Квантово механическая картина мира кратко

Обновлено: 04.07.2024

С развитием естествознания происходит изменение видения предметных областей наук, что порождает эволюцию естественно-научной картины мира, приводит к пересмотру ранее сложившихся представлений о действительности. Смена физической картины мира, как правило, связана со сменой представлений о материи: от атомистических, корпускулярных представлений о материи был осуществлен переход к полевым, континуальным, а затем к квантовым представлениям о строении материи. Отсюда и три физических картины мира: механистическая, электромагнитная и квантово-полевая.

Механистическая картина мира.

Механистическая картина мира сложилась при переходе от эпохи Возрождения к эпохе Нового времени. Важнейшую роль в ее построении сыграли такие философские принципы, как принцип материального единства мира, принцип причинности и законосообразности природных процессов. В это же время был сформулирован принцип экспериментального обоснования знания, отказ от созерцательности и установка на соединение экспериментального исследования природы с описанием ее законов на языке математики. Последнее положение стало одним из ключевых, резко отграничив науку Нового времени от средневековой науки.

Среди тех ученых, кто подготовил механистическую картину миру следует назвать Леонардо да Винчи (1452-1519) с его механикой, Н. Коперника (1473-1543) с его гелиоцентрической системой. Огромную роль сыграло экспериментальное естествознание Г. Галилея (1564-1642), законы небесной механики И. Кеплера (1571-1630), механика И. Ньютона (1643-1727).

Основные положения механистической картины мира можно сформулировать так:

1. Материя – это вещественная субстанция, состоящая из атомов или корпускул; атомы неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса. Это так называемая корпускулярная модель реальности:

2. Вводится концепция абсолютного пространства и времени. Абсолютное пространство – это чистое и неподвижное вместилище тел. Оно трехмерно, изотропно. Абсолютное время – это чистая длительность, абсолютная равномерность событий. Время одномерно, оно течет от прошлого к будущему.

3. Движение – это простое механическое перемещение. Законы движения – фундаментальные законы мироздания. Тела двигаются равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения возникают в результате действие на них внешней силы. Мерой инерции является масса. Универсальным свойством тел является сила тяготения, которая является дальнодействующей.

4. Принцип дальнодействия: взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, т.е. действия могут передаваться в пустом пространстве с какой угодно скоростью.

5. Все механические процессы подчиняются принципу детерминизма. Детерминизм (лат. determino – определяю) – это учение о закономерной универсальной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений объективной действительности. Случайность исключается из данной картины мира.

6. Присутствует тенденция сведения закономерностей высших форм движения материи к закономерностям простейшей его формы – механическому движению.

7. Признаются только динамические законы. Динамический закон – физический закон, управляющий поведением отдельного объекта и позволяющий устанавливать однозначную связь его состояний.

Электромагнитная картина мира.

В XIX в. к числу основных свойств, описывающих тела наряду с массой, стали добавлять такую характеристику, как электрический заряд. Английскому физику М. Фарадею опытным путем удалось показать, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая связь. Тем самым он впервые объединил электричество и магнетизм, введя понятие электромагнитного поля. Так сложилась концепция поля, ставшая фундаментальной в последующей физике.

В основе данной картины мира начала электромагнетизма М.Фарадея (1791-1867), теория электромагнитного поля Д. Максвелла (1831-1879), электронная теория Г.А. Лоренца (1853-1828), постулаты специальной теории относительности А. Пуанкаре (1854 -1912).

Основные положения можно сформулировать так:

Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы.

1. Материя – это единое непрерывное поле с точечными силовыми центрами – электрическими зарядами и волновыми движениями в нем, а мир понимается как электродинамическая система, построенная из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. Это так называемая континуальная модель реальности:

2. Введено понятие вероятности.

3. Движение представляет собой распространение колебаний в поле, которые описываются законами электродинамики.

4. Принцип близкодействия – взаимодействия любого характера передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.

5. Релятивистская концепция пространства и времени.

Квантово-полевая картина мира.

Квантовая механика сформировалась при изучении свойств объектов микромира — атомов и составляющих его частиц. Последовательное развитие идей квантовой механики привело к тому, что движение частиц в пространстве стало невозможно отождествлять с механическим движением макрообъекта. Частице вообще нельзя приписать определенную координату, ее движение описывается своеобразной волновой функцией, амплитудами волн вероятности. В соответствии с этим мы можем найти лишь вероятность нахождения частицы вблизи данной точки пространства, причем выполняется один из наиболее фундаментальных принципов квантовой механики, принцип неопределенности Гейзенберга.

В современной физике квантовые и релятивистские представления синтезированы в единую картину мира, что позволяет говорить о квантово-релятивистской картине мира. В ней, фундаментальными абстракциями являются понятия частиц и полей, переносчиков взаимодействий.

Основные положения данной картины мира можно сформулировать так:

1.Квантово-полевые представления о материи, причем материя обладает корпускулярными и волновыми свойствами, т.е. каждый элемент материи имеет свойства волны и частицы.

2.Картина физической реальности в квантовой механике включает в себя 1) характеристики исследуемого объекта; а также 2) условия наблюдения (метод познания), от которых зависит определенность этих характеристик.

3.При описании объектов используется два класса понятий: пространственно-временные и энергетически-импульсные. Первые дают кинематическую картину движения, вторые – динамическую (причинную). Пространство-время и причинность относительны и зависимы.

4.Движение - частный случай физического взаимодействия. Под физическим взаимодействием в узком смысле слова, понимают такие процессы, в ходе которых между взаимодействующими структурами и системами происходит обмен квантами определенных полей, энергией, а иногда и информацией. Фундаментальные физические взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое, гравитационное. Они описываются на основе принципа близкодействия: взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия конечна и не превышает скорости света.

5.Фундаментальные положения квантовой теории: принцип неопределенности и принцип дополнительности.

Принцип дополнительности Бора - в области квантовых явлений наиболее общие физические свойства какой-либо системы выражаются с помощью дополняющих друг друга пар независимых переменных, каждая из которых может быть лучше определена только за счет соответствующего уменьшения степени определенности другого.

Принцип неопределенности Гейзенберга - нельзя определить одновременно координату и импульс частицы точнее, чем это допускает соотношение неопределенностей.

Квантово-полевые представления о закономерности и причинности предполагают оперирование статистическими законами. Статистический закон – это физический закон, управляющий поведением больших совокупностей и в отношении отдельного объекта позволяющий делать лишь вероятностные выводы о его поведении.

Следует заметить, что современная физическая картина мира включает в себя такие положения:

1.Строении материи предполагает в ее основе шестнадцать фундаментальных частиц и античастиц:

- четыре лептона (электрон, позитрон, электронное нейтрино и антинейтрино);

- два вида кварков с дробными электрическими зарядами (-1/3) и (+2/3), причем каждый вид в трех разновидностях (красный, зеленый и синий);

2. Многообразие и единство мира основывается на взаимодействии и взаимопревращении фундаментальных частиц и античастиц.

3. Движение есть проявление фундаментальных взаимодействий (гравитационного, электромагнитного, слабого и сильного), переносчиками которых являются фотоны, глюоны и промежуточные бозоны.

5. Природа рассматривается в движении и развитии. В физике используется диалектический метод, когда вещество и поле, частица и волна, масса и энергия и т.д. рассматриваются в диалектическом единстве.

6. Принципиальные особенности современных представлений о мире: системность, глобальный эволюционизм, самоорганизация, историчность – определяют их общий контур и способ организации научного знания.

7. Современные представления характеризуются как научно-методологические, ибо объективная картина мира опосредуется методом познания субъекта.

Физическая реальность имеет определенную структуру:

Мегамир – мир больших космических масштабов и скоростей; пространство измеряется в астрономических единицах, световых годах и парсеках; время измеряется в миллионах и миллиардах лет.
Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами жизни на Земле; пространство измеряется в миллиметрах, сантиметрах и километрах; время измеряется в секундах, минутах, часах, годах.
Микромир – мир микрообъектов, предельно малых масштабов, пространственные характеристики исчисляются от 10-8 до 10 -16 см, время измеряется от бесконечности до 10-24 см.

Поможем написать любую работу на аналогичную тему

Эволюция физической картины мира. Механическая, электромагнитная и квантово-релятивистская картины мира как этапы развития физического познания.

Бор, Нильс (1885–1962) – датский физик, лауреат Нобелевской премии 1922 года. Известен как создатель первой квантовой теории атома. Постулаты Бора содержат предположения о существовании стационарных состояний электронных орбит, переходы между которыми сопровождаются излучениями энергии. Бор – активный участник разработки основ квантовой механики. Он также внёс значительный вклад в развитие теории атомного ядра и ядерных реакций, процессов взаимодействия элементарных частиц со средой. Сформулировал принцип соответствия в квантовой механике, который гласит, что поведение квантовомеханической системы стремится к классической физике в пределе больших квантовых чисел.

Гейзенберг, Вернер (1901–1976) – немецкий физик, лауреат Нобелевской премии 1932 года. Заложил основы матричной механики, сформулировал соотношение неопределённостей, применил формализм квантовой механики к проблемам ферромагнетизма, аномального эффекта Зеемана и прочим. Активно участвовал в развитии квантовой электродинамики (теория Гейзенберга–Паули) и квантовой теории поля (теория S-матрицы), в последние десятилетия жизни предпринимал попытки создания единой теории поля. Гейзенбергу принадлежит одна из первых квантовомеханических теорий ядерных сил.

Герцшпрунг, Эйнар (1873–1967) – датский химик и астроном. Предложил метод определения удаленности звезд по определению их спектра. Впервые определил расстояние до объекта вне нашей Галактики, установив удаленность галактики Малое Магелланово облако. Независимо от Г. Рассела открыл диаграмму Герцшпрунга-Рассела, которая показывает зависимость между абсолютной звёздной величиной, светимостью, спектральным классом и температурой поверхности звезды.

Планк, Макс (1858–1947) – немецкий физик, лауреат Нобелевской премии по физике в 1918 году. Сформулировал второе начало термодинамики в виде принципа возрастания энтропии. Предложил коэффициент, связывающий величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой. Получил закон распределения энергии в спектре абсолютно чёрного тела (формула Планка) и обосновал этот закон, введя представление о квантах энергии и кванте действия. Положил начало развитию квантовой физики. Заложил основы релятивистской термодинамики.

Рассел, Генри (1877–1957) – американский астрофизик. Разработал одну из первых теорий эволюции звёзд. Его авторству принадлежит названная в его честь диаграмма Герцшпрунга-Рассела, которая показывает зависимость между абсолютной звёздной величиной, светимостью, спектральным классом и температурой поверхности звезды. Первым определил содержание химических элементов в атмосфере Солнца, получил оценки содержания химических элементов во Вселенной, занимался исследованием связи между спектрами звезд и их светимостью.

Фридман, Александр Александрович(1888–1925) – российский и советский математик и физик. При исследовании релятивистских моделей Вселенной получил нестационарные решения уравнений Эйнштейна, тем самым положив начало развитию теории нестационарной Вселенной, где он предсказал её расширение. Модель стационарной Вселенной Эйнштейна по Фридману оказалась частным случаем, и таким образом, он опроверг мнение о том, что общая теория относительности требует конечности пространства. Результаты продемонстрировали, что уравнения Эйнштейна не приводят к единственной модели Вселенной, какой бы ни была космологическая постоянная.

Шрёдингер, Эрвин(1887–1961) – австрийский физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике (1933). Основатель волновой механики, доказал, что частицы могут вести себя как волна. Сформулировал уравнения, названные позднее его именем. В уравнениях волновая функция связана с вероятностью обнаружения объекта в одном из чистых состояний (квадрат модуля волновой функции представляет собой плотность вероятности). Уравнения описывают распространение волны вероятности нахождения частицы в заданной точке пространства. Пики этой волны (точки максимальной вероятности) показывают, в каком месте пространства скорее всего окажется частица.

Деферент – воображаемый большой круг, по которому движется геометрический центр эпицикла планеты в геоцентрической модели Птолемея.

Космологическая постоянная – это плотность энергии вакуума, благодаря которой он расширяется и раздвигает скопления галактик. Вакуум постоянно увеличивается в объёме, но его плотность при этом не падает, как у обычных сред, а остаётся постоянной. Поэтому его неубывающую постоянную плотность называют тёмной энергией – энергией неизвестной природы. Космологическая постоянная, выражающая антигравитационную силу пространства, была впервые введена Эйнштейном для противодействия гравитации и объяснения статичности Вселенной. Но потом была им отвергнута из-за открытия расширения Вселенной, которое в то время понималось как следствие разлёта материи по инерции от Большого взрыва. Вновь её ввели после открытия ускоряющегося расширения Вселенной, вызывать которое инерция не может.

Физическое поле – непрерывная область пространства, сплошь заполненная силовыми линиями и взаимодействующая с веществом.

Эквант – согласно геоцентрической системе мира Птолемея, точка, из которой движение планеты выглядит равномерным, и не совпадает с геометрическим центром траектории планеты.

Эпицикл – воображаемый малый круг, по которому движется планета в геоцентрической модели Птолемея.

Греки Космосом называли мир упорядоченный, прекрасный в своей гармонии в отличие от Хаоса – первозданной сумятицы. Все наши знания о Вселенной происходят из наблюдений. Единственным источником информации является свет, пришедший из дальних миров.Световой год – используется в популярной литературе. Соответствует расстоянию, которое свет пройдет за один год – около 10 000 миллиардов км.

Астрономическая единица – радиус орбиты Земли (1а.е.=1.496 *10 11 м).

Парсек (параллакс-секунда) – в научной литературе применяется для измерения межзвездных и межгалактических расстояний соответствует расстоянию 206 265 а. е. = 30800 млрд. км =3.08 * 10 13 км = 3.26 световых лет.

Эффект параллакса легко обнаружить, посмотрев на палец вытянутой руки сначала одним, а потом другим глазом. Изображение пальца двигается, так как вы смотрите на палец с двух разных точек – левым и правым глазом.

Известен суточный параллакс и годичный параллакс. Первый предназначен для определения расстояний в рамках Солнечной системы и основан на одновременном (в течение суток) наблюдении с разных точек Земли объектов Солнечной системы. В 1671‒1673 гг. Д. Кассини и Ж. Рише одновременно наблюдали Марс – Касссини в Париже, Рише в Кайенну (столице Французской Гвианы, Южная Америка). Его положение на фоне далеких звезд оказывается смещенным на угол p= 24 секунды. Пользуясь геометрическими построениями и формулой:

где расстояние до Марса, расстояние между городами Париж и Кайенну, они определили расстояние от Земли до Марса = 0.52 а. е. ~ 74 млн км. И тогда стало возможным определять абсолютные расстояния в рамках Солнечной системы. Так, расстояние от Земли до Солнца = 1 а. е. ~ 150 млн км.

Годичный параллакс как метод измерения предназначен для определения расстояний до ближайших звезд. Впервые был определен Василем Струве (русский ученый) в 1837 году для определения расстояния до звезды Вега (Лиры). Им был определен угол смещения р = 0,125″, а расстояние в соответствии с указанной формулой d=1/p”= 8 (пк)

Окружающие Солнце звезды составляют лишь ничтожную часть гигантского коллектива звезд и туманностей, именуемого Галактикой (с большой буквы – в ней находится Солнечная система). Это скопление звезд мы знаем как Млечный Путь.

Формы галактик: спиральные, эллиптические, неправильные. Наша галактика и галактика Андромеды (удаленная от нас на 2,5 млн световых лет) имеют спиральную форму. Большое и Малое Магеллановы облака галактики неправильной формы. Строение спиральных галактик, которых большинство: ядро, рукава, диск, гало (рис. 2.1.3). Размеры Нашей Галактики: радиус – около 20 000 пк, толщина в центральной части – около 5 000 пк. Скорость движения Солнца по галактической траектории на расстоянии около 8 000 пк от центра Галактики близка к 300 км/с.

95 % массы Галактики расположено около галактической плоскости. На долю сферической составляющей 1 приходится около 5 % вещества Галактики. Важным представителем сферической составляющей являются шаровые скопления звезд.

Если в окрестностях Солнца на 10 кубических парсеков приходится одна звезда, то в шаровых скоплениях она в пять раз выше, а около центра скопления доходит до одного миллиона звезд на кубический парсек.

Много неясного связано и с ядром Галактики. Его диаметр, видимый с Земли, около 9 градусов, линейные размеры около 4000 световых лет. Ядро является источником очень мощного радиоизлучения.

В 1934 году Э. Хаббл подсчитал, что на один квадратный градус приходится в среднем 131 галактика со светимостью до 20 звездной величины (Тема 2.2.). Сфера содержит 41 253 квадратных градуса. То есть общее число галактик до 20 звездной величины на небесной сфере около 6 миллионов. Более того, показано, что галактики в пространстве распределены достаточно однородно.

Частота излучения, измеряемая наблюдателем, зависит от направления и скорости движения источника относительно наблюдателя. С таким явлением мы сталкиваемся, например, когда стоим на железнодорожной станции, и мимо нас на большой скорости проходит состав. Этот эффект был описан в 1842 г. австрийским физиком Х. Доплером (1803–1853) и носит его имя.

