Глава 3. Физические концепции описания микромира

1. Структурные уровни организации материи

В науке выделяются три уровня строения материи.

Микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^-16 см, а время жизни — от бесконечно­сти до 10^-24 с.

Макромир — мир макрообъектов, размерность которых соот­носима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах.

Мегамир — мир огромных космических масштабов и скоро­стей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и мил­лиардами лет.

Хотя на этих уровнях действуют свои специфические зако­номерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаи­мосвязаны.

Cогласно современным научным взглядам на природу, все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. В естественных науках выделяются два больших класса мате­риальных систем: системы неживой природы и системы живой природы.

В неживой природе в качестве структурных уровней организа­ции материи выделяют элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, физический вакуум, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы — галактики, сис­темы галактик — метагалактику.

В живой природе к структурным уровням организации мате­рии относят системы доклеточного уровня — нуклеиновые кисло­ты и белки; клетки как особый уровень биологической организа­ции, представленные в форме одноклеточных организмов и элементарных единиц живого вещества; многоклеточные организмы; надорганизменные структуры, включающие виды, популяции и биоценозы и, наконец, биосферу как всю массу живого вещества.

Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее простых, непосредственно воспринимаемых человеком ма­териальных объектов, переходят далее к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих за пределы че­ловеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повсед­невного опыта.

3.2 Квантово-механические представления. Корпускулярно-волновой дуализм

Впервые квантовые представления были введены в 1900 году немецким физиком М. Планком в работе, посвященной теории теплового излучения. Существовавшая в то время теория теплового излучения, построенная на основе классической электродинамики и статистической физики, приводила к противоречию. Чтобы его разрешить, Планк предположил, что свет испускается не непрерывно (как это следовало из классической теории излучения), а определенными дискретными порциями энергии - квантами и математи­чески представил это в виде формулы

E=hν,

где ν — частота света;

h — универсальная постоянная (постоянная Планка), характеризующая меру дискрет­ной порции энергии, которой обмениваются вещество и излучение.

В атомную теорию вошли таким образом прерывистые физические величины, которые могут изменяться только скачками. А. Эйнштейн в 1905 году построил теорию фотоэффекта, развивая квантовые представления Планка. Эйнштейн предположил, что свет не только испускается и поглощается, но и распространяется квантами, т.е. что дискретность присуща не только процессам испускания и поглощения света, но и самому свету, что свет состоит из отдельных порций - световых квантов.

Квант света, а более широко - электромагнитного излучения, называется фотоном. Этот термин ввел американский физико-химик Г. Льюис в 1929 году.     Для создания современной картины мира важным событием оказалось то, что в 1922 году американский физик А. Комптон открыл эффект, в котором впервые во всей полноте проявились корпускулярные свойства электромагнитного излучения (в частности, света). Экспериментально было показано, что рассеяние света свободными электронами происходит по законам упругого столкновения двух частиц.

Эффект Комптона выявил корпускулярные свойства света. Было экспериментально доказано, что наряду с известными волновыми свойствами (проявляющимися, например, в дифракции) свет обладает и корпускулярными свойствами: он состоит из частиц. В этом проявляется дуализм света, его корпускулярно-волновая природа.

Возникло формальное логическое противоречие: для объяснения одних явлений надо было считать, что свет имеет волновую природу, для объяснения других - корпускулярную. Разрешение этого противоречия и привело к созданию физических основ квантовой механики.

В 1924 году французский физик Луи де Бройль, пытаясь найти объяснение постулированным в 1913 году Н. Бором условиям квантования атомных орбит, выдвинул гипотезу о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма. Он утверждал, что не только фотоны, но и электроны и любые другие частицы материи наряду с корпускулярными обладают волновы­ми свойствами.

Согласно де Бройлю, с каждым микрообъектом связываются, с одной стороны, корпускулярные характеристики — энергия Е и импульс р, а с дру­гой, — волновые характеристики — частота ν и длина волны λ. Формулы, связывающие корпускулярные и волновые свойства частиц, такие же, как и для фотонов:

Е = hν

р=h/λ.

В 1927 году в эксперименте наблюдалась дифракция электронов, а позднее - дифракция и других частиц, тем самым справедливость гипотезы де Бройля была подтверждена экспериментально.

Таким образом, важная особенность явлений микромира заключается в том, что электроны и другие частицы ведут себя подобно корпускуле, когда, например, движутся во внешнем электрическом или магнитном поле, и подобно волне, когда дифрагируют, проходя сквозь кристалл. Это явление получило название корпускулярно-волнового дуализма.

Некоторые эффекты объясняются волновой теорией, некото­рые другие — квантовой. Поэтому следует использовать разные формулы и из волновой, и из квантовой теории для более полного описания процессов — таков смысл принципа дополнительности Н. Бора.

С принципом дополнительности связано и так называемое «со­отношение неопределенностей», сформулированное в 1927 году В. Гейзенбергом: произведение неопределенности в значении координаты и неопределенности в значении импульса не меньше, чем величина постоянной Планка:

∆Х·∆Р ≥h.

Чем точнее определена величина Х (∆Х → 0), тем больше становится неопределенность величины Р (∆Р → ∞). В квантовой ме­ханике не существует состояний, в которых и местоположение, и количество движения (произведение массы на скорость) имели бы вполне определенное значение. Частица со строго определенным импульсом совершенно не локализована. Чем более определенным становится импульс, тем менее определенно ее положение. В более общем плане можно сказать, что только часть относя­щихся к квантовой системе физических величин может иметь одно­временно точные значения, остальные величины оказываются нео­пределенными.

Энергию системы также можно измерить с точностью, не пре­вышающей определенной величины. Причина этого — во взаимо­действии системы с измерительным прибором, который препятствует точному измерению энергии. Из соотношения неопределеннос­тей вытекает, что энергии возбужденных состояний атомов, молекул, ядер не могут быть строго определенными.

Из данного обстоятельства, заключающегося в том, что сам из­мерительный прибор влияет на результаты измерения и участвует в формировании изучаемого явления, следовало, во-первых, пред­ставление об особой «физической реальности», которой присущ данный феномен, а во-вторых, представление о субъект-объектном единстве как единстве измерительного прибора и изучаемой реаль­ности. Человек перешел на тот уровень исследования, где его влияние оказывается неустранимым в ходе эксперимента, и фиксируемым результатом является взаимодей­ствие изучаемого объекта и измерительного прибора.