ЗМІСТ
\ T "777; 1" ВСТУП. КВАНТОВО-ПОЛЬОВА КАРТИНА СВІТУ .. 3
1 ВИНИКНЕННЯ І розвиток квантової фізики .. 8
1.1 Гіпотеза квантів. 8
1.2 Теорія атома І. Бора. Принцип відповідності. 10
1.3 Створення нерелятивістської квантової механіки. 13
1.4 Проблема інтерпретації квантової механіки. Принцип додатковості 17
1.5 Методологічні установки некласичної фізики. 19
2 РОЗВИТОК ПОГЛЯДІВ НА ПРИРОДУ СВІТЛА. Формула Планка .. 23
3 принцип невизначеності .. 27
4 КОНЦЕПЦІЯ ЦІЛІСНОСТІ у квантовій фізиці. Парадокс Ейнштейна-Подольського-Розена .. 29
ВИСНОВОК. 33
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ .. 34
ВСТУП. КВАНТОВО-ПОЛЬОВА КАРТИНА СВІТУ
Згідно електромагнітної картині світу навколишній світ людини являє собою суцільну середу - поле, яке може мати в різних точках різну температуру, концентрувати різний енергетичний потенціал, по-різному рухатися і т.д. Суцільна середовище може займати значні області простору, її властивості змінюються безперервно, у неї немає різких меж. Цими властивостями полі відрізняється від фізичних тіл, що мають певні і чіткі межі. Розподіл світу на тіла і частки поля, на полі і простір є свідченням існування двох крайніх властивостей світу - дискретності та безперервності. Дискретність (переривчастість) світу означає кінцеву подільність всього просторово-часового будови на окремі обмежені предмети, властивості і форми руху, тоді як безперервність (континуальність) висловлює єдність, цілісність і неподільність об'єкта.
У рамках класичної фізики дискретність і безперервність світу спочатку виступають як протилежні одна одній, окремі і незалежні, хоча в цілому і взаємодоповнюючі властивості. У сучасній фізиці це єдність протилежностей, дискретного і безперервного знайшло своє обгрунтування в концепції корпускулярно-хвильового дуалізму.
В основі сучасної квантово-польової картини світу лежить нова фізична теорія - квантова механіка, що описує стан і рух мікрооб'єктів матеріального світу.
Квантовою механікою називають теорію, що встановлює спосіб опису та закони руху мікрочастинок (елементарних частинок, атомів, молекул, атомних ядер) і їх систем, а також зв'язок величин, що характеризують частки і системи, з фізичними величинами, безпосередньо вимірюваними дослідним шляхом.
Закони квантової механіки складають фундамент вивчення будови речовини. Вони дозволяють з'ясувати будову атомів, встановити природу хімічного зв'язку, пояснити періодичну систему елементів, вивчити властивості елементарних частинок.
Оскільки властивості макроскопічних тіл визначаються рухом і взаємодією частинок, з яких вони складаються, то закони квантової механіки лежать в основі розуміння більшості макроскопічних явищ. Наприклад, квантова механіка дозволила визначити будову і зрозуміти багато властивостей твердих тіл, послідовно пояснити явища феромагнетизму, надплинності, надпровідності, зрозуміти природу астрофізичних об'єктів - білих карликів, нейтронних зірок, з'ясувати механізм протікання термоядерних реакцій на Сонце і зірки.
Розробка квантової механіки відноситься до початку XX ст., Коли були виявлені фізичні явища, що свідчать про незастосовність механіки Ньютона і класичної електродинаміки до процесів взаємодії світла з речовиною і процесів, що відбуваються в атомі. Встановлення зв'язку між цими групами явищ і спроби пояснити їх на основі теорії привели до відкриття законів квантової механіки.
Вперше в науці уявлення про квант висловив в 1900 р. М. Планк в процесі дослідження теплового випромінювання тіл. Своїми дослідженнями він продемонстрував, що випромінювання енергії відбувається дискретно, певними порціями - квантами, енергія яких залежить від частоти світлової хвилі. Експерименти Планка призвели до визнання двоїстого характеру світла, який має одночасно і корпускулярним, і хвильовими властивостями, являючи собою, таким чином, діалектичне єдність цих протилежностей. Діалектика, зокрема, виражається в тому, що чим коротше довжина хвилі випромінювання, тим яскравіше проявляються квантові властивості; чим більше довжина хвилі, тим яскравіше проявляються хвильові властивості світла.
У 1924 р. французький фізик Л. де Бройль висунув гіпотезу, що корпускулярно-хвильовий дуалізм має універсальний характер, тобто всі частинки речовини мають хвильовими властивостями. Пізніше ця ідея була підтверджена експериментально, і принцип корпускулярно-хвильового дуалізму був поширений на всі процеси руху і взаємодії у мікросвіті.
Зокрема, Н. Бор застосував ідею квантування енергії до теорії будови атома. Згідно з його уявленням в центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, в якому зосереджена майже вся маса атома, а навколо ядра обертаються по орбітах негативно заряджені електрони. Обертові електрони повинні втрачати частину своєї енергії, що тягне за собою нестабільне існування атомів. Однак на практиці атоми не тільки існують, але і є дуже стійкими. Пояснюючи це питання, Бор припустив, що електрон, здійснюючи рух по своїй орбіті, не випускає квантів. Випромінювання відбувається лише при переході електрона з однієї орбіти на іншу, тобто з одного рівня енергії на інший, з меншою енергією. У момент переходу і народжується квант випромінювання.
Відповідно до квантово-польової картиною світу будь-мікрооб'єкт, володіючи хвильовими і корпускулярним властивостями, не має певної траєкторії руху і не може мати певних координат і швидкості (імпульсу). Це можна зробити тільки через визначення хвильової функції в даний момент, а потім знайти його хвильову функцію в будь-який інший момент. Квадрат модуля дає ймовірність знаходження частинки в даній точці простору.
Крім того, відносність простору-часу в цій картині світу 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 мікрочастинки підпорядковується не динамічним, а статистичним законам.
Таким чином, матерія дволикий: вона володіє і корпускулярними, і хвильовими властивостями, які проявляються в залежності від умов. Звідси загальна картина реальності в квантово-польової картині світу стає як би двупланово: з одного боку, в неї входять характеристики досліджуваного об'єкта, а з іншого - умови спостереження, від яких залежить визначеність цих характеристик. Це означає, що картина реальності в сучасній фізиці є не тільки картиною об'єкта, але і картиною процесу його пізнання.
Отже, пішли в минуле уявлення про незмінність матерії і можливості досягти кінцевого межі її подільності. Сьогодні ми розглядаємо матерію з точки зору корпускулярно-хвильового дуалізму. Однією з основних особливостей елементарних частинок є їх універсальна взаімопревращаемость і взаємозалежність. У сучасній фізиці основним матеріальним об'єктом є квантове поле, перехід його з одного стану в інший змінює число частинок.
Кардинально змінюється уявлення про рух, що стає лише окремим випадком фундаментальних фізичних взаємодій. Відомо чотири види фундаментальних фізичних взаємодій: гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка. Всі вони описуються на основі сучасного принципу блізкодействія. Відповідно до нього взаємодія кожного типу передається відповідним полем від точки до точки. При цьому швидкість передачі взаємодії завжди скінченна і не може перевищувати швидкість світла у вакуумі (300 000 км / с).
Остаточно затверджуються подання про відносність простору і часу, їх залежності від матерії. Простір і час перестають бути незалежними один від одного і відповідно до теорії відносності зливаються в єдиному чотиривимірному просторі-часі, який не існує поза матеріальних тіл.
Специфікою квантово-польових уявлень про закономірності і причинності є те, що вони завжди виступають у ймовірнісної формі, у вигляді так званих статистичних законів. Вони відповідають більш глибокому рівню пізнання природних закономірностей. Таким чином, виявилося, що в основі нашого світу лежить випадковість, ймовірність.
Також нова картина світу вперше включила в себе спостерігача, від присутності якого залежали одержувані результати досліджень. Більш того, було сформульоване так званий антропний принцип, який стверджує, що наш світ такий, яким він є, тільки завдяки існуванню людини. Відтепер поява людини вважається закономірним результатом еволюції Всесвіту.
1. ВИНИКНЕННЯ І розвиток квантової фізики
1.1 Гіпотеза квантів
Витоки квантової фізики можна знайти в дослідженнях процесів випромінювання тел. Ще в 1809 р. П. Прево зробив висновок, що кожне тіло випромінює незалежно від навколишнього середовища. Розвиток спектроскопії в XIX ст. призвело до того, що при вивченні спектрів випромінювання починають звертати увагу і на спектри поглинання. При цьому з'ясовується, що між випромінюванням і поглинанням тіла існує простий зв'язок: у спектрах поглинання відсутні або послаблюються ті ділянки спектру, які випускаються даним тілом. Цей закон отримав пояснення лише в квантовій теорії.
Г. Кірхгоф в 1860 р. сформулював новий закон, який свідчить, що для випромінювання однієї і тієї ж довжини хвилі при одній і тій же температурі ставлення іспускательной і поглощательной здібностей для всіх тіл однаково. Іншими словами, якщо ЕλТ і АλТ - відповідно іспускательной і поглощательная здатності тіла, що залежать від довжини хвилі λ і температури Т-то
де φ (λ, Т) - деяка універсальна функція λ і Т, однакова для всіх тіл.
Кірхгоф ввів поняття абсолютно чорного тіла як тіла, що поглинає всі падаючі на нього промені. Для такого тіла, очевидно, АλТ = 1; тоді універсальна функція φ (λ, Т) дорівнює іспускательной здатності абсолютно чорного тіла. Сам Кірхгоф не визначив вид функції φ (λ, Т), а лише відзначив деякі її властивості.
При визначенні виду універсальної функції φ (λ, Т) природно було припустити, що можна скористатися теоретичними міркуваннями, насамперед основними законами термодинаміки. Л. Больцман показав, що повна енергія випромінювання абсолютно чорного тіла пропорційна четвертого ступеня його температури. Проте завдання конкретного визначення виду функції Кірхгофа виявилася досить важкою, і дослідження в цьому напрямку, засновані на термодинаміці і оптиці, не привели до успіху.
Досвід давав картину, не зрозумілу з точки зору класичних вистав: при термодинамічній рівновазі між хитаються атомами речовини і електромагнітним випромінюванням майже вся енергія зосереджена в тих, хто вагається атомах і лише незначна частина її доводиться на частку випромінювання, тоді як згідно з класичною теорії практично вся енергія повинна була б перейти до електромагнітного поля.
У 80-і рр.. XIX ст. емпіричні дослідження закономірностей розподілу спектральних ліній і вивчення функції φ (λ, Т) стали більш інтенсивними і систематичними. Була вдосконалена експериментальна апаратура. Для енергії випромінювання абсолютно чорного тіла В. Віном в 1896 р., Дж. Релея і Дж. Джинси в 1900 р. було запропоновано дві різні формули. Як показали експериментальні результати, формула Вина асимптотично вірна в області коротких хвиль і дає різкі розбіжності з досвідом в області довгих хвиль, а формула Релея - Джинса асимптотично правильна для довгих хвиль, але не може бути застосована для коротких.
У 1900 р. на засіданні Берлінського фізичного товариства М. Планк запропонував нову формулу для розподілу енергії в спектрі сірчаного тіла. Ця формула давала повну відповідність з досвідом, але її фізичний зміст був не цілком зрозумілий. Додатковий аналіз показав, що вона має сенс тільки в тому випадку, якщо опустити, що випромінювання енергії відбувається не безперервно, а прерозподіл порціями - квантами (ε). Більш того, ε не є будь-який величиною, а саме, ε = hν, де h - певна константа, av - частота світла. Це вело до визнання нарівні з атомизмом речовини атомізму енергії або дії, дискретного, квантового характеру випромінювання, що не вкладалося в рамки уявлень класичної фізики.
Формулювання гіпотези квантів енергії була початком нової ери в розвитку теоретичної фізики. З великим успіхом цю гіпотезу почали застосовувати для пояснення інших явищ, які не піддавалися опису на основі уявлень класичної фізики.
Істотно новим кроком у розвитку квантової гіпотези було ведення поняття квантів світла. Ця ідея була розроблена в 1905 р. Ейнштейном і використана ним для пояснення фотоефекту. У цілому ряді досліджень було отримано підтвердження істинності цієї ідеї. У 1909 р. Ейнштейн, продовжуючи дослідження законів випромінювання, показує, що світло має одночасно і хвильовими, і корпускулярним властивостями. Ставало дедалі очевидніше, що корпускулярно-хвильовий дуалізм світлового випромінювання не можна пояснити з позицій класичної фізики. У 1912 р. А. Пуанкаре остаточно довів несумісність формули Планка і класичної механіки. Були потрібні нові поняття, нові уявлення і новий науковий мову, для того щоб фізики могли осмислити ці незвичайні явища. Все це з'явилося пізніше - разом зі створенням і розвитком квантової механіки.
1.2 Теорія атома Н. Бора. Принцип відповідності
У світлі тих видатних відкриттів кінця XIX ст., Які революціонізували фізику, однією з ключових стала проблема будови атомів. Ще в 1889 р. у своїй Фарадеевской лекції Д.І. Менделєєв зазначав, що в результаті виявлення специфічної періодичності хімічних властивостей елементів, розташованих по зростаючим атомним вагам, центральною проблемою фізики стає проблема будови атома.
У 1909-1910 рр.. Е. Резерфордом були проведені експериментальні дослідження розсіювання α-частинок тонким шаром речовини. Як показали ці дослідження, більшість α-частинок, які пронизують тонкий шар речовини, розсіюються силовими центрами, які діють на них із силою, назад пропорційної квадрату відстані. Деякі порівняно деякі частинки відхилялися на кут 90 ° і більше; мабуть, вони зустрілися з дуже сильними електричними полями. Результати цього дослідження дозволили Резерфорду в 1911 р. сформулювати планетарну модель атома. За моделлю Резерфорда, атом складається з позитивного ядра набагато менших розмірів, ніж атом, - близько 10-13 см. Навколо ядра обертаються електрони. Загальний заряд атома дорівнює нулю, тому заряд ядра за абсолютною величиною дорівнює nе, де n - число електронів в атомі, е - заряд електрона. Резерфорд вважав також, що число електронів в атомі повинне бути дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі Менделєєва. Але модель Резерфорда не пояснювала багатьох виявлених на той час закономірностей випромінювання атомів, вид атомних спектрів та ін
Більш досконалу квантову модель атома запропонував у 1913 р. молодий датський фізик Н. Бор, який працював в лабораторії Резерфорда. Бор зрозумів, що для побудови теорії, яка пояснювала б і результати дослідів з розсіювання α-частинок, і стійкість атома, і серіальні закономірності, і ряд інших експериментальних даних, потрібно відмовитися від низки принципів класичної фізики. Бор взяв за основу модель атома Резерфорда і доповнив її новими гіпотезами, які не дотримуються або навіть суперечать класичним уявленням. Ці гіпотези відомі як постулати Бора. Вони зводяться до наступного.
1. Кожен електрон в атомі може здійснювати стійке орбітальний рух по певній орбіті, з певним значенням енергії, не випускаючи і не поглинаючи електромагнітного випромінювання. У цих станах атомні системи мають енергіями, які утворюють дискретний ряд: Е1, Е2, ..., EN. Стани ці характеризується своєю стійкістю. Будь-яке зміна енергії в результаті поглинання або випускання електромагнітного випромінювання може відбуватися тільки стрибком з одного стану в інший.
2. Електрон здатний переходити з однієї стаціонарної орбіти на іншу. Тільки в цьому випадку він випускає або поглинає певну порцію енергії монохроматичного випромінювання певної частоти. Ця частота залежить від рівня зміни енергії атома при такому переході. Якщо при переході електрона з орбіти на орбіту енергія атома змінюється від еm до ЕN, то що випускається або поглинається частота визначається умовою
\ T "777; 1" ВСТУП. КВАНТОВО-ПОЛЬОВА КАРТИНА СВІТУ .. 3
1 ВИНИКНЕННЯ І розвиток квантової фізики .. 8
1.1 Гіпотеза квантів. 8
1.2 Теорія атома І. Бора. Принцип відповідності. 10
1.3 Створення нерелятивістської квантової механіки. 13
1.4 Проблема інтерпретації квантової механіки. Принцип додатковості 17
1.5 Методологічні установки некласичної фізики. 19
2 РОЗВИТОК ПОГЛЯДІВ НА ПРИРОДУ СВІТЛА. Формула Планка .. 23
3 принцип невизначеності .. 27
4 КОНЦЕПЦІЯ ЦІЛІСНОСТІ у квантовій фізиці. Парадокс Ейнштейна-Подольського-Розена .. 29
ВИСНОВОК. 33
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ .. 34
ВСТУП. КВАНТОВО-ПОЛЬОВА КАРТИНА СВІТУ
Згідно електромагнітної картині світу навколишній світ людини являє собою суцільну середу - поле, яке може мати в різних точках різну температуру, концентрувати різний енергетичний потенціал, по-різному рухатися і т.д. Суцільна середовище може займати значні області простору, її властивості змінюються безперервно, у неї немає різких меж. Цими властивостями полі відрізняється від фізичних тіл, що мають певні і чіткі межі. Розподіл світу на тіла і частки поля, на полі і простір є свідченням існування двох крайніх властивостей світу - дискретності та безперервності. Дискретність (переривчастість) світу означає кінцеву подільність всього просторово-часового будови на окремі обмежені предмети, властивості і форми руху, тоді як безперервність (континуальність) висловлює єдність, цілісність і неподільність об'єкта.
У рамках класичної фізики дискретність і безперервність світу спочатку виступають як протилежні одна одній, окремі і незалежні, хоча в цілому і взаємодоповнюючі властивості. У сучасній фізиці це єдність протилежностей, дискретного і безперервного знайшло своє обгрунтування в концепції корпускулярно-хвильового дуалізму.
В основі сучасної квантово-польової картини світу лежить нова фізична теорія - квантова механіка, що описує стан і рух мікрооб'єктів матеріального світу.
Квантовою механікою називають теорію, що встановлює спосіб опису та закони руху мікрочастинок (елементарних частинок, атомів, молекул, атомних ядер) і їх систем, а також зв'язок величин, що характеризують частки і системи, з фізичними величинами, безпосередньо вимірюваними дослідним шляхом.
Закони квантової механіки складають фундамент вивчення будови речовини. Вони дозволяють з'ясувати будову атомів, встановити природу хімічного зв'язку, пояснити періодичну систему елементів, вивчити властивості елементарних частинок.
Оскільки властивості макроскопічних тіл визначаються рухом і взаємодією частинок, з яких вони складаються, то закони квантової механіки лежать в основі розуміння більшості макроскопічних явищ. Наприклад, квантова механіка дозволила визначити будову і зрозуміти багато властивостей твердих тіл, послідовно пояснити явища феромагнетизму, надплинності, надпровідності, зрозуміти природу астрофізичних об'єктів - білих карликів, нейтронних зірок, з'ясувати механізм протікання термоядерних реакцій на Сонце і зірки.
Розробка квантової механіки відноситься до початку XX ст., Коли були виявлені фізичні явища, що свідчать про незастосовність механіки Ньютона і класичної електродинаміки до процесів взаємодії світла з речовиною і процесів, що відбуваються в атомі. Встановлення зв'язку між цими групами явищ і спроби пояснити їх на основі теорії привели до відкриття законів квантової механіки.
Вперше в науці уявлення про квант висловив в 1900 р. М. Планк в процесі дослідження теплового випромінювання тіл. Своїми дослідженнями він продемонстрував, що випромінювання енергії відбувається дискретно, певними порціями - квантами, енергія яких залежить від частоти світлової хвилі. Експерименти Планка призвели до визнання двоїстого характеру світла, який має одночасно і корпускулярним, і хвильовими властивостями, являючи собою, таким чином, діалектичне єдність цих протилежностей. Діалектика, зокрема, виражається в тому, що чим коротше довжина хвилі випромінювання, тим яскравіше проявляються квантові властивості; чим більше довжина хвилі, тим яскравіше проявляються хвильові властивості світла.
У 1924 р. французький фізик Л. де Бройль висунув гіпотезу, що корпускулярно-хвильовий дуалізм має універсальний характер, тобто всі частинки речовини мають хвильовими властивостями. Пізніше ця ідея була підтверджена експериментально, і принцип корпускулярно-хвильового дуалізму був поширений на всі процеси руху і взаємодії у мікросвіті.
Зокрема, Н. Бор застосував ідею квантування енергії до теорії будови атома. Згідно з його уявленням в центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, в якому зосереджена майже вся маса атома, а навколо ядра обертаються по орбітах негативно заряджені електрони. Обертові електрони повинні втрачати частину своєї енергії, що тягне за собою нестабільне існування атомів. Однак на практиці атоми не тільки існують, але і є дуже стійкими. Пояснюючи це питання, Бор припустив, що електрон, здійснюючи рух по своїй орбіті, не випускає квантів. Випромінювання відбувається лише при переході електрона з однієї орбіти на іншу, тобто з одного рівня енергії на інший, з меншою енергією. У момент переходу і народжується квант випромінювання.
Відповідно до квантово-польової картиною світу будь-мікрооб'єкт, володіючи хвильовими і корпускулярним властивостями, не має певної траєкторії руху і не може мати певних координат і швидкості (імпульсу). Це можна зробити тільки через визначення хвильової функції в даний момент, а потім знайти його хвильову функцію в будь-який інший момент. Квадрат модуля дає ймовірність знаходження частинки в даній точці простору.
Крім того, відносність простору-часу в цій картині світу 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 мікрочастинки підпорядковується не динамічним, а статистичним законам.
Таким чином, матерія дволикий: вона володіє і корпускулярними, і хвильовими властивостями, які проявляються в залежності від умов. Звідси загальна картина реальності в квантово-польової картині світу стає як би двупланово: з одного боку, в неї входять характеристики досліджуваного об'єкта, а з іншого - умови спостереження, від яких залежить визначеність цих характеристик. Це означає, що картина реальності в сучасній фізиці є не тільки картиною об'єкта, але і картиною процесу його пізнання.
Отже, пішли в минуле уявлення про незмінність матерії і можливості досягти кінцевого межі її подільності. Сьогодні ми розглядаємо матерію з точки зору корпускулярно-хвильового дуалізму. Однією з основних особливостей елементарних частинок є їх універсальна взаімопревращаемость і взаємозалежність. У сучасній фізиці основним матеріальним об'єктом є квантове поле, перехід його з одного стану в інший змінює число частинок.
Кардинально змінюється уявлення про рух, що стає лише окремим випадком фундаментальних фізичних взаємодій. Відомо чотири види фундаментальних фізичних взаємодій: гравітаційна, електромагнітна, сильна і слабка. Всі вони описуються на основі сучасного принципу блізкодействія. Відповідно до нього взаємодія кожного типу передається відповідним полем від точки до точки. При цьому швидкість передачі взаємодії завжди скінченна і не може перевищувати швидкість світла у вакуумі (300 000 км / с).
Остаточно затверджуються подання про відносність простору і часу, їх залежності від матерії. Простір і час перестають бути незалежними один від одного і відповідно до теорії відносності зливаються в єдиному чотиривимірному просторі-часі, який не існує поза матеріальних тіл.
Специфікою квантово-польових уявлень про закономірності і причинності є те, що вони завжди виступають у ймовірнісної формі, у вигляді так званих статистичних законів. Вони відповідають більш глибокому рівню пізнання природних закономірностей. Таким чином, виявилося, що в основі нашого світу лежить випадковість, ймовірність.
Також нова картина світу вперше включила в себе спостерігача, від присутності якого залежали одержувані результати досліджень. Більш того, було сформульоване так званий антропний принцип, який стверджує, що наш світ такий, яким він є, тільки завдяки існуванню людини. Відтепер поява людини вважається закономірним результатом еволюції Всесвіту.
1. ВИНИКНЕННЯ І розвиток квантової фізики
1.1 Гіпотеза квантів
Витоки квантової фізики можна знайти в дослідженнях процесів випромінювання тел. Ще в 1809 р. П. Прево зробив висновок, що кожне тіло випромінює незалежно від навколишнього середовища. Розвиток спектроскопії в XIX ст. призвело до того, що при вивченні спектрів випромінювання починають звертати увагу і на спектри поглинання. При цьому з'ясовується, що між випромінюванням і поглинанням тіла існує простий зв'язок: у спектрах поглинання відсутні або послаблюються ті ділянки спектру, які випускаються даним тілом. Цей закон отримав пояснення лише в квантовій теорії.
Г. Кірхгоф в 1860 р. сформулював новий закон, який свідчить, що для випромінювання однієї і тієї ж довжини хвилі при одній і тій же температурі ставлення іспускательной і поглощательной здібностей для всіх тіл однаково. Іншими словами, якщо ЕλТ і АλТ - відповідно іспускательной і поглощательная здатності тіла, що залежать від довжини хвилі λ і температури Т-то
де φ (λ, Т) - деяка універсальна функція λ і Т, однакова для всіх тіл.
Кірхгоф ввів поняття абсолютно чорного тіла як тіла, що поглинає всі падаючі на нього промені. Для такого тіла, очевидно, АλТ = 1; тоді універсальна функція φ (λ, Т) дорівнює іспускательной здатності абсолютно чорного тіла. Сам Кірхгоф не визначив вид функції φ (λ, Т), а лише відзначив деякі її властивості.
При визначенні виду універсальної функції φ (λ, Т) природно було припустити, що можна скористатися теоретичними міркуваннями, насамперед основними законами термодинаміки. Л. Больцман показав, що повна енергія випромінювання абсолютно чорного тіла пропорційна четвертого ступеня його температури. Проте завдання конкретного визначення виду функції Кірхгофа виявилася досить важкою, і дослідження в цьому напрямку, засновані на термодинаміці і оптиці, не привели до успіху.
Досвід давав картину, не зрозумілу з точки зору класичних вистав: при термодинамічній рівновазі між хитаються атомами речовини і електромагнітним випромінюванням майже вся енергія зосереджена в тих, хто вагається атомах і лише незначна частина її доводиться на частку випромінювання, тоді як згідно з класичною теорії практично вся енергія повинна була б перейти до електромагнітного поля.
У 80-і рр.. XIX ст. емпіричні дослідження закономірностей розподілу спектральних ліній і вивчення функції φ (λ, Т) стали більш інтенсивними і систематичними. Була вдосконалена експериментальна апаратура. Для енергії випромінювання абсолютно чорного тіла В. Віном в 1896 р., Дж. Релея і Дж. Джинси в 1900 р. було запропоновано дві різні формули. Як показали експериментальні результати, формула Вина асимптотично вірна в області коротких хвиль і дає різкі розбіжності з досвідом в області довгих хвиль, а формула Релея - Джинса асимптотично правильна для довгих хвиль, але не може бути застосована для коротких.
У 1900 р. на засіданні Берлінського фізичного товариства М. Планк запропонував нову формулу для розподілу енергії в спектрі сірчаного тіла. Ця формула давала повну відповідність з досвідом, але її фізичний зміст був не цілком зрозумілий. Додатковий аналіз показав, що вона має сенс тільки в тому випадку, якщо опустити, що випромінювання енергії відбувається не безперервно, а прерозподіл порціями - квантами (ε). Більш того, ε не є будь-який величиною, а саме, ε = hν, де h - певна константа, av - частота світла. Це вело до визнання нарівні з атомизмом речовини атомізму енергії або дії, дискретного, квантового характеру випромінювання, що не вкладалося в рамки уявлень класичної фізики.
Формулювання гіпотези квантів енергії була початком нової ери в розвитку теоретичної фізики. З великим успіхом цю гіпотезу почали застосовувати для пояснення інших явищ, які не піддавалися опису на основі уявлень класичної фізики.
Істотно новим кроком у розвитку квантової гіпотези було ведення поняття квантів світла. Ця ідея була розроблена в 1905 р. Ейнштейном і використана ним для пояснення фотоефекту. У цілому ряді досліджень було отримано підтвердження істинності цієї ідеї. У 1909 р. Ейнштейн, продовжуючи дослідження законів випромінювання, показує, що світло має одночасно і хвильовими, і корпускулярним властивостями. Ставало дедалі очевидніше, що корпускулярно-хвильовий дуалізм світлового випромінювання не можна пояснити з позицій класичної фізики. У 1912 р. А. Пуанкаре остаточно довів несумісність формули Планка і класичної механіки. Були потрібні нові поняття, нові уявлення і новий науковий мову, для того щоб фізики могли осмислити ці незвичайні явища. Все це з'явилося пізніше - разом зі створенням і розвитком квантової механіки.
1.2 Теорія атома Н. Бора. Принцип відповідності
У світлі тих видатних відкриттів кінця XIX ст., Які революціонізували фізику, однією з ключових стала проблема будови атомів. Ще в 1889 р. у своїй Фарадеевской лекції Д.І. Менделєєв зазначав, що в результаті виявлення специфічної періодичності хімічних властивостей елементів, розташованих по зростаючим атомним вагам, центральною проблемою фізики стає проблема будови атома.
У 1909-1910 рр.. Е. Резерфордом були проведені експериментальні дослідження розсіювання α-частинок тонким шаром речовини. Як показали ці дослідження, більшість α-частинок, які пронизують тонкий шар речовини, розсіюються силовими центрами, які діють на них із силою, назад пропорційної квадрату відстані. Деякі порівняно деякі частинки відхилялися на кут 90 ° і більше; мабуть, вони зустрілися з дуже сильними електричними полями. Результати цього дослідження дозволили Резерфорду в 1911 р. сформулювати планетарну модель атома. За моделлю Резерфорда, атом складається з позитивного ядра набагато менших розмірів, ніж атом, - близько 10-13 см. Навколо ядра обертаються електрони. Загальний заряд атома дорівнює нулю, тому заряд ядра за абсолютною величиною дорівнює nе, де n - число електронів в атомі, е - заряд електрона. Резерфорд вважав також, що число електронів в атомі повинне бути дорівнює порядковому номеру елемента в періодичній системі Менделєєва. Але модель Резерфорда не пояснювала багатьох виявлених на той час закономірностей випромінювання атомів, вид атомних спектрів та ін
Більш досконалу квантову модель атома запропонував у 1913 р. молодий датський фізик Н. Бор, який працював в лабораторії Резерфорда. Бор зрозумів, що для побудови теорії, яка пояснювала б і результати дослідів з розсіювання α-частинок, і стійкість атома, і серіальні закономірності, і ряд інших експериментальних даних, потрібно відмовитися від низки принципів класичної фізики. Бор взяв за основу модель атома Резерфорда і доповнив її новими гіпотезами, які не дотримуються або навіть суперечать класичним уявленням. Ці гіпотези відомі як постулати Бора. Вони зводяться до наступного.
1. Кожен електрон в атомі може здійснювати стійке орбітальний рух по певній орбіті, з певним значенням енергії, не випускаючи і не поглинаючи електромагнітного випромінювання. У цих станах атомні системи мають енергіями, які утворюють дискретний ряд: Е1, Е2, ..., EN. Стани ці характеризується своєю стійкістю. Будь-яке зміна енергії в результаті поглинання або випускання електромагнітного випромінювання може відбуватися тільки стрибком з одного стану в інший.
2. Електрон здатний переходити з однієї стаціонарної орбіти на іншу. Тільки в цьому випадку він випускає або поглинає певну порцію енергії монохроматичного випромінювання певної частоти. Ця частота залежить від рівня зміни енергії атома при такому переході. Якщо при переході електрона з орбіти на орбіту енергія атома змінюється від еm до ЕN, то що випускається або поглинається частота визначається умовою
Ці постулати Бор використовував для розрахунку найпростішого атома (водню), розглядаючи спочатку найбільш просту його модель: нерухоме ядро, навколо якого по круговій орбіті обертається електрон. Пояснення спектра водню було великим успіхом теорії Бора.
Квантові постулати Бора були лише першим кроком у створенні теорії атома, тому довелося скористатися наступним прийомом: спочатку завдання вирішувалося за допомогою класичної механіки (завідомо непридатною повністю до внутрішньоатомних рухів), а потім з усього безперервного безлічі станів руху, до яких призводить класична механіка, на основі квантових постулатів відбиралися квантові стани. Незважаючи на всю недосконалість цього методу, він призвів до великих успіхів - дозволив пояснити складні закономірності в атомних і молекулярних спектрах, осмислити природу хімічних взаємодій та ін Такий підхід, по суті, є окремим випадком загального принципу, що грає важливу роль в сучасній теоретичній фізиці - принципу відповідності, який свідчить, що будь-яка некласична теорія у відповідному граничному випадку переходить у класичну.
Важливим досягненням Бора та інших дослідників було розвиток уявлення про будову багатоелектронних атомів. Вжиті кроки у розвитку теорії будови більш складних (ніж водень) атомів і поясненні структури їх спектрів принесли деякі успіхи, однак тут дослідники зіткнулися з великими труднощами. Введення чотирьох квантових чисел, що характеризують стану електрона в атомі, встановлення принципу Паулі (згідно з яким дві тотожний частинки з напівцілим спіном не можуть одночасно перебувати в одному стані) і пояснення періодичної системи Менделєєва - великі успіхи теорії атома Бора. Однак вони не означали, що цю теорію можна вважати завершеною. По-перше, постулати Бора і багато принципів його теорії мали характер незрозумілих, ні звідки не які належать їм за тверджень, які ще мають отримати своє обгрунтування. По-друге, в деяких навіть досить простих випадках застосування даної теорії зустрічало непереборні труднощі; так, наприклад, спроби теоретично розрахувати навіть такий, здавалося б, простий атом, як атом гелію, не привели до успіху. Фізики ясно розуміли незадовільність борівської теорії атома.
Таким чином, у першій чверті XX ст. перед фізикою все ще стояло завдання пошуку нових шляхів розвитку теорії атомних явищ. Її рішення також вимагало відмови від ряду давно встановлених понять і вироблення абсолютно нових теоретичних уявлень і принципів.
1.3 Створення нерелятивістської квантової механіки
Такі нові уявлення та принципи були створені плеядою видатних фізиків XX ст. в 1925-1927 рр..: В. Гейзенберг встановив основи так званої матричної механіки; Л. де Бройль, а за ним Е. Шредінгер розробили хвильову механіку. Незабаром з'ясувалося, що і матрична механіка, і хвильова механіка - різні форми єдиної теорії, що отримала назву квантової механіки.
До створення матричної механіки В. Гейзенберг прийшов в результаті досліджень спектральних закономірностей, а також теорії дисперсії, де атом уявлявся деякої символічної математичної моделлю - як сукупність віртуальних гармонійних осциляторів. Уявлення про атом як про систему, що складається з ядра і що обертаються довкола нього електронів, які володіють певною масою, рухаються з певною швидкістю по певній орбіті, потрібно розуміти лише як аналогію для встановлення математичної моделі. Зазначений метод дослідження і розвинув Гейзенберг, поширивши його взагалі на теорію атомних явищ.
У 1926 р. Гейзенберг вперше висловив основні положення квантової механіки в матричній формі. Теорія атомних явищ, по Гейзенбергу, повинна обмежуватися встановленням співвідношень між величинами, які безпосередньо вимірюються в експериментальних дослідженнях («спостережуваними» величинами, в термінології Гейзенберга) - частотою випромінювання спектральних ліній, їх інтенсивністю, поляризацією і т.п. «Неспостережний» величини, такі, як координати електрона, його швидкість, траєкторія, по якій він рухається, і т.д., не слід використовувати в теорії атома.
Однак у згоді з принципом відповідності нова теорія должнa певним чином відповідати класичним теоріям, тобто співвідношення величин нової теорії повинні бути аналогічними співвідношенням класичних величин. При цьому кожній класичної величиною потрібно знайти відповідну їй квантову величину і, користуючись класичними співвідношеннями, скласти відповідні їм співвідношення між знайденими квантовими величинами. Такі відповідності можуть бути отримані тільки з операцій вимірювання.
Аналізуючи закономірності вимірювання величин в квантовій механіці, Гейзенберг приходить до важливого принциповому результату про неможливість одночасного точного вимірювання двох канонічно спряжених величин і встановлює так зване співвідношення невизначеностей
де Δqi-точність вимірювання будь-якої з координат частинки; Δpi - точність одночасного вимірювання відповідної імпульсу; h-стала Планка.
Цей принцип є основою фізичної інтерпретації квантової механіки.
Другий напрямок у створенні квантової механіки спочатку розвивалося в роботах Л. де Бройля. Він висловив ідею про хвильову природу матеріальних частинок. На підставі вже встановленого факту одночасно і корпускулярної, і хвильової природи світла, а також оптико-механічної аналогії де Бройль прийшов до ідеї про існування хвильових властивостей будь-яких частинок матерії.
На перші роботи де Бройля, в яких висловлювалася ідея хвиль, пов'язаних з матеріальними частками, не звернули серйозної уваги. Де Бройль згодом писав, що висловлені ним ідеї були прийняті з «подивом, до якого безсумнівно домішувалася якась частка скептицизму». Але не всі скептично поставилися до ідей де Бройля. Особливо сильний вплив ідеї де Бройля надали на Е. Шредінгера, який побачив у них основу для створення нової теорії квантових процесів. У 1926 р. Шредінгер, розвиваючи ідеї де Бройля, побудував так звану хвильову механіку.
Шредінгер приходить до думки, що квантові процеси слід розуміти як певні хвильові процеси, що характеризуються хвильової функцією Ψ. Тоді образ матеріальної точки, що займає певне місце в просторі, строго кажучи, є наближеним і може бути збережено тільки при розгляді макропроцесів, подібно до того як ми користуємося поданням про світловий промінь, що втрачає сенс, якщо розглядати явища дифракції й інтерференції. Функція Ψ повинна задовольняти хвильовому рівнянню («рівняння Шредінгера»). Шредінгер поставив питання про зв'язок його теорії з теорією Гейзенберга і показав, що при всій відмінності вихідних фізичних положень вони математично еквівалентні.
Інакше кажучи, у квантовій механіці різниця між полем і системою частинок зникає. Так, наприклад, електрон, що обертається навколо ядра, можна представити як хвилю, довжина якої залежить від її швидкості. Там, де укладається ціле число довжин хвиль електрона, хвилі складаються і утворюють Борівський дозволені орбіти. А там, де ціле число довжин хвиль не вкладається, гребені хвиль компенсують западини, там орбіти не будуть дозволені.
Хвильова механіка отримала пряме експериментальне підтвердження в 1927р., Коли К-Дж. Девіссон і П. Джермер виявили явище дифракції електронів. Крім того, з'ясувалося, що правильно і кількісне співвідношення для довжин «хвиль де Бройля».
Квантова механіка - теоретична основа сучасної хімії. Ядро атома з порядковим номером N і масовим числом М містить N протонів і (М-N) нейтронів (всього М нуклонів). Число електронів оболонок дорівнює числу протонів у ядрі, тому в нормальному стані атом нейтральний. Електрони розподіляються на оболонках у строгому порядку: на першій до ядра не більше 2 електронів; на другий - не більше 8; на третьому - не більше 18 і т.д. Коли два атоми стикаються, вони або об'єднуються разом, обобществляя свої оболонки, або знову розходяться після перерозподілу електронів. Число електронів на зовнішній оболонці і визначає хімічну активність елемента.
За допомогою квантової теорії вдалося побудувати також більш досконалі теорії твердого тіла, електричної провідності, термоелектричних явищ і т.д. Вона дала підстави для побудови теорії радіоактивного розпаду, а в подальшому стала базою для ядерної фізики.
Слідом за основними роботами Шредінгера з хвильової механіки були зроблені перші спроби релятивістського узагальнення квантово-механічних закономірностей, і вже в 1928 р. П. Дірак заклав основи релятивістської квантової механіки.
1.4 Проблема інтерпретації квантової механіки. Принцип додатковості
Створений групою фізиків в 1925-1927 рр.. формальний математичний апарат квантової механіки переконливо продемонстрував свої широкі можливості за кількісним охопленням значного емпіричного матеріалу; не залишалося сумнівів, що квантова механіка придатна для опису певного кола явищ. Разом з тим виняткова абстрактність квантово-механічних формалізмів, значні відмінності від класичної механіки (заміна кінематичних і динамічних змінних абстрактними символами некомутативних алгебри, відсутність поняття електронної орбіти, необхідність інтерпретації формалізмів і ін) народжували відчуття незавершеності, неповноти нової теорії. У результаті виникла думка про необхідність її завершення.
Виникла дискусія про те, яким шляхом це потрібно робити. А. Ейнштейн і ряд фізиків вважали, що квантово-механічне опис фізичної реальності суттєво неповно. Інакше кажучи, створена теорія не є фундаментальною теорією, а лише проміжною сходинкою по відношенню до неї, тому її необхідно доповнити принципово новими постулатами і поняттями, тобто допрацьовувати ту частину підстав нової теорії, яка пов'язана з її принципами.
Інші фізики (Н. Бор, В. Гейзенберг, М. Борн і ін) вважали, що нова теорія є фундаментальною і дає повний опис фізичної реальності, а «прояснити стан речей можна було тут тільки шляхом більш глибокого дослідження проблеми спостережень в атомній фізиці »*. Інакше кажучи, Бор і його однодумці вважали, що "доопрацювання" квантової механіки слід вести по лінії уточнення тієї частини її підстав, які пов'язані не з принципами теорії, а з її методологічними установками, по лінії інтерпретації створеного математичного формалізму. Розробка методологічних установок квантової механіки, що була найважливішою ланкою в інтерпретації цієї теорії, тривала аж до кінця 40-х рр.. Завершення вироблення цієї інтерпретації означало і завершення наукової революції у фізиці, що почалася в кінці XIX ст.
Основною відмінною особливістю експериментальних досліджень у галузі квантової механіки є фундаментальна роль взаємодії між фізичним об'єктом і вимірювальним пристроєм. Це пов'язано з корпускулярно-хвильовим дуалізмом. І світло, і частки проявляють в різних умовах суперечливі властивості, у зв'язку з чим, про них виникають суперечливі уявлення. В одному типі вимірювальних приладів (дифракційна решітка) вони представляються у вигляді безперервного поля, розподіленого в просторі, будь то світлове поле або поле, яке описується хвильовою функцією. В іншому типі приладів (бульбашкова камера) ці ж мікроявленій виступають як частки, як матеріальні точки. Причина корпускулярно-хвильового дуалізму, за Бору, в тому, що сам мікрооб'єкт не є ні хвилею, ні часткою в звичайному розумінні.
Неможливість провести різку межу між об'єктом і приладом у квантовій фізиці висуває дві задачі: 1) яким чином можна відрізнити знання про об'єкт від знань про прилад, 2) яким чином, розрізнивши їх, зв'язати в єдину картину, теорію об'єкта.
Внаслідок того, що відомості про мікрооб'єктів, про його характеристики отримують в результаті його взаємодії з класичним приладом (макрооб'єктів), мікрооб'єкт можна інтерпретувати тільки в класичних поняттях, тобто використовувати класичні уявлення про хвилю і частинці. Ми ніби змушені говорити на класичному мовою, хоча з його допомогою не можна виразити всі особливості мікрооб'єктів, який не є класичним. Тому перше завдання дозволяється введенням вимоги описувати поведінку приладу мовою класичної фізики, а принципово статистичне поводження мікрочастинок - мовою квантово-механічних формалізмів. Друге завдання вирішується за допомогою принципу додатковості: хвильове і корпускулярне опису мікропроцесів не виключають і не замінюють один одного, а взаємно доповнюють один одного. При одному поданні мікрооб'єкт використовується причинне опис відповідних процесів, в іншому випадку - просторово-тимчасове. Єдина картина об'єкта синтезує ці два описи.
1.5 Методологічні установки некласичної фізики
Створення релятивістської, а потім і квантової фізики призвело до необхідності перегляду методологічних настанов класичної фізики. Уявімо в систематичному вигляді методологічні зупинки некласичної фізики:
Визнання об'єктивного існування фізичного світу, тобто його існування до і незалежно від людини та її свідомості.
На відміну від класичної фізики, яка розглядала світ фізичних елементів як якісно однорідне утворення, сучасна фізика приходить до висновку про наявність трьох якісно різняться структурних рівнів світу фізичних елементів: мікро-, макро-і мегауровней.
Явища мікросвіту, мікропроцеси мають риси цілісності, незворотності та неподільності, які призводять до якісної зміни уявлень про характер взаємозв'язку об'єкта і експериментальних засобів дослідження.
Причинність як один з елементів загального зв'язку і взаємозумовленості речей, явищ, подій матеріального світу властива і мікропроцесу. Але характер причинного зв'язку в мікросвіті відмінний від механістичного детермінізму. В області мікроявленій причинність реалізується через різноманіття випадковостей, тому мікропроцесу властиві не динамічні, а статистичні закономірності.
Мікроявленій принципово пізнавані. Отримання повного і несуперечливого опису поведінки мікрочастинок вимагає вироблення нового способу пізнання і нових методологічних установок пізнання.
Основа пізнання - експеримент, безпосереднє матеріальне взаємодія між засобами дослідження суб'єкта і об'єктом. Так само, як і в класичній фізиці, дослідник вільний у виборі умов експерименту.
Кардинальні зміни в методології некласичної фізики в порівнянні з класичною пов'язані із залежністю опису поведінки фізичних об'єктів від умов пізнання. У релятивістській фізиці - це облік стану руху систем відліку при визнанні сталості швидкості світла у вакуумі. У квантовій фізиці - фундаментальна роль взаємодії між мікрооб'єктів і вимірювальним пристроєм, приладом. Некласична фізика характеризується, по суті, зміною пізнавального відношення суб'єкта і об'єкта. У квантовій фізиці воно фіксується принципом додатковості.
Якщо в класичній фізиці всі властивості об'єкта можуть визначатися одночасно, то вже у квантовій фізиці існують принципові обмеження, висловлені принципом невизначеності.
Некласичні способи опису дозволяють отримувати об'єктивний опис природи. Але об'єктивність знання не повинна ототожнюватися з наочністю. Створення механічної наочної моделі зовсім не синонім адекватного фізичного пояснення досліджуваного явища.
Фізична теорія повинна містити в собі не тільки засоби для опису поведінки пізнаваних об'єктів, а й засоби для опису умов пізнання, включаючи процедури дослідження.
У некласичної фізики, як і в класичній, ігнорується атомна структура експериментальних пристроїв.
Структура процесу пізнання не є незмінною. Якісному різноманіттю природи має відповідати і різноманіття способів її пізнання. На основі некласичних способів пізнання (релятивістського і квантового) з часом повинні сформуватися інші нові способи пізнання.
Кардинальні зміни в системі методологічних установок релятивістської фізики (у порівнянні з класичною) пов'язані з виявленням залежності опису поведінки фізичних об'єктів від умов пізнання (облік стану руху систем відліку при визнанні сталості швидкості світла у вакуумі). Відбулась зміна гносеологічної позиції суб'єкта та об'єкта - з'явилася необхідність вказівки на ту систему відліку, з позицій якої описується досліджувана фізична область.
Створення квантової механіки призвело до ще більш значного перегляду методологічних принципів класичної фізики: введення нового класу принципово статистичних закономірностей; неможливість провести різку межу між об'єктом і приладом та запровадження принципу додатковості; неможливість одночасного визначення всіх властивостей мікрооб'єктів (принцип невизначеності); ненаглядного теоретичних моделей; неоднозначність вживання понять; необхідність вказувати на умови пізнання та інших
У другій половині XX ст. основну увагу фізиків звернено на створення теорій, які розкривають з позицій квантово-релятивістських уявлень сутність та підстави єдності чотирьох фундаментальних взаємодій - електромагнітного, «сильного», «слабкого» і гравітаційного. Це завдання одночасно є і завданням створення єдиної теорії елементарних частинок теорії структури матерії). В останні десятиліття створені і отримали емпіричне обгрунтування квантова електродинаміка, теорія електрослабкої взаємодії, квантова хромодинаміка (теорія сильної взаємодії), є перспективи на створення єдиної теорії електромагнітного, «слабкого» і «сильного» взаємодій. Фізики чекають, що у віддаленій перспективі до них має бути приєднано і гравітаційна взаємодія. Таким чином, природознавство в даний час знаходиться на шляху до реалізації великої мети - створення єдиної теорії структури матерії.
2. РОЗВИТОК ПОГЛЯДІВ НА ПРИРОДУ СВІТЛА. Формула Планка
Другим «темним облачком» на ясному небосхилі фізики XIX-XX століть було серйозна розбіжність між теорією та експериментом при дослідженні законів теплового випромінювання абсолютно чорного тіла. Абсолютно чорне тіло - це ідеалізоване тіло, повністю поглинає що впало на нього випромінювання всіх частот. Як приклад, близького до поняття абсолютно чорного тіла, можна навести зіницю ока. Теплове випромінювання - світіння тіл, обумовлене тепловим хаотичним рухом молекул, що з переходом енергії теплового руху в електромагнітну хвилю. Це найпоширеніший вид випромінювання, що існує при будь-якій температурі. Іншими словами, це світіння тіл, обумовлене їх нагріванням. На відміну від теплового випромінювання, люмінесценція представляє собою вид випромінювання, надлишковий над тепловим, обумовлений іншими процесами. Тільки теплове випромінювання є рівноважним. Для того, щоб пояснити це, уявимо собі тіло, здатне випускати і поглинати енергію. Оточимо його непроникною оболонкою з ідеально відображає поверхнею, тобто укладемо тіло в замкнуту порожнину. Припустимо, що температура тіла в початковий момент відрізнялася від температури порожнини, скажімо, була дещо більше. Тіло буде випромінювати енергію; відбите оболонкою випромінювання, впавши на тіло, знову поглине ім. У результаті процесів поглинання і випромінювання з часом температура тіла стане дорівнює температурі порожнини, тобто система прийде в стан термодинамічної рівноваги, що характеризується рівновагою між поглинається і випромінюється в одиницю часу енергією. Стан рівноваги визначається функцією, що характеризує розподіл густини енергії випромінювання, укладеного в цій порожнині, по всіляких частотах випромінювання (при постійній температурі). Перед фізиками постало завдання знаходження виду цієї функції на базі законів класичної фізики. До рівноважним процесам застосовні закони термодинаміки і, крім цього результати, отримані в електродинаміці, дозволяли робити спроби в цьому напрямку. Зрештою Релея був отриманий точний закон розподілу щільності енергії випромінювання абсолютно чорного тіла по частотах, який тим не менш не відповідав експериментальним даним. Саме на цю обставину вказував Томсон, кажучи про «другий темному хмарці». Відповідно до закону Релея, функція повинна монотонно зростати зі збільшенням частоти, в той час як з експерименту було добре відомо, що зі збільшенням частоти ця функція спочатку зростає, а потім, починаючи з деякої частоти, що відповідає максимуму щільності енергії, падає. За умови, що частота прагне до нескінченності, ця функція прагне до нуля. Проблема була вирішена в 1900 році Максом Планком, що висловили ідею, яка згодом перевернула здавалися непорушними уявлення вчених про характер фізичних законів і відкрила нову еру у фізиці.
Вся класична фізика будується, виходячи з уявлення про безперервну природу простору, часу, руху, безперервного характеру зміни всіх фізичних величин. Ця контінуалістская методологія, що бере свій початок від розуміння руху Арістотелем, зіграла свою важливу роль у розвитку математичної фізики, зокрема, у створенні диференціального й інтегрального числень. Відповідно, при висновку закону Релей і Джинс керувалися поданням про безперервне характер випромінювання. Геніальна гіпотеза, висловлена Планком, постулює, що речовина не може випромінювати або поглинати енергію інакше, як кінцевими порціями (квантами), пропорційними випромінюваної (або поглинається) частоті. Енергія однієї порції (кванта) Е = hv, де v - частота випромінювання, ah - деяка універсальна константа, що отримала назву постійної Планка.
Виходячи з цієї гіпотези, Планк отримав новий закон розподілу спектральної густини енергії випромінювання абсолютно чорного тіла, що дає повну згоду з експериментом.
Вся важливість відкриття Планка була усвідомлена не відразу. Проте вже було готове явище, яке виявилося можливим пояснити тільки з використанням висловленої Планком ідеї. Це явище фотоефекту, закони якого також перебували в суперечності з тим, чого чекала класична фізика. У 1905 році А. Ейнштейн звернув увагу на те, що явище фотоефекту вказує на дискретну природу світла у відповідності з гіпотезою Планка. При цьому дискретна природа світла проявляється не тільки в актах випускання або поглинання, але і при вільному поширенні випромінювання в просторі з плином часу. Іншими словами, світло - це потік корпускул, квантів. Ейнштейн назвав кванти світла фотонами. У 1923 році було відкрито ще одне явище, яке підтверджує існування фотонів - ефект Комптона.
Отже, світло - потік квантів. У фізиці знову складається складна ситуація. Як все ж таки розуміти світ, адже хвильова природа світла надійно встановлена? Нагадаємо, що на природу світла в історії науки існували дві точки зору. Одна з них, підтримувана авторитетом Ньютона, розглядала світло як потік пружних корпускул. Друга точка зору, що відстоюється Декартом, а згодом Гюйгенсом, розглядала світло як механічну хвилю, що поширюється в пружному середовищі - ефірі. До початку XIX століття панування здобувала перша точка зору. Однак з 1801 року ситуація різко змінилася у зв'язку з встановленням Т. Юнгом явища інтерференції на двох щілинах. Досліди Юнга були продовжені Френелем, який дав пояснення явищ інтерференції і дифракції, виходячи з уявлень про хвильову природу світла. Таким чином, до середини XIX століття не було ніяких сумнівів з приводу того, що світло є хвилею. Відкриття Максвеллом електромагнітної природи світла тільки зміцнило цю впевненість. Спеціальна теорія відносності не піддавала критичному перегляду цю точку зору. Зазначимо, що класична фізика виходить з корінного відмінності між поняттями частки і хвилі. Вважається, що частка має кінцевим числом ступенів свободи, суворої траєкторією руху, відсутністю інтерференції і дифракції. Хвиля ж володіє нескінченним числом ступенів свободи, бестраектор-ністю, бо кожна точка простору, куди приходить збудження, сама стає джерелом вторинних хвиль.
Явище інтерференції і. дифракції - не що інше, як накладення один на одного когерентних хвиль; тобто ці явища відображають хвильову природу конкретних матеріальних об'єктів. Відкриття Планка не перекреслювало ряд ефектів, у яких світло проявляє свої хвильові властивості. Але при цьому були відкриті явища, що свідчать про корпускулярну природу світла. Таким чином, заговорили про корпускулярно-хвильовому дуалізмі світла: в одних ситуаціях світло поводиться як хвиля, а в інших ситуаціях, не сумісних з першими в одному і тому ж експерименті, світло поводиться як потік фотонів. Зупинимося докладніше на понятті фотона.
3. Принцип невизначеності
Наведений вище експеримент ясно вказує на те, що точне знання координати електрона означає повне незнання його імпульсу, і навпаки. Така ситуація зовсім незрозуміла з точки зору класичної фізики. Чимало зусиль було докладено фізиками для усунення виниклого протиріччя з метою збереження класичного ідеалу опису руху фізичних об'єктів. Найбільш революційно налаштовані вчені вважали, що подібне некласична поведінку об'єктів у мікросвіті вимагає критичного перегляду самого поняття «частки», точно локалізованої в часі і просторі. Можна говорити лише про ймовірність того, де в даний момент часу знаходиться частинка, і це є неминучим наслідком введення в фізичну теорію постійної Планка, уявлень про квантові скачках. Фізична інтерпретація «некласичного» поведінки мікрооб'єктів була вперше дана Вернером Гейзенбергом, що вказали на необхідність відмови від уявлень про об'єкти мікросвіту як про об'єкти, що рухаються по суворо певних траєкторіях, для яких однозначно з повною визначеністю можуть бути одночасно зазначені і координата та імпульс частинки в будь-який заданий момент часу. Треба прийняти як закон, що описує рух мікрооб'єктів, той факт, що знання точної координати частки призводить до повної невизначеності її імпульсу, і навпаки, точне знання імпульсу частинки - до повної невизначеності її координати. Виходячи з створеного їм математичного апарату квантової механіки, Гейзенберг встановив граничну точність, з якою можна одночасно визначити координату і імпульс мікрочастинки, і отримав наступне співвідношення невизначеностей цих значень:
де
- Невизначеність у значенні координати; 
- Невизначеність у значенні імпульсу. Твір невизначеності у значенні координати і невизначеності у значенні імпульсу не менше, ніж величина порядку постійної Планка h.
Чим точніше визначена одна величина, скажімо, X
тим більше стає невизначеність інший: 
Якщо ж точно визначений імпульс частинки Р 
то невизначеність координати прагне до нескінченності 
Отже, співвідношення невизначеності накладає певні обмеження на можливість опису руху матеріальної точки за деякою траєкторії; поняття траєкторії для мікрооб'єктів втрачає сенс.
4 КОНЦЕПЦІЯ ЦІЛІСНОСТІ у квантовій фізиці. Парадокс Ейнштейна-Подольського-Розена
В основі природознавства з моменту його виникнення і аж до відкриття Планка панувала механістична концепція цілого і частини. Принципи невизначеності і додатковості відображають фундаментальну невизначеність явищ природи. Квантовий об'єкт не може бути розглянуто сам по собі, не володіє індивідуальними властивостями, а знаходиться в класично певних зовнішніх умовах. Таким чином, у квантовій механіці формулюється концепція цілісності, відмінна від механістичної концепції цілого і частини, бо об'єкт поза цілого і всередині цілого не один і той же; окремий об'єкт розглядається лише в ставленні до чого-небудь, свої властивості він проявляє лише по відношенню до конкретної цілісності, чим і визначається статистична природа його поведінки. Говорячи словами Н. Бора: «З відкриттям Планком елементарного кванта дії почалася нова епоха в фізичних науках. Це відкриття виявило властиву атомним процесам риску цілісності, що йде набагато далі старої ідеї про обмежену подільності матерії ». Борівська інтерпретація квантової теорії означає, по суті, відмова від класичних уявлень про частки як «внеположенность», «себе-тотожних», «індивідуальних».
Мікрооб'єкт постійно відчуває на собі вплив цілісності, елементом якої він є. Відомий фізик Поль Ланжевен так висловився з цього приводу: «Мені здається, що основною причиною всіх наших сучасних труднощів є введення уявлень про індивідуальні частинках. Сутність принципу невизначеності полягає саме в утвердженні неможливості простежити за рухом окремого електрона, тобто неможливість представити його собі в якості окремого предмета ».
Точка зору Н. Бора, В. Гейзенберга і їх прихильників, названа копенгагенської інтерпретацією квантової механіки, звичайно, не могла бути сприйнята беззастережно багатьма фізиками, що залишилися вірними ідеалу суворо детермінованого, причинно-наслідкового опису руху фізичних об'єктів. Так, А. Ейнштейн не прийняв принципово статистичний характер копенгагенської інтерпретації квантової теорії. В. Гейзенберг згадує про бесіди на Сольвеєвських конгресі в Брюсселі, куди за традицією фонду Сольве в 1927 році була запрошена група фахівців з квантової теорії: «Ейнштейн не хотів допустити принципову неможливість пізнання всіх визначальних моментів, необхідних для повної детермінації розглянутих процесів. «Господь Бог не грає в кості», - цей вислів часто можна було почути від нього під час дискусій. Ейнштейн не міг тому примиритися з співвідношенням невизначеності і намагався придумати експерименти, в яких ці співвідношення вже не мали б місця ».