Красное смещение, то есть уменьшение частоты излучения, спектральных линий является свидетельством того, что все галактики удаляются от нас. Скорость разлета весьма велика. Так, радиогалактика 3С295 (излучающая в основном радиоволны), удаленная от нас на 5 млрд. световых лет, улетает со скоростью 138 000 км/сек (половина скорости света!).

Никто не знает, как возникла Вселенная. Моделей зарождения Вселенной существует много. Все они основаны на фактах разлета удаленных галактик и наличии обнаруженного в 1965 году реликтового излучения (А. Пензиас и Р. Уиллсон, Нобелевская премия 1967 года).

Интенсивность этого излучения не зависит от направления, в котором его наблюдают исследователи с Земли – изотропно в пространстве. Интенсивность реликтового излучения очень мала и соответствует излучению черного тела с температурой 3 К

При этом мы должны отметить, что Вселенная, видимо, конечна и существует ограниченное время. Действительно, если бы Вселенная существовала бесконечно долго и была бы бесконечной, свет от всех заполняющих ее звезд (бесконечно большого числа) дошел бы до Земли и ночной небосвод был бы не черным с вкраплениями звезд, а светлым. Это заключение носит название парадокса Ольберса (по фамилии сформулировавшего его в 1826 году Г. Ольберса).

Кроме того, в бесконечной Вселенной энергия гравитационного взаимодействия любого тела со всеми другими была бы бесконечно большой, то есть ньютоновскую теорию тяготения к Вселенной применять нельзя (это заключение носит название парадокса Зелигера и сформулировано в 1895 году).

Одна из наиболее вероятных моделей Вселенной – модель Большого Взрыва. Наличие реликтового излучения одно из подтверждений этой модели. Около 10–14 млрд лет вещество Вселенной существовало в виде объекта сверхбольшой плотности.

В модели Большого Взрыва раннюю стадию развития Вселенной можно разделить на ряд этапов. Первый этап – эра тяжелых частиц и мезонов. Основную роль играет излучение. В конце этого промежутка частицы аннигилируют с античастицами, остается небольшой избыток частиц

Если температура поверхностных слоев звезды (как и любого нагретого тела) 3 000–4 000 К, то ее цвет красноватый, при температуре 6 000–7 000 К – желтоватый. Очень горячие звезды имеют белый и голубоватый цвета (10 000-12 000 К). Подавляющее большинство звезд имеют температуру около 3 500 К.

Таким образом, измерение зависимости интенсивности излучения от его длины волны позволяет оценить температуру поверхности звезды.

Невооруженным глазом видны звезды, имеющие звездную величину +6 и меньше.

Шкала видимых звездных величин, доступных для наблюдения современными оптическими приборами, заключена от –26.7 для Солнца (самой яркой звездой нашего неба) до +24 для самой слабой из видимых звезд. Два фактора обусловливают этот огромный диапазон звездных величин – диапазон присущих звездам значений светимости и разнообразие их расстояний от Земли.

Солнце гораздо ярче других звезд. Однако это совсем не значит, что его светимость самая большая. Оно просто близко. Для корректного сравнения светимостей необходимо исключить фактор расстояния. В связи с этим введено понятие абсолютной звездной величины как видимой звездной величины, которую звезда имела бы, находясь на расстоянии 10 пс от Солнца. Именно эта характеристика и будет определять светимость звезды. Абсолютная звездная величина Солнца +5.

Так как расстояния до Солнца и Проксимы Центавра меньше 10 пс, то их абсолютные звездные величины меньше видимых звездных величин. Для остальных звезд – абсолютные звездные величины больше видимых звездных величин.

Измерив расстояние до звезды (используя для достаточно близких звезд метод параллакса) и видимую звездную величину, мы получаем абсолютную звездную величину звезды, являющуюся мерой ее светимости. По измерениям зависимости интенсивности излучения звезды от длины волны можно установить ее температуру. Известно, что энергия, излучаемая единицей площади поверхности нагретого тела пропорциональна четвертой степени температуры тела (закон Стефана – Больцмана)

для Солнца (абсолютная звездная величина +5, радиус 700 000 км, температура 6 000 К)

При возрастании температуры меняется не только длина волны, которой соответствует максимум излучения (табл. 2.2.1), но и проявляется влияние внешних оболочек звезды на ее спектр. Возможна классификация звезд по особенностям их спектров излучения. Спектральная классификация содержит семь классов, обозначаемых буквами O, B, A, F, G, K, M – от самых горячих звезд к самым холодным (Мнемонические правила: Один Великий Англичанин Финики Жевал Как Морковь; O, BeAFineGirl, KissMe). Каждый класс разбивается на 10 подклассов – В0, В1, В2 . В9. Солнце – звезда класса G2.

В теории относительности, созданной А. Эйнштейном, было впервые введено понятие относительности пространства и времени, а также понятие о кривизне единого четырехмерного пространственно-временного континуума. Это была последняя крупная теория в рамках электромагнитной картины мира. Начиная с конца 19 века между электромагнитной теорией и эмпирическими фактами выявлялась все больше и больше противоречий. А после открытия явления радиоактивности и выявления того, что оно связано с превращением одних элементов в другие и сопровождается испусканием альфа- и бета-лучей, появились новые модели атома, которые не соответствовали электромагнитной картине мира. А позднее, М. Планк, в ходе попыток построения теории излучения, высказал мнение, что процессы излучения не являются непрерывными. Таким образом, в начале 20 века появилось два представления о материи:

Либо материя состоит из дискретных частиц
Либо материя является абсолютно непрерывной.

Эти два представления являются несовместимыми, и попытки, предпринимаемые учеными-физиками их как-то совместить терпели неудачу. Это подтолкнуло к мнению, что наука находится в тупике, выхода из которого не существует. Ситуация ухудшилась, когда Н. Бор предложил новую модель атома, согласно которой, электрон, вращающийся вокруг ядра, не излучает энергии. Это предположение противоречило законам электродинамики. По мнению Бора, электрон излучает энергию порциями тогда, когда переходит с одной орбиты на другую. Это предположение казалось странным, однако именно оно способствовало выходу из тупика и формированию новых представлений о материи.

Позже Луи де Бойль предложил гипотезу, согласно которой материи присущи и непрерывность, и квантовость, то есть каждой частице соответствует определенная волна. Исследования Э. Шредингера и В. Гейзенберга в 1925-1927 гг. подтвердили эту гипотезу, а позднее М. Борн доказал тождественность квантовой механики Гейзенберга и волновой механики Шредингера.

Готовые работы на аналогичную тему

Таким образом, представления о неизменности материи остались в прошлом, а вновь сложившиеся квантово-полевые представления о природе материи определяются как корпускулярно-волновой дуализм, подразумевающий, что у каждого элемента материи есть свойства частицы и волны.

Квантовая механика

Основой новой современной картины мира, получившей название квантово-полевой, лежит квантовая механика. Это новая теория, которая описывает состояние и движение микрообъектов материального мира. Она устанавливает метод описания и законы движения микрочастиц, к которым относятся элементарные частицы, атомы, атомные ядра, молекулы. Квантовая механика также занимается изучением связи величин, характеризующих частицы, с физическими величинами, измеряемыми экспериментальным путем. Законы квантовой механики дают возможность изучить строение атомов, а также установить природу химической связи и объяснить периодическую систему элементов, исследовать свойства элементарных частиц.

Квантовая механика способствовала изучению строения и свойств многих твердых тел, что до этого не представлялось возможным. Квантовая механика позволила изучить такие явления, как сверхпроводимость, ферромагнетизм, сверхтекучесть, а также исследовать природу нейтронных звезд и белых карликов. Кроме того, благодаря квантовой механике появилась возможность выявить механизм протекания термоядерных реакций, происходящих на Солнце и звездах.

Идеи квантово-полевой картины мира

С появлением новой картины мира было установлено, что элементарным частицам присуща такая особенность, как взаимопревращаемость и взаимозаменяемость. В квантово-полевой картине мира материальным объектом принимается квантовое поле, а при переходе его из одного состояния в другое число частиц меняется.

Движение в квантово-полевой картине мира определяется лишь как частный случай физического взаимодействия. Выделяются четыре основополагающих физических взаимодействия:

Электромагнитное
гравитационное
Сильное
Слабое.

В основе их описания лежит принцип близкодействия. Он означает, что взаимодействия передаются соответствующими полями от точки к точке, скорость передачи взаимодействия всегда является конечной и не превышает скорость света в вакууме, которая равна 300 000 км/с.

