Принцип неопределенности гейзенберга реферат

Обновлено: 02.07.2024

Принцип неопределённости Гейзенберга в квантовой механике — фундаментальное неравенство (соотношение неопределённостей), устанавливающее предел точности одновременного определения пары характеризующих квантовую систему физических наблюдаемых (ср. физическая величина), описываемых некоммутирующими операторами (например, координаты и импульса, тока и напряжения, электрического и магнитного поля). Соотношение неопределенностей задает нижний предел для произведения среднеквадратичных отклонений пары квантовых наблюдаемых. Принцип неопределённости, открытый Вернером Гейзенбергом в 1927 г., является одним из краеугольных камней квантовой механики.

Файлы: 1 файл

Принцип Гейзенберга.doc

ПРИНЦИП НЕОПРЕДЕЛЁННОСТИ:

Принцип неопределённости – фундаментальное положение квантовой теории, утверждающее, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты её центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определённые, точные значения. Количественно принцип неопределённости формулируется следующим образом. Если ∆x – неопределённость значения координаты x центра инерции системы, а ∆p_x – неопределённость проекции импульса p на ось x, то произведение этих неопределённостей должно быть по порядку величины не меньше постоянной Планка ħ. Аналогичные неравенства дожны выполняться для любой пары т. н. канонически сопряженных переменных, например для координаты y и проекции импульса p_y на ось y, координаты z и проекции импульса p_z. Если под неопределённостями координаты и импульса понимать среднеквадратичные отклонения этих физических величин от их средних значений, то принцип неопределённости для них имеет вид:

∆p_x ∆x ≥ ħ/2, ∆p_y∆y ≥ ħ/2, ∆p_z ∆z ≥ ħ/2

Ввиду малости ħ по сравнению с макроскопическими величинами той же разномерности действие принципа неопределённости существенно в основном для явлений атомных (и меньших) масштабов и не проявляются в опытах с макроскопическими телами.

Из принципа неопределённости следует, что чем точнее определена одна из входящих в неравенство величин, тем менее определенно значение другой. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению таких динамичных переменных; при этом неопределённость в измерениях связано не с несовершенством экспериментальной техники, а с объективными свойствами материи.

Пример: движение электрона представляет собой распространение его собственной волны. Если стрелять пучком электронов через узкое отверстие в стенке: узкий пучок пройдёт через него. Но если сделать это отверстие ещё меньше, такое, чтобы его диаметр по величине сравнялся с длиной волны электрона, то пучок электронов разойдётся во все стороны. И это не отклонение, вызванное ближайшими атомами стенки, от которого можно избавиться: это происходит вследствие волновой природы электрона. Попробуйте предсказать, что произойдёт дальше с электроном, прошедшим за стенку, и вв окажетесь бессильными. Вам точно известно, в каком месте он пересекает стенку, но сказать, какой импульс в поперечном направлении он приобретёт, вы не можете. Наоборот, чтобы точно определить, что электрон появится с таким-то определённым импульсом в первоначальном направлении, нужно увеличить отверстие настолько, чтобы электронная волна проходила прямо, лишь слабо расходясь во все стороны из-за дифракции. Но тогда невозможно точно сказать, в каком же точно месте электрон-частица прошёл через стенку: отверстие-то широкое. Насколько выигрываешь в точности определения импульса, настолько проигрываешь в точности, с какой известно его положение.

Это и есть принцип неопределённости Гейзенберга. Он сыграл исключительно важную роль при построении математического аппарата для описания волн частиц в атомах. Его строгое толкование в опытах с электронами такого: подобно световым волнам электроны сопротивляются любым попыткам выполнить измерения с предельной точностью. Этот принцип меняет и картину атома Бора. Можно определить точно импульс электрона (а следовательно, и его уровень энергии) на какой-нибудь его орбите, но при этом его местонахождение будет абсолютно неизвестно: ничего нельзя сказать о том, где он находится. Отсюда ясно, что рисовать себе чёткую орбиту электрона и помечать его на ней в виде кружка лишено какого-либо смысла.)

Таким образом, понятия координаты и импульса в классическом смысле не могут быть применены к микроскопическим объектам. Пользуясь этими величинами при описании микроскопической системы, необходимо внести в их интерпретацию квантовые поправки. Такой поправкой и является принцип неопределённости.

Несколько иной смысл имеет принцип неопределённости для энергии ε и времени t:

Принцип неопределённости в популярной культуре

Принцип неопределённости часто неправильно понимается или описывается в популярной прессе. Одна частая неправильная формулировка в том, что наблюдение события изменяет само событие. Вообще говоря, это не имеет отношения к принципу неопределённости. Почти любой линейный оператор изменяет вектор, на котором он действует (то есть почти любое наблюдение изменяет состояние), но для коммутативных операторов никаких ограничений на возможный разброс значений нет. Например, проекции импульса на оси c и y можно измерить вместе сколь угодно точно, хотя каждое измерение изменяет состояние системы. Кроме того, в принципе неопределённости речь идёт о параллельном измерении величин для нескольких систем, находящихся в одном состоянии, а не о последовательных взаимодействиях с одной и той же системой.

