Читать онлайн «Концепции современного естествознания. Шпаргалки». Страница 13

В основе электромагнитной картины мира лежит рассмотрение двух видов взаимодействий близкого порядка – гравитационного и электромагнитного, которые относятся к полевому взаимодействию. Эйнштейн пытался свести эти взаимодействия к единому, объединив гравитационное и электромагнитные поля, и создать единую теорию поля, но не успел. Единой теории поля не существует и сегодня.

Основополагающими являются принципы: относительности Эйнштейна, близкодействия, постоянства и предельной скорости света, эквивалентности инертной и гравитационной масс, причинности, взаимосвязи массы и энергии.

Но электромагнитная картина мира не могла объяснить некоторых явлений (соотношения между полем и зарядом, устойчивость атомов, их спектры, явление фотоэффекта, излучение абсолютно черного тела и т. п.), и на смену ей пришла квантово-полевая картина мира .

В основе квантовой физики лежат идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновом дуализме. Квантованными называются физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения, а выражение таких величин через квантовые числа называется квантованием . Идея квантования относится к концу XIX – началу XX вв. и связана с рядом открытий в физике и получением ряда экспериментальных данных. Большое значение для появления и развития квантовой физики имело открытие электрона, который обладал сверхмалым отрицательным зарядом. Для выражения заряда электрона пришлось применить способ, названный квантованием. Математическое выражение силы заряда через квантование для электрона выглядит как q = ±n · e.

Толчком для развития квантовых представлений о мире явились и противоречия в существующей электромагнитной теории, которые привели к испугавшим научный мир расчетам и разговорам об ультрафиолетовой катастрофе. Суть сводилась к тому, что рассчитанная энергия теплового излучения на всех частотах равнялась бесконечности, а такого не могло быть, исходя из закона сохранения энергии, и говорило неверной теории либо близкой космической катастрофе.

Планк предложил новую теорию, предполагавшую, что электромагнитное излучение испускается отдельными порциями (квантами), величина которых пропорциональна частоте излучения, поэтому энергия может принимать лишь дискретные значения, равные целому числу квантов энергии. В рамках этой теории закон сохранения энергии соблюдался, а сама гипотеза Планка легла в основу квантовой физики.

Экспериментально квантовую теорию подтверждало явление фотоэффекта (выбивание электронов из вещества под действием света), для которого были выявлены следующие закономерности: независимость энергии выбиваемых электронов от интенсивности света и зависимость от частоты световой волны; наличие для каждого вещества минимальной частоты, при которой фотоэффект возможен («красной» границы фотоэффекта). Объяснить их электромагнитной теорией было невозможно. Эйнштейн предположил, что свет представляет собой поток световых частиц – квантов, которые позже были названы фотонами. Таким образом, в основе света лежит как волновая, так и корпускулярная природа.

Свет был таким природным явлением, которое на протяжении всего развития науки труднее всего поддавалось объяснению. Ньютон объяснял свет существованием множества корпускул, Гук и Гюйгенс – как механическую волну, Максвелл – как электромагнитную волну. Открытие фотоэффекта заставило снова вернуться к корпускулярной теории. И наконец, сформировалась корпускулярно-волновая теория света, признавшая наличие и тех и других качеств.

Эксперименты доказали, что свет имеет дуальную природу, и распределение волновых или корпускулярных свойств зависит от длины волны: чем она меньше, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света: E = h · ν. Физик де Бройль в 1924 г. высказал идею, что аналогичными дуальными свойствами обладает не только свет, но и другие элементарные частицы: в одних условиях они ведут себя как корпускулы, в других – как волны. Если частица ведет себя как волна, она не проявляет корпускулярных свойств, если она ведет себя как корпускула, она не проявляет волновых качеств, то есть в конкретный момент она является либо корпускулой, либо волной, и никогда вместе.

В 1927 г. Нильс Бор сформулировал принцип дополнительности, который гласит, что, как бы далеко ни выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий, то есть квантово-механические явления должны описываться при помощи двух взаимоисключающих (дополнительных) наборов классических понятий, и только их совокупность может дать полную информацию о рассматриваемых явлениях как о целостных.

Такие явления не ограничиваются квантовой физикой. Принцип дополнительности применяется в биологии, психологии, социальных науках и т. п., то есть тогда, когда рассматриваемое явление или система достаточно сложно и противоречиво, вследствие чего не может быть описано с точки зрения одного выделенного основополагающего качества.

По современным понятиям, квант не является в полном смысле ни корпускулой, ни волной, он соединяет свойства частиц и свойства волн, образуя некий третий объект, который в силу узости нашего сознания не может быть воспринят и описан в едином понятии.

Принципы классической физики оказались неприменимы для мира сверхмалых частиц. В классической механике движение частиц описывается по существующим правилам: у частицы существуют конкретная траектория движения, конкретные координаты в пространстве, неизменная масса и энергия. Поведение частицы в микромире этим правилам не подчиняется. Микрочастица в силу волновых свойств не имеет ни траектории, ни координат, ни импульса, которые можно точно рассчитать: чем точнее определяется координата, тем менее точно можно определить импульс. О поведении микрочастицы можно говорить только приблизительно. Гейзенберг вывел неравенства, описывающие соотношения этих неопределенностей.

где x – это неопределенность, или неточность, нахождения координаты импульса; px – неопределенность, или неточность, нахождения самого импульса. В случае если это произведение сравнимо с постоянной Планка, то поведение частицы описывается квантовой механикой. В случае если это произведение много больше постоянной Планка, то поведение частицы описывается классической механикой. В то же время ни для какого движения в природе это произведение не может быть меньше постоянной Планка: h

Принцип неопределенности не связан с несовершенством используемых для наблюдения приборов, он связан с самими особенностями поведения частиц в микромире. Неопределенности порождаются законами микромира, а не проблемами у внешнего наблюдателя. Причем принцип неопределенностей распространяется только на частицы микромира, но не на малые материальные объекты макромира.

Существует закономерность: чем крупнее изучаемая частица, чем ближе она подходит к порогу макромира или его переходит, тем вернее можно сказать, что для нее работают законы классической физики, а не законы микромира. Для макроскопических тел можно применять одновременно понятия координат и скорости.

Постоянную Планка для таких объектов в расчетах не учитывают. Принцип неопределенностей показывает, что классическая механика является частным случаем квантовой и релятивистской механики.

Квантово-полевая картина мира ввела в обращение корпускулярно-волновые представления о материи и новую методологию познания и понимания физической реальности. Огромное значение в квантовой физике придается не только частицам, за которыми ведется наблюдение в ходе эксперимента, но и самому наблюдателю, организации процесса эксперимента. До XX в. никакого значения этому не придавалось, наблюдатель находился вне эксперимента, он лишь регистрировал изменения, происходящие с объектами эксперимента. В квантовой механике наблюдатель играет такую же роль, что и частицы, за которыми он наблюдает.

Квантовая картина мира рассматривает материальный мир, но объекты рассмотрения представляют собой не тела макромира, а элементарные частицы микромира, где они проявляют как корпускулярные, так и волновые свойства.

Пространство-время в квантовой картине мира является единым понятием и определяет особенности поведения сверхмалых частиц. В четырехмерном пространстве-времени для частиц невозможно определить точных координат, а также точно измерить их импульс, поэтому к микромиру применяются законы вероятности, более того, частицы могут одновременно существовать и не существовать. Пространственно-временной интервал в квантовой физике инвариантен при переходе из одной инерциальной системы в другую.