Микромир: концепции современной физики

Содержание: 
 

Введение................................................................................................................2 

1. Сущность квантово-механической концепции описания микромира.........3

2. Взгляды М. Планка, Луи де Бройля, Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу микромира.......................................................................5 

3. Особенности волновой генетики.....................................................................9 

Заключение...........................................................................................................15 

Список использованной литературы.................................................................16 
 
 
 
 
 
 
 

Введение:

         Разработка квантовой механики относится к началу XX в., когда были обнаружены две, казалось бы, не связанные между собой группы явлений, свидетельствующих о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики к процессам взаимодействия света с веществом и к процессам, происходящим в атоме: установление на опыте двойственной природы света - дуализма света и невозможность объяснить на основе имевшихся представлений существование устойчивых атомов и их оптические спектры. Установление связи между этими группами явлений и попытки объяснить их на основе новой теории и привели к открытию законов квантовой механики.

         В своей работе я хотела бы раскрыть такие вопросы, как сущность квантово-механической концепции описания микромира, специфика поведения объектов в микромире и особенности их описания с помощью квантовой механики, обозначить особенности квантовой электроники и изучения строения вещества. Изложить взгляды М. Планка, Луи де Бройля, Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу микромира. И указать возможности применения знаний квантовой механики для изучения гена в современной генетике. 
 
 
 
 
 

1. Сущность квантово-механической концепции описания микромира.

         Для описания явлений микромира обычно привлекают квантовую механику, иногда ее еще называют волновой механикой. Квантовой механикой называют теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) в заданных внешних полях и их систем (например, кристаллов), а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. 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, и позволили 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. Например, квантовая механика позволила объяснить температурную зависимость теплоемкостей газов, твердых тел и вычислить их значения; определить строение и понять многие свойства твердых тел (металлов, диэлектриков, полупроводников); последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость; понять природу астрофизических объектов - белых карликов, нейтронных звезд; выяснить механизм протекания термоядерных реакций на Солнце и звездах. В некоторых эффектах (например, Джозефсона) законы квантовой механики проявляются непосредственно в поведении макроскопических объектов.

         Ряд крупнейших технических достижений XX в. основан, по сути, на специфических законах квантовой механики. Например, квантово-механические законы лежат в основе работы ядерных реакторов, обусловливают возможность осуществления термоядерных реакций в земных условиях, наблюдаются в ряде явлений в металлах и полупроводниках и т.д. Теория квантово-механического излучения составляет фундамент квантовой электроники. Законы квантовой механики используются при целенаправленном поиске и создании новых материалов (магнитных, полупроводниковых, сверхпроводящих и др.)

         Для классической механики и теории относительности характерно описание частиц путем задания их положения в пространстве координат и скоростей и зависимости этих величин от времени. Такому описанию соответствует движение частиц по вполне определенным траекториям. Однако это описание не всегда справедливо, особенно для частиц с очень малой массой (микрочастиц). В таких случаях используют законы квантовой механики.

         Квантовая механика делится на нерелятивистскую, справедливую в случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной теории относительности. Нерелятивистская квантовая механика - это вполне законченная и логически непротиворечивая теория, которая позволяет количественно решать в принципе любую физическую задачу в области своей компетентности. Разработка релятивистской квантовой механики еще не доведена до такого уровня. Например, если в нерелятивистской области можно считать, что движение определяется силами, действующими мгновенно на расстоянии, то в релятивистской области это допущение несправедливо. Поскольку, согласно теории относительности, взаимодействие передается с конечной скоростью, должен существовать физический агент, переносящий взаимодействие. Таким агентом считается физическое поле. Поэтому можно сказать, что трудности создания релятивистской теории по существу связаны с построением теории поля.

         Соотношение между классической и квантовой механикой определяется существованием универсальной мировой постоянной - постоянной Планка (или кванта действия). Если в условиях конкретной задачи физическая величина, имеющая размерность действия, значительно больше постоянной Планка, то применима классическая механика или теория относительности. Формально это условие и является критерием выбора физической теории для описания картины мира. 

2. 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. Первые исследования в этой области были проведены немецким физиком М. Планком. В процессе исследования теплового излучения он пришел к выводу, что энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в определенных неделимых порциях – квантах. Сумма энергий этих порций определяется через число колебаний и универсальную естественную постоянную. Понятие элементарного кванта в дальнейшем послужило основой для понимания всех свойств атомной оболочки и атомного ядра. А. Эйнштейн перенес идею квантованного поглощения и отдачи энергии на излучение вообще и, таким образом, обосновал новое учение о свете.

         Квантовая теория света или фотонная теория Эйнштейна утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. Вместе с тем световая энергия концентрируется в определенных точках, и свет, поэтому имеет прерывистую структуру. Свет можно рассматривать как поток энергетических квантов или фотонов. Таким образом, ранее считавшаяся опровергнутой корпускулярная теория света оказалась тоже отчасти верной.

         Представления Эйнштейна о квантах света послужили отправным пунктом для теории Нильса Бора и привели к возникновению идеи о «волнах материи». В 1924 г. французский физик Луи де Бройль выдвинул идею о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления для описания свойств материи. Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже микроскопическим телам. В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи. Английский физик Поль Дирак обобщил его. Таким образом, была выдвинута идея о возможности создания единой математической модели материи и энергии. Экспериментальные данные подтвердили существование явлений дифракции атомов, нейтронов, электронов и даже молекул. Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств. Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенности, установленном немецким физиком В. Гейзенбергом. Принцип соотношения неопределенности утверждает, что для элементарных частиц никогда нельзя установить одновременно оба важнейших параметра классической механики – координату и скорость. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то при этом нарушается ее движение, и, наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы. Это связано с тем, что, пользуясь законами макромира, невозможно построить модель явлений микромира. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов опирается либо на волновое, либо на корпускулярное представление и не дает возможности описать квант, являющийся и частицей, и волной одновременно. Нильс Бор сформулировал это как принцип дополнительности: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего». В процессе исследования мы наблюдаем не реальность как таковую, а результат взаимодействия микрообъекта с приборами, одни из которых способны фиксировать волновую, другие – корпускулярную природу элементарных частиц. Обе картины законны, и противоречие между ними снять нельзя. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую.

         Параллельно с исследованиями квантовой природы энергии велись исследования атомов как структурных единиц материи. В XVIII в. химик Дальтон принял атомный вес водорода за единицу и сопоставил с ним атомные веса других газов. В XIX в. Д.И. Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе. В физике исследования атома начинаются с открытия явления радиоактивности (самопроизвольного превращения атомов одних элементов в атомы других) французскими физиками А. Беккерелем и Пьером и Марией Кюри. Исследование структуры атома началось в 1895 г. с открытия Дж. Томсоном электрона – отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку атом в целом электрически нейтрален, было сделано предположение о наличии в его структуре положительно заряженных частиц. В 1911 г. исследования лаборатории Э. Резерфорда позволили сделать вывод, что атом имеет структуру, напоминающую солнечную систему: в центре находится атомное ядро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны.

         В 1913 г. датский физик Нильс Бор, отталкиваясь от планетарной модели Резерфорда, в которой, подобно тому, как планеты вращается вокруг Солнца, электроны движутся вокруг ядра, и квантовой концепции энергии, предложил следующую гипотезу строения атома: «В каждом атоме существует несколько стационарных состояний или орбит электронов, двигаясь по которым электрон существует, не излучая. При переходе электрона из одного стационарного состояния в другое атом излучает или поглощает порцию энергии». Концепция Бора позволяла объяснить устойчивость атомов и излучение ими энергии.

         Следующие исследования показали, что сам электрон не является точкой. Он обладает внутренней структурой, которая может меняться в зависимости от его состояния, поэтому описать структуру атома, исходя из представлений классической механики, нельзя. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы распространены по всему атому, но в некоторых местах электронная плотность заряда больше, а в других – меньше. Кривая, связывающая точки максимальной плотности, формально называется орбитой электрона. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механистических моделей по аналогии с событиями в макромире.

         Дальнейшее развитие представлений о структуре материи было связано с исследованиями элементарных частиц, то есть частиц, входящих в состав атома. Сейчас их известно более 350. Первоначально термин «элементарный» означал, что эти частицы являются далее неразложимыми. Сейчас уже не подлежит сомнению, что эти частицы имеют ту или иную структуру.

         Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий:

1. Сильное взаимодействие. Происходит на уровне атомных ядер. Оно представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии 10-13 см.
2. Электромагнитное взаимодействие. Примерно в 1000 раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заряженным частицам. Носителем электромагнитного взаимодействия является фотон – квант электромагнитного поля. Электромагнитное взаимодействие соединяет атомные ядра, электроны в атоме и атомы в молекуле.
3. Слабое взаимодействие. Действует на расстоянии порядка 10-15 – 10-22 см. Связано, главным образом, с распадом частиц, например, с превращением нейтрона в протон, электрон и антинейтрино.
4. Гравитационное взаимодействие. Самое слабое, в теории элементарных частиц почти не учитывается. Но при сверхбольших энергиях тяжелые частицы могут создавать вокруг себя заметное гравитационное поле. Гравитационные взаимодействия имеют решающее значение в космических масштабах. Радиус их действия неограничен.

3. Особенности волновой  генетики.

         Уникальные опыты российских ученых в области волновой генетики продемонстрировали возможность воздействия на живые организмы на расстоянии. По мнению исследователей, новый подход в области генетических исследований поможет человечеству остановить процессы старения, избавиться от смертельных заболеваний и создать биотехнологии, не имеющие аналогов в мире. Во все времена наука считалась не просто предметом мышления, а процессом, который постоянно пересекался с практикой и подтверждался конкретными экспериментами. Доктор биологических наук Петр Горяев и кандидат технических наук  
Георгий Тертышный провели в области волновой генетики уже не один десяток экспериментов, и достигнутые ими результаты можно назвать сенсационными. 
         Одним из первых их экспериментов был удивительный процесс воссоздания растения, погибшего во время чернобыльской катастрофы. Ученые поставили перед собой, казалось бы, недостижимую цель: по прошествии 17 лет попробовать вернуть к жизни семена растения, убитого  
громадной дозой радиации. Для этого взяли семена здорового растения и вновь подвергли облучению, только на этот раз при помощи хитрого прибора, названного разработчиками лазером на информационных биомакромолекулах. При этом носители света – фотоны проходили через  
генетический материал, размещенный на стекле, и словно считывали и записывали информацию с матрицы. Проходя через ДНК растения, фотоны меняли угол направления векторов магнитного и электрического полей. В результате таких изменений фотоны становились носителями генетической информации, которая затем передавалась погибшему растению, находившемуся за стеклом, и "ремонтировала" его поврежденный геном.