Сущность квантово - механической концепции описания микромира

Вариант 10

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 других ученых на природу микромира……………………………………………5

3. Особенности волновой генетики………………………………………………..8

Заключение………………………………………………………………………….10

Литература………………………………………………………………………….12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Целью данной контрольной  работы показать особенности микромира, а также важность возникновению  квантовой физики. С помощью которой, можно было изучать свойства микромира, так как cвойства объектов этого  мира совершенно не похожи на свойства привычного макромира. Свойства микрочастиц  невозможно описать с позиций  классической физики, поэтому возникла принципиально новая физика —  квантовая механика. 
Во второй части контрольной работы будут описаны взгляды и работы, по созданию и дальнейшему развитию квантовой физики, таких физиков как М.Планка, Луи де Бройля, Э.Шредингера, Н.Бора и других. 
В заключение будет показано, что открытия квантовой механики, 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сущность квантово - механической концепции описания микромира

 

Изучая  микрочастицы,  учёные  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  М. Планком.  Как  известно,  в  конце  XIX в.  в  физике  возникла  трудность,  которая  получила  название  “  ультрафиолетовой  катастрофы”.  В  соответствии  с  расчётами  по  формуле  классической  электродинамики  интенсивность  теплового  излучения  абсолютно  чёрного  тела  должна  была  неограниченно  возрастать,  что  явно  противоречило  опыту.

Первым  физиком,  который  восторженно  принял  открытие  элементарного  кванта  действия  и  творчески  развил  его,  был  Альберт Эйнштейн.  В  1905 г.  он  перенёс  гениальную  идею  квантового  поглощения  и  отдачи  энергии  при   тепловом  излучении  на  излучение  вообще  и  таким  образом  обосновал   новое  учение  о  свете.

Представление  о  свете  как  о  дожде  быстро  движущихся  квантов  было  чрезвычайно  смелым,  почти  дерзким,  в  правильность  которого  вначале  поверили  немногие.  Прежде  всего, с  расширением  квантовой  гипотезы  до  квантовой  теории  света  был  не  согласен  сам  М. Планк,  относивший  свою  квантовую  формулу  только  к  рассматриваемым  им  законам  теплового  излучения  чёрного  тела.

В  1924  г.  произошло  одно  из  величайших  событий  в  истории  физики:  французский  физик  Луи  де  Бройль  выдвинул  идею  о  волновых  свойствах  материи.  В  своей  работе  “  Свет  и  материя ”  он  писал  о  необходимости  использовать  волновые  и  корпускулярные  представления  не  только  в соответствии  с  учением   А. Эйнштейна   в  теории света,  но  также  и  теории  материи.  Л.  Бройль  утверждал,  что  волновые  свойства,  наряду  с  корпускулярными,  присущи  всем  видам  материи:  электронам,  протонам,  атомам,  молекулам  и  даже  микроскопическим  телам.

Признание  корпускулярно – волнового  дуализма  в  современной  физике  стало  всеобщим.  Любой  материальный  объект  характеризуется  наличием  как  корпускулярных,  так  и  волновых  свойств.

Тот  факт,  что  один  и  тот  же  объект  проявляется  и  как  частица  и  как  волна,  разрушал  традиционные  представления. Форма частицы   подразумевает  сущность,  заключённую  в  малом  объёме  или  в  конечной  области  пространства,  тогда  как  волна  распространяется  по  его  огромным  областям.  В  квантовой  физике  эти  два  описания  реальности  являются  взаимоисключающими,  но  равно  необходимыми  для  того,  чтобы  полностью  описать  рассматриваемые  явления.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Взгляды М. Планка, Луи де Бройля, Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и других ученых на природу  микромира

Планк одним из первых принял теорию относительности, вывел уравнения  релятивистской динамики, получив выражения для энергии и импульса электрона. В 1907 провел обобщение термодинамики в рамках специальной теории относительности. Дал вывод законов химического равновесия в газах и разбавленных растворах. Планк ввел в рассмотрение новую величину – квант действия, означающую, что энергия колеблющимся осциллятором излучается только дискретно – квантами. По решению дополнительно возникающей проблемы распространения излучения Планк, не склонный к революционным шагам , занимает половинчатую позицию: испускание и поглощение излучения дискретно, а само излучение – непрерывно в соответствии с волновым характером  распространения света и тепла.

Важная заслуга Бора состояла в том, что он нашел принципиально  новый подход для создания физической картины атомных процессов. Он ориентировал физиков на исследование противоречивых сторон физической реальности микромира, сформулировал идею о дискретности энергетических состояний атомов, в свете новых идей построил атомную модель, открыв условия устойчивости  атомов, и объяснил большой круг явлений. В 1913, исходя из идеи М.Планка о квантовании энергии с использованием модели Резерфорда, Бор создал теорию водородоподобного атома, основанную на двух постулатах, которые прямо противоречили классическим представлениям и законам. Он постулировал наличие в атоме стационарных разрешенных орбит, двигаясь по которым электрон не излучает энергию, но может перейти на другую разрешенную орбиту, испустив или поглотив при этом квант энергии, равный разности энергий атома в этих стационарных состояниях. Бор разработал некоторые правила квантования, нашел основные законы спектральных линий и электронных оболочек атомов. В 1923 объяснил особенности периодической системы химических элементов, предложив свой вариант ее изображения, и пришел к представлению об оболочечной структуре атома, основанной на классификации электронных орбит по главному и азимутальному квантовым числам. За создание квантовой теории планетарного атома в 1922 награжден Нобелевской премией. Бор много сделал и для развития ядерной физики. В 1936 предложил теорию составного ядра , он является одним из создателей капельной модели ядра и теории деления атомного ядра, предсказал спонтанное деление ядра.

В 1925 г. Гейзенберг, следуя принципу соответствия Бора, предложил матричный вариант квантовой механики, которая позволяла объяснить существование стационарных квантовых энергетических состояний и рассчитать энергетические уровни различных систем. Работы в области квантовой механики, квантовой электродинамики, релятивистской квантовой теории поля, теории ядра, магнетизма, физики космических лучей, теории элементарных частиц, философии естествознания. В 1925 разработал матричную механику – первый вариант квантовой механики (Нобелевская премия, 1932). В 1926 объяснил отличия двух систем термов для пара-  и ортогелия , в 1927 сформулировал принцип неопределенности , ограничивающий применение к микрообъектам классических представлений. Совместно с П.Дираком в 1928 выдвинул идею обменного взаимодействия и независимо от Я.И.Френкеля разработал первую квантовомеханическую теорию ферромагнетизма, основанную на обменном взаимодействии электронов. В 1929 совместно с В.Паули предпринял попытку дать формулировку  квантовой электродинамики, введя общую схему квантования полей. Развил (1934-36) теорию дырок Дирака, вслед за ним постулировал (1934) существование эффекта поляризации вакуума. Пришел к протонно-нейтронной модели ядра (1932), ввел понятие изотопического спина, показал, что ядерные силы насыщающие. Построил  теорию ядерных сил, развив идею обменного взаимодействия Иваненко-Тамма. В 1943 в квантовой теории поля ввел матрицу рассеяния (S- матрицу)- важный инструмент для описания взаимодействия. В 1958 проквантовал нелинейное спинорное уравнение (уравнение Ивахненко-Гейзенберга), занимался созданием единой теории поля.

Практически одновременно, развивая идеи волновой механики, в 1926г. Шредингер предложил свое волновое уравнение и метод квантования, которые приводили к тем же результатам, что и квантовая механика Гейзенберга. Фактически это означало тождественность волновой и квантовой механики, хотя их математические методы существенно различаются. Основные достижения в области квантовой теории и квантовой механики. Исходя из идей де Бройля о волнах материи и принципа Гамильтона, разработал теорию движения микрочастиц, в основу которой положил уравнение (уравнение Шредингера), играющее в атомных процессах такую же фундаментальную роль, как законы Ньютона в классической механике, и ввел для описания состояний микрообъекта волновую функцию. В 1926 доказал эквивалентность своей волновой механики и матричной механики Гейзенберга. В том же году построил квантовую теорию возмущений – приближенный метод в квантовой механике. За создание волновой механики удостоен Нобелевской премии (1933). Придерживаясь классических традиций полного детерминизма, Шредингер не принял квантовую механику как завершенную теорию. Дальнейшие работы Шредингера относятся к теории мезонов, термодинамике, нелинейной электродинамике, общей теории относительности, разработке единой теории поля. Он имел разносторонние интересы: занимался лепкой, написал книгу по греческой философии, изучал проблемы генетики, опубликовал томик стихов и т.д.

 

 

 

 

 

 

Особенности волновой генетики

 

Если взглянуть на квантово-механическую теорию с философской точки зрения, то можно придти к выводу о том, что в микромире любое вещество дуалистично. Таким образом, есть возможность  того, что и ген может иметь  как корпускулярные, так и волновые свойства.

Так появилось новое направление  в биологии - волновая генетика. Одним  из тех, кто поддержал эту идею, является П.П. Гаряев. В своей монографии «Волновой геном» он предложил положение  о кодовых полях распределенной системы хромосомных излучателей (в дополнение к известному матричному синтезу белков), которое представляет не только теоретический интерес, но имеет также большое практическое значение. Уже сейчас видны перспективы  его использования в онкологии, геронтологии и других разделах медицины, а также в сельском хозяйстве, молекулярной биотехнологии и электронике. Также П.П. Гаряев  утверждает, что  ДНК обладает голографической памятью  и речевой структурой. Последнее  особенно актуально и переводит  понятие ДНК-«текстов» из области  метафор в хорошо формализованное  русло математической лингвистики  и лингвистической генетики. В  работе затронута проблема связи  структуры сознания и структуры  генома как систем. Теоретические  исследования с позиций физики в  работе Гаряева проведены на примерах двух связанных генераторов, приближенно  моделирующих топологию и электродинамику  ДНК в составе хромосом. Также  проведены эксперименты с использованием этого генератора по влиянию сознания человека-оператора на метаболизм в растениях.

Петр Горяев пишет:

«Идеи русских биологов Гурвича, Любищева и Беклемишева – гигантское интеллектуальное достижение, намного  опередившее свое время. Суть их мыслей в триаде:

1. Гены дуалистичны – они вещество и поле одновременно.
2. Полевые эквиваленты хромосом различают пространство  - время организма и тем самым управляют развитием биосистем.
3. Гены обладают эстетически-образной и речевой регуляторными функциями.

Ключевая проблема биологии – преемственность поколений, наследственность, эмбриогенез – не раскрыта, более  того, в тупике».

Таким образом, суть идей Гаряева  состоит в том, что геном высших организмов рассматривается как  биоголографический компьютер, формирующий  пространственно-временную структуру  биосистем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Микромир образуют микрочастицы, которыми являются элементарные частицы (электроны, протоны, нейроны, фотоны и другие простые частицы), а также сложные частицы, образованные из сравнительно небольшого числа элементарных частиц. Термин “микрочастица”  отражает только одну сторону объекта, к которому он применяется. Всякий микрообъект представляет собой образование особого рода, сочетающее в себе свойства и частицы, и волны. Может быть, правильнее было бы назвать его» частицей - волной ”. Микрообъект не способен воздействовать непосредственно на наши органы чувств – ни видеть, ни осязать его нельзя. Ничего подобного микрообъектам в воспринимаемом нами мире не существует. Микротела не похожи ни на что из того, что нам хоть когда – нибудь приходилось видеть.

Обнаружено, что элементарные частицы могут взаимно превращаться, т.е. не являются “последними кирпичиками” мироздания. Стало ясно, что число элементарных частиц не должно быть особенно большим.

В механике микромира уравнение  Шредингера для волновой функции  играет огромную роль. В нем содержится волновая функция, квадрат модуля которой определяет положение электрона в данной точке в каждый момент времени. Главным открытием квантовой механики является вероятностный характер законов микромира.

Частицам вещества в микромире  присущ корпускулярно - волновой дуализм: в одних явлениях они проявляют волновые свойства, а в других корпускулярную природу. Поэтому для изучения свойств микромира применяют принцип дополнительности, выведенный Бором.