Контрольная работа непрерывный и дискретный мир классической физики. Дискретность в квантовой механике Современная концепция дискретности и непрерывности материи кратко

Введение

ДИСКРЕТНОСТЬ И ПОЛЕ

Квантовая физика существенно расширила представление о дискретности и ее роли в физике. Сущность идеи квантования состоит в следующем: некоторые физические величины, описывающие микрообъект, в определенных условиях принимают только дискретные значения. Сначала дискретность была распространена на электро-магнитные волны.

1. Свет излучается прерывистыми порциями (квантами), энергия которых определяется формулой ∆E=hν, где h – постоянная Планка (квант действия), ν – частота света. Эту идею выдвинул М. Планк в 1900 г., чтобы объяснить законы теплового излучения. Но при этом он считал, что излучение прерывисто, а поглощение непрерывно.

2. В 1905 г. А. Эйнштейн распространил идею дискретности и на процессы поглощения, чтобы объяснить загадки фотоэффекта: существование красной границы и зависимость энергии фотоэлектрона от частоты, а не от интенсивности. Согласно Эйнштейну электроны вещества поглощают свет также порциями с энергией hν, как и при излучении. Впоследствии квант света с энергией hν назвали фотоном. Наряду с энергией фотоны переносят импульс hν/c = hk/2π (k = 2π/λ – волновое число, λ – длина волны). Более того, свет не только поглощается и испускается отдельными порциями, но и состоит из них. Это было смелое и нетривиальное обобщение. Например, мы всегда воду пьем глотками (можно сказать, порциями), но это не значит, что вода состоит из отдельных глотков.

По теории Эйнштейна электромагнитная волна выглядит как поток квантов (фотонов). Но, говоря о корпускулярных свойствах света, не нужно представлять фотоны как классические частицы-шарики. С точки зрения квантовой физики свет не бывает ни потоком классических частиц, ни классической волной, хотя в различных условиях он проявляют признаки либо того, либо другого.

Позднее поняли, что существование наименьшего значения энергии hν есть общее свойство любых колебательных процессов. В 1920-х годах было получено прямое доказательство существования фотонов. Прежде всего это проявилось в эффекте Комптона – упругом рассеянии рентгеновского излучения на свободных электронах, в результате чего происходит увеличение длины вол ны. Это явление объясняется только на языке фотонов. Возник парадокс: что такое свет – частица или волна? В 1951 г. А.Эйнштейн писал, что после 50 лет раздумий он так и не смог приблизиться к ответу на вопрос, что же такое световой квант.

3. Квантуется энергия любого микрообъекта, помещенного в ограниченное пространство, например, электрона в атоме. Но энергия свободно движущегося электрона не квантуется. Квантование означает, что электрон в атоме может иметь лишь некоторый дискретный набор ее значений. Каждое значение энергии называют энергетическим уровнем или стационарным состоянием. Находясь в этих стационарных состояниях, электроны не излучают фотоны. Переходы между уровнями называют квантовыми переходами или квантовыми скачками. При каждом таком переходе испускается или поглощается один квант света (фотон) с определенной энергией. Это утверждение называют правилом частот Бора.

Идея квантования энергии электрона в атоме была введена Н. Бором для объяснения загадочной устойчивости атомов. Правила квантования, введенные Бором, считаются одними из удивительных явлений в истории науки .

Дискретность не есть результат некоего механизма взаимодействия света с веществом – это неотъемлемое свойство самого излучения. Частота испускаемого излучения не зависит от частоты вращения электрона по орбите, а определяется разностью энергий соответствующих уровней, что и отражает дискретность процесса излучения и поглощения света атомом. Вместо непрерывного, требующего какого-то времени процесса испускания или поглощения электромагнитной волны, происходит мгновенный акт рождения или уничтожения фотона, при этом состояние атома скачкообразно меняется. Этим правилом частот объясняется не только линейчатый характер атомных спектров, но и все наблюдаемые закономерности в структуре этих спектров. Дискретность есть главная особенность явлений, происходящих на уровне микромира. Здесь бессмысленно как угодно слабо воздействовать на квантовую систему (микрообъект), поскольку до определенного момента она этого не чувствует. Но если система готова его воспринять, она скачком переходит в новое квантовое состояние. Поэтому нет смысла беспредельно уточнять наши сведения о квантовой системе – они разрушаются, как правило, сразу же после первого измерения

2 КОНТИНУАЛЬНОСТЬ В КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ

Разработанная Аристотелем (384/383-322/321 гг. до н.э.), Г.Лейбницем теория континуальности целиком вытекает из гипотезы абсолютной связности и слитности мира как целого, в том числе, в топологическом смысле. Связность при этом понимается как наличное взаимодействие, взаимная обусловленность и нерасторжимость любых двух моментов существования объектов любого рода.

