Микромир ( атомизм, квантовая механика, принцип Гейзенберга,код Шредингера, единая теория поля)

В истории физики наиболее плодотворный и важный для понимания явлений природы была концепция атомизма, согласно которой материя имеет прерывистое, дискретное строение, т. е. состоит из мельчайших частиц – атомов. До конца XIX в. в соответствии с концепцией атомизма считалось, что материя состоит из отдельных неделимых частиц – атомов. С точки зрения современного атомизма, электроны – «атомы» электричества, фотоны – «атомы» света и т. д.

Атомизм проявился как движение античной мысли к философской унификации первооснов бытия. Интересно, что эта гипотеза, развитая Левкиппом (5 в. до н.э.) и особенно Демокритом, связана с Древнем Востоком.Таким образом, первоначала других античных мыслителей Демокрит и его последователи сводили к атомам. И вода, и воздух, и земля, и огонь, состоят из большого количества атомов, различающиеся по своей качественной специфики, но по отдельности чувственно не воспринимаемых. Атомисты рассматривали мир как единое целое, состоящее из бесчисленного множества мельчайших неделимых частичек – атомов, движущихся в пустоте. Соединение атомов образуют все многообразие природы. Атомы обладают силой самодвижения: такова их известная природа. Стоит отметить, что душа, согласно древним атомистам, состояла из тончайших круглых и особо подвижных атомов, т.е. идеальное мыслилось наравне с материальным – с единой субстанцией.

Атомизм — одно из философских учений античного мира. Атомисты создали теорию, соответствующую той картине мира, которая открывается человеческим чувствам, и одновременно сохранили рациональное зерно в учении элеатов о бытии и небытии. Первое, что объяснялось атомистами, — материальность всей Вселенной, ее вещей, материальность движения. Второе, что в этой большой группе проблем объясняли с помощью атомов, была множественность вещей и состояний. Атомисты считали, что атомы как первоначало превосходно отвечают на вопрос о единстве телесного и духовного в человеке. Для этого, правда, они должны были "душевные" явления объяснить совершенно специфическим образом — материализуя их.

Возникают тела благодаря своеобразному сочетанию атомов, — отвечали атомисты, а уничтожаются, потому что эти соединения распадаются; атомы затем образуют какие-то новые соединения. Особое соединение, которое было или является определенным телом, прекращает или когда-то прекратит свое существование. И то, что некоторое время данное тело существовало и существует именно в его неповторимом виде, также объясняется уникальным сочетанием атомов.

 

Ква́нтовая меха́ника — раздел теоретической физики, описывающий физические явления, в которых действие сравнимо по величине с постоянной Планка. Предсказания квантовой механики могут существенно отличаться от предсказаний классической механики. Поскольку постоянная Планка является чрезвычайно малой величиной по сравнению с действием макроскопических объектов, квантовые эффекты в основном проявляются в микроскопических масштабах. Если физическое действие системы намного больше постоянной Планка, квантовая механика органически переходит в классическую механику. В свою очередь, квантовая механика является нерелятивистским приближением (то есть приближением малых энергий по сравнению с энергией покоя массивных частиц системы) квантовой теории поля.

Классическая механика, хорошо описывающая системы макроскопических масштабов, не способна описать все явления на уровнемолекул, атомов, электронов и фотонов. Квантовая механика адекватно описывает основные свойства и поведение атомов, ионов, молекул, конденсированных сред, и других систем с электронно-ядерным строением. Квантовая механика также способна описывать поведение электронов, фотонов, а также других элементарных частиц, однако более точное релятивистски инвариантное описание превращений элементарных частиц строится в рамках квантовой теории поля. Эксперименты подтверждают результаты, полученные с помощью квантовой механики.

Основными понятиями квантовой кинематики являются понятия наблюдаемой и состояния.

Основные уравнения квантовой динамики — уравнение Шрёдингера, уравнение фон Неймана, уравнение Линдблада, уравнение Гейзенберга и уравнение Паули.

.

Принцип неопределённости Гейзенбе́рга (или Га́йзенберга) в квантовой механике — фундаментальное соображение (соотношение неопределённостей), устанавливающее предел точности одновременного определения пары характеризующих систему квантовыхнаблюдаемых,описываемых некоммутирующими операторами (например, координаты и импульса, тока и напряжения, электрического и магнитного поля). Более доступно он звучит так: чем точнее измеряется одна характеристика частицы, тем менее точно можно измерить вторую. Соотношение неопределённостей^{[* 1]} задаёт нижний предел для произведения среднеквадратичных отклонений пары квантовых наблюдаемых. Принцип неопределённости, открытый Вернером Гейзенбергом в 1927 г., является одним из краеугольных камней физической квантовой механики. Является следствием принципа корпускулярно-волнового дуализма^[1].

Один из вариантов принципа неопределённости можно сформулировать так:

Измерение координаты частицы необходимо изменяет её импульс, и наоборот.

Это делает принцип неопределённости особым, квантовым вариантом эффекта наблюдателя, причём в роли наблюдателя может выступать и автоматизированная система измерений, использующая как принцип прямой фиксации частиц, так и метод исключения (частицы, не попавшие в детектор, прошли другим доступным путём).

Такое объяснение может быть принято и было использовано Гейзенбергом и Бором, стоявшими на философской основе логического позитивизма. Согласно логике позитивизма, для исследователя истинная природа наблюдаемой физической системы определяется результатами наиболее точных экспериментов, достижимых в принципе и ограниченных лишь самой природой. В таком случае появление неизбежных неточностей при проведении измерений становится следствием не только свойств реально используемых приборов, но и самой физической системы в целом, включая объект и систему измерения.

В настоящее время логический позитивизм не является общепринятой концепцией, поэтому объяснение принципа неопределённости на основе эффекта наблюдателя становится неполным для тех, кто придерживается другой философского подхода. Некоторые полагают, что возникающее при измерении координаты частицы значительное изменение её импульса является необходимым свойством не частицы, а лишь измерительного процесса. На самом деле частица скрытым от наблюдателя образом обладает определённым местоположением и импульсом в каждый момент времени, но их значения не определяются точно вследствие использования слишком грубых инструментов (теория скрытых параметров). Для иллюстрации можно привести пример: необходимо найти местоположение и импульс движущегося биллиардного шара, используя другой биллиардный шар. В серии экспериментов, в которых оба шара направляются приблизительно одинаково и сталкиваются, можно найти углы рассеяния шаров, их импульсы, и затем определить точки их встречи. Вследствие начальных неточностей каждое столкновение является уникальным, появляется разброс в местоположении и скоростях шаров, что для серии столкновений приводит к соответствующему соотношению неопределённости. Однако при этом мы точно знаем, что в каждом отдельном измерении шары движутся, обладая вполне конкретными импульсом в каждый момент времени. Данное знание в свою очередь возникает оттого, что за шарами можно следить с помощью отражённого света, который практически не влияет на движение массивных шаров.

Описанная ситуация иллюстрирует возникновение принципа неопределённости и зависимость результатов измерений от процедуры измерений и свойств измерительных приборов. Но в реальных экспериментах до сих пор не обнаружено способа одновременного измерения параметров элементарных частиц внешними приборами, не нарушая существенно их начального состояния. Поэтому идея о скрытых от наблюдателя параметрах частиц в стандартной квантовой механике не пользуется успехом и в ней обычно просто утверждается, что не существует состояний, в которых одновременно можно измерить координату и импульс частицы.

Существуют однако ситуации, в которых вероятно могут быть определены скрытые параметры частиц. Речь идёт о двух (или более) связанных частицах в так называемом сцепленном состоянии. Если эти частицы оказываются на достаточно большом расстоянии друг от друга и не могут влиять друг на друга, измерение параметров одной частицы даёт полезную информацию о состоянии другой частицы.

Кот Шредингера » – так называется знаменитый мысленный эксперимент знаменитого австрийского физика-теоретика Эрвина Шредингера, который также является лауреатом Нобелевской премии. С помощью этого вымышленного опыта ученый хотел показать неполноту квантовой механики при переходе от субатомных систем к макроскопическим системам. Есть ящик и кот. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное атомное ядро и ёмкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность распада ядра за 1 час составляет 50%. Если ядро распадается, открывается ёмкость с газом и кот погибает. Если распада ядра не происходит — кот остается жив-здоров.

1. Закрываем кота в ящик, ждём час и задаёмся вопросом: жив ли кот или мертв?

2. Квантовая же механика как бы говорит нам, что атомное ядро (а следовательно и кот) находится во всех возможных состояниях одновременно (см. квантовая суперпозиция). До того как мы открыли ящик, система «кот—ядро» находится в состоянии «ядро распалось, кот мёртв» с вероятностью 50% и в состоянии «ядро не распалось, кот жив» с вероятностью 50%. Получается, что кот, сидящий в ящике, и жив, и мёртв одновременно.

3. Согласно современной копенгагенской интерпретации, кот-таки жив/мёртв без всяких промежуточных состояний. А выбор состояния распада ядра происходит не в момент открытия ящика, а ещё когда ядро попадает в детектор. Потому что редукция волновой функции системы «кот—детектор-ядро» не связана с человеком-наблюдателем ящика, а связана с детектором-наблюдателем ядра.

 

Согласно квантовой механике, если над ядром атома не производится наблюдение, то его состояние описывается смешением двух состояний — распавшегося ядра и нераспавшегося ядра, следовательно, кот, сидящий в ящике и олицетворяющий ядро атома, и жив, и мёртв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор может увидеть только какое-нибудь одно конкретное состояние — «ядро распалось, кот мёртв» или «ядро не распалось, кот жив».

Суть человеческим языком: эксперимент Шредингера показал, что, с точки зрения квантовой механики, кот одновременно и жив, и мертв, чего быть не может. Следовательно, квантовая механика имеет существенные изъяны.

Вопрос стоит так: когда система перестаёт существовать как смешение двух состояний и выбирает одно конкретное? Цель эксперимента — показать, что квантовая механика неполна без некоторых правил, которые указывают, при каких условиях происходит коллапс волновой функции, и кот либо становится мёртвым, либо остаётся живым, но перестаёт быть смешением того и другого. Поскольку ясно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мёртвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это будет аналогично и для атомного ядра. Оно обязательно должно быть либо распавшимся, либо нераспавшимся

Единая теория поля – теория, которая в рамках общего универсального подхода описывает всё многообразие свойств элементарных частиц и их взаимодействий. Построение такой теории является основной задачей фундаментальной физики. В настоящее время фундаментальные свойства материи описываются несколькими дополняющими друг друга теориями, которые, несмотря на использование ряда общих принципов, остаются довольно обособленными. Электромагнитные взаимодействия частиц описываются квантовой электродинамикой (КЭД), сильное взаимодействие - квантовой хромодинамикой (КХД). Слабое взаимодействие совместно с электромагнитным объединены в единой электрослабой теории (модели) – ЭСМ. Эти три наиболее разработанные теории имеют общий базис – релятивистскую квантовую механику (квантовую теорию поля) и единые принципы симметрии, но остаются отдельными теориями. Попытки их объединить делаются в теориях Великого объединения – ТВО. Существующие варианты ТВО, предсказывающие объединение КХД и ЭСМ при энергиях 10¹⁵ –10¹⁶ ГэВ (расстояниях ≈10^-29 см), не подтверждены опытом. Важным предсказанием ТВО является нарушение законов сохранения барионного и лептонного чисел, приводящее к нестабильному протону со временем жизни 10³⁰ –10³⁴ лет.
Обособленное место занимает современная теория гравитации – общая теория относительности. До сих пор не удалось создать квантовой версии этой теории. Полагают, что гравитация объединяется с остальными взаимодействиями в единое универсальное взаимодействие (такие схемы объединения называют супергравитацией или суперсимметрией) при планковских энергиях ≈10¹⁹ ГэВ(соответствующая планковская длина ≈ 10^-33 см). Вариантом объединённых теорий, с которым связывают надежды, является теория суперструн – гипотетических одномерных объектов, имеющих линейные размеры порядка планковской длины. Струнная природа частиц должна проявляться при энергиях выше планковской. Суперструны существуют в многомерном (минимум – одиннадцатимерном) пространстве-времени, которое при энергиях ниже планковской “свёртывается” в наблюдаемое четырёхмерное пространство-время.

Планета Земля.

Теория солнечной туманности – Небуля́рная гипо́теза (от лат. nebula — туман) — наиболее широко принятая космогоническая модель, объясняющая формирование и эволюцию Солнечной системы. Существует доказательство того, что гипотеза была высказана в 1734 году Эммануилом Сведенборгом^[1][2][3][4]. Изначально гипотеза применялась исключительно к Солнечной системе, но впоследствии её стали распространять на всюВселенную^[5]. Широко признанным современным вариантом небулярной гипотезы является Модель солнечного небулярного диска, или просто Солнечная небулярная модель ^[6].

Согласно небулярной гипотезе, звёзды образуются в массивных и плотных облаках молекулярного водорода — гигантских молекулярных облаках. Благодаря гравитационным возмущениям, из вещества облаков постепенно формируются сгустки, которые, достигнув определённой плотности, образуют звёзды. Формирование звёзд представляет собой сложный процесс, в котором вокруг молодой звезды всегда создаётся газообразный протопланетный диск. В определённых, ещё не вполне изученных условиях, в этом диске способны сформироваться планеты. Таким образом, формирование планетных систем считается естественным результатом формирования звёзд. Образование звезды вроде нашего Солнца обычно занимает около 100 миллионов лет^[5].

Протопланетный диск является аккреционным диском, питающим центральную звезду. Изначально будучи горячим, диск охлаждается на этапе формирования так называемых звёзд типа T Тельца, после чего становится возможным образование из вещества диска небольших пылинок из горных пород и льдов. В конечном итоге пылинки под действием гравитации собираются в километровые планетезимали. Высокая плотность вещества диска может привести к быстрому (от 100 до 300 тысяч лет) образованию планетных зародышей размера Луны или Марса. Рядом со звездой планетные зародыши проходят через стадию вынужденных слияний, формируя несколько планет земной группы. Последний этап длится примерно от 100 миллионов до миллиарда лет^[5].

В 1755 году Иммануил Кант, основываясь на работе Сведенборга, развил эту теорию. По мнению Канта, туманности медленно вращаются, постепенно сжимаются и, благодаря гравитации, сплющиваются, а со временем из них формируются звёзды и планеты. Похожая модель в 1796 году предлагалась Пьером-Симоном Лапласом.

 

Теория дрейфа материков – была предложена в 1912 немецким географом Альфредом Вегенером на основе накопившихся научных данных.

Вегенер не был первым, кто пришёл к подобной мысли. Совпадение очертаний побережья Африки и Южной Америки было замечено Фрэнсисом Бэконом в 1620-х. Идею о движении материков выдвинул в 1668 французский теолог Франко Плаке. Немецкий теолог Теодор Лилиенталь пошёл дальше Бэкона, когда в 1756 предположил, что побережья Африки и Южной Америки точно соответствуют друг другу. Антонио Снидер, живший в Париже американец, в 1858 году предположил, что когда Земля остывала, она сжималась неравномерно, и по этой причине вещество на поверхности раскололось на части. Он представил, кроме того, общие для двух материков горные породы и ископаемые останки. Евграф Быханов, российский астроном-любитель, в своей книге 1877 года сформулировал гипотезу горизонтального перемещения материков

Вегенер утверждал, что сначала на поверхности Земли возник тонкий слой гранитных пород. Со временем гранитные глыбы сконцентрировались в один большой праконтинент – Пангею, что произошло около 570-280 млн. лет назад. Тогда же образовался праокеан, который окружал эту сушу. Затем Пангея раскололась и продолжала распадаться на более мелкие части. Эта революционная для тех лет теория достаточно просто объясняла многие непонятные геологические факты.

Земля-снежок – возникла для объяснения ледниковых осадочных пород, обнаруженных в тропических широтах. Палеомагнетический анализ позволил установить, что большинство этих пород возникло в низких широтах (не более 10 градусов от экватора).

«Земля-снежок» (англ. Snowball Earth) — гипотеза^[1], предполагающая, что Земля была полностью покрыта льдом в части криогенийского и эдиакарского периодов неопротерозойской эры, а также, возможно, в другие геологические эпохи. Гипотеза была создана, чтобы объяснить отложения ледниковых осадков в тропических широтах во время криогения (850—630 млн лет назад) и другие загадочные черты геологической летописи криогения. После окончания последнего большого оледенения ускорилась эволюция многоклеточных. Не менее грандиозными были более ранние оледенения, такие как Гуронское оледенение.