1. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА — РЕВОЛЮЦИЯ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

1.1.Классическая картина мира

Кначалу XX века классическая физика как область знаний об объективных закономерностях физического мира полностью сформировалась. В общих чертах классическая картина мира сводилась к следующим положениям.

1.1.1.Мир материален

Смысл этого утверждения таков.

•Существование и эволюция Вселенной в целом и материи, из которой она состоит, подчиняется объективным законам природы.

•Вселенная вечна и бесконечна.

•Сознание человека, познающего природу и самого себя, является продуктом эволюции материи.

•Законы природы познаваемы.

16

1.1.2. Две формы существования материи

Имеются две разные формы существования материи: вещество

иполе.

1.1.3.Вещество

Для элементов вещества характерны следующие атрибуты.

Локализация в пространстве. Это означает, что в каждый момент времени t любой малый элемент вещества — материальная точка — находится в строго определённом месте пространства с координатами x(t), y(t), z(t), или, символически, в точке, определяемой радиус – вектором положения r(t).

Пространственная протяжённость. Любой конечный объект, состоящий из вещества, занимает в пространстве некоторый объём

Динамические переменные. Возможность количественного описания динамического состояния (состояния движения) вещества с использованием таких величин, как масса объекта m (скаляр);

17

действующая на объект сила F{Fx , Fy , Fz }, скорость движения объекта v{vx ,vy ,vz }, его импульс p{px , py , pz } (векторы);

кинетическая энергия K = mv2 / 2 (скаляр) — и т.п.

Траектория движения точечного элемента вещества

(материальной точки). Последовательные положения любого такого объекта в процессе его движения x(t) ≡ x1(t), y(t) ≡ x2 (t) , z(t) ≡ x3 (t) образуют непрерывную дифференцируемую функцию времени t, с геометрической точки зрения — гладкую пространственную кривую. Вследствие этого в каждый момент определено не только положение объекта в пространстве, но и его скорость:

Три соотношения (1.1.2) удобно записать в виде одного символического равенства, используя компактные векторные обозначения:

Математическая модель динамики вещества. Движение вещества описывается классической механикой Ньютона – Лагранжа – Гамильтона (см. п. 1.2). Траектория материальной

18

точки определяется системой обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка.

1.1.4. Поле

Поле рассматривается классической физикой как материальная субстанция, обеспечивающая взаимодействие между пространственно удалёнными элементами вещества. Предметом изучения классической физики являются гравитационное поле (поле тяготения, поле силы тяжести) и электромагнитное поле — агент взаимодействия между электрически заряженными элементами вещества.

Поле как форму существования материи отличают следующие атрибуты.

Отсутствие пространственной локализации. Поле есть непрерывно распределённая в пространстве и во времени структура, не имеющая чёткой пространственной локализации.

Полевые переменные. Динамическими переменными, описывающими пространственно – временное поведение поля, служат полевые переменные, зависящие от времени и пространственных координат ϕ(t,x,y,z) ≡ ϕ(t,r). Таковыми являются потенциал поля (скаляр), напряжённость поля (вектор) и т.п.

Полевое описание вещества как сплошной среды.

Необходимо отметить, что в ряде случаев классическая механика применяет полевое описание динамики вещества, приближённо рассматривая его как сплошную среду, параметры которой

19

непрерывно изменяются в пространстве и во времени. При этом в качестве полевых переменных используются такие характеристики,

как локальная плотность вещества ρ(t,r), локальные давление p(t,r), температура Т(t,r), скорость движения v(t,r), удельная энергия e(t,r) и т.п.

Волновой характер динамического поведения поля. Для полевых переменных характерно периодическое в пространстве и во времени поведение полевых переменных ϕ(t,r), а динамику поля можно охарактеризовать как распространение волн.

Для электромагнитного поля, так же как и для других видов волн (например, акустических колебаний или поверхностных волн

на воде) характерны такие сугубо волновые явления, как интерференция волн и дифракция волны, огибающей препятствия.

При описании волн используют такие атрибуты, как длина волны λ и частота ν колебаний полевых переменных, которые связаны соотношением

где с — скорость распространения электромагнитного поля (скорость света).

Уравнения поля. Движение электромагнитного поля описывается классической электродинамикой Максвелла – Герца – Лоренца. Законы динамики гравитационного поля классической физике неизвестны.

20