36. Соотношения неопределенностей. Постоянная Планка. Принцип дополнительности

Немец. Физик В. Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц и связанные с волн.

св-ми ограничения в их поведении, пришел к выводу в 1923г.: объект микромира невозможно одновременно с любой наперед заданной точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, микрочастица (микрообъект) не может иметь одновременно координату х и определенный импульс р, причем неопредел-ти этих величин удовлетв-т условию х* р>=h,(h-постоян. Планка), т.е. произведение неопр-тей координаты и импульса не может быть меньше постоянной Планка.(h=6,62*10(-34)Дж*сек).

Соотношение неопр-тей явл-ся квантовым ограничением применимости классич. механики к микрообъектам. Для описания микроо-в Н.Бор сформулировал в 1927г. принципиальное положение квантовой механики- принцип дополнительности, согласно к-му получение эксперимен. Инф-ции об одних физ. Величинах, описывающих микрообъект(элем. Частицу, атом,молекулу),неизбежно связано спотерей инф-ции о нек-х других величинах, дополнит-х к первым. Взаимно дополнит. частицами м. считать координату ч-цыи ее скорость(или импульс).Фактически принцип доп-ти отражает объективные св-ва квантовых систем, не связанные с наблюдателем.

39. Квантовые числа.Спин ч-ц .ПринципПаули. Фермионы и бозоны.

Хар-ки элемен-х ч-ц, принимающих дискретные значения, name квантовыми числами.(КЧ) Различают спиновое, орбитальное, магнитное и др. квантовые числа, also внутренние КЧ, к-е вводятся для того, чтобы формализовать закономерности, эксперим-но наблюдаемые в процессах, проис-х в микромире. Элемент. ч-цы – это маленькие вращающиеся волчки. Они хар-ся моментом импульса. Согласно квантовой механике, Момент импульса системы м. принимать не любые, а дискретные значения, его скачки равняются постоянной Планка(6.62*10(-34)Дж*с). Момент, измер-й в таких единицах, name спином. Он м. принимать целые или полуцелые значения. Бозоны-ч-цы или квазич-цы с целым спином, подчиняющиеся Бозе-Эйнш-на статистике. Принцип Паули- в одном квантовом состоянии физ.системы м.наход-ся не более 1 ч-цы с полуцелым спином. Фермионы-ч-цы с полуцелым спином :протоны, нейтроны, ядра, атомы,молекулы.

41. Виды радиоактивных излучений.Закон радиактивного распада. Период полураспада.

Радиоакт-ть(Р)-это самопроиз-ное испускание ядрами нек-х эл-в разразличных частиц(альфа-ч-ц, электронов и др-е), сопровождающееся переходом ядра в др-е состояние и измен-е его параметров. Активность-число распадов в единицу времени. Виды РИ:1.Альфа-распад-Радиоакт-ть(Р)-это самопроиз-ное испускание ядрами нек-х эл-в разразличных частиц(альфа-ч-ц, электронов и др-е), сева) –на 2 ед-ы.

3) )__(ώb__-испускание возбужденным ядром квантов света высокой частоты. Параметры ядра не изменяется, ядро переходит в состояние с меньшей энергией. Закон радиоа-го распада Nt=Noe , где –постоян-я радиоа-го распада; Nt-число нераспавшихся ядер в момент времени t; No-начальное число нераспавшихся ядер t=0. Период полураспада –время, через к-е распадается половина ядер.

Вопрос №47,48.

Разбегание галактик. Возраст метагалактики. Космологиче­ский гори­зонт. Масштабы вселенной.

