25.Основные  понятия и принципы  ЭМКМ.

Гл. идея ЭМКМ – естественнонаучный материализм, а ее ядро – теория эл_магн поля. ЭМКМ базировалась на следующих идеях: 1) Непрерывность материи (континуальность), 2) Материальность эл_магн. поля, 3) Неразрывность материи и движения, 4) Связь пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей.

Материя и движение. Материя существует в двух видах: вещество и поле. Они строго разделены и их превращение друг в друга невозможно. Главным является поле, а значит основным свойством материи является непрерывность (континуальность) в противовес дискретности.

Пространство  и время. Из постулатов СТО следовала относительность длины, времени и массы, т.е. их зависимость от системы отсчета. Из преобразований Лоренца, выведенных для перехода от одной ИСО к другой, следовало, что пространство и время связаны между собой и образуют единый четырехмерный мир. В воображаемом четырехмерном пространстве, по осям которого откладываются пространственные координаты x, y, z и время t, событие можно изобразить точкой. Точка, изображающая событие в 4-мерном пространстве, называется мировой точкой. С течением времени мировая точка, соответствующая данной частице, перемещается в 4-мерном пространстве, описывая некоторую линию, которую называют мировой линией.

Вз_действие. В период становления и развития ЭМКМ физика знала два взаимодействия – гравитационное и эл_магн. Потом принцип дальнодействия МКМ был заменен принципом близкодействия. На сегодня создана теория поля, включающая три взаимодействия: электромагнитное, сильное и слабое. Включение в нее гравитационного взаимодействия до сих пор остается проблемой.

Основными принципами ЭМКМ являются принцип относительности Эйнштейна, близкодействие, постоянство и предельность скорости света, эквивалентность инертной и гравитационной масс, причинность. Большое значение имело установление взаимосвязи массы и энергии (E=mc²). Масса стала не только мерой инертности и гравитации, но и мерой содержания энергии. В результате два закона сохранения – массы и энергии – были объединены в один общий закон сохранения массы и энергии.

Определение: физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения, называются квантованными. А само их выражение через квантовые числа называется квантованием. Сама идея квантования сформировалась на основе открытий в конце 19^го – начале 20^го века. Рассмотрим основные из них.

Открытие  электрона. В 1897 г. был открыт е. Его заряд оказался наименьшим, элементарным. Заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов. Таким образом, заряд дискретен, а равенство q=±n∙e представляет собой форму квантования эл. заряда.

Тепловое  излучение. Во второй половине 19 в. в результате исследования теплового излучения был открыт ряд законов: Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Однако энергия теплового излучения на всех частотах =∞, что противоречило закону сохранения энергии. Особенно ярко это противоречие проявлялось в области коротких длин волн, поэтому оно получило название «УФ катастрофы».

В 1900 г. Макс Планк: эл_магн. излучение испускается отдельными порциями – квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения. Гипотеза Планка фактически стала началом новой физики – квантовой физики (старая при этом получила название классической). Согласно этим представлениям энергия кванта e = h×n, где n - частота, а h – постоянная Планка, равная 6,626×10^-34 Дж×с. Она является фундаментальной физической константой (квант действия). Таким образом, энергия может принимать лишь дискретные значения, равному целому числу квантов энергии W=n×h×n, где n=1,2,3…-целые числа.

Законы  фотоэффекта (19 в.) – явления выбивания электронов из вещества под действием света: 1) независимость энергии выбиваемых электронов от интенсивности света, а зависимость ее только от частоты световой волны и 2) наличие для каждого вещества «красной» границы фотоэффекта, т.е. минимальной частоты, при которой фотоэффект еще возможен.

В 1905 г. Эйнштейн, приняв гипотезу Планка, расширил ее, предположив, что свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается тоже квантами (названными впоследствии фотонами). Таким образом, свет представляет собой поток световых частиц – фотонов. На основе фотонных представлений и закона сохранения и превращения энергии Эйнштейн записывает основное уравнение фотоэффекта hn=A+E_k.

 В истории развития  учения о свете сменяли друг  друга корпускулярная теория света (Ньютон) и волновая (Гук, Гюйгенс, Юнг, Френель), представлявшая свет как механическую волну. В 70-х годах после утверждения теории Максвелла под светом стали понимать эл_магн. волну.

В начале 20-го века на основе экспериментов было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Было также обнаружено, что в проявлении этих свойств существуют вполне определенные закономерности: чем меньше длина волны, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света.

В 1924 г. французский  физик де'Бройль выдвинул смелую гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы, имеющие конечный импульс Р, обладают волновыми свойствами. Так появилась знаменитая формула де Бройля, l=h/(mV) где m–масса частицы, V–скорость, h–постоянная Планка.

При проявлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальная возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность (диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств материи).

По совр. представлениям квантовый объект – это не частица, не волна, и даже не то и не другое одновременно. Квантовый объект – это нечто третье, не равное простой сумме свойств частицы и волны. Для выражения свойства квантового объекта у нас в языке просто нет соответствующих понятий. Но, поскольку сведения о микрообъекте, о его характеристиках мы получаем в результате вз_действия его с прибором (макрообъектом), то и описывать этот микрообъект приходится в классических понятиях, т.е. используя понятия волны и частицы.

Корпускулярные и  волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Эта идея была высказана Н. Бором и положена им в основу важнейшего методологического принципа совр. науки, охватывающего в настоящее время не только физические науки, но и все естествознание – принципа дополнительности (1927).

Суть принципа: как бы далеко не выходили явления за рамки классич. физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классич. понятий. Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два вз_исключающих (дополнительных) набора классич. понятий, совокупн. которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных.

Принцип дополнительности, как общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинное явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизнь, психика и др. Бор, в частности, видел необходимость применения принципа в биологии, что обусловлено чрезвычайно сложным строением и функциями живых организмов, которые обеспечивают им практически неисчерпаемые скрытые возможности.

Двойственная природа  микрочастиц поставила науку  перед вопросом о границах применимости понятий классич. физики в микромире. В классич. механике всякая частица движется по определенной траектории и всегда имеет определенные (точные) координаты, значения импульса и энергии. Микрочастица, обладая волновыми свойствами, не имеет траектории, а значит, не может иметь одновременно определенных (точных) значений координаты и импульса. Т.е. значения координаты и импульса мк_частицы определяются лишь с некоторой степенью приближения.

Меру этой неопределенности (неточности) в значениях координаты и импульса, энергии (W) и времени нашел в 1927 г. Гейзенберг. Он показал, что эти неопределенности (неточности) удовлетворяют следующим соотношениям: DX×DP_X³h; DY×DP_Y³h; DZ×DP_Z³h; DW×Dt³h - соотношения неопределенностей Гейзенберга.

Таким образом, если мы знаем положение X импульс Р микрочастицы (например, электрона в атоме) с погрешностями DX и DP_X, то эта погрешность не может быть меньше, чем h. Этот предел мал, поскольку мала сама h – постоянная Планка, но он существует, и это фундаментальный закон природы.

Из соотношения  неопределенностей видно, что с  увеличением массы частицы ограничения, накладываемые им уменьшаются. Неопределенность практически не будет сказываться ни при каких скоростях, с которыми может двигаться частица. Для макроскопических тел соотношение неопределенностей не будет вносить никаких ограничений в возможность применить для них понятия координаты и скорости одновременно, т.к. постоянная Планка в этих случаях может рассматриваться пренебрежимо малой. Аналогично при скоростях, намного меньших скорости света, выводы теории относительности совпадают с выводами классической механики. Таким образом, классическая механика является предельным (частным) случаем квантовой механики и релятивистской механики.

Как и все предшествующие картины Мира, КПКМ представляет собой процесс дальнейшего развития и углубления наших знаний о сущности физических явлений. Этот процесс становления и развития КПКМ продолжается и прошел уже ряд стадий, в частности: 1) утверждение корпускулярно-волновых представлений о материи; 2)изменение методологии познания и отношения к физической реальности;

Трактовки фундаментальных понятий. Пространство и время. При рассмотрении МКМ подчеркивалось, что пространство и время абсолютны и независимы друг от друга. Для характеристики объекта в пространстве вводились три пространственные координаты (X,Y,Z), а для обозначения времени независимо от них вводилась одна временная координата t. В СТО и ЭМКМ они потеряли абсолютный и независимый характер. Появилось новое пространство-время как абсолютная характеристика четырехмерного Мира. И новая величина – пространственно-временной интервал стал оставаться неизменным (инвариантным) при переходе от одной системы отсчета к другой.

Причинность. В МКМ при описании объектов используется два класса понятий: пространственно-временные, которые дают кинематическую картину движения и энергетически импульсные, которые дают динамическую (причинную) картину. В МКМ и ЭМКМ они независимы. В КПКМ, в соответствии соотношением неопределенностей они не могут применяться независимо друг от друга, они дополняют друг друга. Таким образом, пространство, время и причинность оказались относительными и зависимыми друг от друга. В классической физике вероятностным законам подчиняется поведение большого числа частиц, а в квантовой механике поведение каждой частицы подчиняется не динамическим, а статистическим законам. Таким образом, причинность в совр. КПКМ имеет вероятностный характер (вероятностная причинность).