На головну

Квантово-польова картина світу

  1.  Агранулоцитоз, етіологія, патогенез, види, картина крові, клінічні прояви. Панміелофтіз, картина крові.
  2.  Аномалії розвитку жовткового і сечового проток, клінічна картина, діагностика, лікування. Ускладнення.
  3.  Аноректальні пороки розвитку, класифікація, клінічна картина, діагностика.
  4.  Атрезія жовчних ходів. Класифікація, клінічна картина, діагностика.
  5.  Атрезія стравоходу, клінічна картина, діагностика в умовах пологового будинку, тактика. Правила транспортування.
  6.  Б) заміна об'єктивної реальності знаково-символічними картинами світу
  7.  Квиток № 6 Сучасна природничо-наукова картина світу

Дозвіл труднощів класичної фізики в описі явищ мікросвіту було пов'язано з усвідомленням обмеженості застосування її моделей для цієї області, необхідність зміни аксіоматичного апарату і розробки нових методів дослідження. Завершилося воно народженням нової механіки - квантової - теорії, яка встановлює спосіб опису і закони руху мікрочастинок в зовнішніх полях.
 Першою важливою віхою в її становленні стала квантова гіпотеза Планка-Ейнштейна: світло випромінюється, поширюється і поглинається квантами, енергія яких визначається виразом
 E = hn,
 де n - частота випромінювання, h = 6,62 * 10-34 Дж * с - постійна Планка.
 Поєднання цієї гіпотези з методами класичної науки дозволило побудувати несуперечливу теорію фотоефекту і пояснити закономірності в спектрах нагрітих тел.
 Другим важливим моментом у становленні нової фізики стала теорія атома водню, розроблена Н. Бором. Прийнята на початку століття планетарна модель представляла атом водню як систему, що складається з важкого ядра і обертається навколо нього легкого електрона. Як відомо з механіки, будь-яка частка, що рухається по круговій орбіті, володіє прискоренням. У той же час, виходячи з електромагнітної теорії, заряд, який рухається прискорено повинен випромінювати енергію. Через втрату енергії радіус його орбіти повинен зменшуватися, а траєкторія руху мати вигляд спіралі. Через проміжок часу 10-9с електрон впаде на ядро, і атом як самостійна хімічна одиниця перестане існувати. Однак більшість хімічних елементів стабільно, завдяки чому і існують стійкі неорганічні і органічні сполуки, планети, будівлі та споруди, різноманітні біологічні форми і сама людина. Крім того, при русі електрона по спіралі його випромінювання мало б мати суцільний спектр. Спостережувані ж в експерименті спектри атомів дискретні і представляють серії вузьких спектральних ліній. Для подолання цих протиріч Бору довелося ввести два постулати і поняття «стаціонарна орбіта» і «стаціонарний стан», існування яких підтвердили проведені в 1913 році досліди Франка і Герца:
 - Більшу частину часу електрони в атомах знаходяться на стаціонарних орбітах, при русі по яким вони не випромінюють і не поглинають енергії.
 - Випромінювання або поглинання відбувається при переході електрона з однієї стаціонарної орбіти на іншу, при цьому виконується умова:
 n = (E2-E1) / h,
 де Е2 і Е1, відповідно енергії стаціонарних станів.
 Для побудови несуперечливої ??теорії спектра атома водню досить було знати закони квантування енергій, моментів кількості руху і правила, що дозволяють той чи інший перехід (правила відбору). Однак для побудови теорії випромінювання багатоелектронних атомів цього виявилося недостатньо. Необхідно було знати, які закони управляють розподілом електронів по енергетичним станам. Розуміння цього прийшло лише після відкриття спина електрона (англ. spin - обертання, власний момент кількості руху мікрочастинки) - власного механічного і магнітного моментів і законів їх квантування. Це дозволило охарактеризувати стан електронів в атомі за допомогою набору квантових чисел, що визначають можливі дискретні (квантовані) значення енергії, орбітального і спінових моментів, а також знайти їх розподіл по стаціонарних орбітах (або рівнями).
 У 1925 році швейцарський фізик-теоретик В. Паулі (1900-1958) обгрунтував принцип: в будь-який квантової системі два або більше електрона не можуть одночасно перебувати в одному і тому ж квантовому стані. Це фундаментальний закон природи, йому підкоряються всі частинки з напівцілим спіном, до яких відноситься електрон. Спільна дія закону мінімуму енергії і принципу Паулі визначає закономірності заповнення електронних оболонок атомів, періодичність їх властивостей, валентність і реакційну здатність.
 Формування нових уявлень про природу корпускулярно - хвильового дуалізму завершило підготовчий етап в розвитку квантової фізики. У 1924 році француз Луї де Бройль (1892-1987) прийшов до думки про те, що поєднання хвильових і корпускулярних властивостей є фундаментальною властивістю матерії і притаманне не тільки випромінювання (полю), але і речовини. З будь-яким рухомим матеріальним об'єктом можна зіставити корпускулярні характеристики - координати в просторі (тобто траєкторію), енергію, імпульс, і хвильові - довжину хвилі або частоту. Для характеристики об'єкта, що рухається можуть бути використані вирази, що вважалися раніше справедливими тільки для фотона:
 E = hn; р = E / c; l = h / p = h / mv,
 де р- імпульс об'єкта.
 Якщо застосувати ці вирази летящему тенісному м'ячу, то порівнянна йому довжина хвилі дорівнюватиме 4,6 * 10-34м. Спробуйте виміряти таку довжину хвилі! Ніяка навіть сучасна техніка (не кажучи вже про техніку двадцятих років) не може цього зробити. Тому гіпотеза де Бройля здалася сучасникам божевільною навіть у порівнянні з ідеями теорії відносності. Електрон, який все вважали кулястої мікрочастинок з зарядом 1,6 * 10-19Кл, виявляється і зовсім не частинка, а хвиля. Він не має певної траєкторії, як же тоді можна говорити про електронні орбітах?
 Вирішення цієї парадоксальної ситуації призвело Н. Бора до відкриття принципу додатковості:
Жодна теорія не може описати об'єкт настільки вичерпним чином, щоб виключити можливість альтернативних підходів. «Несумісності» з точки зору класичної науки в рамках некласичної не виключають, а доповнюють один одного.
 Ці «несумісності» представляють не реалізовані один без одного дві сторони однієї медалі.
 У 1927 році американцями К. Девіссон і Л. Джермером і незалежно від них радянським вченим П. С. Тартаковським хвильові властивості електронів були виявлені в експерименті по дифракції електронів на кристалічних структурах. Експериментально виміряна довжина хвилі lе = 1,23 * 10-10м збіглася з великою точністю з розрахованої за формулою де Бройля. Пізніше будуть виявлені хвильові властивості і у інших мікрочастинок.
 Подальші дослідження в області мікросвіту показали, що труднощі Бора були зовсім не випадковими. Справа в тому, що він у своїй теорії спробував об'єднати необ'едіняемое: квантування енергії та імпульсу електрона з поданням про нього як якомусь зарядженому кульці, рух якого по орбіті підпорядковується законом класичної механіки. Побудова такого «кентавра» виявилося безперспективним, але воно стимулювало вчених на перегляд класичних уявлень про фундаментальні властивості матерії на рівні мікросвіту. Мікрочастинки самі по собі не є ні корпускулами, ні хвилями, ні їх симбіозом. Їх просто неможливо уявити наочно. Але це не заважає нам використовувати умовні моделі і математичні абстракції для пояснення їх властивостей - маси, спина, енергії, імпульсу, часу життя та інших. Мікрочастинки мають потенційну здатність проявляти корпускулярні або хвильові властивості в залежності від умов спостереження. Спостерігаючи їх треки в камері Вільсона, ми можемо охарактеризувати корпускулярні властивості мікрочастинок. Спостерігаючи їх дифракцію на різних структурах, ми можемо охарактеризувати їх хвильові властивості.
 Історично першою квантової теорії була матрична механіка німецького фізика В. Гейзенберга (1901-1976). Але найбільш широке поширення для опису мікросвіту отримало рівняння австрійця Е. Шредінгера (1887-1961), який, використовуючи гіпотезу де Бройля і ряд інших співвідношень, розробив хвильову (квантову) механіку, довів її ідентичність з матричної механікою Гейзенберга, вивів диференціальне рівняння, що описує характер поведінки електрона в атомі. При цьому йому довелося ввести так звану хвильову функцію Y = Y (x, y, z, t), фізичний зміст якої був витлумачений пізніше М. Борном (1882-1970): квадрат модуля хвильової функції IYI2 пропорційний щільності ймовірності знаходження частинки в даній точці обсягу. Тобто хвилі де Бройля - це не хвилі в класичному сенсі, їх не можна представити у вигляді механічних або електромагнітних, це хвилі ймовірності. Рівняння Шредінгера має вигляд:
 Нy (x, y, z, t) = Еy (x, y, z, t),

