і поглиблення наших знань про сутність фізичних явищ. Процес становлення і розвитку КПКМ триває і пройшов вже ряд стадій, зокрема:
1) затвердження корпускулярно-хвильових уявлень про матерію;
2) зміна методології пізнання і ставлення до фізичної реальності;
Простір і час. При розгляді МКМ підкреслювалося, що простір і час у ній абсолютні і незалежні один від одного. Для характеристики об'єкта в просторі вводилися три просторові координати (X, Y, Z), а для позначення часу незалежно від них вводилася одна тимчасова координата t. У СТО і ЕМКМ вони втратили абсолютний і незалежний характер. З'явилося нове простір-час як абсолютна характеристика чотиривимірного Світу (просторово-часового континууму Маньківського). І нова величина - просторово-часовий інтервал став залишатися незмінним (інваріантним) при переході від однієї системи відліку до іншої.
Причинність. У МКМ при описі об'єктів використовується два класи понять: просторово-часові, які дають кінематичну картину руху і енергетично імпульсні, які дають динамічну (причинну) картину. У МКМ, ЕМКМ вони незалежні. У КПКМ, відповідно співвідношенням невизначеностей вони не можуть застосовуватися незалежно один від одного, вони доповнюють один одного. Таким чином, простір, час і причинність виявилися відносними і залежними один від одного.
Незалежність простору, часу і причинності в МКМ дозволяє говорити про точну локалізації об'єкта в просторі, його траєкторії, про однозначну причинно-наслідкового зв'язку (лапласовскій детермінізм), про одночасне, точному вимірюванні координат і швидкості, енергії і часу.
У квантовій механіці відносність простору-часу і причинності призводить до невизначеності координат і швидкості в даний момент, до відсутності траєкторії руху мікрооб'єктів. І якщо в класичній фізиці імовірнісним законам підпорядковувалося поводження великої кількості частинок, то в квантовій механіці поведінка кожної частки підпорядковується не динамічним (детерміністськими), а статистичним законам. Таким чином, причинність у сучасній КПКМ має імовірнісний характер (імовірнісна причинність).
Взаємодія. Все різноманіття взаємодій підрозділяється в сучасній фізичній картині світу на 4 типи: сильне, електромагнітну, слабку і гравітаційне. За сучасними уявленнями всі взаємодії мають обмінну природу, тобто реалізуються в результаті обміну фундаментальними частинками - переносниками взаємодій. Кожне з взаємодій характеризується так званої константою взаємодії, що визначає його порівняльну інтенсивність, часом протікання і радіусом дії.
2. Дубніщева Т.Я.. Концепції сучасного природознавства. Новосибірськ: Изд-во ЮКЕА, 1997.
3. Карпенків С.Х. Концепції сучасного природознавства: короткий курс: навч. посібник для вузів. М.: Вища освіта, 2007 р.
4.Ахундов М.Д. Концепції простору і часу: витоки, еволюція, перспективи. - М. 1982.
5.Савельев І.В. Курс загальної фізики. - М., 1977.
6.Фейнман Р. Характер фізичних законів. - М., 1968.
7.Хорошавіна С. Г. Концепції сучасного природознавства: курс лекцій / Вид. 4-е. - Ростов н / Д: Фенікс, 2005. - 480 с.
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.
8.2. Співвідношення невизначеностей Гейзенберга
Двоїста природа мікрочастинок поставила науку перед питанням про межі застосування понять класичної фізики в мікросвіті. У класичній механіці всяка частинка рухається по певній траєкторії і завжди має цілком певні (точні) значення координати, імпульсу, енергії. По-іншому йде справа з мікрочастинок. Мікрочастинка, володіючи хвильовими властивостями, не має траєкторії, а значить, не може мати одночасно певних (точних) значень координати і імпульсу. Іншими словами, ми можемо говорити про значення координати та імпульсу мікрочастинки тільки з деякою мірою наближення. Міру цієї невизначеності (неточності) у значеннях координати та імпульсу, енергії і часу знайшов в 1927 р. У Гейзенберг. Він показав, що ці невизначеності (неточності) задовольняють наступним співвідношенням:
DX × DPX ³ h; DY × DPY ³ h; DZ × DPZ ³ h; DW × Dt ³ h.