Вселенная – это весь существующий материальный мир, без­граничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть вселенной, охваченная астрономическими наблюдениями, на­зывается Метагалактикой, или нашей вселенной. Размеры метага­лактики очень велики: радиус космологического го­ризонта состав­ляет 15-20 млрд., световых лет. В метагалактике пространство за­полнено чрезвычайно разреженным межгалактическим газом и про­низывается межгалактическими лучами. В нем существуют гравита­ционные и электромаг­нитные поля и т.д. Расстояние между нашей галактикой и другими галактиками непрерывно увеличивается, про­исходит взаимное удаление всех галактик (спи­ральные, эллиптиче­ские, неправильные). Сама метагалактика нестационарна. Возраст метагалактики 1,5*10¹⁰ лет. Закон Хабла: чем дальше от нас галак­тики, тем с большей скоростью .ротекать в интервале темпе­ратур с верхней границей порядка 1 млрд., градусов. В условиях вселенной на этапе нуклеосинтеза образование состав­ных ядер возможно только на соедине­ния протонов с нейтронами. Соединение протона с нейтроном создает ядро дей­терия, с двумя нейтронами – ядро трития (изотопы водорода). В основе объеди­не­ния двух и большего числа протонов лежит процесс нерезонансного захвата нейтрона протоном. В таком процессе захваченный нейтрон распадается на про­тон, электрон и антинейтрино и образуется ус­тойчивое ядро к которому присое­диняется еще 1 или 2 нейтрона и т.д. Однако в этом случае элементы с атомной массой 5 и 8 оказы­ваются неустойчивыми и распадаются. Явл., наз., «щелью массы». Таким образом нуклеосинтез в начальной фазе развития вселенной не образовать наблюдаемого в сегодняшней многообразия химиче­ских элементов, поэтому его назвали первичным нуклеосинтезом.

Реликтовое излучение: К моменту времени, когда радиус все­ленной достиг около 100 млн., парсек (3,3 светового года; 10¹⁶ м), а плотность снизи­лась до 10^-22 г/см³ , t = 3000 К. В этих условиях элек­троны получили возмож­ность прочно соединятся с ядрами, образуя устойчивые атомы водорода и гелия. Свободные электроны быстро исчезли, результате быстро прекратилось их взаимодействие с фото­нами и барионное вещество (атомы водорода, гелия и их изотопы) вселенной стало прозрачным. Излучение отделилось от атомарного и образовало то, что в нашу эпоху назвали реликтовым излучением. В своей структуре реликтовое излучение сохранило «память» о структуру барионного вещества в момент разделения. В наши дни температура Р. и. Составляет около 3 К, что соответствует равновес­ному излучению абсолютно черного тела на длинах волн в области от 10 до 0,05 см. Реликтовое излучение обнаружено экс­перимен­тально в 1964 г. Оно подтверждает горячие происхождение вселен­ной. В частности оно подтверждает, что к моменту протекания ре­комбинации (со­единение электронов с ядрами) барионное вещество во вселенной распределя­лось исключительно однородно и изо­тропно.

Вопрос 50. Антропный принцип и тонкая подстройка вселенной. Проблема вне­земной цивилизации.Попытки определить место жизни в развивающейся Вселен­ной сталкиваются с двумя обстоятельствами, решение которых надлежит найти в будущем. Речь идет об оп­ределении ближайшей точки, в которую толкает мир направлен­ное развитие, и о феномене "тонкой подстройки" Вселенной. Поняв первую из этих проблем, можно будет установить роль жизни в происходящем движении, ее предназначение. Посколь­ку направленность развития есть данность, изначально прису­щая материи, то появление в ходе этого процесса разума имеет какой-то смысл, предназначение. Возможно, что дальнейшее развитие системы требует осознанного продвижения. Эти общие рассуждения не отвечают на первый во­прос, ответ на него пока отсутствует.

Что же касается "тонкой подстройки" Вселенной, то она в определенной сте­пени связана с направленным развитием и за­служивает особого внимания. Все началось с «наивного» вопро­са: почему так называемые физические постоянные (ФП), на­пример, постоянной Планка, имеют такие, а не какие-нибудь иные зна­чения, и что случилось бы со Вселенной, если бы эти значения оказались дру­гими?

Увеличение постоянной Планка более чем на 15% лишает протон возможности объединяться с нейтроном, т. е. делает не­возможным протекание нуклеосинтеза. Тот же результат получа­ется, если увеличить массу протона на 30%. Изменение значе­ний этих ФП в меньшую сторону открыло бы возможность об­разования устойчивого ядра ²Не, следствием чего явилось бы выгорание всего водорода на ранних стадиях расширения Все­ленной. Требуемое для этого изменение суще­ствующих значе­ний величин не превышает 10%.

Но на этом не заканчиваются «случайные» совпадения.

Совокупность многочисленных случайностей на­зывается "тонкой под­стройкой" Вселенной. Не менее удивитель­ные совпадения встречаются и при рассмотрении процессов, связанных с возникновением и развитием жизни.

Таким образом, наука столкнулась с большой группой фак­тов, раздельное рассмотрение которых создает впечатление о необъяснимых случайных совпа­дениях, граничащих с чудом. Ве­роятность каждого подобного совпадения очень мала, а уж их совместное существование и вовсе невероятно. Под таким углом зрения сам факт существования направленно развивающейся Вселенной пред­стает как маловероятный. Но ведь никто не за­ставляет нас считать подобные факты случайными совпадения­ми. Вполне обоснованной представляется поста­новка вопроса о существовании пока непознанных закономерностей (со следст­виями которых мы столкнулись), способных организовывать Вселенную опре­деленным образом.

Устройство макромира — Вселенной — определяется свойст­вами состав­ляющих его микрочастиц. Только при наличии "тонкой подстройки" ФП, при наличии вполне определенных физических законов и выполнении ряда допол­нительных усло­вий, Вселенная может в ходе своего развития создавать эле­менты нарастающей сложности, системы со все возрастаю­щим уровнем струк­турой упорядоченности. На определенном этапе такого развития появляется «наблюдатель», способный об­наружить существование "тонкой подстройки" и задуматься о породивших ее причинах.

Признание "тонкой подстройки" закономерным природным явлением приво­дит к заключению, что с самого начала во Вселенной потенциально заложено появление "наблюдателя" на определенном этапе ее развития. А тем самым при­знается выделенность в природе Все­ленной и порождаемого ею «наблюдателя». В своем крайнем вы­ражении подобное допущение может быть истолковано так, что создание условий для появления «наблюдателя» являетеся целью развития Вселенной. Более разумный подход признает только то, что «наблюдатель» — это ступень к решению последующих задач развития. Но во всех это показывает существование у природы определенных целей.

Был выдвинут и в настоящее время широ­ко обсуждается антропный принцип. В современном виде он был сформулирован в 70-е годы в двух вариантах. Пер­вый получил наименование слабого антропного принципа, то, что мы предпола­гаем наблюдать, должно удовлетворять условиям, необ­ходимым для присутст­вия человека в качестве наблюдателя. Второй вариант назван сильным антроп­ным принципом: Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некоторой ста­дии эволюции мог существовать наблюдатель.

Слабый антропный принцип истолковывается так, что в ходе эволюции Вселен­ной могли существовать самые различные ус­ловия, но человек-наблюдатель ви­дит мир только на том этапе, на котором реализовались условия, необходимые для его суще­ствования. Короче говоря, раз человек есть то он увидит вполне определенным образом устроенный мир, ибо ничего другого ему увидеть не дано.

В трактовках сильного антропного принципа проявляются две противостоя­щие линии. С одной, стороны, этот принцип рассматривается с позиций стохас­тичности природных процес­сов, что вынуждает вводить предположение о мно­жественном рождении вселенных, в каждой из которых случайным образом реализуется произвольный набор физических постоянных и фи­зических зако­нов.

С другой стороны выдвигается предположение о самоорганизации единст­венной Вселенной. Однако и в этом слу­чае возникает ряд новых проблем: если "тонкая под­стройка" изначально заложена во Вселенной, то линия ее по­сле­дующего развития в основном предопределена, а появление наблюдателя на со­ответствующем этапе неизбежно. Из этого следует, что в родившейся Вселен­ной потенциально было зало­жено ее будущее, а процесс развития приобретает целенаправ­ленный характер.