Континуальная концепция возродилась и закрепилась в физике в результате введения понятий электрического и магнитного полей. Она не отрицала корпускулярных взглядов на вещество, но дополняла их и расширяла общие представления о формах материи. До теории Максвелла континуальная концепция нашла воплощение в модели сплошной среды, которая может рассматриваться как предельный случай системы материальных точек. Примером движения сплошной среды является волновое движение, при этом характеристики этого движения (энергия, импульс) не локализованы, как у частицы, а непрерывно распределены в пространстве. Звуковые волны – волны в упругой среде с частотой 20-2000Гц.

Теория Максвелла, впоследствии названная классической электродинамикой, описывает качественно иной природный объект – электромагнитное поле и электромагнитные волны. Первоначально предполагалось, что распространение ЭМ волн происходит в некоторой среде, названной эфиром, однако эфир не был обнаружен экспериментально, а из теории Максвелла возможность существования ЭМ поля, как особого вида материи. Необходимо отметить, что все открытия, сделанные при развитии электродинамики, не внесли каких-либо изменений в представление о динамическом характере законов природы.

Первоначально в естествознании существовало убеждение, что взаимодействие между природными объектами осуществляется через пустое пространство. При этом пространство не принимает никакого участия в передаче взаимодействия, а само взаимодействие передается мгновенно. Такое представление о характере взаимодействия составляет суть концепции дальнодействия.

В ходе исследования свойств ЭМ поля было установлено, что скорость передачи любого сигнала не может превышать скорости света, т.е. является величиной конечной, и от концепции дальнодействия пришлось отказаться. В соответствии с альтернативной концепцией – концепцией близкодействия, в пространстве, разделяющем взаимодействующие объекты, происходит некоторый процесс, распространяющийся с конечной скоростью, т.е. взаимодействие между объектами осуществляется посредством полей, непрерывно распределенных в пространстве.

С окончательным оформлением электромагнетизма классический этап развития физики и всего естествознания завершился. Итогом этого развития стало представление о существовании двух форм материи – вещества и поля, которые считались независимыми друг от друга.

Таким образом, в науке произошла определенная переоценка основополагающих принципов, в результате которой обоснованное И.Ньютоном дальнодействие заменялось близкодействием, а вместо представлений о дискретности выдвигалась идея непрерывности, получившая свое выражение в электромагнитных полях. Вся обстановка в науке в начале XX в. складывалась так, что представления о дискретности и непрерывности материи получили свое четкое выражение в двух видах материи: веществе и поле, различие между которыми явно фиксировалось на уровне явлений микромира. Однако дальнейшее развитие науки в 20-е гг. показало, что такое противопоставление является весьма условным .

В классической физике вещество всегда считалось состоящим из частиц, и потому волновые свойства казались явно чуждыми ему. Тем удивительным оказалось открытие о наличии у микрочастиц волновых свойств, первую гипотезу о существовании которых высказал в 1924г. известный французский ученый Луи де Бройль (1875-1960).

Экспериментально эта гипотеза была подтверждена в 1927г. американскими физиками К.Дэвиссоном и Л.Джермером, впервые обнаружившими явление дифракции электронов на кристалле никеля, т.е. типично волновую картину; а так же в 1948 г. советским физиком В.А.Фабрикантом. Он показал, что даже в случае столь слабого электронного пучка, когда каждый электрон проходит через прибор независимо от других, возникающая при длительной экспозиции дифракционная картина не отличается от дифракционных картин, получаемых при короткой экспозиции для потоков электронов в десятки миллионов раз более интенсивных.

Гипотеза де Бройля: Каждой материальной частице независимо от ее природы следует поставить в соответствие волну, длина которой обратно пропорциональна импульсу частицы: К = h/p, где h - постоянная Планка, р - импульс частицы, равный произведению ее массы на скорость.

Таким образом, континуальная теория приводит к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля. Вещество и поле различаются по физическим характеристикам: частицы вещества обладают массой покоя, а частицы поля - нет. Вещество и поле различаются по степени проницаемости: вещество малопроницаемо, а поле проницаемо полностью. При этом каждая частица может быть описана и как волна.

3 ЕДИНСТВО ДИСКРЕТНОСТИ И КОНТИНУАЛЬНОСТИ

В 1900 г. М. Планк показал, что энергия излучения или поглощения электромагнитных волн не может иметь произвольные значения, а кратна энергии кванта, т.е. волновой процесс приобретает окраску дискретности. Идея Планка о дискретной природе света получили свое подтверждение в области фотоэффекта. Де Бройль открыл примерно в это же время у частиц волновые свойства (дифракция электрона).

Таким образом, частицы неотделимы от создаваемых ими полей и каждое поле вносит свой вклад в структуру частиц, обуславливая их свойства. В этой неразрывной связи частиц и полей можно видеть одно из наиболее важных проявлений единства прерывности и непрерывности в структуре материи.

Развитие фотонных представлений о свете привело к признанию в начале 20-х годов ХХ в. идеи корпускулярно-волнового дуализма для электромагнитного излучения (дуализм – двуединость, двойственность, дополнительность). Согласно этой идее волне с частотой ν и волновым вектором. Наглядный образ такой волны-частицы составить не удается, хотя отдельно волну или отдельно частицу мы легко себе представляем: частица – это нечто неделимое, локализованное, находится в точке; волна – ”размазана” по пространству. В обычном (классическом) понимании волны и частицы друг к другу не сводятся. Итак, «квантовая частица» – это частица которая в зависимости от процесса проявляет корпускулярные или волновые свойства .

Проблема интерпретации квантовой механики, формирование математического аппарата которой было закончено к началу 1927 г., потребовала для своего разрешения создания новых логико-методологических средств. Одним из важнейших является принцип дополнительности Н.Бора согласно которому для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих ("дополнительных") набора классических понятий, совокупность которых дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных.

Этот принцип стал ядром "ортодоксальной" (так называемой копенгагенской) интерпретации квантовой механики. С его помощью получил объяснение корпускулярно-волновой дуализм микрообъектов, долгое время не поддававшийся никакому рациональному истолкованию. Принцип дополнительности сыграл главную роль при отражении изощренных критических возражений в адрес копенгагенской интерпретации со стороны А.Эйнштейна.

Этот принцип получил широкое распространение. Его пытаются применять в психологии, биологии, этнографии, лингвистике и даже в литературе. С современной точки зрения принцип дополнительности Бора является частным случаем дополнительности между рациональными и иррациональными аспектами действительности.

Согласно принципу дополнительности было установлено, что одновременное наблюдение волновых и корпускулярных свойств невозможно, и это можно использовать для телепортации макроскопических тел. Ведь для телепортации, макроскопический объект, прежде всего, должен исчезнуть с места старта, т.е. объект должен исчезнуть для наблюдателя.

Здесь обратите внимание, что макроскопический объект, предназначенный для телепортации, является именно корпускулярным объектом, локализованным в одном определенном месте, в отличие от нелокализованных квантовых частиц, которые размазаны в пространстве.

Следовательно, если, следуя принципу дополнительности, превратить корпускулярный объект в волну, длина которой стремится к бесконечности, то для наблюдателя он просто исчезнет как корпускулярный, будучи размазанным в пространстве. Ведь невозможно одновременно наблюдать объект как корпускулу, локализованную в одном месте, и как волну, размазанную в пространстве, поскольку для этого нужны взаимоисключающие условия и приборы измерения (наблюдения). Обратное превращение волны в корпускулу произойдет при локализации объекта, или детектировании (обнаружении) его наблюдателем. Если место исчезновения (делокализации) и появления (локализации) объекта не совпадают, данный процесс можно назвать телепортацией, поскольку он удовлетворяет определению телепортации .

Еще одним фундаментом квантовой механики является «Принцип неопределенности», согласно которому некоторые пары физических величин, например, координаты и скорость, или время и энергия не могут одновременно иметь полностью определенные значения. Так чем точнее известна скорость частицы, тем больше «размазано» ее местоположение, или чем меньше время жизни возбужденного состояния атома, тем больше его ширина (разброс энергий). Считается, что неопределенность выражается в невозможности точного измерения значений пар этих величин. Актуальность неопределённости в бытии человека становится ещё более рельефной и ясной, если заметить её экзистенциальную составляющую. Положение человека, само его существование во многом является неопределённым, открытым, нерешённым и незавершённым. Стоит отметить, что понятие неопределённости присуще и современным представлениям об обществе. Так, Ж. Бодрийяр называет современные общества с их ценностями основанными на «принципе неопределённости». В такой ситуации, которую Ю. Хабермас называет «постметафизическим плюрализмом», формирование любых моральных и этических ценностей затрудняется. Отсюда становится ясной актуальность аксиологического аспекта неопределённости.

Проблема неопределённости, кроме того, раскрывается через связь с такими актуальными направлениями человеческого познания, как предсказание и прогностика. Неопределенность ярчайшим образом обнаруживает себя в вероятностном будущем, открытость которого зачастую порождает состояние экзистенциального ужаса, «футурошока» (Э. Тоффлер). Кроме того, по мнению многих именно сейчас многие культуры и цивилизации находятся в кризисном состоянии, вблизи от критических точек развития. Неопределённость в таких точках становится максимальной, что придаёт проблеме особую актуальность. Кроме того, особым образом можно выделить взаимосвязь неопределённости с феноменом маргинальности, так как неоднозначное бытийное положение человека во многом является следствием данного явления.

Слова «неопределённость» и «определённость» сами по себе являются не более чем пустыми абстракциями, которые могут быть применены для обозначения или характеристики огромного круга явлений. Безусловно важным, поэтому, для прояснения смысла неопределённости, является изучение этимологических корней слова и его взаимосвязи с близкими по смыслу и коррелятивными терминами. П. А. Флоренскому принадлежит анализ связанного с понятиями «неопределённость» и «определённость» слова «термин», выявляющий единый корень в их составе и связывающий неопределённость с проблемой онтологически обусловленных границ бытия человека.

Необычная природа принципа неопределённости Гейзенберга и его запоминающееся название, сделали его источником нескольких шуток. Говорят, что популярной надписью на стенах физического факультета университетских городков является: «Здесь, возможно, был Гейзенберг» .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Всю историю физики, лежащей в основе естествознания, можно условно разделить на три основных этапа. Первый этап – древний и средневековый. Это самый длительный этап. Он охватывает период от времен Аристотеля до начала ХV в. Второй – это этап классической физики. Его связывают с одним из основателей точного естествознания Галилео Галилеем и основоположником классической физики Исааком Ньютоном. К числу фундаментальных достижений физики при завершении этого этапа относится формирование немеханической картины мира и радикальное изменение взглядов на структуру физической реальности, связанное с построением Максвеллом теории электромагнитного поля. Третий этап возник на рубеже XIХ и ХХ веков. Это этап современной физики. Он открывается трудами немецкого физика Макса Планка(1858-1947), который вошёл в историю как один из основоположников квантовой теории.

Квантовая механика задает новое понимание сложности, объединяющее дискретность и непрерывность, системность и структурность и является одной из основ современного физического мира.

Для характеристики прерывного и непрерывного в структуре материи следует также упомянуть единство корпускулярных и волновых свойств всех частиц и фотонов. Единство корпускулярных и волновых свойств материальных объектов представляет собой одно из фундаментальных противоречий современной физики и конкретизируется в процессе дальнейшего познания микроявлений. Изучение процессов макромира показали, что прерывность и непрерывность существуют в виде единого взаимосвязанного процесса. При определенных условиях макромира микрообъект может трансформироваться в частицу или поле и проявлять соответствующие им свойства.

Введение

В философском понимании мира понятие материи является одним из основных, ибо все его мировоззренческое содержание связано с раскрытием всеобщих свойств, законов, структурных отношений, движения и развития материи во всех ее формах как природных, так и социальных.

Материя (лат. materia – вещество) – это философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку; которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них .

В физике понятие материи – также центральное, поскольку физика изучает основные свойства вещества и поля, типы фундаментальных взаимодействий, законы движения различных систем (простые механические системы, системы с обратной связью, самоорганизующиеся системы) и т.д. Эти свойства и законы определенным образом проявляются в технических, биологических и социальных системах, в силу чего физика широко используется для объяснения происходящих в них процессов. Все это сближает философское понимание материи и физическое учение о ее строении и свойствах.

Представления о строении материи находят свое выражение в борьбе двух концепций: дискретности (прерывности) - корпускулярная концепция, и континуальности (непрерывности) - континуальная концепция.

Корпускулярная концепция Левкиппа - Демокрита - было основано на дискретности пространственно-временного строения материи, «зернистости» реальных объектов. Оно отражало уверенность человека в возможности деления материальных объектов на части лишь до определенного предела - до атомов, которые в своем бесконечном разнообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. При таком подходе необходимым условием движения и сочетания реальных атомов является существование пустого пространства. Таким образом, корпускулярный мир Левкиппа-Демокрита образован двумя фундаментальными началами - атомами и пустотой, а материя при этом обладает атомистической структурой.

Другое представление: континуальная концепция Анаксагора - Аристотеля - базировалось на идее непрерывности, внутренней однородности, "сплошности" и, по-видимому, было связано с непосредственными чувственными впечатлениями, которые производят вода, воздух, свет и т.п. Материю, согласно этой концепции, можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя не оставляет пустоты внутри себя.

ДИСКРЕТНОСТЬ В КВАНТОВОЙ МЕХАНИКЕ

Дискретность в физику введена давно. В частности, она отражает идею атомно-молекулярного строения вещества. Демокрит (300 г. до н.э.) писал, что начало Вселенной - атомы и пустота, все же остальное существует лишь во мнении. Миров бесчисленное множество, и они имеют начало и конец во времени. И ничто не возникает из небытия, не разрешается в небытие. И атомы бесчисленны по величине и по множеству, носятся же они во вселенной, кружась в вихре, и таким образом рождается все сложное: огонь, вода, воздух, земля. Дело в том, что последние суть соединения некоторых атомов. Атомы же не поддаются никакому воздействию и неизменяемы вследствие твердости .

Физика описывает материю как нечто, существующее в пространстве и во времени (в пространстве-времени) - представление, идущее от Ньютона (пространство - вместилище вещей, время - событий); либо как нечто, само задающее свойства пространства и времени - представление, идущее от Лейбница и, в дальнейшем, нашедшее выражение в общей теории относительности Эйнштейна. Изменения во времени, происходящие с различными формами материи, составляют физические явления. Основной задачей физики является описание свойств тех или иных видов материи и её взаимодействия. Основными формами материи в физике являются элементарные частицы и поле.

Строение материи интересует естествоиспытателей еще с античных времен. В Древней Греции обсуждались две противоположные гипотезы строения материальных тел. Одну из них предложил древнегреческий мыслитель Аристотель. Она заключается в том, что вещество делится на более мелкие частицы и нет предела его делимости. По существу, эта гипотеза означает непрерывность вещества. Другая гипотеза выдвинута древнегреческим философом Левкиппом (V в. до н. э) и развита его учеником Демокритом, а затем его последователем философом-материалистом Эпикуром (ок.341-270 до н. э). В ней предполагалось, что вещество состоит из мельчайших частиц - атомов. Это и есть концепция атомизма - концепция дискретного квантового строения материи. По Демокриту, в природе существуют только атомы и пустота. Атомы - неделимые, вечные, неразрушимые элементы материи.

Дискретные и непрерывные свойства мира в рамках классической физики первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые друг от друга, хотя в целом и дополняющие общее представление о мире. И только развитие концепции поля, главным образом для описания электромагнитных явлений, позволило понять их диалектическое единство. В современной квантовой теории это единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло более глубокое физико-математическое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

После появления квантовой теории поля представление о взаимодействии существенно изменилось. Согласно данной теории, любое поле не является непрерывным, а имеет дискретную структуру. Например, электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами – квантами электромагнитного поля, т. е. фотоны – переносчики этого поля. Аналогично другие виды взаимодействия возникают в результате обмена частиц квантами соответствующих полей.

Дискретность (и непрерывность)- свойства объектов природы, общества и мышления, обобщаемые в специальных научных, общенаучных и философских понятиях, отражающих их строение, структуру и происходящие процессы. Д. означает «прерывистый», состоящий из отдельных частей, раздельный. Но Н. - близка по смыслу к цельности и целостности, единству, неразрывности и др. Д. и Н. суть противоположности, которые отображают как делимость объектов любого рода, а также единство целого.

4. естествознание как единая наука о природе
Естествознание – это совокупность наук о природе, которые изучают мир в его естественном состоянии. Это обширная область человеческих знаний о природе: разнообразных природных объектах, явлениях и закономерностях их существования и развития. Целью естествознания является познание законов природы и поиск путей разумного практического использования. Естествознание исследует бесконечное множество объектов, начиная с микромира,и кончая галактикой,макромиром и вселенной.Одни науки естествознания, таки е какфизика, химия, астрономия и др. исследуют неорганическую природу. Современная биология является самой разветвленной наукой; к ней относятся ботаника, зоология, морфология, цитология, гистология, анатомия и физиология, микробиология, эмбриология, экология, генетика и др. Многообразие биологических наук объясняется сложностью самой живой природы. Естествознание представляет собой одну из основных форм человеческого знания, а именно о природе. Таких форм знаний – три: о природе, обществе и человеческом мышлении. Естествознание представляет теоретическую основу промышленной и сельскохозяйственной техники и медицины. Объектом и предметом изучения являются различные виды материи (механическая, физическая, химическая, биологическая, космологическая, термодинамическая, геофизическая, кибернетическая и т.д.). В центре современного естествознания до середины 20 века стояла физика, искавшая способы использования атомной энергии и проникавшая в область микромира, вглубь атома, атомного ядра и элементарных частиц.Науки разделены, а природа едина именно поэтому главной задачей естествознания является изучить мир (природу) в целом единство и взаимосвязь, потому что природный объект целостная система, а отдельная наука изучая его отбрасывает его некоторые свойства и изучает то, что является предметом ее исследования. «+» позволяет наиболее полно изучить объект с этой точки зрения; «-» негативно, т.к. мы теряем взаимосвязь между фрагментами объекта.

С древнейших времен существовали два противоположных представления о структуре материального мира. Одно из них: континуальная концепция Анаксагора - Аристотеля - базировалось на идее непрерывности, внутренней однородности, "сплошности" и, по-видимому, было связано с непосредственными чувственными впечатлениями, которые производят вода, воздух, свет и т.п. Материю, согласно этой концепции, можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя не оставляет пустоты внутри себя.

Другое представление: атомистическая (корпускулярная) концепция Левкиппа - Демокрита - было основано на дискретности пространственно-временного строения материи, "зернистости" реальных объектов и отражало уверенность человека в возможность деления материальных объектов на части лишь до определенного предела - до атомов, которые в своем бесконечном разнообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. При таком подходе необходимым условием движения и сочетания реальных атомов является существование пустого пространства. Надо признать, что корпускулярный подход оказался чрезвычайно плодотворным в различных областях естествознания. Прежде всего, это, конечно, относится к ньютоновской механике материальных точек. Очень эффективной оказалась и основанная на корпускулярных представлениях молекулярно-кинетическая теория вещества, в рамках которой были интерпретированы законы термодинамики. Правда, механистический подход в чистом виде оказался здесь неприменимым, так как проследить за движением 1023 материальных точек, находящихся в одном моле вещества, не под силу даже современному компьютеру. Однако если интересоваться только усредненным вкладом хаотически движущихся материальных точек в непосредственно измеряемые макроскопические величины (например, давление газа на стенку сосуда), то получалось прекрасное согласие теоретических и экспериментальных результатов. Законы К. м. составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение ядер атомных, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы К. м. лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. К.м. позволила, напр., объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоёмкости газов и твёрдых тел, определить строение и понять многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников). Только на основе К. м. удалось последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звёзды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звёздах.

В квантовой механике довольно распространенной является ситуация, когда некоторая наблюдаемая имеет парную наблюдаемую. Например, импульс – координата, энергия – время. Такие наблюдаемые называются дополнительными или сопряженными. Ко всем им применим принцип неопределенности Гейзенберга.

Существует несколько различных эквивалентных математических описаний квантовой механики:

При помощи уравнения Шрёдингера;

При помощи операторных уравнений фон Неймана и уравнений Линдблада;

При помощи операторных уравнений Гейзенберга;

При помощи метода вторичного квантования;

При помощи интеграла по траекториям;

При помощи операторных алгебр, так называемая алгебраическая формулировка;

При помощи квантовой логики.

Когда исследователь достигает стадии,
на которой он перестает видеть за
деревьями лес, он слишком охотно
склоняется к разрешению этой трудности
путем перехода к изучению отдельных листьев.
Ланцет

Что такое корпускулярный и континуальный подходы к описанию различных объектов природы? Что такое поле в широком смысле слова? Для описания каких объектов применяют понятие поля? Как наглядно можно изобразить поле?

Урок-лекция

Корпускулярное и континуальное описание объектов природы . С древнейших времен существовало два противоположных представления о структуре материального мира. Одно из них - континуальная концепция Анаксагора-Аристотеля - базировалось на идее непрерывности, внутренней однородности. Материю, согласно этой концепции, можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя «не оставляет пустоты внутри себя».

Другое представление - атомистическая, или корпускулярная, концепция Левкиппа-Демокрита - было основано на дискретности пространственно-временнбго строения материи. Оно отражало уверенность человека в возможности деления материальных объектов на части до определенного предела - до атомов, которые в своем бесконечном многообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. При таком подходе необходимым условием движения и сочетания реальных атомов является существование пустого пространства. Таким образом, корпускулярный мир Левкиппа - Демокрита образован двумя фундаментальными началами - атомами и пустотой, и материя при этом обладает атомистической структурой.

Смотрю на него и не вижу, а потому называю его невидимым. Слушаю его и не слышу, а потому называю его неслышимым. Пытаюсь схватить его и не достигаю, поэтому называю его мельчайшим. Не надо стремиться узнать об источнике этого, потому что это едино.

Что, на ваш взгляд, является связующим звеном между изображением на картине, цитатой и названием параграфа?

Поль Синьяк. Сосна. Сан-Тропе

Современные представления о природе микромира сочетают в себе обе концепции.

Система как совокупность частиц (корпускулярное описание) . Каким образом можно описать мир дискретных частиц на основе классических представлений?

Разберем в качестве примера Солнечную систему. В простейшей модели, когда планеты рассматривают как материальные точки, для описания достаточно задать координаты всех планет. Совокупность координат в некоторой системе отсчета обозначают следующим образом: {х 1 (t), у 1 (t), z 1 (t)}; здесь индекс i нумерует планеты, а параметр t обозначает зависимость этих координат от времени. Задание всех координат в зависимости от времени полностью определяет конфигурацию планет Солнечной системы в любой момент времени.

Если мы хотим уточнить наше описание, необходимо задать дополнительные параметры, например радиусы планет, их массы и т. д. Чем точнее мы хотим описать Солнечную систему, тем больше различных параметров для каждой планеты мы должны рассматривать.

При дискретном (корпускулярном) описании некоторой системы необходимо задать различные параметры, характеризующие каждую из составляющих системы. Если эти параметры зависят от времени, необходимо учесть эту зависимость.

Система как непрерывный объект (континуальное описание) . Обращаясь к эпиграфу в начале параграфа, рассмотрим теперь такую систему, как лес. Однако, чтобы дать характеристику лесу, довольно бессмысленно перечислять всех представителей растительного и животного мира данного леса. И не только потому, что это слишком утомительная, если вообще возможная, задача. Заготовителей древесины, грибников, военных, экологов интересуют разные сведения. Как построить адекватную модель описания данной системы?

Например, интересы лесозаготовителей можно учесть, рассмотрев среднее количество (в м 3) деловой древесины на квадратный километр леса в данном районе. Обозначим эту величину через М. Поскольку она зависит от района, который рассматривается, введем координаты х и у, характеризующие район, и обозначим зависимость М от координат как функцию М(х,у). Наконец, величина М зависит от времени (одни деревья растут, другие гниют, происходят пожары и т.д.). Поэтому для полного описания необходимо знать зависимость этой величины и от времени М(х,у,t). Тогда величины можно реально, хотя и приближенно, оценить, исходя из наблюдения за лесом.

Приведем другой пример. Течение воды представляет собой механическое перемещение частичек воды и примесей. Однако описать течение при помощи корпускулярного метода просто невозможно: в одном литре воды содержится более 10 25 молекул. Для того чтобы охарактеризовать течение воды в различных точках акватории, необходимо знать скорость, с которой перемещаются частички воды в данной точке, т. е. функцию v(х, у, z, t) (Переменная t означает, что скорость может зависеть от времени, например при повышении уровня воды во время наводнения.)

Рис. 11. Фрагмент топографической карты, на которой приведены: линии равных высот (а); изображение холмов и впадин (б)

Наглядное изображение векторного поля можно также найти на географической карте - это линии течений, которые соответствуют полю скоростей жидкости. Скорость частички воды всегда направлена по касательной к такой линии. Аналогичными линиями изображают и другие поля.

Подобное описание называют полевым, а функцию, определяющую некоторую характеристику протяженного объекта в зависимости от координат и времени, называют полем. В приведенных выше примерах функция М(х,у,t) представляет собой скалярное поле, характеризующее плотность деловой древесины в лесу, а функция v(х, у, z, t) - векторное поле, характеризующее скорость течения жидкости. Различных полей существует великое множество. Фактически, описывая любой протяженный объект как нечто непрерывное, можно ввести свое поле, и не одно.

При непрерывном (континуальном) описании некоторого протяженного объекта используют понятие поля. Поле - это некоторая характеристика объекта, выраженная как функция от координат и времени.

Наглядное изображение поля . При дискретном описании некоторой системы наглядное изображение не вызывает затруднений. Примером может быть знакомая вам схема Солнечной системы. Но как можно изобразить поле? Обратимся к топографической карте местности (рис. 11, а).

На этой карте, помимо всего прочего, приведены линии равных высот для холмов и впадин (рис 11,6).

Это и есть одно из стандартных наглядных изображений скалярного поля, в данном случае поля высоты над уровнем моря. Линии равных высот, т. е. линии в пространстве, на которых поле принимает одинаковое значение, проводятся через некоторый интервал.

