- •1. Лекция №1 4
- •8.1. Концепция измерения в неклассическом естествознании. 65
- •8.2. Концепция моделирования состояний 68
- •9.3. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц 83
- •11.2. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире 98
- •1.Лекция №1
- •1.1.Место, цели и задачи дисциплины
- •1.2.Распределение учебных часов и материала
- •1.3.Понятия об измерениях
- •1.4.Вопросы к экзамену
- •39. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире.
- •Лекция №2
- •2.1. Естествознание как трансдисциплинарная область научного знания.
- •2.2. Трансдисциплинарная идея моделирования природы.
- •2.3. Трансдисциплинарная идея единства объекта и его окружения.
- •2.4. Трансдисциплинарная идея пространственно-временных отношений в природе.
- •2.5. Трансдисциплинарная идея целостности природы.
- •2.6. Трансдисциплинарная идея экспериментальной достоверности.
- •2.7. Роль трансдисциплинарных идей в целостном понимании природы.
- •1. Дайте определение понятию “парадигма”.
- •2. Дайте определение понятию “трансдисциплинарность”.
- •3. Какими обстоятельствами ограничивается выбор модели в естественной науке?
- •4. Какие цели в науке имеет познавательный процесс?
- •5. Что такое методология?
- •6. Какую стратегию мышления порождает классическая стратегия мышления?
- •7. Сформулируйте две фундаментальные парадигмы естествознания.
- •Лекция №3.
- •3.1. Образ природы в классическом естествознании.
- •3.1.1. Концепция измерения в классическом естествознании.
- •3.1.2. Концепция единого пространства-времени.
- •3.1.3. Концепция моделирования объектов
- •3.1.4. Концепция контролируемого воздействия.
- •3.2. Образ природы в неклассическом естествознании
- •3.2.1. Концепция измерения в неклассическом естествознании
- •3.2.2. Концепция моделирования состояний
- •3.2.3. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц
- •3.2.4.Концепция макросостояний объектов
- •3.2.5. Концепция флуктуации и их корреляций
- •3.2.6. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире
- •1. Дать определение термину «состояние физической системы».
- •2. Что называют косвенными измерениями?
- •3. Что называют системой единиц?
- •4. Дать определение термину «масса».
- •5. Назовите закон фундаментальной силы тяготения.
- •6. Почему пространство и время относительны?
- •7. Какие исходные утверждения лежат в основе специальной теории относительности Эйнштейна?
- •8. Как происходит передача взаимодействия с точки зрения физики?
- •9. Какие характеристики описывают контролируемое воздействие на частицу?
- •Лекция №4.
- •4. Концепция измерения в классическом естествознании. Классические измерительные системы. Проблема измерения в классическом естествознании. Единицы измерения и системы единиц.
- •4.1. Проблема измерения в классическом естествознании.
- •4.2. Единицы измерения и системы единиц.
- •4.3. Возникновение систем мер.
- •4.4.Возникновение и распространение метрической системы мер.
- •4.5. Эталоны.
- •4.6. Атомные часы.
- •1. В чем состоит смысл проведения серий повторных экспериментов в естествознании и как на практике обрабатываются результаты измерений?
- •2. Чем обусловлена точность измерений в рамках классических представлений?
- •3. Что такое эталон единицы измерения физических величин?
- •Лекция №5
- •5.1. Временные отношения в природе
- •5.2. Пространственные отношения в природе
- •5.3. Взаимосвязь Пространства и времени
- •5.4. Целостное описание пространства-времени
- •1. Какое первое свойство пространства и времени?
- •2. Назовите второе свойство пространства и времени.
- •3. Что называется пространственными координатами?
- •4. Что может выступать в роли системы отсчета (со)?
- •Лекция №6
- •6.1. Моделирование
- •6.2. Традиции атомизма и непрерывности в естествознании.
- •6.3. Фундаментальные физические модели объектов
- •6.4. Масса как универсальная характеристика инертности и гравитации
- •6.6. Полная энергия и полный момент как фундаментальные характеристики объекта
- •6.7. Роль фундаментальных законов сохранения в описании природы
- •1. Что такое «моделирование»?
- •Лекция №7.
- •Концепция контролируемого воздействия:
- •7.1. Воздействие и взаимодействие
- •7.2.Характеристики контролируемого воздействия на частицу
- •7.3. Фундаментальные силы
- •7.4. Механическая энергия и динамика частицы
- •7.5. Энергия взаимодействия в системе частиц
- •6.Опишите энергию взаимодействия в системе частиц.
- •Лекция №8.
- •8.1. Концепция измерения в неклассическом естествознании.
- •8.2. Концепция моделирования состояний
- •8.2.1. Неклассические представления о характеристиках объектов и состояний
- •8.2.2. Фундаментальные модели неклассической физики
- •1. Почему с неклассической точки зрения прибор оказывается неидеальным каналом связи между экспериментатором и исследуемым объектом?
- •3. Каким понятием описывается макроскопическая обстановка, в которой находится исследуемый объект:
- •Лекция №9.
- •9.1. Ограничение воздействия на микроуровне как фундаментальный закон природы
- •9.2. Микросостояние одной микрочастицы.
- •9.3. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц
- •10. Что возникает в результате аннигиляции электрона и его античастицы?
- •11. Что называют бозонами?
- •12. Что представляет собой материя на макроуровне?
- •13. Что называют фермионами?
- •Лекция №10.
- •10.1. Тепловое равновесие как макросостояние.
- •10.2. Детерминированное и стохастическое движения. Ограничение воздействия на макроуровне как фундаментальный закон природы
- •10.3. Макропараметры как характеристики объектов и их макросостояний в тепловом равновесии
- •10.4. Два способа описания природы на макроуровне.
- •Лекция №11.
- •11.1. Флуктуации и их роль в описании природы
- •11.2. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире
- •11.3. Флуктуации и неальтернативная корреляция между ними в макромире
- •11.4. Универсальные корреляции между флуктуациями в неклассической физике.
- •Лекция №12.
- •12. Физические принципы создания современной эталонной базы. Использование явления сверхпроводимости.
- •12.1. Свойство сверхпроводимости
- •12.2. Изотопический эффект
- •12.4 Высокотемпературная сверхпроводимость
- •6. Назовите известные теоретические модели высокотемпературной сверхпроводимости.
- •7. Какое промышленное применение находит сверхпроводимость?
- •Лекция №13.
- •13. Явление Зеемана. Явление Джозефсона.
- •13.1. Эффект Зеемана
- •13.2. Явление Джозефсона.
- •5. Эффекта Джозефсона применяется:
- •Лекция №14.
- •14. Явление Мессбауэра. Другие эффекты квантовой физики
- •14.1. Краткая история жизни знаменитого ученого. Научные достижения
- •14.2. Предыстория вопроса
- •14.3. Открытие Мёссбауэра
- •14.4. Общие применения метода
- •14.5. Применение эффекта Мессбаура для изучения свойств поверхности и объема кристаллов
- •14.6. Химические применения метода
- •14.7. Выводы
- •Лекция №15.
- •15.1.Общие сведения.
- •15.2. Объяснение эффекта Холла с помощью электронной теории
- •15.3. Эффект Холла в ферромагнетиках.
- •15.4. Эффект Холла в полупроводниках
- •15.5. Эффект Холла на инерционных электронах в полупроводниках
- •15.6. Датчик эдс Холла
- •1. Что такое эффект Холла?
- •2. Дайте объяснение эффекта Холла с помощью электронной теории.
- •3. Опишите эффект Холла в ферромагнетиках.
- •4. Опишите эффект Холла в полупроводниках.
- •5. Опишите эффект Холла в инерционных электронах в полупроводниках.
- •6. Что такое датчик эдс Холла?
- •Лекция №16.
- •16. Измерение абсолютного заряда электрона и его удельного заряда. Опыт Милликена. Метод Томсона. Метод магнитной фокусировки Буша.
- •16.1. Инерционный метод измерения заряда. История открытия электрона
- •16.2. Метод магнитной фокусировки Буша
- •16.3. Опыт Милликена
- •1. В чем сущность метода Томсона?
- •2. Трубка Томсона?
- •3. Вывод формулы отношение заряда к массе частицы?
- •4. В чем основная задача электронной и ионной оптики? и как их принято называть?
- •5. Когда был открыт «метод магнитной фокусировки»?
- •6. В чем суть «метода магнитной фокусировки»?
- •7. Какие требования необходимо соблюдать при выполнении опыта?
- •8. Определение элементарного заряда посредством вычислительного эксперимента?
- •9. Вывод формулы заряда капли через скорость падения капли?
- •10. Современное значение "атома" электричества?
- •Лекция №17.
- •17.1. Шумы, обусловленные дискретностью вещества. Помехи
- •17.2. Дробовый эффект
- •17.3.Критерий устойчивости Найквиста. Формула Найквиста
- •17.4. Естественные пределы точности измерений
- •17.5. Методы повышения точности средств измерений и выполнения измерений
- •17.6. Фундаментальный источник погрешностей измерений. Основные понятия и виды погрешностей
- •17.7. Броуновское движение
- •1. Какие виды шумов вы знаете?
- •2. Как и где используются Шумы Найквиста?
- •3. Что называется Броуновским движением?
- •4. Что такое диффузия?
- •5. В чем различие между диффузией и броуновским движением?
- •6. Что такое точность измерений?
- •7. Какие виды погрешности вы знаете?
- •8. В чем заключается Дробовый эффект?
- •9. Дайте определение помехе.
- •Ответы на вопросы:
9.2. Микросостояние одной микрочастицы.
Среди микрочастиц есть составные (атомы, молекулы, атомные ядра) и элементарные. С классической точки зрения они не должны обладать какими-либо другими характеристиками, кроме энергии, импульса, массы и заряда. Но это не так.
По современным данным, в электроне нет более «мелких» составных частей, так что с классической точки зрения электрон – точечный объект и характеристики типа собственного момента у него быть не должно. Но уже о давно выяснилось, что многие свойства атомов и особенно их поведение в магнитном поле невозможно объяснить, если считать, что электрон не имеет никаких специфических внутренних характеристик.
Первым, кто это понял, был В. Паули. В 1924 году он показал, что для объяснения различных свойств атомов необходимо предположить, что электрон обладает двузначной внутренней характеристикой, не имеющей классического аналога. В классической физике у «точечного» электрона собственный момент должен быть равен 0, а у «протяженного» электрона с радиусом r10-13см величина момента, способная объяснить эксперимент, соответствовала бы линейной скорости на поверхности «вращающегося» электрона, намного превышающей скорость света с.
Дж. Улленбек и С. Гаудсмит (1925г.) высказали смелую гипотезу, согласно которой электрон обладает собственным моментом, но имеющим чисто квантовую природу. Они его назвали спином.
Понятие спина, величина которого определяется постоянной Планка, свойственно всем микрочастицам. Оно является для них столь же фундаментальным, как и понятия массы и заряда, и его следует воспринимать как исходное, внутренне присущее им качество.
Для исследования спина электрона и его проекций нужно, научиться их «выделять» в чистом виде. Решающую роль играет то обстоятельство, что электрон – заряженная микрочастица, так что с его спином неразрывно связан собственный магнитный момент.
Принципиальный опыт такого типа впервые был поставлен О.Штерном и В. Герлахом в 1921 году. Они пропускали поток «одинаковых» электронов через сильно неоднородное магнитное поле. Проекции спина электрона – это характеристики спиновых микросостояний, которые только по размерности совпадают с проекциями момента. Точнее характеристиками спиновых состояний являются спиновые квантовые числа, равные ± .
Наличие у микрочастиц специфической характеристики – спина, зависящего от постоянной Планку , показывает, что электроны и другие элементарные или составные микрообъекты – это особые «квантовые» частицы, или микрочастицы, свойства которых невозможно описать в рамках классического взгляда на природу, так что небольшими поправками к классической физике уже не обойтись. Необходимо перейти к качественно иному, неклассическому, описанию природы.
Дело в том, что в классической физике к описанию свойств света успешно применялись обе модели – корпускулярная и волновая. Некоторые свойства света проще описываются в корпускулярной модели, тогда как другие в волновой модели. Из теории электромагнетизма Максвелла следовало, что свет и другие электромагнитные излучения способны переносить любые доли энергии, импульса и момента. Если бы это было так, мы не могли бы наблюдать удаленные звезды, поскольку плотность переносимой энергии света должна убывать обратно пропорционально квадрату расстояния. Тот факт, что звезды все же наблюдаются, служит прямым указанием на то, что энергия света не всегда зависит от интенсивности волны и поэтому с расстоянием не убывает.
В классической физике электромагнитное излучение представляют в виде совокупности независимых гармонических волн или нормальных мод с определенными значениями и k. Проверкой того, что подобное описание адекватно физическому объекту, является тот факт, что для электромагнитных волн любого частотного диапазона наблюдаются явления интерференции и дифракции.
Опыты по пропусканию фотонов вдоль оси достаточно узкой щели показывают, что после щели они регистрируются в пределах области, превышающей размер щели, хотя это не укладывается в рамки волновой модели. Совокупность последовательно зарегистрированных фотонов полностью воспроизводит картину, соответствующую дифракции электромагнитного излучения с частотой и волновым числом k, несмотря на то, что каждый фотон регистрируется только один раз и притом локально, т.е. в одной точке пространства. Из этого можно сделать как минимум три важных заключения.
1. Локальность регистрации свидетельствует о том, что к фотону в момент регистрации все-таки можно применить модель частицы.
2. Наблюдаемый эффект колоколообразного распределения числа попаданий одинаковых фотонов в разные участки щели следует приписать неконтролируемому воздействию щели на каждый фотон, которое и вызывает изменение его первоначального состояния.
3. Признаками волны, т.е. способностью к дифракции, следует наделить состояние фотона до щели.
Таким образом, фотон – это материальный объект микромира. Если исходить из идеи единства природы, то аналогичное описание должно быть эффективно и в отношении любых других микрообъектов – электронов, протонов, нейтронов и т.п. Каждому из них, помимо известных из классической физики характеристик – энергии , импульса р, момента s – необходимо сопоставить и характеристики другого типа, имеющие смысл характеристик его состояния, которые учитывают наличие неконтролируемого воздействия макроскопического окружения. Для свободной микрочастицы с ненулевой массой такими характеристиками являются частота , волновое число (или длина волны де Бройля) Бр и спиновые квантовые числа.
После открытия Планка было установлено, что в физической реальности присутствуют две стороны -характеристики самого микрообъекта, совпадающие для свободных объектов с аналогичными характеристиками, используемыми в классической физике, и характеристики состояния микрообъекта, учитывающие неконтролируемое влияние макроскопического окружения микрообъекта.
Если микрочастица вынуждена совершать ограниченное движение, то ее состояние напоминает стоячую волну. Длины волн и волновые числа стоячих волн, описывающих микросостояния, зависят от дискретных индексов, которые в этом случай принято называть квантовыми числами. В результате физические характеристики микрообъекта, выраженные через характеристики состояния, также оказываются дискретными, или квантованными. К ним относятся энергия, а также импульс или момент. Тем самым, наблюдаемая на опыте дискретность значений физических величин возникает неслучайно. Она отражает фундаментальную роль другой стороны физической реальности – состояния микрообъекта. Квантовые числа – это как раз те самые характеристики состояния, от которых в данных задачах зависят фундаментальные характеристики микрообъектов.
В конечном итоге все многочисленные характеристики, изучаемые в физике ядра и элементарных частиц– это квантовые числа, характеризующие эти внутренние состояния микрообъектов.