Корпускулярная и континуальная картина мира

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.