Микромир: концепции современной физики

                               Федеральное агентство по образованию

ФИНАНСОВО_ЭКОНОМИЧЕСКИЙ  ГОУ ВПО

ВСЕРОССИЙСКИЙ ЗАОЧНЫЙ ИНСТИТУТ 
 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа по Концепции Современного Естествознания на тему:

«Микромир: концепции современной физики»

Вариант 10 
 
 
 
 
 
 

Факультет: ФНО

Специальность : бакалавр экономики

Личное  дело № 11флд 41897

Студента: Маношкиной Елены Викторовны

Преподаватель: Ходос Екатерина Максовна

                                   Г.Пенза  2011-11-16 
 
 
 
 
 

Содержание

Введение……………………………………………………………………….......2

1 Сущность квантово-механической  концепции описания микромира………3

2 Взгляды М.  Планка, Луи де Бройля, Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и  др. на природу микромира…………………………………………….....4

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

Заключение………………………………………………………………….……11

Список использованной литературы…………………………………………...12 

Введение

       Микромир – это мир элементарных частиц, атомов, молекул и некоторых надмолекулярных структур типа клетки и т.п. Это мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов. (Пространственная размерность, которых исчисляется от 10^-16 до 10^-6 см, а время жизни – от бесконечности до 10^-24 с до бесконечности).

         Квантовая механика (волновая механика) – это теория, устанавливающая способ описания и законы движения физических систем и объектов на микроуровне.

         Законы квантовой  механики составляют фундамент наук о строении вещества. Днем рождения квантовой механики считается 14 декабря 1900 года, именно в этот день Планк обнаружил квантовость энергии.

         А появилась она  из за противоречий, возникающих при  подходе в свете классической физики к попытке объяснить такие явления, как радиоактивный распад, дифракция, испускание спектральных линий. Задачей классической физики было описание объектов в пространстве и создание законов, управляющих их изменениями во времени. В квантовой механике можно лишь утверждать, что есть определенная вероятность того, что объект таков и имеет такое то свойство. В квантовой механике нет места для законов, управляющих изменениями отдельного объекта во времени.

         Для классической механики характерно описание частиц путем задания  их положения и скоростей и зависимости этих величин от времени. В квантовой механике одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по разному.

       Актуальность  темы заключается в том, что изучение объектов микромира в нашей жизни, как раньше, так и в настоящее  время, играют не маловажную роль. С давних пор людей интересовали вопросы, на которые они не могли дать адекватные ответы, например, самый маленький объект на Земле до XIX в. считался атом, пока не началось более детальное и «смелое» исследование, которое доказало, что в состав атома входят намного меньшие по размерам частицы-электроны.

       Целью этой работы является рассмотрение квантово-механической концепции описания микромира.

       Поставленная  цель достигается путем решения  следующих задач:

       1) рассмотреть специфику поведения объектов в микромире и особенности их описания с помощью квантовой механики;

       2) изложить основные взгляды М. Планка, Луи де Бройля, Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу микромира;

       3) показать возможности применения  знаний квантовой механики для изучения гена в современной генетике. 
 

1 Сущность квантово-механической  концепции описания  микромира

       Так уж получилось, что мы оказались частью мира, который принято называть материальным. По определению, материальным миром для нас считается все то, что возможно каким-то образом отнаблюдать, измерить, то, что существует даже тогда, когда нас нет или когда мы не думаем о нем. Одно из главных свойств материи -- пространственная протяженность и относительное расположение объектов в пространстве, а также чередование всего этого во времени (движение). С привыкания к этому, собственно говоря, и начинается знакомство сознания родившегося ребенка с внешним миром. До чего-то он легко дотягивается, до чего-то с трудом, его зрение помогает сформировать представление о пространстве и расстояниях. Позже человек узнает, что расстояния во Вселенной могут быть как невообразимо большими, так и совсем крошечными, невидимыми глазу. Он подрастает и начинает изучать физику. 

       Когда расстояния, характерные для объекта, настолько малы, что становятся сравнимыми с размерами атомов или меньше, тогда объект относится к  микромиру. Умозрительное изучение микромира было начато еще до нашей эры древнегреческими философами. Особенно преуспел Демокрит (460 -- 370 гг. до н.э.), которого можно с полным правом считать родоначальником концепции атомистической структуры материи. В те далекие времена не только не было научного оборудования, но даже не была осознана идея о возможности ставить специальные опыты для изучения законов Природы. И тем не менее, силой одной мысли, из обобщения скудных фактов был сделан вывод о том, что все в мире состоит из мельчайших неделимых частиц -- атомов. 

       По-настоящему за микромир взялись в начале 20-го века, в связи с задачей объяснения спектральной функции u(ν,T)  излучения абсолютно черного тела. К этому времени физика уже существовала как наука и ряд учреждений и отдельных ученых могли похвастаться солидными лабораториями. Зависимость интенсивности излучения u(ν, T) на частоте ν при температуре  T была хорошо измерена, но не было единого закона (формулы), с которым согласовались бы результаты. Низкочастотная область спектра (длинные волны) хорошо описывалась формулой Рэлея-Джинса, а высокочастотная подчинялась формуле Вина. Единое уравнение предложил в 1900 г. Макс Планк. В его теории впервые увидела свет гипотеза о квантовании излучения, которая с тех пор завоевала прочные позиции, определив новое направление в физике. Родилась квантовая теория. 

         Следует особо отметить, что спектр  электромагнитного излучения сыграл в становлении квантовой теории выдающуюся роль. Для нее он был основным поставщиком экспериментальных данных. Только, если толчком к появлению квантовой теории была попытка объяснить поведение  непрерывного спектра ("фона"), то позже интересы физиков переместились в сторону изучения  спектральных линий. Непрерывный спектр излучают нагретые твердые тела, а чтобы испускать линейчатый спектр, вещество должно быть в газообразном состоянии. Как оказалось, разные химические вещества дают индивидуальный набор спектральных линий, тесно связанный со строением их атомов. Оптическая спектроскопия пережила бурный успех, спектры всех доступных веществ были изучены тщательнейшим образом. Из оборудования было выжато все возможное: измерялось не только расположение линий по длинам волн, но и их интенсивности и профили. На этом материале и была построена первая квантовая теория -- квантовая механика. Она явила миру атом, т.е. дала возможность человеческой мысли вообразить его.

       Измерение малого

       Теоретические тонкости

       Локальность в уравнениях, усреднение при наблюдении 
 

       ля  того, чтобы появление квантовой  механики стало возможным, сначала  нужна была хотя бы качественная картина  устройства атомов. Для ее создания ключевую роль сыграл эксперимент Резерфорда по рассеянию α-частиц в  1911 г.. Был получен результат, указывающий на то, что атом состоит из очень компактного, но тяжелого ядра, заряженного положительно, и отрицательно заряженных электронов (планетарная модель атома Э.Резерфорда). Источником α-частиц у Резерфорда был радиоактивный материал -- радий, специальное коллимирующее устройство ("пушка") направляло их узким параллельным лучом на мишень из тонкой металлической фольги. Ни о каком ускорении частиц тогда еще не знали. Сцинтилляции на экране, покрытом сернистым цинком, наблюдались и подсчитывались визуально самим Резерфордом или его помощником Э.Марсденом. И только после того, как качественная картина устройства атомов сложилась, настало время Нильса Бора и были снова приглашены на сцену спектры... 

         Одной из основополагающих идей  квантовой теории является волновая  природа всех без исключения  объектов микромира, которую высказал  в 1923-1924 гг.  Луи де Бройль. Частице  с импульсом p = mV соответствует  длина волны λ = h/p = h/mV, где постоянная  Планка h = 6.62 · 10 -27 эрг·с (в настоящее время чаще пользуются постоянной Планка "с черточкой" ħ = h/2π  = 1.054 · 10 -27 эрг·с). Пространственная разрешающая способность устройства, использующая поток частиц или излучения для "разглядывания" объекта-мишени тем выше, чем меньше длина волны частиц. Отсюда следует, что чем более мелкие детали микромира мы хотим увидеть, тем сильнее должны быть разогнаны частицы или тем больше должна быть их масса. 

         Со временем физики все больше  начали использовать ускорители частиц. Причиной было не только желание увидеть что-нибудь более мелкое, но и "посильнее ударить", чтобы посмотреть "осколки" и представить, как все было устроено, пока было целым. В течение 80 лет (Ван де Грааф изобрел первый электростатический ускоритель в 1931 г. ) эти устройства неизменно были передовой техникой человечества. От энергий в несколько МэВ в начале пути они шагнули до миллионов МэВ. Сегодня Большой адронный коллайдер в ЦЕРН разгоняет протоны до энергий в  3.5 ТэВ,  а столкновения происходят при энергии в 7 ТэВ. Впечатляющих успехов добилась и регистрирующая техника (детекторы), и системы обработки данных. Экспериментальная составляющая физики, как всегда, идет впереди теории. Это закономерно, потому что теория как раз и призвана объяснять факты, полученные путем наблюдения явлений.

       Наблюдение  в физике, поскольку оно всегда преследует цель подтвердить старую теорию или послужить материалом для новой, -- это всегда попытка  найти численное выражение наблюдаемой  величины, т.е.  измерить ее. Между тем, если в макроскопических опытах почти всегда можно одновременно измерить множество характеристик объекта (и не по одному разу), то квантовые законы микромира не всегда позволяют это сделать. Во-первых,  некоммутирующие величины невозможно получить в одном измерении с любой точностью из-за соотношений неопределенности. И дело здесь не столько в процедуре измерения, сколько в самих законах движения квантового объекта. Например, при стационарном вращении объекта сохраняется момент импульса по величине и его проекция на некоторую ось, вокруг которой идет прецессия. Поэтому в данном случае можно сказать, что величина момента импульса и его проекция на эту ось имеют определенные значения в этом типе движения. Отдельный акт измерения обычно направлен на определение одной величины, так что из этих двух реально будет измерена только одна. Причина такой невозможности заключена в том, что, во-вторых, любое измерение сразу разрушает то  состояние, в котором находился квантовый объект, так что повторное наблюдение в этом же состоянии невозможно. 

         В-третьих, нельзя заранее достоверно  утверждать, что сейчас мы проведем  наблюдение объекта в таком-то  состоянии -- до акта наблюдения  состояние объекта является неопределенным. Поэтому измерения в микромире  дают куда меньше информации, чем подобные им макроскопические измерения, а поскольку названные ограничения носят принципиальный характер, приходится довольствоваться тем, что удается получить.  

         На первый взгляд кажется (и  это доминирующая сегодня точка  зрения), что подобное положение вещей является спецификой, исключительной прерогативой микромира и должно быть принято как аксиома, без попыток понять его происхождение. Между тем, его можно понять!  

         Все оказывается связанным с  расстояниями, скоростью света и  интенсивностью взаимодействия. Точнее, с взаимным отношением их характерных величин для рассматриваемых объектов. Если в макромире мы можем сколь угодно совершенствовать наши приборы, изменяя их конструкцию и уменьшая размеры, повышая за счет этого точность результата, то в микромире у нас нет никаких других приборов, кроме частиц-"обитательниц" микромира. Исследуемый объект и прибор оказываются на одной ступеньке иерархической структуры материи. Прибор имеет только те свойства, что присущи микрочастицам, т.е. и в процессе "работы" он ведет себя как положено подобной частице в естественных условиях. Не он должен нам поставлять ту информацию, которую мы ищем, а наоборот, мы должны приспосабливаться к его естественному поведению и суметь извлечь хоть что-то из чередования тех состояний, через которые он проходит. При измерении происходит взаимодействие исследуемой частицы и частицы-прибора, вследствие чего состояние обеих изменяется. Поскольку наши единственные глаза и уши -- это частица-прибор, то измеряемая величина получается из зарегистрированного в акте наблюдения  изменения ее состояния.