Дискусія між Бором і Ейнштейном тривала близько десяти років і зіграла дуже важливу роль у формуванні основ квантової теорії. Саме ця суперечка привів до більш глибокому розумінню концепції цілісності. Своє змістовний розвиток ця концепція отримала завдяки роботі трьох авторів - А. Ейнштейна, Б. Подільського і Н. Розена «Чи можна вважати квантово-механічне опис фізичної реальності повним?», Опублікованій у 1935 році. У цій роботі формулюється парадокс, названий парадоксом Ейнштейна - Подільського - Розе-ну (ЕПР-парадокс). Якщо вся попередня полеміка між Бором і Ейнштейном концентрувалася, в основному, навколо принципу невизначеності (Ейнштейн пропонував приклад, який спростовує співвідношення невизначеностей, а Бор завжди доводив помилковість аргументів Ейнштейна), то в ЕПР-парадоксі запропонована ситуація, що призвела, в кінцевому рахунку, всупереч очікуванням її авторів, до розширення принципу цілісності. Ситуація, пропонована авторами парадоксу, полягає в наступному: нехай деяка частка мимовільно розпадається на дві частинки, які розходяться на велику відстань один від одного, що фізична взаємодія між ними виключається. Тоді, якщо квантова механіка вірна, вимір, вироблене над однією з частинок, повинно приводити до однозначного прогнозу відповідної характеристики (імпульсу, моменту імпульсу - залежно від типу вимірювання над першою часткою) іншої. Іншими словами, не провівши експеримент над другою часткою, не збурюючи її, на підставі квантової механіки мусить виходити певне числове значення її характеристик незалежно від акту впливу. Слід сказати, що в даний час ЕПР-парадокс надійно підкріплений експериментами. Відомо, що Бор дав негайну відповідь на міркування авторів парадоксу, стверджуючи, що фізичну реальність необхідно трактувати на основі ідеї неподільності експериментальної ситуації, неподільності й цілісності квантових явищ. ЕПР-парадокс для свого рішення відкриває можливість для більш повного використання концепції цілісності, не апелює до цілісності експериментальної ситуації. Тут мова йде вже не про цілісність експериментальної ситуації, а про цілісність квантової системи, про особливе корелятивні, взаємопов'язаному поведінці квантових об'єктів. Об'єкти, що складали колись єдине ціле, розведені один від одного на відстані, які виключають взаємодії, зберігають на собі печатку минулого, і будь-які зміни одного партнера призводять до корелятивної поведінки другого. Це перенесення стану з однієї частки на іншу, незалежно від того, як далеко один від одного вони знаходяться, називають квантової телепортацією. Світ постає перед нами як єдина цілісна одиниця, несвідомих до механічного розкладанню його на складові частини. Таким чином, у квантовій механіці сформоване уявлення про цілісний, неразложимой характері світу, про не зведенні його до окремих елементів. Цей результат, що має глибоке світоглядне значення, є чи не найбільшою дивовижною сторінкою в історії фізики і має далекосяжні перспективи щодо розвитку телепортаційну способів передачі інформації. XXI століття, по всій видимості, стане століттям квантової телепортації.
ВИСНОВОК
В основі сучасної квантово-польової картини світу лежить нова фізична теорія - квантова механіка, що описує стан і рух мікрооб'єктів матеріального світу.
Квантовою механікою називають теорію, що встановлює спосіб опису та закони руху мікрочастинок (елементарних частинок, атомів, молекул, атомних ядер) і їх систем, а також зв'язок величин, що характеризують частки і системи, з фізичними величинами, безпосередньо вимірюваними дослідним шляхом.
Таким чином, у квантовій механіці сформоване уявлення про цілісний, неразложимой характері світу, про не зведенні його до окремих елементів. Цей результат, що має глибоке світоглядне значення, є чи не найбільшою дивовижною сторінкою в історії фізики і має далекосяжні перспективи щодо розвитку телепортаційну способів передачі інформації. XXI століття, по всій видимості, стане століттям квантової телепортації.
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Концепції сучасного природознавства: Під ред. професора С.І. Самигіна. Серія «Підручники і навчальні посібники» - 4-е вид., Перераб. і доп. - Ростов н / Д: «Фенікс», 2003
2. Концепції сучасного природознавства: підручник для студентів вузів, які навчаються за гуманітарними спеціальностями та спеціальностями економіки і управління / А.П. Садохін. - 2-е вид., Перераб. і доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006
3. Кунафин М.С. Концепції сучасного природознавства: Навчальний посібник. Вид-е. - Уфа, 2003
4. Почала сучасного природознавства: концепції та принципи: навчальний посібник / В.М. Савченко, В.П. Смагін. - Ростов н / Д.: Фенікс, 2006
5. Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства: Підручник. - Вид. 2-е, перероб. і доп. - М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004
У другій половині XX ст. основну увагу фізиків звернено на створення теорій, які розкривають з позицій квантово-релятивістських уявлень сутність та підстави єдності чотирьох фундаментальних взаємодій - електромагнітного, «сильного», «слабкого» і гравітаційного. Це завдання одночасно є і завданням створення єдиної теорії елементарних частинок теорії структури матерії). В останні десятиліття створені і отримали емпіричне обгрунтування квантова електродинаміка, теорія електрослабкої взаємодії, квантова хромодинаміка (теорія сильної взаємодії), є перспективи на створення єдиної теорії електромагнітного, «слабкого» і «сильного» взаємодій. Фізики чекають, що у віддаленій перспективі до них має бути приєднано і гравітаційна взаємодія. Таким чином, природознавство в даний час знаходиться на шляху до реалізації великої мети - створення єдиної теорії структури матерії.
2. РОЗВИТОК ПОГЛЯДІВ НА ПРИРОДУ СВІТЛА. Формула Планка
Другим «темним облачком» на ясному небосхилі фізики XIX-XX століть було серйозна розбіжність між теорією та експериментом при дослідженні законів теплового випромінювання абсолютно чорного тіла. Абсолютно чорне тіло - це ідеалізоване тіло, повністю поглинає що впало на нього випромінювання всіх частот. Як приклад, близького до поняття абсолютно чорного тіла, можна навести зіницю ока. Теплове випромінювання - світіння тіл, обумовлене тепловим хаотичним рухом молекул, що з переходом енергії теплового руху в електромагнітну хвилю. Це найпоширеніший вид випромінювання, що існує при будь-якій температурі. Іншими словами, це світіння тіл, обумовлене їх нагріванням. На відміну від теплового випромінювання, люмінесценція представляє собою вид випромінювання, надлишковий над тепловим, обумовлений іншими процесами. Тільки теплове випромінювання є рівноважним. Для того, щоб пояснити це, уявимо собі тіло, здатне випускати і поглинати енергію. Оточимо його непроникною оболонкою з ідеально відображає поверхнею, тобто укладемо тіло в замкнуту порожнину. Припустимо, що температура тіла в початковий момент відрізнялася від температури порожнини, скажімо, була дещо більше. Тіло буде випромінювати енергію; відбите оболонкою випромінювання, впавши на тіло, знову поглине ім. У результаті процесів поглинання і випромінювання з часом температура тіла стане дорівнює температурі порожнини, тобто система прийде в стан термодинамічної рівноваги, що характеризується рівновагою між поглинається і випромінюється в одиницю часу енергією. Стан рівноваги визначається функцією, що характеризує розподіл густини енергії випромінювання, укладеного в цій порожнині, по всіляких частотах випромінювання (при постійній температурі). Перед фізиками постало завдання знаходження виду цієї функції на базі законів класичної фізики. До рівноважним процесам застосовні закони термодинаміки і, крім цього результати, отримані в електродинаміці, дозволяли робити спроби в цьому напрямку. Зрештою Релея був отриманий точний закон розподілу щільності енергії випромінювання абсолютно чорного тіла по частотах, який тим не менш не відповідав експериментальним даним. Саме на цю обставину вказував Томсон, кажучи про «другий темному хмарці». Відповідно до закону Релея, функція повинна монотонно зростати зі збільшенням частоти, в той час як з експерименту було добре відомо, що зі збільшенням частоти ця функція спочатку зростає, а потім, починаючи з деякої частоти, що відповідає максимуму щільності енергії, падає. За умови, що частота прагне до нескінченності, ця функція прагне до нуля. Проблема була вирішена в 1900 році Максом Планком, що висловили ідею, яка згодом перевернула здавалися непорушними уявлення вчених про характер фізичних законів і відкрила нову еру у фізиці.
Вся класична фізика будується, виходячи з уявлення про безперервну природу простору, часу, руху, безперервного характеру зміни всіх фізичних величин. Ця контінуалістская методологія, що бере свій початок від розуміння руху Арістотелем, зіграла свою важливу роль у розвитку математичної фізики, зокрема, у створенні диференціального й інтегрального числень. Відповідно, при висновку закону Релей і Джинс керувалися поданням про безперервне характер випромінювання. Геніальна гіпотеза, висловлена Планком, постулює, що речовина не може випромінювати або поглинати енергію інакше, як кінцевими порціями (квантами), пропорційними випромінюваної (або поглинається) частоті. Енергія однієї порції (кванта) Е = hv, де v - частота випромінювання, ah - деяка універсальна константа, що отримала назву постійної Планка.
Виходячи з цієї гіпотези, Планк отримав новий закон розподілу спектральної густини енергії випромінювання абсолютно чорного тіла, що дає повну згоду з експериментом.
Вся важливість відкриття Планка була усвідомлена не відразу. Проте вже було готове явище, яке виявилося можливим пояснити тільки з використанням висловленої Планком ідеї. Це явище фотоефекту, закони якого також перебували в суперечності з тим, чого чекала класична фізика. У 1905 році А. Ейнштейн звернув увагу на те, що явище фотоефекту вказує на дискретну природу світла у відповідності з гіпотезою Планка. При цьому дискретна природа світла проявляється не тільки в актах випускання або поглинання, але і при вільному поширенні випромінювання в просторі з плином часу. Іншими словами, світло - це потік корпускул, квантів. Ейнштейн назвав кванти світла фотонами. У 1923 році було відкрито ще одне явище, яке підтверджує існування фотонів - ефект Комптона.
Отже, світло - потік квантів. У фізиці знову складається складна ситуація. Як все ж таки розуміти світ, адже хвильова природа світла надійно встановлена? Нагадаємо, що на природу світла в історії науки існували дві точки зору. Одна з них, підтримувана авторитетом Ньютона, розглядала світло як потік пружних корпускул. Друга точка зору, що відстоюється Декартом, а згодом Гюйгенсом, розглядала світло як механічну хвилю, що поширюється в пружному середовищі - ефірі. До початку XIX століття панування здобувала перша точка зору. Однак з 1801 року ситуація різко змінилася у зв'язку з встановленням Т. Юнгом явища інтерференції на двох щілинах. Досліди Юнга були продовжені Френелем, який дав пояснення явищ інтерференції і дифракції, виходячи з уявлень про хвильову природу світла. Таким чином, до середини XIX століття не було ніяких сумнівів з приводу того, що світло є хвилею. Відкриття Максвеллом електромагнітної природи світла тільки зміцнило цю впевненість. Спеціальна теорія відносності не піддавала критичному перегляду цю точку зору. Зазначимо, що класична фізика виходить з корінного відмінності між поняттями частки і хвилі. Вважається, що частка має кінцевим числом ступенів свободи, суворої траєкторією руху, відсутністю інтерференції і дифракції. Хвиля ж володіє нескінченним числом ступенів свободи, бестраектор-ністю, бо кожна точка простору, куди приходить збудження, сама стає джерелом вторинних хвиль.
Явище інтерференції і. дифракції - не що інше, як накладення один на одного когерентних хвиль; тобто ці явища відображають хвильову природу конкретних матеріальних об'єктів. Відкриття Планка не перекреслювало ряд ефектів, у яких світло проявляє свої хвильові властивості. Але при цьому були відкриті явища, що свідчать про корпускулярну природу світла. Таким чином, заговорили про корпускулярно-хвильовому дуалізмі світла: в одних ситуаціях світло поводиться як хвиля, а в інших ситуаціях, не сумісних з першими в одному і тому ж експерименті, світло поводиться як потік фотонів. Зупинимося докладніше на понятті фотона.
3. Принцип невизначеності
Наведений вище експеримент ясно вказує на те, що точне знання координати електрона означає повне незнання його імпульсу, і навпаки. Така ситуація зовсім незрозуміла з точки зору класичної фізики. Чимало зусиль було докладено фізиками для усунення виниклого протиріччя з метою збереження класичного ідеалу опису руху фізичних об'єктів. Найбільш революційно налаштовані вчені вважали, що подібне некласична поведінку об'єктів у мікросвіті вимагає критичного перегляду самого поняття «частки», точно локалізованої в часі і просторі. Можна говорити лише про ймовірність того, де в даний момент часу знаходиться частинка, і це є неминучим наслідком введення в фізичну теорію постійної Планка, уявлень про квантові скачках. Фізична інтерпретація «некласичного» поведінки мікрооб'єктів була вперше дана Вернером Гейзенбергом, що вказали на необхідність відмови від уявлень про об'єкти мікросвіту як про об'єкти, що рухаються по суворо певних траєкторіях, для яких однозначно з повною визначеністю можуть бути одночасно зазначені і координата та імпульс частинки в будь-який заданий момент часу. Треба прийняти як закон, що описує рух мікрооб'єктів, той факт, що знання точної координати частки призводить до повної невизначеності її імпульсу, і навпаки, точне знання імпульсу частинки - до повної невизначеності її координати. Виходячи з створеного їм математичного апарату квантової механіки, Гейзенберг встановив граничну точність, з якою можна одночасно визначити координату і імпульс мікрочастинки, і отримав наступне співвідношення невизначеностей цих значень:
де
Чим точніше визначена одна величина, скажімо, X
Отже, співвідношення невизначеності накладає певні обмеження на можливість опису руху матеріальної точки за деякою траєкторії; поняття траєкторії для мікрооб'єктів втрачає сенс.
4 КОНЦЕПЦІЯ ЦІЛІСНОСТІ у квантовій фізиці. Парадокс Ейнштейна-Подольського-Розена
В основі природознавства з моменту його виникнення і аж до відкриття Планка панувала механістична концепція цілого і частини. Принципи невизначеності і додатковості відображають фундаментальну невизначеність явищ природи. Квантовий об'єкт не може бути розглянуто сам по собі, не володіє індивідуальними властивостями, а знаходиться в класично певних зовнішніх умовах. Таким чином, у квантовій механіці формулюється концепція цілісності, відмінна від механістичної концепції цілого і частини, бо об'єкт поза цілого і всередині цілого не один і той же; окремий об'єкт розглядається лише в ставленні до чого-небудь, свої властивості він проявляє лише по відношенню до конкретної цілісності, чим і визначається статистична природа його поведінки. Говорячи словами Н. Бора: «З відкриттям Планком елементарного кванта дії почалася нова епоха в фізичних науках. Це відкриття виявило властиву атомним процесам риску цілісності, що йде набагато далі старої ідеї про обмежену подільності матерії ». Борівська інтерпретація квантової теорії означає, по суті, відмова від класичних уявлень про частки як «внеположенность», «себе-тотожних», «індивідуальних».
Мікрооб'єкт постійно відчуває на собі вплив цілісності, елементом якої він є. Відомий фізик Поль Ланжевен так висловився з цього приводу: «Мені здається, що основною причиною всіх наших сучасних труднощів є введення уявлень про індивідуальні частинках. Сутність принципу невизначеності полягає саме в утвердженні неможливості простежити за рухом окремого електрона, тобто неможливість представити його собі в якості окремого предмета ».
Точка зору Н. Бора, В. Гейзенберга і їх прихильників, названа копенгагенської інтерпретацією квантової механіки, звичайно, не могла бути сприйнята беззастережно багатьма фізиками, що залишилися вірними ідеалу суворо детермінованого, причинно-наслідкового опису руху фізичних об'єктів. Так, А. Ейнштейн не прийняв принципово статистичний характер копенгагенської інтерпретації квантової теорії. В. Гейзенберг згадує про бесіди на Сольвеєвських конгресі в Брюсселі, куди за традицією фонду Сольве в 1927 році була запрошена група фахівців з квантової теорії: «Ейнштейн не хотів допустити принципову неможливість пізнання всіх визначальних моментів, необхідних для повної детермінації розглянутих процесів. «Господь Бог не грає в кості», - цей вислів часто можна було почути від нього під час дискусій. Ейнштейн не міг тому примиритися з співвідношенням невизначеності і намагався придумати експерименти, в яких ці співвідношення вже не мали б місця ».
Дискусія між Бором і Ейнштейном тривала близько десяти років і зіграла дуже важливу роль у формуванні основ квантової теорії. Саме ця суперечка привів до більш глибокому розумінню концепції цілісності. Своє змістовний розвиток ця концепція отримала завдяки роботі трьох авторів - А. Ейнштейна, Б. Подільського і Н. Розена «Чи можна вважати квантово-механічне опис фізичної реальності повним?», Опублікованій у 1935 році. У цій роботі формулюється парадокс, названий парадоксом Ейнштейна - Подільського - Розе-ну (ЕПР-парадокс). Якщо вся попередня полеміка між Бором і Ейнштейном концентрувалася, в основному, навколо принципу невизначеності (Ейнштейн пропонував приклад, який спростовує співвідношення невизначеностей, а Бор завжди доводив помилковість аргументів Ейнштейна), то в ЕПР-парадоксі запропонована ситуація, що призвела, в кінцевому рахунку, всупереч очікуванням її авторів, до розширення принципу цілісності. Ситуація, пропонована авторами парадоксу, полягає в наступному: нехай деяка частка мимовільно розпадається на дві частинки, які розходяться на велику відстань один від одного, що фізична взаємодія між ними виключається. Тоді, якщо квантова механіка вірна, вимір, вироблене над однією з частинок, повинно приводити до однозначного прогнозу відповідної характеристики (імпульсу, моменту імпульсу - залежно від типу вимірювання над першою часткою) іншої. Іншими словами, не провівши експеримент над другою часткою, не збурюючи її, на підставі квантової механіки мусить виходити певне числове значення її характеристик незалежно від акту впливу. Слід сказати, що в даний час ЕПР-парадокс надійно підкріплений експериментами. Відомо, що Бор дав негайну відповідь на міркування авторів парадоксу, стверджуючи, що фізичну реальність необхідно трактувати на основі ідеї неподільності експериментальної ситуації, неподільності й цілісності квантових явищ. ЕПР-парадокс для свого рішення відкриває можливість для більш повного використання концепції цілісності, не апелює до цілісності експериментальної ситуації. Тут мова йде вже не про цілісність експериментальної ситуації, а про цілісність квантової системи, про особливе корелятивні, взаємопов'язаному поведінці квантових об'єктів. Об'єкти, що складали колись єдине ціле, розведені один від одного на відстані, які виключають взаємодії, зберігають на собі печатку минулого, і будь-які зміни одного партнера призводять до корелятивної поведінки другого. Це перенесення стану з однієї частки на іншу, незалежно від того, як далеко один від одного вони знаходяться, називають квантової телепортацією. Світ постає перед нами як єдина цілісна одиниця, несвідомих до механічного розкладанню його на складові частини. Таким чином, у квантовій механіці сформоване уявлення про цілісний, неразложимой характері світу, про не зведенні його до окремих елементів. Цей результат, що має глибоке світоглядне значення, є чи не найбільшою дивовижною сторінкою в історії фізики і має далекосяжні перспективи щодо розвитку телепортаційну способів передачі інформації. XXI століття, по всій видимості, стане століттям квантової телепортації.
ВИСНОВОК
В основі сучасної квантово-польової картини світу лежить нова фізична теорія - квантова механіка, що описує стан і рух мікрооб'єктів матеріального світу.
Квантовою механікою називають теорію, що встановлює спосіб опису та закони руху мікрочастинок (елементарних частинок, атомів, молекул, атомних ядер) і їх систем, а також зв'язок величин, що характеризують частки і системи, з фізичними величинами, безпосередньо вимірюваними дослідним шляхом.
Таким чином, у квантовій механіці сформоване уявлення про цілісний, неразложимой характері світу, про не зведенні його до окремих елементів. Цей результат, що має глибоке світоглядне значення, є чи не найбільшою дивовижною сторінкою в історії фізики і має далекосяжні перспективи щодо розвитку телепортаційну способів передачі інформації. XXI століття, по всій видимості, стане століттям квантової телепортації.
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. Концепції сучасного природознавства: Під ред. професора С.І. Самигіна. Серія «Підручники і навчальні посібники» - 4-е вид., Перераб. і доп. - Ростов н / Д: «Фенікс», 2003
2. Концепції сучасного природознавства: підручник для студентів вузів, які навчаються за гуманітарними спеціальностями та спеціальностями економіки і управління / А.П. Садохін. - 2-е вид., Перераб. і доп. - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006
3. Кунафин М.С. Концепції сучасного природознавства: Навчальний посібник. Вид-е. - Уфа, 2003
4. Почала сучасного природознавства: концепції та принципи: навчальний посібник / В.М. Савченко, В.П. Смагін. - Ростов н / Д.: Фенікс, 2006
5. Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства: Підручник. - Вид. 2-е, перероб. і доп. - М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004