15.Квантово-механическая картина мира (основные принципы, ключевые понятия)

Квантово-механистическая картина мира представляет собой процесс дальнейшего развития и углубления наших знаний о сущности физических явлений. Развитие квантово-механистической картины мира базируется на утверждении корпускулярно-волновых представлений о материи, изменении методологии познания и отношения к физической реальности. Эйнштейн не включал в понятие «физическая реальность» акт наблюдения, а Бор считал его важным элементом физической реальности. Картина реальности в квантовой механике становится как бы двуплановой: характеристики исследуемого объекта и условия наблюдения. Таким образом, в квантово-механистической картине мира появляется принцип относительности к средствам наблюдения. Квантово-механическая картина дополнила четырёхмерный мир новой величиной – пространственно-временным интервалом, который стал оставаться неизменным (инвариантным) при переходе от одной системы отсчета к другой. В квантово-механической картине, в отличии от мех. карт. мира, пространственно-временные и энергетическо-импульсные классы не могут применяться независимо друг от друга, они дополняют друг друга, пространство, время и причинность оказались относительными и зависимыми друг от друга.

В квантовой механике относительность пространства-времени и причинности приводит к неопределенности координат и скорости в данный момент, к отсутствию траектории движения микрообъекта. В квантовой механике поведение каждой частицы подчиняется не динамическим (детерминистским), а статистическим законам. Таким образом, причинность в современной КПКМ имеет вероятностный характер (вероятностная причинность).

Все многообразие взаимодействий подразделяется в современной физической картине мира на 4 типа: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. По современным представлениям все взаимодействия имеют обменную природу, т.е. реализуются в результате обмена фундаментальными частицами – переносчиками взаимодействий.

16.Основные концепции Пространства и Времени в классической механики и теории относительности.

В 1687 г. Ньютон сформулировал основные законы движения и дал определение понятий пространства, времени, места и движения. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения.

Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.

Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.

На теоретическом уровне классической механики абсолютное пространство и время выступали в качестве универсальной инерциальной системы отсчета. На уровне эмпирического познания материального мира понятия «пространство» и «время» выступают в качестве относительного времени и пространства.

А. Эйнштейн отказался от представлений классической механики. Согласно представлению Эйнштейна, каждое движение тела происходит относительно определённого тела отсчёта, поэтому все физические процессы и законы должны формулироваться по отношению к точной системе отсчёта, следовательно, не существует никакого абсолютного пространства и времени.

Теория относительности рассматривает наш мир как четырёхмерный, где тремя координатами x, y, z описывают пространство, а четвёртой – t – время.

До 1915 г. пространство и время воспринимались как некая жесткая арена для событий, на которую все происходящее на ней никак не влияет (СТО). Тела двигались, силы притягивали и отталкивали, но время и пространство просто оставались самими собой, их это не касалось.

В ОТО пространство и время - динамические величины: когда движется тело или действует сила, это изменяет кривизну пространства и времени, а структура пространства-времени в свою очередь влияет на то, как движутся тела и действуют силы. Пространство и время не только влияют на все, что происходит во Вселенной, но и сами изменяются под влиянием всего в ней происходящего.

17.Основные выводы из СТО и ОТО А. Эйнштейна СТО устанавливает пространственно-временные свойства тела в зависимости от скорости его движения. В основе лежат 2 постулата: 1. Принцип относительности, согласно которому все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах, Эйнштейн расширил принцип относительности Галилея. 2. Принцип постоянства скорости света, согласно которому скорость света одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от направления распространения света от наблюдателя. Отказ от понятия эфира как от постоянной точки отсчета. Все системы отсчёта были признаны равнозначными. Относительность означает, что все системы отсчета одинаковы и нет системы, выступающей эталоном. В общем, из СТО следует, что длина тела и вообще расстояние между двумя материальными точками и длительность происходящих в них процессов, являются не абсолютными, а относительными величинами. При приближении к скорости света все процессы в теле замедляются, а размеры тела сокращаются. Пространство и время не являются абсолютными, т.е. целиком зависят от материальных объектов, которые в них находятся. СТО показала, что пространство и время тесно связаны между собой. В ходе этих исследований природа стала рассматриваться как организм, в котором все системы взаимосвязаны, т. е. зависят друг от друга.

ОТО – в рамках этой теории, являющейся дальнейшим развитием специальной теории относительности, говорится о том, что гравитационные эффекты обусловлены не силовым взаимодействием тел и полей, находящихся в пространстве-времени, а деформацией самого пространства-времени, которая связана, в частности, с присутствием массы-энергии. Эйнштейн разработал ОТО в 1915 – как релятивистскую теорию гравитации, основанную на постулатах СТО. Выводы ОТО: В ускоренно-движущихся СО свет распространяется не прямолинейно, а по искривленной траектории, значит, то же самое будет и в гравитационном поле по принципу эквивалентности. Исходя из того, что гравитация и движение к центру одинаковы, Эйнштейн заменил гравитацию на движение в ускоренной СО. Это значит, что и время в каждой точке пространства свое. Пространство, в котором нет гравитационного поля, не существует, т.е. нет пустого пространства (восстановление концепции Аристотеля).

Пространство-время проявляются лишь как свойство гравитационного поля, причем это поле искривленное, неевклидовое образование. Искривление определяется материей, а движение тел описывается без гравитационных сил. При маленьких скоростях сложные уравнения ОТО переходят в обычные уравнения Ньютона, а 4-х мерное пространство-время становится плоским.

18.Современные научные представления о физической реальности. Корпускулярно-волновые свойства материи. Фр. физ. де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. В своей работе «Свет и материя» он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи. Он утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Кванты света становились особым моментом строения микромира. Волны материи приняли абстрактно-математический облик и получили благодаря немецкому физику М. Борну символическое значение как «волны вероятности». Убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в дифракции электронов американскими физиками К. Дэвисоном и Л. Джермером. Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна, разрушал традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления. Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике стал всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.

19.Основные концепции детерминизма в науке. Детерминизм и причинность в современной физике Детерминизм – философское учение об объективной, закономерной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений материального и духовного мира. Центральным положением детерминизма является положение о существовании причинности. В определении видов детерминизма важное значение имеет подразделение физических законов и теорий на динамические и статические. Механический или классический детерминизм связан с фундаментальными теориями, которые носят динамический характер, наиболее ярко классический детерминизм выражен в классической механике Ньютона. Существует также детерминизм в статистических закономерностях, он представляет более глубокую форму детерминизма в природе. Эта форма детерминизма имеет название - вероятностный детерминизма. Значение вероятностного детерминизма стало очевидным после создания квантовой механики – статистической теории, описывающей движение элементарных частиц и систем , состоящих из таких частиц. Из этого следует вывод: динамические законы – первый этап в познании окружающего мира, статистические законы являются более высоким уровнем познания.

20.Эволюционная идея в космологии: концепция Большого взрыва и расширения вселенной. Александр Александрович Фридман решил для Вселенной уравнения общей теории относительности, не накладывая условия стационарности и доказал, что могут существовать два решения для Вселенной: расширяющийся мир и сжимающийся мир. Полученные Фридманом уравнения используют для описания эволюции Вселенной и в настоящее время. Американский астроном Эдвин Хаббл подтвердил расширение видимой части Вселенной. Линии в спектре движущегося источника смещаются на величину, пропорциональную скорости его приближения или удаления, поэтому скорость галактики всегда можно вычислить по изменению положения её спектральных линий. Факт постоянного расширения Вселенной установлен твердо. Самые далёкие из известных галактик и квазаров имеют такое большое красное смещение, что длины волн всех линий в их спектрах оказываются больше, чем у близких источников, в пять—шесть раз. Миллиарды лет назад галактики располагались значительно ближе друг к другу. Ещё раньше отдельных галактик просто не могло существовать, а ещё ближе к началу расширения не могло быть даже звёзд. Эта эпоха — начало рас­ширения Вселенной — удалена от нас на 12—15 млрд лет. Надёжно установлено, что самые старые звёзды различных галактик имеют примерно одинаковый возраст. Следовательно, большинство звёздных систем возникло в тот период, когда плотность вещества во Вселенной была значи­тельно выше современной. Идею о расширении Вселенной из сверхплотного состояния ввёл бельгийский астроном Жорж Леметр, а предположение, что первоначальное вещество было очень горячим, впервые высказал Георгий Антонович Гамов. Впоследствии эту гипотезу подтвердило открытие так на­зываемого реликтового излучения. Оно осталось как эхо бурного рождения Вселенной, которое часто назы­вают Большим Взрывом