Ці нерівності називаються співвідношеннями невизначеностей Гейзенберга.
Таким чином, якщо ми знаємо положення X імпульс Р мікрочастинки (наприклад, електрона в атомі) з похибками DX і DPX, то ця похибка не може бути менше, ніж h. Ця межа малий, оскільки мала сама h - постійна Планка, але він існує, і це фундаментальний закон природи. Важливо зауважити, що ця невизначеність не пов'язана з недосконалістю наших приладів. Мова про те, що принципово не можна визначити одночасно координату і імпульс частинки точніше, ніж це допускає співвідношення невизначеностей. Цього не можна зробити точно, так само як не можна перевищити швидкість світла, досягти абсолютного нуля температур, підняти себе за волосся, повернути вчорашній день.
Зі співвідношення невизначеностей видно, що зі збільшенням маси частинки обмеження, що накладаються їм зменшуються. Наприклад, для порошинки m = 10-13кг, координата якої отримана з точністю до її розмірів, тобто DX = 10-6м, отримуємо DVX = 1,0 × 10-15 м / с. Ця невизначеність практично не буде позначатися ні за яких швидкостях, з якими може рухатися частинка. Для макроскопічних тіл співвідношення невизначеностей не буде вносити жодних обмежень у можливість застосувати для них поняття координати і швидкості одночасно. Справа в тому, що постійна Планка в цих випадках може розглядатися пренебрежимо малою. Це призводить до того, що квантові властивості досліджуваних об'єктів виявляються несуттєвими, а уявлення класичної фізики - повністю справедливими. Аналогічно при швидкостях, набагато менших швидкості світла, висновки теорії відносності збігаються з висновками класичної механіки.
Таким чином, класична механіка є граничним випадком квантової механіки і релятивістської механіки.
Це положення пов'язане з так званим принципом відповідності, що мають важливе філософське і методологічне значення. Принцип відповідності може бути сформульовано таким чином:
Теорії, справедливість яких була експериментально встановлена для певної групи, з появою нової теорії не відкидаються, а зберігають своє значення для колишньої області явищ, як гранична форма і приватний випадок нових теорій.
8.3. Основні поняття і принципи КПКМ
Як і всі попередні картини Світу, КПКМ являє собою процес подальшого розвитку і поглиблення наших знань про сутність фізичних явищ. Процес становлення і розвитку КПКМ триває і пройшов вже ряд стадій, зокрема:
1) затвердження корпускулярно-хвильових уявлень про матерію;
2) зміна методології пізнання і ставлення до фізичної реальності;
Пояснення: Раніше вважалося, що пристрій світу можна пізнавати, не втручаючись у нього, не впливаючи на які відбуваються в ньому процеси, тобто перебуваючи як би поза його, поза абсолютної фізичної реальності. Ейнштейн не включав в поняття «фізична реальність» акт спостереження, а Бор вважав його важливим елементом фізичної реальності. Картина реальності у квантовій механіці стає як би двупланово: з одного боку в неї входять характеристики досліджуваного об'єкта, а з іншого - умови спостереження. Таким чином, в КПКМ з'являється принцип відносності до засобів спостереження.
Усі розглянуті раніше картини світу відрізнялися своїм трактуванням таких фундаментальних понять як простір і час, рух, принцип причинності, взаємодії. Розглянемо, як вони представлені в КПКМ.
Простір і час. При розгляді МКМ підкреслювалося, що простір і час у ній абсолютні і незалежні один від одного. Для характеристики об'єкта в просторі вводилися три просторові координати (X, Y, Z), а для позначення часу незалежно від них вводилася одна тимчасова координата t. У СТО і ЕМКМ вони втратили абсолютний і незалежний характер. З'явилося нове простір-час як абсолютна характеристика чотиривимірного Світу (просторово-часового континууму Маньківського). І нова величина - просторово-часовий інтервал став залишатися незмінним (інваріантним) при переході від однієї системи відліку до іншої.
