Тема № 4. Енкм на основе неклассической стратегии мышления. Квантово-полевое описание состояний микромира
Основное содержание
Проблемы классического описания. Случайность как составляющая природы. Вероятностный прогноз событий. Фундаментальные константы. Стохастическое неконтролируемое воздействие. Понятие состояния. Минимальный порог воздействия.
Излучение абсолютно черного тела. Гипотеза Планка. Фотоэффект. Волна де Бройля. Дифракция электронов. Корпускулярно-волновой дуализм. Модель атома Н.Бора. Принцип дополнительности. Принцип неопределенности. Неклассическая концепция измерения. Различия в поведении классических и квантовых частиц (отражение и преломление). Проблема полноты квантово-механического описания и ЭПР-парадокс. Парадокс Шредингера. Квантово-механическая модель атома. Зоопарк элементарных частиц. Фундаментальные частицы. Ядерные реакции. Запрет Паули. Античастицы. Кварк-глюонная модель. Обменная модель взаимодействия. Сильное взаимодействие, слабое взаимодействие. Суммирование истории (принцип суперпозиции). Связанные состояния и неравенство Белла.
Стандартная модель. Теория всего. Суперструны.
Основные понятия
Постоянная Планка. Абсолютно черное тело. Фотоэффект. Дискретность. Корпускулярно-волновой дуализм. Принцип дополнительности. Принцип неопределенности. Спин. Бозоны, фермионы. Античастицы. Кварк. Глюон. Принцип суперпозиции. Связанные состояния.
Ключевые фразы
Альтернативные модели классики не описывают всех явлений природы – две модели в одном флаконе.
Природе присуща случайность.
В природе есть запреты, пределы, максимумы и минимумы – не всё можно.
Все, что разрешено и вероятно – уже реализовывается.
Вопросы
В чем заключается неполнота классической версии ЕНКМ?
Перечислите предпосылки возникновения неклассического естествознания. Какие явления и почему не могли быть объяснены в рамках классической версии ЕНКМ?
Какую позицию по отношению к изучаемой системе занимает неклассический наблюдатель? Как факт изучения системы отражается на ее поведении?
Концепция стохастического (неконтролируемого) воздействия. Каковы особенности этого воздействия? Существуют ли ограничения на величину стохастических воздействий?
Какие процессы называют случайными? Приведите примеры случайных событий. Какова природа случайности? Как связаны между собой случайность и вероятность?
Что такое флуктуации? Приведите примеры проявления флуктуаций в природе и экономике. Что является причиной возникновения флуктуаций? От чего зависит величина флуктуаций?
Понятие состояния. Приведите примеры состояний из естествознания и других наук, соответствующих понятию состояния в неклассической версии ЕНКМ.
При каких условиях применима модель квантового состояния? Приведите примеры объектов, находящихся в квантовом состоянии. Применима ли модель квантового состояния для макрообъектов? При каких условиях? Приведите примеры.
Корпускулярно-волновая модель света. Опишите опыты, подтверждающие эту модель. В чем суть принципа дополнительности Бора?
Что такое дискретность? Все ли физические характеристики дискретны? Существует ли дискретность в макромире?
Что такое волна де Бройля? О какой волне идет речь? Какой физический смысл имеет квадрат ее амплитуды? Как эта характеристика связана с корпускулярными характеристиками микрочастиц? Можно ли буквально трактовать наличие волновых свойств у микрообъектов как отсутствие однозначной локализации, определенной формы и конечного объема? Почему не проявляются волновые свойства макрообъектов?
Чем необычно и в чем состоит явление дифракции микрочастиц? Что является причиной случайного поведения микрочастицы в опыте по дифракции? Почему для описания явления дифракции микрочастиц удобно ввести представление о волновом процессе? Что обладает волновыми свойствами? Что понимают под вероятностным описанием в опыте по дифракции микрочастиц?
Что описывают соотношения неопределенностей? Назовите известные вам соотношения неопределенностей и поясните их смысл.
Какова роль измерительного прибора в неклассической концепции измерения? Возможно ли абсолютно точное измерение? Ответ поясните.
Каковы особенности модели свободной микрочастицы по сравнению с моделью свободной классической частицы? При каких условиях применима модель свободной микрочастицы?
Когда применима модель несвободного квантового объекта? Каковы особенности поведения несвободной квантовой частицы по сравнению с несвободной корпускулой?
Как связаны соотношение неопределенности для пары энергия-время и возможность прохождения потенциальных барьеров? Как происходит туннельный эффект? Что является в этой ситуации препятствием для квантового объекта? Приведите примеры реализации туннельного эффекта в природе.
В чем состоит принцип суперпозиции состояний («суммирование историй»)? Приведите примеры его реализации.
Опишите парадокс Шредингера. С чем была связана его формулировка? Как разрешилась проблема неполноты квантово-механического описания? Теорема Белла и опыты А.Аспекта.
В каких ситуациях проявляет себя такая характеристика квантовых объектов как спин? Особенности поведения бозонов. Особенности поведения фермионов. Дайте формулировку принципа Паули.
Сформулируйте неклассическую модель атома. В чем отличие модели атома по Бору и неклассической модели атома? Что такое электронные облака? От чего зависит форма электронного облака? Каким образом происходит заполнение электронных оболочек в многоэлектронных атомах?
Опишите особенности фундаментальных взаимодействий квантово-полевого (ядерного) уровня – сильного и слабого.
Поясните модель обменного механизма сильного и слабых взаимодействий. Возможно ли применение обменной модели к описанию гравитационного и электромагнитного взаимодействий?
Зоопарк элементарных частиц. Тождественность. Свойства элементарных частиц. Различные классификации элементарных частиц.
Истинно фундаментальные частицы. Кварк-глюонные модели тяжелых частиц. Проблема нейтрино.
Ядерные реакции: радиоактивность, термоядерный синтез.
Дайте качественное описание основных идей теории суперструн*.
Тесты
1. Какой стала картина мира после работ А.Эйнштейна:
Принцип близкодействия/дальнодействия.
Принцип относительности Галилея/Эйнштейна.
Принцип инерции/принцип необходимости для движения внешнего воздействия.
Необратимость/обратимость всех механических процессов.
Детерминированное/статистическое поведение объектов.
Абсолютные пространство и время/пространственно-временной континуум как форма существования материи.
Дискретный/континуальный характер движения.
Состояние системы есть совокупность однозначно/вероятностно заданных параметров.
Принцип редукции/принцип целостности.
Исследователь – сторонний наблюдатель/активный участник исследуемого процесса.
2. Укажите явления, описание которых с позиции классического естествознания оказалось невозможным:
Распространение света в вакууме
Излучение абсолютно черного тела
Абсолютно упругое соударение тел
Радиоактивность некоторых химических элементов
3. Планетарная модель атома Э.Резерфорда с точки зрения классической электродинамики противоречила факту _____________________ атомов.
5. Непредсказуемость точного момента распада радиоактивных элементов разрушало представления о Вселенной, как о точно отлаженном механизме, в котором отсутствует _________________.
6. Распределение и наследование детьми родительских признаков, мутации различных признаков живых организмов носят _____________ характер, что противоречит принципу ________________ классического описания мира.
7. Универсальность закона постоянства количественного и кратного состава химического соединения было опровергнуто открытием в начале ХХ века химических соединений класса ______________.
10. Состояние системы – это понятие, описывающее реакцию:
на контролируемое воздействие окружения
на неконтролируемое воздействие окружения
на закономерно изменяющиеся внешние условия
на закономерное изменение характеристик системы
12. В неклассической версии картины мира предполагается, что:
одинаковые причины всегда приводят к различным следствиям
различные причины могут привести к одинаковым следствиям
никаким способом нельзя предсказать следствие, которое порождается данной причиной
из анализа данной причины можно предсказать тенденцию наступления определенного следствия
13. Концепция неконтролируемого воздействия предполагает, что:
природе свойственно проявление случайности
все воздействия окружения на объект не могут быть измерены
естествоиспытатель занимает позицию стороннего наблюдателя за объектом
вероятностное описание является следствием недостаточной изученности свойств объекта
14. Укажите неправильное утверждение: концепция неконтролируемого воздействия предполагает, что:
вероятностное описание является следствием недостаточной изученности свойств объекта
существует нижний предел, ограничивающий величину воздействия на объект
вероятностное описание отражает объективные свойства природы
естествоиспытатель своим исследованием искажает истинное поведение объекта
15. Концепция неконтролируемого воздействия предполагает, что воздействие окружения на объект:
неустранимо
может быть сколь угодно малым
может быть исключено переходом в другую систему отсчета
не оказывает влияния на поведение объекта
17. Концепция неконтролируемого воздействия предполагает, что нижний предел такого воздействия ограничен следующими константами:
постоянной Авогадро
универсальной газовой постоянной
постоянной Планка
постоянной Больцмана
18. Неклассическая физика использует вероятностное описание, потому что:
это упрощает вычисления
до сих пор неизвестны некоторые характеристики поведения объектов природы
случайность и неопределенность являются объективными свойствами природы
характеристики объекта способны флуктуировать
19. Почему невозможен точный прогноз погоды:
не позволяют возможности современных компьютеров
потому что человек своей деятельностью постоянно нарушает атмосферные процессы
из-за слабой материальной базы служб наблюдения за атмосферой
из-за существования в атмосфере неконтролируемых процессов
20. Флуктуациями характеристик объекта называется:
неточность, возникающая в результате погрешности измерения
отклонение от предельно допустимого значения характеристики
спонтанное отклонение от среднего значения характеристики объекта
колебание значений характеристики, происходящее по определенному закону
21. Флуктуации характеристик объекта вызываются:
неконтролируемым воздействием окружения
закономерным изменением характеристик окружения
воздействием на объект дополнительной периодической силы
периодическим движением объекта
Квантовое состояние – это модель стохастического воздействия окружения на объект, в которой учитывается реакция объекта на воздействия, ограниченные:
постоянной Авогадро
постоянной Больцмана
постоянной Планка
универсальной газовой постоянной
13. В основу квантовой механики легла гипотеза Макса Планка о том, что:
все физические величины являются дискретными;
электромагнитное излучение дискретно, т.е. испускается отдельными порциями – квантами;
энергия кванта есть величина постоянная;
основой материи является фундаментальная частица – квант.
14. Согласно идее М. Планка, выдвинутой им в 1900 г., энергия кванта:
пропорциональна скорости света;
пропорциональна частоте излучения;
зависит от массы;
есть величина постоянная.
15. Понятие кванта света использовалось для объяснения явлений (два примера):
фотоэффекта;
дисперсии;
излучения абсолютно черного тела;
дифракции.
17. Смысл волны де Бройля - характерной длины волны частицы вещества – это:
волна вероятности, которая соответствует любой частице, обладающей импульсом;
отношение скорости света к частоте электромагнитного излучения;
волна, возникающая в результате отражения от преград потоков частиц;
волна, характеризующая упругие колебания атомов в кристаллической решетке.
18. Волновые свойства электрона обнаружены в явлении:
дисперсии;
фотоэффекта;
дифракции;
фотосинтеза.
19. Концепция корпускулярно-волнового дуализма заключается в том, что:
один и тот же объект в зависимости от условий может проявлять свойства волны и свойства частицы;
волновые и корпускулярные свойства являются несовместимыми и не могут проявляться в одном объекте;
волновые и корпускулярные свойства конкретного объекта можно исследовать одновременно в одном эксперименте;
волновые и корпускулярные свойства – это противоположные сущности, которые могут проявляться только в разных формах материи.
20. Сущность корпускулярно-волнового дуализма света состоит в том, что:
высокочастотное излучение является потоком фотонов, а низкочастотное - потоком электромагнитных волн;
свет в одних взаимодействиях с веществом ведет себя как поток частиц (фотонов), а в других взаимодействиях – как электромагнитная волна;
свет как физический объект может одновременно проявлять себя и как волна, и как частица;
часть характеристик света имеют дискретные значения, а часть непрерывные.
21. Соотношения неопределенностей отражают существование:
устранимых внешних воздействий на объект
неконтролируемых воздействий на объект со стороны другого равноценного ему объекта
неконтролируемых стохастических воздействий на объект со стороны окружения
функциональную зависимость флуктуаций различных характеристик
22. Энергия и время взаимодействия квантового объекта не могут быть одновременно точно измерены, так как:
они слишком малы, а точность измерительных приборов ограничена;
являются дополнительными величинами;
более точное измерение энергии требует более короткого времени;
для квантового объекта эти величины не имеют физического смысла.
23. Принципиальная невозможность одновременных точных измерений дополнительных величин в квантовой механике обусловлена тем, что:
квантовый объект – это микрообъект, для измерения характеристик которого не существует макроскопических приборов
не изобретены приборы высокой точности для измерений характеристик квантовых объектов
измерительный прибор вступает во взаимодействие с исследуемой системой и меняет ее свойства
квантово-механические явления неисчерпаемы, а возможности человеческого разума ограничены
24. Согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга, при проведении одного и того же эксперимента точное измерение импульса частицы:
приводит к столь же точному измерению координат
неразрывно связано с измерением координат частицы
не изменяет ее координат
исключает точное знание ее координат
25. Принцип неопределенности привел:
к вероятностному описанию состояния микрообъекта;
к динамическому описанию состояния микрообъекта;
к признанию необходимости субъективного подхода в описании микрообъекта
к невозможности и бессмысленности измерений в квантовой механике.
46. Концепция неклассического измерения предполагает, что
в серии повторных измерений не могут встречаться совпадающие значения одной и той же измеряемой величины
характеристики объекта закономерно изменяются во времени, поэтому последовательные измерения дают разные результаты
даже абсолютно точный прибор не является идеальным каналом связи между исследователем и объектом
серия повторных измерений необходима для повышения точности результата
27. Принцип дополнительности в квантовой механике утверждает, что:
Новая теория, претендующая на более полное описание природы, чем предыдущая, должна включать в себя предыдущую, как предельный случай.
Получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым.
полное описание квантового явления с помощью классических понятий возможно только при наличии двух дополнительных друг к другу систем понятий
две дополнительных друг к другу системы понятий не могут быть использованы при описании одного и того же объекта
28. Теория дифракции электромагнитных световых волн и теория фотоэффекта (выбивания электронов из металла под действием потока фотонов):
дополняют друг друга в нашем восприятии явлений взаимодействия света с веществом
взаимно исключают друг друга
не подлежат изучению в едином курсе естествознания
позволяют построить абсолютно истинную теорию взаимодействия света и вещества
29. «Всякое истинно глубокое явление природы не может быть определено однозначно с помощью естественного языка и требует для своего определения, по крайней мере, два взаимоисключающих дополнительных понятия». Так Вернер Гейзенберг пояснял философский смысл принципа:
инвариантности скорости света;
дополнительности;
неопределенности;
соответствия.
30. Квантовая механика, описывающая движение микрообъектов, дает:
статистическое описание природы микромира на языке вероятностей
неточное описание явлений микромира из-за ограниченности возможностей эксперимента
описание состояния микрообъектов точными значениями физических величин
описание микромира, далекое от объективной реальности вследствие его сложности
31. К лептонам не относится:
электрон;
нейтрино;
мюон;
кварк.
32. Протон состоит из:
трех кварков
двух кварков
одного кварка
четырех кварков
33. Атомное ядро состоит из:
протонов и нейтронов
нуклонов и электронов
электронов и протонов
электронов и нейтронов
34. Из перечисленных частиц относится к классу безмассовых:
фотон
электрон
кварк
адрон
35. Масса элементарных частиц монотонно возрастает в следующем ряду:
фотон, электрон, барионы
мезоны, фотон, адроны, глюоны
электрон, фотон, глюоны, барионы
нейтрон, нейтрино, мезоны
36. Положительный электрический заряд имеют:
протоны, позитроны
нейтроны, нейтрино
фотоны, глюоны
электроны, антипротоны
37. Частицы, обладающие одинаковыми характеристиками, но имеющие противоположные знаки зарядов, называются:
античастицами
элементарными
фундаментальными
виртуальными
38. Фотон – это:
квант электромагнитного излучения
частица-переносчик слабого взаимодействия
квант гравитационного поля
фундаментальная частица, лежащая в основе вещества
39. Элементарные частицы, обладающие полуцелым спином, называются:
фермионы
бозоны
нейтроны
виртуальные частицы
40. Класс адронов объединяет частицы, которые:
участвуют в сильном взаимодействии
не участвуют в сильном взаимодействии
являются самыми легкими
имеют нулевой спин
41. Низшее энергетическое состояние квантованных полей, характеризующееся отсутствием каких-либо реальных частиц, называется:
физическим вакуумом
эфиром
мировым эфиром
пустотой
Рекомендуемая литература
Основная:
Липкин А.И. Концепции современного естествознания. Часть I. Физика, химия, синергетика. Курс лекций. М.РГГУ – 2006.
А.Д. Суханов, О.Н. Голубева. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. М., Дрофа, 2006 г.
Дополнительная:
Грин Бр. Элегантная Вселенная: Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории: Пер. с англ. / Под ред. В.О.Малышенко. Изд. 4-е. – М.: Издательство ЛКИ, 2008. – 288с.
Грин Бр. Ткань космоса. Пространство, время и текстура реальности/пер. с англ. Б.Ишханов. М.: Либроком , - 2011 г.
Рекомендуемые Интернет-ресурсы
Видеоматериалы:
«Физика в половине десятого» (ЦНФ, 1971, реж. С.Райтбурт) http://www.youtube.com/watch?v=ErDIj51g9NU&feature=related (1 часть), http://www.youtube.com/watch?v=20UkYlHoqEM&feature=related (2 часть)
«Квантовая жизнь» http://www.youtube.com/watch?v=vBMwkwYcI9c
«Доктор Квантум посещает плоскость» http://www.youtube.com/watch?v=UB-Ng3GNjlI&feature=related
«Изящная вселенная. Мечта Эйнштейна» http://www.youtube.com/watch?v=4zoBgBE9C0g&feature=related –1-5 части. (По книге Б.Грина «Элегантная Вселенная»).
«Этот правый, левый мир» http://www.youtube.com/watch?v=X7H__sf6khw&feature=related (1 часть), http://www.youtube.com/watch?v=lU85oSIxIeM&feature=related (2 часть). (ЦНФ, реж. С.Райтбурт)