Предположения об относительности пространства и времени, а также их зависимости от материи, основы которой были заложены еще в электромагнитной картине мира, в новой, квантово-полевой картине мира утверждаются. Согласно теории относительности, время и пространство не являются независимыми друг от друга и соединяются в четырехмерном пространственно-временном континууме.

Закономерность и причинность в квантово-полевой картине мира принимают вероятностную форму, то есть выступают в виде статистических законов. Это свидетельствует о более глубоком уровне исследования природных закономерностей.

Еще одним принципиальным отличием квантово-полевой картины от предыдущих механической и электромагнитной является определение места и роли человека во Вселенной. Человек перестает быть лишь одним из объектов природы. Квантово-полевая картина мира рассматривает человека как наблюдателя, который определяет получаемую картину мира. Помимо этого, в современной, квантово-полевой, картине мира считается, что существование человека определяет то, каким является современный мир, а появление человека является закономерным результатом эволюции Вселенной.

Однако, как механическая и электромагнитная, современная картина мира тоже не лишена недостатков. К ним относятся:

Квантово-полевая, или как ее называют иначе, квантово-релятивистская, картина мира сейчас лишь проходит стадию становления. С развитием науки к ней добавляются новые теории, новые гипотезы, и возможно, указанные недостатки будут устранены и появятся ответы на существующие вопросы.

Картина мира — это целостная система концепций и теорий, наиболее развитых в тот или иной исторический период отраслей науки, идеи которых выдвигаются в качестве наиболее важных. Под отраслями науки имеются в виду в первую очередь дисциплины естествознания, но ими влияние науки на мировоззрение людей не ограничивается. Большое значение имеют социальные и гуманитарные науки.

Формирование именно научной картины мира началось с возрастания роли естествознания и математики. Ее эволюцию можно наглядно проследить: до XVI-XVII веков господствовала натурфилософская картина, затем ее сменила механическая, лидировавшая до середины XIX века. После она уступила термодинамической, а в XX веке на первый план вышли релятивистская и квантово-механическая картины мира.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Понятие механической картины мира

Механическая картина мира (МКМ) — первая физическая картина мира. Как уже упоминалось ранее, до нее преобладала натурфилософия, которая зародилась в Древней Греции. Для лучшего понимания особенностей МКМ следует кратко очертить эволюционную линию развития науки в целом.

Древняя Греция по праву считается родиной науки. Именно в Древней Греции ученые стали отделять науку от религии и мистики, то есть сделали ее рациональной, а также придали ей системность.

Однако исследования древних греков (Демокрита, Эпикура, Аристотеля, Лукреция и других) носили исключительно философский и умозрительный характер. Они не признавали эксперименты, считая, что опыты могут смутить разум исследователя некими иллюзиями. Например, Птолемей, говоря о преимуществах геоцентризма, заявлял, что если бы Земля двигалась, а не оставалась неподвижной, то некие силы уносили бы облака и птицы в западном направлении, а падающие предметы улетали бы в небеса. Подобных же явлений никто не наблюдал, значит, Земля неподвижна.

Общие теории Аристотеля и Птолемея легли в основу натурфилософской картины мира, которая пропагандировалась церковью в Европе. Как выяснилось впоследствии, они были ошибочны.

Становление МКМ тесно связано с отказом от прежних представлений. Ему способствовали многие ученые, даже если при жизни они не получили признания. Поговорим о некоторых из них.

Коперник до самой смерти боялся последствий своих открытий, поэтому при его жизни они не узнали широкого распространения. Однако позднее видные ученые, исследователи и философы (например, Ф. Энгельс) называли его работы поистине революционными.

Джордано Бруно первым заявил о том, что не только Земля не является центром Вселенной, но что Вселенная не имеет центра вообще. За свои взгляды он был сожжен.

Иоганн Кеплер, немецкий астроном, математик, физик и философ, был последователем Коперника и развил дальше его учение. В частности, он внедрил в науку следующие положения:

траектория движения планет вокруг Солнца имеет эллиптическую форму;
на разных промежутках вращения планеты имеют различную скорость, которая высчитывается математически;
сформулировал математически безупречные законы, по которым рассчитывалось движение небесных тел.

Галилео Галилей считается основоположником МКМ в ее чистом виде. Он первым установил, что представления Аристотеля, на которых основывалась картина мира тех времен (XVI — XVII века), ошибочны. Приведем конкретный пример.

В своих работах Аристотель опирался на понятие силы, которое ввел сам и к которому относятся три основных вида: тяга, давление и удар. Для описания естественного падения тела он вывел закон:

где V — скорость,

F — сила стремления тела к своему естественному месту,

w — сопротивление воздуха.

