Основные законы квантовой физики

Квантовая физика — наиболее обсуждаемый и скандальный раздел науки. По сути, это одно из самых эффективных и точных открытий теоретической области знания. Законы квантовой физики, будучи примененными для расчета эксперимента, показывают ничтожные отклонения результатов — порядка миллионных долей процента. На каком же утверждении основана квантовая физика?

Физика микромира, изучающая поведение атомов и процессы, происходящие при их взаимодействии, предусматривает механическую модель. То есть, атом условно можно представить в категориях, понятных каждому человеку. Законы квантовой физики, напротив, представляют атом в виде элементарной частицы, имеющей свойства материальной точки и волны излучения одновременно.

Основная теория, на которой базируется квантовая физика, гласит:

Энергия в любом виде поглощается или выделяется только отдельными порциями. Они, в свою очередь, могут состоять только из целого числа условных объектов, названных квантами. Энергия одного кванта определяется как произведение частоты на некий коэффициент пропорциональности. Этот коэффициент, позже названный «постоянная Планка», был впервые введен Максом Планком и прозвучал в его докладе 14 декабря 1900 года. Именно этот день стал датой рождения теории квантов и положил начало процессу, который зародил законы квантовой физики. Начальное понимание принципов квантовой физики, а именно — основного правила двойственности свойств любого объекта (корпускулярно — волновой дуализм) привело к открытию фотонов. Пытаясь объяснить механику фотоэффекта различных материалов, Альберт Энштейн выдвинул теорию, что свет состоит из отдельных квантов. Формулы, описывающие энергию, импульс и массу фотонов — относятся к базовым законам, описывающим квантовую природу не только света, но и любого другого высокочастотного излучения.

Виды фундаментальных взаимодействий

Многие основополагающие концепции современного естествознания прямо или косвенно связаны с описанием фундаментальных взаимодействий. Взаимодействие и движение – важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее существование. Взаимодействие обусловливает объединение различных материальных объектов в системы, т. е. системную организацию материи. Многие свойства материальных объектов производны от их взаимодействия, являются результатом их структурных связей между собой и взаимодействий с внешней средой.

К настоящему времени известны четыре вида основных фундаментальных взаимодействий:

· гравитационное;

· электромагнитное;

· сильное;

· слабое.

Гравитационное взаимодействие характерно для всех материальных объектов вне зависимости от их природы. Оно заключается во взаимном притяжении тел и определяется фундаментальным законом всемирного тяготения: между двумя точечными телами действует сила притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними. гравитонами, существование которых к настоящему времени экспериментально не подтверждено.

Электромагнитное взаимодействие связано с электрическими и магнитными полями. Электрическое поле возникает при наличии электрических зарядов, а магнитное поле – при их движении. В природе существуют как положительные, так и отрицательные заряды, что и определяет характер электромагнитного взаимодействия. Например, электростатическое взаимодействие между заряженными телами в зависимости от знака заряда сводится либо к притяжению, либо к отталкиванию. При движении зарядов в зависимости от их знака и направления движения между ними возникает либо притяжение, либо отталкивание. Различные агрегатные состояния вещества, явление трения, упругие и другие свойства вещества определяются преимущественно силами межмолекулярного взаимодействия, которое по своей природе является электростатическим.

Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре и определяет ядерные силы. Предполагается, что ядерные силы возникают при обмене между нуклонами виртуальными частицами – мезонами.

Наконец, слабое взаимодействие описывает некоторые виды ядерных процессов. Оно короткодействующее и характеризует все виды бета-превращений.

Обычно для количественного анализа перечисленных взаимодействий используют две характеристики: безразмерную константу взаимодействия, определяющую величину взаимодействия, и радиус действия.

Сильное взаимодействие отвечает за устойчивость ядер и распространяется только в пределах размеров ядра. Чем сильнее взаимодействуют нуклоны в ядре, тем оно устойчивее, тем больше его энергия связи, определяемая работой, которую необходимо совершить, чтобы разделить нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых взаимодействие становится равным нулю. С возрастанием размера ядра энергия связи уменьшается. Так, ядра элементов, находящихся в конце таблицы Менделеева, неустойчивы и могут распадаться. Такой процесс часто называется радиоактивным распадом.

Взаимодействие между атомами и молекулами имеет преимущественно электромагнитную природу. Таким взаимодействием объясняется образование различных агрегатных состояний вещества: твердого, жидкого и газообразного. Например, между молекулами вещества в твердом состоянии взаимодействие в виде притяжения проявляется гораздо сильнее, чем между теми же молекулами в газообразном состоянии.

11. Термодинамический уровень описания материи. Начала термодинамики. Энтропия. Гипотеза «тепловой смерти» Вселенной.

Ответ: В основе термодинамического подхода – три начала и несколько постулатов, опирающихся на опытные факты (закон сохранения энергии, закон возрастания энтропии, закон о недостижимости абсолютного нуля, постулат о существовании термодинамического равновесия). В термодинамике не обсуждаются микроскопическая природа законов или начал, на этом уровне все сводится к том или иному описанию явления (именно поэтому этот подход называют феноменологическим), в этом слабость этого подхода (если не знать корней того или иного закона, нельзя априори сказать, когда он будет оставаться справедливым), но в этом и его сила (существуют эмпирические формулы и уравнения, которые до сих пор не могут получить теоретически, однако они с успехом используются на практике). Начала термодинамики:

Первое начало термодинамики - закон сохранения и превращения энергии при тепловых процессах: энергия, поступающая в систему, идет на увеличение внутренней энергии системы и на совершение ею работы. Невозможность вечного двигателя первого рода.

Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней воторое начало термодинамики, Клаузиус свел его содержание к утверждению, что энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Это означает, что со временем все формы движения должны перейти в тепловую. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется, то есть наступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной прекратятся – наступит тепловая смерть Вселенной. Ошибочность вывода о тепловой смерти заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, например к такой безграничной и бесконечно развивающейся системе, как Вселенная.

Системный подход в современном естествознании. Основные понятия и идеи синергетики.

Ответ: Особенностью современного естествознания является осознанное внедрение идей системности во все его отрасли. Системность реализуется в рамках системного подхода, т.е. исследований, в основе которых лежит изучение объектов как сложных систем.Под системным подходом в широком смысле понимают метод исследования оружающего мира, при котором интересующие нас предметы и явления рассматриваются как части или элементы определенного целостного образования. Эти части и элементы, взаимодействуя друг с другом, формируют новые свойства целостного образования (системы), отсутствующие у каждого из них в отдельности. Таким образом, мир с точки зрения системного подхода предстает перед нами как совокупность систем разного уровня, находящихся в отношениях иерархии. В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит именно системный подход, согласно которому любой объект материального мира может быть рассмотрен как сложное образование, включающее составные части, организованные в целое. Для обозначения этой целостности в науке выработано понятие системы. Система занимает центральное место в системном подходе. Поэтому разные авторы, анализируя это понятие, дают определения системы с различной степенью формализации, подчеркивая разные ее стороны.Определим систему как совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом и образующих некую целостность.

Системам независимо от их природы присущ ряд свойств:

1. Целостность - принципиальная несводимость свойств составляющих ее элементов и невыводимость из последних свойств целого, а также зависимость каждого элемента, свойства и отношения системы от его места внутри целого, функции и т.д. Например, ни одна деталь часов отдельно не может показать время, это способна сделать лишь система взаимодействующих элементов;

2. Структурность - возможность описания системы через установление ее структуры или, проще говоря, сети связей и отношений системы. Структурность также подразумевает обусловленность свойств и поведения системы не столько свойствами и поведением ее отдельных элементов, сколько свойствами ее структуры. Простейший пример: разные свойства алмаза и графита определяются различной структурой при одинаковом химическом составе;

3. Иерархичность систем, т.е. каждый компонент системы в свою очередь может рассматриваться как система, а исследуемая в конкретном случае система представляет собой один из компонентов более широкой системы. Например, живая клетка многоклеточного организма является, с одной стороны, частью более общей системы - многоклеточного организма, а с другой - сама имеет сложное строение и, безусловно, должна быть признана сложной системой;

4. Множественность описания системы, т.е. в силу принципиальной сложности каждой системы ее познание требует построения множества различных моделей, каждая из которых описывает лишь определенный аспект системы. Например, любое животное имеет части тела, которые могут рассматриваться как его элементы; это животное можно рассмотреть как совокупность скелета, нервной, кровеносной, мышечной и других систем; наконец, его можно проанализировать как совокупность химических элементов.

Термин "синергетика" введен Г. Хакеном для обозначения междисциплинарного направления, в котором, как он и предполагал, результаты его исследований по теории лазеров и неравновесным фазовым переходам смогли дать идейную основу для плодотворного взаимному сотрудничества исследователей из различных областей знания. Синергетика Г. Хакена в нестрогом смысле базируется на ранее выдвинутых теориях, например: Чарлз Скотт Шеррингтон (1857-1952), называвший синергетическим согласованное действие нервной системы при управлении мышечнымидвижениями; Станислав Улам (1909-1984), говоривший о синергии, в форме непрерывного сотрудничества междукомпьютероми оператором и др. Однако притом, что имеетсянеформальнаясвязь явлений, названных "синергетика", по существу содержания предшественники Г. Хакена говорили лишь о частных примерах.

Автором самого термина является Ричард Бакминстер Фуллер (1895-1983) - известный дизайнер, архитектор и изобретатель из США. В течение своей жизни Р.Б. Фуллер задавался вопросом относительно того, есть ли у человечества шанс на долгосрочное и успешное выживание на планетеЗемляи, если да, то каким образом. Считая себя заурядным индивидом без особых денежных средств или учёной степени, он решил посвятить своюжизньэтому вопросу, пытаясь выяснить, что личности вроде него могут сделать для улучшения положения человечества из того, что большие организации, правительства или частные предприятия не могут выполнить в силу своей природы. На протяжении этого эксперимента всей жизни он написал двадцать восемь книг, выработав такиетерминыкак "космический корабль “Земля”", "эфемеризация" и "синергетика".

Практически изначально (от Г. Хакена) синергетика нашла содержание для себя и привнесла новые идеи: в теорию лазеров и термодинамику неравновесных процессов, и теорию нелинейных колебаний и автоволновых процессов; в теорию бифуркации и теорию структурной устойчивости; в теорию катастроф. Претерпело развитиепонятия хаоса, вошел в обиход термин "детерминированный хаос", имеющий конкретный физико-математический смысл. Значительно расширилась область применения синергетики в связи сразвитиемтеориифракталов.¹ В русле синергетики нашлиинтерпретацию и свое решение задачи из областей физики, кинетической химии, биологии, геологии, материаловедения, экономики и др. Следует отметить распространение самим Г. Хакеном идей синергетики на биологические явления: переходы между паттернами (шаблоны, модели, принципы) в биологии и возможности исследования биологической эволюции как процесса самоорганизации в сложной системе. В контексте синергетики проводятся сегодня социальные и гуманитарные исследования.

С мировоззренческой точки зрения синергетику иногда преподносят, как "глобальный эволюционизм" или "универсальную теорию эволюции", дающую единую основу для описания механизмов возникновения любых новаций подобно тому, как некогда кибернетика определялась, как "универсальная теория управления", одинаково пригодная для описания любых операций регулирования и оптимизации: в природе, в технике, в обществе и т.д. и т.п. Однако время показало, что всеобщий кибернетический подход оправдал далеко не все возлагавшиеся на него надежды.