Вход

Корпускулярная и континуальная картина мира

Реферат по философии
Дата добавления: 16 июня 2010
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 135 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
Содержание Введение 1. Корпускулярная и континуальная концепции описания природы 2. Теория о корпускулярных и волновых свойствах микрочастиц 3. Принципы неопределенности и дополнительности Заключение Список литературы Введение Хорошо известно стремление людей найти общее в окружающем их многообра зии вещей и явлений природы. Это стремление воплотилось в представлении о единстве мира. Целостное отражение единства мира - это результат синте за данных естественных наук: физики, астрономии, химии, биологии и др. Исторически мировоззрение развивалось от комплекса первобытных эмпир ических знаний, мифологических, религиозных представлений к философск о-теоретическому мировоззрению, и, зачастую в учениях мыслителей перепл етались религиозные и рациональные компоненты познания. Привнесение р ациональных представлений поднимало мировоззрение на качественно нов ую ступень, но не снимало еще само по себе вопроса о ненаучном отражении д ействительности, о наличии иррационального элемента в этом мировоззре нии. Стремление к единству многообразного получило одно из своих воплощени й в научных догадках мыслителей Древнего Востока, античной Греции и Рима . Следует подчеркнуть, что эти догадки, а затем гипотезы представляли соб ой единство естественнонаучного и философского подходов к анализу дей ствительности. Идея о Вселенной как едином целом, законы функциони рования которого доступны человеческому познанию и пониманию сыграли и продолжают играть конструктивную роль в формировании научной картин ы мира. Действительно, именно эта идея краеугольным камнем лежит в миров оззренческом и методологическом основании современной науки. Цель данной р аботы – рассмотреть корпускулярную и континуаль ную картину мира. Задачи: изуч ить корпускулярную и континуальную картину мира; выявить значение корпускулярной и волновой теории мик роорганизмов. 1. Корпускулярная и континуальная концепции описа ния природы Участвуя в выработке естественнонаучной или «физи ческой» картины мира, естествознание главным образом своей теоретичес кой частью (понятия, категории, законы, принципы, теории), а также разработ кой приемов и методов научного исследования примыкает к философскому м атериализму. С каждым этапом развития естествознания закономерно смен ялась форма развития материализма в зависимости от естественнонаучных открытий. В целом ход развития естествознания это от созерцания природы (древност ь) через аналитическое расчленение (15-18 вв.), где получил метафизический взг ляд на природу, к синтетическому воссозданию картины природы в ее всесто ронности, целостности и конкретности (19-20 вв.). В центре современного естествознания до середины 20 в. стояла физика, искавшая способы использования атомн ой энергии и проникавшая в область микромира, в глубь атома, атомного ядр а и элементарных частиц. Так например, физика дала толчок в развитии друг их отраслей естествознания – астрономии, космонавтики, кибернетики, хи мии, биологии, биохимии и других естественных наук. Физика вместе с химие й, математикой и кибернетикой помогает молекулярной биологии решать те оретически и экспериментально задачи искусственного биосинтеза, спосо бствует раскрытию материальной сущности наследственности. Физика такж е способствует познанию природы химической связи, решению проблем косм ологии и космогонии. В последние годы начинает лидировать целая группа н аук – молекулярная биология, кибернетика, микрохимия. К современному естествознанию относятся концепции, возникшие в ней в ХХ веке. Но не только последние научные данные можно считать современными, а все те, которые входят в толщу современной науки, поскольку наука предс тавляет собой единое целое, состоящее из разновременных по своему проис хождению частей. В отличие от классической механики исследования микрочастиц к началу XX века были в начальной стадии. Лишь в самом конце XIX века в результате серии экспериментов В. Крукса, Ж. Перрена, Дж. Дж. Томпсона и Ч. Вильсона был открыт электрон. Результаты этих экспериме нтов показали, что электрон представляет собой микрочастицу, отрицател ьно заряженную, имеющую массу порядка 10~ 27 г (что примерно в 2000 раз меньше массы атома водорода), распрос траняющуюся в вакууме при отсутствии внешних полей прямолинейно и откл оняющуюся под действием электрического или магнитного полей. Такие сво йства электрона находились в полном соответствии как с классической ме ханикой, так и с классической электродинамикой. В 1913 году Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома с электронами, в ращающимися вокруг атомного ядра, а Н. Бор сформулировал свои знаменитые постулаты, определяющие строение атома. При этом не возникало никаких с омнений, что этот новый и еще детально не изученный субатомный мир микро частиц описывается законами классической механики. Единственный эксперимент тех лет вызывал недоумение — это эксперимен т К. Дэвиссона 1921— 1922 годов, в котором наблюдался процесс рассеяния электр онов тонкими металлическими фольгами. Было рассеяния достаточно узког о пучка достаточно монохроматических электронов классическая механик а предсказывала, что электроны должны рассеиваться также в виде узкого п учка, направленного под определенным углом к падающему пучку. Предполож или, что наблюдаемый эффект является результатом наличия неоднороднос тей на поверхности фольги Делоне Н.Б. Изменение фундаментальных законов ест ествознания. // СОЖ. – Т.7. – 2001. - №6. . 2. Теория о корпускулярных и волновых свойствах микрочастиц Фундаментальным открытием в физике микромира явилась гипотеза француз ского физика Луи де Бройля (1899— 1987) о корпускулярно-волновом дуализме прир оды микрочастиц. Из этой гипотезы и факта ее экспериментального подтвер ждения выросла новая волновая (квантовая) механика как метод описания ми кромира. Гипотеза де Бройля широко известна, она формулируется и обсужда ется во всех монографиях и учебниках, посвященных физике микромира и ква нтовой механике, а также во многих научно-популярных книгах, в том числе н аписанных как самим де Бройлем, так и другим основателем квантовой механ ики, В. Гейзенбергом. Так как частица, например электрон, представляет собой объект, который х орошо локализован в пространстве, то с ним не может быть связана бесконе чная плоская волна, волна должна быть также хорошо локализована в простр анстве. Де Бройль предположил, что это группа волн, имеющих весьма близки е частоты, то, что сейчас называется волновым пакетом. Центр волнового па кета перемещается с групповой скоростью, совпадающей со скоростью част ицы (что видно из формулы Рэлея для групповой скорости волны в среде с дис персией). Де Бройль перенес на частицы с массой покоя уже известную к тому времени модель корпускулярно-волновой природы фотона, частицы, не имеющей массы покоя, что дало исходное соотношение для длины волны де Бройля (10). Однако х од его мысли при этом был противоположен ходу мысли Эйнштейна. Если Эйнш тейн стартовал с волновых свойств света и предположил наличие его корпу скулярных свойств (квантов света), то де Бройль стартовал с корпускулярн ых свойств частицы и предположил наличие у нее также и волновых свойств. Исходя из его гипотезы, можно сказать: во-первых, корпускулярно-волновой дуализм был перенесен и на частицы с массой покоя. Во-вторых, использован ие групповой скорости волны в рамках принципа Ферма привело его в соотве тствие с принципом Мопертюи для частицы с массой покоя, двигающейся со с коростью т). Наконец, в-третьих, появилось и объяснение целым числам в теор ии атома Бора: стационарные орбиты (состояния электрона в атоме) — это те , на длине которых точно укладывается целое число п длин волн де Бройля (10) д ля электрона, движущегося по данной орбите. Однако де Бройль понимал наиболее важное следствие из своей гипотезы. Он уже в 1923 году писал: «Любое движущееся тело в определенных случаях может д ифрагировать. Поток электронов, проходящий через достаточно малое отве рстие, должен обнаруживать явление дифракции» Бройль Л. Революция в физике. – М.: Прогрес с, 1987. . В диссертации, написанной в 1924 году, он уже испол ьзовал свою гипотезу для качественного и количественного описания раз личных оптических явлений. Первая реакция на идеи де Бройля была скорее негативной, чересчур револю ционный характер этой гипотезы нарушал устоявшийся и привычный взгляд на частицы как на типичный объект классической механики. Однако многое п редставлялось убедительным. Прошло всего несколько лет, и гипотеза де Бр ойля была подтверждена многочисленными экспериментами и легла в основ у волновой (квантовой) механики, развитой среди выдающихся теоретиков та кже и де Бройлем. Не вызывает сомнений, что гипотеза де Бройля о корпускулярно-волновом ду ализме природы микрочастиц является выдающимся вкладом в познание чел овеком окружающего мира. Рентгеновский диапазон частот был к тому времени уже хорошо освоен эксп ериментаторами, в частности при наблюдении эффекта Комптона. Поэтому пр оведение экспериментов по наблюдению волновых свойств электрона предс тавлялось вполне реальным. В 1926 году М. Борн, обсуждая с К.Дэвиссоном резуль таты его старых опытов по рассеянию электронов металлическими фольгам и, обратил его внимание на гипотезу де Бройля как возможную причину объя снения максимумов и минимумов в угловом рассеянии электронов. Если гипо теза де Бройля верна, то результат рассеяния электронов на отдельном кру пном кристалле в металлической фольге должен быть эквивалентен резуль тату интерференции рентгеновских лучей при их отражении от кристалла, н аблюдавшемся отцом и сыном Брэггами в начале XX века. В 1927 году К. Дэвиссон и Л. Джермер возобновили опыты 1922— 1923 годов, улучшив пос тановку эксперимента, и получили для рассеяния электронов от монокрист алла никеля результаты, хорошо согласующиеся с формулой Брэгга— Вульф а. Это было первое экспериментальное подтверждение гипотезы де Бройля. В дальнейшем для наблюдения волновых свойств электронов использовали детально разработанные в оптике классические методы Лауэ и Дебая — Шер ера, позволившие получить прекрасные фотографии интерференционных кол ец. Корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместим ыми в отношении их одновременного проявления, однако они в равной мере х арактеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Эта идея была высказана Н. Бором и положена им в основу важнейшего методологического принципа сов ременной науки, охватывающего в настоящее время не только физические на уки, но и все естествознание - принципа дополнительности (1927). Суть принципа дополнительности по Н. Бору сводится к следующему: как бы далеко не выход или явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаим оисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупнос ть которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целост ных Багров В. Г. Открытие неклассической логики // СОЖ. - 2000. - Т.6 . - № 7 . Важно отметить, что идея дополнительности рассматривалась Бором как вы ходящая за рамки чисто физического познания. Он считал (и эта точка зрени я разделяется в настоящее время), что интерпретация квантовой механики « имеет далеко идущую аналогию с общими трудностями образования человеч еских понятий, возникающих из разделения «субъекта и объекта». Принцип дополнительности, как общий принцип познания может быть сформу лирован следующим образом: всякое истинное явление природы не может быт ь определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных по нятий. К числу таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизн ь, психика и др. Бор, в частности, видел необходимость применения принципа дополнительности в биологии, что обусловлено чрезвычайно сложным стро ением и функциями живых организмов, которые обеспечивают им практическ и неисчерпаемые скрытые возможности Агеев А.С. Квантовая физика. – М.: Наука, 2003. . 3. Принципы неопределенности и дополнительности Согласно двойственной корпускулярно-волновой природе частиц вещества для описания свойств микрочастиц используются либо волновые, либо корп ускулярные представления. Приписать им все свойства частиц и все свойст ва волн нельзя. Возникает необходимость введения некоторых ограничени й в применении к объектам микромира понятий классической механики. В классической механике всякая частица движется по определенной траек тории, так что в любой момент времени точно фиксированы ее координата и и мпульс. Микрочастицы из-за наличия у них волновых свойств существенно от личаются от классических частиц. Одно из основных различий заключается в том, что нельзя говорить о движении микрочастицы по определенной траек тории и об одновременных точных значениях ее координаты и импульса. Это следует из корпускулярно-волнового дуализма. Так, понятие «длина волны в данной точке» лишено физического смысла, а поскольку импульс выражаетс я через длину волны, то микрочастица с определенным импульсом имеет полн остью неопределенную координату. И наоборот, если микрочастица находит ся в состоянии с точным значением координаты, то ее импульс является пол ностью неопределенным. Немецкий физик В. Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц и с вязанные с волновыми свойствами ограничения в их поведении, пришел в 1927 г. к выводу: Объект микромира невозможно одновременно с любой наперед заданной точ ностью характеризовать и координатой, и импульсом. Согласно соотношени ю неопределенностей Гейзенберга микрочастица (микрообъект) не может им еть одновременно координату х и определенный импульс р, причем неопреде ленности этих величин удовлетворяют условию ∆х ∆р≥h h — постоянная Планка, т. е. произведение неопределенностей координаты и импульса не может быть меньше постоянной Планка. Невозможность одновременно точно определить координату и соответству ющую ей составляющую импульса не связана с несовершенством методов изм ерения или измерительных приборов. Это следствие специфики микрообъек тов, отражающей особенности их объективных свойств, их двойственной кор пускулярно-волновой природы. Соотношение неопределенностей получено п ри одновременном использовании классических характеристик движения ч астицы (координаты, импульса) и наличия у нее волновых свойств. Поскольку в классической механике принято, что измерение координаты и импульса мо жет быть произведено с любой точностью, то соотношение неопределенност ей является, таким образом, квантовым ограничением применимости класси ческой механики к микрообъектам. Соотношение неопределенностей, отражая специфику физики микрочастиц, позволяет оценить, например, в какой мере можно применять понятия класси ческой механики к микрочастицам, в частности, с какой степенью точности можно говорить о траекториях микрочастиц. Известно, что движение по трае ктории характеризуется в любой момент времени определенными значениям и координат и скорости. Для макроскопических тел их волновые свойства не играют никакой роли: ко ордината и скорость макротел могут быть одновременно измерены достато чно точно. Это означает, что для описания движения макротел с абсолютной достоверностью можно пользоваться законами классической механики. Соотношение неопределенностей неоднократно являлось предметом филос офских дискуссий, приводивших некоторых философов к его идеалистическ ому истолкованию: соотношение неопределенностей, не давая возможности одновременно точно определить координаты и импульсы (скорости) частиц, у станавливает границу познаваемости мира, с одной стороны, и существован ия микрообъектов вне пространства и времени — с другой. На самом деле со отношение неопределенностей не ставит какого-либо предела познанию ми кромира, а только указывает, насколько применимы к нему понятия классиче ской механики Тернов И.М., Жуковский В. Ч., Борисов А.В . Квантовая механика и макроскопические эффекты. М.: МГУ, 1993.. . Для описания микрообъектов Н. Бор сформулировал в 1927 г. принципиальное положение квантовой механик и — принцип дополнительности, согласно которому получение эксперимен тальной информации об одних физических величинах, описывающих микрооб ъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей и нформации о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Такими взаимно дополнительными величинами можно считать, например, коо рдинату частицы и ее скорость (или импульс). В общем случае дополнительны ми друг к другу являются физические величины, которым соответствуют опе раторы, не коммутирующие между собой, например, направление и величина м омента импульса, кинетическая и потенциальная энергия. С физической точки зрения принцип дополнительности часто объясняют (сл едуя Бору) влиянием измерительного прибора (микроскопического объекта) на состояние микрообъекта. При точном измерении одной из дополнительны х величин (например, координаты частицы) с помощью соответствующего приб ора другая величина (импульс) в результате взаимодействия частицы с приб ором претерпевает полностью неконтролируемое изменение. Хотя такое то лкование принципа дополнительности и подтверждается анализом простей ших экспериментов, с общей точки зрения оно наталкивается на возражения философского характера. С позиции современной квантовой теории роль пр ибора в измерениях заключается в «приготовлении» некоторого состояния системы. Состояния, в которых вза имодополнительные величины имели бы одновременно точно определенные з начения, принципиально невозможны, причем