Концепция дополнительности нильса бора реферат
Обновлено: 30.06.2024
«В истории науки мало таких событий, которые подобно открытию Планком элементарного кванта действия за короткое время одной человеческой жизни привели бы к столь существенным последствиям. Это открытие не только во всё возрастающей степени становится основой для упорядочения знаний об атомных явлениях, которые за последние тридцать лет чрезвычайно возросли, но и привело одновременно к полному преобразованию принципов описания явлений природы. Мы здесь встречаемся с непрерывным развитием точек зрения и вспомогательных понятий, начавшимся с основополагающих работ Планка по теории теплового излучения и выразившимся в последние годы в формулировке символической квантовой механики, которую нужно считать естественным обобщением классической механики, с которой она может сравниться по изяществу и внутреннему совершенству.
Однако эта цель была достигнута путём отказа от причинного пространственно-временного описания, что составляет отличительную черту классических физических теорий, достигших столь глубокой ясности благодаря теории относительности.
В этом отношении квантовая теория была разочарованием, поскольку атомная теория возникла из стремления использовать такой способ описания и для явлений, которые нашим органам чувств не представляются непосредственно как движения материальных тел. Но с давних пор мы были готовы столкнуться именно здесь с тем, что приспособленные к нашим чувствам формы выражения откажутся служить. […]
Теоретико-познавательная проблема, о которой идет речь, характеризуется коротко тем, что, с одной стороны, описание нашей мыслительной деятельности требует противопоставления объективно заданного содержания и мыслящего субъекта, а с другой, как уже ясно, - что нельзя строго разграничить объект и субъект, поскольку последнее понятие также принадлежит к содержанию. Из такого положения вещей следует не только относительность зависящего от произвола при выборе точки зрения значения каждого понятия или, вернее, каждого слова; мы должны вообще быть готовыми к тому, что всестороннее освещение одного и того же предмета может потребовать различных точек зрения, препятствующих однозначному описанию . Строго говоря, глубокий анализ любого понятия и его непосредственное применение взаимно исключают друг друга.
В необходимости прибегнуть к дополнительному в этом смысле или, вернее, взаимному способу описания нас особенно убедили психологические проблемы. В противоположность им характерной чертой так называемых точных наук считали стремление достичь однозначности, избегая каких-либо указаний об исследующем субъекте. Это стремление, пожалуй, наиболее сознательно проявляется в математической символике, в которой мы видим идеал объективности; вряд ли можно установить границы её достижениям в каждой замкнутой области применения логики. Но в собственно естествознании не может идти речь о строго замкнутой области применения принципов логики, поскольку мы постоянно должны учитывать вновь поступающие сведения, включение которых в рамки прежних знаний может потребовать ревизии наших мыслительных вспомогательных средств.
Подобную ревизию мы пережили недавно в связи с возникновением теории относительности, которая благодаря существенно углубленному анализу проблемы наблюдения открыла субъективный характер всех понятий классической физики. Несмотря на высокие требования, которые она предъявляет к нашей способности абстрагирования, теория относительности, тем не менее, в особенно значительной степени приближается к классическому идеалу о едином и причинном описании природы. Сохраняется прежде всего представление объективной реальности подлежащих изучению явлений. Как подчеркивал Эйнштейн , в основе всей теории относительности лежит допущение, что каждое наблюдение основано на встрече предмета и измеряющего тела в одной пространственно-временной точке, а, следовательно, оно может быть определёно независимо от системы отсчёта наблюдателя. Но после открытия кванта действия мы уже знаем, что классический идеал недостижим при описании атомных процессов. Любая попытка пространственно-временного упорядочения индивидуумов вызывает разрыв причинной цепочки, связанный с непренебрежимым обменом импульсом и энергией с используемыми для измерения масштабами и часами, причём обмен не поддается расчёту, когда эти средства измерения достигают цели. Наоборот, любой основанный на строгом сохранении энергии и импульса однозначный вывод о динамическом поведении индивидуумов потребует, очевидно, полного отказа от определения их положения в пространстве и времени. Вообще можно сказать, что целесообразность причинного пространственно-временного описания при рассмотрении обычных опытов основана только на малой величине кванта действия по сравнению с действиями, обычно встречаемыми в измерениях. Открытие Планка поставило нас здесь в такое же положение, какое было вызвано открытием конечности скорости света; целесообразность требуемого нашим образом мышления резкого различения пространства и времени основана исключительно на малости скоростей, с которыми мы обычно имеем дело, по сравнению со скоростью света. Фактически нельзя забывать о взаимности результатов измерений при рассмотрении вопроса о причинности атомных явлений так же, как нельзя забывать об относительности наблюдений при рассмотрении вопроса об одновременности.
При отказе от стремления к наглядности, накладывающей отпечаток на всю нашу речь, - а к нему толкает существующая ситуация, - особенно поучительно, что уже простые психологические опыты дают основания не только для релятивистского, но и для взаимного способа описания. Относительности наших сведений о движении, которую каждый из нас освоил ещё с детства на примере перемещения корабля или вагона, соответствуют повседневные опыты относительно взаимности данных, получаемых от прикосновения. Здесь нужно напомнить о часто приводимом психологами ощущении, переживаемом всеми при попытках ориентироваться на ощупь в тёмной комнате с помощью палки. Тогда как в случае, если держать палку свободно, мы чувствуем её как внешний предмет, при крепком обхвате чувство чужого тела теряется и ощущение соприкосновения локализуется непосредственно в точке, где палка соприкасается с исследуемым телом. Вряд ли будет преувеличением, если уже из психологических опытов заключить, что понятия пространства и времени в сущности приобретают определённый смысл лишь благодаря тому, что можно пренебречь взаимодействием со средствами измерения. Анализ чувственных ощущений вообще показывает заслуживающую внимания независимость психологических основ восприятий от пространства и времени, с одной стороны, и, имея в виду восприятия, обусловленные действием сил, от энергии и импульса, с другой.
Но прежде всего эта область была охарактеризована соотношениями взаимности, которые связаны с единым характером сознания и поразительно напоминают физические следствия существования кванта действия. Речь идет здесь об общеизвестных особенностях мира ощущений (Fiihllebens) и решений воли (Willenlebens), которые совершенно не поддаются наглядному представлению. Кажущееся противоречие между непрерывным прогрессом обобщенного мышления и сохранением индивидуальности личности находит впечатляющую аналогию в отношении между обусловленным принципом суперпозиции волновым описанием поведения материальных частиц и их сохраняющейся индивидуальностью. Неизбежное влияние на атомные явления при их наблюдении соответствует здесь хорошо известному изменению оттенка психических событий, сопровождающее переход внимания от одного его элемента к другому.
В двух работах 1937 года Нильс Бор добавит:
«В поисках параллели с вытекающим из атомной теории уроком об ограниченной применимости обычных идеализаций мы должны обратиться к совсем другим областям науки, например к психологии, или даже к особого рода философским проблемам; это те проблемы, с которыми уже столкнулись такие мыслители, как Будда и Лао Цзы , когда пытались согласовать наше положение как зрителей и как действующих лиц в великой драме существования. Признание аналогии чисто логического характера в тех проблемах, которые возникают в столь далеких друг от друга областях человеческих интересов, ни в коем случае не означает, однако, что в атомной физике допускается какой-то мистицизм, чуждый истинному духу науки; наоборот, это признание побуждает нас подумать, не может ли прямое решение тех парадоксов, которые неожиданно встретились в атомной области при применении наших простейших понятий, помочь нам разъяснить аналогичные затруднения в других областях знания.
Если публикация Вас заинтересовала - поставьте лайк или напишите об этом комментарий внизу страницы.
Дополнительные материалы
+ Ваши дополнительные возможности:
Системный анализ
Квантовые объекты относительны к средствам наблюдения. О параметрах квантовых явлений можно судить лишь после ТОО как они провзаимодействовали со средствами наблюдения, т.е. приборами.
При этом приходится учитывать, что приборы, которые используются для измерения параметров, связанных между собой соотношением неопределенностей, разнотипны. Исследователи вынуждены прибегать к использованию различных установок.
Согласно квантовой механике, каждое отдельно проведенное измерение разрушает микрообъект: после измерения его волновая функция перестает существовать. Чтобы провести измерение приходится заново готовить микрообъект. Это обстоятельство существенно усложняет процесс синтеза данных измерений по сравнению с теми. Что имеет место в классической физике и специальной теории относительности. В этой связи Бор как раз и утверждал взаимодополнительность квантовых измерений. Данные классических измерений не взаимодополнительны, они просто-напросто сосуществуют, имеют самостоятельный смысл независимо друг от друга. Взаимодополнение имеет место там, где исследуемые сущие неотделимы друг от друга и взаимосвязаны между собой.
Бор соотносил принцип дополнительности не только с физическими науками. По мысли Бора, возможности живых существ столь многообразны и так тесно взаимосвязаны, что при их изучении вновь приходится обращаться к процедуре взаимодополения данных наблюдений. К сожалению, эта мысль Бора не получила должного развития по настоящий день.
2.5 Туннельный эффект
Любой потенциальный барьер может быть преодолен в том случае, если кинетическая энергия тела (Е) больше его потенциальной энергии (U) так сказать, на вершине барьера
С позиции квантовой механики, частиц попав в область потенциального барьера, не обладает точным значением импульса, а значит, и кинетической энергии. В соответствии с соотношением неопределенностей, неопределенность импульса частицы – это гарантия того, что вероятность достижения частицей необходимого для преодоления барьера импульса не равна нулю. Любая квантовая частица имеет шанс преодолеть потенциальный барьер. Именно в этом состоит содержание так называемого туннельного эффекта.
Квантово- механическое объяснение туннельного эффекта с позиций классической физики кажется странным, но именно оно подтверждается данными многочисленных экспериментов.
В термоядерных реакциях происходит необходимое для их слияния сближение положительно заряженных и, следовательно, отталкивающихся друг от друга ядер-реагентов. Значительную роль в этом сближении опять играет туннельный эффект.
Частица в потенциальной яме
Квантовая частица, находящаяся в потенциальной яме, в силу неопределенности величины ее импульса не может покоиться. Следовательно, ее энергия на может быть равна нулю. В полном соответствии с аппаратом квантовой механики энергия частицы принимает дискретные (а не любые!) значения.
Потенциальная яма- абстракция. В реальной действительности U = . Используется эта абстракция для того, чтобы понять повеление частиц в силовых полях.
2.6 Принцип суперпозиции
Принцип суперпозиции состоит в том, что если квантовый объект может находиться в состояниях, описываемых волновыми функциями, то возможно состояние, изображаемое волновой функцией.
Квантово-механический принцип суперпозиции является уточнением соответствующих представлений классической физики. Согласно последней, в среде, не меняющей свои свойства под действием возмущений, волны распространяются независимо друг от друга. Следовательно, результирующее возмущение в какой-либо точке среды при распространении в ней нескольких волн равно сумме возмущений, соответствующих каждой из этих волн.
ІІ. Чем отличаются статистические закономерности в природе от динамических. Приведите примеры
Все теории можно разделить на два класса: динамические и статистические. В классической физике считалось, что предсказание будущего механической системы осуществляется однозначным образом
Главное отличие статистических закономерностей от динамических в том, что в статистических законах необходимость выступает в диалектической связи со случайностью, а в динамических – как абсолютная противоположность случайного, а отсюда вытекает вывод:
Динамические законы представляют собой первый низкий этап в процессе познания окружающего нас мира.
Статистические законы обеспечивают более современное отображение объективных связей в природе: они выражают следующий, более высокий этап познания.
Оказавшись перед необходимостью изучения свойств систем состоящих из очень большого числа частиц (атомов, молекул и т.д.), физики обратились к статистике. В сложной системе невозможно проследить за историей каждой отдельной частицы, обладающей, как считали физики старой школы, четко определенными параметрами. Для характеристики сложных (макроскопических) систем стали применять средние значения параметров частиц, для подсчета которых использовалось понятие вероятности. В статистических закономерностях осуществляется вероятностная предсказуемость средних значений величин микрообъектов. Считалось, что статистические закономерности имеют своей основой невероятностное поведение тех частиц, из которых состоят сложные системы.
Физические закономерности всегда имеют не динамический, а статистический (вероятностный) характер. Понятие динамической закономерности, фактически. Относится не к самим явлениям, а к способу их рассмотрения. В случае, если пренебрегают учетом квантованности явлений (часто это равносильно тому, что постоянную Планка h приравнивают к нулю), вместо вероятностной предсказуемости появляется однозначная
В динамической теории состояние системы определяется значениями характеризующих ее физических величин. Динамическая теория позволяет предсказывать значения физических величин, характеризующих систему.
Исторически первая научная теория - классическая механика – теория динамическая. Она стала образцом, по которому кроились другие разделы классического естествознания: термодинамика, электродинамика, теория относительности, теория химического строения, систематика живых существ. Сформировалось убеждение, что динамические теории несут наиболее фундаментальное знание.
Теория, в которой состояние системы определяется заданием вероятностей тех или иных значений физических величин относится к статистическим теориям.
Статистическая теория позволяет предсказывать лишь вероятности тех или иных значений физических величин, характеризующих систему.
Первые статистические теории стали возникать в XІX в.: молекулярно-кинетическая теория и, более широко, статистическая механика в физике, дарвиновская теория эволюции (основанная на представлениях о неопределенной, т.е. случайной изменчивости), менделеевская генетика. Большинство же ныне действующих статистических теорий появились уже в XІX в. Со статистическими теориями в естествознание вошло фундаментальное понятие флуктации – это случайное отклонение характеристик системы от наиболее вероятного или среднего значения.
Динамические теории не учитывают и не допускают возможности - флуктаций.
Статистические – допускают, учитывают и даже выводят на передний план.
ІІІ. 1. За какое выдающееся открытие два советских физика и один американский были удостоены в 1963г. Нобелевской премии. Как оно связано с квантовой механикой
Н. Г. Басов, А. М. Прохоров, и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длиной волны равной 1,27 см. Это был первый квантовый генератор на молекулах аммиака – источник электромагнитного излучения в СВЧ – диапазоне (мазер). Н.Г. Басов выдвинул идею применения полупроводников для квантовых генераторов оптического диапазона и развил методы создания различных типов полупроводниковых лазеров. Выполнил ряд работ по теории мощных импульсных лазеров на рубине, по созданию квантовых стандартов частоты, взаимодействию мощного излучения с веществом. За разработку нового принципа генерации и усиления радиоволн Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс в 1963г. были удостоены Нобелевской премии.
Очень перспективно применение лазерного луча для связи, особенно в космическом пространстве, где нет поглощающих свет облаков.
Создание лазеров – пример того, как развитие фундаментальной науки (квантовой механики) приводит к гигантскому прогрессу в самых различных областях техники и технологии.
Список использованной литературы
1. Горелов А.А. Концепции современного естествознания: учеб. пособие. – М: Высш. Образование, 2006.
2. Канке В.А. Концепции современного естествознания: учеб. пособие для студентов вузов. – М.: Логос,2004.
3. Концепции современного естествознания: учеб. для вузов / под ред. Проф. В.Н. Лавриненко, В.П. Ратникова. – М.: ЮНИТИ – ДАНА,2003.
5. Лихин А.Ф. Концепции современного естествознания: учеб. – М.: ТК Велби; Изд-во Проспект, 2006
6. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: учеб. для вузов. – М.: Культура и спорт. ЮНИТИ,1999
Представляя раздел теоретической физики, квантовая механика описывает физические явления, где действие по величине равнозначно постоянной Планка. Основополагающие принципы этого раздела физики это:
- принцип неопределенности В. Гейзенберга);
- принцип дополнительности Н. Бора.
Принцип неопределенности Гейзенберга
В квантовой механике принцип неопределенности Гейзенберга заключается в следующем: чем точнее будут измерения одной характеристики частицы, тем менее точным окажется измерение второй.
Соотношение неопределенностей задает нижний предел произведения среднеквадратичных отклонений для пары квантовых наблюдаемых. Принцип неопределенности открыт В. Гейзенбергом в 1927 г., представляя следствие принципа корпускулярно-волнового дуализма.
Соотношения неопределенностей справедливы не только в отношении идеальных измерений фон Неймана, но и для неидеальных измерений. Согласно этому принципу, у частицы не могут в одно и то же время точно измеряться скорость и положение. Принцип неопределенности применяется также в ситуации, когда не реализуется ни одна из двух крайних ситуаций: полностью неопределенная пространственная координата и импульс.
В качестве примера можно рассмотреть частицу с некоторым значением энергии. Эта частица находится в коробке с отражающими стенками, при этом она не характеризуется:
- определенным значением импульса (с учетом его направления);
- каким-либо определенным состоянием;
- пространственной координатой (волновая функция частицы делокализуется в пределах всего пространства коробки).
Соотношения неопределенностей не ограничивают точность единожды произведенного измерения для любой величины (для многомерных величин предусматривается в общем случае лишь одна компонента). Соотношение неопределенностей для свободной частицы, например, не препятствует точным измерениям ее импульса, но при этом точное измерение ее координаты становится невозможным. Такое ограничение называется стандартным квантовым пределом для координаты.
Готовые работы на аналогичную тему
В математическом смысле соотношение неопределенностей в квантовой механике представляет прямое следствие свойства преобразования Фурье. Говорится о существовании точной количественной аналогии между соотношениями неопределенности Гейзенберга и свойствами сигналов или волн.
Если рассматривать переменный во времени сигнал (например, волну), то с целью точного определения частоты важно наблюдать за ним некоторое время. При этом теряется точность определения самого времени. Звук, таким образом, не может одновременно иметь:
- точное значение времени фиксации (как очень короткий импульс);
- точное значение частоты (как непрерывный чистый тон).
Частота волны и временное положение математически полностью аналогичны квантовому механическому импульсу частицы и координате. Если наличествует несколько идентичных копий системы в рассматриваемом состоянии, то в таком случае измеренные значения импульса и координаты будут подчиняться определенному порядку распределению вероятности (фундаментальный постулат квантовой механики). При измерении величины среднеквадратического отклонения импульса и также координаты, получаем следующую формулу:
Рисунок 1. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Для трехмерного осциллятора принцип неопределенности выражает формула:
Рисунок 2. Формула. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Принцип дополнительности Бора
Принцип дополнительности представляет собой один из важнейших эвристических и методологических принципов в квантовой механике. Сформулирован Н. Бором в 1927 г.
Согласно такому принципу, при полном описании квантово-механических явлений требуется применение двух дополнительных (взаимоисключающих) наборов классических понятий, совокупность которых позволяет получить исчерпывающую информацию о таких явлениях, как о целостных. Дополнительными в квантовой механике считаются энергетически-импульсная и пространственно-временная картины.
Принцип дополнительности положен в основу копенгагенской интерпретации механики квантов и анализа измерительного процесса характеристик микрообъектов. Согласно данной интерпретации, позаимствованные из классической физики, динамические характеристики микрочастицы (энергия, импульс и др.) вовсе не свойственны частице как самой по себе.
Смысл и определенные значения тех или иных характеристик электрона раскрываются в непосредственной взаимосвязи с классическими объектами. Для этих объектов такие величины одновременно могут иметь некоторое значение (условно подобный классический объект называется измерительным прибором). Роль вышеозначенного принципа дополнительности в физике оказалась настолько значимой, что Паули даже предложил назвать квантовую механик теорией дополнительности (как аналогия с теорией относительности).
Обобщение принципа дополнительности
Н. Бор предложил обобщение принципа дополнительности, придав ему гносеологический глубокий смысл. Так, всякое глубокое явление природы, к примеру, физическая система или атомный объект, не поддается однозначному определению с помощью слов нашего языка, поэтому требует для своего определения как минимум двух взаимоисключающих дополнительных понятий.
Физическая картина явления, например, и его математическое описание являются дополняющими друг друга. Физическая картина явления не придает важное значение деталям и достаточно далека от математической точности, в то время как точное математическое описание явления, напротив, затрудняет его ясное понимание.
Наука и искусство представляют два дополнительных способа исследования окружающего мира. Наука основывается на опыте и логике, а искусство - на прозрении и интуиции. Они не только не противоречат, но и дополняют друг друга.
Применение обобщающего принципа дополнительности способствовало формированию со временем концепции дополнительности, охватывающей такие сферы, как физика, психология, биология, культурология и гуманитарное знание в целом.
В основу изложения положена статья Макарова А.Б. [1], опубликованная в 2012 году. Принцип дополнительности Бора представляет собой комплекс идей, призванных прояснить специфическую ситуацию, сложившуюся в квантовой механике. Некоторые из них (роль языка классической физики, роль макроприбора, целостность научного эксперимента, целостность микрообъекта) могут претендовать на статус общенаучных и эпистемологических принципов.
Подход Бора налагает запрет на опредмечивание (объективацию, онтологизацию) квантового явления, которое, полагает Бор, неизбежно приводит к противоречиям. Несмотря на это, попытки его обобщения в науке и философии к успеху не привели.
• объективация – мыслительный процесс, благодаря которому ощущение, что возникло как субъективное состояние, преобразуется в восприятие объекта.
• феноменали;зм – философское учение о том, что мы познаем не сущность вещей, а лишь явления.
• эпистемическая логика создана для изучения понятий знания и является направлением в модальной логике
1. Понятие принципа дополнительности Бора
В отношении к принципу дополнительности Бора нет единства не только в оценке его роли и статуса в науке и философии, но даже и в понимании его содержания и смысла. Спектр мнений простирается от безоговорочного признания в качестве общенаучного и общефилософского принципа до полного отрицания его значения, как в науке, так и в философии.
1.1. Атрибуты атомных объектов неизбежно связаны с неопределённостью
1.2. Суть принципа дополнительности
Принцип дополнительности сводится к следующим двум требованиям.
1. Описание квантовых явлений микрообъектов должно быть полным и непротиворечивым.
2. Недопустимо опредмечивание характеристик, полученных в ходе квантомеханического эксперимента, поскольку у нас нет оснований для экстраполяции данных эксперимента на сам микрообъект и, напротив, есть серьёзные аргументы за то, что такая экстраполяция недопустима.
Последнее зачастую трактуется как повод для вывода о субъективизме Бора и субъективности квантовой механики (и, как следствие, науки в целом). Однако для Бора все обстоит как раз наоборот: это требование является условием исключения произвола, достижения объективности в интерпретациях квантовой механики и её результатов. В то же время оно выступает необходимым условием преодоления объектного фетишизма, свойственного методологическим установкам классической физики.
1.4. Принципиальное различие между приборами и объектами
1.5. Постулат о целостности эксперимента
1. Для полного и непротиворечивого описания квантового явления необходимо учитывать приборную базу.
2. Результаты экспериментов различного типа согласуются по принципу дополнительности.
1.6. Постулат о целостности микрообъекта
Все взаимодействия микрообъекта с окружением должно рассматривать как нечто единое. Из этого постулата следуют: принцип неразличимости частиц, принцип запрета Паули, одно из важнейших правил теории Шрёдингера – соответствующее уравнение записывается не для каждого микрообъекта, а для общей волновой функции, определённой конфигурацией всех частиц и т.п.
Читайте также: