Естествознание как наука о Природе. Базовые науки естествознания и их взаимосвязь

В 1926г. Э.Шредингер на основе идей Л. де Бройля построил волновую механику. По его мнению, квантовые процессы — это волновые процессы, поэтому  классический образ материальной точки, занимающей определенное место в  пространстве, адекватен только макропроцессам и совершенно неверен для микромира. В микромире частица существует одновременно и как волна, и как  корпускула. В квантовой механике электрон можно представить как  волну, длина которой зависит  от ее скорости. Уравнение Э.Шредингера описывает движение микрочастиц  в силовых полях и учитывает  их волновые свойства.

На основе этих представлений  в 1927г. был сформулирован принцип  дополнительности, по которому волновые и корпускулярные описания процессов  в микромире не исключают, а взаимно  дополняют друг друга, и только в  единстве дают полное описание. При  точном измерении одной из дополнительных величин другая претерпевает неконтролируемое изменение. Понятия частицы и волны не только дополняют друг друга, но и в то же время противоречат друг другу. Они являются дополняющими картинами происходящего. Утверждение корпускулярно-волнового дуализма стало основой квантовой физики.

В 1927г. немецкий физик В.Гейзенберг пришел к выводу о невозможности  одновременного, точного измерения  координаты частицы и ее импульса, зависящего от скорости, эти величины мы можем определить только с определенной степенью вероятности. В классической физике предполагается, что координаты движущегося объекта можно определить с абсолютной точностью. Квантовая  механика существенно ограничивает эту возможность. В.Гейзенберг в  работе «Физика атомного ядра» изложил  свои идеи.

Вывод В. Гейзенберга получил  название принципа соотношения неопределенностей, который лежит в основе физической интерпретации квантовой механики. Его суть в следующем: невозможно одновременно иметь точные значения разных физических характеристик микрочастицы — координаты и импульса. Если мы получаем точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной, существуют принципиальные ограничения  на измерение физических величин, характеризующих  поведение микрообъекте.

Таким образом, заключил В.Гейзенберг, реальность различается в зависимости  от того, наблюдаем мы ее или нет. «Квантовая теория уже не допускает  вполне объективного описания природы», — писал он. Измерительный прибор влияет на результаты измерения, т.е. в  научном эксперименте влияние человека оказывается неустранимым. В ситуации эксперимента мы сталкиваемся с субъект-объектным единством измерительного прибора и изучаемой реальности.

Важно отметить, что это  обстоятельство не связано с несовершенством  измерительных приборов, а является следствием объективных, корпускулярно-волновых свойств микрообъектов. Как утверждал  физик М. Борн, волны и частицы — это только «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию.

Два фундаментальных принципа квантовой физики — принцип соотношения  неопределенностей и принцип  дополнительности — указывают на то, что наука отказывается от описания только динамических закономерностей. Законы квантовой физики — статистические. Как пишет В.Гейзенберг, «в экспериментах  с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь  же реальны, сколь реальны любые  явления повседневной жизни. Но атомы  или элементарные частицы реальны  не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов». В  дальнейшем квантовая теория стала  базой для ядерной физики, а  в 1928г. П.Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Механика. Основные законы классической механики.

 

Классическая механика - физическая теория, устанавливающая  законы движения макроскопических тел  со скоростями, значительно меньшими скорости света в вакууме.

Классическая механика подразделяется на:

- статику (которая рассматривает равновесие тел)

- кинематику (которая изучает геометрическое свойство движения без рассмотрения его причин)

- динамику (которая рассматривает движение тел).

Основу классической механики составляют три закона Ньютона:

Первый закон Ньютона  постулирует существование особых систем отсчета, называемых интерциальными, в которых любое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока на него не действуют силы со стороны других тел (закон инерции).

Второй закон Ньютона  утверждает, что в инерциальных системах отсчета ускорение любого тела пропорционально  сумме действующих на него сил  и обратно пропорционально массе тела (F = ma).

Третий закон Ньютона  гласит, что при взаимодействии любых  двух тел, они испытывают друг со стороны  друга силы, одинаковые по величине и противоположные по направлению (действие равно противодействию).

Чтобы на базе этих основных законов Ньтоновой механики рассчитывать движение физических тел, их необходимо дополнить описанием сил, возникающих между телами при различных способах взаимодействия. В современной физике рассматривается множество различных сил: гравитации, трения, давления, натяжения, Архимеда, подъемная сила, Кулона (электростатическая), Лоренца (магнитная) и др. Все эти силы зависят от взаимного расположения и скорости взаимодействующих тел.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Классическая механика — вид механики (раздела физики, изучающей законы изменения положений тел и причины, это вызывающие), основанный на 3 законах Ньютона и принципе относительности Галилея. Поэтому её часто называют «Ньютоновской механикой». Важное место в классической механике занимает существование инерциальных систем. Классическая механика подразделяется на статику (которая рассматривает равновесие тел) и динамику (которая рассматривает движение тел). Классическая механика дает очень точные результаты в рамках повседневного опыта. Но для систем, движущихся с большими скоростями, приближающимися к скорости света, более точные результаты дает релятивистская механика, для систем микроскопических размеров — квантовая механика, а для систем, обладающих обеими характеристиками — квантовая теория поля. Тем не менее, классическая механика сохраняет свое значение, поскольку она намного проще в понимании и использовании, чем остальные теории, и в обширном диапазоне она достаточно хорошо приближается к реальности. Классическую механику можно использовать для описания движения таких объектов, как волчок и бейсбольный мяч, многих астрономических объектов (таких, как планеты и галактики), и даже многих микроскопических объектов, таких как органические молекулы. Хотя классическая механика в общих чертах совместима с другими «классическими теориями», такими как классическая электродинамика и термодинамика, в конце 19 века были найдены несоответствия, которые удалось разрешить только в рамках более современных физических теорий. В частности, классическая электродинамика предсказывает, что скорость света постоянна для всех наблюдателей, что трудно совместить с классической механикой, и что привело к необходимости создания специальной теории относительности. При рассмотрении совместно с классической термодинамикой, классическая механика приводит к парадоксу Гиббса в котором невозможно точно определить величину энтропии и к ультрафиолетовой катастрофе, в которой абсолютно чёрное тело должно излучать бесконечное количество энергии. Попытки разрешить эти проблемы привели к развитию квантовой механики.