Введение
Корпускулярно-волновая природа материи
Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике
Заключение
Список использованной литературы
ВВЕДЕНИЕ
Корпускулярно-волновая природа в современной физике стала всеобщей. Любой материальный объект характеризуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.
Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна, разрушил традиционные представления. Форма частицы подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления.
Корпускулярно-волновая природа материи
В истории изучения природы можно выделить два этапа: донаучный и научный. Донаучный, или натурфилософский, охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в XVI-XVII вв. В этот период учения о природе носили чисто натурфилософский характер: наблюдаемые природные явления объяснялись на основе умозрительных философских принципов.
Наиболее значимой для последующего развития естественных наук была концепция дискретного строения материи – атомизм, согласно которому все тела состоят из атомов – мельчайших в мире частиц.
Античный атомизм был первой теоретической программой объяснения целого как суммы отдельных составляющих его частей. Исходными началами в атомизме выступали атомы и пустота. Сущность протекания природных процессов объяснялась на основе механического взаимодействия атомов, их притяже¬ния и отталкивания. Механическая программа описания при¬роды, впервые выдвинутая в античном атомизме, наиболее полно реализовалась в классической механике, со становления которой начинается научный этап изучения природы.
Поскольку современные научные представления о струк¬турных уровнях организации материи были выработаны в ходе критического переосмысления представлений классической науки, применимых только к объектам макроуровня, то начи¬нать исследование нужно с концепций классической физики».
Формирование научных взглядов на строение материи от¬носится к XVI в., когда Г. Галилеем была заложена основа пер¬вой в истории науки физической картины мира — механиче¬ской. Он не просто обосновал гелиоцентрическую систему Н. Коперника и открыл закон инерции, а разработал методо¬логию нового способа описания природы — научно-теорети¬ческого. Суть его заключалась в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, кото¬рые становились предметом научного исследования. Галилей писал: «Никогда я не стану от внешних тел требовать чего-либо иного, чем величина, фигура, количество и более или менее быстрого движения для того, чтобы объяснить возникновение вкуса, запаха и звука». Выделение отдельных характеристик объекта позволяло строить теоретические модели и проверять их в условиях научного эксперимента. Эта методологическая концепция, впервые сформулированная Галилеем в труде «Пробирные весы», оказала решающее влияние на становление классического естествознания.
И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небес¬ных тел, и движение земных объектов одними и теми же зако¬нами. Природа рассматривалась как сложная механическая система.
В рамках механической картины мира, разработанной И. Ньютоном и его последователями, сложилась дискретная (кор¬пускулярная) модель реальности. Материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц — атомов или корпускул. Атомы абсолютно прочны, неделимы, непроницаемы, характеризуются наличием массы и веса.
Существенной характеристикой ньютоновского мира было трехмерное пространство евклидовой геометрии, которое абсо¬лютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представ¬лялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи.
Движение рассматривалось как перемещение в пространст¬ве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. Считалось, что все физические процессы можно све¬сти к перемещению материальных точек под действием силы тяготения, которая является дальнодействующей.
Философское обоснование механическому пониманию при¬роды дал Р. Декарт с его концепцией абсолютной дуальности (независимости) мышления и материи, из которой следовало, что мир можно описать совершенно объективно, без учета чело¬века-наблюдателя. Это убеждение, глубоко созвучное взглядам Ньютона, на десятилетия вперед определило направленность развития естественных наук.
Итогом ньютоновской картины мира явился образ Все¬ленной как гигантского и полностью детерминированного механизма, где события и процессы являют собой цепь взаимозависимых причин и следствий. Отсюда и вера в то, что теоретически можно точно реконструировать любую про¬шлую ситуацию во Вселенной или предсказать будущее с аб¬солютной определенностью. И.Р. Пригожий назвал эту веру в безграничную предсказуемость «основополагающим мифом классической науки».
Механистический подход к описанию природы оказался не¬обычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и целый ряд других, в русле которых физика достигла огромных успехов. Однако были две области — оптических и электромагнитных явлений, которые не могли быть полностью объяснены в рам¬ках механистической картины мира.
