Микромир: концепции современной физики

План работы

Введение 2

Введение

Изучение объектов микромира в нашей жизни, как раньше, так и в настоящее время, играют не маловажную роль. С давних пор людей интересовали вопросы, на которые они не могли дать адекватные ответы, например, самый маленький объект на Земле до XIX в. считался атом, пока не началось более детальное и «смелое» исследование, которое доказало, что в состав атома входят намного меньшие по размерам частицы-электроны. Поэтому считаю изучение данной темы актуальной и в наше время, так как приборы совершенствуются и возможно когда-нибудь ученые докажут что есть объекты намного меньшие размеров электрона.

Главной целью этой работы я считаю изучение природы микромира, расширения понятия Микромир и применение явлений в квантовой физике.

Главной задачей является отслеживание путей открытия различных объектов и понятие их основных критериев, доказательств на которых основывались ученые, выдвигая гипотезы на всеобщее обсуждение.

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

В конце XIX начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого концептуальные построения классической физики оказались непригодными. В результате научных открытий были опровергнуты представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи. История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию Дж. Дж. Томсоном электрона — отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположение о наличии помимо электрона и положительно заряженной частицы. Опыты английского физика Э. Резерфорда с альфа-частицами привели его к выводу о том, что в атомах существуют ядра — положительно заряженные микрочастицы, размер которых (10-12 см) очень мал по сравнению с размерами атомов (10-8 см).

По причине несовершенства наших измерительных приборов в атомной физике были получены необычные экспериментальные результаты. На этой основе была построена специальная математическая теория – квантовая механика, способствующая расчету полученных экспериментальных результатов, а также предсказанию новых.

Появление квантовой механики в начале ХХ века стимулировало огромный поток дискуссий по поводу природы микрочастиц и силовых полей.

Явления, которые наблюдались в микромире, были столь необычными, что микрочастицам был приписан особый статус квантовых явлений, в корне отличающихся от явлений, происходящих в привычной для всех классической физике. Одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

В 1900г. Появилась работа немецкого физика Макса Планка, он пришел к выводу, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых пропорциях – квантах. Такое представление противоречило классическому мировоззрению.

Можно описать поведение микрообъектов благодаря работам немецкого физика В. Гейзенберга установившего принцип неопределенности (Невозможно знать одновременно точно координаты и импульс частицы, их можно определить только с некоторой степенью вероятности.), и датского физика Н. Бора сформулировавшего принцип дополнительности (Волновые и корпускулярные описания микрообъекта не исключают, а дополняют друг друга и только вместе дают полное описание объекта.).

Но, несмотря на успехи квантовой механики, в настоящий момент она едва ли может претендовать на полноту и универсальность описания физических явлений.

Вопрос № 2: «Объясните взгляды М. Планка, Луи Де Бройля, Э.Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу микромира».

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

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком Максом Планком. В 1900 г. После продолжительных попыток создать теорию, которая удовлетворительно объясняла бы экспериментальные данные, Планку удалось вывести формулу, которая замечательно согласовывалась с данными эксперимента. Свои исследования Планк посвящал в основном вопросам термодинамики. Известность он приобрел после объяснения представления о квантовой природе излучения.[2] Однако для вывода своей формулы ему пришлось ввести радикальное понятие, идущее вразрез со всеми установленными принципами. В процессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планк назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах изучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях – квантах.

Применяя новую квантовую теорию М. Планка к проблеме строения атома, Нильс Бор предположил, что электроны обладают некоторыми разрешенными устойчивыми орбитами, на которых они не излучают энергию. Только в случае, когда электрон переходит с одной орбиты на другую, он приобретает или теряет энергию, причем величина, на которую изменяется энергия, точно равна энергетической разности между двумя орбитами. Идея, что частицы могут обладать лишь определенными орбитами, была революционной, поскольку, согласно классической теории, их орбиты могли располагаться на любом расстоянии от ядра, подобно тому как планеты могли бы в принципе вращаться по любым орбитам вокруг Солнца.

Хотя модель Бора казалась странной и немного мистической, она позволяла решить проблемы, давно озадачивавшие физиков. В частности, она давала ключ к разделению спектров элементов. Когда свет от светящегося элемента (например, нагретого газа, состоящего из атомов водорода) проходит через призму, он дает не непрерывный включающий все цвета спектр, а последовательность дискретных ярких линий, разделенных более широкими темными областями. Согласно теории Бора, каждая яркая цветная линия (т.е. каждая отдельная длина волны) соответствует свету, излучаемому электронами, когда они переходят с одной разрешенной орбиты на другую орбиту с более низкой энергией. Бор вывел формулу для частот линий в спектре водорода, в которой содержалась постоянная Планка. Частота, умноженная на постоянную Планка, равна разности энергий между начальной и конечной орбитами, между которыми совершают переход электроны.[4] Теория Бора, опубликованная в 1913 г., принесла ему известность; его модель атома стала известна как атом Бора. Усилия Бора были направлены на то, чтобы сохранить за обоими наглядными представлениями, корпускулярным и волновым, одинаковое право на существование, причем он пытался доказать, что хотя эти представления, возможно, исключают друг друга, однако они лишь вместе делают возможным полное описание процессов в атоме.

Поскольку свойства электрона в стационарном состоянии атома описываются с помощью кванта, Луи Де Бройль предположил, что объекты – такие как электроны и фотоны совсем не похожи на привычные объекты макромира. Они ведут себя и не как частицы и не как волны, а как совершенно особые образования, проявляя и волновые и корпускулярные свойства в зависимости от обстоятельств.

Соотношение де Бройля позволило объяснить одну из величайших загадок зарождающейся квантовой механики. Когда Нильс Бор предложил свою модель атома, она включала концепцию разрешенных орбит электронов вокруг ядра, по которым они могли сколь угодно долго вращаться без потери энергии. С помощью соотношения де Бройля можно проиллюстрировать это понятие. Если считать электрон частицей, то, чтобы электрон оставался на своей орбите, у него должна быть одна и та же скорость (или, вернее, импульс) на любом расстоянии от ядра.

Если же считать электрон волной, то, чтобы он вписался в орбиту заданного радиуса, надо, чтобы длина окружности этой орбиты была равна целому числу длины его волны. Иными словами, окружность орбиты электрона может равняться только одной, двум, трем (и так далее) длинам его волн. В случае нецелого числа длин волны электрон просто не попадет на нужную орбиту.

Главный же физический смысл соотношения де Бройля в том, что всегда можно определить разрешенные импульсы (в корпускулярном представлении) или длины волн (в волновом представлении) электронов на орбитах. Для большинства орбит, однако, соотношение де Бройля показывает, что электрон (рассматриваемый как частица) с конкретным импульсом не может иметь соответствующую длину волны (в волновом представлении) такую, что он впишется в эту орбиту. И наоборот, электрон, рассматриваемый как волна определенной длины, далеко не всегда будет иметь соответствующий импульс, который позволит электрону оставаться на орбите (в корпускулярном представлении). Иными словами, для большинства орбит с конкретным радиусом либо волновое, либо корпускулярное описание покажет, что электрон не может находиться на этом расстоянии от ядра.[5]

Под впечатлением от комментариев Эйнштейна по поводу идей де Бройля Эрвин Шредингер предпринял попытку применить волновое описание электронов к построению последовательной квантовой теории, не связанной с неадекватной моделью атома Бора. В известном смысле он намеревался сблизить квантовую теорию с классической физикой, которая накопила немало примеров математического описания волн. Первая попытка, предпринятая Э. Шредингером в 1925 г., закончилась неудачей. Скорости электронов в теории Шредингера были близки к скорости света, что требовало включения в нее специальной теории относительности Эйнштейна и учета предсказываемого ею значительного увеличения массы электрона при очень больших скоростях.

Следующую попытку Шредингер предпринял в 1926 г. Скорости электронов на этот раз были выбраны им настолько малыми, что необходимость в привлечении теории относительности отпадала сама собой. Вторая попытка увенчалась выводом волнового уравнения Шредингера, дающего математическое описание материи в терминах волновой функции. Э. Шредингер назвал свою теорию волновой механикой. Решения волнового уравнения находились в согласии с экспериментальными наблюдениями и оказали глубокое влияние на последующее развитие квантовой теории. Волновое уравнение определяет параметры будущего состояния микрообъекта с той или иной степенью вероятности.

В 1927 г. Вернер Гейзенберг стал профессором теоретической физики Лейпцигского университета. В том же году он опубликовал работу, содержащую формулировку принципа неопределенности. Свой принцип Гейзенберг вывел как следствие умножения матриц. При умножении обычных чисел порядок сомножителей несуществен, а при умножении матриц он очень важен. При вычислении операции умножения над некоторыми парами величин, например импульсом частицы и ее пространственной координатой, ответ в матричной механике будет зависеть от того, какая из величин (импульс или пространственная координата) стоит на первом месте. Понятие упорядоченности величин оказалось весьма глубоким. Оно означало, что точное определение одной величины влияет на значение другой, поэтому значения двух величин одновременно невозможно знать с абсолютной точностью. Физические величины обычно становятся известны в результате измерений. Принцип неопределенности устанавливает предел для точности измерений. Понятие упорядоченности величин оказалось весьма глубоким, это означало, что одновременно сколько угодно точно определить координату и импульс частицы не возможно. В микромире описание процессов возможно лишь на вероятностном уровне.[8]

Вопрос № 3: «Особенности волновой генетики».

Открытия, сделанные в квантовой механике, оказали плодотворное воздействие не только на развитие физики, но и на другие области естествознания, прежде всего на биологию, в рамках которой была разработана концепция волновой, или квантовой генетики.

В 1957 г. в Китае исследователь Дзян Каньджен начал, а с 70-х на Российской земле продолжил супергенетические эксперименты, которые перекликались с предвидениями русских ученых А.Г. Гурвича и А.А. Любищева. В 20-х - 30-х годах они предсказали, что генетический аппарат организмов Земли работает не только на вещественном, но и на полевом уровне и способен передавать генетическую информацию с помощью электромагнитных и акустических волн.

В последнее десятилетие к слову "генетическая" стали добавлять приставки "эпи", "супер", "сверх", что отражает понимание недостаточности чисто вещественных потенций хромосом для кодирования структуры организмов.
Однако около 60 лет назад А.А. Любищев пошел дальше. Он предсказывал, что и полевой уровень также не исчерпывает всех информационных возможностей генома.

С 60-х годов в Новосибирске акад. В.П. Казначеевым и его школой начаты исследования, призванные подтвердить идеи Гурвича-Любищева. И они действительно продемонстрировали так называемый зеркальный цитопатический эффект, когда клетки, разделенные кварцевым стеклом, обмениваются волновой регуляторной информацией, связанной с функциями генетического аппарата [12].

Дзян Каньджень, имевший кроме медицинского образования еще и инженерное, исходя из своих представлений, в какой-то мере совпадавших с гено-биополевой моделью Гурвича-Любищева-Казначеева, сконструировал аппаратуру, которая была способна считывать, передавать на расстояние и вводить волновые супергенетические сигналы с биосистемы-донора в организм-акцептор. В результате были выведены гибриды, немыслимые, "запрещенные" официальной генетикой, которая оперирует понятиями только вещественных генов. Так появились на свет животные и растения-химеры, такие как куро-утки, цыплята с волосами самого Дзян-Каньдженя, кролики с рогами козы, кукуруза, из початков которой росли пшеничные колосья и т.д.

Автор, интуитивно понимавший некоторые стороны, фактически созданной им Экспериментальной Волновой Генетики, считает, что носителями полевой геноинформации являются сверхвысокочастотные электромагнитные излучения, используемые в его аппаратуре, так называемого "био-СВЧ". Однако, его теоретическая модель волнового генома наивна. Исследователь талантлив как практик, ведомый безошибочным чутьем природы, но не способный дать адекватного объяснения результатам своих экспериментов.

Возникла необходимость в теоретическом развитии модели Волнового Генома, работы хромосом и ДНК в полевом и вещественном измерениях. Первые попытки решить эту задачу предприняли П.П. Гаряев и А.А. Березин из Отдела Теоретических Проблем РАН, а также А.А. Васильев, сотрудник Физического Института РАН. В основу их теоретической конструкции были положены принципы когерентных физических излучений, голографии и солитоники, теория физического вакуума, фрактальные представления структур ДНК и человеческой речи.

Суть идей Гаряева-Березина-Васильева ("ГБВ-модель") состоит в том, что геном высших организмов рассматривается как биоголографический компьютер, формирующий пространственно-временную структуру биосистем. При этом в качестве носителей полевых эпигеноматриц выступают волновые фронты, задаваемые геноголограммами, и т.н. солитоны на ДНК - особый вид акустических и электромагнитных полей, продуцируемых генетическим аппаратом самого организма и способных к посредническим функциям по обмену стратегической регуляторной информацией между клетками, тканями и органами биосистемы. [2]

Заключение

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.

Все вышеизложенные революционные открытия в физике перевернули ранее существующие взгляды на мир. Исчезла убежденность в универсальности законов классической механики, ибо разрушились прежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о неизменности химических элементов и т.д. Теперь уже вряд ли можно найти физика, который считал бы, что все проблемы его науки можно решить с помощью механических понятий и уравнений.

Рождение и развитие квантовой физики, таким образом, окончательно сокрушило прежнюю механистическую картину мира. Но классическая механика Ньютона при этом не исчезла. По сей день, она занимает почетное место среди других естественных наук. С ее помощью, например, рассчитывается движение искусственных спутников Земли, других космических объектов и т.д. Но трактуется она теперь как частный, случай квантовой механики, применимый для медленных движений и больших масс объектов макромира.

Список использованных источников

1. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов / Под ред. проф. В.Н. Лавриненко, проф. В.П. Ратникова. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. - 317 с.;