- •Введение
- •Общие методические указания по изучению дисциплины «Концепции современного естествознания» и выполнению контрольных заданий
- •Тематический план и модульная структура дисциплины «Концепции современного естествознания»
- •Структурный конспект лекций по дисциплине «Концепции современного естествознания» в схемах, определениях и таблицах
- •Лекция 1. Интеллектуальная сфера культуры и её связь с общим естествознанием
- •Литература.
- •Лекция 2. История естествознания
- •2.1. Периодизация истории естествознания
- •2.2. История естествознания в контексте трансдисциплинарных стратегий естественнонаучного мышления
- •Литература.
- •Лекция 3. Развитие представлений о материи, движении и взаимодействии в контексте развития исследовательских программ и картин мира
- •3.1. Развитие представлений о материи, движении и взаимодействии в протонаучной картине мира
- •3.2. Развитие представлений о материи, движении и взаимодействии в классическом и неклассическом естествознании
- •3.3. Развитие представлений о материи, движении и взаимодействии в постнеклассическом естествознании
- •3.4. Основные идеи и понятия общего естествознания
- •Литература.
- •Лекция 4. Монофундаментальность физики. Структурные уровни организации материи в рамках современной физики
- •4.1. Физика в контексте интеллектуальной культуры. Фундаментальность физики в естествознании
- •4.2. Общие представления о гипер-, мега-, макро-, микро-, гипомирах
- •4.3. Фундаментальные взаимодействия. Фундаментальные микрочастицы
- •4.4. Концепция пространственно-временных отношений. Физический вакуум
- •4.6. Концепции и методологические принципы квантовой механики. Понятие квантового микросостояния
- •4.7. Процессы в микромире. Элементы ядерной физики
- •Литература.
- •Лекция 5. Порядок и беспорядок в природе
- •5.1. Динамические и статистические закономерности (теории) в познании природы
- •5.2. Основные характеристики (макропараметры) равновесного теплового макросостояния и его термодинамическое и статистическое описание
- •5.3. Элементы неравновесной термодинамики диссипативных систем. Закономерности самоорганизации в природе
- •Литература.
- •Лекция 6. Химические концепции познания мира
- •6.1. Химия в контексте интеллектуальной культуры. Структурные уровни организации материи в рамках современной химии. Химические системы
- •6.2. Структурно-концептуальные разделы современной химии
- •6.2.1. Учение о составе вещества
- •6.2.2. Структурная химия
- •6.2.3. Проблемы учения о химических процессах
- •6.2.4. Эволюционная химия
- •Литература.
- •Лекция 7. Панорама современного естествознания в концепции «стрел времени»
- •7.1. Космология. Элементы физики Мегамира
- •7.3. Основные гипотезы («теории») происхождения жизни
- •Литература.
- •Лекция 8. Эволюционная концепция биологического уровня организации материи
- •8.1. Биология в контексте интеллектуальной культуры. Классификационные системы в биологии
- •8.2. Структурные уровни биологической организации материи на Земле
- •8.3. Генетика и эволюция
- •8.4. Синтетическая теория эволюции биологических структур материи. Макро- и микроэволюция
- •Литература.
- •Лекция 9. Биосфера и человек
- •9.1. Человек как особый уровень организации живой материи. Феномен человека "как существа трёхстороннего - биосоциокультурного"
- •9.2. Концепции биосферы и ноосферы
- •9.3. Концепции экологии
- •9.4. Коэволюционная синергетическая парадигма современного естествознания
- •Литература.
- •Контрольные задания
- •Контрольная работа № 1
- •Темы рефератов к контрольной работе № 1
- •Рекомендуемая литература
- •Приложения
- •Содержание
- •Тематический план и модульная структура дисциплины «Концепции современного естествознания»…………………………………………………8
4.6. Концепции и методологические принципы квантовой механики. Понятие квантового микросостояния
Основные идеи, принципы и законы квантово-полевой картины мира в определённой степени отражены в предыдущей лекции №3 (см. схему 20).
Мы их концептуальную основу отразим на основе выделения основополагающих концепций и методологических принципов квантовой механики (см. схему 31).
Схема 31. Основополагающие концепции и методологические принципы квантовой механики.
«Каждый элемент материи имеет свойства волны и частицы». |
«Всё: материя, энергия, квантовые характеристики выступают дискретными величинами, и нельзя измерить ни одну из них, не изменив её». |
«Квантовая механика отказывается от стремления к точным предсказаниям того, что произойдёт при опредеоённых условиях. Мало того, это считается невозможным – единственное, что можно предсказать - это вероятность тех или иных событий. Так, что в квантовой механике мы должны удовлетвориться расчётом вероятностей, при этом считать, что такова природа на самом деле». |
Принцип неопределённости в квантовой механике задаётся соотношениями неопределённостей В. Гейзенберга: и . и находит отражение в принципе дополнительности Н. Бора. |
«Получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих состояние микрообъекта, неизбежно приводит к потере информации о других физических величинах, дополнительных к первым». В общенаучном плане принцип дополнительности можно сформулировать следующим образом: «Всякое истинное глубокое явление природы не может быть однозначно определено с помощью слов нашего языка и требует для своего определения по крайней мере двух взаимоисключающих дополнительных понятий». |
«Любая новая более общая теория, являющаяся развитием предыдущих классических теорий, справедливость которых была экспериментально установлена для определенных групп явлений, не отвергает эти классические теории, а включает их в себя. В определенных случаях существует возможность предельного перехода новой теории в старую». |
«Более простая теория обычно имеет «внешнее оправдание» (соответствие эксперименту, т.е. свою верификацию) и «внутреннее совершенство» (красоту теории в виде ограничений на возможные качества систем), более «фальсифицируема и в то же время более информативна.». |
Квантовое микросостояние одной микрочастицы включает в себя как характеристики частиц, так и ее окружения. Состояние микрочастицы задается волновой функцией (амплитудой вероятности состояния) , которая является комплексной величиной, определяемой во всех точках пространства и в каждый момент времени. Движение частицы носит стохастический характер и в волновой механике уравнением движения является уравнение Шредингера, которое в общем случае имеет следующий вид:
,
а в случае стационарных состояний вид его упрощается
,
где - оператор Гамильтона.
Квадрат модуля волновой функции равен плотности вероятности, т.е. вероятности нахождения частицы в единице объема, .
Величина плотности вероятности является экспериментально наблюдаемой величиной, в то время как сама пси-функция, будучи комплексной, не доступна наблюдению.
Уравнение Шредингера можно применить и к квантовому микросостоянию системы частиц. Однако, в данном случае его решение всегда носит приближённый характер. При концептуальном анализе квантовой системы важную роль играют постулаты Бора (см. схему 32), квантовые статистики (см. схему 33) и квантовые числа микрочастиц (см. схему 34).
Схема 32. Обобщенные в рамках понятия квантовой системы постулаты Н. Бора.
Энергетический спектр атома (квантовой системы) дискретен. |
Частоты атомного излучения (электромагнитного излучения квантовой системы) связаны с энергетическими уровнями атома (квантовой системы). При переходе с уровня на уровень испускается квант излучения с частотой . При обратном переходе квант поглощается. . |
Вероятностный подход совместно с принципом тождественности, согласно которому состояния системы частиц, получающиеся друг из друга перестановкой тождественных частиц, нельзя различить ни в каком эксперименте, позволяют рассматривать такие состояния как одно физическое состояние. При этом принцип симметрии и асимметрии волновых функций при перестановке двух одинаковых микрочастиц позволяет ввести квантовые статистики Бозе-Эйнштейна и Ферми-Дирака (см. схему 33).
Схема 33. Основные свойства микрочастиц в рамках квантовых статистик.
Название квантовой статистики |
Свойства соответствующих классов микрочастиц |
Тип симметрии волновой функции |
|
Бозоны («коллективисты» имеют тенденцию скапливаться в одном квантовом состоянии. Элементарные частицы с целочисленными спинами, например, фотоны, фононы, пионы, тяжелые промежуточные бозоны, глюоны, гравитоны. |
При перестановке двух одинаковых микрочастиц знак волновой функции не меняется. Симметричные волновые функции. |
|
Фермионы («индивидуалисты»). Согласно принципу Паули: «Два и более одинаковых фермиона не могут находиться в одном состоянии». Элементарные частицы с получисленными спинами, например, электроны, протоны, нейтроны, кварки, все лептоны. |
При перестановке двух одинаковых микрочастиц меняется знак волновой функции. Антисимметричные волновые функции |
Как видно из схемы барионная вещественная материя создается из фермионов – протонов, нейтронов и электронов. При этом особое значение, по крайней мере, в объяснении физико-химических свойств химических элементов (совокупности атомов (изотопов) с одинаковым зарядом Z ядра) приобретает электронная структура, т.е. квантовое микросостояние электронов, определяемое набором соответствующих квантовых чисел (см. схему 34).
Схема 34. Квантовые числа и соответствующие условия квантования.
Название квантового числа и задание его значений |
Условия квантования и основные характеристики |
=1, 2, 3… |
Задает условие квантования энергии и характеризует уровни дискретных значений энергии атома, например, водородоподобного: . |
0, 1, 2, 3, …, . |
Задает условие квантования момента импульса микрочастицы, например, электрона в атоме: |
. |
Задает условие квантования проекции момента импульса микрочастицы, например, электрона в атоме: . |
|
Задает условие квантования собственного момента импульса микрочастицы, например, электрона в атоме: . Для электрона . |
|
Задает условие квантования проекции собственного момента импульса микрочастицы, например, электрона в атоме: . Характеризует спиновую степень свободы электрона. Для электрона . |
Итак, двигаясь от электромагнитной волны к понятию фотона и совершая внешне противоположное движение от электрона к его волне и наблюдению интерференции и дифракции электронов, мы осознали корпускулярно-волновой дуализм материи. Опираясь на корпускулярно-волновой дуализм и поняв вероятностный характер квантовой механики, мы ввели абстрактно-математическое описание квантового микросостояния одной микрочастицы на основе уравнения Шредингера, а также микросостояния системы тождественных частиц на основе квантовых статистик и квантовых чисел. Так мы получили новое видение электромагнитных взаимодействий и приблизились к квантовой электродинамике. Квантовая электродинамика – «это новое воззрение на взаимодействие между электронами и протонами, т.е. электромагнитная теория, но со всеми уточнениями, внесенными квантовой механикой». Как отмечает Р. Фейнман, «квантовая электродинамика – в принципе это теория всей химии, всех жизненных процессов, если жизнь сводится к химии, а, следовательно, и к физике». А так как электромагнитное взаимодействие доминирует в макромире, то «из квантовой электродинамики выводятся все известные механические, электрические и химические законы». Цивилизационная значимость квантовой механики в утилитарно-прикладном плане проявилась как в «физической экономике» индустриальной цивилизации, так и в кооперативном взаимодействии «информационной экономики» с «физической экономикой» в постиндустриальной цивилизации.