Разрабатывая оптику, И. Ньютон, следуя логике своего учения, считал свет потоком материальных частиц — кор¬пускул. В корпускулярной теории света И. Ньютона утвер¬ждалось, что светящиеся тела излучают мельчайшие части¬цы, которые движутся в согласии с законами механики и вызывают ощущение света, попадая в глаз. На базе этой теории И. Ньютоном было дано объяснение законам отра¬жения и преломления света.
Наряду с механической корпускулярной теорией, осуществлялись попытки объяснить оптические явления принципиально иным путем, а именно на основе волновой теории, сформулированной X. Гюйгенсом. Волновая теория устанавливала анало¬гию между распространением света и движением волн на по¬верхности воды или звуковых волн в воздухе. В ней предпола¬галось наличие упругой среды, заполняющей все пространство, — светоносного эфира. Распространение света рассматривалось как распространение колебаний эфира: каждая отдельная точка эфира колеблется в вертикальном направлении, а колебания всех точек создают картину волны, которая перемещается в пространстве от одного момента времени к другому. Главным аргументом в пользу своей теории X. Гюйгенс считал тот факт, что два луча света, пересекаясь, пронизывают друг друга без каких-либо помех в точности, как два ряда волн на воде.
Согласно же корпускулярной теории, между пучками излу¬ченных частиц, каковыми является свет, возникали бы столк¬новения или, по крайней мере, какие-либо возмущения. Исхо¬дя из волновой теории X. Гюйгенс успешно объяснил отраже¬ние и преломление света.
Однако против нее существовало одно важное возражение. Как известно, волны обтекают препятствия. А луч света, рас¬пространяясь по прямой, обтекать препятствия не может. Если на пути луча света поместить непрозрачное тело с резкой гра¬нью, то его тень будет иметь резкую границу. Однако это воз¬ражение вскоре было снято благодаря опытам Гримальди. При более тонком наблюдении с использованием увеличительных линз обнаруживалось, что на границах резких теней можно ви¬деть слабые участки освещенности в форме перемежающихся светлых и темных полосок или ореолов. Это явление было на¬звано дифракцией света. Именно открытие дифракции сделало X. Гюйгенса ревностным сторонником волновой теории света. Однако авторитет И. Ньютона был настолько высок, что кор¬пускулярная теория воспринималась безоговорочно даже не¬смотря на то, что на ее основе нельзя было объяснить явление дифракции.
Волновая теория света была вновь выдвинута в первые де¬сятилетия XIX в. английским физиком Т. Юнгом и французским естествоиспытателем О.Ж. Френелем. Т.Юнг дал объясне¬ние явлению интерференции, т.е. появлению темных полосок при наложении света на свет. Суть ее можно описать с помо¬щью парадоксального утверждения: свет, добавленный к свету, не обязательно дает более сильный свет, но может давать более слабый и даже темноту. Причина этого заключается в том, что согласно волновой теории, свет представляет собой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды, или волно¬вое движение. При наложении друг на друга цепочек волн в противоположных фазах, где гребень одной волны совмещается со впадиной другой, они уничтожают друг друга, в результате чего появляются темные полосы.
Явления интерференции и дифракции могли быть объяс¬нены только в рамках волновой теории и не поддавались объяснению на основе механической корпускулярной теории света.
Другой областью физики, где механические модели оказа¬лись неадекватными, была область электромагнитных явлений. Эксперименты английского естествоиспытателя М. Фарадея и теоретические работы английского физика Дж.К. Максвелла окончательно разрушили представления ньютоновской физики о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира.
Явление электромагнетизма открыл датский естествоис¬пытатель Х.К. Эрстед, который впервые заметил магнитное действие электрических токов. Продолжая исследования в этом направлении, М.Фарадей обнаружил, что временное изменение в магнитных полях создает электрический ток. Ос¬мысливая свои эксперименты, он ввел понятие «силовые ли¬нии». М.Фарадей, обладавший талантом экспериментатора и богатым воображением, с классической ясностью представ¬лял себе действие электрических сил от точки к точке в их «силовом поле». На основе своего представления о силовых ли¬ниях он предположил, что существует глубокое родство элек¬тричества и света, и хотел построить и экспериментально обос¬новать новую оптику, в которой свет рассматривался бы как колебания силового поля. Эта мысль была необычайно смела для того времени, но она была достойна исследователя, кото¬рый считал, что только тот находит великое, кто исследует маловероятное.
М. Фарадей пришел к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его рабо¬ты стали исходным пунктом исследований Дж.К. Максвелла, заслуга которого состоит в математической разработке идей М. Фарадея о магнетизме и электричестве. Используя высоко¬развитые математические методы, Максвелл «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. Понятие «поле сил» первоначально складывалось как вспомогательное математическое понятие. Дж.К. Максвелл придал ему физиче¬ский смысл и стал рассматривать поле как самостоятельную физическую реальность: «Электромагнитное поле — это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, нахо¬дящиеся в электрическом или магнитном состоянии». Обоб¬щив установленные ранее экспериментальным путем законы электромагнитных явлений (Кулона, Ампера, Био-Савара) и открытое М. Фарадеем явление электромагнитной индукции, Максвелл чисто математическим путем нашел систему диффе¬ренциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле. Эта система уравнений дает в пределах своей применимости полное описание электромагнитных явлений и представляет собой столь же совершенную и логически стройную теорию, как и система ньютоновской механики.
Из уравнений следовал важнейший вывод о возможности самостоятельного существования поля, не «привязанного» к электрическим зарядам. В дифференциальных уравнениях Мак¬свелла вихри электрического и магнитного полей определяются производными по времени не от своих, а от чужих полей: элек¬трическое — от магнитного и, наоборот, магнитное — от элек¬трического. Поэтому если меняется со временем магнитное по¬ле, то существует и переменное электрическое поле, которое в свою очередь ведет к изменению магнитного поля. В результате происходит постоянное изменение векторов напряженности электрического и магнитного полей, т.е. возникает переменное электромагнитное поле, которое уже не привязано к заряду, а отрывается от него, самостоятельно существуя и распространя¬ясь в пространстве. Вычисленная им скорость распространения электромагнитного поля оказалась равна скорости света. А ис¬ходя из этого Максвелл смог заключить, что световые волны представляют собой электромагнитные волны. Единая сущность света и электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж.К. Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально подтверждена немецким физиком Г. Герцом в 1888 г.
В экспериментах Г. Герца в результате искровых разрядов между двумя заряженными шарами появлялись электромагнит¬ные волны. Когда они падали на круговой проволочный виток, то создавали в нем токи, о появлении которых свидетельство¬вали искры, проскакивающие через разрыв. Г. Герц успешно провел отражение этих волн и их интерференцию, т.е. те явле¬ния, которые характерны для световых волн, а затем измерил длину электромагнитных волн. Зная частоту колебаний, он смог подсчитать скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равна скорости света. Это прямо под¬твердило гипотезу Максвелла.
После экспериментов Г. Герца в физике окончательно ут¬вердилось понятие поля не в качестве вспомогательной матема¬тической конструкции, а как объективно существующей физи¬ческой реальности. Был открыт качественно новый, своеобразный вид материи.
Итак, к концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля.
● Вещество и поле различаются как корпускулярные и волновые сущности: вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно.
● Вещество и поле различаются по своим физическим ха¬рактеристикам: частицы вещества обладают массой по¬коя, а поле — нет.
● Вещество и поле различаются по степени проницаемо¬сти: вещество мало проницаемо, а поле, наоборот, пол¬ностью проницаемо.
● Скорость распространения поля равна скорости света, а скорость движения частиц вещества меньше ее на много порядков.
В результате революционных открытий в физике в конце прошлого и начале нынешнего столетий обнаружилось, что физи¬ческая реальность едина и нет пропасти между веществом и по¬лем: поле, подобно веществу, обладает корпускулярными свой¬ствами, а частицы вещества, подобно полю, — волновыми.
Корпускулярно-волновой дуализм в современной физике
Представления А.Эйнштейна о квантах света, послужившие в 1913 г. отправным пунктом теории Н.Бора, через 10 лет снова оказали плодотворное воздействие на развитие атомной физики. Они привели к идее о «волнах материи» и тем самым заложили основу новой стадии развития квантовой теории.
В 1924 г. произошло одно из величайших событий в истории физики: французский физик Л. де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах материи. В своей работе «Свет и материя» он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением А.Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи.
Л. де Бройль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам.
Согласно де Бройлю, любому телу с массой m, движущемуся со скоростью v, соответствует волна . Фактически аналогичная формула была известна раньше, но только применительно к квантам света – фотонам.
В 1926 г. австрийский физик Э.Шредингер нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера. Английский физик П.Дирак обобщил его.
Смелая мысль Д. де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве. Кванты света становились при этом особым моментом всеобщего строения микромира.
Волны материи, которые первоначально представлялись как наглядно-реальные волновые процессы по типу волн акустики, приняли абстрактно-математический облик и получили благодаря немецкому физику М.Борну символическое значение как «волны вероятности».
Однако гипотеза де Бройля нуждалась в опытном подтверждении. Наиболее убедительным свидетельством существования волновых свойств материи стало обнаружение в 1927 г. дифракции электронов американскими физиками К.Дэвисоном и Д.Джермером. В дальнейшем были выполнены опыты по обнаружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Во всех случаях результаты полностью подтверждали гипотезу де Бройля. Еще более важным было открытие новых элементарных частиц, предсказанных на основе системы формул развития волновой механики.
Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей, установленном немецким физиком В.Гейзенбергом, и принципе дополнительности Н.Бора.
Суть соотношения неопределенностей В.Гейзенберга заключается в следующем. Допустим, ставится задача определить состояние движущейся частицы. Если бы можно было воспользоваться законами классической механики, то ситуация была бы простой: следовала лишь определить координаты частицы и ее импульс (количество движения). Но законы классической механики для микрочастиц применяться не могут: невозможно не только практически, но и вообще с одинаковой точностью установить место и величину движения микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно. В своей книге «Физика атомного ядра» В.Гейзенберг раскрывает содержание соотношения неопределенностей. Он пишет, что никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра – координату и скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направлении она движется. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И, наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы.
С точки зрения классической механики, соотношение неопределенностей представляется абсурдом. Чтобы лучше оценить создавшееся положение, нужно иметь в виду, что мы, люди, живем в макромире и, в принципе, не можем построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру. Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, направленных на точное определение места, напротив, используется волновое объяснение, в частности, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при наблюдении отклонений лучей.
Существование элементарного кванта действия служит препятствием для установления одновременно и с одинаковой точностью величин «канонически связанных», т.е. положения и величины движения частицы.
Фундаментальным принципом квантовой механики, наряду с соотношением неопределенностей, является принцип дополнительности, которому Н.Бор дал следующую формулировку: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Противоречия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов являются результатом неконтролируемого взаимодействия микрообъектов и макроприборов. Имеется два класса приборов: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других – подобно частицам. В экспериментах мы наблюдаем не реальность как таковую, а лишь квантовое явление, включающее результат взаимодействия прибора с микрообъектом. М.Борн образно заметил, что волны и частицы – это «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию.
С теоретической точки зрения, микрообъекты, для которых существенным является квант действия М.Планка, не могут рассматриваться так же, как объекты макромира, ведь для них плановская константа h из-за ее малой величины не имеет значения. В макромире корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как в мире больших тел. Обе «картины» законны, и противоречие между ними снять нельзя. Потому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными. Только при учете обоих аспектов можно получить общую картину микромира.
Исследования последних десятилетий показывают, что корпускулярно-волновая природа (корпускулярно-волновой дуализм) присуща не только свету, но и частицам микромира.
Корпускулярно-волновой дуализм – проявление взаимосвязи двух основных форм материи: вещества и поля.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/ В.Н. Лавриенко, В.П.Ратников, В.Ф.Голубь; Под ред. проф. В.Н.Лавриенко, проф. В.П.Ратникова – М.: Культура и спорт, ЮНИТИ
Основы физики: Учеб. пособие для студентов вузов – 2-е изд., испр. и дополн. – М.:Высш. шк.