Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО

ВСЕРОССИЙСКИЙ ЗАОЧНЫЙ ФИНАНСОВО – ЭКОНОМИЧЕСКИЙ  ИНСТИТУТ

КАФЕДРА ФИЛОСОФИИ 
 
 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

По дисциплине «Концепция современного естествознания»

Вариант № 10 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Исполнитель:

 Специальность: Государственное и муниципальное управление

Группа:

№ зачетной книжки:   

Преподаватель:  
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 2009

План  работы:

1. Введение                                                                                                            
2. Вопрос № 1: «Изложите сущность квантово-механической концепции описания микромира»                                                                                      
3. Вопрос № 2: «Объясните взгляды М. Планка, Луи де Бройля,

Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу микромира»    

4. Вопрос № 3: «Подчеркните особенности волновой генетики»                                          
5. Заключение                                                                                                        
6. Список литературы                                                                                           

Введение. 

    В науке выделяют три уровня строения материи: макромир, микромир и мегамир, которые теснейшим образом взаимосвязаны.  В своей работе остановлюсь на микромире.

    Микромир – это мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов. (Пространственная размерность, которых исчисляется от 10^-8 до 10^-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10^-24 с.)

    Квантовая механика (волновая механика) – это теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне.

    Изучение  явлений микромира привело к  результатам, которые резко расходились  с общепринятыми в классической физике и даже теории относительности. 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, испускание спектральных линий, можно утверждать лишь, что имеется некоторая вероятность того, что индивидуальный объект таков и он имеет такое-то свойство. В квантовой механике нет места для законов, управляющих изменениями отдельного объекта во времени.

    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. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с ситуацией, когда одни и те же  объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства. 

       Вопрос № 1: «Изложите  сущность квантово-механической  концепции описания  микромира».

    Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей, установленном немецким физиком

В. Гейзенбергом, в которой он объяснил, что законы классической механики для микрочастиц  применяться не могут и принцип  дополнительности Н. Бора, на основе который  описывается поведение микрообъектов.

    Суть  соотношения неопределенностей В. Гейзенберга заключается в следующем. Ставится задача определить состояние движущейся частицы. Если бы можно было воспользоваться законами классической механики, то решение было бы простым. Но законы классической механики для микрочастиц применяться не могут: невозможно не только практически, но и вообще с одинаковой точностью установить место и величину движения микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно. В своей книге «Физика атомного ядра» В. Гейзенберг раскрывает содержание соотношения неопределенностей. Никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату и скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где находится 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 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, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, неправленых на точное определение места, напротив, используется волновое объяснение, в частности, при наблюдении отклонения лучей.

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

    Противоречия  корпускулярно-волновых свойств микрообъектов 

являются  результатом неконтролируемого  взаимодействия микрообъектов и  макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других – подобно частицам.

Поэтому в экспериментах наблюдается  не реальность, как таковая, а квантовое  явление, которое получается в результате взаимодействия прибора с микрообъектом.

    Корпускулярная  и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными. Только при учете обоих аспектов можно получить общую картину микромира. 
 

Вопрос  № 2: «Объясните взгляды  М. Планка, Луи де Бройля,

    Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу  микромира». 

    Первый  шаг в изучении микрочастиц был сделан немецким физиком М. Планком.

    Работы  относятся к термодинамике, теории теплового излучения, теории относительности, квантовой теории, истории и методологии  физики, философии науки. В 1900 выдвинул гипотезу квантов, предположив, что атомные осцилляторы излучают энергию дискретно и последняя пропорциональна частоте колебаний, и вывел закон распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Ввел фундаментальную постоянную (постоянная Планка) с размерностью действия. Гипотеза квантов стала основой квантовой теории и положила начало развитию практически всех областей современной физики. Дата опубликования формулы 14 декабря 1900 года является как день рождения атомной физики и начало новой эры естествознания.

    Планк одним из первых принял теорию относительности, вывел уравнения релятивистской динамики, получив выражения для энергии и импульса электрона. В 1907 провел обобщение термодинамики в рамках специальной теории относительности. Дал вывод законов химического равновесия в газах и разбавленных растворах (1887).

    Планк ввел в рассмотрение новую величину - квант действия, означающую, что  энергия колеблющимся осциллятором излучается только дискретно - квантами. По решению дополнительно возникающей  проблемы распространения излучения Планк, не склонный к революционным шагам, занимает половинчатую позицию: испускание и поглощение излучения дискретно, а само излучение - непрерывно в соответствии с волновым характером распространения света и тепла. Только Эйнштейн в 1905 г. предложил порвать с классической оптикой и постулировать дискретность излучения в целом.

    В течение долгого времени ведущие  физики рассматривали гипотезу квантов  лишь как форму объяснения, а не как физическую реальность. И только постепенно квантовая теория добивалась признания физической реальности квантов вследствие способности предсказывать новые явления и объяснять с их помощью другие закономерности. Планк получил Нобелевскую премию лишь в 1918 г., когда теория уже имела широкое признание. Кроме того, сама теория достаточно легко уживается с классической физикой в обычных границах в силу чрезвычайной малой величины постоянной Планка.

    Подтверждения квантовой теории были разнообразны: квантовая теория позволяла рассчитать число Авагадро, которое хорошо совпадало со значениями, полученными другими методами, объяснить отклонения от закона Дюлонга об удельной теплоемкости при низких температурах. Основное же подтверждение и признание квантовая теория получила после введения в 1905 г. Эйнштейном квантов света и объяснения с их помощью фотоэлектрического эффекта, а также открытия в 1922 г. эффекта Комптона и в 1923 г. комбинационного рассеяния индийским физиком Чандрасекхара Раманом (1888-1970).

    Одновременно  с получением подтверждения своей  правомочности продолжалось и развитие самой квантовой теории. Предложенный Бором механизм испускания и поглощения излучения создал предпосылки для переосмысления взаимодействия материи и излучения.

    Бор Нильс Хенрик Давид (07.10.1885–18.11.1962) –  датский физик, член Датского королевского общества (1917, с 1939 – президент), более 20 академий наук, иностранный член АН СССР (1929), медали Планка, Копли и др., в его честь назван 105 химический элемент - нильсборий.

    Важная  заслуга Бора состояла в том, что  он нашел принципиально новый подход для создания физической картины атомных процессов. Он ориентировал физиков на исследование противоречивых сторон физической реальности микромира, сформулировал идею о дискретности энергетических состояний атомов, в свете новых идей построил атомную модель, открыв условия устойчивости атомов, и объяснил большой круг явлений.

    В 1913, исходя из идеи М.Планка о квантовании  энергии с использованием модели атома Резерфорда, Бор создал теорию водородоподобного атома, основанную на двух постулатах, которые прямо противоречили классическим представлениям и законам. Он постулировал наличие в атоме стационарных разрешенных орбит, двигаясь по которым электрон не излучает энергию, но может перейти на другую разрешенную орбиту, испустив или поглотив при этом квант энергии, равный разности энергий атома в этих стационарных состояниях. Бор разработал некоторые правила квантования, нашел основные законы спектральных линий и электронных оболочек атомов. В 1923 объяснил особенности периодической системы химических элементов, предложив свой вариант ее изображения, и пришел к представлению об оболочечной структуре атома, основанной на классификации электронных орбит по главному и азимутальному квантовым числам. За создание квантовой теории планетарного атома в 1922 награжден Нобелевской премией.

    В 1918 Бор сформулировал важный для  новой атомной теории принцип  соответствия, показывающий, когда  именно существенны квантовые ограничения, а когда можно пользоваться и  классической физикой. В 1927 сформулировал  важный для понимания квантовой механики принцип дополнительности.

    Бор много сделал и для развития ядерной  физики. В 1936 предложил теорию составного ядра, он является одним из создателей капельной модели ядра и теории деления  атомного ядра, предсказал спонтанное деление ядра.

    Бор создал большую интернациональную  школу физиков: Ф.Блох, О.Бор, В.Вайскопф, О.Клейн, Х.Крамерс, Л.Д.Ландау, А.Пайс, Л.Розенфельд, Дж.Уилер и др.

    В 1917 г. Эйнштейн внес крупный вклад  в квантовую теорию, предложив  статистические законы электронных переходов в атоме, в соответствии с которыми вероятность переходов пропорциональна интенсивности излучения и числу возбужденных атомов. Используя такие представления, ему удается получить формулу Планка, не прибегая к использованию аналогий с линейными осцилляторами. Одновременно обостряется проблема волна-частица, т.к. при элементарном акте излучения происходит испускание импульса в совершенно случайном направлении, что исключало описание излучения с использованием представлений сферических волн. Причем это уже было не расхождение между различными учеными 18 века, которые для объяснения одних и тех же явлений привлекали либо волновую, либо корпускулярную теорию. В 20 веке противоречие содержалось в самой физике: одни явления (дифракция) интерпретировались с волновых позиций, а другие (фотоэффект) - с корпускулярных.

    Разрешение  этого противоречия было предложено в 1923 г. де Бройлем, приписавшим волновые свойства частице - волны де Бройля.

    Бройль  Луи де (15.07.1892-19.03.1987) – французский  физик, член Парижской АН.

    Работы  в области классической и квантовой  механики, теории поля, квантовой электродинамики, истории и методологии физики. В 1923 распространил идею А.Эйнштейна  о двойственной природе света  на вещество, предположив наличие  у материальных частиц волновых свойств, однозначно связанных с массой и энергией. Эту идею о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма Э.Шредингер использовал при создании своей волновой механики. За открытие волновой природы электрона де Бройль в 1929 удостоен Нобелевской премии.

    В 1925 г. Гейзенберг, следуя, как и Эйнштейн, принципу соответствия Бора, предложил  матричный вариант квантовой  механики, которая позволяла объяснить  существование стационарных квантованных энергетических состояний и рассчитать энергетические уровни различных систем.

    Гейзенберг  Вернер Карл (05.12.1901–01.02.1976) – немецкий физик, почетный член многих академий наук и научных обществ, медали Маттеучи, Планка, Бора и др.

    Работы  в области квантовой механики, квантовой электродинамики, релятивистской квантовой теории поля, теории ядра, магнетизма, физики космических лучей, теории элементарных частиц, философии естествознания. В 1925 разработал матричную механику – первый вариант квантовой механики (Нобелевская премия, 1932). В 1926 объяснил отличия двух систем термов для пара- и ортогелия, в 1927 сформулировал принцип неопределенности, ограничивающий применение к микрообъектам классических представлений.

    Совместно с П.Дираком в 1928 выдвинул идею обменного  взаимодействия и независимо от Я.И.Френкеля разработал первую квантовомеханическую теорию ферромагнетизма, основанную на обменном взаимодействии электронов. В 1929 совместно с В.Паули предпринял попытку дать формулировку квантовой электродинамики, введя общую схему квантования полей. Развил (1934-36) теорию дырок Дирака, вслед за ним постулировал (1934) существование эффекта поляризации вакуума.

    Вслед за Д.Д.Иваненко пришел к протонно-нейтронной модели ядра (1932), ввел понятие изотопического спина, показал, что ядерные силы насыщающие. Построил теорию ядерных сил, развив идею обменного взаимодействия Иваненко-Тамма. В 1943 в квантовой теории поля ввел матрицу рассеяния (S – матрицу) – важный инструмент для описания взаимодействия. В 1958 проквантовал нелинейное спинорное уравнение (уравнение Иваненко-Гейзенберга), занимался созданием единой теории поля.

    Практически одновременно, развивая идеи волновой механики, в 1926 г. Шредингер предложил  свое волновое уравнение и метод  квантования, которые приводили  к тем же результатам, что и  квантовая механика Гейзенберга. Фактически это означало тождественность волновой и квантовой механики, хотя их математические методы существенно различаются.

    Шредингер Эрвин (12.08.1887-04.01.1961) - австрийский физик, член ряда академий наук и научных  учреждений. Основные достижения в области квантовой теории и квантовой механики. Исходя из идей де Бройля о волнах материи и принципа Гамильтона, разработал теорию движения микрочастиц, в основу которой положил уравнение (уравнение Шредингера), играющее в атомных процессах такую же фундаментальную роль, как законы Ньютона в классической механике, и ввел для описания состояний микрообъекта волновую функцию. В 1926 доказал эквивалентность своей волновой механики и матричной механики Гейзенберга. В том же году построил квантовую теорию возмущений – приближенный метод в квантовой механике. За создание волновой механики удостоен Нобелевской премии (1933). Придерживаясь классических традиций полного детерминизма, Шредингер не принял квантовую механику как завершенную теорию.

    Дальнейшие  работы Шредингера относятся к теории мезонов, термодинамике, нелинейной электродинамике, общей теории относительности, разработке единой теории поля. Он имел разносторонние интересы: занимался лепкой, написал книгу по греческой философии, изучал проблемы генетики, опубликовал томик стихов и т.д.

    В 1927 г. американский физик Клинтон  Джозеф Дэвиссон (1881-1958) в лаборатории "Белл телефон" и английский физик  Джордж Паджетт Томсон (1892-1975) в Абердинском  университете (Шотландия) независимо открыли  дифракцию электронов, экспериментально доказав наличие волновых свойств у частиц (Нобелевская премия по физике, 1937). А в 1929 г. немецкие физики Отто Штерн (1888-1969) и Иммануэль Эстерман (1900-1973) в опытах с атомарными пучками водорода также наблюдали дифракцию, показав, что любым корпускулярным пучкам присущи волновые свойства. Явление дифракции электронов нашло широкое применение в физических исследованиях поверхностных слоев и тонких пленок, а также в электронной микроскопии. Сейчас уже без волновой механики нельзя себе представить ни одной современной науки.

    Шредингер, выводя свое уравнение, использовал  подходы классической механики. В 1928 г. Дирак предложил свою теорию, которая  включала представления о квантах, теории относительности и спине (такое понятие введено американскими физиками Джорджем Юджином Уленбеком (р.1900) и Самуэлем Абрахамом Гаудсмитом (1902-1979) в 1925 г.) и позволяла учитывать релятивистские эффекты.

    Дирак Поль Адриен Морис (08.08.1902-20.10.1984) – английский физик, член Лондонского королевского общества (1930). Работы в области квантовой механики, квантовой электродинамики, квантовой теории поля, теории элементарных частиц, теории гравитации. Разработал математический аппарат квантовой механики – теорию преобразований, предложил метод вторичного квантования. В 1927 применил принципы квантовой теории к электромагнитному полю и разработал первую модель квантованного поля. Предсказал тождественность вынужденного и первичного излучений, лежащую в основе квантовой электронике. В 1928 с В.Гейзенбергом открыл обменное взаимодействие.

    Построил  релятивистскую квантовую механику, предложив волновое уравнение, описывающее  движение электронов и удовлетворяющее  релятивистской инвариантности. Создал теорию дырок (1930), в 1931 предсказал существование  античастиц, рождение и аннигиляцию электронно-позитронных пар, постулировал эффект поляризации вакуума (1933). За создание квантовой механики в 1933 был награжден Нобелевской премией.

    Развивались и статистические методы описания поведения  квантовых объектов. В 1924-25 г.г. индийский физик Шатвендранат Бозе (1894-1974) и Эйнштейн создали новую квантовую статистику для фотонного газа, получив распределение Планка, а в 1926 г. почти одновременно Ферми и Дирак вывели с учетом запрета Паули вывели свою статистику для электронов.

    Ферми Энрико (29.09.1901-28.11.1954) - итальянский физик, член Национальной академии деи Линчеи (1935), многих академий наук и научных  обществ, иностранный член АН СССР (1929). В США учреждена премия его  имени, в его честь назван 100 химический элемент - фермий, его имя присвоено Чикагскому институту ядерных исследований.

    Работы  в области атомной и ядерной  физики, статистической механики, физики космических лучей, физики высоких  энергий, астрофизики, технической  физики. В 1926 разработал независимо от П.Дирака статистику частиц с полуцелым спином, в 1928 дал схему описания и расчета основного состояния многоэлектронных атомов (модель Томаса-Ферми). В 1929-30 разработал канонические правила квантования поля, в 1933-34 создал количественную теорию бета-распада, положив начало теории слабых взаимодействий. В 1934 открыл искусственную радиоактивность, обусловленную нейтронами, обнаружил и дал теорию явления замедления нейтронов (Нобелевская премия, 1938), высказал идею получения новых элементов при облучении урана нейтронами, в 1936 открыл селективное поглощение нейтронов. Все это положило начало нейтронной физике.

    В 1939 независимо от Ф.Жолио-Кюри, Л.Сцилларда  и других доказал, что при делении  урана под действием медленных  нейтронов излучаются 2-3 новых нейтрона и возможно осуществление цепной ядерной реакции. Построил первый ядерный реактор и 2 декабря 1942 впервые получил самоподдерживающуюся цепную реакцию.

    В 1949 разработал теорию происхождения  космических лучей, в 1950 - статистическую теорию множественного образования частиц (мезонов), в 1952 открыл адронный резонанс - изотопический квадруплет. Вместе с Ч.Янгом в 1949 предложил первую составную модель элементарных частиц (модель Ферми-Янга).

    Паули Вольфганг (25.04.1900-14.12.1958) - австрийско-швейцарский физик, член Швейцарского физического и ряда других научных обществ, медали Франклина, Планка.

    Высказал  в 1931 гипотезу о существовании нейтрино и описал в 1933 его основные свойства. Автор фундаментальных исследований по теории элементарных частиц и квантовых полей, мезонной теории ядерных сил. В 1940 доказал теорему о связи статистики и спина, в 1941 показал связь закона сохранения заряда с инвариантностью относительно калибровочных преобразований. В 1955 в окончательном виде сформулировал СРТ-теорему, отражающую симметрию элементарных частиц.

    Таким образом, в результате развития квантовой  теории появились две статистики: Бозе-Эйнштейна для бозонов (частиц с целым спином) и Ферми-Дирака для фермионов (с полуцелым спином).

    Для разрешения дилеммы волна-частица в 1927 г. Гейзенбергом был сформулирован принцип неопределенности, в соответствии с которым нельзя одновременно точно определить координату и импульс (или энергию состояния и время пребывания в нем частицы). Здесь встает принципиальный вопрос о возмущении, которое вносит прибор и метод измерения в определение физической характеристики объекта. Это вызвало большие философские споры о реальности физического мира и физических представлений о реальном мире. Частично возникшие противоречия снимаются принципом дополнительности Бора, по которому любой частице присущи и волновые, и корпускулярные свойства, они друг друга взаимоисключают и взаимодополняют. Эти дискуссии о дуализме волна-частица, детерминизм-неопределенность продолжаются в современной физике. 

    В начале 50-х годов 20 века произошло  крупное открытие в оптике: советские  физики Николай Геннадиевич Басов (1922-2001) и Александр Михайлович Прохоров (1916-2002), а также американский физик  Чарльз Хард Таунс (р.1915) обнаружили стимулированное  излучение в молекулярных системах (Нобелевская премия по физике, 1964), предсказанное в 1917 г. Эйнштейном при описании взаимодействия электромагнитного излучения с молекулами. Это послужило основой создания оптических квантовых генераторов, а в начале 60-х годов были сконструированы первые лазеры, которые во многом определили развитие современной оптики. Лазеры широко применяются в спектроскопии, голографии, оптоэлектронике, информационных технологиях, медицине и других областях науки и техники. 
 
 

Вопрос  № 3: «Подчеркните особенности волновой генетики». 

    Открытия  в квантовой механике оказали  воздействие и на другие области  естествознания, например, на биологию, в рамках которой была разработана  концепция волновой, или квантовой, генетики.

      Когда ученые  Дж. Уотсон, М. Уилкинс и Ф. Крик  получили Нобелевскую премию в 1962году за установление молекулы ДНК и её роли в передаче наследственной информации, то генетики были уверены в близком разрешении проблемы передачи генетической информации. Ставилась задача расшифровки генетического кода, т.е. последовательность нуклеотидов ДНК. Но после открытия структуры ДНК  и детального рассмотрения молекулы в передаче наследственных признаков основная проблема феномена жизни – механизмы её воспроизведения - осталась нераскрытой.

    А.А. Любищев в своем труде писал, что гены не являются ни частями  хромосом, ни молекулами автокаталитических ферментов, ни радикалами, ни физической структурой. Он считал, что ген нужно  признать, как потенциальную субстанцию.

    Развивая  эти идеи,  А. Г. Гурвич  утверждал, что в генетике «необходимо ввести понятие биологического поля, свойства которого формально заимствованы из физических представлений».   Именно в поле заключены формы, принимаемые эмбрионом в процессе развития.

    Идеи  А. А. Любищева и А. Г. Гурвича заключаются в следующем: 

1. гены дуалистичны  – они вещество и поле одновременно;
2. полевые элементы хромосом различают пространство  - время организма и тем самым управляют развитием биосистем;
3. гены обладают эстетически-образной и речевой регуляторными функциями.

      Эти идеи были недооценены,  вплоть до работы В. П. Казначеева, в которых были подтверждены  эксперементально предвидения ученых  о наличии полевых форм передачи  информации у живых организмов.  После его работ существование  волнового знакового канала между клетками биосистем не вызывало сомнений.

    Также китайский исследователь Цзян Каньчжен  провел серию суперэксперементов,  которые перекликались с теорией  А. А. Любищева и      А. Г. Гурвича. Он считал, что носителями полевой  геноинформации являются сверхчастотные электромагнитные излучения. Однако теоретически обосновать это не смог.

    Попытки теоретически обосновать эксперементальные  работы В. П. Казначеева и Цзян Каньчжен  взяли на себя российские ученые П. П. Горяев,  А. А. Березин, А. А. Васильев.  В рамках разработанной ими теории, получившей название волновой генетики, было выдвинуто, обосновано и эксперементально подтверждено несколько положений, которые расширили понимание феномена жизни и процессов, происходящих в живой материи.