2. Корпускулярно-волновой дуализм.

В 17 веке НЬЮТОН развивал корпускулярную теорию света. Нидерландский физик ГЮЙГЕНС объяснял оптические явления на основе волновой теории.

Открытие дифракции света (ГРИМАЛЬДИ,1665г.) говорило в пользу волновой теории, но авторитет НЬЮТОНА был так высок, что корпускулярная теория принималась безоговорочно. Волновая теория света была вновь выдвинута в начале 19 века английским физиком ЮНГОМ и французским физиком ФРЕНЕЛЕМ. Они дали объяснение интерференции.

К началу 20 века в физике утвердилась электромагнитная (волновая) теория света. Созданная МАКСВЕЛЛОМ теория поля представляла собой единую теорию электрических, магнитных и оптических явлений.

В рамках классической физики вещество и поле первоначально выступают как противоположные, отдельные и независимые друг от друга.

Однако некоторые явления объяснить на основе электромагнитной теории света не удалось. Это явления фотоэффекта, тепловое излучение абсолютно черного тела, атомные спектры. Тогда Макс ПЛАНК пришел к выводу, что энергия при тепловом излучении распространяется и поглощается не непрерывно, а дискретно- порциями (квантами).

Энергия кванта зависит от частоты излучения:

- постоянная Планка = 6,63· 10^-34дж·с

Эйнштейн в 1905 г. перенес идею о квантовании энергии при тепловом излучении на излучение вообще и т.о обосновал новое учение о свете (свет- поток частиц,фотонов).

Эйнштейн сумел объяснить явление фотоэффекта (Нобелевская премия в 1922г.). По теории Эйнштейна следовало признать корпускулярную теорию света. Но волновая его природа была уже твердо установлена опытами по интерференции и дифракции.

Т.о, все многообразие изученных свойств и законов распространения света показывает, что свет представляет собой единство противоположных свойств- корпускулярных и волновых т.е единство дискретности и непрерывности.

В 1924 г. французский физик Луи де БРОЙЛЬ выдвинул идею о том, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макротелам.

Соотношение де БРОЙЛЯ:

Оно показывает, что частице с массой m, движущейся со скоростью v, соответствует волна длиной λ (взаимопревращение вещества и поля).

Соотношение справедливо для частиц любой природы т.е дуализм- общее свойство материи, но проявляется только у микрообъектов.

В 1927 году была обнаружена дифракция электронов, в дальнейшем нейтронов, атомов и даже молекул. Опытные результаты полностью подтверждали гипотезу де БРОЙЛЯ.

Т.о, в начале 20 века разрушилось классическое представление о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи. Оказалось, что ФИЗИЧЕСКАЯ РЕАЛЬНОСТЬ ЕДИНА, и нет пропасти между веществом и полем.

В квантовой теории поля оно рассматривается не как непрерывная среда, а как совокупность виртуальных частиц.

3. Принципы неопределенности, дополнительности, соответствия.

14 Декабря 1900г. – день опубликования Планком формулы считается днем рождения квантовой механики.

Квантовая (волновая механика) – раздел физики, описывающей движение и взаимодействие микрочастиц. Она основана на представлении о квантовании энергии, волновом характере движения микрочастиц и вероятностном методе описания микрообъектов.

Учитывая двойственную природу микрочастиц, уравнения квантовой механики должны быть волновыми, но иметь дискретные решения. Австрийский физик ШРЕДИНГЕР предложил для описания квантовых явлений использовать понятие волновой функции (пси – функция). Операции с волновой функцией позволяют вычислить вероятности квантово – механических событий.

Квантово – механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей В. ГЕЙЗЕНБЕРГА и принципе дополнительности Н.БОРА.

Принцип неопределенностей:

Объект микромира невозможно с любой наперед заданной точностью характеризовать и координатой и скоростью:

Сходное соотношение связывает неточность энергии и неопределенность промежутка времени, в течение которого протекает процесс:

Соотношение неопределенностей является

квантовым ограничением применимости

классической механики к микрообъектам. Оно помогает объяснить многие квантовые эффекты: туннельный эффект,ά-распад, механизм взаимодействия частиц и т.д.

Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его.

Принцип дополнительности:

«Для полного описания квантово – механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих набора классических понятий (частица- волна). Только совокупность таких понятий дает информацию об этих явлениях как целостных».

Принцип дополнительности объясняют влиянием прибора на состояние микрообъекта т.к. получение экспериментальных данных об одних физических величинах неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым.

Возникает неразрывная связь между объектом и субъектом. В зависимости от внешних условий микрообъект реализует разные стороны своей сущности.

Принцип соответствия – утверждает преемственность физических теорий. Сформулирован Н.БОРОМ в 1923г.

Все физические теории не являются абсолютно точным отображением действительности. По мере развития науки они сменяются более точными. Однако, создание новой теории не означает, что старая утрачивает свою ценность. Новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, оправдавшую себя в своей области.

«Теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, а сохраняют свое значение в прежней области явлений, как предельное выражение законов новых теорий».

Принцип соответствия представляет собой конкретное выражение в физике диалектики соотношения абсолютной и относительной истин.

Принципиальные моменты в исследовании микромира.

1. Каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами.

2. Вещество может переходить в излучение.

3. Нельзя одновременно знать и положение и скорость частиц.

4. Квантовые частицы способны преодолеть потенциальные барьеры.

5. 5. Квантовые явления не наглядны. Доступны лишь результаты взаимодействия микрообъектов с приборами.

6. 6. Квантовые явления относительны к средствам их наблюдения. Влияние человека неустранимо.

7. 7. Объекты микромира движутся со скоростями, близкими к с. Поэтому для описания их поведения требуется применение СТО. Это приводит к трансформации квантовой механики в квантовую теорию поля.

Суть ее в том, что поле рассматривается не как непрерывная среда, а как совокупность виртуальных частиц.

Лекция №12

Динамические и статистические закономерности в природе

ПЛАН

1. Энергия. Становление теории теплоты

2. Хаос и порядок в природе. Энтропия.

3. Начала термодинамики.

4. Самоорганизация в природе. Синергетика.

5. Динамические и статистические закономерности в природе.

1. Энергия. Становление теории теплоты.

ЭНЕРГИЯ – это способность совершать работу, мера различных форм движения. Это фундаментальное понятие современного естествознания, вошедшее в физику к середине 19века. История открытия закона сохранения энергии была связана с изучением механического движения.

При изучении сохранения механического движения ДЕКАРТ ввел понятие «количество движения» , а ЛЕЙБНИЦ – «живая сила» . Т.о, к 19 веку наука выработала представление об энергии в виде «живой силы»(активное начало движущегося тела) и «мертвой силы» (неподвижная, запасенная энергия). В современной структуре научного знания это соответствует кинетической и потенциальной энергии.

Затем были открыты и исследованы связи между механическим движением, теплотой, электричеством, химическими явлениями, магнетизмом и т.д. Результаты этих исследований привели к открытию закона сохранения и превращения энергии.

Формирование понятия механической энергии было связано с формированием понятия механической работы. Была обнаружена связь между механической работой и теплотой.

Было замечено, что во всех случаях механической работы присутствует трение. Трение – тепловое явление, к которым относятся также любые явления изменения температуры тел, переход в разные фазовые состояния. Учение о тепловых явлениях начинает развиваться с середины 18 века. Толчком явилось изобретение термометра ГАЛИЛЕЕМ.

В истории развития взглядов на природу теплоты прослеживаются 2 направления: