Контрольная работа по "Концепции современного естествознания"

Министерство образования  Российской Федерации

«Российский государственный  профессионально-педагогический университет»

Институт экономики и  управления

Кафедра общей физики

 

 

 

Контрольная работа по предмету:

«Концепции современного естествознания»

Вариант № 6.

Задание №7, 69.

 

 

Преподаватель: Конев С.Н.

      Студент  гр. ЗАУ 114С : Рудаков П.Б.   

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2009

 

 

 

План:

Задание №7.  Классификация  наук. Фундаментальные и прикладные науки.                                                              Общая систематика этих наук.  

Задание №69. Квантовая механика. В чем сущность этой теории и каковы ее основные положения? Принцип неопределенности В.Гейзенберга (1927г.)  Соотношение  неопределенностей Гейзенберга  (дать его пояснение). Статический ( или вероятностный) метод описания микрообъектов (дать его пояснение). Понятие «взаимно дополнительные величины» (координата частицы и ее импульс, координата и скорость, энергия и время). Принцип дополнительности  Н.Бора (1927г.). Филосовское значение принципа дополнительности  Н.Бора.

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание №7

Классификация наук

Многоступенчатое, разветвленное  деление наук, использующее на разных этапах деления разные основания. Все науки обычно делятся на три группы: естественные науки, социальные и гуманитарные науки, формальные науки.

К естественным наукам относятся физика, химия, науки биологического ряда и др. Некоторые естественные науки, как, напр., космология, рассматривают исследуемые ими объекты в развитии и оказываются, т.о., близкими к гуманитарным наукам, а именно к наукам исторического ряда. Др. естественные науки, как, к примеру, география или физическая антропология, формулируют сравнительные оценки и тяготеют к таким социальным наукам, как социология и экономическая наука. Поле естественных наук является, т.о., весьма разнородным. Различия отдельных естественных наук настолько велики, что невозможно выделить какую-то одну из них в качестве парадигмы «естественно-научного познания». Идея неопозитивизма о том, что физика является тем образцом, на который должны ориентироваться все др. науки (исключая формальные), является контрпродуктивной. Физика не способна служить в качестве образца даже для самих естественных наук. Ни космология, ни биология, ни тем более физическая антропология не похожи в своих существенных чертах на физику. Попытка распространить на эти научные дисциплины методологию физики, взятую в сколь-нибудь полном объеме, не может привести к успеху, тем не менее определенное внутреннее единство естественных наук имеется: они стремятся описывать исследуемые ими фрагменты реальности, а не оценивать их; даваемые данными науками описания обычно формулируются в терминах не абсолютных, а сравнительных понятий (временной ряд «раньше—позже—одновременно», пространственные отношения «ближе—дальше», каузальное отношение, отношение «вероятнее, чем» и т.п.).

В число социальных наук входят экономическая наука, социология, политические науки, социальная психология и т.п. Для этих наук характерно, что они не только описывают, но и оценивают, причем очевидным образом тяготеют не к абсолютным, а к сравнительным оценкам, как и вообще к сравнительным понятиям. К гуманитарным наукам относятся науки исторического ряда, лингвистика (индивидуальная), психология и др. Одни из этих наук тяготеют к чистым описаниям (напр., история), другие — сочетают описание с оценкой, причем предпочитают абсолютные оценки (напр., психология). Гуманитарные науки используют, как правило, не сравнительные, а абсолютные категории (временной ряд «было—есть—будет», пространственные характеристики «здесь—там», понятие предопределенности, или судьбы и т.п.). Область социальных и гуманитарных наук еще более разнородна, чем область естественных наук. Идея отыскать научную дисциплину, которая могла бы служить образцом социогуманитарного познания, нереалистична. История, старающаяся избегать оценок и всегда обсуждающая прошлое только с т.зр. настоящего, не может служить образцом для социологии или экономической науки, включающих явные и неявные сравнительные оценки и использующих временной ряд «раньше—одновременно-позже», не предполагающий «настоящего»; политические науки не способны дать каких-то образцов для психологии или лингвистики и т.д. Поиски парадигмальной социальной или гуманитарной дисциплины еще более утопичны, чем поиски «образцовой» естественной науки.

 

Между собственно социальными  и гуманитарными науками лежат науки, которые можно назвать нормативными: этика, эстетика, искусствоведение и т.п. Эти науки формируют, подобно социальным наукам, оценки (и их частный случай — нормы), однако даваемые ими оценки являются, как правило, не сравнительными, а абсолютными. В использовании абсолютных оценок нормативные науки напоминают собственно гуманитарные науки, всегда рассуждающие в координатах абсолютных категорий.

 
К формальным наукам относятся логика и математика. Их подход к исследуемым объектам настолько абстрактен, что получаемые результаты находят приложение при изучении всех областей реальности.

 
Приведенная К.н. опирается на две оппозиции: «оценка — описание» и «абсолютные понятия — сравнительные понятия». Все науки сначала делятся на естественные науки, тяготеющие к описанию в системе сравнительных категорий, и социальные и гуманитарные науки, тяготеющие к оценке в системе абсолютных категорий; затем последние подразделяются на социальные, нормативные и гуманитарные науки. Такая классификация не является единственно возможной. Существуют многообразные иные основания деления наук.

 

Задание №69.

Квантовая механика (волновая механика) - теория, которая устанавливает  способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих  частицы и системы, с физическими  величинами, непосредственно измеряемыми  на опыте.  

Квантовая механика описывает  законы движения микрочастиц. Однако поскольку  свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием  частиц, из которых они состоят, постольку  квантовая механика применяется  для объяснения многих макроскопических явлений. Например, квантовая механика позволила понять многие свойства твердых  тел, последовательно объяснить такие явления, как ферромагнетизм, сверхтекучесть, сверхпроводимость, понять природу таких астрофизических объектов, как белые карлики, нейтронные звезды, выяснить механизм протекания термоядерных реакций в Солнце и звездах.  

Для классической механики характерно описание частиц путем задания  их положения в пространстве (координат) и скоростей и зависимости  этих величин от времени. Опыт показал, что такое описание частиц не всегда справедливо, в частности, оно не применимо для описания микрочастиц.  

Квантовая механика делится  на нерелятивистскую, справедливую в  случае малых скоростей, и релятивистскую, удовлетворяющую требованиям специальной  теории относительности.  

Нерелятивисткая квантовая  механика (как и механика Ньютона  для своей области применимости) - это законченная и логически  непротиворечивая фундаментальная  физическая теория.  

Релятивистская квантовая  механика не является в такой степени  завершенной и свободной от противоречий теорией.  

Если в нерелятивистской области можно считать, что взаимодействие передается мгновенно на расстоянии, то в релятивистской области оно  распространяется с конечной скоростью, значит, должен существовать агент, передающий взаимодействие - физическое поле. Трудности  релятивистской теории - это трудности  теории поля, с которыми встречается  как релятивистская классическая механика, так и релятивистская квантовая  механика.  

Соотношение между классической и квантовой механикой определяется существованием универсальной мировой  постоянной - постоянной Планка, которая  называется также квантом действия и имеет размерность действия. Если в условиях данной задачи физические величины размерности действия значительно больше постоянной Планка, то применима классическая механика. Формально это условие и является критерием применимости классической механики.  

Общая теория относительности - неквантовая теория. В этом отношении  она подобна классической электродинамике  Максвелла. Однако наиболее общие рассуждения  показывают, что гравитационное поле должно подчиняться квантовым законам  точно так же, как и электромагнитное поле. Применение квантовой теории к гравитации показывает, что гравитационные волны можно рассматривать как  поток квантов - гравитонов.  

Принцип неопределённости Гейзенбе́рга (или Га́йзенберга) — в квантовой механике так называют принцип, дающий нижний (ненулевой) предел для произведения среднеквадратичных отклонений квантовых наблюдаемых.

Обычно принцип неопределённости иллюстрируется следующим образом. Рассмотрим ансамбль невзаимодействующих  эквивалентных частиц, приготовленных в определённом состоянии, для каждой из которых измеряется либо координата q, либо импульс p. При этом результаты измерений будут случайными величинами, среднеквадратичные отклонения которых будут удовлетворять соотношению неопределённостей . Отметим, что, хотя нас интересуют одновременные значения координаты и импульса в данном квантовом состоянии, измерять их у одной и той же частицы нельзя, так как любое измерение изменит её состояние.

В общем смысле, соотношение неопределённости возникает между любыми переменными  состояния, определяемыми некоммутирующими операторами. Это — один из краеугольных камней квантовой механики, который был открыт Вернером Гейзенбергом в 1927 г.

Принцип неопределённости в квантовой механике иногда объясняется таким образом, что измерение координаты обязательно влияет на импульс частицы. По-видимому, сам Гейзенберг предложил это объяснение, по крайней мере первоначально. То, что влияние измерения на импульс несущественно, может быть показано следующим образом: рассмотрим ансамбль (невзаимодействующих) частиц, приготовленных в одном и том же состоянии; для каждой частицы в ансамбле мы измеряем либо импульс, либо координату, но не обе величины. В результате измерения мы получим, что значения распределены с некоторой вероятностью, и для среднеквадратичные отклонения d_p и d_q верно соотношение неопределённости.

Отношения неопределённости Гейзенберга — это теоретический предел точности любых измерений. Они справедливы для так называемых идеальных измерений, иногда называемых измерениями фон Неймана. Они тем более справедливы для неидеальных измерений или измерений Ландау.

Соответственно, любая частица (в  общем смысле, например несущая дискретный электрический заряд) не может быть описана одновременно как «классическая точечная частица» и как волна. (Сам факт того, что какое-либо из этих описаний может быть справедливо, по крайней мере в отдельных случаях, называют корпускулярно-волновым дуализмом). Принцип неопределённости, в виде, первоначально предложенном Гейзенбергом, верен в случае, когда ни одно из этих двух описаний не является полностью и исключительно подходящим, например частица в коробке с определённым значением энергии; то есть для систем, которые не характеризуются ни каким-либо определённым «положением» (какое-либо определённое значение расстояния от потенциальной стенки), ни определённым значением импульса (включая его направление).

Существует точная, количественная аналогия между отношениями неопределённости Гейзенберга и свойствами волн или сигналов. Рассмотрим переменный во времени сигнал, например звуковую волну. Бессмысленно говорить о частотном спектре сигнала в какой-либо момент времени. Для точного определения частоты необходимо наблюдать за сигналом в течение некоторого времени, таким образом теряя точность определения времени. Другими словами, звук не может иметь и точного значения времени, как например короткий импульс, и точного значения частоты, как, например, в непрерывном чистом тоне. Временно́е положение и частота волны во времени походят на координату и импульс частицы в пространстве.

Если приготовлены несколько идентичных копий системы в данном состоянии, то измеренные значения координаты и  импульса будут подчиняться определённому распределению вероятности — это фундаментальный постулат квантовой механики. Измеряя величину среднеквадратического отклонения Δx координаты и среднеквадратического отклонения Δp импульса, мы найдем что:

,

где  — постоянная Планка. В некоторых случаях «неопределённость» переменной определяется как наименьшая ширина диапазона, который содержит 50 % значений, что, в случае нормального распределения переменных, приводит для произведения неопределённостей к большей нижней границе . Отметьте, что это неравенство даёт несколько возможностей — состояние может быть таким, что x может быть измерен с высокой точностью, но тогда p будет известен только приблизительно, или наоборот p может быть определён точно, в то время как x — нет. Во всех же других состояниях, и x и p могут быть измерены с «разумной» (но не произвольно высокой) точностью.

В повседневной жизни мы обычно не наблюдаем неопределённость потому, что значение чрезвычайно мало.

Принцип дополнительности.

В 1927 году Нильс Бор дал формулировку одного из важнейших принципов квантовой механики — принципа дополнительности. Согласно этому принципу, для полного описания квантовомеханических явлений необходимо применять два взаимоисключающих («дополнительных») набора классических понятий, совокупность которых даёт исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Например, дополнительными в квантовой механике являются пространственно-временная и энергетически-импульсная картины.

Этот принцип получил широкое  распространение. Его пытаются применять  в психологии, биологии, этнографии, лингвистике и даже в литературе.

Принцип дополнительности лёг в основу так называемой копенгагенской интерпретации квантовой механики^[42] и анализа процесса измерения^[43] характеристик микрообъектов. Согласно этой интерпретации, заимствованные из классической физики динамические характеристики микрочастицы (её координата, импульс, энергия и др.) вовсе не присущи частице самой по себе. Смысл и определённое значение той или иной характеристики электрона, например, его импульса, раскрываются во взаимосвязи с классическими объектами, для которых эти величины имеют определённый смысл и все одновременно могут иметь определённое значение (такой классический объект условно называется измерительным прибором). Роль принципа дополнительности оказалась столь существенной, что Паули даже предлагал назвать квантовую механику «теорией дополнительности» по аналогии с теорией относительности^[44].