квантовая. Знакомство с квантовой физикой

• Название: Знакомство с квантовой физикой
• Дата: 25.05.2022
• Размер: 4.24 Mb.
• Имя файла: квантовая.doc
• Тип: Документы; #549055

Знакомство с квантовой физикой.

Квантовая физика навсегда

разделила человечество на тех,

кто ее понимает и на тех, кто в нее верит.

Пол Дэвис

1. 
   Начало физики
   

Физика, как об­щий итог при­об­ре­тён­ных зна­ний о природе, была написана Ари­сто­те­лем (4 в. до н. э.). Фи­зи­ка Ари­сто­те­ля вклю­ча­ла отдельные вер­ные по­ло­же­ния, но в то же вре­мя от­вер­га­ла многие про­грес­сив­ные идеи пред­ше­ст­вен­ни­ков, в ча­ст­но­сти атом­ную ги­по­те­зу, апории о времени и скорости Зенона… При­зна­вая зна­че­ние опы­та, Ари­сто­тель от­да­вал пред­поч­те­ние умо­зрительным пред­став­ле­ни­ям и не счи­тал опыт главным кри­те­ри­ем дос­то­вер­но­сти зна­ния. Уче­ние Ари­сто­те­ля на­дол­го за­тор­мо­зи­ло раз­ви­тие нау­ки.

АРИСТОТЕЛЬ ЗЕНОН ЭЛЕЙСКИЙ

Ес­те­ст­во­зна­ние воз­ро­ди­лось лишь в 15–16 вв. В середине 16 в. Н. Ко­пер­ник раз­ра­бо­тал ге­лио­цен­трическую сис­те­му ми­ра и по­ло­жил на­ча­ло ос­во­бо­ж­де­нию ес­те­ст­во­зна­ния от тео­ло­гии. Потреб­но­сти про­изводства, раз­ви­тие ре­мё­сел, су­до­ход­ст­ва и ар­тил­ле­рии сти­му­ли­ро­ва­ли на­учные ис­сле­до­ва­ния, опи­раю­щие­ся на опыт. Но только в 17 в. на­ча­лось сис­те­ма­тическое при­ме­не­ние экс­пе­риментального ме­то­да. Это при­ве­ло к соз­да­нию фун­даментальных фи­зических тео­рий 

Раз­ви­тие Физики, как нау­ки, бы­ло на­ча­то тру­да­ми Г. Га­ли­лея. Га­ли­лей по­нял, что для от­кры­тия за­ко­нов дви­же­ния нуж­но нау­чить­ся опи­сы­вать дви­же­ние ма­те­ма­ти­че­ски. Нель­зя ог­ра­ни­чи­вать­ся про­стым на­блю­де­ни­ем за дви­жу­щи­ми­ся те­ла­ми; нуж­но ста­вить опы­ты!

Появляются: клас­сическая ме­ха­ни­ки И. Нью­то­на; изу­чаются га­зы. Э. Тор­ри­чел­ли от­крыл ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние и соз­дал пер­вый ба­ро­метр. Р. Бойль и Э. Ма­ри­отт ис­сле­до­ва­ли уп­ру­гость га­зов и сфор­му­ли­ро­ва­ли пер­вый га­зо­вый за­кон, но­ся­щий их имя. Тог­да же В. Снел­ли­ус и Р. Де­карт не­за­ви­си­мо друг от дру­га от­кры­ли за­кон пре­лом­ления све­та. К это­му же вре­ме­ни от­но­сит­ся соз­да­ние мик­ро­ско­па. Зна­чительный шаг в изу­че­нии элек­тро­маг­нит­ных яв­ле­ний был сде­лан в нач. 17 в. У. Гиль­бер­том, ко­то­рый до­ка­зал, что Зем­ля яв­ля­ет­ся боль­шим маг­ни­том, и пер­вым стро­го раз­гра­ни­чил элек­трические и маг­нит­ные яв­ле­ния. В это же вре­мя Х. Гюй­генс и Г. Лейб­ниц сфор­му­ли­ро­ва­ли за­кон со­хра­не­ния ко­ли­че­ст­ва дви­же­ния; Гюй­генс соз­дал тео­рию фи­зического ма­ят­ни­ка, по­стро­ил ча­сы с ма­ят­ни­ком; Р. Гук от­крыл основной за­кон уп­ру­го­сти. Бы­ли за­ло­же­ны ос­но­вы аку­сти­ки: М. Мер­сенн впер­вые из­ме­рил ско­рость зву­ка в воз­ду­хе….

2. 
   Первые противоречия в науке.
   

Во 2-й половине 17 в. бы­ст­ро раз­ви­ва­лась гео­мет­рическая оп­ти­ка и за­кла­ды­ва­лись ос­но­вы фи­зической оп­ти­ки. Ф. Гри­маль­ди от­крыл ди­фрак­цию све­та, И. Нью­тон про­вёл фун­даментальные ис­сле­до­ва­ния дис­пер­сии све­та. В 1675 О. К. Рё­мер впер­вые из­ме­рил ско­рость све­та. Поч­ти од­но­вре­мен­но воз­ник­ли и на­ча­ли раз­ви­вать­ся две различные тео­рии о фи­зической при­ро­де све­та – кор­пус­ку­ляр­ная и вол­но­вая. Со­глас­но кор­пус­ку­ляр­ной тео­рии Нью­то­на, свет – это по­ток час­тиц, дви­жу­щих­ся от ис­точ­ни­ка по всем на­прав­ле­ни­ям. Х. Гюй­генс за­ло­жил ос­но­вы вол­но­вой тео­рии све­та, со­глас­но ко­то­рой свет – это по­ток волн, рас­про­стра­няю­щих­ся в осо­бой ги­по­те­тический сре­де – эфи­ре ми­ро­вом. И только в 19 в. эти теории объединятся, разрешив одну из апорий физики.

3. Новые апории.

К конце 19 в. Физику счи­та­ли поч­ти за­вер­шён­ной. Ка­за­лось, что все фи­зические яв­ле­ния мож­но све­сти к ме­ха­ни­ке мо­ле­кул (или ато­мов) и эфи­ра. Эфир рас­смат­ри­вал­ся как ме­ха­ническая сре­да, в ко­то­рой про­ис­хо­дят элек­тро­маг­нит­ные яв­ле­ния. Лорд Кель­вин об­ра­щал вни­ма­ние лишь на два не­объ­яс­ни­мых фак­та: от­ри­цательный ре­зуль­тат опы­та А. А. Май­кель­со­на по об­на­ру­же­нию дви­же­ния Зем­ли от­но­си­тель­но эфи­ра и не­по­нят­ную с точ­ки зре­ния мо­ле­ку­ляр­но-ки­не­тической тео­рии за­ви­си­мость те­п­ло­ём­ко­сти га­зов от температуры. Од­на­ко имен­но эти фак­ты яви­лись пер­вым ука­за­ни­ем на не­об­хо­ди­мость пе­ре­смот­ра основных пред­став­ле­ний физики. Для объ­яс­не­ния этих и мно­же­ст­ва других фак­тов по­на­до­би­лось соз­да­ние тео­рии от­но­си­тель­но­сти и кван­то­вой ме­ха­ни­ки.

На­сту­п­ле­ние но­вой эпо­хи в науке бы­ло под­го­тов­ле­но от­кры­ти­ем элек­тро­на Дж. Дж. Том­со­ном в конце 19 в. Вы­яс­ни­лось, что ато­мы не эле­мен­тар­ны, а пред­став­ля­ют со­бой слож­ные сис­те­мы, в со­став ко­то­рых вхо­дят элек­тро­ны.

В начале 20 в. вы­яс­ни­лось, что элек­тро­ди­на­ми­ка тре­бу­ет ко­рен­но­го пе­ре­смот­ра пред­став­ле­ний о про­стран­ст­ве и вре­ме­ни – пред­став­ле­ний, ле­жа­щих в ос­но­ве клас­сической ме­ха­ни­ки Нью­то­на. Опыт по­ка­зы­вал, что сфор­му­ли­ро­ван­ный Г. Га­ли­ле­ем прин­цип от­но­си­тель­но­сти, не спра­вед­лив для элек­тро­маг­нит­ных яв­ле­ний.
4.Квантовая физика в лицах ее создателей.



Макс Планк Альберт Эйнштейн Вернер Карл Гейзенберг

(Германия, 1858-1947) (Германия, 1879-1955) (Германия, 1901-1976)


Эрвин Шрёдингер Луи де Бройль Нильс Бор

(Австрия, 1887-1961) ( Франция, 1892-1987) (Дания, 1885-1962)



Александр Григорьевич Столетов Джозеф Джон Томсон

(Россия, 1839-1896) (Англия, 1856-1940)
5. Квантовая физика.

Если квантовая физика тебя не шокировала, значит ты в ней ничего не понял.

Н.Бор

Ста­нов­ле­нию кван­то­вой фи­зи­ки спо­соб­ст­во­ва­ло изу­че­ние рав­но­вес­но­го те­п­ло­во­го из­лу­че­ния, ко­то­рым за­ни­ма­лись пре­ж­де все­го нем. фи­зи­ки во гла­ве с В. Ви­ном и М. План­ком. Из тео­рии сле­до­ва­ло, что ве­ще­ст­во долж­но из­лу­чать элек­тро­маг­нит­ные вол­ны при лю­бой температуре, те­рять энер­гию и ох­ла­ж­дать­ся до аб­со­лют­но­го ну­ля. Од­на­ко по­все­днев­ный опыт про­ти­во­ре­чил это­му вы­во­ду. В 1980 г. Столетов изучает явление внешнего фотоэффекта и выводит его законы. Но не может его объяснить.

14 декабря 1900 года на заседании Немецкого физического общества, Макс Планк зачитал свою историческую статью «Ктеориираспределенияэнергииизлучениявнормальномспектре», он предположил, что ато­мы ис­пус­ка­ют и по­гло­ща­ют элек­тро­маг­нит­ную энер­гию отдельными пор­ция­ми – кван­та­ми. Энер­гия ка­ж­до­го та­ко­го кван­та пря­мо про­пор­цио­наль­на час­то­те, а ко­эффициентом про­пор­цио­наль­но­сти яв­ля­ет­ся квант дей­ст­вия h; 6,6·10^–34 Дж·с Именно дату этого события часто считают днем рождения квантовой теории, которая разрешит все предыдущие апории.

В 1905 А. Эйн­штейн рас­ши­рил ги­по­те­зу План­ка, пред­по­ло­жив, что из­лу­чае­мая пор­ция элек­тро­маг­нит­ной энер­гии со­хра­ня­ет свою ин­ди­ви­ду­аль­ность – рас­про­стра­ня­ет­ся и по­гло­ща­ет­ся толь­ко це­ли­ком, т. е. ве­дёт се­бя по­доб­но час­ти­це (позд­нее она бы­ла на­зва­на фо­то­ном).

Таким образом, на но­вом ка­че­ст­вен­ном уров­не бы­ла воз­ро­ж­де­на кор­пус­ку­ляр­ная тео­рия све­та.

Кван­то­ва­ние из­лу­че­ния при­ве­ло к за­клю­че­нию, что энер­гия внут­ри­атом­ных дви­же­ний так­же мо­жет ме­нять­ся толь­ко скач­ко­об­раз­но. Та­кой вы­вод был сде­лан Н. Бо­ром в 1913. Что­бы объ­яс­нить ус­той­чи­вость ато­ма и его ли­ней­ча­тый спектр, Бор по­сту­ли­ро­вал, что ато­мы мо­гут на­хо­дить­ся лишь в осо­бых ста­цио­нар­ных со­стоя­ни­ях, в ко­то­рых элек­тро­ны не из­лу­ча­ют, и толь­ко при пе­ре­хо­де из од­но­го ста­цио­нар­но­го со­стоя­ния в дру­гое атом ис­пус­ка­ет или по­гло­ща­ет энер­гию.

Дис­крет­ность дей­ст­вия – фун­даментальный факт, тре­бую­щий ра­ди­каль­ной пе­ре­строй­ки как за­ко­нов ме­ха­ни­ки, так и за­ко­нов элек­тро­ди­на­ми­ки.

В 1920-х гг. бы­ла по­строе­на по­сле­до­ва­тель­ная, ло­ги­че­ски за­вер­шён­ная тео­рия дви­же­ния мик­ро­час­тиц – кван­то­вая ме­ха­ни­ка. В её ос­но­ву лег­ли идея кван­то­ва­ния План­ка – Бо­ра и вы­дви­ну­тая в 1923 Луи де Брой­лем ги­по­те­за, что двой­ст­вен­ная кор­пус­ку­ляр­но-вол­но­вая при­ро­да свой­ст­вен­на не толь­ко элек­тромаг­нит­но­му из­лу­че­нию (фо­то­нам), но и лю­бым другим ви­дам ма­те­рии. В 1927 впер­вые на­блю­да­лась ди­фрак­ция элек­тро­нов, под­твер­див­шая экс­пе­ри­мен­таль­но на­ли­чие у них вол­но­вых свойств.

В 1926 Э. Шрё­дин­гер, пы­та­ясь по­лу­чить дис­крет­ные зна­че­ния энер­гии в ато­ме из урав­не­ния вол­но­во­го ти­па, сфор­му­ли­ро­вал основное урав­не­ние не­ре­ля­ти­ви­ст­ской кван­то­вой ме­ха­ни­ки, на­зван­ное его име­нем. В. Гей­зен­берг по­строи­ли кван­то­вую ме­ха­ни­ку в ма­те­ма­тической фор­ме – мат­рич­ную ме­ха­ни­ку.

Основные противоречия, которые возникли между квантовой и классической физиками разрешается теорией струн.