. 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.
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.
- 1. Естественнонаучная и гуманитарная культуры
- 2. Научный метод познания и его основные черты
- 3 Естествознание и его роль в культуре
- 8 Научная картина мира
- 10. Развитие представлений о материи
- Представление о материи в Античный период
- Эпоха Средневековья
- Эпоха Возрождения
- . Представления о материи и. Ньютона и м.В. Ломоносова
- Развитие представлений о материи в XIX веке
- 1.5.6. Кризис в физике на рубеже веков
- . Понятие «материи» в XX веке
- 12 Эволюция представлений о движении
- 1.6.1. Понятие «движение» и его развитие
- Формы движения материи и их свойства
- Типы движения материи
- 13. Развитие представлений о взаимодействии
- Основные характеристики взаимодействий
- 14. Хаос и порядок
- 4.1.2. Роль энтропии как меры хаоса
- 4.1.3. Порядок
- 4.1.4. Модели хаоса и порядка
- 16 Эволюция понятий «пространство и время» Понятие о пространстве, времени, материи
- Концепции пространства и времени
- Релятивистская концепция пространства и времени
- Сравнительные свойства пространства и времени
- 19. Принципы симметрии. Понятие симметрии
- 20. Законы сохранения
- 19. Принципы симметрии
- 3. Структурные уровни и системная организация материи
- 3.1. Системная организация материи
- 3.2. Структура материи
- 3.2.1. Структурные уровни организации материи
- Структурные уровни материи
- 3.3. Переход к гелиоцентрической системе
- 27. Организация материи на химическом уровне
- 3.4.1. Основные этапы развития химии
- 3.4.2. Зарождение современной химии
- 3.4.3. Периодическая система элементов
- 3.4.4. Создание атомно-молекулярной концепции
- 3.4.5. Модель атома н. Бора
- 3.4.6. Современное представление об атомно-молекулярном учении
- 3.4.7. Представления о химических связях
- 3.4.8. Основы химической термодинамики
- 3.4.9. Основы химической кинетики
- 4.2. Синергетика
- 4.2.1. Понятие синергетики
- 4.2.2. Связь синергетики с другими науками
- 4.2.3. Самоорганизующиеся системы
- 4.2.4. Основные свойства самоорганизующихся систем