Корпускулярно-волновой дуализм как всеобщее свойство материи

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………... 3

1. Корпускулярно-волновой дуализм как всеобщее свойство материи…….. 4

2. Мысленный эксперимент «микроскоп Гейзенберга»……………………... 5

3. Соотношение неопределенностей координата-импульс (скорость)……... 6

4. Принцип дополнительности……………………………………………….....7

5. Статистический характер квантового описания природы……………….....8

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………... 10

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………….. 11

ВВЕДЕНИЕ

Квантовая механика – это физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения  микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем (например, кристаллов) а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми в макроскопических опытах.   Ее появление совпало с началом века. М. Планк в 1900 г. предположил, что свет испускается неделимыми порциями энергии – квантами и математически представил это в виде формулы  E = hv,  где v – частота света, а h – универсальная постоянная, характеризующая меру дискретной порции энергии, которой обмениваются вещество и излучение. В атомную теорию вошли, таким образом, прерывистые физические величины, которые могут изменяться только скачками.

Последующее изучение явлений микромира привело к результатам, которые резко расходились с общепринятыми в классической физике и даже в теории относительности представлениями. Классическая физика видела свою цель в описании объектов, существующих в пространстве, и в формулировке законов, управляющих их изменениями во времени. Но для таких явлений, как радиоактивный распад,  дифракция, спектр излучений можно утверждать лишь, что имеется некоторая вероятность того, что индивидуальный объект таков и что он имеет такое-то свойство. В квантовой механике нет места для законов, управляющих изменениями объекта во времени.

  Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволили выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, понять строение атомных ядер, изучать свойства элементарных частиц. Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Квантовая механика позволила, например, объяснить температурную зависимость и вычислить величину теплоёмкости газов и твёрдых тел, определить строение и понять многие свойства твёрдых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников).

         Основной целью данной работы является характеристика концепций квантовой механики.

        Соответственно в рамках первой главы будет рассмотрено явление корпускулярно-волнового дуализма.

        Во второй главе будет дана характеристика мысленного эксперимента и микроскопа Гейзенберга.

        В третьей главе  мы рассмотрим соотношение неопределенностей координата-импульс.

        В пятой главе будет изложен принцип дополнительности Бора.

         В шестой главе рассмотрим статистический характер квантового описания природы.

1.      КОРПУСКУЛЯРНО-ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ

КАК ВСЕОБЩЕЕ СВОЙСТВО МАТЕРИИ

При переходе к исследованию микромира обнаружилось, что физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем.

Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

В процессе работы по исследованию теплового излучения М. Планк пришел к выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях – квантах.

А. Эйнштейн в 1905 г. применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света.[1]

Квантовая теория света, или фотонная теория А. Эйнштейна, утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. И вместе с тем световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывную структуру. Свет может рассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов, или фотонов. Их энергия определяется элементарным квантом действия Планка и соответствующим числом колебаний.

В опытах по дифракции и интерференции проявляются волновые свойства света, а при фотоэффекте – корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого рода. Основная характеристика его дискретности – присущая ему порция энергии – вычислялась через чисто волновую характеристику – частоту y (E = hy).

Представления А. Эйнштейна о квантах света привели к идее о «волнах материи» и тем самым заложили основу новой стадии развития квантовой теории.

В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. Волновые свойства, наряду с корпускулярными присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Это позволило построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты света становились при этом особым моментом всеобщего строения микромира.

Наиболее убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение дифракции электронов, нейтронов, атомов, молекул и открытие новых элементарных частиц, предсказанных на основе системы формул развитой волновой механики.

Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.

Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица, и как волна, разрушал традиционные представления.

Форма частицы подразумевают сущность, заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В классической физике эти 2 описания реальности являлись взаимоисключающими, но современная физика признала корпускулярно-волновой дуализм материи.

2.      МЫСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ «МИКРОСКОП  ГЕЙЗЕНБЕРГА»

Мысленный эксперимент – это средство исследования природы при помощи воображения.

Целью мысленных экспериментов является изучение физических явлений, принципиально или в настоящее время недоступных для проведения реальных экспериментов. В физике известно много мысленных экспериментов, среди которых наиболее яркими и известными являются:

·  эксперименты Архимеда по открытию условий плавания тел;

·  рассмотренные выше эксперименты Галилея и Эйнштейна;

· проекты идеальных двигателей (Карно);

· демон Максвелла, осуществляющий создание вечного двигателя второго рода;

·  демон Больцмана — противовес демону Максвелла, доказывающий вероятностный характер второго начала термодинамики;

· парадокс близнецов, иллюстрирующий относительность временных промежутков в различных системах отсчета;

·  лифт Эйнштейна — мысленный эксперимент Эйнштейна со свободно падающим лифтом, в результате которого сформулирован принцип эквивалентности тяжелой и инертной массы, положенный в основу общей теории относительности;

· кот (кошка) Шредингера — эксперимент, показывающий неполноту квантовой механики;

· гамма-микроскоп Гейзенберга — мысленный эксперимент, подтверждающий принцип неопределенности;

Эти эксперименты внесли огромный вклад в развитие физики. Формально мысленные эксперименты можно разделить на три группы. К первой относятся эксперименты, которые давали теоретическое объяснение наблюдаемым фактам. Ко второй — мысленные эксперименты по изучению физических явлений, в настоящее время недоступных для проведения реальных экспериментов, и, естественно, мысленные эксперименты, изучающие явления в условиях, принципиально недоступных реальному эксперименту (например, работа идеальной тепловой машины).

Микроскоп Гейзенберга.

В качестве одного из примеров, иллюстрировавших принцип неопределённости, Гейзенберг приводил воображаемый микроскоп как измерительное устройство.  С его помощью экспериментатор измеряет положение и импульс электрона, который рассеивает падающий на него фотон, обнаруживая тем самым своё присутствие.

Если фотон имеет малую длину волны и следовательно большой импульс, положение электрона в принципе может быть измерено достаточно точно. Но при этом фотон рассеивается случайным образом, передавая электрону достаточно большую и неопределённую долю своего импульса. Если же у фотона большая длина волны и малый импульс, он мало изменяет импульс электрона, но рассеяние будет определять положение электрона очень неточно. В результате произведение неопределённостей в координате и импульсе остаётся не меньшим, чем постоянная Планка, с точностью до числового сомножителя порядка единицы. Гейзенберг не сформулировал точное математическое выражение для принципа неопределённости, а использовал принцип как эвристическое количественное соотношение.

3.      СООТНОШЕНИЕ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЕЙ

КООРДИНАТА-ИМПУЛЬС (СКОРОСТЬ)

Соотношение неопределенностей сформулировано В. Гейзенбергом. В соответствии с ним, в квантовой механике не существует состояний, в которых и местоположение, и количество движения имели бы вполне определенное значение.[2]

Частица со строго определенным импульсом совершенно локализована. Чем более определенным становится импульс, тем менее определенно ее положение. Для абсолютно точной локализации микрочастицы необходимы бесконечно большие импульсы, что физически не может быть осуществлено.

Современная физика элементарных частиц показывает, что при очень сильных воздействиях на частицу она вообще не сохраняется, а происходит даже множественное рождение частиц. Только часть относящихся к квантовой системе физических величин может иметь одновременно точные значения, остальные величины оказываются неопределенными. Поэтому во всякой квантовой системе не могут одновременно равняться нулю все физические величины.

В. Гейзенберг так раскрывает содержание соотношения неопределенностей: никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату  и скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где находиться частица, как быстро и в каком направлении она движется. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И, наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы.

Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину мира микрофизических процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы. При экспериментах, направленных на точное определение места, напротив, используется волновое объяснение.

Философское осмысление вероятностного характера поведения микрочастиц показало, что случайность и неопределенность есть фундаментальное свойство природы и присуще всему, начиная от элементарных частиц до одухотворенной деятельности человека.[3]

4.      ПРИНЦИП ДОПОЛНИТЕЛЬНОСТИ

Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является принцип дополнительности, которому Н. Бор дал следующую формулировку: «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

Ни одна теория не может описать объект исчерпывающим образом, чтобы исключить возможность альтернативных подходов. «Несовместимости» с точки зрения классической науки в рамках неклассической не исключают, а дополняют друг друга.

Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется 2 класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других – подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообъектом. Н. Бор образно заметил, что волны и частицы – это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию.

Н. Бор и считал, что физик познает не саму реальность, а лишь собственный контакт в ней.

Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, нельзя в одном и том же опыте определить обе характеристики атомного объекта — координату и импульс.

Но Бор пошел дальше. Он отметил, что координату и импульс атомной частицы нельзя измерить не только одновременно, но вообще с помощью одного и того же прибора. Действительно, для измерения импульса атомной частицы необходим чрезвычайно легкий подвижный «прибор». Но именно из-за его подвижности положение его весьма неопределенно. Для измерения координаты нужен очень массивный «прибор», который не шелохнулся бы при попадании в него частицы. Но как бы ни изменялся в этом случае ее импульс, мы этого даже не заметим.

Это простое рассуждение о дополнительности свойств двух несовместимых приборов хорошо объясняет смысл принципа дополнительности, но никоим образом его не исчерпывает. В самом деле, приборы нам нужны не сами по себе, а лишь для измерения свойств атомных объектов. Координата х и импульс р — это те понятия, которые соответствуют двум свойствам, измеряемым с помощью двух приборов. В знакомой нам цепочке познания — явление — образ, понятие, формула, принцип дополнительности сказывается прежде всего на системе понятий квантовой механики и на логике ее умозаключений.[4]

Принципиально новыми открытиями в исследовании микромира стали следующие:

                  каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами;

                  вещество может переходить в излучение;

                  можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью;

                  прибор, исследующий реальность, влияет на нее;

                  точное измерение возможно только при потоке частиц, но не одной частицы.

5. СТАТИСТИЧЕСКИЙ ХАРАКТЕР

КВАНТОВОГО ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ

Для классической механики характерно описание частиц путем задания их положения и скоростей и зависимости этих величин от времени. В квантовой механике одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному. Эксперимент с двумя отверстиями, через которые проходит электрон, позволяет и требует применения вероятностных представлений. Нельзя сказать, через какое отверстие пройдет данный электрон, но если их много, то можно предположить, что часть их проходит через одно отверстие, часть – через другое. Законы квантовой механики – законы статистического характера. «Мы можем предсказать, сколько приблизительно атомов распадутся в следующие полчаса, но мы не можем сказать…почему именно эти отдельные атомы обречены на гибель». В микромире господствует статистика, а не уравнения Максвелла или законы Ньютона. «Вместо этого мы имеем законы, управляющие изменениями во времени».

Статистические законы можно применить только к большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам. Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает статистические законы. На базе квантовой механики невозможно описать положение и скорость элементарной частицы или предсказать ее будущий путь. Волны вероятности говорят о вероятности встретить электрон в том или ином месте.

В. Гейзенберг делает такой вывод: «В экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов».

Важная причина статистического характера поведения микрочастиц и квантового поведения – глобальное гравитационное поле нашей Вселенной, в котором находится Земля и все тела на ее поверхности. В первом приближении это поле можно считать постоянным, однако оно, очевидно, испытывает малые вариации, которые являются суммарным результатом всех возмущений и движений во Вселенной. Для макрообъектов и классической механики подобные незначительные вариации глобального поля являются несущественными, так как большинство классических процессов устойчиво – малые изменения параметров системы не приводят к заметным различиям результатов. Для микромира все оказывается наоборот – даже незначительные вариации глобального поля, определяющие массы микрочастиц, могут привести к заметному различию результатов, возникновению «спонтанных» процессов, переключению каналов протекания явлений. В отличие от мира макрообъектов большинство процессов с малыми частицами неустойчиво, что и приводит к их статистическому характеру.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

     В заключение хотелось бы отметить что, квантово-механические законы лежат в основе работы ядерных реакторов, обусловливают возможность осуществления в земных условиях термоядерных реакций, проявляются в ряде явлений в металлах и полупроводниках, используемых в новейшей технике, и т.д. Фундамент такой бурно развивающейся области физики, как квантовая электроника, составляет квантовомеханическая теория излучения.   Законы К. м. используются при целенаправленном поиске и создании новых материалов (особенно магнитных, полупроводниковых и сверхпроводящих). Квантовая механика становится в значительной мере «инженерной» наукой, знание которой необходимо не только физикам-исследователям, но и инженерам.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.      Лавриенко В.Н., Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/ Ратникова В.П. – Москва: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. – 317 с.

2.      Горелов А.А., Концепции современного естествознания: Учебн. пособие для студ. вузов. – Москва: ВЛАДОС, 2003. – 512 с.

3.      Крюков Р.В., Концепции современного естествознания. – Москва: А-Приор, 2009. – 176 с.

2

[1] Крюков Р.В., Концепции современного естествознания. – Москва: А-Приор, 2009. – 58 с.

[2] Крюков Р.В., Концепции современного естествознания. – Москва: А-Приор, 2009. – 60 с.

[3] Горелов А.А., Концепции современного естествознания: Учебн. пособие для студ. вузов. – Москва: ВЛАДОС, 2003. – 87с.

[4] Крюков Р.В., Концепции современного естествознания. – Москва: А-Приор, 2009. – 61 с.