Согласно закону Аристотеля, скорость падения тела зависела от его массы.

Одна из многих заслуг Галилея заключалась в том, что он первый заявил о важности опытов в исследовании природных явлений и процессов, что ранее отрицалось. Так, Галилей в присутствии многочисленных свидетелей наблюдал, как с Пизанской башни падают тела различной массы (например, пуля и ядро). Таким образом, он выявил, что представления Аристотеля о зависимости скорости падения от массы ошибочны.

Также он вывел основные аксиомы МКМ:

Закон инерции: свободное движение на горизонтальной плоскости совершается с неизменной по величине и вектору скоростью.
Свободно падающее тело движется с постоянным ускорением.
Свободное падение тел равнозначно движению по наклонной плоскости, а горизонтальной плоскости соответствует закон инерции.
Внутри инерциальной системы механические процессы происходят так же, как и внутри покоящейся.

Мнение Ньютона о процессах в природе и Вселенной

Исаак Ньютон родился позже Галилея и унаследовал методологию, основанную на экспериментах. Благодаря этому, а также своему несомненному таланту, он усовершенствовал МКМ, описав основные положения классической механики, и определил развитие физической науки на несколько столетий вперед.

I закон, или закон инерции, обнаруженный еще Г. Галилеем.

II закон: сила, влияющая на тело в конкретный момент и в конкретном месте, меняет скорость, и это можно определить очень точно. В виде формулы это можно записать так:

III закон: тела действуют друг на друга с одинаковой силой, но противоположными векторами, то есть их воздействие носит взаимный характер. Формула этого закона такова:

IV закон: закон всемирного тяготения сила тяготения обратно пропорциональна квадрату расстояния:

\(Fгр = γ · mгр· M_гр/r_2,\)

где γ — гравитационная постоянная.

Основываясь на этом законе, Ньютон объяснил теорию сжатия Земли у полюсов, теорию приливов и отливов, движения комет, возмущения в движении планет.

Основные положения механической картины мира

Помимо аксиом Галилея и законов Ньютона, можно выделить следующие положения МКМ:

положение о материи;
положение о пространстве;
положение о времени;
положение о движении;
положение о взаимодействии.

Материя, согласно МКМ, — это вещество, состоящее из далее неделимых, абсолютно твердых движущихся частиц — атомов.

Пространство, по сравнению с натурфилософской картиной мира, является новым понятием, поскольку Аристотель не признавал существования пустого пространства. Ньютон выделял следующую классификацию пространства:

относительное, объясняемое пространственными отношениями между телами и их выявлением и измерением;
абсолютное, которое не связано со временем, и его свойства не зависят от того, присутствуют или отсутствуют в нем материальные объекты.

Согласно Ньютону, пространство обладает следующими признаками:

трехмерность (то есть размещение точки можно описать с помощью привычной нам системой координат);
непрерывность;
бесконечность;
однородность;
изотропность.

Время, как и пространство, Ньютон подразделял на абсолютное и относительное. Время обладает лишь одним направлением, в отличие от пространства: от прошлого к будущему, минуя настоящее.

Движение в МКМ — это изменение положения тела в пространстве с течением времени, то есть принято механическое определение.

Взаимодействие — это воздействие тел или частиц друг на друга, приводящее к изменению их движения.

Современная физика все многообразие взаимодействий сводит к четырем фундаментальным:

сильное;
слабое;
электромагнитное;
гравитационное.

Существуют также принципы МКМ:

Принцип относительности был впервые сформулирован Галилеем и заключался в том, что все инерциальные системы отсчета являются равноправными. В инерциальных системах Галилея время течет везде одинаково, а масса тела неизменна. Основной вывод Галилея заключался в следующем: опыты не в состоянии указать на различие между покоем и равномерным прямолинейным движением.
Принцип дальнодействия выработан представителями течения механистического материализма, который основан на понятии неделимого атома и пустого пространства: на взаимодействия между телами не влияет промежуточная среда.
Принцип причинности был разработан математиком Лапласом и заключался в том, что всякое существующее явление связано с предшествующим причинно-следственно.

Дальнейшее развитие физики и прочих естественных наук показало, что эти принципы неверны, однако нужно быть знакомым с ними для лучшего ознакомления со сменами парадигм в эволюции научных картин мира.

Читайте также: