Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контрольная работа

Микромир: концепции современной физики

Введение

Микромир - это мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов. (Пространственная размерность, которых исчисляется от 10-8 до 10-16 см, а время жизни - от бесконечности до 10-24 с.)

Квантовая механика (волновая механика) - это теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне.

Изучение явлений микромира привело к результатам, которые резко расходились с общепринятыми в классической физике и даже теории относительности. Классическая физика видела свою цель в описании объектов, существующих в пространстве, и в формулировке законов, управляющих их изменениями во времени. Но для таких явлений, как радиоактивный распад, дифракция, испускание спектральных линий, можно утверждать лишь, что имеется некоторая вероятность того, что индивидуальный объект таков и он имеет такое-то свойство. В квантовой механике нет места для законов, управляющих изменениями отдельного объекта во времени.

Для классической механики характерно описание частиц путем задания их положения и скоростей и зависимости этих величин от времени. В квантовой механике одинаковые частицы в одинаковых условиях могут вести себя по-разному.

1. Микромир: концепции современной физики описания микромира

При переходе к исследованию микромира обнаружилось, что физическая реальность едина и нет пропасти между веществом и полем.

Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксальной с точки зрения классической науки ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства.

Первый шаг в этом направлении был сделан немецким физиком М. Планком. Как известно, в конце XIX в. в физике возникла трудность, которая получила название «ультрафиолетовой катастрофы». В соответствии с расчетами по формуле классической электродинамики интенсивность теплового излучения абсолютно черного тела должна была неограниченно возрастать, что явно противоречило опыту. В процессе работы по исследованию теплового излучения, которую М. Планк назвал самой тяжелой в своей жизни, он пришел к ошеломляющему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в известных неделимых порциях -- квантах. Энергия квантов определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под символом h: Е= h у.

Если введение кванта еще не создало настоящей квантовой теории, как неоднократно подчеркивал М. Планк, то все же 14 декабря 1900 г., в день опубликования формулы, был заложен ее фундамент. Поэтому в истории физики этот день считается днем рождения квантовой физики. А поскольку понятие элементарного кванта действия служило в дальнейшем основой для понимания всех свойств атомной оболочки и атомного ядра, то 14 декабря 1900 г. следует рассматривать и как день рождения всей атомной физики и начало новой эры естествознания.

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия и творчески развил его, был А. Эйнштейн. В 1905 г. он перенес гениальную идею квантованного поглощения и отдачи энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете.

Представление о свете как о потоке быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, почти дерзким, в правильность которого вначале поверили немногие. Прежде всего, с расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассматриваемым им законам теплового излучения черного тела.

А. Эйнштейн предположил, что речь идет о естественной закономерности всеобщего характера. Не оглядываясь на господствующие в оптике взгляды, он применил гипотезу Планка к свету и пришел к выводу, что следует признать корпускулярную структуру света.

Квантовая теория света, или фотонная теория А Эйнштейна, утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. И вместе с тем световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывную структуру. Свет может рассматриваться как поток неделимых энергетических зерен, световых квантов, или фотонов. Их энергия определяется элементарным квантом действия Планка и соответствующим чис100 лом колебаний. Свет различной окраски состоит из световых квантов различной энергии.

Эйнштейновское представление о световых квантах помогло понять и наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется не интенсивностью падающей волны, а ее частотой. Если предположить, что каждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее: эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота, достаточно велика для преодоления сил связи электрона с веществом.

Правильность такого толкования фотоэлектрического эффекта (за эту работу Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике) через 10 лет получила подтверждение в экспериментах американского физика Р.Э. Милликена. Открытое в 1923 г. американским физиком А.Х. Комптоном явление (эффект Комптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило квантовую теорию света. Эта теория относится к наиболее подтвержденным экспериментально физическим теориям. Но волновая природа света была уже твердо установлена опытами по интерференции и дифракции.

Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его волновые свойства, а при фотоэффекте -- корпускулярные. При этом фотон оказался корпускулой совершенно особого рода. Основная характеристика его дискретности -- присущая ему порция энергии -- вычислялась через чисто волновую характеристику -- частоту у (Е= Ну).

Как и все великие естественно-научные открытия, новое учение о свете имело фундаментальное теоретико-познавательное значение. Старое положение о непрерывности природных процессов, которое было основательно поколеблено М. Планком, Эйнштейн исключил из гораздо более обширной области физических явлений.

Развивая представления М. Планка и А. Эйнштейна, французский физик Луи де Брошь в 1924 г.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 т, движущемуся со скоростью V, соответствует волна:

Фактически аналогичная формула была известна раньше, но только применительно к квантам света -- фотонам.

микромир квантовый механический генетика физика

2. Взгляды М. Планка, Луи Де Бройля, Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н.Бора и др. на природу микромира

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 Л. 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. Дэвиссоном и Л. 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 развитой волновой механики.

Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим. 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, разрушал 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.

Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории произошло благодаря работам немецкого физика В. Гейзенберга, установившего принцип неопределенности? и датского физика Н. Бора, сформулировавшего принцип дополнительности, на основании которых описывается поведение микрообъектов.

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: следовало 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 отклонения 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: «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего»1.

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.

Ученый, исследующий микромир, превращается, таким образом, из наблюдателя в действующее лицо, поскольку физическая реальность зависит от прибора, т.е. в конечном счете от произвола наблюдателя. Поэтому Н. Бор и считал, что физик познает не саму реальность, а лишь собственный контакт с ней.

Существенной чертой квантовой механики является вероятностный характер предсказаний поведения микрообъектов, которое описывается при помощи волновой функции Э. Шредингера. Волновая функция определяет параметры будущего состояния микрообъекта с той или иной степенью вероятности. Это означает, что при проведении одинаковых опытов с одинаковыми объектами каждый раз будут получаться разные результаты. Однако некоторые значения будут более вероятными, чем другие, т.е. будет известно лишь вероятностное распределение значений.

С учетом факторов неопределенности, дополнительности и вероятности Н. Бор дал так называемую «копенгагенскую» интерпретацию сути квантовой теории: «Раньше было принято считать, что физика описывает Вселенную. Теперь мы знаем, что физика описывает лишь то, что мы можем сказать о Вселенной»1.