Поле можно наглядно изобразить в виде линий в пространстве. Для скалярного поля линии проводят через точки, в которых значение переменной поля постоянно (линии постоянного значения поля). Для векторного поля направленные линии проводят так, что в каждой точке линии вектор, соответствующий полю в данной точке, будет касательным к этой линии.

• На метеорологических картах проводят линии, называемые изотермами и изобарами. Каким полям соответствуют эти линии?
• Представьте реальное поле - поле пшеницы. Под действием ветра колоски наклоняются, причем в каждой точке пшеничного поля наклон колосков разный. Придумайте поле. т. е. укажите величину, которая могла бы описать наклон колосков на пшеничном поле. Какое это поле: скалярное или векторное?
• Планета Сатурн имеет кольца, которые при наблюдении с Земли кажутся сплошными, но на самом деле представляют собой множество мельчайших спутников, движущихся по круговым траекториям. В каких случаях целесообразно для колец Сатурна применять дискретное описание, а в каких - непрерывное?

Что же такое физическое поле? Можно ли представить его наглядно с помощью простых, доступных нашему пониманию образов? Как оно соотносится с представлениями о частицах вещества?

Самое простое представление о поле дает сплошная среда, например вода, заполняющая некоторую область пространства (или же вообще все пространство) . Эта среда может иметь в разных точках, например, различную плотность или температуру, по-разному двигаться. Именно конкретное физическое свойство среды, разное в разных точках и доступное для измерений, физически определяет поле. В связи с этим различают поле температур, поле скоростей, силовое поле и т. д.

В философском плане разделение мира на тела и частицы, с одной стороны, и сплошную среду, поле и пустое пространство – с другой, соответствует выделению двух крайних свойств мира – его дискретности и непрерывности.

Дискретность (или прерывность) означает – «зернистость», конечную делимость пространственно-временного строения и состояния предмета или объекта, его свойств и форм движения (скачки), тогда как непрерывность выражает единство, целостность и неделимость объекта, сам факт его устойчивого существования. Для непрерывного нет границ делимого.

В математике этим философским категориям соответствуют дискретное множество натуральных чисел и непрерывное множество (континуум) действительных чисел. Для точного пространственно-временного описания свойств сплошной среды (и поля) был разработан специальный раздел математики.

Дискретные и непрерывные свойства мира в рамках классической физики первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые друг от друга, хотя в целом и дополняющие общее представление о мире. И только развитие концепции поля, главным образом для описания электромагнитных явлений, позволило понять их диалектическое единство. В современной квантовой теории это единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло более глубокое физико-математическое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

После появления квантовой теории поля представление о взаимодействии существенно изменилось. Согласно данной теории, любое поле не является непрерывным, а имеет дискретную структуру. Например, электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами – квантами электромагнитного поля, т. е. фотоны – переносчики этого поля. Аналогично другие виды взаимодействия возникают в результате обмена частиц квантами соответствующих полей. Например, в гравитационном взаимодействии, как предполагается, принимают участие гравитоны (их существование пока экспериментально не подтверждено).

Согласно полевой концепции, участвующие во взаимодействии частицы создают в каждой точке окружающего их пространства особое состояние – поле сил, проявляющееся в силовом воздействии на другие, частицы, помещенные в какую-либо точку данного пространства. Первоначально выдвигалась механическая интерпретация поля как упругих напряжений гипотетической среды «эфира». Теория относительности, отвергнув «эфир» как особую упругую среду, вместе с тем придала фундаментальный смысл понятию поля как первичной физической реальности.

В современной квантовой физике на роль «эфира» может претендовать новый возможный вид материи – физический вакуум . Первые представления о нем дал один из создателей квантовой теории поля английский физик П. Дирак (так называемое «море Дирака»). Хотя вакуум мы непосредственно не видим (он прозрачен для электромагнитных излучений и не оказывает никакого сопротивления движению материальных частиц и тел), но все же он может проявляться при взаимодействии с ним тех же частиц или электромагнитных волн (гамма-квантов), обладающих достаточной энергией. Если эта энергия превышает удвоенную энергию покоя, например, электрона, то гамма-квант при наличии еще одной частицы (атомного ядра) может, сам исчезнув, породить пару электрон–позитрон, как бы «вырванную» из вакуума. Есть и другие свидетельства в пользу физического вакуума.

В истории физики за последние 300 лет предложены по крайней мере четыре разные концепции «эфира»: абсолютное пространство Ньютона, светоносный эфир Гюйгенса, гравитационный эфир Эйнштейна и физический вакуум Дирака. Насколько оправдается интуиция физиков о существовании в природе особой среды – физического вакуума, покажет только будущее.