Другие (также вводящие в заблуждение) аналогии с макроскопическими эффектами были предложены для объяснения принципа неопределённости: одна из них рассматривает придавливание арбузной семечки пальцем. Эффект известен — нельзя предсказать, как быстро или куда семечка исчезнет. Этот случайный результат базируется полностью на хаотичности, которую можно объяснить в простых классических терминах.

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Министерство сельского хозяйства РФ

ФГОУ ВПО Орловский Государственный Аграрный Университет

Кафедра растениеводства

Реферат на тему:

Студентка 1 курса

Факультет: Экономический

Специальность: Финансы и кредит

Яковлева К.В.

Кирсанова Елена Владимировна.
Орел 2009

Содержание

2.Основная часть:

2.3 Принцип неопределенности……………………………………………9-12

2.3 Соотношение неопределенностей Гейзенберга…………..13-16

3
посвященные квантовой механике.
4

Основная часть

Гейзенберг (Хайзенберг) (Heisenberg) Вернер (1901-1976), немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Предложил (1925) матричный вариант квантовой механики; сформулировал (1927) принцип неопределенности; ввел концепцию матрицы рассеяния (1943). Труды по структуре атомного ядра, релятивистской квантовой механике, единой теории поля, теории ферромагнетизма, философии естествознания. Нобелевская премия (1932)

Вернер Карл Гейзенберг родился 5 декабря 1901 года в немецком городе Вюрцбурге.В сентябре 1911 года Вернера отдали в престижную гимназию. В 1920 году Гейзенберг поступил в Мюнхенский университет. Окончив его, Вернер был назначен ассистентом профессора Макса Борна в Геттингенском университете. По теории квантов атом испускает свет, переходя из одного энергетического состояния в другое. А по теории Эйнштейна интенсивность света определенной частоты зависит от количества фотонов. Значит, можно было попытаться связать интенсивность излучения с вероятностью атомных переходов. Квантовые колебания электронов, уверял Гейзенберг, нужно представлять только с помощью математических соотношений. Надо лишь подобрать для этого подходящий математический аппарат. Молодой ученый выбрал матрицы. Выбор оказался удачным, и скоро его теория была готова. Работа Гейзенберга заложила основы науки о движении микроскопических частиц - квантовой механики.

Математические аппараты, которыми пользовались Гейзенберг и Дирак при разработке теорий атома в новой механике, были для большинства физиков и непривычны, и сложны. Не говоря уже о том, что никто из них, несмотря на все ухищрения, не мог свыкнуться с мыслью, что волна - это частица, а частица - волна.

5
В Копенгагене в сентябре 1926 года между Бором и Шредингером разгорелась дискуссия, в которой ни одна из сторон не добилась успеха. В итоге было признано, что никакую из существующих интерпретаций квантовой механики нельзя считать вполне приемлемой.

Гейзенберг в феврале 1927 года дал нужную интерпретацию, сформулировав принцип неопределенности и не сомневаясь в его правильности. В феврале 1927 года он представил статью "О квантовотеоретическом истолковании кинематических и механических соотношений", посвященной принципу неопределенности. Согласно принципу неопределенности, одновременное измерение двух сопряженных переменных, таких как положение и импульс движущейся частицы, неизбежно приводит к ограничению точности. Чем более точно измерено положение частицы, тем с меньшей точностью можно измерить ее импульс, и наоборот.

Гейзенберг заявил, что пока справедлива квантовая механика, принцип неопределенности не может быть нарушен.

Принцип неопределенности Гейзенберга вошел в логически замкнутую систему "копенгагенской интерпретации", которую Гейзенберг и Борн перед встречей ведущих физиков мира в октябре 1927 года объявили полностью завершенной и неизменяемой. Эта встреча, пятая из знаменитых Сольвеевских конгрессов, произошла всего несколько недель спустя после того, как Гейзенберг стал профессором теоретической физики в Лейпцигском университете. Будучи всего двадцати пяти лет от роду, он стал самым молодым профессором в Германии.
6
Гейзенберг впервые представил четко сформулированный вывод о наиболее глубоком следствии из принципа неопределенности, связанном с отношением к классическому понятию причинности.

Гейзенбергу и другим "копенгагенцам" потребовалось совсем немного времени, чтобы донести отстаиваемое ими учение до тех, кто не посещал европейских институтов. В Соединенных Штатах Гейзенберг нашел особенно благоприятную среду для обращения в свою веру новых сторонников. Во время совместного с Дираком кругосветного путешествия в 1929 году Гейзенберг прочел в Чикагском университете курс лекций по "копенгагенской доктрине". В 1933 году одновременно со Шредингером и Дираком его работы получили высшее признание - Нобелевскую премию.

С 1941 по 1945 год Гейзенберг был директором института физики кайзера Вильгельма и профессором Берлинского университета. Не раз отвергая предложения эмигрировать, он возглавил основные исследования по расщеплению урана, в которых был заинтересован Третий рейх.

После окончания войны ученый был арестован и отправлен в Англию.

