Корпускулярно-волновой дуализм материи и принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительнос

Содержание

Введение

1. Корпускулярно-волновой дуализм

2. Принцип дополнительности

3. Принцип неопределенности

4. Принцип суперпозиции

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Квантовая механика – это физическая теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне. Ее начало совпало с началом века. М. Планк в 1900 году предположил, что свет испускается неделимыми порциями энергии – квантами, и математически представил это в виде формулы E=hv, где v – частота света, а h – универсальная постоянная, характеризующая меру дискретной порции энергии, которой обмениваются вещество и излучение. В атомную теорию вошли таким образом прерывистые физические величины, которые могут изменяться только скачками.

Последующее изучение явлений микромира привело к результатам, которые резко расходились с общепринятыми в классической физике и даже теории относительности представлениями. 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 что он имеет такое-то свойство. В квантовой механике нет места для законов, управляющих изменениями индивидуального 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.

Законы квантовой механики – законы статистического характера. «Мы можем предсказать, сколько приблизительно атомов (радиоактивного вещества – А.Г.) распадутся в следующие полчаса, но мы не можем сказать…почему именно эти отдельные атомы обречены на гибель»(Энштейн А., Инфельд Л. Цит.соч.-С.232).

В микромире господствует статистика, а не уравнения Максвелла или законы Ньютона. «Вместо этого мы имеем законы, управляющие изменениями во времени» (Там же.-С.237). Статистические законы можно применить только к большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам. Квантовая механика отказывается от поиска индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает статистические законы. На базе квантовой механики невозможно описать положение и скорость элементарной частицы или предсказать ее будущий путь. Волны вероятности говорят нам о вероятности встретить электрон в том или ином месте.

В. Гейзенберг делает такой вывод: «В экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь не реальны, сколь реальны любые явления в повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов» (Гейзенберг. Цит.соч.-С. 117)[1]

1. Корпускулярно-волновой дуализм

В 1900 г. М. Планк показал, что энергия излучения или поглощения электромагнитных волн не может иметь произвольные значения, а кратна энергии кванта, т.е. волновой процесс приобретает окраску дискретности. Идея Планка о дискретной природе света получили свое подтверждение в области фотоэффекта. Де Бройль открыл примерно в это же время у частиц волновые свойства (дифракция электрона).

Таким образом, частицы неотделимы от создаваемых ими полей и каждое поле вносит свой вклад в структуру частиц, обуславливая их свойства. В этой неразрывной связи частиц и полей можно видеть одно из наиболееважных проявлений единства прерывности и непрерывности в структуре материи.

Для характеристики прерывного и непрерывного в структуре материи следует также упомянуть единство корпускулярных и волновых свойств всех частиц и фотонов. Единство корпускулярных и волновых свойств материальных объектов представляет собой одно из фундаментальных противоречий современной физики и конкретизируется в процессе дальнейшего познания микроявлений. Изучение процессов макромира показали, что прерывность и непрерывность существуют в виде единого взаимосвязанного процесса. При определенных условиях макромира микрообъект может трансформироваться в частицу или поле и проявлять соответствующие им свойства.[4]

Поведение потока частиц – электронов, атомов, молекул – при встрече с препятствиями или отверстиями атомных размеров подчиняется волновым законам: наблюдаются явления дифракции, интерференции, отражения, преломления и т.п. Луи де Бройль предположил, что электрон – это волна определенной длинны.

Дифракция подтверждает волновую гипотезу, отсутствие увеличения энергии вырабатываемых светом частиц – квантовую. Это и получило название корпускулярно – волнового дуализма. Как же описывать процессы в микромире, если «нет никаких шансов последовательно описать световые явления, выбрав только какую-либо одну из двух возможных теорий – волновую или квантовую» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Цит.соч.-С. 215.)[1]

2. Принцип дополнительности

Некоторые эффекты объясняются волновой теорией, некоторые другие – квантовой. Поэтому следует использовать разные формулы и из волновой и из квантовой теории для более полного описания процессов.[1]

Анализируя соотношения неопределенностей, Бор вы­двигает принцип дополнительности, согласно которому точ­ная локализация микрообъекта в пространстве и времени и точное применение к нему динамических законов сохра­нения исключают друг друга. Бор показал, что из-за соот­ношения неопределенностей корпускулярная и волновая модели описания поведения квантовых объектов не входят в противоречие друг с другом, потому что никогда не пред­стают одновременно.[2]

«Усилия Бора были направлены на то, чтобы сохранить за обоими наглядными представлениями, корпускулярными и волновыми, одинаковое право на существование, причем он пытался показать, что хотя эти представления возможно исключают друг друга, однако лишь вместе делают возможным полное описание процессов в атоме» (Гейзенберг В. Цит. соч.-С.203)[1]

В одном и том же эксперименте не представляется возможным одновременно проводить изме­рения координат и параметров, определяющих динамичес­кое состояние системы, например, импульса. Если в одной экспериментальной ситуации проявляются корпускулярные свойства микрообъекта, то волновые свойства оказывают­ся незаметными. В другой экспериментальной ситуации, наоборот, проявляются волновые свойства и не проявляют­ся корпускулярные. То есть в зависимости от постановки эксперимента микрообъект показывает либо свою корпус­кулярную природу, либо волновую, но не обе сразу. Эти две природы микрообъекта взаимно исключают друг друга, и в то же время должны быть рассмотрены как дополняющие друг друга. Если вернуться к рассмотренному нами опыту с двумя отверстиями, то, согласно Бору, мы имеем две раз­личные экспериментальные ситуации: одну — с одним открытым отверстием, когда точно известна координата электрона, и поведение электрона соответствует поведению частицы; и вторую — с двумя открытыми отверстиями, в которой появляется интерференционная картина на экране, по которой мы определяем импульс, и поведение электро­на сопоставляем с волной. То есть говорить об электроне как об индивидуальной «себетождественной» частице вне зависимости от конкретной экспериментальной ситуации, в которой он проявляет свои свойства, не имеет физиче­ского смысла. Это составляет сформулированный Бором принцип физической целостности при описании объектов микромира. Выделим суть принципа дополнительности Бора.

Вся информация о микрообъектах может быть получена с помощью только макроприборов, работающих в опреде­ленных диапазонах, позволяющих довести эту информацию, в конечном итоге, до органов чувств познающих субъектов. Макроприборы подчиняются законам классической физики и должны переводить информацию о явлениях в микроми­ре на язык понятий классической физики. Следовательно, любое явление в микромире не может быть проанализиро­вано как само по себе отдельно взятое, а обязательно долж­но включать в себя взаимодействие с классическим мик­роскопическим прибором. С помощью конкретного макро­скопического прибора мы можем исследовать либо кор­пускулярные свойства микрообъектов, либо волновые, но не и те, и другие одновременно. Обе стороны предмета долж­ны рассматриваться как дополнительные по отношению друг к другу.[2]

3. Принцип неопределенности

С принципом дополнительности связано и так называемое «соотношение неопределенностей», сформулированное в 1927 году Вернером Гейзенбергом, в соответствии с которым в квантовой механике не существует состояний, в которых и местоположение, и количество движения (произведение массы на скорость) имели бы вполне определенное значение. Частица со строго определенным импульсом совершенно не локализована.[1]

Можно говорить лишь о вероятности того, где в данный момент времени находится частица, и это является неиз­бежным следствием введения в физическую теорию посто­янной Планка, представлений о квантовых скачках.

Фи­зическая интерпретация «неклассического» поведения мик­рообъектов была впервые дана Гейзенбергом, указавшим на необходимость отказа от представлений об объектах микромира как об объектах, движущихся по стро­го определенным траекториям, для которых однозначно с полной определенностью могут быть одновременно указа­ны и координата и импульс частицы в любой заданный момент времени. Надо принять в качестве закона, описы­вающего движение микрообъектов, тот факт, что знание точной координаты частицы приводит к полной неопреде­ленности ее импульса, и наоборот, точное знание импуль­са частицы — к полной неопределенности ее координаты. Исходя из созданного им математического аппарата кван­товой механики, Гейзенберг установил предельную точность, с которой можно одновременно определить координату и импульс микрочастицы, и получил следующее соотношение неопределенностей этих значений:

где— неопределенность в значении координаты; — неопределенность в значении импульса. Произве­дение неопределенности в значении координаты и неопре­деленности в значении импульса не меньше, чем величи­на порядка постоянной Планка h.

Чем точнее определена одна величина, скажем, Xтем больше становится неопределенность другой :

Если же точно определен импульс частицы Р то неопределенность координаты стремится к бесконечности

Итак, соотношение неопределенности накладывает оп­ределенные ограничения на возможность описания движе­ния частицы по некоторой траектории; понятие траекто­рии для микрообъектов теряет смысл.[2]

В более общем плане можно сказать, что только часть относящихся к квантовой системе физических величин может иметь одновременно точные значения , остальные величины оказываются неопределенными. Поэтому во всякой квантовой системе не могут одновременно равняться нулю все физические величины.

Энергию системы также можно измерить с точностью, не превышающей определенной величины. Причина этого – во взаимодействии системы с измерительным прибором, который препятствует точному измерению энергии. Из соотношения неопределенностей вытекает, что энергии возбужденных состояний атомов, молекул, ядер не могут быть строго определенными. На этм выводе и основана гипотеза происхождения Вселенной из «возбужденного вакуума». [1]

4.Принцип суперпозиции

Принцип суперпозиции (принцип наложения, так как «супер» — сверх, в данном случае — «сверх позиции», т.е. «позиция на позиции») — это допущение, согласно которому результирующий эффект сложного процесса воздействия представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым эффектом в отдельности, при условии, что эффекты не влияют взаимно друг на друга.

Одним из простых примеров принципа суперпозиции является правило параллелограмма, по которому складываются две силы, воздействующие на тело. Встречный ветер тормозит движение — принцип суперпозиции проявляется здесь в полной мере.

Принцип суперпозиции играет большую роль в теории колебаний, теории цепей, теории полей и других разделах физики и техники. В микромире принцип суперпозиции — фундаментальный принцип, который вместе с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики.[4]

Заключение

Особенностью микромира, состоящего из мельчайших частиц (электронов, протонов, нейтронов, атомов, и т.д.) является то, что им присущи как волновые так и корпускулярные свойства, т.е. проявление дуализма.

Вследствие этого невозможно применение понятий и принципов классической физики. Попытки описать и объяснить объекты микромира привели к появлению квантовой механики, т.к. классическая физика не в силах была объяснить дуализм волны и частицы.

Кроме того особенностью микромира является то, что при экспериментах неизбежно макроприборы и инструменты исследователей влияют на микрообъекты. Подобное воздействие не учитывается в классической физике.

Принципиальное отличие описания законов микромира заключается в вероятностном характере этих описаний. Это означает, что нельзя точно предсказать место нахождения, например, электрона. Можно оценить лишь его шансы попадания в определенную точку. Поэтому применяются методы и понятия теории вероятности. В квантовой механике любое состояние описывается с помощью «волновой функции» (Y), но в отличие от классической физики эта функция определяет параметры будущего состояния не достоверно, а с определенной степенью вероятности. Например, говорят о вероятностном распределении значений, а не о конкретных значениях. Значение волновой функции становиться ясным из утверждения: вероятность нахождения электрона в определенном месте равно квадрату модуля волновой функции. В основе квантовой механики лежит принцип неопределенности.

Суть принципа неопределенности заключается в следующем: если мы стремимся определить одну из сопряженных величин, например, координату x, то значение другой величины, нельзя определить с такой же точностью. Принцип неопределенности выражается формулой Dx Dp =h, где произведение приращения координаты и приращение импульса равно постоянной Планка. Или словами: невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастицы. Произведение их неточностей не должно превышать постоянную Планка.

В силу кажущейся противоречивости корпускулярных и волновых свойств датский физик Нильс Бор выдвинул принцип дополнительности для квантово-механического описания микрообъектов, согласно которому корпускулярная картина такого описания должна быть дополнена волновым альтернативным описанием. Опираясь на этот принцип возможно понять и объяснить многие явления, например дифракцию электрона на никелевом кристалле.

Принцип суперпозиций заключается в следующем: в каждой точке результат от действия нескольких источников (например, волн) в любой момент равен сумме результатов действий каждого источника в отдельности.

По существу, относительность восторжествовала и в квантовой механике, так как ученые признали, что нельзя:

1. найти объективную истину безотносительно от измерительного прибора;

2. знать одновременно и положение и скорость частиц;

3. установить, имеем ли мы дело с частицами или волнами.

Это и есть торжество относительность в физике ХХ века. [1]

Список использованной литературы

Горелов А.А. Концепции современного естествознания. М.: Центр, 2001.

2. С.И. Самыгина. Концепции современного естествознания.Ростов н/Д: «Феникс», 2003.

3. Скопин А.Ю. Концепции современного естествознания. М.: Проспект. 2003.

4. Хорошавина С.Г. Концепции современного естествознания: Учебник. Ростов н/Д: Феникс, 2005.