если одна из таких величин точ но определена, то значения другой полностью неопределенны. Таким образо м, фактически принцип дополнительности отражает объективные свойства квантовых систем, не связанные с наблюдателем. Несмотря на такое обилие экспериментальных данных, подтверждающих гип отезу де Бройля, причем при различной постановке эксперимента, оставалс я один важный вопрос, на который отсутствовал ответ: не являются ли экспе риментальные данные результатом коллективного взаимодействия многих электронов с мишенью? Действительно, все опыты проводили при большой инт енсивности электронного пучка, такой, что одновременно с мишенью взаимо действовало много электронов. Ответ на этот вопрос был получен значител ьно позже, лишь в 1949 году, в результате исследования, проведенного в Москве Л.М. Биберманом, П.П. Сушкиным и В.А. Фабрикантом. Они наблюдали рассеяние эл ектронов на кристалле окиси магния методом Дебая - Шерера при столь мало й интенсивности электронного пучка, что одновременно через эксперимен тальную установку пролетал лишь один электрон (время пролета электрона было в ~10 4 раз меньше, чем средн ее время между попаданием электронов на фотопластинку). При малом числе электронов их следы на фотопластинке носили случайный характер . Однако и в таких условиях суммарный след от попадания многих электронов на фотопластинку представлял собо й типичные интерференционные кольца. Этот эксперимент четко доказал, что отдельный электрон обладает волнов ыми свойствами. Наконец надо отметить, что еще в 1928 году Дж. Гамов дал качественное и количе ственное объяснение процесса б -распада атомных ядер исходя из гипотезы де Бройля. Такой п роцесс был назван туннелированием б -частиц через барьер. Таким образом, можно говорить о том, что открытие корпускулярно-волновог о дуализма природы частиц де Бройлем, позволило науке сделать гигантски й скачок вперед. Гипотеза де Бройля основывалась на соображениях симметрии свойств мат ерии и не имела в то время опытного подтверждения. Но она явилась мощным р еволюционным толчком к развитию новых представлений о природе материа льных объектов. В течение нескольких лет целый ряд выдающихся физиков XX в ека – В. Гейзенберг, Э. Шредингер, П. Дирак, Н. Бор и другие – разработали те оретические основы новой науки, которая была названа квантовой механик ой. Подтвержденная экспериментально гипотеза де Бройля о корпускулярно-во лновом дуализме коренным образом изменила представления о свойствах м икрообъектов. Всем микрообъектам присущи и волновые, и корпускулярные свойства, однак о, они не являются ни волной, ни частицей в классическом понимании. Разные свойства микрообъектов не проявляются одновременно, они дополняют дру г друга, только их совокупность характеризует микрообъект полностью. В э том заключается сформулированный знаменитым датским физиком Н. Бором п ринцип дополнительности. Можно условно сказать, что микрообъекты распр остраняются как волны, а обмениваются энергией как частицы. Заключение Становление современной естественнонаучной картины мира являет собой историческую, революционную или эволюционную смену одних научных взгл ядов другими. Революционными вехами на пути развития, к примеру, в астрон омии были: обоснование идеи о шарообразности Земли, открытие Коперником гелиоцентрической системы мира, изобретение телескопа, открытие основ ных законов небесной механики, применение спектрального анализа и фото графии, изучение структуры нашей Галактики, открытие Метагалактики и ее расширения, начало радиоастрономических исследований и, наконец, начал о космической эры и эпохи непосредственных астрономических эксперимен тов в космическом пространстве. Благодаря этим открытиям постепенно вы рисовывалась величественная картина мироздания, по сравнению с которо й наивными сказками кажутся теперь старинные легенды о плоской Земле, не подвижно покоящейся в центре мира, и о небесной тверди с воткнутыми в нее серебряными звездами-булавами. Список литературы 1. Агеев А.С. Квантовая фи зика. – М.: Наука, 2003. 2. Багров В. Г. Открытие неклассическ ой логики // СОЖ. - 2002 . - Т.6. - № 7 3. Бройль Л. Революция в физике. – М.: П рогресс, 1987. 4. Делоне Н.Б. Изменение фундаментал ьных законов естествознания. // СОЖ. – Т.7. – 2001. - №6. 5. Тернов И.М., Жуковский В. Ч., Борисов А.В. Квантовая механика и макроскопические эффекты. М.: МГУ, 1993.
© Рефератбанк, 2002 - 2017