В 1946 году Гейзенберг вернулся в Германию. Он становится директором Физического института и профессором Геттингенского университета. С 1958 года ученый являлся директором Физического университета и астрофизики, а также профессором Мюнхенского университета.В последние годы усилия Гейзенберга были направлены на создание единой теории поля. В 1958 году он проквантовал нелинейное спинорное уравнение Иваненко (уравнение Иваненко – Гейзенберга).

7
Гейзенберг умер в своем доме в Мюнхене 1 февраля 1976 года от рака почки и желчного пузыря.
8

Принцип неопределенности

9
несовершенством экспериментальной техники, а с объективными свойствами материи.

Принцип неопределённости, открытый в 1927 г. немецким физиком В. Гейзенбергом, явился важным этапом в выяснении закономерностей внутриатомных явлений и построении квантовой механики. Существенной чертой микроскопических объектов является их корпускулярно-волновая природа. Состояние частицы полностью определяется волновой функцией (величина, полностью описывающая состояние микрообъекта (электрона, протона, атома, молекулы) и вообще любой квантовой системы). Частица может быть обнаружена в любой точке пространства, в которой волновая функция отлична от нуля. Поэтому результаты экпериментов по определению, например, координаты имеют вероятностный характер.(Пример: движение электрона представляет собой распространение его собственной волны. Если стрелять пучком электронов через узкое отверстие в стенке: узкий пучок пройдёт через него. Но если сделать это отверстие ещё меньше, такое, чтобы его диаметр по величине сравнялся с длиной волны электрона, то пучок электронов разойдётся во все стороны. И это не отклонение, вызванное ближайшими атомами стенки, от которого можно избавиться: это происходит вследствие волновой природы электрона. Попробуйте предсказать, что произойдёт дальше с электроном, прошедшим за стенку, и вв окажетесь бессильными. Вам точно известно, в каком месте он пересекает стенку, но сказать, какой импульс в поперечном направлении он приобретёт, вы не можете. Наоборот, чтобы точно определить, что электрон появится с таким-то определённым импульсом в первоначальном направлении, нужно увеличить отверстие настолько, чтобы электронная волна проходила прямо, лишь слабо расходясь во все стороны из-за дифракции.

10
Но тогда невозможно точно сказать, в каком же точно месте электрон-частица прошёл через стенку: отверстие-то широкое. Насколько выигрываешь в точности определения импульса, настолько проигрываешь в точности, с какой известно его положение.

Следовательно, при проведении серии одинаковых опытов, по тому же определению координаты, в одинаковых системах получаются каждый раз разные результаты. Однако некоторые значения будут более вероятными, чем другие, т. е. будут появляться чаще. Относительная частота появления тех или иных значений координаты пропорционально квадрату модуля волновой функции в соответствующих точках пространства. Поэтому чаще всего будут получаться те значения координаты, которые лежат вблизи максимума волновой функции. Но некоторый разброс в значениях координаты, некоторая их неопределённость (порядка полуширины максимума) неизбежны. То же относится и к измерению импульса.
11
Таким образом, понятия координаты и импульса в классическом смысле не могут быть применены к микроскопическим объектам. Пользуясь этими величинами при описании микроскопической системы, необходимо внести в их интерпретацию квантовые поправки. Такой поправкой и является принцип неопределённости.

Несколько иной смысл имеет принцип неопределённости для энергии ε и времени t:

∆ε ∆t ≥ ħ
Если система находится в стационарном состоянии, то из принципа неопределённости следует, что энергию системы даже в этом состоянии можно измерить только с точностью, не превышающей ħ/∆t, где ∆t – длительность процесса измерения. Причина этого – во взаимодействии системы с измерительным прибором, и принцип неопределённости применительно к данному случаю означает, что энергию взаимодействия между измерительным прибором и исследуемой системой можно учесть лишь с точностью до ħ/∆t.
12
Соотношение неопределенностей Гейзенберга

В начале 1920-х годов, когда произошел бурный всплеск творческой мысли, приведший к созданию квантовой механики, эту проблему первым осознал молодой немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг. Начав со сложных математических формул, описывающих мир на субатомном уровне, он постепенно пришел к удивительной по простоте формуле, дающий общее описание эффекта воздействия инструментов измерения на измеряемые объекты микромира, о котором мы только что говорили. В результате им был сформулирован принцип неопределенности, названный теперь его именем:

неопределенность значения координаты x неопределенность скорости>h/m,

математическое выражение которого называется соотношением неопределенностей Гейзенберга:

где Δx — неопределенность (погрешность измерения) пространственной координаты микрочастицы, Δv — неопределенность скорости частицы, m — масса частицы, а h — постоянная Планка, названная так в честь немецкого физика Макса Планка, еще одного из основоположников квантовой механики. Постоянная Планка равняется примерно 6,626 x 10–34 Дж·с, то есть содержит 33 нуля до первой значимой цифры после запятой.

14
И тут мы подходим к самому принципиальному отличию микромира от нашего повседневного физического мира. В обычном мире, измеряя положение и скорость тела в пространстве, мы на него практически не воздействуем. Таким образом, в идеале мы можем одновременно измерить и скорость, и координаты объекта абсолютно точно (иными словами, с нулевой неопределенностью).

В мире квантовых явлений, однако, любое измерение воздействует на систему. Сам факт проведения нами измерения, например, местоположения частицы, приводит к изменению ее скорости, причем непредсказуемому (и наоборот). Вот почему в правой части соотношения Гейзенберга стоит не нулевая, а положительная величина. Чем меньше неопределенность в отношении одной переменной (например, Δx), тем более неопределенной становится другая переменная (Δv), поскольку произведение двух погрешностей в левой части соотношения не может быть меньше константы в правой его части. На самом деле, если нам удастся с нулевой погрешностью (абсолютно точно) определить одну из измеряемых величин, неопределенность другой величины будет равняться бесконечности, и о ней мы не будем знать вообще ничего. Иными словами, если бы нам удалось абсолютно точно установить координаты квантовой частицы, о ее скорости мы не имели бы ни малейшего представления; если бы нам удалось точно зафиксировать скорость частицы, мы бы понятия не имели, где она находится. На практике, конечно, физикам-экспериментаторам всегда приходится искать какой-то компромисс между двумя этими крайностями и подбирать методы измерения, позволяющие с разумной погрешностью судить и о скорости, и о пространственном положении частиц.

15
На самом деле, принцип неопределенности связывает не только пространственные координаты и скорость — на этом примере он просто проявляется нагляднее всего; в равной мере неопределенность связывает и другие пары взаимно увязанных характеристик микрочастиц. Путем аналогичных рассуждений мы приходим к выводу о невозможности безошибочно измерить энергию квантовой системы и определить момент времени, в который она обладает этой энергией. То есть, если мы проводим измерение состояния квантовой системы на предмет определения ее энергии, это измерение займет некоторый отрезок времени — назовем его Δt. За этот промежуток времени энергия системы случайным образом меняется — происходят ее флуктуация, — и выявить ее мы не можем. Обозначим погрешность измерения энергии ΔЕ. Путем рассуждений, аналогичных вышеприведенным, мы придем к аналогичному соотношению для ΔЕ и неопределенности времени, которым квантовая частица этой энергией обладала:

Относительно принципа неопределенности нужно сделать еще два важных замечания:

-он не подразумевает, что какую-либо одну из двух характеристик частицы — пространственное местоположение или скорость — нельзя измерить сколь угодно точно;

-принцип неопределенности действует объективно и не зависит от присутствия разумного субъекта, проводящего измерения.
16

Идеальные измерения

Принцип неопределённости в квантовой механике иногда объясняется таким образом, что измерение координаты обязательно влияет на импульс частицы. По-видимому, сам Гейзенберг предложил это объяснение, по крайней мере первоначально. То, что влияние измерения на импульс несущественно, может быть показано следующим образом: рассмотрим ансамбль (невзаимодействующих) частиц, приготовленных в одном и том же состоянии; для каждой частицы в ансамбле мы измеряем либо импульс, либо координату, но не обе величины. В результате измерения мы получим, что значения распределены с некоторой вероятностью, и для дисперсий dp и dq верно отношение неопределённости.

Отношения неопределённости Гейзенберга — это теоретический предел точности любых измерений. Они справедливы для так называемых идеальных измерений , иногда называемых измерениями фон Неймана . Они тем более справедливы для неидеальных измерений или измерений Ландау .

Принцип неопределённости, в виде, первоначально предложенном Гейзенбергом, верен в случае, когда ни одно из этих двух описаний не является полностью и исключительно подходящим, например частица в коробке с определённым значением энергии; то есть

Существует точная, количественная аналогия между отношениями неопределённости Гейзенберга и свойствами волн или сигналов . Рассмотрим переменный во времени сигнал, например звуковую волну . Бессмысленно говорить о частотном спектре сигнала в какой-либо момент времени. Для точного определения частоты необходимо наблюдать за сигналом в течение некоторого времени, таким образом теряя точность определения времени. Другими словами, звук не может иметь и точного значения времени, как например короткий импульс, и точного значения частоты, как, например, в непрерывном чистом тоне. Временно́е положение и частота волны во времени походят на координату и импульс частицы в пространстве
18

Заключение

Не будет преувеличением сказать, что со времени своего возникновения физика всегда оперировала наглядными и по возможности простыми моделями — сначала это были системы из классических материальных точек, а потом к ним добавилось электромагнитное поле, которое, в сущности, использовало также представления из арсенала механики сплошных сред. Дискуссии между Бором и Гейзенбергом привели к осознанию необходимости подвергнуть ревизии те образы, те понятия, которыми оперирует теория, дабы выделить из них действительно лишь те, которые выступают на опыте. Что такое, например, орбита электрона, можно ли ее наблюдать? Если учесть двойственную, корпускулярно-волновую природу электрона, то можно ли говорить о его траектории вообще? Можно ли построить такую теорию, в которой рассматривались бы только действительно наблюдаемые на опыте величины?

Результатом такого анализа явились соотношения неопределенностей Гейзенберга и принцип дополнительности Бора. Проанализировав процедуры измерения координат и импульсов, Гейзенберг пришел к выводу, что получить для них одновременно и точно определенные значения координат и импульсов принципиально невозможно.

В первой четверти ХХ века именно такова была реакция физиков, когда они стали исследовать поведение материи на атомном и субатомном уровнях. Появление и бурное развитие квантовой механики открыло перед нами целый мир, системное устройство которого попросту не укладывается в рамки здравого смысла и полностью противоречит нашим интуитивным представлениям. Но нужно помнить, что наша интуиция основана на опыте поведения обычных предметов соизмеримых с нами масштабов, а квантовая механика описывает вещи, которые происходят на микроскопическом и невидимом для нас уровне, — ни один человек никогда напрямую с ними не сталкивался.

Содержание работы

Принцип неопределённости Гейзенберга 3
Пищевые цепи и экологическая пирамида 9

Файлы: 1 файл

Естествознание.docx

Принцип неопределённости Гейзенберга 3

Пищевые цепи и экологическая пирамида 9

неопределенность значения координаты x неопределенность скорости > h/m,

математическое выражение которого называется соотношением неопределенностей Гейзенберга:

И тут мы подходим к самому принципиальному отличию микромира от нашего повседневного физического мира. В обычном мире, измеряя положение и скорость тела в пространстве, мы на него практически не воздействуем. Таким образом, в идеале мы можем одновременно измерить и скорость, и координаты объекта абсолютно точно (иными словами, с нулевой неопределенностью).

На самом деле, принцип неопределенности связывает не только пространственные координаты и скорость — на этом примере он просто проявляется нагляднее всего; в равной мере неопределенность связывает и другие пары взаимно увязанных характеристик микрочастиц. Путем аналогичных рассуждений мы приходим к выводу о невозможности безошибочно измерить энергию квантовой системы и определить момент времени, в который она обладает этой энергией. То есть, если мы проводим измерение состояния квантовой системы на предмет определения ее энергии, это измерение займет некоторый отрезок времени — назовем его Δt. За этот промежуток времени энергия системы случайным образом меняется — происходят ее флуктуация, — и выявить ее мы не можем. Обозначим погрешность измерения энергии ΔЕ. Путем рассуждений, аналогичных вышеприведенным, мы придем к аналогичному соотношению для ΔЕ и неопределенности времени, которым квантовая частица этой энергией обладала:ΔЕΔt > h

Относительно принципа неопределенности нужно сделать еще два важных замечания:он не подразумевает, что какую-либо одну из двух характеристик частицы — пространственное местоположение или скорость — нельзя измерить сколь угодно точно;

принцип неопределенности действует объективно и не зависит от присутствия разумного субъекта, проводящего измерения.

Выводы. Изложенное меняет распространенное представление о соотношении неопределенности и связанных с ней парадоксах.

Влияние измерительного инструмента н одновременное его воздействие на результат измерения сопряженных параметров не является спецификой квантовой механики и рассматриваемого соотношения. Специфичным является феномен квантования “действия”.Соотношение неопределенности не отражает волновых свойств частиц .Специфическая неопределенность соответствует невозможности определения параметров отдельной частицы и не отражает вероятностный подход, относящийся к ансамблю частиц.

Специфическая неопределенность отдельно каждого из сопряженных параметров определяется методикой измерения.

Связь между точностями измерения сопряженных параметров имеет место не просто при одновременном измерении обоих параметров, а при едином измерении, соответствующим определению количества квантов действия с параллельной, зависящей от используемой методики измерения, оценкой их компонентов — сопряженных параметров. Моделью подобного измерения является индикатор, в котором имеются три шкалы, отградуированные не только в квантах действия, но и в измеряемых сопряженных параметрах.

Организмы первого трофического уровня называются первичными продуцентами. На суше большую часть продуцентов составляют растения лесов и лугов; в воде это, в основном, зелёные водоросли. Кроме того, производить органические вещества могут синезелёные водоросли и некоторые бактерии.

Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами, третьего трофического уровня – вторичными консументами и т. д. Первичные консументы – это травоядные животные (многие насекомые, птицы и звери на суше, моллюски и ракообразные в воде) и паразиты растений (например, паразитирующие грибы). Вторичные консументы – это плотоядные организмы: хищники либо паразиты. В типичных пищевых цепях хищники оказываются крупнее на каждом уровне, а паразиты – мельче.

Существует ещё одна группа организмов, называемых редуцентами. Это сапрофиты (обычно, бактерии и грибы), питающиеся органическими остатками мёртвых растений и животных (детритом). Детритом могут также питаться животные – детритофаги, ускоряя процесс разложения остатков. Детритофагов, в свою очередь, могут поедать хищники. В отличие от пастбищных пищевых цепей, начинающихся с первичных продуцентов (то есть с живого органического вещества), детритные пищевые цепи начинаются с детрита (то есть с мёртвой органики).

В схемах пищевых цепей каждый организм представлен питающимся организмами какого-то определённого типа. Действительность намного сложнее, и организмы (особенно, хищники) могут питаться самыми разными организмами, даже из различных пищевых цепей. Таким образом, пищевые цепи переплетаются, образуя пищевые сети.

Пищевые сети служат основой для построения экологических пирамид. Простейшими из них являются пирамиды численности, которые отражают количество организмов (отдельных особей) на каждом трофическом уровне. Для удобства анализа эти количества отображаются прямоугольниками, длина которых пропорциональна количеству организмов, обитающих в изучаемой экосистеме, либо логарифму этого количества. Часто пирамиды численности строят в расчёте на единицу площади (в наземных экосистемах) или объёма (в водных экосистемах).

В пирамидах численности дерево и колосок учитываются одинаково, несмотря на их различную массу. Поэтому более удобно использовать пирамиды биомассы, которые рассчитываются не по количеству особей на каждом трофическом уровне, а по их суммарной массе. Построение пирамид биомассы – более сложный и длительный процесс.

В первом разделе свобода воли определяется нами как способность субъекта целенаправленно воздействовать на квантовую неопределенность микрообъектов. Соотношение неопределенностей, сформулированное в квантовой физике, мы используем в качестве теоретического обоснования физического индетерминизма.

Во втором разделе мы развиваем предложенную концепцию и исследуем предпосылки возникновения человеческой свободы. По нашему мнению, уже неживая материя обладает некоторыми свойствами, из которых исторически формируется субъект и его способность воздействовать на квантовую неопределенность.

1. Соотношение неопределенностей Гейзенберга и свобода воли

Размышляя и действуя на бытовом уровне, человеку представляется самоочевидным, что он свободен в своих действиях, или, другими словами, в каждый момент времени человек выбирает одну из множества возможных альтернатив поведения в соответствии со своими желаниями, намерениями и целями. При этом не отрицается значение ограничивающих этот выбор внешних обстоятельств, преодолеть которые человеку не удастся никаким усилием воли. (Последнее утверждение опровергается сторонниками некоторых форм субъективного идеализма, однако, в данной работе эта точка зрения приниматься во внимание не будет).

Любой философ, признающий объективное существование материального мира и всеобщий характер причинности явлений, происходящих в нем, с необходимостью встает перед вопросом: если признать, что деятельность человека, подобно прочим явлениям природы, является причинно обусловленной, то каким образом следует увязать с этой обусловленностью наши представления о свободе? Очевидно, что прежде чем давать ответ на этот вопрос, необходимо определиться с формулировкой принципа причинности. В частности, необходимо решить проблему однозначности причинно-следственных отношений, то есть ответить на вопрос: порождает ли одна и та же причина одно и то же следствие, или же одна причина может порождать любое следствие из нескольких потенциально возможных? Может ли одно и то же следствие быть порожденным любой из нескольких причин?

Концепция лапласовского детерминизма приводит к фатализму: любое высказывание относительно будущего момента времени является либо истинным, либо ложным в момент высказывания, независимо от того, доступна оценка данного высказывания конечному человеческому разуму или нет. В рамках этой концепции свобода воли выступает лишь как иллюзия, порождаемая неполнотой наших знаний о мире: незнание причин наших намерений мы принимаем за их отсутствие. Тем более, сложно говорить о какой бы то ни было ответственности человека за свои поступки: независимо от прилагаемых человеком усилий, он будет выполнять только действия, жестко определяемые текущим состоянием всех частиц Вселенной. Строго говоря, даже сами эти усилия будут являться однозначной функцией этого состояния.

Таким образом, с целью преодоления фаталистических следствий лапласовского детерминизма, мы приходим к отрицанию однозначности причинно-следственных отношений, то есть, допускаем потенциальную неопределенность результата взаимодействия физических объектов или, другими словами, подлинную случайность. Подлинная случайность характеризуется тем, что она не сводится к действию множества каких-либо физических причин (пусть даже бесконечного). Следовательно, подлинно случайное явление не может быть объектом исследования физики, иначе как в форме выявления статистических законов распределения вероятности связанных с ним величин. Если же мы допустим, что нами обнаружены законы, позволяющие дать причинное объяснение явлению, казавшемуся ранее подлинно случайным, значит, оно перестает быть таковым в силу своего определения.

Возвращаясь к спору между детерминистами и индетерминистами, попробуем выяснить, что необходимо для доказательства одной из этих позиций и опровержения другой. Очевидно, эта задача сводится к доказательству того, что, либо, все возможные в физическом мире причинно-следственные связи однозначно детерминированы, либо, что существует хотя бы одна форма взаимодействия, в которой присутствует элемент подлинной случайности. К сожалению, в обоих случаях, чтобы сделать окончательные выводы, нам необходимо полное знание обо всех возможных в физическом мире явлениях. Поскольку до полного знания современной физике еще далеко (и вообще возможность абсолютной полноты знаний ставится под сомнение), на данном историческом этапе мы вынуждены отказаться от строгого доказательства или опровержения индетерминизма. В тех случаях, когда одна из этих диаметральных позиций необходима нам в качестве отправной точки для дальнейших рассуждений, мы вынуждены ее постулировать, призывая по возможности на помощь знания современной физики.

Вплоть до начала ХХ века теория детерминизма получала многократные индуктивные подтверждения в форме подтверждения однозначности причинно-следственных отношений в законах классической механики. По-видимому, именно этот факт послужил причиной для развития и широкого распространения лапласовского детерминизма. Однако с развитием в физике раздела квантовой механики, ситуация коренным образом изменилась. Установленное в рамках этой теории соотношение неопределенностей позволяет обоснованно предположить, что поведение микрочастиц отчасти описывается вероятностными законами, что ставит под сомнение однозначную детерминацию причинно-следственных связей.

Итак, не имея возможности строго доказать или опровергнуть индетерминизм, мы становимся на эту позицию, постулируя ее. Для обоснования этой позиции мы призываем на помощь: а) соотношение неопределенностей квантовой механики; б) наше личное убеждение, что детерминизм, в том виде, в котором он был определен нами ранее, имеет своим следствием фатальную предопределенность всех происходящих во Вселенной процессов. Таким образом, индетерминизм необходим нам для того, чтобы опровергнуть фатализм, который абсолютно несовместим с нашими представлениями о свободе.

Рассуждая о случайности как о пространстве свободы, мы вновь сталкиваемся с логически неразрешимой проблемой. Мы вынуждены признать факт влияния объективной реальности на деятельность субъекта. В противном случае нам придется опровергнуть целевую направленность этой деятельности, которая таким образом сведется к хаотичности. Очевидно, что характер этого влияния не может носить физический характер, так как в этом случае мы придем к отрицанию подлинной случайности явлений, которую мы определяем как пространство свободной деятельности субъекта. Обозначим механизмы взаимного влияния деятельности субъекта и объективной реальности как духовные взаимодействия. Логическое противоречие, однако, нами не разрешено. Если мы говорим, что свободная деятельность субъекта определяется духовными взаимодействиями с объективной реальностью, то фактически, отрицая лапласовский детерминизм, мы принимаем другую форму детерминизма, менее очевидную, но с аналогичным обескураживающим следствием – отрицанию свободы воли. Если же мы, напротив, отрицаем какое-либо определяющее воздействие на волю субъекта, неизбежна трактовка воли, как спонтанности, случайности, опять же с последующим отрицанием ее свободы.

Итак, мы зашли в логический тупик. Единственное, что на данном этапе можно сделать для спасения формулируемой концепции – это абстрагироваться от упомянутого нами в предыдущем абзаце противоречия. Посылкой для такого абстрагирования мы примем следующее утверждение: говоря о характере духовных взаимодействий, мы не можем применять к ним категории детерминированности или индетерминированности, или, более строго, - никакие суждения о духовных взаимодействиях не могут сводиться к множеству (конечному или бесконечному) однозначных высказываний. Фактически, этим утверждением мы постулируем непознаваемость духовных взаимодействий в терминах двоичной логики.

Попробуем подвести итоги наших рассуждений.

Все виды физических взаимодействий в реальном мире строго подчинены законам причинности, которые допускают, однако, неоднозначность причинно-следственных связей. С ролью этой неоднозначности неплохо справляется соотношение неопределенностей Гейзенберга, сформулированное в квантовой механике.

Говоря о целевой направленности активной деятельности субъекта, мы не можем отрицать влияния объективной реальности на эту деятельность. Нами было показано, что такое влияние осуществляется не через физические, а через духовные взаимодействия. Духовные взаимодействия не могут быть объектом физического исследования.

Чтобы преодолеть противоречие между свободой и необходимостью в сфере духовных взаимодействий, мы вынуждены постулировать принципиальную несводимость суждений в отношении их характера к высказываниям двоичной логики. В частности, мы не можем говорить о детерминированности или индетерминированности духовных взаимодействий.

2. Генезис человеческой свободы

Итак, в предыдущем разделе нами дано определение свободы как способности субъекта целенаправленно действовать в пределах подлинной физической случайности. Для развития предложенной концепции необходимо ответить на ряд существенных вопросов. В частности, в данном разделе мы попытаемся выявить предпосылки возникновения человеческой свободы. Очевидно, этот вопрос неразрывно связан с происхождением самого субъекта: нет субъекта, – нет и свободы.

При ответе на вопрос о происхождении субъекта и его свободы мы можем отталкиваться от двух полярных точек зрения:

И субъект, и свобода возникают внезапно, скачком, при некотором критическом уровне развития высоко организованной материи (например, головного мозга).

Уже неживая материя обладает некоторыми свойствами, из которых исторически формируется субъект и его способность воздействовать на случайность.

Наше мировоззрение основывается на второй позиции. Приведем нестрогое обоснование (от противного) этой точки зрения.

Допустим, справедливо первое утверждение, и необходимым условием существования субъекта является такая высокоорганизованная форма материи, как человеческий мозг. Однако это противоречит нашему опыту общения с высшими животными: хотя мозг животных менее развит, и они не обладают человеческим сознанием, мы все же признаем их субъектами – воспринимающими мир и активно в нем действующими. Следовательно, субъект существует только в пределах человеческого мозга и мозга высших животных. Опять же для такого вывода у нас нет достаточных оснований: животные, отстающие в развитии от человека на одну и более ступеней, хоть и не обладают столь выраженными свойствами субъекта, все же не лишены их полностью. Спускаясь, таким образом, к самым низшим формам живых организмов, мы наблюдаем у них все менее и менее выраженные свойства субъекта, однако не отрицаем их полностью. Мы могли бы сделать вывод, что свойствами субъекта обладают только живые формы организации материи. Однако современная наука утверждает, что в природе отсутствует четкая граница между живой и неживой материей; существуют промежуточные формы, которые мы можем назвать и живыми, и неживыми. Таким образом, мы приходим к отрицанию нашей первоначальной посылки и к пониманию того, что материя обладает зачатками субъективного в самых простых своих формах. С развитием высокоорганизованных форм материи эти свойства становятся лишь более выраженными.

Правомерен следующий вопрос: каким образом объединение простых форм материи в более сложные приводит к формированию высокоразвитого субъекта? Дальнейшие рассуждения представляют собой попытку ответить на этот вопрос в соответствии с нашими представлениями о мире. Эти рассуждения, не являются в достаточной мере строго обоснованными, и, соответственно, не претендуют на роль философского знания.

Итак, материя обладает свойствами субъекта в самых простых своих формах. Условимся называть элементарной частицей простую (в смысле атомарности) структурную единицу материи. Соответственно, связанного с элементарной частицей гипотетического субъекта, мы назовем элементарным субъектом.

Пространство свободы элементарного субъекта свяжем с присущей элементарной частице неопределенностью Гейзенберга.

Говоря о пространстве свободы человеческого сознания, мы не можем связывать его с соотношением неопределенностей для мозга в целом, так как геометрические размеры мозга слишком велики, чтобы неопределенность Гейзенберга играла здесь хоть какую-нибудь роль. Единственное, что мы можем поставить в соответствие пространству свободы человека – это неопределенность элементарных частиц структурных элементов его мозга (нейронов и связей между ними).

Таким образом, мы наблюдаем следующую картину:

Элементарные частицы в составе человеческого мозга являются одновременно как самостоятельными элементарными субъектами, так и составной частью физической основы другого субъекта – человеческого сознания.

Соотношение неопределенностей для элементарных частиц в составе человеческого мозга является одновременно пространством свободы и для элементарных субъектов, и для человеческого сознания.

Обобщив полученные выводы, мы приходим к формулированию следующей концепции:

Выраженность свойств производного субъекта определяется характером взаимодействия между составляющими его основу элементарными частицами. В частности, бильярдный шар, элементарные частицы которого взаимодействуют лишь на уровне сил притяжения/отталкивания, можно рассматривать в качестве субъекта исключительно гипотетически. В то же время между структурными элементами человеческого мозга имеют место многократно более сложные формы взаимодействия, что приводит к формированию полноценного субъекта – человеческого сознания.

Если два и более производных субъекта имеют в качестве физической основы пересекающиеся множества элементарных частиц, то, формально являясь самостоятельными субъектами, они также имеют некоторую общую часть, то есть не являются независимыми друг от друга. Соответственно, пересекаются и их пространства свободы.

И, наконец, зададимся вопросом: что представляет собой производный субъект, охватывающий все структурные единицы материи? Является ли этот субъект чисто гипотетическим, или же он представляет собой нечто, что можно было бы назвать Богом? К сожалению, нам очень мало известно о характере взаимодействий всей материи в целом и о том, как эти взаимодействия влияют на свойства связанного с ней производного субъекта. Однако можно предположить, что некоторая направленность в поведении материи в целом все же существует, например, на развитие материи от простых структурных элементов к более сложным. В этом случае сама материя выступает в роли той силы, которая, целенаправленно воздействуя на квантовую неопределенность микрообъектов, препятствует объективным законам глобального роста энтропии.

В первой части мы пришли к выводу, что свобода воли неразрывно связана с неопределенностью будущего и возможна только в том случае, если в мире физических взаимодействий присутствует элемент подлинной случайности. В противном случае, субъект утрачивает способность воздействовать на мир физических объектов, и влиять тем самым на будущие события. С подлинной случайностью мы связали соотношение неопределенностей Гейзенберга.

Во второй части работы мы попытались предложить собственную картину мира, основным положением которой, является утверждение, что свойства субъективного (в том числе и свобода воли) заложены в основах существования материи на всех ее уровнях. Развитие этой концепции привело к пониманию мира, близкого к пантеизму. Материя при этом выступает в роли субъекта, действия которого направлены на собственное развитие от простого к сложному и противостоят тем самым безграничному росту энтропии.

Список литературы

Левин Г.Д. Свобода воли. Современный взгляд. //Вопр. философии. - 2000.- N.6.

Ленин В.И. Материализм и эмпириокритицизм, M., Издательство политической литературы, 1979.

Маркс К., Энгельс Ф. Соч. 2-е изд. Т.29.

Поппер К. Логика и рост научного знания. - М.: Прогресс, 1983.

Советский энциклопедический словарь. 4-е изд. – М.: Сов. Энциклопедия, 1989.

Спиркин А.Г. Философия: Учебник. – М.: Гардарики, 2000.

Философский словарь/Под ред. И.Т. Фролова. – 5-е изд. – М.: Политиздат, 1987.

Читайте также: