Общенаучный смысл принципов неопределенности, дополнительности и соответствия, сформировавшихся в квантово-полевой картине мира

Министерство  образования и науки РФ

«Донской  Государственный Технический Университет»

Кафедра «Торговое  дело»

Институт  инновационного бизнеса и менеджмента

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доклад по 
Концепции современного естествознания

на тему:

«Общенаучный смысл принципов неопределенности, дополнительности и соответствия, сформировавшихся в квантово-полевой картине мира.»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:        Студентка 1 курса 

Кривова Анастасия 

 

                                       

 

 

 

 

                                              Ростов-на-Дону

Оглавление

Понятие квантово- полевой картины мира

Принцип дополнительности и соотношения неопределенностей

Принцип соответствия

Заключение 
Литература

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Понятие квантово- полевой картины мира

Согласно электромагнитной картине  мира окружающий человека мир представляет собой сплошную среду — поле, которое может иметь в разных точках различную температуру, концентрировать  разный энергетический потенциал, по-разному  двигаться и т.д. Сплошная среда  может занимать значительные области  пространства, ее свойства изменяются непрерывно, у нее нет резких границ. Этими свойствами поле отличается от физических тел, имеющих определенные и четкие границы. Разделение мира на тела и частицы поля, на поле и  пространство является свидетельством существования двух крайних свойств  мира — дискретности и непрерывности. Дискретность (прерывность) мира означает конечную делимость всего пространственно - временного строения на отдельные ограниченные предметы , свойства и формы движения, тогда как непрерывность (континуальность) выражает единство, целостность и неделимость объекта. 
В рамках классической физики дискретность и непрерывность мира первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые, хотя в целом и взаимодополняющие свойства. В современной физике это единство противоположностей, дискретного и непрерывного нашло свое обоснование в концепции корпускулярно -волнового дуализма. 
т-ч и и 
В основе современной квантово -полевой картины мира лежит новая физическая теория — квантовая механика, описывающая состояние и движение микрообъектов материального мира. 
Квантовой механикой называют теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми 
опытным путем. 
Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволяют выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, изучить свойства элементарных частиц. 
Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, то законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Например, квантовая механика позволила определить строение и понять многие свойства твердых тел, последовательно объяснить явления ферромагнетиз ма, сверхтекучести, сверхпроводимости, понять природу астрофизических объектов — белых карликов, нейтронных звезд, выяснить механизм протекания термоядерных реакций на Солнце и звездах.

Разработка квантовой механики относится к началу XX в., когда  были обнаружены физические явления, свидетельствующие  о неприменимости механики Ньютона  и классической электродинамики  к процессам взаимодействия света  с веществом и процессам, происходящим в атоме. Установление связи между  этими группами явлений и попытки  объясни ть их на основе теории привели к открытию законов квантовой механики. 
Впервые в науке представления о кванте высказал в 1900 г. М. Планк в процессе исследования теплового излучения тел. Своими исследованиями он продемонстрировал, что излучение энергии прои сходит дискретно, определенными порциями — квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны. Эксперименты Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно и корпускулярными, и волновыми свойствами, представ ляя собой, таким образом, диалектическое единство этих противоположностей. Диалектика, в частности, выражается в том, что чем короче длина волны излучения, тем ярче проявляются квантовые свойства; чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства света. 
В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул гипотезу, что корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы вещества обладают волновыми свойствами. Позднее эта идея была подтверждена экспериментально, и принцип корпускулярно-волнового дуализма был распространен на все процессы движения и взаимодействия в микромире. 
В частности, Н. Бор применил идею квантования энергии к теории строения атома. Согласно его представлениям в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг ядра вращаются по орбитам отрицательно заряженные электроны. Вращающиеся электроны должны терять часть своей энергии, что влечет за собой нестабильное существование атомов. Однако на практике атомы не только существуют, но и являются весьма устойчивыми. Объясняя этот вопрос, Бор предположил, что электрон, совершая движение по своей орбите, не испускает квантов. Излучение происходит лишь при переходе электрона с одной орбиты на другую, т.е. с одного уровня энергии на другой, с меньшей энергией. В момент перехода и рождается квант излучения.

В соответствии с квантово -полевой картиной мира любой микрообъект, обладая волновыми и корпускулярными свойствами, не имее т определенной траектории движения и не может иметь определенных координат и скорости (импульса). Это можно сделать только через определение волновой функции в данный момент, а потом найти его волновую функцию в любой другой момент. Квадрат модуля дает вероятность нахождения частицы в данной точке пространства. 
Кроме того, относительность пространства -времени в данной картине мира приводит к неопределенности координат и скорости в данный момент, к отсутствию траектории движения микрообъекта. И если в класси ческой физике вероятностным законам подчинялось поведение большого числа частиц, то в квантовой механике поведение каждой микрочастицы подчиняется не динамическим, а статистическим законам. 
Таким образом, материя двулика: она обладает и корпускулярными, и волновыми свойствами, которые проявляются в зависимости от условий. Отсюда общая картина реальности в квантово -полевой картине мира становится как бы двуплановой: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой — условия наблюдения, от которых зависит определенность этих характеристик. Это означает, что картина реальности в современной физике является не только картиной объекта, но и картиной процесса его познания. 
Итак, ушли в прошлое представления о неизменности материи и возможности достичь конечного предела ее делимости. Сегодня мы рассматриваем материю с точки зрения корпускулярно -волнового дуализма. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость и взаимозависимость. В совр еменной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц. 
Кардинально меняется представление о движении, которое становится лишь частным случаем фундаментальных физических взаимодей ствий. Известно четыре вида фундаментальных физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Все они описываются на основе современного принципа близкодействия. В соответствии с ним взаимодействие каждого типа передается соответствующим полем от точки к точке. При этом скорость передачи взаимодействия всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме (300 000 км/с). 
Окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, их зависимости от м атерии. Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и согласно теории относительности сливаются в едином четырехмерном пространстве -времени, которое не существует вне материальных тел. 
Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они всегда выступают в вероятностной форме, в виде так называемых статистических законов. Они соответствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей. Таким образом, оказалось, что в основе нашего мира лежит случайность, вероятность. 
Также новая картина мира впервые включила в себя наблюдателя, от присутствия которого зависели получаемые результаты исследований. Более того, был сформулирован так называемый антропныи принцип, который утверждает, что наш мир таков, каков он есть, только благодаря существованию человека. Отныне появление человека считается закономерным результатом эволюции Вселенной.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принцип дополнительности и соотношения неопределенностей

Принцип дополнительности является основополагающим в современной физике. Он был сформулирован  в 1927 г. Н. Бором для объяснения феномена корпускулярно-волнового дуализма.

Прежде всего, Бор обратил внимание на то, что все предметы и явления, которые мы видим вокруг себя, и, конечно, измерительные приборы  для регистрации элементарных частиц состоят из огромного множества  микрочастиц. Иными словами, они  являются макроскопическими системами, ничем иным они быть не могут. Сам  человек — существо макроскопическое. Поэтому наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Понятия, которыми мы пользуемся для описания предметов  и явлений окружающего мира, —  это макроскопические понятия. С их помощью можно легко описать любые физические процессы, проходящие в макромире. Вместе с тем применить эти понятия для описания микрообъектов полностью нельзя, так как они неадекватны процессам микромира.

Но других понятий у нас нет  и быть не может. Поэтому, чтобы компенсировать неадекватность нашего восприятия и  представлений об объектах микромира, нам приходится применять два  дополняющих друг друга набора понятий, хотя с точки зрения классической науки они взаимно исключают  друг друга, — это понятия частицы  и волны. Только в совокупности они  дают исчерпывающую информацию о  квантовых явлениях.

Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей, сформулированное В. Гейзенбергом в 1927 г. Этот принцип наглядно иллюстрирует отличие квантовой теории от классической механики.

Если в классической механике мы допускаем, что можно абсолютно  точно знать координаты, импульс  и энергию частицы в любой  момент времени, то в квантовой механике это невозможно. В соответствии с  принципом неопределенности, чем  точнее фиксирован импульс, тем большая  неопределенность будет содержаться  в значении координаты, и наоборот. Также соотносятся энергия и  время. Точность измерения энергии  обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого  — во взаимодействии прибора с  объектом измерения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принцип соответствия

Новая теория, претендующая на более глубокое познание сущности мироздания, на более полное описание и на более широкое применение ее результатов, чем предыдущая, должна включать предыдущую как предельный случай. Так классическая механика является предельным случаем квантовой  механики и механики теории относительности. Релятивистская механика (специальная  теория относительности) в пределе  небольших скоростей переходит  в классическую механику (ньютоновскую). Это и составляет содержание методологического принципа соответствия, сформулированного Н. Бором в 1923 г.

Суть  принципа соответствия заключается  в следующем: любая новая более  общая теория, являющаяся развитием  предыдущих классических теорий, справедливость которых была экспериментально установлена  для определенных групп явлений, не отвергает эти классические теории, а включает их в себя. Предыдущие теории сохраняют свое значение для  определенных групп явлений, как  предельная форма и частный случай новой теории. Последняя определяет границы применения предыдущих теорий, причем в определенных случаях существует возможность перехода новой теории в старую.

В квантовой  механике в принципе соответствия проявляется  тот факт, что квантовые эффекты  существенны лишь при рассмотрении величин сравнимых с постоянной Планка (h). При рассмотрении макроскопических объектов постоянную Планка можно считать пренебрежимо малой (hà0). Это приводит к тому, что квантовые свойства рассматриваемых объектов оказываются несущественными; представления классической физики — справедливы. Следовательно значение принципа соответствия выходит за границы квантовой механики. Он войдет составной частью в любую новую теорию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Квантово-полевая картина мира отразила открытия, связанные со строением вещества и взаимосвязью вещества и энергии. Изменились представления о причинности, роли наблюдателя, самой материи, времени и пространстве.

Квантово-полевая картина мира формируется на основе квантовой  гипотезы М.Планка (1858-1947); волновой механики Э.Шредингера (1887-1961); квантовой механики В.Гейзенберга (1901-1976); квантовой теории атома Н.Бора (1885-1962)

В основе современной квантово-полевой  картины мира лежит новая физическая теория — квантовая механика. В  рамках квантово-полевой картины  мира сложились квантово-полевые  представления о материи.

Фундаментальные положения квантовой  теории: принцип неопределенности и  принцип дополнительности

Квантово-полевая картина мира в настоящее время находится  в состоянии становления. С каждым годом к ней добавляются новые  элементы, выдвигаются новые гипотезы, создаются и развиваются новые  теории.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература

Дубнищева Т.Я.Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студ. вузов - М.: Издательский центр «Академия», 2006

Садохин А.П. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов - М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006

Суханов А.Д., Голубев О.Н. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. - М. Дрора. 2004