Причинність. У МКМ при описі об'єктів використовується два класи понять: просторово-часові, які дають кінематичну картину руху і енергетично імпульсні, які дають динамічну (причинну) картину. У МКМ, ЕМКМ вони незалежні. У КПКМ, відповідно співвідношенням невизначеностей вони не можуть застосовуватися незалежно один від одного, вони доповнюють один одного. Таким чином, простір, час і причинність виявилися відносними і залежними один від одного.
Незалежність простору, часу і причинності в МКМ дозволяє говорити про точну локалізації об'єкта в просторі, його траєкторії, про однозначну причинно-наслідкового зв'язку (лапласовскій детермінізм), про одночасне, точному вимірюванні координат і швидкості, енергії і часу.
У квантовій механіці відносність простору-часу і причинності призводить до невизначеності координат і швидкості в даний момент, до відсутності траєкторії руху мікрооб'єктів. І якщо в класичній фізиці імовірнісним законам підпорядковувалося поводження великої кількості частинок, то в квантовій механіці поведінка кожної частки підпорядковується не динамічним (детерміністськими), а статистичним законам. Таким чином, причинність у сучасній КПКМ має імовірнісний характер (імовірнісна причинність).
Взаємодія. Все різноманіття взаємодій підрозділяється в сучасній фізичній картині світу на 4 типи: сильне, електромагнітну, слабку і гравітаційне. За сучасними уявленнями всі взаємодії мають обмінну природу, тобто реалізуються в результаті обміну фундаментальними частинками - переносниками взаємодій. Кожне з взаємодій характеризується так званої константою взаємодії, що визначає його порівняльну інтенсивність, часом протікання і радіусом дії. Розглянемо коротко ці взаємодії.
1. Сильна взаємодія забезпечує зв'язок нуклонів у ядрі. Константа взаємодії дорівнює приблизно 100, радіус дії порядку 10-15, час протікання t ~ 10-23с. Частинки - переносники - p-мезони.
2. Електромагнітна взаємодія: константа порядку 10-2, радіус взаємодії не обмежений, час взаємодії t ~ 10-20с. Воно реалізується між усіма зарядженими частинками. Частка-переносник - фотон (g-квант).
3. Слабка взаємодія пов'язана з усіма видами b-розпаду, багато розпади елементарних частинок і взаємодія нейтрино з речовиною. Константа взаємодії порядку 10-13, t ~ 10-10с. Ця взаємодія, як і сильне, є короткодействующим: радіус взаємодії r ~ 10-18м. Частка - переносник - векторний бозон.
4. Гравітаційна взаємодія є універсальним, проте в мікросвіті враховується, оскільки з усіх взаємодій є найслабшим і виявляється тільки при наявності досить великих мас. Його радіус дії не обмежений, в ремя також не обмежена. Обмінний характер гравітаційної взаємодії до цих пір залишається під питанням, оскільки гіпотетична фундаментальна частинка гравітон поки не виявлена.
9. Корпускулярні і хвильові КОНЦЕПЦІЇ СВІТЛА
У другій половині XVII століття були закладені основи фізичної оптики. Ф. Грімальді відкриває явище дифракції світла (огинання світлом перешкод тобто відхилення його від прямолінійного поширення) і висловлює припущення про хвильову природу світла. В опублікованому в 1690 р. "Трактаті про світло" Х. Гюйгенсом був сформований принцип, згідно з яким кожна точка простору, якої досягла в даний момент хвиля, що поширюється, стає джерелом елементарних сферичних хвиль, і на його основі вивів закони відбиття і заломлення світла.
Гюйгенсом було встановлено явище поляризації світла - явище, що відбувається з променем світла при його відображенні, ламанні (особливо при подвійному заломленні) і полягає в тому, що коливальний рух у всіх точках променя відбувається лише в одній площині, що проходить через напрямок променя, тоді як у неполяризованим промені коливання відбуваються в усіх напрямках, перпендикулярно до променя. Гюйгенс, розробивши ідею Грімальді про те, що світло поширюється не тільки прямолінійно із заломленням і відбиттям, а і з розбивкою (дифракція), дав пояснення всім відомим оптичних явищ. Він стверджує, що світлові хвилі поширюються в ефірі, що представляє собою пронизливий всі тіла тонку матерію.
