Квантовая физика и её мировоззренческое значение

Министерство  образования и науки Российской федерации

Федеральное агентство по образованию

Ростовский  Государственный Экономический  Университет «РИНХ» 
 
 
 
 
 
 
 

Доклад

 на  тему: «Квантовая физика и её мировоззренческое значение» 
 
 
 

Выполнила студентка

Финансового Факультета

группы 527

Владимирова Татьяна Ивановна

Проверил  Мельников Д.А. 
 

Ростов - на - Дону

2010 

Содержание.

Введение.

     Величайшая  революция в физике совпала с  началом XX века. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах  закономерности распределения энергии в спектрах теплового излучения (электромагнитного излучения нагретого тела) оказались несостоятельными. Многократно проверенные законы электромагнетизма Максвелла неожиданно “забастовали”, когда их попытались применить к проблеме излучения веществом коротких электромагнитных волн. И это тем более удивительно, что эти законы превосходно описывают излучение радиоволн антенной и что в свое время само существование электромагнитных волн было предсказано на основе этих законов.

     Электродинамика    Максвелла приводила к бессмысленному выводу, согласно которому нагретое тело, непрерывно теряя энергию вследствие излучения электромагнитных волн, должно охладиться до абсолютного нуля. Согласно классической теории тепловое равновесие между веществом и излучением невозможно. Однако повседневный опыт показывает, что ничего подобного в действительности нет. Нагретое тело не расходует всю свою энергию на излучение электромагнитных волн.

     В поисках выхода из этого противоречия между теорией и опытом немецкий физик Макс Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте v излучения:      E=hv.

     Коэффициент пропорциональности h получил название постоянной Планка.

     Предположение Планка фактически означало, что законы классической физики неприменимы к явлениям микромира.

     Построенная Планком теория теплового излучения  превосходно согласовалась с  экспериментом. По известному из опыта  распределению энергии по частотам было определено значение постоянной Планка. Оно оказалось очень малым:   =6,63.10-³⁴ Дж.с.

     После открытия Планка начала развиваться  новая, самая современная и глубокая физическая теория — квантовая теория. Развитие ее не завершено и по сей день.

     Квантовая теория, также известная, как квантовая физика и квантовая механика – раздел теоретической физики, в которой изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы, и законы их движения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     История возникновения квантовой  физики.

     На  заседании Немецкого физического  общества, Макс Планк зачитал свою историческую статью «К теории распределения  энергии излучения в нормальном спектре», в которой он ввёл универсальную  постоянную h. Именно дату этого события, 14 декабря 1900 года, часто считают  днем рождения квантовой теории.

     Квантовая гипотеза Планка состояла в том, что  для элементарных частиц, любая энергия  поглощается или испускается  только дискретными порциями. Эти  порции состоят из целого числа квантов  с энергией таких, что эта энергия пропорциональна частоте ν с коэффициентом пропорциональности, определённым по формуле:

      , где h — постоянная Планка, и .

     В 1905 году, для объяснения явлений  фотоэффекта, Альберт Эйнштейн, использовав  квантовую гипотезу Планка, предположил, что свет состоит из квантов. Впоследствии, «кванты» получили название фотонов.

     Для объяснения структуры атома, Нильс  Бор предложил в 1913 году существование  стационарных состояний электрона, в которых энергия может принимать  лишь дискретные значения. Этот подход, развитый Арнольдом Зоммерфельдом  и другими физиками, часто называют старой квантовой теорией (1900—1924 г.). Отличительной чертой старой квантовой  теории является сочетание классической теории с противоречащими ей дополнительными  предположениями.

     В 1923 году Луи де Бройль выдвинул идею двойственной природы вещества, опиравшуюся  на предположение о том, что поток  материальных частиц обладает и волновыми  свойствами, неразрывно связанными с  массой и энергией. Движение частицы  Л. де Бройль сопоставил с распространением волны, что в 1927 году получило экспериментальное подтверждение при исследовании дифракции электронов в кристаллах.

     Высказанные в 1924 году идеи корпускулярно-волнового  дуализма были в 1926 году подхвачены Э. Шрёдингером, развернувшим на их основе свою волновую механику.

     В 1925—1926 годах были заложены основы последовательной квантовой теории в виде квантовой  механики, содержащей новые фундаментальные  законы кинематики и динамики. Первая формулировка квантовой механики содержится в статье Вернера Гейзенберга, датированной 29 июля 1925 года. Эту дату можно считать  днем рождения нерелятивистской квантовой  механики.

     Развитие  и формирование основ квантовой  механики продолжается до сих пор. Оно  связано, например, с исследованиями открытых и диссипативных квантовых  систем, квантовой информатикой, квантовым  хаосом и пр. Помимо квантовой механики, важнейшей частью квантовой теории является квантовая теория поля.

     В 1927 году К. Дэвиссон и Л. Джермер в  исследовательском центре Bell Labs демонстрируют  дифракцию медленных электронов на никелевых кристаллах (независимо от Дж. Томсона). При оценке угловой  зависимости интенсивности отраженного  электронного луча, было показано её соответствие предсказанной на основании закона Вульфа — Брэггов для волн с  длиной Де Бройля (см. Волны де Бройля). До принятия гипотезы де Бройля, дифракция  расценивалась как исключительно  волновое явление, а любой дифракционный  эффект — как волновой. Когда  длина волны де Бройля была сопоставлена с условиями Брэггов, была предсказана  возможность наблюдения подобной дифракционной  картины для частиц. Таким образом  экспериментально была подтверждена гипотеза де Бройля для электрона. 

     Подтверждение гипотезы де Бройля стало поворотным моментом в развитии квантовой механики. Подобно тому, как эффект Комптона показывает корпускулярную природу  света, эксперимент Дэвиссона —  Джермера подтвердил неразрывное «сосуществование»  с частицей её волны, иными словами  — присущность корпускулярной материи  также и волновой природы. Это  послужило оформлению идей корпускулярно-волнового  дуализма. Подтверждение этой идеи для физики стало важным этапом, поскольку дало возможность не только характеризовать любую частицу, присваивая ей определённую индивидуальную длину волны, но также при описании явлений, полноправно использовать её в виде определённой величины в  волновых уравнениях. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Математические  основания квантовой  физики.

     Существуют  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.

Шрёдингеровское описание.

      Математический  аппарат нерелятивистской квантовой  механики строится на следующих положениях:

• Чистые состояния системы описываются ненулевыми векторами комплексного сепарабельного гильбертова пространства , причем векторы и описывают одно и то же состояние тогда и только тогда, когда , где — произвольное комплексное число.
• Каждой наблюдаемой можно однозначно сопоставить линейный самосопряжённый оператор. При измерении наблюдаемой при чистом состоянии системы в среднем получается значение, равное

где через обозначается скалярное произведение векторов и .

• Эволюция чистого состояния гамильтоновой системы определяется уравнением Шрёдингера

где — гамильтониан.

Основные  следствия этих положений:

• При измерении любой квантовой наблюдаемой, возможно получение только ряда фиксированных её значений, равных собственным значениям её оператора — наблюдаемой.
• Наблюдаемые одновременно измеримы (не влияют на результаты измерений друг друга) тогда и только тогда, когда соответствующие им самосопряжённые операторы перестановочны.

   Эти положения позволяют создать  математический аппарат, пригодный  для описания широкого спектра задач  в квантовой механике гамильтоновых  систем, находящихся в чистых состояниях. Не все состояния квантовомеханических систем, однако, являются чистыми. В  общем случае состояние системы  является смешанным и описывается  матрицей плотности, для которой  справедливо обобщение уравнения  Шрёдингера — уравнение фон Неймана (для гамильтоновых систем). Дальнейшее обобщение квантовой механики на динамику открытых, негамильтоновых  и диссипативных квантовых систем приводит к уравнению Линдблада. 
 
 
 
 

Мировоззренческое значение квантовой физики.

      Квантовая механика знаменует собой кардинальные сдвиги в нашем познании мира. Возникновение квантовой механики - это яркий пример общенаучной революции, ибо ее значение выходит далеко за пределы физики. Возьмем, к примеру, гуманитарные науки. Вот небольшой отрывок из записей одного из крупнейших наших отечественных гуманитариев, М.М.Бахтииа: «Экспериментатор составляет часть экспериментальной системы (в микрофизике). Можно сказать, что и понимающий составляет часть понимаемого высказывания, текста (точнее, высказываний, их диалога, входит в него как новый участник)». Что это, как не отзвук квантовомеханических представлений? На уровне аналогий или метафор они проникли в гуманитарное мышление.

     В основе естествознания с момента  его возникновения и вплоть до открытия Планка господствовала механистическая  концепция целого и части. Принципы неопределенности и дополнительности отражают фундаментальную неопределенность явлений природы. Квантовый объект не может быть рассмотрен сам по себе, не обладает индивидуальными  свойствами, а находится в классически определенных внешних условиях. Таким образом, в квантовой механике формулируется концепция целостности, отличная от механистической концепции целого и части, ибо объект вне целого и внутри целого не один и тот же; отдельный объект рассматривается лишь в отношении к чему-либо, свои свойства он проявляет лишь по отношению к конкретной целостности, чем и определяется статистическая природа его поведения. Говоря словами Н. Бора: «С открытием Планком элементарного кванта действия началась новая эпоха в физических науках. Это открытие обнаружило свойственную атомным процессам черту цельности, идущую гораздо дальше старой идеи об ограниченной делимости материи».

     Микрообъект постоянно чувствует на себе влияние  целостности, элементом которой  он является. Известный физик Поль Ланжевен так высказался по этому  поводу: «Мне кажется, что основной причиной всех наших современных  трудностей является введение представлений  об индивидуальных частицах. Сущность принципа неопределенности заключается  именно в утверждении невозможности  проследить за движением отдельного электрона, то есть невозможности представить  его себе в качестве отдельного предмета».

     Точка зрения Н. Бора, В. Гейзенберга и их сторонников, названная копенгагенской интерпретацией квантовой механики, конечно, не могла быть воспринята безоговорочно  многими физиками, оставшимися верными  идеалу строго детерминированного, причинно-следственного  описания движения физических объектов. Так, А. Эйнштейн не принял принципиально  статистический характер копенгагенской интерпретации квантовой теории.

     Дискуссия между Бором и Эйнштейном длилась  около десяти лет и сыграла  очень важную роль в формировании основ квантовой теории. Именно этот спор привел к более глубокому  пониманию концепции целостности. Свое содержательное развитие эта концепция  получила благодаря работе трех авторов  — А. Эйнштейна, Б. Подольского и  Н. Розена «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?», опубликованной в 1935 году. В этой работе формулируется парадокс, названный  парадоксом Эйнштейна — Подольского — Розена (ЭПР-парадокс). Если вся предыдущая полемика между Бором и Эйнштейном концентрировалась, в основном, вокруг принципа неопределенности (Эйнштейн предлагал пример, опровергающий соотношение неопределенностей, а Бор всегда доказывал ошибочность аргументов Эйнштейна), то в ЭПР-парадоксе предложена ситуация, приведшая, в конечном счете, вопреки ожиданиям ее авторов, к расширению принципа целостности.

     Известно, что Бор дал немедленный ответ  на рассуждения авторов парадокса, утверждая, что физическую реальность необходимо трактовать на основе идеи нераздельности экспериментальной ситуации, неделимости и целостности квантовых явлений. ЭПР-парадокс для своего решения открывает возможность для более полного использования концепции целостности, не апеллирующей к целостности экспериментальной ситуации. Здесь речь идет уже не о целостности экспериментальной ситуации, а о целостности квантовой системы, об особом коррелятивном, взаимосвязанном поведении квантовых объектов.

     Объекты, составлявшие некогда единое целое, разведенные друг от друга на расстояния, исключающие взаимодействия, сохраняют  на себе печать прошлого, и любые  изменения одного партнера приводят к коррелятивному поведению второго. Этот перенос состояния с одной  частицы на другую, независимо от того, как далеко друг от друга они находятся, называют квантовой телепортацией. Мир предстает перед нами как  единая целостная единица, несводимая к механическому разложению его  на составные части.

     Таким образом, в квантовой механике сформировано представление о целостном, неразложимом характере мира, о не сведении его  к отдельным элементам. Этот результат, имеющий глубокое мировоззренческое  значение, является едва ли не самой  удивительной страницей в истории  физики и имеет далеко идущие перспективы  по развитию телепортационных способов передачи информации. 
 
 
 

Список  используемой литературы.

1. Концепции современного естествознания: Под ред. профессора С.И. Самыгина. Серия «Учебники и учебные пособия» — 4-е изд., перераб. и доп. - Ростов н/Д: «Феникс», 2003
2. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов, обучающихся по гуманитарным специальностям и специальностям экономики и управления / А.П. Садохин. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006
3. Кунафин М.С. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. Изд-е . – Уфа, 2003
4. Начала современного естествознания: концепции и принципы: учебное пособие / В.Н. Савченко, В.П. Смагин. — Ростов н/Д.: Феникс, 2006
5. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учебник. — Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Альфа-М; ИНФРА-М, 2004