logo
ксе(с 1 по 20)

. Понятие «материи» в XX веке

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями – квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны.

Эксперименты М. Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами.

Макс Планк (1858–1947)

Планк Макс – немецкий физик-теоре­тик, один из основоположников квантовой физики.

Введенная Планком гипотеза ознаменовала рождение квантовой теории, совершившей подлинную революцию в физике.

Лауреат Нобелевской премии (1919 г.)

Теория М. Планка положила начало новой квантовой физике, которая описывает процессы, протекающие в микромире. Классическая физика в противоположность современной физике ныне означает «физика до Планка».

Планк отнюдь не был революционером, и ни он сам, ни другие физики не сознавали глубокого значения понятия «квант». Для Планка квант был всего лишь средством, позволившим вывести формулу, дающую удовлетворительное согласие с кривой излучения абсолютно черного тела. Он неоднократно пытался достичь согласия в рамках классической традиции, но безуспешно. Вместе с тем он с удовольствием отметил первые успехи квантовой теории, последовавшие почти незамедлительно.

Новая теория включала в себя, помимо «постоянной Планка», и другие фундаментальные величины, такие, как скорость света и число, известное под названием «постоянной Больцмана». В 1901 г., опираясь на экспериментальные данные по излучению черного тела, Планк вычислил значение «постоянной Больцмана» и, используя другую известную информацию, получил число Авогадро (число атомов в одном моле элемента). Исходя из числа Авогадро, он сумел с замечательной точностью найти электрический заряд электрона.

Позиции квантовой теории укрепились в 1905 г., когда Альберт Эйнштейн воспользовался понятием фотона – кванта электромагнитного излучения, для объяснения фотоэлектрического эффекта (испускание электронов поверхностью металла, освещаемой ультрафиолетовым излучением). Эйнштейн предположил, что свет обладает двойственной природой: он может вести себя и как волна (в чем нас убеждает вся предыдущая физика), и как частица (о чем свидетельствует фотоэлектрический эффект).

Эйнштейн Альберт, немецкий физик-теоретик, автор частной и общей теории относительности, квантовой теории теплоемкости и фотоэффекта.

Лауреат Нобелевской премии (1921 г.)

Альберт Эйнштейн (1879–1955)

В 1907 г. Эйнштейн еще более упрочил положение квантовой теории, воспользовавшись понятием кванта для объяснения загадочных расхождений между предсказаниями теории и экспериментальными измерениями удельной теплоемкости тел – количества тепла, необходимого для того, чтобы поднять на один градус температуру одной единицы массы твердого тела.

Корпускулярно-волновой дуализм: материя как физическая реальность едина, и нет пропасти между веществом и полем. Поле подобно веществу обладает корпускулярными свойствами, а частицы вещества подобно полю – волновыми, т.е. каждый элемент материи обладает свойствами волны и частицы.

Эрвин Шредингер создал новую механику, описывающую поведение микрочастиц – волновую механику. Шредингер работал над проблемой объединения гравитации и электромагнетизма в единую теорию поля, занимался различными вопросами термодинамики, нелинейной электродинамики и алгебры мезонов.

Э. Шредингер

(1887–1961)

Эрвин Шрёдингер, австрийский ученый-теоретик, один из создателей квантовой механики.

Лауреат Нобелевской премии (1933 г.)

Будучи прекрасным математиком, Шредингер умело использовал теорию соотношения волновой и лучевой оптики, и вывел свое знаменитое дифференциальное уравнение в частных производных волнового поля атома водорода. При решении этого уравнения дискретные энергетические уровни Бора естественно получались как собственные значения некоторого оператора.

Наряду с дальнейшим развитием волновой механики Э. Шредингер много работал над проблемой объединения гравитации и электромагнетизма в единую теорию поля, над различными вопросами термодинамики, нелинейной электродинамики и алгебры мезонов. Во время, так называемых «летних школ», ежегодно устраиваемых Шредингером в Дублине, многие выдающиеся исследователи из разных стран мира обсуждали актуальнейшие проблемы современной физики.

Еще одно подтверждение потенциальной мощи введенной Планком новации поступило в 1913 г. от Нильса Бора, применившего квантовую теорию к строению атома. В модели Бора электроны в атоме могли находиться только на определенных энергетических уровнях, определяемых квантовыми ограничениями. Переход электронов с одного уровня на другой сопровождается выделением разности энергий в виде фотона излучения с частотой, равной энергии фотона, деленной на «постоянную Планка». Тем самым получали квантовое объяснение характеристические спектры излучения, испускаемого возбужденными атомами.

Нильс Бор создал первую квантовую теорию атома, а затем участвовал в разработке основ квантовой механики. Внёс значительный вклад в развитие теории атомного ядра и ядерных реакций, процессов взаимодействия элементарных частиц со средой.

Бор разработал и в 1913 году опубликовал теорию атома, в которой показал, что планетарная структура атома и свойства его спектра излучения могут быть объяснены, если считать, что движение электрона подчинено некоторым дополнительным ограничениям – так называемым постулатам Бора.

  1. Постулат стационарных состояний. Электрон совершает в атоме устойчивые орбитальные движения по стационарным орбитам, не испуская и не поглощая энергии.

2. Правило частот. Электрон способен переходить с одной стационарной орбиты на другую, при этом испуская или поглощая энергию. Поскольку энергии орбит дискретны и постоянны, то при переходе с одной из них на другую всегда испускается или поглощается определенная порция энергии.

Нильс Хенрик Давид Бор, датский физик, один из создателей квантовой механики, теории ядра.

Лауреат Нобелевской премии (1922 г.)

Нильс Бор

(1885–1962)

Квантовые постулаты Н. Бора означали отказ от классических физических представлений, которые до этого времени считались абсолютно истинными.

В 1927 г. Н. Бор сформулировал принцип дополнительности, согласно которому волновые и корпускулярные описания процессов в микромире не исключают, а взаимно дополняют друг друга, и только в единстве дают полное описание.

Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего.

Утверждение корпускулярно-волнового дуализма стало основой квантовой физики.

Немецкий физик-теоретик Гейзенберг Вернер Карл, один из создателей квантовой механики, в 1927 г. пришел к выводу о невозможности одновременного точного измерения координаты частицы и ее импульса, зависящего от скорости, эти величины можно определить только с определенной степенью вероятности.

В классической физике предполагается, что координаты движущегося объекта можно определить с абсолютной точностью. Квантовая механика существенно ограничивает эту возможность.

Вывод В. Гейзенберга получил название принципа соотношения неопределенностей, который лежит в основе физической интерпретации квантовой механики. Суть его в следующем: невозможно одновременно иметь точные значения разных физических характеристик микрочастицы – координаты и импульса.

Гейзенберг Вернер-Карл

(1901–1976)

Гейзенберг Вернер-Карл, всемирно известный немецкий физик-теоретик.

Лауреат Нобелевской премии за 1932 год «за создание квантовой механики, приложение которой привело к открытию разных форм существования водорода». Он был одним из самых молодых ученых, получивших Нобелевскую премию.

Гейзенберг был почетным членом многих академий наук и научных обществ.

Если мы получаем точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной.

Существуют принципиальные ограничения на измерение физических величин, характеризующих поведение микрообъектов.

Два фундаментальных принципа квантовой физики:

1) принцип соотношения неопределенностей,

2) принцип дополнительности – указывают на то, что наука отказывается от описания только динамических закономерностей.

Таким образом, в квантовой физике (М. Планк, Э. Шредингер, Н. Бор, В. Гейзенберг) была создана концепция корпускулярно-волнового дуализма материи: материя, как физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем. Поле, подобно веществу, обладает корпускулярными свойствами, а частицы вещества, подобно полю – волновыми свойствами, т.е. каждый элемент материи обладает свойствами волны и частицы.

Законы квантовой физики – статистические. Статистические закономерности проявляются в массе явлений, имеют форму тенденции. Эти законы иначе называют вероятностными, поскольку они описывают состояние индивидуального объекта лишь с определенной долей вероятности.

Статистическая закономерность возникает как результат взаимодействия большого числа элементов, поэтому характеризует их поведение в целом. Необходимость в статистических закономерностях проявляется через действие множества случайных факторов.

Этот тип законов иначе называют законами средних величин. При этом статистические закономерности, так же как и динамические, являются выражением детерминизма.

Примеры статистических закономерностей – законы квантовой механики и законы, действующие в обществе и истории. Понятие вероятности, фигурирующее при описании статистических закономерностей, выражает степень возможности явления или события в конкретной совокупности условий.