В основе современной КПКМ лежит новая физическая теория – квантовая механика, описывающая состояние и движение микрообъектов. Она является базой для развития современного естествознания.
В основе квантовой механики лежат фундаментальные идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновом дуализме.
Формирование идеи квантования физических величин
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 ряда открытий в конце 19-го – начале 20-го века. Рассмотрим основные из них.
Открытие электрона. В 1897 г. был открыт электрон. Его заряд оказался наименьшим, элементарным. Заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов.
Тепловое излучение. Во второй половине 19 века в результате исследования теплового излучения был открыт ряд законов: Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Однако из теории, основанной на традиционных представлениях об электромагнитных излучениях, следовало, что энергия теплового излучения на всех частотах равнялась бесконечности, что противоречило закону сохранения энергии.
В 1900 г. Макс Планк для выхода из этой ситуации предложил следующую гипотезу (впоследствии названную квантовой гипотезой Планка): электромагнитное излучение испускается отдельными порциями – квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения. Гипотеза Планка фактически стала началом новой физики – квантовой физики.
Таким образом, если в классической физике считалось, что энергия может изменяться непрерывно и принимать любые, сколь угодно близкие значения, то согласно квантовым представлениям, она может принимать лишь дискретные значения, равному целому числу квантов энергии.
В 1905 г. А. 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.
Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества.
В истории развития учения о свете сменяли друг друга корпускулярная теория света (Ньютон) и волновая (Р. Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель). В 70-х годах после утверждения теории Максвелла под светом стали понимать электромагнитную 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. Л. де Бройль выдвинул гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы, имеющие конечный импульс Р, обладают волновыми свойствами. Так в физике появилась формула де Бройля, где m – масса частицы, V – ее скорость, h – постоянная Планка. При проявлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальная возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность.
По современным представлениям квантовый объект – это не частица, не волна. Квантовый объект – это нечто третье, не равное простой сумме свойств частицы и волны. Но, поскольку сведения об объекте и его характеристиках мы получаем в результате взаимодействия с прибором, то и описывать его приходится в классических понятиях, т.е. используя понятия волны и частицы.
Принцип дополнительности. Принцип дополнительности, как общий принцип познания может быть сформулирован следующим образом: всякое истинное явление природ требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий.
Соотношения неопределенностей Гейзенберга
Двойственная природа микрочастиц поставила науку перед вопросом о границах применимости понятий классической физики. В классической механике всякая частица движется по определенной траектории и всегда имеет точные значения координаты, импульса, энергии. По-другому обстоит дело с микрочастицей. Микрочастица, обладая волновыми свойствами, не имеет траектории, а значит, не может иметь одновременно точных значений координаты и импульса. Меру этой неопределенности в значениях координаты, импульса, энергии и времени нашел Гейзенберг.
Это положение связано с так называемым принципом соответствия, имеющим важное философское и методологическое значение. Принцип соответствия может быть сформулирован следующим образом: Теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы, с появлением новой теории не отбрасываются, а сохраняют свое значение для прежней области явлений, как предельная форма и частный случай новых теорий.
Как и все предшествующие картины Мира, КПКМ представляет собой процесс дальнейшего развития и углубления знаний о физических явлениях. Процесс становления и развития КПКМ продолжается и прошел уже ряд стадий: 1) утверждение корпускулярно-волновых представлений о материи;
2) изменение методологии познания и отношения к физической реальности;
Все рассмотренные ранее картины мира отличались своей трактовкой таких фундаментальных понятий как пространство, время, движение, принцип причинности, взаимодействия. [1]
Список литературы:
1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.
2. Дубнищева Т.Я.. Концепции современного естествознания. Новосибирск: Изд-во ЮКЭА, 1997.
3. Кун Т. Структура научных революций М.: Мир, 1997
4. Ильченко В.Р. На перекрестках физики, химии и биологии. М.: Просвещение 1998