Концепции современного естествознания Гусейханов Раджабов (стр. 31 из 104)
В этом уравнении V (х, у, z) — потенциальная энергия,
m — масса микрочастицы,
— сумма вторых производных попространственным координатам, h — постоянная Планка,
Квантовая механика позволила преодолеть непоследовательность теории Бора. Оказалось, что уравнение Шредингера составлено так удачно, что его решение для электронов в атоме позволяет без всяких постулатов и правил отбора получить все объяснения данных наблюдений. Переход атома из одного состояния в другое означает переход между этими состояниями его оптического электрона, описываемого волновой функцией
. Естественно, что сам спектр излучения состоит из отдельных ли-158
ний, соответствующих переходам между дискретными уровнями энергии в атоме и охватывает весьма широкий диапазон частот. Наблюдаемое дискретное излучение атомов охватывает область инфракрасного излучения, видимую область, ультрафиолетовую часть спектра и даже рентгеновский линейчатый спектр (в случае тяжелых атомов). Атомы разных химических элементов обладают различными спектрами излучения. На этом основан спектральный анализ химического состава таких небесных тел, как Солнце и звезды.
Таким образом, в области микромира согласно современной естественно-научной картине мира, на смену "волнам материи" пришли "волны вероятности". Вероятностная трактовка волновой функции отражает присущие микрообъектам элементы случайного в их поведении. Необходимой оказывается лишь вероятность поведения микрообъекта. Это означает, что предсказания в квантовой физике имеют, вообще говоря, вероятностный характер и, следовательно, физика микрообъектов является принципиально статистической теорией. Случаен факт обнаружения электрона в том или ином месте около ядра; вероятность же его обнаружения в данном месте определяется формой и размерами соответствующего "электронного облака".
Вероятность лежит в самой основе квантовой механики и вообще квантовой физики. Академик В. А. Фок писал: "В квантовой механике понятие вероятности есть понятие первичное, оно играет там фундаментальную роль". "Статистические методы в физике, — писал Борн, — по мере развития науки распространялись все больше и больше, и сегодня можно сказать, что современная физика полностью опирается на статистическую основу... Это является событием в истории человеческого мышления, значение которого выходит за пределы самой науки".
Вероятностный подход к описанию явлений микромира совершенно не означает, что движение микрочастиц непредсказуемо и произвольно. Зная волновую функцию, можно определить вероятность появления частицы в любом месте и в любое время. На смену жестко детерминизированным законам классической физики, справедливым в макромире, пришли вероятностные
159
законы, работающие в микромире. Они являются отражением специфики микрообъектов, проявлением новых свойств материи на уровне ее мельчайших структурных единиц. Принцип соответствия работает и здесь — при переходе к макрообъектам квантово-механический аспект движения становится неощутим из-за малости постоянной Планка п. Динамические законы есть предельный случай более общих вероятностных закономерностей. Последние не являются свидетельством неполноты нашего знания, а отражают глубокое понимание свойств материи на новом качественном уровне.
ВЫВОДЫ
1. Обнаружено, что элементарные частицы могут взаимно превращаться, т. е. не являются "последними кирпичиками" мироздания. Стало ясно, что число элементарных частиц не должно быть особенно большим.
2. В механике микромира уравнение Шредингера для волновой функции играет ту же роль, что и уравнение Ньютона в классической механике. В уравнении, объясняющем поведение электрона в атоме, содержится волновая функция, квадрат модуля которой определяет положение электрона в данной точке в каждый момент времени. Главным открытием квантовой механики является вероятностный характер законов микромира.
3. Частицам вещества в микромире присущ корпускуляр-но-волновой дуализм: в одних явлениях они проявляют волновые свойства, а в других — корпускулярную природу. Поэтому для изучения свойств микромира применяют принцип дополнительности, введенный Н. Бором в 1927 г.
4. Фундаментальным в квантовой теории является принцип неопределенности, определяющий границы применимости классических представлений при описании свойств микромира. Невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастиц.
5. В результате экспериментов по рассеянию а-частиц
Резерфордом была предложена планетарная модель строения
атома. При заполнении электронами орбит в атоме соблюдается
160
принцип Паули: два электрона не могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии.
6. Важнейший философский вывод из квантовой механики заключается в принципиальной неопределенности результатов измерений и, следовательно, невозможности точного предвидения будущего в микромире.
Вопросы для контроля знаний
1. Какие новые открытия в науке опровергли представления об атомах как последних, неделимых частицах материи?
2. Охарактеризуйте строение атома по модели Э. Резерфорда.
3. Что принципиально нового внес в эту модель Н. Бор?
4. Какие частицы называются элементарными и где они были открыты?
5. Какими общими свойствами обладают элементарные частицы?
6. Какие частицы называются кварками и почему они не существуют в свободном состоянии?
7. Что такое вещество и антивещество?
8. Что называют аннигиляцией элементарных частиц?
9. Какие эксперименты доказывают существование волновых свойств у микрочастиц материи?
10. Существуют ли волновые свойства микрочастиц отдельно от корпускулярных? Что означает дуализм микрочастиц?
11. Сформулируйте принцип дополнительности и расскажите, где он применяется.
12. Почему принцип неопределенности служит фундаментом квантовой механики?
13. В какой форме выражаются законы квантовой механики?
14. Каков характер принципа причинности в микромире?
161
Глава 8. КОНЦЕПЦИИ ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ
Есть многое на свете, друг Гораций, что и не снилось нашим мудрецам. У. Шекспир
8.1. Многообразие форм материи
Все то, из чего состоит окружающая нас Вселенная, мы называем материей. Философское определение материи — это объективная реальность, существующая вне и независимо от человеческого сознания и отражаемая им. Философское понятие материи может быть определено путем соотношения его с понятием сознания, что его отражает. Если материя есть объективная реальность, то сознание — это субъективная реальность. Сознание есть свойство высокоорганизованной материи как идеальное отражение материального мира. Кроме указанного свойства материя обладает следующими всеобщими свойствами: субстанциональностью, активностью, сохраняемостью, структурностью, неисчерпаемостью, способностью отражения, конечностью и бесконечностью, абсолютностью и относительностью, прерывностью и непрерывностью и др.
Субстанциональность материи состоит в том, что объективная реальность есть причина самой себя, она не сотворима и не уничтожима.
Активность материи выражается в ее беспредельной способности к самодвижению, развитию, ведущему к непрестанным качественным изменениям мира, его постоянному обновлению. Существование материи — это вечно живой, внутренне активный процесс образования, развития и взаимодействия многообразных видов и свойств.
162
Сохраняемость материи заключается в том, что она как объективная реальность не может возникать из ничего и бесследно исчезать. Происходит лишь превращение одних материальных форм в другие. Доказательством сохраняемости материи являются законы сохранения массы, энергии, количества движения, электрического заряда и т. д.
Структурность материи означает ее принципиальную несводимость к понятию последним и неизменным "элементам". Каким бы простым ни казался любой материальный объект, он всегда обладает сложной структурой. Структурность связана целостной системой.
Неисчерпаемость материи заключается в бесконечном многообразии видов и свойств объективной реальности (микро-, макро- и мегамиров), форм их взаимодействия и взаимопереходов. На каждом структурном уровне материи действуют свои специфические закономерности.
Свойство отражения присуще всей материи, как органической, так и неорганической. Свойство отражения заключается в способности материального объекта при взаимодействии с другими воспроизводить в своих изменениях (в виде отпечатков, следов, образов и т. д.) особенности взаимодействующих объектов. Чем сложнее уровень организации материи, тем становятся сложнее сами формы отражения — от простой механической формы в неорганическом мире к раздражимости в органической природе. И как самая высшая форма материи, присущая человеческому мозгу, — это психическое отражение в виде сознания (ощущения, восприятия, представления, понятия, суждения и умозаключения).
С точки зрения современной науки основные формы материи — это:
1) система неживой природы (элементарные частицы и поля, вакуумы, атомы, молекулы, макроскопические тела, космические системы различных порядков);