де Н - функція, яка в квантовій фізиці називається «оператор» (перетворювач), Е - «власне» значення енергії електрона. Хвильова функція лише вероятностно описує поведінку електрона в атомі. Замість класичної орбіти електрона розглядається своєрідне «електронне хмару», щільність якого в просторі розподіляється пропорційно IYI2. Вона симетрична по відношенню до перестановки так званих тотожних частинок. При перестановці частинок з напівцілим спіном (електронів, протонів) вона змінює знак, тобто, асиметрична, при перестановці частинок з цілим спіном вона симетрична.

IYI2

 0,59 r, A

Рис.5 Розподіл електронної щільності в атомі водню (основний стан)
 Вид розподілу електронної щільності залежить від стану електрона. В атомі водню (в основному стані) воно має вигляд, наведений на рис. 5. Максимум електронної щільності доводиться на область, відповідну радіусу першої боровський орбіти, а знаходження електрона всередині сфери радіусом r = 0,59A (1A = 10-10м) є найбільш вірогідним. У більш складних атомів воно істотно відрізняється від наведеного, а форма електронної хмари - від сферичної.
 Імовірнісна трактування хвильової функції відображає властиві микрочастицам елементи випадкового в їх поведінці. Це означає, що передбачення в квантовій механіці, на відміну від класичної, мають імовірнісний характер, а випадковість поведінки властива не тільки колективу частинок, але і одній, окремо взятій частці.
 Ця специфіка проявляється в фундаментальному законі, відкритому в 1927 році Гейзенбергом - співвідношеннях невизначеності, сенс яких полягає в тому, що
неможливо одночасно з однаковою точністю визначити координату і імпульс (швидкість) або енергію і час взаємодії частинок:
 Dp * Dx ? h / 2p,
 DЕ * Dt ? h / 2p,
 де величина D і відображає невизначеність (похибка) у визначенні характеристики мікрочастинки. Виходячи з нього необхідно враховувати, що величини координат і імпульсів (або енергії і часу взаємодії) зосереджені в деякій області значень Dp і D х, в якій розподілені по вероятностному закону. Це твердження має ще одну назву - принцип невизначеності.
 Незважаючи на те, що всі закони мікросвіту носять імовірнісний характер і можуть бути сформульовані тільки на мові розподілів, вони дуже точно пророкують протягом ядерних процесів і їх результат.
 Розглядаючи імовірнісний характер поведінки мікрочастинок, сучасна наука прийшла до висновку, що саме статистичні, а не динамічні закономірності є фундаментальними. Це означає, що фундаментальність динамічних закономірностей проявляється тільки в рамках механічної картини світу. Закони збереження не скасовують ймовірнісної природи процесів, вони лише формують умови, при яких імовірність протікання певних процесів дорівнює нулю. Наприклад, збереження маси, імпульсу, енергії, заряду і інших величин жорстко виконується тільки в закритих системах. У квантовій механіці яскравою ілюстрацією цього є правила заборони для енергетичних переходів (правила відбору). Правила відбору та властивості об'єктів визначають характер спектрів в радіохвильової, оптичної і рентгенівської областях шкали електромагнітних хвиль.
 Застосування принципу невизначеності до квантових систем дозволило пояснити такі незрозумілі з точки зору класичної фізики явища як тунельний ефект (просочування a-частинок крізь потенційний бар'єр) і ряд інших. Більш того, його філософське осмислення показало, що випадковість і невизначеність є фундаментальне властивість природи і притаманне всьому, починаючи від елементарних частинок до одухотвореної діяльності людини.
 Гейзенберг першим поставив питання про вплив спостерігача, приладів і умов на вироблений експеримент, отримані в його ході результати та їх інтерпретацію. Якщо класична фізика розуміє роль експериментатора як стороннього спостерігача, то в квантовій механіці він є складовою частиною системи, в якій спостерігається явище, і принципово невіддільний від об'єкта спостереження. Він не просто «споглядач» подій, що відбуваються в досліджуваній системі, він їх активний учасник. Використовуючи вимірювальні прилади, він, нехай і незначно, але втручається в хід протікають подій. І не враховувати цього не можна.
 У процесі становлення квантової механіки вдалося встановити деякі фундаментальні принципи, що відображають закономірності природи і принципи, що дозволяють знайти співвідношення між новою і старою картинами світу (принцип додатковості, принцип відповідності, принцип невизначеності та ін.). Квантова механіка змогла пояснити електронну структуру хімічних елементів і спектральні закономірності, обгрунтувати періодичну систему, побудувати теорію хімічного зв'язку, стати базою для розвитку квантової хімії та фотохімії. Під її впливом сформувалися нові напрями синтетичної хімії, склалися нові уявлення про будову життєво важливих біополімерів і їх метаболізмі (перетворення) в живих організмах. Вона підвела до розуміння принципової відсутності абсолютного знання і зовнішнього абсолютного спостерігача, до визнання його частиною системи, що розвивається, і істотно вплинула на уявлення про причинно-наслідкові зв'язки, закладене в класичному детермінізм.
 Народження квантової механіки було складним і важким. Її поняття, уявлення і абстракції нелегко давались і самим ученим. Про це свідчать їхні власні численні спогади про те, як болісно йшов процес становлення знань, пошуків філософських обґрунтувань теорії і зміни світогляду. Планк, який висунув квантову гіпотезу, до кінця життя обтяжувався нею і намагався шукати компромісні варіанти. Ейнштейн, сумніваючись в імовірнісний характер поведінки мікрочастинок, стверджував: «бог не грає в кості», Шредінгер, який отримав своє знамените рівняння, спочатку було важко пояснити фізичну суть хвильової функції. Гейзенберг до останніх днів намагався знайти «світову формулу» - рівняння, з якого можна отримати весь спектр властивостей елементарних частинок.
 Слідом за народженням квантової механіки пішов цілий каскад принципових змін в інших областях природознавства, в основу яких було закладено нові уявлення про структуру мікросвіту. У хімії - це, перш за все, квантова хімія, в біології - новий виток у розвитку молекулярної біології і молекулярної генетики. Розвиток ідей квантової механіки сприяло появі і розвитку нової експериментальної техніки і нових теоретичних методів дослідження будови речовини (молекулярна, атомна і ядерна спектроскопія, квантова теорія провідності, нелінійна оптика і т.д.). Завдяки квантовій механіці на новий щабель піднялася ядерна фізика, що має величезне значення для життя людства: це можливості використання енергії ядра, пошуки шляхів отримання енергії за рахунок термоядерних реакцій. Але у досягнень квантової механіки є і інша сторона. Її дослідження безпосередньо сприяли розробці ядерної і термоядерної зброї, зброї такої руйнівної сили, яка в один момент здатна зруйнувати світову цивілізацію.



 Релятивістська картина світу |  постнекласичної науки

 Основні форми донаучного і позанаукового знання. |  Наукове і позанаукові знання |  Різноманіття форм знання. Наукове і позанаукові знання |  міфологічне; |  Ідеали науковості та формаційний підхід |  Взаємозв'язок філософії і науки |  Функції науки в сучасному суспільстві. |  Своєрідність, особливості, основні підходи до вивчення. |  Розумова революція. |  Класичний етап (XVII-XIX ст.). Особливості наукової картини світу. Гносеологія і методологія класичної науки. |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати