- •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:
11.3. Флуктуации и неальтернативная корреляция между ними в макромире
Ситуация, аналогичная изложенной в предыдущем пункте, имеет место и в макромире. При наличии неконтролируемого теплового воздействия характеристики макрообъекта и его макросостояния в тепловом равновесии, например, энергия е и температура Т, испытывают флуктуации, характеризуемые дисперсиями Dе и DТ. При этом относительные дисперсии этих величин убывают с ростом N, где N – число микрочастиц в макрообъекте. Разумеется, при больших N относительные флуктуации этих величин малы.
Решающие шаги, ведущие к последовательному описанию флуктуации в макромире, были сделаны Эйнштейном. Первоначально в 1905 году он создал теорию броуновского движения, продемонстрировав на примере этой модели всю важность и принципиальную неустранимость неконтролируемого теплового воздействия. Впоследствии в 1907-1911 гг. он заложил основы теории флуктуаций макропараметров в тепловом равновесии. В ней допускаются флуктуации макропараметров любого типа (и экстенсивных типа е, и интенсивных типа Т). Такие флуктуации всегда происходят одновременно и при этом коррелируют между собой.
Для любого реального макрообъекта в тепловом равновесии с конечным числом микрочастиц N его температура также флуктуирует
Т=Т0±∆T (11.2),
где Т – температура макрообъекта, То = const – температура термостата, a ∆T – дисперсия температуры макрообъекта. Это означает, что согласно Эйнштейну, понятие теплового равновесия носит более общий, динамический характер и равенство температур макрообъекта и термостата имеет место лишь в среднем.
Соответственно из теории флуктуации Эйнштейна следует, что флуктуации таких характеристик. как энергия макрообъекта E и его температура Т в тепловом равновесии, во-первых, одновременно отличны от нуля и, во-вторых, коррелированы между собой.
Корреляцию флуктуации энергии E и обратной температуры, B можно бы называть соотношением неопределенностей (СН) Эйнштейна
∆E∆B >кв (11.3).
Здесь ∆E и ∆B – дисперсии макропараметров, относящихся к макрообъекту и его макросостоянию, а кв – мера корреляции между ними, создаваемой неконтролируемым тепловым воздействием.
СН Эйнштейна в макромире демонстрирует наличие в тепловом равновесии существенной корреляции между характеристиками макрообъектов и их макросостояний. Корреляция между флуктуациями в макромире качественно отличается от альтернативной корреляции между флуктуациями в микромире. Ее можно было бы назвать неальтернативной корреляцией из-за того, что она демонстрирует согласованное поведение флуктуации как бы в фазе друг с другом, когда флуктуации разных характеристик не обратно, а прямо пропорциональны друг другу.
11.4. Универсальные корреляции между флуктуациями в неклассической физике.
Граница между микромиром, чувствительным к квантовому воздействию, и макромиром, чувствительным к тепловому воздействию, не всегда связана с различием между малыми и большими по размерам объектами. Более того, можно представить ситуации, при которых было бы необходимо одновременно учитывать флуктуации, порождаемые как квантовым, так и тепловым неконтролируемым воздействием. Типичный пример – это электромагнитное излучение в полости в условиях теплового равновесия. С его анализа, выполненного Планком, началось развитие неклассической физики. Тем самым возникает потребность в универсальном описании корреляции между флуктуациями в неклассической физике в целом.
На самом деле подобная проблема впервые была рассмотрена Э. Шредингером еще в 1930 году. Исходя из некоторых общих соображений о свойствах состояний в неклассической физике, он получил универсальное соотношение неопределенностей (СН) Шредингера, позволяющее в принципе учесть возможность проявления в природе двух указанных типов корреляции между флуктуациями; физических характеристик объектов и их состояний. СН Шредингера имеют вид
(∆A)(∆B)>RAВ (11.6),
где ∆А и ∆В дисперсии физических характеристик А и В, а Rab —обобщенная мера корреляции этих флуктуации.
Таким образом, СН Гейзенберга в микромире и СН Эйнштейна в макромире – это частные случаи универсальных СН Шредингера, характерных для неклассической физики в целом.
Флуктуации связаны с неравновесными процессами. В системах заряженных частиц они проявляются как хаотические изменения потенциалов, токов или зарядов; обусловлены как дискретностью электрического заряда, так и тепловым движением носителей заряда. Эти флуктуации являются причиной электрических шумов и определяют предел чувствительности приборов для регистрации слабых электрических сигналов.
Флуктуации велики в критической точке равновесия жидкости – пар.
Таким образом, корреляции между флуктуациями характеристик объектов и состояний представляют собой важнейшую особенность целостного описания природы в неклассической физике.
Контрольные вопросы:
1. Назовите характеристики микросостояния электрона, фотона.
Флуктуация импульса и координаты.
Дисперсия импульса.
Квантовые числа.
Энергия е и температура Т.
2. Что такое волна де Бройля?
Частица, обладающая импульсом и волновыми свойствами.
Частица, имеющая определенную длину волны.
Электрон, обладающий корпускулярным-волновым дуализмом.
Фотон.
3. Как проявляется целостность состояния фотонов при аннигиляции электрон-позитронной пapы?
Появление специфических свойств состояния систем одинаковых микрочастиц.
К изменению состояния и тем самым сказывается на свойствах второго фотона.
Целостность исходного состояния не нарушается.
Возникают два фотона, имеющие одинаковую энергию и летящие в противоположных направлениях.
4. Чем отличается поведение системы бозонов от системы фермионов?
Материя на макроуровне, существующая в двух качественно различных формах.
Квантоводинамическим состоянием.
Электромагнитной волной.
Взаимная непроницаемость макроскопических тел.
5. В чем проявляется целостность состояния этих систем?
Целым спином.
Нет предельного состояния классического электронного поля.
Взаимная непроницаемость.
Свой вариант ответа.
6. Какими особенностями обладает состояние теплового равновесия?
Возникающее макросостояние не зависит от начальных условий, тепловое равновесие устойчиво, для его задания достаточно фиксировать всего несколько физических величин.
Не зависит от начальных свойств с течением времени.
Зависит от свойств отдельного атома.
Содержит огромное число атомов.
7. В чем различие между детерминированным и стохастическим движениями?
Степень неупорядоченности макросистемы.
Энтропия.
Постоянная Больцмана.
Постоянная Планка.
8. Как проявляется ограничение воздействия на макроуровне природы?
Постоянной Больцмана.
Корреляцией.
СН Эйнштейна.
Энтропия макросистемы.
9. Что такое энтропия?
Мера неупорядоченности макрообъекта.
Медленное прохождение газа под действием перепада давления сквозь дроссель.
Внешняя работа, совершаемая газом.
Взаимодействие молекул.
10. Как энтропия изменяется в равновесных процессах?
Равна нулю.
Линейно возрастает.
Принимает максимальное значение.
Остается неизменной.
11. Какие типы корреляции между флуктуациями вам известны?
Альтернативные.
Неальтернативные.
Универсальные.
Все выше перечислены.
12. СН Гейзенберга имеет вид:
13. СН Эйнштейна имеет вид:
∆E∆B >кв
∆E∆B <кв
∆E∆B =кв
∆E∆B =0
14. Где наблюдаются корреляции между флуктуациями физических характеристик объектов и их состояний?
На макроуровне.
На микроуровне.
Все вышеперечисленные.
15. СН Шредингера имеют вид:
(∆A)(∆B)>RAВ
(∆A)(∆B)<RAВ
(∆A)(∆B)=RAВ
(∆A)(∆B)=0
16. В каких проблемах физики учет флуктуации существен?
Измерение характеристик микрообъектов в квантовой физике в так называемых несобственных состояниях, когда эти флуктуации могут быть немалыми.
Ситуации, когда число частиц в объекте мало (мезоскопические явления, нанотехнологии).
Критические состояния и фазовые переходы, когда даже малые флуктуации приводят к заметным последствиям (например, опаллесценция вблизи критической точки в системе «жидкость-пар»).
Случаи, когда вследствие симметрии средние значения характеристик макро- и микрообъектов тождественно равны нулю.
Все вышеперечисленные.