Лекция . Квантовая механика

Цель: Сформировать идею создания понятия сложной системы и ее роли в формировании современного мировоззрения: Почему новый диалог с природой возможен только в результате изучения механизмов эволюции неживых систем?

Форма: Лекция - беседа.

План:

1. Проверка понимания вопросов домашнего задания.

2. Видеоматериал « мира», учебный фильм.

3. Беседа на основе вопросов, продемонстрированных в видеоматериале.

• Что изучает квантовая механика и почему она так называется?

• Что такое корпускулярно-волновой дуализм?

• Что такое вакуум и что значит «возбужденный вакуум»?

• Что такое принцип дополнительности? Что такое античастица и чем она отличается от антитела?

• Что такое принцип неопределенности?

• Каково значение вероятностных методов в квантовой механике?

• В чем специфика отношения прибор-объект в квантовой механике?

• Сколько существует физических взаимодействий и как они называются?

• Чем вещество отличается от поля?

Краткое содержание ответов.

1.Квантовая механика – это физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне. В 1900 году М. Планк предположил, что свет испускается неделимыми порциями энергиями – квантами, представил формулу E=hv, где v – частота света, а h– универсальная постоянная, характеризующая меру дискретной порции энергии, которой обмениваются вещество и излучение.

Цель классической физики – описание объектов, существующих в пространстве, и в формулировке законов, управляющих их изменениями во времени. Для таких явлений как радиоактивный распад, дифракция, испускание спектральных линий, можно утверждать только, что есть некоторая вероятность того, что индивидуальный объект имеет такое-то свойство. То есть, в квантовой механике нет места для законов, управляющих изменениями отдельного объекта во времени.

В квантовой механике одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному.

Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов и устанавливает статистические законы.

В. Гейзенберг делает следующий вывод: « В экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов».

Н. Бор экспериментально обнаружил квантовый свет. Явление объясняется тем, что при переходе электрона с одной орбиты на другую рождается квант света с энергией, равной равнозначности энергий уровней. Линейчатый спектр – основная особенность атомных спектров.

Особенность явлений микромира: электрон ведет себя подобно частице, когда движется во внешнем электрическом или магнитном поле; как волна, когда дифрагирует, проходя сквозь кристалл - Корпускулярно-волновой дуализм.

… «нет никаких шансов последовательно описать световые явления, выбрав только какую-либо одну из двух возможных теорий – волновую или квантовую» \А. Эйнштейн \

«Усилия Бора были направлены на то, чтобы сохранить за обоими наглядными представлениями, корпускулярными и волновыми, одинаковое право на существование, причем он пытался показать, что хотя эти представления, возможно, исключают друг друга, однако они лишь вместе делают возможным полное описание процессов в атоме».

\В. Гейзенберг \ В этом суть принципа дополнительности Н. Бора.

В 1927 году Вернер Гейзенберг формулирует соотношение неопределенностей, согласно которому в квантовой механике не существует состояний, в которых местоположение и количество движения \ масса х скорость \имели бы вполне определенное значение. Чем более определенным становится импульс, тем менее определенно ее положение.

Вывод.1. Для абсолютно точной локализации частицы необходим бесконечно большой импульс, чего физически не может быть осуществлено.

2.Современная физика элементарных частиц доказала, что при сильных воздействиях частица разрушается, и происходит множественное рождение новых частиц.

4. Ни в одной квантовой системы не могут одновременно равняться нули все физические величины.

5. Энергию системы можно измерить только с точностью не превышающей определенную величину, так как система взаимодействует с измерительным прибором.

Из соотношения неопределенностей следует, что энергия возбужденных состояний атомов, молекул, ядер не могут быть строго определенными. На этом выводе основывается гипотеза происхождения Вселенной из «возбужденного вакуума».

Вакуум рассматривается как виртуальный \возможный \ мир, в котором вероятно спонтанное возникновение энергетического потенциала, преобразующегося в вещество.

В квантовой механике введен принцип детерминизма \детерминация – определение \,в соответствии с которым каждое событие является следствием чего-то. Невозможны события, не имеющие причины. Статистический характер квантовой механики признает, что одна причина может иметь разные следствия – неоднозначный детерминизм.

Значение эксперимента возросло вквантовой механики до такой степени, что «наблюдение играет решающую роль в атомном событии и что реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет» \В. гейзенберг \.

Вывод: измерительный прибор влияет на результаты измерения и участвует в формировании изучаемого явления, определяя

1. представление об особой «физической реальности» которой присущ данный феномен;

2. представление о субъект – объективном единстве как единстве измерительного прибора и изучаемой реальности.

«Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы»

\В. Гейзенберг \. Человек перешел на тот уровень исследования, где его влияние оказывается неустранимым в ходе эксперимента, и фиксируемый результат является взаимодействием изучаемого объекта и измерительного прибора.

Принципы исследования микромира:

1. каждая элементарная частица обладает корпускулярными и волновыми свойствами;

2. вещество может переходить в излучение – аннигиляция частицы и античастицы дает фотон \ квант света;

3. предсказать место и импульс элементарной частицы можно только с определенной вероятностью;

4. прибор, исследующий реальность, влияет на нее;

5. точное измерение возможно только при изучении потока частиц, но не одной частицы.

Уровни организации неживой материи.

1. Атом \ Демокрит, греч. «неделимый» \.

2. Первая модель атома Э. Резерфорда – планетарная модель атома. Поперечник атома –

10\-8 см., ядра –10\-12 см. масса протона больше массы электрона в 2000 раз. Плотность ядра – 10\-14 г\см3. Чтобы мечта алхимиков о превращении одного вещества в другое сбылась, необходимо изменить атомное ядро, что требует энергий в миллионы раз больше химических.

3. ХХ век открыл множество элементарных частиц: адроны, лептоны, фотоны. Ученвй П. Дирак предсказал существование античастиц с той же массой, что и частицы, но с зарядом противоположного знака.

4. Со временем ученые перестали употреблять понятие элемент \неделимый \ и взяли слово кварк. Это литературное и ничего незначащее слово. Все кажется элементарным, пока не обнаружишь его составные части. В 1994 был обнаружен последний из 6 разновидностей, самый тяжелый кварк.

Физические взаимодействия.

1. Сильные взаимодействия происходят между адронами \адрос–сильный \, к которым относятся барионы \барис – тяжелый \ - нуклоны \протоны и нейтроны \, гиперионы, мезоны. Сильные взаимодействия возможны только на малых расстояниях – 10\-13 см. Ядерные силы не зависят от заряда частиц. В сильных взаимодействиях величина заряда постоянна.

2. Электромагнитное взаимодействие в 100-1000 раз слабее. При нем происходит испускание и поглощение фотонов.

3. Слабые взаимодействия слабее электромагнитного, но сильнее гравитационного. Радиус действия на два порядка меньше сильного. За счет слабого взаимодействия светит Солнце: протон превращается в нейтрон. Позитрон, нейтрино. Испускаемое нейтрино обладает огромной проникающей способностью – оно проходит через железную плиту толщиной миллиард км. При слабых взаимодействиях меняется заряд частиц. С.В. осуществляется путем обмена промежуточными тяжелыми частицами – бозонами, аналог фотона. Бозон виртуален и нестабилен.

4. Гравитационное взаимодействие во много раз слабее электромагнитного. «Спустя 100 лет после того, как Ньютон открыл закон тяготения, Кулон обнаружил такую же зависимость электрической силы от расстояния. Но закон Ньютона и закон Кулона существенно различаются в следующих двух отношениях. Гравитационное притяжение существует всегда, в то время как электрические силы существуют только в том случае, если тела обладают электрическим зарядом. В законе тяготения имеется только притяжение, а электрические силы могут как притягивать, так и отталкивать» \А. Эйнштейн \.

Физика ХХ века признала :

1. Нельзя найти истину безотносительно от измерительного прибора.

3. знать одновременно и положение и скорость частиц

4. установить , имеем ли мы в микромире дело с частицами или волнами;

т.е. принцип относительности в квантовой механики. Из чего следует, что главная задача современной физики – создать общую теорию поля и физических взаимодействий.

«Установившееся в результате успехов науки, ставшее для европейцев традиционным видение мира – взгляд со стороны. Человек ставит опыты, ищет объяснение их результатам, но сам себя частью изучаемой природы не считает. Он – вне ее, выше. Теперь же начинает изучать природу изнутри, учитывать и наше личное присутствие во Вселенной, принимать во внимание наши чувства и эмоции» \Пригожин И. Краткий миг торжества \.

Литература для самообразования.

Гейзенберг В. Шаги за горизонт. Любое издание

Борн М. Моя жизнь и взгляды. М., 1973.

Домашнее задание: подготовка к «Круглому столу» : «Зачем гуманитариям учить естествознание».

Вопросы и темы для докладов.

1. Что такое наука?

2. Что такое естествознание?

3. Что такое научная рациональность? Нужна ли она творческому человеку?

4. Чем отличается наука от религии, философии, искусства, мистики, идеологии, мифологии?

5. Воздействие НТР на мировоззрение людей, на жизнь общества, отрицательные последствия .

6. Концепция сциентизма и антисцентизма.

7. Образ современного человека.

Литература.

Бердяев Н.А. Дух и машина // Судьба России. М., 1990

Бернал Д. Наука в истории общества. Любое издание.

Полани М. Личностное знание. М., 1995

Рассел Б. Человеческое познание. Его сфера и границы. М., 1957

Сноу Ч. Две культуры. М., 1973

Клайн М. Математика. Утрата определенности. М., 1984

Ясперс К. Смысл и назначение истории. М. 1999.