- •Серия «Высшее образование»
- •Содержание
- •Раздел I 9
- •Раздел II 227
- •Раздел III. Контрольно-аттестационный 239
- •Предисловие
- •Раздел I Теоретико-концептуальный и естественноисторический
- •1. Принципы, методы и философские концепции науки и естественнонаучного познания
- •1.1. Определение науки и естествознания как отрасли науки
- •1.2. Наука и ненаука. Принципы или критерии научности
- •1.3. Структура, эмпирический и теоретический уровни и цель естественнонаучного познания
- •1.4. Методы научного познания
- •1.5. Философия науки и динамика научного познания в концепциях к. Поппера, т. Куна и и. Лакатоса
- •1.6. Основные этапы развития научной рациональности (науки) - классический, неклассический и постнеклассический
- •Вопросы для обсуждения
- •2. Генезис основных концептуальных понятий современного естествознания античными и средневековыми цивилизациями.
- •2.1. Роль и значение мифов в становлении науки и естествознания
- •2.2. Античные ближневосточные цивилизации
- •2.3. Античная Эллада (Древняя Греция)
- •2.4. Античный Рим
- •2.5. Античный Китай
- •2.6. Античная Индия
- •2.7. Арабское средневековье
- •2.8. Древняя Месоамерика — естествознание народа майя
- •2.9. Древние и средневековые Византия и Русь
- •2.10. Западноевропейское средневековье
- •2.11. Эпоха Возрождения
- •Вопросы для обсуждения
- •3. Концепции и принципы классического физического – механистического и термодинамического естествознания
- •3.1. Объекты физического познания и структура физических наук
- •3.2. Концепции предклассического механистического естествознания
- •3.3. Ньютоновы принципы классического механистического естествознания
- •3.4. Энергия, теплота, закон сохранения энергии и первое начало (принцип) термодинамики
- •3.5. Понятие качества энергии, энтропия, второе начало (принцип) термодинамики и принцип минимума производства энтропии
- •4. Концепции и принципы неклассического - полевого, квантового и квантово-полевого физического естествознания
- •4.1. Электромагнитное поле фарадея-Максвелла, электромагнитное взаимодействие и принципы специальной теории относительности - теории пространства-времени Эйнштейна и Минковского
- •4.2. Поле всемирного тяготения, гравитационное взаимодействие и постулаты общей теории относительности Эйнштейна - теории пространства, времени, материи, тяготения и движения
- •4.3. Концепции и принципы квантового естествознания
- •4.4. Квантово-полевой микромир сильного и слабого взаимодействий, принципы квантовой хромодинамики и систематики элементарных частиц
- •5. Фундаментальные принципы и обобщенные положения современного физического естествознания
- •5.1. Концепции пространство и время
- •5.2. Принципы относительности движения — классический, релятивистский и к средствам наблюдения
- •5.3. Концепции корпускулярности, континуальности и корпускулярно-волнового дуализма
- •5.4. Концепции симметрии, инвариантности и законы сохранения
- •5.5. Концепции физического вакуума
- •5.6. Основополагающие принципы и понятия физического естествознания
- •5.7. Физическое естествознание как целостная система знаний
- •6. Космологические и космогонические концепции естествознания о Вселенной
- •6.1. Вселенная как понятие и объект познания
- •6.2. Планеты, звезды, галактики и их структуры во Вселенной
- •6.3. Начало космологии, фридмановские космологические модели, разбегание галактик и расширение Вселенной
- •6.4. Космогоническая гипотеза Леметра, гипотеза Гамова «горячей сингулярности», «большой взрыв» и ранние эпохи образования Вселенной
- •6..5. Реликтовое излучение Гамова
- •6.6. Космологический Горизонт и крупномасштабная (ячеистая) структура Вселенной
- •7. Естествознание о Земле и планетах Солнечной системы
- •7.1. Планетная космогония
- •7.2. Геосферы и эволюция Земли
- •7.3. Геохронологическая и стратиграфическая шкалы
- •7.4. Географическая оболочка Земли
- •8. Концепции и принципы химического естествознания
- •8.1. Эволюция звезд, происхождение химических элементов и планетная химическая эволюция