Але що є хвиля? Хвиля обов'язково рухається в якому то носії, в якому і відбуваються періодичні коливання. Але при поширенні хвилі, наприклад, на поверхні води, не відбувається переміщення води у напрямку поширення хвилі - при цьому поверхня води рухається лише вгору і вниз.
Але хвиля при своєму переміщенні передає дію від однієї точки до іншої. Аналогічним чином ситуація з поширенням звукової хвилі, але в цьому випадку хвилі поширюються в просторі в усіх напрямках. Про світлових коливаннях можна судити за непрямими ефектів. Явище інтерференції дає і свідоцтво про хвильову природу світла.
Прикладом інтерференційного ефекту є поява забарвлених смуг або кілець, які є при растекании тонкого шару нафти на поверхні води. Світло в цьому випадку спочатку відбивається від верхньої поверхні плівки, а потім від нижньої. Тому коливання в світловому промені, які відбиваються від нижньої поверхні плівки, відстають від коливань в промені, відбитому від її поверхні, причому це відставання дорівнює відстані, рівному подвоєній товщині плівки. Обидва відображених променя в цьому випадку інтерферують так, що якщо товщина плівки дорівнює чверті довжини хвилі, то другий промінь відстає від першого на половину хвилі. Накладення гребеня хвилі, відбитої від іншої поверхні, дає темряву. Білий світ в результаті інтерференції після відбиття стає пофарбованим.
Ньютон спочатку у своїх доповідях у Лондонському Королівському товаристві і потім у "Оптиці" (опублікованій в 1706 р.) виклав свою концепцію світла. Слідуючи своєму феноменологічного методу, Ньютон експериментально досліджував явище дисперсії (розкладання білого світла за допомогою призми у спектр), заклав основи оптичної спектроскопії: він встановив, що кожному кольору відповідає певна довжина світлової хвилі і визначив їх. Ньютон показав, що кольори створюються не призмою. а є компонентами білого світла. Він бачив слабкість хвильової концепції в тому, що вона виявилася не в змозі пояснити явище дифракції світла - огинання світлом перешкод (це вдасться зробити з позиції хвильової концепції понад століття пізніше Френелю). Ньютон ж явище дифракції пояснював на основі полярності, властивою світлового променя.
Іншим недоліком хвильової концепції було її вимогу допустити існування ефіру-середовища, в якій поширюється світло. Той факт, що рух планет і комет в небесному просторі не зустрічає помітного опору, який обов'язково відбилося б на правильності руху, дозволив Ньютону існування такого середовища піддати сумніву. А якщо відкинути можливість існування такого середовища, то гіпотеза про поширення світла через неї втрачає сенс. (Критикуючи хвильову концепцію світла, що представляє світ у вигляді поширюються в ефірі механічних хвиль, Ньютон не міг ще припустити, що світлові хвилі можуть мати не механічну природу.)
Усунення труднощів, що стоять перед хвильової концепцією світла, Ньютон бачив на шляху розгляду світла як складається з корпускул - своєрідних "малих тіл" (атомів), які можуть взаємодіяти з частинками речовини. Такі тіла, на його думку, проходять через однорідні середовища "без загинання". Важливо відзначити, що, порівнюючи хвильову і корпускулярну концепцію світла, Ньютон не висловлюється беззастережно на користь однієї з них. Його висловлювання багатьма дослідниками його творчості трактуються як своєрідний синтез хвильової і корпускулярних концепцій (що передбачив гіпотезу де Бройля, висловлену в 1924 р.).
Відкриття явище поляризації світла переконувало Ньютона у справедливості корпускулярної концепції світла. Дослідження ж інтерференції приводило його до висновку про наявність своєрідною періодичності у властивості світла.
Послідовники Ньютона представили Ньютона як беззастережного прихильника корпускулярної концепції світла. Авторитет імені Ньютона, таким чином, в даному випадку зіграв негативну роль - затримав розвиток хвильової теорії світла.
10. Елементарні частинки
У відповідності з досягненнями квантової фізики основоположним поняттям сучасного атомізму є поняття елементарної частинки, але їм притаманні такі властивості, які не мали нічого спільного з атомизмом давнини.Розвиток фізики мікросвіту показало невичерпність властивостей елементарних частинок і їх взаємодій. Всі частинки, які мають досить велику енергію, здатні до взаємоперетворення, але при дотриманні ряду законів збереження. Число відомих елементарних частинок постійно зростає і перевищує вже 300 різновидів, включаючи нестійкі резонансні стану. Найважливішим властивістю частки є її маса спокою. За цій властивості частинки поділяються на 4 групи:
1. Легкі частки - лептони (фотон, електрон, позитрон). Фотони не мають маси спокою.
2. Частинки середньої маси - мезони (мю-мезон, пі-мезон).
3. Важкі частки - Ядерна фізика. До них відносяться нуклони - складові частини ядра: протони і нейтрони. Протон - найлегший баріонів.
4. Надважкі - гіперонів. Сталих різновидів небагато:
фотони (кванти електромагнітного випромінювання);
Гравітон (гіпотетичні кванти гравітаційного поля);
електрони;
позитрони (античастинки електронів);
протони і антипротони;
нейтрони;
нейтрино - найзагадковіша з усіх елементарних частинок.
Нейтрино було відкрито в 1956 р., тоді як назва його було дано в 1933 р. Е. Фермі, а гіпотезу про його існування висловив в 1930 р. швейцарський фізик В. Паулі. Нейтрино відіграє велику роль у космічних процесах у всій еволюції матерії у Всесвіті. Час їх життя практично нескінченно. За підрахунками вчених, нейтрино несуть значну частку випромінюваної зірками енергії. Наше Сонце втрачає за рахунок випромінювання нейтрино приблизно 7% енергії, на кожен квадратний сантиметр Землі перпендикулярно сонячним променям щомиті падає приблизно 300 мільйонів нейтрино. Однак вони не реєструються нашими органами чуття і приладами зважаючи на їх слабкої взаємодії з речовиною. Подальша доля цього випромінювання невідома, але, очевидно, нейтрино має знову включитися в круговорот матерії в природі. Швидкість поширення нейтрино дорівнює швидкості світла у вакуумі.
Особливістю елементарних частинок є те, що більшість з них можуть виникати при зіткненні з іншими частками досить високої енергії: протон великої енергії перетворюється в нейтрон з випусканням пі-мезона. При цьому елементарні частинки розпадаються на інші: нейтрон - на електрон, протон і антинейтрино, а нейтральний пі-мезон - на два фотони. Пі-мезони, таким чином, є квантами ядерної поля, що об'єднують нуклони і ядра.
У ході розвитку науки відкриваються все нові властивості елементарних частинок. Взаємна обумовленість властивостей частинок свідчить про складну їх природі, наявності багатогранних зв'язків і відносин. У залежності від специфіки елементарної частки може з'явитися той чи інший вид взаємодії: сильне, електромагнітне, слабке. Сильна взаємодія обумовлюється ядерними силами, воно забезпечує стійкість атомних ядер. Електромагнітні взаємодії, слабкі взаємодії - в процесах розпаду нейтронів, радіоактивних ядер і передбачають участь у цих взаємодіях нейтрино. Слабкі взаємодії в 1010-1012 разів слабкіше сильних. Цей вид взаємодій в даний час досить добре вивчений.
У більшості елементарних частинок є античастинки, що відрізняються протилежними знаками електричних зарядів і магнітних моментів: антипротони, Антинейтрон і т.д. З античастинок можуть бути утворені стійкі атомні ядра і антиречовину, що підкоряється тим же законам руху, що й звичайна речовина. У великих кількостях антиречовину в космосі не виявлено, тому існування «антисвіту», тобто галактик з антиречовини є проблематичним.
Таким чином, з кожним новим відкриттям будова мікросвіту уточнюється і виявляється все більш складним. Чим глибше ми йдемо у нього, тим більше нових властивостей виявляє наука.
Висновок
Наука іде по шляху подальшого пізнавання все нових властивостей невичерпності матеріального світу.
Сучасний атомізм збагачує і конкретизує такі основні категорії, як єдність світу, невичерпність матерії, загальна взаємозв'язок і взаємодія матеріальних об'єктів і т.п.
Як і всі попередні картини Світу, КПКМ являє собою процес подальшого розвитку і поглиблення наших знань про сутність фізичних явищ. Процес становлення і розвитку КПКМ триває і пройшов вже ряд стадій, зокрема:
1) затвердження корпускулярно-хвильових уявлень про матерію;
2) зміна методології пізнання і ставлення до фізичної реальності;
Простір і час. При розгляді МКМ підкреслювалося, що простір і час у ній абсолютні і незалежні один від одного. Для характеристики об'єкта в просторі вводилися три просторові координати (X, Y, Z), а для позначення часу незалежно від них вводилася одна тимчасова координата t. У СТО і ЕМКМ вони втратили абсолютний і незалежний характер. З'явилося нове простір-час як абсолютна характеристика чотиривимірного Світу (просторово-часового континууму Маньківського). І нова величина - просторово-часовий інтервал став залишатися незмінним (інваріантним) при переході від однієї системи відліку до іншої.
Причинність. У МКМ при описі об'єктів використовується два класи понять: просторово-часові, які дають кінематичну картину руху і енергетично імпульсні, які дають динамічну (причинну) картину. У МКМ, ЕМКМ вони незалежні. У КПКМ, відповідно співвідношенням невизначеностей вони не можуть застосовуватися незалежно один від одного, вони доповнюють один одного. Таким чином, простір, час і причинність виявилися відносними і залежними один від одного.
Незалежність простору, часу і причинності в МКМ дозволяє говорити про точну локалізації об'єкта в просторі, його траєкторії, про однозначну причинно-наслідкового зв'язку (лапласовскій детермінізм), про одночасне, точному вимірюванні координат і швидкості, енергії і часу.
У квантовій механіці відносність простору-часу і причинності призводить до невизначеності координат і швидкості в даний момент, до відсутності траєкторії руху мікрооб'єктів. І якщо в класичній фізиці імовірнісним законам підпорядковувалося поводження великої кількості частинок, то в квантовій механіці поведінка кожної частки підпорядковується не динамічним (детерміністськими), а статистичним законам. Таким чином, причинність у сучасній КПКМ має імовірнісний характер (імовірнісна причинність).
Взаємодія. Все різноманіття взаємодій підрозділяється в сучасній фізичній картині світу на 4 типи: сильне, електромагнітну, слабку і гравітаційне. За сучасними уявленнями всі взаємодії мають обмінну природу, тобто реалізуються в результаті обміну фундаментальними частинками - переносниками взаємодій. Кожне з взаємодій характеризується так званої константою взаємодії, що визначає його порівняльну інтенсивність, часом протікання і радіусом дії.
Список літератури
1. Дягілєв Ф.М. Концепції сучасного природознавства. - М.: Изд. ІЕМПЕ, 1998.2. Дубніщева Т.Я.. Концепції сучасного природознавства. Новосибірськ: Изд-во ЮКЕА, 1997.
3. Карпенків С.Х. Концепції сучасного природознавства: короткий курс: навч. посібник для вузів. М.: Вища освіта, 2007 р.
4.Ахундов М.Д. Концепції простору і часу: витоки, еволюція, перспективи. - М. 1982.
5.Савельев І.В. Курс загальної фізики. - М., 1977.
6.Фейнман Р. Характер фізичних законів. - М., 1968.
7.Хорошавіна С. Г. Концепції сучасного природознавства: курс лекцій / Вид. 4-е. - Ростов н / Д: Фенікс, 2005. - 480 с.