17. Ква́нтовая меха́ника — раздел теоретической физики, описывающий квантовые системы и законы их движения.

Основными понятиями квантовой кинематики являются понятия наблюдаемой, состояния, среднего значения.

Основные уравнения квантовой динамики — уравнение Шрёдингера, уравнение фон Неймана, уравнение Линдблада, уравнение Гейзенберга.

Математический аппарат — теория операторов, теория вероятностей, функциональный анализ, операторные алгебры, теория групп.

Необычные явления, мысленные эксперименты и парадоксы квантовой механики

• Соотношение неопределённостей Гейзенберга

• Корпускулярно-волновой дуализм

o Дифракция электронов

• Сверхтекучесть (Бозе-конденсат)

• Сверхпроводимость

• Квантовая телепортация

• Квантовая запутанность (Квантовая нелокальность, «Квантовое Вуду»)

o Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена

• Парадокс Клейна

• Квантовый парадокс Зенона («Парадокс незакипающего чайника», связанный с аксиомой идеального измерения)

• Кот Шрёдингера

• Надбарьерное отражение

• Теорема о запрете клонирования

Разделы квантовой механики

В стандартных курсах квантовой механики изучаются следующие разделы

• математическая основа квантовой механики и теория представлений;

• точные решения одномерного стационарного уравнения Шрёдингера для различных потенциалов;

• приближённые методы (квазиклассическое приближение, теория возмущений и т. д.);

• нестационарные явления;

• уравнение Шрёдингера в трёхмерном случае и теория углового момента;

• теория спина;

• тождественность частиц;

• строение атомов и молекул;

• рассеивание частиц;

Комментарии

• Обычно квантовая механика формулируется для нерелятивистских систем. Рассмотрение частиц с релятивистскими энергиями в рамках стандартного квантовомеханического подхода, предполагающего фиксированное число частиц в системе, наталкивается на трудности, так как при достаточно большой энергии частицы могут превращаться друг в друга. Эти трудности устраняются в квантовой теории поля, которая и является самосогласованной теорией релятивистских квантовых систем.

• Важным свойством квантовой механики является принцип соответствия: в рамках квантовой механики доказывается, что в пределе больших величин действия (квазиклассический предел) и в случае, когда квантовая система взаимодействует с внешним миром (декогеренция), уравнения квантовой механики редуцируются в уравнения классической физики (см. Теорема Эренфеста). Таким образом, квантовая механика не противоречит классической физике, а лишь дополняет её на микроскопических масштабах.

• Некоторые свойства квантовых систем кажутся нам непривычными (невозможность одновременно измерить координату и импульс, несуществование определённой траектории частицы, вероятностное описание, дискретность наблюдаемых величин). Это вовсе не значит, что они неверны: это означает, что наша повседневная интуиция никогда не сталкивалась с таким поведением, т. е. в данном случае «здравый смысл» не может быть критерием, поскольку он годится только для макроскопических систем. Квантовая механика — самосогласованная математическая теория, предсказания которой согласуются с экспериментами. В настоящее время огромное число приборов, используемых в повседневной жизни, основываются на законах квантовой механики.

• Важно понимать, что квантовая механика не выводится из классической, хотя и может быть получена методами квантования из нее. Квантовая механика — это теория, построенная «с нуля», только при построении её требуется использовать принцип соответствия. Грубо говоря, «квантование системы» — это не дополнительное видоизменение классических уравнений движения, а совершенно новый взгляд на систему. Впрочем, неоднократно делались попытки вывести квантовую механику из какой-то более глубокой, и, возможно, более простой, теории, т. е. понять, почему законы квантовой механики именно такие, а не другие. К этим попыткам можно отнести множество интерпретаций квантовой механики. Строго говоря, в настоящее время нет какой-либо одной общепринятой интерпретации квантовой механики. Консервативно настроенные физики предпочитают считать, что вопросы, связанные с интерпретацией квантовой механики, выходят за рамки физики, смыкаясь с общими вопросами философии и методологии науки. Эту точку зрения выражает ироничный лозунг «Shut up and calculate!» — «Заткнись и считай!».

18. В конце XIX – начале ХХ века физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого концептуальные построения классической физики оказались непригодными. В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи. При переходе к исследованию микромира выяснилось, что физическая реальность едина. Исследуя микрочастицы, ученые увидели, что одни и те же объекты обнаруживают как волновые, так и корпускулярные свойства. 1. М. Планк пришел к выводу, что процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена лишь в известных неделимых порциях – квантах. Сумма энергий квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучений и универсальную естественную константу h, введенную Планком 14.12.1900г. (E=hy, где hy – квант энергии. y – частота). Был заложен фундамент квантовой теории, положено начало атомной физике и новой эре естествознания. 2. Эйнштейн в 1905 распространил квантовую теорию с теплового излучения на излучение вообще. Фотонная теория Эйнштейна утверждала, что свет – это постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление; и вместе с тем свет имеет прерывистую структуру. Свет рассматривается как поток световых квантов, или фотонов. Эта теория помогла понять явление фотоэлектрического эффекта (выбивание электронов из вещества под воздействием электромагнитных волн). Квантовую теорию света экспериментально подтвердили Милликен и Комптон. В результате обнаружилось, что свет ведёт себя не только как волна, но и как поток корпускул. 3. В 1924 Луи де Бройл выдвинул идею о волновых свойствах материи (работа "Свет и материя"). Утверждал, что волновые свойства присущи всем видам материи – электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Это помогло построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. В 1926 Шредингер нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи, Дирак обобщил его. Опытное подтверждение гипотеза Бройля получила в 1927, когда Дэвинсон и Джермер обнаружили дифракцию электронов. Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как волновых, так и корпускулярных свойств. Этот факт разрушал традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность, заключённую в малом объеме или конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления. Квантовомеханическое описание мира основывается: 1. На соотношении неопределённостей, установленным Гейзенбергом. Суть этого соотношения в том, что никогда нельзя одновременно знать оба параметра – координату и скорость. Соотношение неопределённостей – это выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. 2. На принципе дополнительности Бора. "Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего". Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов является результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов (в экспериментах). Чтобы получить общую картину микромира, корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплиментарными. С точки зрения классической механики, соотношение неопределенностей представляется абсурдом. Мы, люди, живем в макромире и в принципе не можем построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру.

Частицы, входящие в состав прежде «неделимого» атома, называют элементарными. К ним относят и те частицы, которые получают в условиях эксперимента на мощных ускорителях. Термин «элементарная частица» первоначально означал простейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Позднее физики осознали всю условность термина «элементарный» применительно к микрообъектам. Сейчас уже не подлежит сомнению, что частицы имеют ту или иную структуру, но тем не менее исторически сложившееся название продолжает существовать. Элементарными частицами называют частицы, внутренняя структура которых неизвестна на сегодняшний день, а размеры не превышают величины 10-15 (10-16) см. В настоящее время открыто более 350 микрочастиц. Основными характеристиками элементарных частиц являются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа. Основные характеристики элементарных частиц: 1) масса: массу покоя элементарных частиц определяют по отношению к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя – фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны – легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны – средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы – тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы – эл.ч. со средней продолжительностью жизни 10-22 (10-24) сек., 2) электрический заряд: все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. В 1967 американский физик М. Телл-Манн высказал гипотезу о существовании кварков – частиц с дробным электрическим зарядом. 3) среднее время жизни: делятся на стабильные и нестабильные. Стабильных частиц 5: фотон, две разновидности нейтрино (электронное и мионное), электрон и протон. Именно стабильные частицы играют важную роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10-10 – 10-24 сек, после чего распадаются; 4) спин (дополнительная степень частицы, которая обеспечивает еще одно состояние). Согласно современным представлениям, все элементарные частицы делятся на два класса – фермионы (названные в честь Э.Ферми) и бозоны (названные в честь Ш.Бозе). У фермионов спин полуцелочисленный, а у бозонов спин целочисленный. «Частицы с полуцелочисленным спином не могут находиться вместе, если их физ. состояния неодинаковы». Частицы фермионы образуют вещество, а частицы бозоны образуют полевые структуры (переносят взаимодействия), 5) квантовые числа: выражают состояние элементарных частиц. Все элементарные частицы делятся на два класса – фермионы (кварки и лептона) и бозоны – кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны). Эти частицы считаются истинно элементарными, т.е. далее неразложимыми. Существует 6 лептонов: электрон, мюон, таулептон, нейтрино (нейтрино электронное, нейтрино меонное, нейтрино таулептонное). Существует 6 анти лептонов: позитрон (противоположность электрона, только с положительным зарядом е+). Особенности кварков: 1) частицы заряженные, но заряд их дробный (1/3+- или 2/3+-), 2) в известной нам вселенной кварки не встречаются в свободном состоянии. Они существуют либо парами, либо тройками, так, чтобы их суммарный заряд был целочисленный (0+- или 1+-), 3) существует 6 ароматов кварков. Адроны – это частицы составленные из кварков. Барионы – адроны, составленные из 3 кварков. Мезоны – частицы составленные из пар кварк-антикварк. Антибарионы – из 3 кварков. Все элементарные частицы делятся на три поколения: 1) электрон, два первых кварка, электронное нейтрино; 2) мион, мионное нейтрино, два вредних кварка, 3) таулептон, таулептонное нейтрино, два последних кварка. Все известное в нашей вселенной состоит из первого поколения. Атом – мельчайшая частица химического элемента сохраняющая его основные свойства. Существует 118 атомов. Устройство атома (10-6 – 10-8): в центре ядро (10-13см), состоящее из нуклонов (протонов и нейтронов). Колличество протонов определяется зарядом атома (порядковым номером). Изотопы – атомы одного и того же элемента, отличающиеся друг от друга кол-вом нейтронов. Электронов в атоме может быть столько же сколько и протонов (порядка 118). Кварки в атоме находятся в протонах и нейтронах, а они находятся в ядре. Ядро окружают облака с электронами. Всем элементарным частицам присущ корпускулярно-волновой дуализм: с одной стороны, частицы представляют собой единые, неделимые объекты, с другой стороны, они в определённом смысле «размазаны» в пространстве. При определённых условиях такая «размазанность» может принимать даже макроскопические размеры. Квантовая механика описывает частицу используя так называемую волновую функцию, которая определяет не где точно находится частица, а где бы она могла находиться и с какой вероятностью.

Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий. Различают 4 фундаментальных взаимодействий в природе: 1) Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей (расстояние 10-13см.). При определенных условиях сильное взаимодействие прочно связывает частицы, результат – атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются устойчивыми, их трудно разрушить (атомные ядра; звезды, Солнце не могли бы генерировать свет и тепло). 2) Электромагнитное взаимодействие ≈ в тысячу раз слабее сильного, но более дальнодействующее. Взаимодействие такого рода свойственно электрически заряженным частицам. Носителем этого взаимодействия является не имеющий заряда фотон – квант электромагнитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы – в молекулы. Это взаимодействие – основное в химии и биологии (без него не было бы атомов, молекул, микроскопических объектов, а также тепла и света). 3) Слабое взаимодействие. Оно простирается на расстояние 10-15 – 10-22см. и связано с распадом частиц, напр. с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. Большинство частиц нестабильны именно благодаря этому взаимодействию (не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд). 4) Гравитационное взаимодействие – самое слабое, расстояние 10-13см. Однако на ультромалых расстояниях (10-33см) и при ультрабольших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение. Здесь начинают проявляться необычные свойства физического вакуума (не было бы галактик, звезд, планет, Вселенная не могла эволюционировать, т.к. гравитация является объединяющим фактором).

Физический вакуум. Это то, где ничего не работает, всё нулевое. Пока не возбуждено – нет физических действий. Вакуум даёт элементарные частицы. Вакуум не является абсолютной пустотой. В соответствии с квантовой теорией поля в вакууме непрерывно рождаются и умирают виртуальные частицы, которые при определённых условиях могут превращаться в реальные. Например, в ряде физических опытов из вакуума рождаются пары частица-античастица (с превращением энергии в массу). Согласно некоторым теориям, вакуум может находиться в разных состояниях с разными уровнями энергии. Современная наука пока не даёт удовлетворительного описания структуры и свойств вакуума. Считается, что в вакууме, в любой точке пространства существуют «нерожденные» частицы и поля абсолютно всех возможных видов. Но их энергия недостаточно велика, чтобы они могли появиться в виде реальных частиц. Наличие бесконечного множества подобных скрытых частиц получило название нулевых колебаний вакуума. В частности, в вакууме во всех направлениях движутся фотоны всех возможных энергий и частот. Но так как эти частицы летят во всех направлениях, то их потоки взаимно уравновешивают друг друга, и мы ничего не ощущаем. В тех случаях, когда однородность потока скрытых частиц нарушается, то их движется больше, чем в противоположном направлении, нулевые колебания в вакууме начинают себя проявлять

21. Современная, синтетическая теория эволюции (Э.) представляет собой синтез основных эволюционных идей Дарвина, прежде всего, идеи естественного отбора, с новыми результатами биологич. исследований в области наследственности и изменчивости.

Совр. теория эволюции имеет особенности: 1) ясно выделяет элементарную структуру, с которой начинается эволюция – это популяция; 2) выделяет элементарное явление (процесс) эволюции – устойчивое изменение генотипа популяции; 3) шире и глубже истолковывает факторы и движущие силы эволюции; 4) четко разграничивает микроэволюцию и макроэволюцию.

Микроэволюция – совокупность эволюционных изменений, происходящих в генофондах популяций за сравнительно небольшой период времени и приводящих к образованию новых видов. Макроэволюция связана с эволюционными преобразованиями за длительный исторический период, которые приводят к возникновению надвидовых форм организации живого. Изменения, изучаемые в рамках микроэволюции, доступны непосредственному наблюдению, тогда как макроэволюция происходит на протяжении длительного периода, и ее процесс может быть только реконструирован, мысленно воссоздан. Как микро так и макроэволюция происходят, в конечном итоге, под влиянием изменений в окружающей среде.

Основные законы эволюции: 1) Скорость эволюции в разные периоды неодинакова и характеризуется тенденцией ускорения. В настоящее время она протекает быстро, и это отмечается появлением новых форм и вымиранием многих старых. 2) Эволюция различных организмов происходит с разной скоростью. 3) Новые виды образуются не из наиболее высокоразвитых и специализированных форм, а из относительно простых, неспециализированных форм. 4) Эволюция не всегда идет от простого к сложному. Существуют примеры «регрессивной» эволюции, когда сложная форма давала начало более простым (некоторые группы организмов, например, бактерии, сохранились только благодаря упрощению своей организации). 5) Эволюция затрагивает популяции, а не отдельные особи и происходит в результате мутаций, естественного отбора и дрейфа генов.

Мате́рия (от лат. materia — вещество, от лат. mater — мать, матерь) — фундаментальное физическое понятие, связанное с любыми объектами, существующими в природе, о которых можно судить благодаря ощущениям.

Физика описывает материю как нечто, существующее в пространстве и во времени (в пространстве-времени) — представление, идущее от Ньютона (пространство — вместилище вещей, время — событий); либо как нечто, само задающее свойства пространства и времени — представление, идущее от Лейбница и, в дальнейшем, нашедшее выражение в Общей Теории Относительности Эйнштейна. Изменения во времени, происходящие с различными формами материи, составляют физические явления. Основной задачей физики является описание свойств тех или иных видов материи.

Основные виды материи