- •8.2. Донаучный этап химии — ремесленная химия и алхимия античности и средневековья
- •8.3. Главная задача химии и основные этапы ее развития
- •8.4. Концепции химии об элементах и периодический закон Менделеева химических элементов
- •8.5. Концепции структуры химических соединений (структурной химии)
- •8.6. Концепции и законы химических процессов (реакций)
- •8.7. Концепции и принципы эволюционной химии и самоорганизации эволюционных химических систем
- •9. Концепции и принципы биологического естествознания
- •9.1. Объекты биологического познания и структура биологических наук
- •9.2. Гипотезы возникновения жизни и генетического кода
- •9.3. Концепции начала и эволюции жизни
- •9.4. Системная иерархия организации живых организмов и их сообществ
- •9.5. Экосистемы, экология и взаимоотношения живых существ
- •9.6. Основные концепции этологии
- •9.7. Энергетические и энтропийные процессы (энергетика) жизни
- •10. Концепции и гипотезы естествознания о человеке
- •10.1. Теическая гипотеза происхождения человека (творение Бога)
- •10.2. Эволюционные концепции происхождения человека
- •10.3. Мутационные гипотезы происхождения человека
- •10.4. Концепции этнологии
- •10.5. Теория пассионарности л. Н. Гумилева
- •10.6. Совместная эволюция человека и биосферы
- •11. Антропный принцип и мега-история Вселенной
- •11.1. О понятии мега-истории Вселенной
- •11.2. Предыстория антропного принципа
- •11.3. Этапы и процессы панкосмогенеза
- •11.4. О базовых параметрах Вселенной и Галактики (Млечного Пути)
- •11.5. Тонкая согласованность физических законов и мировых констант
- •11.6. Магия (мистика) больших чисел
- •11.7. Слабая формулировка антропного принципа
- •11.8. Сильная и сверхсильная формулировки антропного принципа
- •11.9. О кризисе планетарного цикла мега-истории Вселенной
- •12. Концепции постнеклассического естествознания и теорий самоорганизации
- •12.1. Возникновение и становление концепций постнеклассического естествознания
- •12.2. Динамика возникновения диссипативных структур
- •12.3. Устойчивость структур и механизм их эволюции
- •12.4. Механизмы потери устойчивости структур, катастрофы, бифуркации, математическая теория катастроф и прогнозы будущего
- •12.5. Природные диссипативные структуры (стихии)
- •12.6. Фракталы, сети и сетевые структуры природы и общества
- •12.7. Фундаментальные концепции постнеклассического естествознания
- •12.8. К проблеме постнеклассического межкультурного диалога естественных и гуманитарных наук
- •13. Математика и естественнонаучная реальность мира
- •13.1. Математизация как принцип целостности естествознания
- •13.2. Математика, математическая истина и теория познания
- •13.3. Непостижимая эффективность математики
- •Заключение
- •Раздел II Список тем рефератов Темы рефератов «Образы природы античного, раннего (средневековья и эпохи Возрождения) и классического (эпохи Нового времени) естествознания» (1 семестр)
- •Темы рефератов по разделу «Концепции естествознания Новейшего времени» (2 семестр)
- •Тематика рефератов «Биографические очерки и творчество великих ученых»
- •Раздел III. Контрольно-аттестационный
- •1.23. Проклассифицируйте, как определенные научно-познавательные понятия (факт, гипотеза, теория, закон), следующие утверждения:
- •8.30. Открыл в химии закон кратных отношений и заложил основы атомной теории:
- •Глава 8
- •Глава 9
- •Глава 12
- •Глава 13
- •Литература
- •1. Рекомендуемая литература
- •2. Обзор рекомендованной литературы
- •Содержание
- •Раздел I
- •Раздел II
- •Раздел III
4.3. Концепции и принципы квантового естествознания
Становление квантовых концепций. В конце XIX века состоялись открытия в разных областях физики, которые в дальнейшем послужили фундаментом при создании новой, квантовой физики. Каждое из этих открытий являлось само по себе замечательным событием в истории науки и достойно отдельного описания, поскольку этими открытиями и теориями продолжал развиваться и разрастаться уже отмеченный нами этап неклассического естествознания и неклассической науки в целом.
В 1895 году В. К. Рентген (1845-1923), занимаясь исследованием катодных лучей, обнаружил неизвестные лучи, способные проникнуть через непрозрачные (для обычного, оптического диапазона света) тела. Новые лучи Рентген назвал Х-лучами. Сейчас мы знаем, что Х-лучи (рентгеновские лучи) это не что иное, как самые обычные электромагнитные волны, но с длиной волны значительно меньшей, чем у видимого света.
В марте 1896 года (прошло всего несколько месяцев после открытия Рентгена) французский физик Анри Беккерель (1832-1908) сообщил об обнаружении им новых таинственных лучей, которые образуются в солях урана. Как станет ясно позднее, эти лучи возникают при радиоактивном распаде урана, т. е. Беккерель нашел не просто какие-то новые лучи, а обнаружил неизвестное до тех пор явление природы — радиоактивность.
В 1897 году выдающийся английский физик Джон Том-сон (1856-1940) обобщил все, что было известно к тому времени о катодных лучах, и пришел к выводу, что эти лучи — поток отрицательно заряженных частиц, которые были названы электронами. Электрон был, по существу, первой открытой элементарной частицей. Очень важная физическая характеристика — заряд электрона, была экспериментально определена только в 1912-1917 годах в работах американского физика Миллекена. Все известные к сегодняшнему дню электрические заряды других частиц оказываются всегда кратными заряду электрона.
Выдающиеся открытия в конце XIX — начале XX века привели к существенному изменению представлений о пространстве и времени, о материи, ее структуре и свойствах. В результате указанных фундаментальных открытий (открытие радиоактивности и электрона, построение специальной теории относительности, взаимосвязи массы и энергии, периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева) рушились прежние представления об атоме, главном объекте исследований того времени, как первом и неделимом кирпичике мироздания, введенном еще Демокритом в античное время.
Исследования в области оптики, а более конкретно, изучение спектров излучения в конце XIX века, также в конечном итоге приблизили ученых к пониманию строения атома.
Важным этапом на пути к квантовой физике было возникновение понятия кванта света. В 1900 году немецкий физик Макс Планк для решения проблемы излучения абсолютно черного тела выдвинул гипотезу о том, что энергия света излучается не непрерывно (согласно электромагнитной теории), а отдельными порциями — квантами. Величина кванта энергии Е пропорциональна частоте излучения. Вот знаменитая формула Планка для энергии излучения кванта: — постоянная Планка (относится к мировым, фундаментальным константам), v — частота света, Е — энергия кванта.
«Введение гипотезы квант равносильно крушению классической теории, а не простому ее видоизменению...», — говорил Планк.
Таинственная постоянная Планка h постепенно проникла во все разделы физики и химии. Роль открытия Планка постепенно была оценена всеми физиками. Вот какую оценку этой гипотезе дал А. Эйнштейн: «Открытие Планка стало основой всех исследований в физике
XX века и с тех пор почти полностью обусловило ее развитие... Больше того, оно разрушило остов классической механики и электродинамики и поставило пред наукой задачу: найти новую познавательную основу для всей физики».
Такой основой стала квантовая механика, до создания которой оставалось чуть больше двадцати лет.
Принципы квантового естествознания. Первый, но основополагающий и один из самых фундаментальных, шаг на пути зарождения квантовой механики как новой физической теории был сделан французским физиком Луи де Бройлем (1892-1987) в 1923 году, когда он в докторской диссертации выдвинул гипотезу о волновых свойствах материи. Задача, которую поставил перед собой де Бройль, состояла в том, чтобы материальной частице с массой т, движущейся со скоростью v, приписать некоторый волновой процесс, т. е. частице ставилась в соответствие волна, обладающая некоторой длиной волны де Бройля которая определялась знаменитой формулой де Бройля: где h — постоянная Планка.
Развивая идею де Бройля о том, что всем микрочастицам соответствуют волны, великий австрийский физик Эрвин Шредингер (1887-1961) ввел в 1926 году дифференциальное уравнение с частными производными для так называемой — функции, описывающей форму воли де Бройля. Введенная Шредингером функция задает амплитуду волн материи (волн де Бройля), изменяющихся от точки к точке и от одного момента времени к другому. Возникает естественный вопрос о физической природе волн.
Сначала физики полагали, что волны материи представляют собой реальные колебания, связанные с частицами. В частности, квадрат волновой функции электрона в атоме, на самом деле, описывает электрон не в виде частицы, а в виде электронного облака с различной плотностью в разных точках пространства. «Размазанность» электрона в пространстве не устраивала многих физиков, и тогда известный немецкий физик-теоретик Макс Борн (1882-1970) в том же 1926 году предложил вероятностную интерпретацию волновой функции. Вместо того чтобы рассматривать электрон как распределенный в некотором пространственном облаке, Борн интерпретировал квадрат — функции как плотность вероятности обнаружить электрон как частицу в той или иной точке пространства. Вероятностная интерпретация Борна хотя и является общепринятой в настоящее время, но уже давно испытывает определенные затруднения при описании явлений микромира, особенно при высоких и сверхвысоких энергиях частиц.
В квантовой механике при описании объекта (частицы) на первый план выступает понятие состояния объекта, отличное от классического понимания. Состояние частицы в классической физике задается координатами и скоростью частицы. В связи с невозможностью одновременного определения координаты и скорости согласно так называемому принципу неопределенности Гейзенберга, отпадает классическое задание состояния с помощью координат и импульсов. Квантовомеханичес-кое состояние задается с помощью набора квантовых чисел. Например, состояние электрона в атоме задается квантовыми числами n, l, m, и где n — главное квантовое число, l — орбитальное квантовое число, m — магнитное квантовое число, — спиновое квантовое число. Первые три квантовых числа имеют прямую связь с известными физическими характеристиками — энергией, моментом импульса и проекцией момента импульса на направление магнитного поля, соответственно. Спиновое квантовое число, или просто спин-частицы — сугубо квантовомеханическая и, даже более, квантово-релятивистская характеристика, отражающая внутренние (имманентные) свойства частицы, т. е. свойства, присущие ей по природе. Наши попытки «представить» спин частицы как величину, связанную с вращением частицы вокруг своей оси, наталкиваются на неразрешимые противоречия с теорией относительности. С другой стороны, этот факт подчеркивает то, что в микромире, макромире (и мегамире) могут существовать свои, «непересекающиеся», понятия.
Резюме
Квантовой или волновой механике (физике), созданной в течение нескольких лет в двадцатые годы XX столетия, суждено было стать фундаментом современной физики. Фундаментом, несмотря на то, что представления о частицах, из которых состоит мир, об атомах этого мира стали, с одной стороны, более глубокими и определенными, с другой стороны, стали и остаются «размытыми» и неопределенными, благодаря соотношению неопределенности Гейзенберга и корпускулярно-волновому дуализму де Бройля.
Необычность некоторых положений квантовой механики становится более понятной при сопоставлении, сравнении явлений и процессов, происходящих в микромире, с макроскопическими процессами. Например, длина волны де Бройля для электрона в атоме сопоставима с размерами самого атома, что дает основания говорить об электроне как о частице, так и о волне одновременно. Но, например, пылинка массой в один миллиграмм и движущаяся со скоростью один метр с секунду обладает такой мизерной длиной волны де Бройля, что о пылинке мы говорим только как о частице. Аналогичным образом, сравнивая пылинку и электрон в атоме, можно прийти к выводу (используя соотношение неопределенности Гейзенберга), что у электрона в атоме отсутствует траектория, тогда как у пылинки траектория есть.