Позицию Н. Бора разделяли В. Гейзенберг, М. Борн, В. Паули и ряд других менее известных физиков. Сторонники копенгагенской интерпретации квантовой механики не признавали причинность или детерминизм в микромире и считали, что в основе физической реальности лежит фундаментальная неопределенность -- индетерминизм.

Представителям копенгагенской школы резко возражали Г.А. Лоренц, М. Планк, М. Лауэ, А. Эйнштейн, П. Ланжевен и др. А. Эйнштейн писал по этому поводу М. Борну: «В наших научных взглядах мы развились в антиподы. Ты веришь в играющего в кости Бога, а я -- в полную закономерность объективно сущего... В чем я твердо убежден, так это в том, что в конце концов остановятся на теории, в которой закономерно связанными будут не вероятности, но факты»2. Он выступал против принципа неопределенности, за детерминизм, против той роли, которую в квантовой механике отводят акту наблюдения. Дальнейшее развитие физики показало правоту Эйнштейна, который считал, что квантовая теория в существующем виде просто является незаконченной: то, что физики пока не могут избавиться от неопределенности, свидетельствует не об ограниченности научного метода, как утверждал Н. Бор, а лишь о незавершенности квантовой механики. Эйнштейн приводил все новые и новые аргументы в подтверждение своей точки зрения.

Наиболее известен так называемый парадокс Эйнштейна -- Подольского -- Розена, или ЭПР-парадокс, при помощи которого они хотели доказать незавершенность квантовой механики. Парадокс представляет собой мысленный эксперимент: что случится, если состоящая из двух протонов частица распадется так, что протоны разлетятся в противоположные стороны? Из-за общности происхождения их свойства связаны или, как говорят физики, коррелируют друг с другом. По закону сохранения импульса, если один протон полетит вверх, то второй -- обязательно вниз. Измерив импульс одного протона, мы обязательно узнаем и импульс другого, даже если он улетел на другой конец Вселенной. Между частицами существует нелокальная связь, которую Эйнштейн назвал «действием призраков на расстоянии», при котором каждая частица в каждый любой момент времени знает, где находится другая и что с ней происходит.

ЭПР-парадокс несовместим с неопределенностью, постулируемой в квантовой механике. Эйнштейн считал, что есть какие-то скрытые параметры, которые не учтены. Вопросы: существует ли детерминизм и причинность в области микромира; полна ли квантовая механика; существуют ли скрытые параметры, которые она не учитывает, были предметом дискуссий физиков более полувека и нашли свое разрешение на теоретическом уровне только в конце XX в.

В 1964 г. Дж.С. Бела обосновал положение, согласно которому квантовая механика предсказывает более сильную корреляцию между взаимно связанными частицами, чем та, о которой говорил Эйнштейн.

Теорема Белла утверждает: если некоторая объективная Вселенная существует и если уравнения квантовой механики структурно подобны этой Вселенной, то между двумя частицами, когда-либо входившими в контакт, существует некоторый вид нелокальной связи1. Суть теоремы Белла заключается в том, что не существует изолированных систем: каждая частица Вселенной находится в «мгновенной» связи со всеми остальными частицами. Вся система, даже если ее части разделены огромными расстояниями и между ними отсутствуют сигналы, поля, механические силы, энергия и т.д., функционирует как единая система.

В середине 80-х годов А. Аспект (Парижский университет) проверил эту связь экспериментально, изучая поляризацию пар фотонов, испускаемых одним источником в направлении изолированных детекторов. При сравнении результатов двух серий измерений между ними обнаружилась согласованность. С точки зрения известного физика Д. Бома, эксперименты А. Аспекта подтвердили теорему Белла и поддержали позиции нелокальных скрытых переменных, существование которых предположил А. Эйнштейн. В трактовке квантовой механики Д. Бомом нет неопределенности координат частицы и ее импульса.

Учеными было высказано предположение, что связь осуществляется через передачу информации, носителями которой выступают особые поля.

3. Волновая генетика

Открытия, сделанные в квантовой механике, оказали плодотворное воздействие не только на развитие физики, но и на другие области естествознания, прежде всего на биологию, в рамках которой была разработана концепция волновой, или квантовой, генетики.

Когда в 1962 г. Дж. Уотсон, А. Уилсон и Ф. Крик получили Нобелевскую премию за открытие двойной спирали ДНК, несущей наследственную информацию, то генетикам показалось, что основные проблемы передачи генетической информации близки к разрешению. Вся информация записана в генах, совокупность которых в клеточных хромосомах определяет программу развития организма. Ставилась задача расшифровки генетического кода, под которым понималась вся последовательность нуклеотидов в ДНК.

Однако действительность не оправдала ожиданий ученых. После открытия структуры ДНК и детального рассмотрения участия этой молекулы в генетических процессах основная проблема феномена жизни -- механизмы ее воспроизведения -- осталась, по сути, нераскрытой. Расшифровка генетического кода дала возможность объяснить синтез белков. Классические генетики исходили из того, что генетические молекулы, ДНК, имеют вещественную природу и работают как вещество, представляя собой вещественную матрицу, на которую записан вещественный генетический код. В соответствии с ним нарабатывается плотский, вещественный и материальный организм. Но вопрос о том, каким образом в хромосомах кодируется пространственно-временная структура организма, на основе знания последовательности нуклеотидов решить нельзя. Советскими учеными А.А. Любищевым и А.Г. Гурвичем еще в 20--30-е годы была высказана мысль о том, что рассмотрение генов как чисто вещественных структур явно недостаточно для теоретического описания феномена жизни.

А.А. Любищев в своем труде «О природе наследственных факторов», изданном в 1925 г., писал о том, что гены не являются ни кусками хромосомы, ни молекулами автокаталитических ферментов, ни радикалами, ни физической структурой. Он считал, что нужно признать ген как потенциальную субстанцию. Лучшему пониманию идей А.А. Любищева способствует аналогия генетической молекулы с нотной записью. Нотная запись сама по себе вещественна и представляет собой значки на бумаге, но реализуются эти значки не в вещественном виде, а в звуках, которые являются акустическими волнами.

Развивая эти идеи, А.Г. Гурвич утверждал, что в генетике «необходимо ввести понятие биологического поля, свойства которого формально заимствованы из физических представлений»1. Главная идея А.Г. Гурвича заключалась в том, что развитие эмбриона происходит по заранее установленной программе и принимает те формы, которые уже имеются в его поле. Он первый объяснил поведение компонентов развивающегося организма как целого на основе полевых представлений. Именно в поле содержатся формы, принимаемые эмбрионом в процессе развития. Виртуальную форму, определяющую результат процесса развития в любой его момент, Гурвич назвал динамически преформированной формой и тем самым ввел в первоначальную формулировку поля элемент телеологии. Разработав теорию клеточного поля, он распространил идею поля как принципа, регулирующего и координирующего эмбриональный процесс, также и на функционирование организмов. Обосновав общую идею поля, Гурвич сформулировал ее как универсальный принцип биологии. Им было открыто биофотонное излучение клетки.

Идеи русских биологов А.А. Любищева и А.Г. Гурвича являются гигантским интеллектуальным достижением, опередившим свое время. Суть их мыслей заключена в триаде:

Гены дуалистичны -- они вещество и поле одновременно.

Полевые элементы хромосом размечают пространство -- время организма -- и тем самым управляют развитием биосистем.

Гены обладают эстетически-образной и речевой регулятор-ными функциями.

Эти идеи оставались недооцененными вплоть до появления работ В.П. Казначеева в 60-е годы XX в., в которых экспериментально были подтверждены предвидения ученых о наличии полевых форм передачи информации в живых организмах. Научное направление в биологии, представленное школой В.П. Казначеева, сформировалось как результат многочисленных фундаментальных исследований по так называемому зеркальному цитопатическо-му эффекту, выражавшемуся в том, что живые клетки, разделенные кварцевым стеклом, не пропускающим ни единой молекулы вещества, тем не менее обмениваются информацией. После работ В.П. Казначеева существование волнового знакового канала между клетками биосистем уже не вызывало сомнения.

Одновременно с экспериментами В.П. Казначеева китайский исследователь Цзян Каньчжен провел серию супергенетических экспериментов, которые перекликались с предвидением А.Л. Любищева и А.Г. Гурвича. Отличие работ Цзян Каньчжена в том, что он проводил эксперименты не на клеточном уровне, а на уровне организма. Он исходил из того, что ДНК -- генетический материал -- существует в двух формах: пассивной (в виде ДНК) и активной (в виде электромагнитного поля). Первая форма сохраняет генетический код и обеспечивает стабильность организма, а вторая в состоянии его изменить путем воздействия на него биоэлектрическими сигналами. Китайский ученый сконструировал аппаратуру, которая была способна считывать, передавать на расстояние и вводить волновые супергенетические сигналы с биосистемы-донора в организм-акцептор. В результате он вывел немыслимые гибриды, «запрещенные» официальной генетикой, которая оперирует понятиями только вещественных генов. Так появились на свет животные и растительные химеры: куро-утки; кукуруза, из початков которой росли пшеничные колосья, и т.д.

Выдающийся экспериментатор Цзян Каньчжен интуитивно понимал некоторые стороны фактически созданной им экспериментальной волновой генетики и считал, что носителями полевой геноинформации являются сверхвысокочастотные электромагнитные излучения, используемые в его аппаратуре, однако теоретического обоснования он дать не смог.

После экспериментальных работ В.П. Казначеева и Цзян Каньчжена, которые не могли быть объяснены в терминах традиционной генетики, возникла настоятельная необходимость в теоретическом развитии модели волнового генома, в физико-математическом и теоретико-биологическом осмыслении работы хромосомы ДНК в полевом и вещественном измерении.

Первые попытки решить эту проблему предприняли российские ученые П.П. Гаряев, А.А. Березин и А.А. Васильев, которыми были поставлены следующие задачи:

показать возможность дуалистической трактовки работы генома клетки на уровнях вещества и поля в рамках физико-математических моделей;

показать возможность обычных и «аномальных» режимов работы генома клетки с использованием фантомно-волновых образно-знаковых матриц;

*найти экспериментальные доказательства правильности предлагаемой теории.

В рамках теории, разработанной ими, получившей название волновой генетики, было выдвинуто, обосновано и экспериментально подтверждено несколько основных положений, которые значительно расширили понимание феномена жизни и процессов, происходящих в живой материи.

*Гены -- не только вещественные структуры, но и волновые
матрицы, по которым, как по шаблонам, строится организм.

Взаимная передача информации между клетками, помогающая формироваться организму как целостной системе и корректировать слаженную работу всех систем организма, происходит не только химическим путем -- синтезом разнообразных ферментов и других «сигнальных» веществ. П.П. Гаряев предположил, а затем экспериментально доказал, что клетки, их хромосомы, ДНК, белки передают информацию с помощью физических полей -- электромагнитными и акустическими волнами и трехмерными голограммами, читаемыми лазерным хромосомным светом и излучающими этот свет, который трансформируется в радиоволны и передает наследственную информацию в пространстве организма. Геном высших организмов рассматривается как биоголографический компьютер, формирующий пространственно-временную структуру биосистем. В качестве носителей полевых матриц, по которым строится организм, выступают волновые фронты, задаваемые геноголограммами, и так называемые солитоны на ДНК -- особый вид акустических и электромагнитных полей, продуцируемых генетическим аппаратом самого организма и способных к посредническим функциям по обмену стратегической регуляторной информацией между клетками, тканями и органами биосистемы.

В волновой генетике были подтверждены идеи Гурвича -- Любищева -- Казначеева -- Цзян Каньчжена о полевом уровне гено-информации. Иными словами, дуализм совмещающего единства «волна -- частица» или «вещество -- поле», принятый в квантовой электродинамике, оказался применимым и в биологии, что и предсказывали в свое время АГ. Гурвич и АА. Любищев. Ген-вещество и ген-поле не исключают друг друга, но взаимно дополняют.

Живая материя состоит из неживых атомов и элементарных частиц, которые совмещают в себе фундаментальные свойства волны и частицы, но эти же свойства используются биосистемами в качестве основы для волнового энергоинформационного обмена. Иначе говоря, генетические молекулы излучают информационно-энергетическое поле, в котором закодирован весь организм, его физическое тело и душа.

*Гены -- это не только то, что составляет так называемый генети
ческий код, но и вся остальная, большая часть ДНК, которая раньше
считалась бессмысленной.

Но именно эта большая часть хромосом анализируется в рамках волновой генетики как главная «интеллектуальная» структура всех клеток организма: «Некодирующие регионы ДНК -- это не просто junk (мусор), а структуры, предназначенные для каких-то целей с неясным пока назначением... некодирующие после-довательности ДНК (а это 95--99% генома) являются стратегическим информационным содержанием хромосом... Эволюция биосистем создала генетические тексты и геном -- биокомпьютер -- биокомпьютер как квазиразумный «субъект», на своем уровне «читающий и понимающий» эти «тексты»1. Этот компонент генома, который получил название супергено-континуум, т.е. сверхген, обеспечивает развитие и жизнь человека, животных, растений, а также программирует естественное умирание. Между генами и супергенами нет резкой и непреодолимой границы, они действуют как единое целое. Гены дают материальные «реплики» в виде РНК и белков, а супергены преобразуют внутренние и внешние поля, формируя из них волновые структуры, в которых кодируется информация. Генетическая общность людей, животных, растений, простейших состоит в том, что на уровне белков эти варианты практически не отличаются или слабо отличаются у всех организмов и кодируются генами, составляющими всего несколько процентов общей длины хромосомы. Но они отличаются на уровне «мусорной части» хромосом, составляющей почти всю их длину.

*Собственной информации хромосом недостаточно для развития
организма. Хромосомы по некоторому измерению обращены в физиче
ский вакуум, дающий главную часть информации для развития эм
бриона. Генетический аппарат способен сам и с помощью вакуума
генерировать командные волновые структуры типа голограмм, обеспе
чивающих развитие организма.

Значительными для более глубокого понимания жизни как кос-мо-планетарного явления стали экспериментальные данные, полученные П.П. Гаряевым, которые доказали недостаточность генома клетки для полноценного воспроизведения программы развития организма в условиях биополевой информационной изоляции. Эксперимент состоял в том, что было построено две камеры, в каждой из которых созданы все природные условия для развития головастиков из лягушачьей икры -- необходимый состав воздуха и воды, температура, режим освещения, прудовой ил и т.д. Различия заключались лишь в том, что одна камера была сделана из перма-лоя -- материала, не пропускающего электромагнитные волны, а вторая -- из обычного металла, который для волн не помеха. В каждую камеру было помещено равное количество оплодотворенной лягушачьей икры. В результате эксперимента в первой камере появились сплошь уроды, которые через несколько дней погибли, во второй камере в положенный срок вылупились и нормально развились головастики, превратившиеся потом в лягушек.

Ясно, что для нормального развития головастиков в первой камере им не хватало какого-то фактора, несущего недостающую часть наследственной информации, без которой организм не может быть «собран» в полном виде. А так как стенки первой камеры отсекали головастиков только от излучений, которые свободно пронизывали вторую камеру, то естественно предположить, что фильтрация или искажение естественного информационного фона вызывает уродство и гибель эмбрионов. Это означает, что коммуникации генетических структур с внешним информационным полем, безусловно, необходимы для гармоничного развития организма. Внешние (экзобиологические) полевые сигналы несут дополнительную, а может быть, и главную информацию в гено-континуум Земли.

* Тексты ДНК и голограммы хромосомного континуума могут читаться в многомерном пространственно-временном и семантическом вариантах. Существуют волновые языки генома клеток, сходные с человеческими.

Особого внимания заслуживает в волновой генетике обоснование единства фрактальной (повторяющей самою себя в разных масштабах) структуры последовательностей ДНК и человеческой речи. То, что четыре буквы генетического алфавита (аденин, гуанин, цитозин, тимин) в ДНК-текстах образуют фрактальные структуры, было обнаружено еще в 1990 г. и не вызвало особой реакции. Однако открытие геноподобных фрактальных структур в человеческой речи явилось неожиданностью и для генетиков и для лингвистов. Стало очевидно, что принятое и уже привычное сравнение ДНК с текстами, носившее метафорический характер после открытия единства фрактальной структуры и человеческой речи, вполне оправдано.

Совместно с сотрудниками Математического института РАН группа П.П. Гаряева разработала теорию фрактального представления естественных (человеческих) и генетических языков. Практическая проверка этой теории в области «речевых» характеристик ДНК показала стратегически верную ориентацию исследований.

Так же, как и в экспериментах Цзян Каньчжена, группой П.П. Гаряева был получен эффект трансляции и введения волновой супергенетической информации от донора к акцептору. Были созданы устройства -- генераторы солитонных полей, в которые можно было вводить речевые алгоритмы, например, на русском или английском языках. Такие речевые структуры превращались в солитонные модулированные поля -- аналоги тех, которыми оперируют клетки в процессе волновых коммуникаций. Организм и его генетический аппарат «узнает» такие «волновые фразы» как свои собственные и поступает в соответствии с введенными человеком извне речевыми рекомендациями. Удалось, например, создавая определенные речевые, вербальные алгоритмы, восстановить радиационно поврежденные семена пшеницы и ячменя. Причем семена растений «понимали» эту речь вне зависимости от того, на каком языке она произносилась -- русском, немецком или английском. Эксперименты были проведены на десятках тысяч клеток.

Для проверки эффективности стимулирующих рост волновых программ в контрольных экспериментах в геном растений через генераторы вводили бессмысленные речевые псевдокоды, которые никак не влияли на обмен веществ растений, в то время как смысловое вхождение в биополевые семантические пласты генома растений давало эффект резкого, но кратковременного ускорения роста.

Распознавание геномами растений человеческой речи (вне зависимости от языка) полностью соответствует положению лингвистической генетики о существовании праязыка генома биосистем на ранних этапах их эволюции, общего для всех организмов и сохранившегося в общей структуре генофонда Земли. Здесь видно соответствие идеям классика структурной лингвистики Н. Хомского, считавшего, что все естественные языки имеют глубинную врожденную универсальную грамматику, инвариантную для всех людей и, вероятно, для их собственных супергенетических структур.

Заключение

Принципиально новыми моментами в исследовании микромира стали:

· Каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами.

· Вещество может переходить в излучение (аннигиляция частицы и античастицы дает фотон, т.е. квант света).

· Можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью.

· Прибор, исследующий реальность, влияет на нее.

· Точное измерение возможно только при излучении потока частиц, но не одной частицы.

Список литературы

1. П.П. Горяев, «Волновой генетический код», М., 1997.

2. Г. Идлис, «Революция в астрономии, физике и космологии», М., 1985.

3. А.А. Горелов. «Концепции современного естествознания»курс лекций,

4. Москва «Центр»2001г.

5. В.И. Лавриненко, В.П. Ратников, «Концепции современного естествознания», М., 2000.

6. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов / Под ред. проф. В.Н. Лавриненко, проф. В.П. Ратникова. -- 3-е изд., перераб. и доп. -- М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Теория атомно-молекулярного строения мира. Объекты микромира: электрон, фундаментальные частицы, фермионы, лептоны, адроны, атомом, ядром атома и молекула. Разработка квантовой механики и явлений микромира. Концепции микромира и квантовая механика.

реферат , добавлен 26.07.2010


Возникновение неклассических представлений в физике. Волновая природа электрона. Эксперимент Дэвиссона и Джермера (1927 г.). Особенности квантово-механического описания микромира. Матричная механика Гейзенберга. Электронное строение атомов и молекул.

презентация , добавлен 22.10.2013


История зарождения квантовой теории. Открытие эффекта Комптона. Содержание концепций Резерфорда и Бора относительно строения атома. Основные положения волновой теории Бройля и принципа неопределенности Гейзенберга. Корпускулярно-волновой дуализм.

реферат , добавлен 25.10.2010


Физические представления античности и Средних веков. Развитие физики в Новое время. Переход от классических к релятивистским представлениям в физике. Концепция возникновения порядка из хаоса Эмпедокла и Анаксагора. Современная физика макро- и микромира.

реферат , добавлен 27.12.2016


История развития квантовой теории. Квантово-полевая картина мира. Основные принципы квантово-механического описания. Принцип наблюдаемости, наглядность квантово-механических явлений. Соотношение неопределенностей. Принцип дополнительности Н. Бора.

реферат , добавлен 22.06.2013


Тепловое излучение, квантовая гипотеза Планка. Квантовые свойства электромагнитного излучения. Формула Эйнштейна для фотоэффекта. Корпускулярно-волновой дуализм материи. Соотношения неопределенностей Гейзенберга. Стационарное уравнение Шредингера.

учебное пособие , добавлен 06.05.2013


Основные представители физики. Основные физические законы и концепции. Концепции классического естествознания. Атомистическая концепция строения материи. Формирование механической картины мира. Влияние физики на медицину.

реферат , добавлен 27.05.2003


Физический смысл волн де Бройля. Соотношение неопределенности Гейзенберга. Корпускулярно-волновая двойственность свойств частиц. Условие нормировки волновой функции. Уравнение Шредингера как основное уравнение нерелятивистской квантовой механики.

презентация , добавлен 14.03.2016


Принципы неклассической физики. Современные представления о материи, пространстве и времени. Основные идеи и принципы квантовой физики. Современные представления об элементарных частицах. Структура микромира. Фундаментальные физические взаимодействия.

реферат , добавлен 30.10.2007


Определение центра тяжести молекулы и описание уравнения Шредингера для полной волновой функции молекулы. Расчет энергии молекулы и составление уравнения колебательной части молекулярной волновой функции. Движение электронов и молекулярная спектроскопия.

МАТЕРИИ В МИКРОМИРЕ

Согласно современным научным взглядам, все природные объекты представляют собой упорядоченные, струк­турированные, иерархически организованные системы. Применяя системный подход, естествознание не просто выде­ляет типы материальных систем, а раскрывает их связь и соот­ношение. Выделяются три уровня строения материи.

Макромир - мир макрообъектов, размерность которых соот­носима с масштабами человеческого опыта ; пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время - в секундах, минутах, часах, годах.

Микромир - мир предельно малых, непосредственно не наблю­даемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10 -8 до 10 -16 см, а время жизни - от бесконечно­сти до 10 -24 сек.

Мегамир - мир огромных космических масштабов и скоро­стей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и мил­лиардами лет.

И хотя на этих уровнях действуют свои специфические зако­номерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаи­мосвязаны.

Микромир: концепции современной физики

Квантово-механическая концепция описания микромира. Изучая микрочастицы, ученые столкнулись с парадоксаль­ной, с точки зрения классической науки, ситуацией: одни и те же объекты обнаруживали как волновые, так и корпускулярные свойства. Первый шаг в этом направлении был сделан немецким фи­зиком М. Планком (1858-1947).

В процессе работы по исследованию теплового излучения «абсолютно черного» тела М. Планк пришел к ошеломляю­щему выводу о том, что в процессах излучения энергия может быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых коли­чествах, а лишь в известных неделимых порциях - квантах . Величина этих мельчайших порций энергии определяется через число колебаний соответствующего вида излучения и универсальную естественную константу, которую М. Планк ввел в науку под символом h: Е = hy , ставшим впо­следствии знаменитым (где hу – квант энергии, у – частота).

Полученную формулу Планк доложил 19 декабря 1900 на заседании Берлинского физического общества. В истории физики этот день счита­ется днем рождения квантовой теории и всей атомной физики, этот день знаменует начало новой эры естествозна­ния.

Великий немецкий физик-теоретик А. Эйнштейн (1879-1955) перенес в 1905 г. идею кванто­вания энергии при тепловом излучении на излучение вообще и таким образом обосновал новое учение о свете. Представление о свете как о дожде быстро движущихся квантов было чрезвычайно смелым, в правиль­ность которого вначале поверили немногие. С расширением квантовой гипотезы до квантовой теории света был не согласен сам М. Планк, относивший свою квантовую формулу только к рассматриваемым им законам теплового из­лучения черного тела.

А. Эйнштейн же предположил, что речь идет о естественной закономерности всеобщего характера, и пришел к выводу, что следует признать корпускуляр­ную структуру света. Квантовая теория света А. Эйнштей­на, утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. И вместе с тем свето­вая энергия имеет прерыв­ную структуру. Свет может рассматриваться как поток световых квантов, или фотонов. Их энергия определяется элементарным квантом действия Планка и соответствующим числом колебаний. Свет различной окраски состоит из световых квантов различной энергии.

Стало возможным наглядно представить явление фотоэлектрического эффекта, суть которого заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Явление фотоэффекта было обнаружено во второй половине 19 века, а в 1888-1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Григорьевич Столетов. Внешне эффект проявлялся в том, что при падении на отрицательно заряженную металлическую пластинку светового потока соединенный с пластинкой электроскоп показывает наличие мгновенного электрического тока. Однако ток протекает лишь по замкнутой цепи, а цепь «металлическая пластинка – электроскоп» незамкнута. А.Эйнштейн показал, что такое замыкание цепи происходит посредством потока электронов, выбиваемых фотонами с поверхности пластинки.

Экспери­менты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта оп­ределяется частотой падающей волны. Если предположить, что каждый электрон вырывается одним фотоном, то становится ясно следующее: эффект возникает лишь в том случае, если энергия фотона, а следовательно, и его частота, достаточно велика для преодоления сил связи элек­трона с веществом.

Рис. Схема фотоэффекта

За эту работу Эйнштейн в 1922 г. получил Нобелевскую премию по физике. Его теория получила подтверждение в экспериментах американского физика Р. Э. Милликена (1868-1953). Откры­тое в 1923 г. американским физиком А. X. Комптоном (1892-1962) явление (эффект Комптона), которое отмечается при воздействии очень жесткими рентгеновскими лучами на атомы со свободными электронами, вновь и уже окончательно подтвердило кванто­вую теорию света.

Возникла парадоксальная ситуация: обнаружилось, что свет ведет себя не только как волна, но и как поток корпускул. В опытах по дифракции и интерференции проявляются его вол­новые свойства, а при фотоэффекте - корпускулярные . Основная характеристика его дискретности (присущая ему порция энергии) вычислялась через чисто волновую характе­ристику – частоту у (Е = hy). Таким образом, обнаружилось, что для описания поля необходим не только континуальный, но и корпускулярный подход.

Не осталось неизменным и представление о подходах к исследованию вещества: в 1924 г. французский физик Луи де Бройль (1892-1987) выдвинул идею о волновых свойствах материи, о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в теории света, но также и в теории вещества . Он утверждал, что волновые свойства , наряду с корпускулярными, присуши всем видам материи : электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Согласно де Бройлю, любому телу с массой т , 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 (1887-1961), нашел матема­тическое уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера . Английский физик П. Дирак (1902-1984) обобщил его. Смелая мысль Л. де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве.

Наиболее убедительным свидетельством правоты Де Бройля стало обнаружение в 1927 г. ди­фракции электронов американскими физиками К. Дэвиссоном и Л. Джермером . В дальнейшем были выполнены опыты по об­наружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Еще более важным было открытие новых элементар­ных частиц, предсказанных на основе системы формул разви­той волновой механики.

Таким образом, на смену двум различным подходам к исследованию двух различных форм материи: корпускулярному и волновому – пришел единый подход – корпускулярно-волновой дуализм. Признание корпускулярно-волнового дуализма в современной физике стало всеобщим: любой материальный объект характери­зуется наличием как корпускулярных, так и волновых свойств.

Квантово-механическое описание микромира основывается на соотношении неопределенностей , установленном немецким физиком В. Гейзенбергом (1901-76), и принципе дополнительности датского физика Н. Бора (1885-1962),.

Суть соотношения неопределенностей В. Гейзенберга заключается в том, что нельзя одинаково точно определить взаимодополнительные характеристики микрочастицы , например, координаты частицы и ее импульс (количество движения). 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. Однако 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 . 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 отклонения лучей.

Фундаментальным принципом квантовой механики является также принцип допол­нительности , которому Н. Бор дал следующую формулировку: «Понятия частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего».

Таким образом, корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, т.е. быть комплементарными. Только при учете обоих аспектов можно получить общую кар­тину микромира. Имеется два класса при­боров: в одних квантовые объекты ведут себя как волны, в других – подобно частицам. М. Борн (1882-1970) заметил, что волны и частицы – это «проекции» физической реальности на экспериментальную си­туацию.

Атомистическая концепция строения материи. Атомистическая гипотеза строения материи, выдвинутая в античности Демокритом , была возрождена в XVIII в. химиком Дж. Дальтоном. В физику представления об атомах как о последних неделимых структурных элементах материи пришли из химии.

Собственно физические исследования атома начинаются в конце XIX в., когда французским физиком А. А. Беккерелем (1852 – 1908) было открыто явление радиоактивности. Изучение радиоактивности было продолжено французски­ми физиками супругами П. Кюри (1859-1906) и М. Склодовской-Кюри (1867-1934), открывшими новые радиоактивные элементы полоний и радий.

История исследования строения атома началась в 1895 г. благодаря открытию английским физиком Дж. Дж. Томсоном (1856 – 1940)электрона. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а атом в целом электрически нейтрален, то было сделано предположе­ние о наличии и положительно заряженной частицы. Масса электрона составила по расчетам 1/1836 массы положительно заряженной частицы.

Исходя из такой массы положительно заряженной частицы, английский физик У. Томсон (1824 – 1907, с 1892 лорд Кельвин) , предложил в 1902 г. первую модель атома: положительный заряд распределен в достаточно большой области, а электроны вкраплены в него, как «изюм в пудинг». Однако эта модель не устояла перед опытной проверкой.

В 1908 г. Э. Марсден и X. Гейг ер, сотрудники английского физика Э. Резерфорда, провели опыты по прохождению альфа-частиц через тонкие металлические пластинки и обнаружили, что почти все частицы проходят через пластинку, будто нет препятствия, и только 1/10000 из них испытывает сильное отклонение. Э. Резер­форд (1871-1937) пришел к выводу, что они ударяются о какое-то препятст­вие. которое представляет собой положи­тельно заряженное ядро атома, размер которого (10 -12 см) очень мал по сравнению с размерами атома (10 -8 см), но в нем почти полностью сосредоточена масса атома.

Модель атома, предложенная Э. Резерфордом в 1911 г., на­поминала солнечную систему: в центре находится атомное яд­ро, а вокруг него по своим орбитам движутся электроны. Неразрешимое противоречие этой модели заключалось в том, что электроны, чтобы не потерять устойчивость, должны двигаться вокруг ядра. В то же время движущиеся электроны, согласно законам электродинамики, обязательно должны излучать электромаг­нитную энергию. Но в таком случае электроны очень быстро потеряли всю свою энергию и упали бы на ядро .

Следующее противоречие связано с тем, что спектр излуче­ния электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Олднако атомы излучают свет только определенных частот. Планетарная модель атома Резерфорда оказа­лась несовместимой с электродинамикой Дж. К. Максвелла.

В 1913 г.великий датский физик Н. Бор выдвинул гипотезу строения атома, ос­нованную на двух постулатах, совершенно несовместимых с классической физикой, и основанных на принципе квантования:

1) в каждом атоме существует несколько стационарных орбит электронов, двигаясь по которым, электрон может существовать, не излучая;

2) при переходе электрона с одной стационарной орбиты на другую атом излучает или поглощает порцию энергии.

Постулаты Бора объясняют устойчивость атомов : находя­щиеся в стационарных состояниях электроны без внешней на то причины не излучают электромагнитной энергии. Объясняются и линейчатые спектры атомов : каждой линии спектра соответ­ствует переход электрона из одного состояния в другое.

Теория атома Н. Бора позволяла дать точное описание ато­ма водорода, состоящего из одного протона и одного электро­на, достаточно хорошо согласующееся с экспериментальными данными. Дальнейшее распространение теории на много­электронные атомы столкнулось с непреодолимы­ми трудностями. Длина волны движу­щегося электрона равна примерно 10 -8 см, т.е. она того же порядка, что и размер атома. Но движение частицы, принадле­жащей какой-либо системе, можно с достаточной степенью точности описывать как механическое движение материальной точки по определенной орбите, лишь, если длина волны частицы пренебрежимо мала по сравне­нию с размерами системы.

Следовательно, точно описать структуру атома на основа­нии представления об орбитах точечных электронов принципи­ально невозможно, поскольку таких орбит в действительности не существует. Вследствие своей волновой природы электроны и их заряды как бы размазаны по атому, однако не равномерно, а таким образом, что в некоторых точках усредненная по времени электронная плотность заряда больше, а в других - меньше.

Теория Н. Бора представляет собой как бы пограничную полосу первого этапа развития современной физики. Это по­следнее усилие описать структуру атома на основе классиче­ской физики, дополняя ее лишь небольшим числом новых предположений. Процессы в атоме в принципе нельзя наглядно представить в виде механических моделей по аналогии с событиями в макро­мире. Даже понятия пространства и времени в существующей в макромире форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений.

Элементарные частицы и кварковая модель атома. Дальнейшее развитие идей атомизма было связано с иссле­дованием элементарных частиц. Термин «элементарная частица» первоначально означал про­стейшие, далее ни на что не разложимые частицы, лежащие в основе любых материальных образований. Ныне установлено, что частицы имеют ту или иную структуру, тем не менее, ис­торически сложившееся название продолжает существовать. В настоящее время открыто бо­лее 350 микрочастиц.

Основными характеристиками элементарных частиц явля­ются масса, заряд, среднее время жизни, спин и квантовые числа.

Массу покоя элементарных частиц определяют по отноше­нию к массе покоя электрона. Существуют элементарные частицы, не имеющие массы покоя, - фотоны. Остальные частицы по этому признаку делятся на лептоны - легкие частицы (электрон и нейтрино); мезоны - средние частицы с массой в пределах от одной до тысячи масс электрона; барионы - тяжелые частицы, чья масса превышает тысячу масс электрона и в состав которых входят протоны, нейтроны, гипероны и многие резонансы.

Электрический заряд. Все известные частицы обладают положительным, отрицательным либо нулевым зарядом. Каждой частице, кроме фотона и двух мезонов, соответствуют античастицы с противоположным зарядом. Считается, что кварки - частицы с дробным электрическим зарядом.

По времени жизни частицы делятся на стабильные (фотон, две разновидности нейтрино, электрон и протон) и неста­бильные . Именно стабильные частицы иг­рают важнейшую роль в структуре макротел. Все остальные частицы нестабильны, они существуют около 10 -10 - 10 -24 с, после чего распадаются. Элементарные частицы со средним временем жизни 10 -23 - 10 -22 сек. называют резонансами, которые распадаются еще до того, как успеют покинуть атом или атомное ядро. Поэтому зафиксировать их в реальных экспериментах не удается.

Понятие «спина», не имеющего анало­гов в классической физике, обозначают собствен­ный момент количества движения микрочастицы.

«Квантовые числа» выражают дискретные состояния элементарных частиц, например, положение электрона на конкретной электронной орбите, магнитный момент и др.

Все элементарные частицы подразделяют на два класса - фермионы (названные в честь Э. Ферми ) и бозоны (названные в честь Ш. Бозе ). Фермио­ны составляют вещество, бозоны переносят взаимодействие, т.е. являются квантами полей. В частности, к фермионам относятся кварки и лептоны, к бозонам - кванты полей (фотоны, векторные бозоны, глюоны, гравитино и гравитоны). Эти частицы считаются истинно элементарными, т.е. далее неразложимыми. Остальные частицы классифициру­ются как условно элементарные, т.е. составные частицы, образо­ванные из кварков и соответствующих квантов полей.

Элементарные частицы участвуют во всех видах известных взаимодействий. Различают четыре вида фундаментальных взаи­модействий в природе.

Сильное взаимодействие происходит на уровне атомных ядер и представляет собой взаимное притяжение и отталкивание их составных частей. Оно действует на расстоянии порядка 10 -13 см. При определенных условиях сильное взаимодействие очень прочно связывает частицы, в результате чего образуются мате­риальные системы с высокой энергией связи - атомные ядра. Именно по этой причине ядра атомов являются весьма устой­чивыми, их трудно разрушить.

Электромагнитное взаимодействие примерно в тысячу раз слабее сильного, но значительно более дальнодействующее. Взаимодействие такого типа свойственно электрически заря­женным частицам. Носителем электромагнитного взаимодейст­вия является не имеющий заряда фотон - квант электромаг­нитного поля. В процессе электромагнитного взаимодействия электроны и атомные ядра соединяются в атомы, атомы - в молекулы. В определенном смысле это взаимодействие являет­ся основным в химии и биологии .

Слабое взаимодействие возможно между различными части­цами. Оно простирается на расстояние порядка 10 -13 - 10 -22 см и связано главным образом с распадом частиц, например, с происходящими в атомном ядре превращениями нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. В соответствии с современ­ным уровнем знаний большинство частиц нестабильны именно благодаря слабому взаимодействию.

Гравитационное взаимодействие - самое слабое, не учиты­ваемое в теории элементарных частиц, поскольку на характер­ных для них расстояниях порядка 10 -13 см оно дает чрезвычай­но малые эффекты. Однако на ультрамалых расстояниях (порядка 10 -33 см) и при ультрабольших энергиях гравитация вновь приобретает существенное значение. Здесь начинают проявляться необычные свойства физического вакуума. Сверх­тяжелые виртуальные частицы создают вокруг себя заметное гравитационное поле, которое начинает искажать геометрию пространства. В космических масштабах гравитационное взаи­модействие имеет решающее значение. Радиус его действия не ограничен.

Табл. Фундаментальные взаимодействия

Все четыре взаимодействия необходимы и достаточны для построения разнообразного мира. Без сильных взаимодействий не существовали бы атомные ядра, а звезды и Солнце не могли бы генерировать за счет ящерной энергии теплоту и свет. Без электромагнитных взаимодействий не было бы ни ато­мов, ни молекул, ни макроскопических объектов, а также тепла и света. Без слабых взаимодействий не были бы возможны ядерные реакции в недрах Солнца и звезд, не происходили бы вспышки сверхновых звезд и необходимые для жизни тяжелые элементы не могли бы распространиться во Вселенной. Без гравитационного взаимодействия Вселенная не могла бы эво­люционировать, поскольку гравитация является объединяющим фактором, обеспечивающим единство Вселенной как целого и ее эволюцию.

Современная физика пришла к выводу, что все четыре фундаментальных взаимодействия можно получить из одного фундаментального взаи­модействия - суперсилы . Наиболее ярким достижением стало доказательство того, что при очень высоких температурах (или энергиях) все четыре взаимодействия объединяются в одно .

При энергии в 100 ГэВ (100 млрд. электрон-вольт) объеди­няются электромагнитное и слабое взаимодействия. Такая тем­пература соответствует температуре Вселенной через 10 -10 с после Большого взрыва. При энергии 10 15 ГэВ к ним присое­диняется сильное взаимодействие, а при энергии 10 19 ГэВ про­исходит объединение всех четырех взаимодействий.

Достижения в области исследования элементарных частиц способствовали дальнейшему развитию концепции атомизма . В настоящее время считают, что среди множества элементарных частиц можно выделить 12 фундаментальных частиц и столько же античастиц. Шесть частиц - это кварки с экзотическими названиями «верхний», «нижний», «очарованный», «странный», «истинный», «прелестный». Остальные шесть - лептоны : элек­трон, мюон, тау-частица и соответствующие им нейтрино (электронное, мюонное, тау-нейтрино).

Эти 12 частиц группируют в три поколения , каждое из ко­торых состоит из четырех членов.

В первом – «верхний» и «нижний» кварки, электрон и электронное нейтрино.

Во втором – «очарованный» и «странный» квар­ки, мюон и мюонное нейтрино.

В третьем – «истинный» и «прелестный» кварки и тау-частицы со своим нейтрино.

Все обычное вещество состоит из частиц первого поколения. Предполагается, что остальные поколения можно создать искусственно на ускорителях заряженных частиц.

На основе кварковой модели физики разработали современное решение проблемы строения атомов.

Каждый атом состоит из тяжелого ядра (сильно связанных глюонными полями протонов и нейтронов) и электронной оболочки . Протон имеет положительный электрический заряд, заряд нейтрона равен нулю. Протон из двух «верхних» кварков и одного «ниж­него», а нейтрон - из одного «верхнего» и двух «нижних» кварков. Они напоминают облако с размытыми границами, состоя­щее из рождающихся и исчезающих виртуальных частиц.

Остаются еще вопросы о происхождении кварков и лептонов, о том, являются ли они основными «кирпичиками» при­роды и насколько фундаментальны? Ответы на эти вопросы ищут в современной космологии. Большое значение имеет ис­следование рождения элементарных частиц из вакуума, по­строение моделей первичного ядерного синтеза, породивших те или иные частицы в момент рождения Вселенной.

Вопросы для самоконтроля

1. В чем суть системного подхода к строению материи?

2. Раскройте взаимосвязь микро-, макро- и мегамиров.

3. Какие представления о веществе и поле как видах мате­рии были выработаны в рамках классической физики?

4. Что означает понятие «квант»? Расскажите об основных этапах развития представлений о квантах.

5. Что означает понятие «корпускулярно-волновой дуа­лизм»? Какое значение имеет принцип дополнительности Н. Бора в описании физической реальности микромира?

6. Какова структура атома с точки зрения современной фи­зики?

8. Дайте характе­ристику свойствам элементарных частиц.

9. Выделите основные структурные уровни организации ма­терии в микромире и раскройте их взаимосвязь.

10. Какие представления о пространстве и времени сущест­вовали в доньютоновский период?

11. Как изменились представления о пространстве и време­ни с созданием гелиоцентрической картины мира?

12. Как трактовал И. Ньютон время и пространство?

13. Какие представления о пространстве и времени стали определяющими в теории относительности А. Эйн­штейна?

14. Что такое пространственно-временной континуум?

15. Раскройте современные метрические и топологические свойства пространства и времени.

Обязательная :

· Путь микроскопии 3

· Предел микроскопии 5

· Невидимые излучения 7

· Электроны и электронная оптика 9

· Электроны - волны!? 12

· Устройство электронного микроскопа 13

· Объекты электронной микроскопии 15

· Виды электронных микроскопов 17

· Особенности работы с электронным микроскопом 21

· Пути преодоления дифракционного предела электронной микроскопии 23

· Список литературы 27

· Рисунки 28

Примечания:

1. Символ ­ означает возведение в степень. Например, 2 ­3 означает «2 в степени 3».

2. Символ e означает запись числа в показательной форме. Например, 2 e3 означает «2, умноженное на 10 в 3 степени».

3. Все рисунки находятся на последней странице.

4. Вследствие использования не совсем «свежей» литературы данные в этом реферате не отличаются особой «свежестью».

Глаз не видел бы Солнца,

если бы он не был подобен

Солнцу.

Гёте.

Путь микроскопии.

Когда на пороге XVII столетия был создан первый микроскоп, вряд ли кто-либо (и даже его изобретатель) мог представить будущие успехи и многочисленные области применения микроскопии. Оглядыва­ясь назад, мы убеждаемся, что это изобретение знаменовало собой нечто большее, чем создание нового устройства: впервые человек по­лучил возможность увидеть ранее невидимое.

Примерно к этому же времени относится еще одно событие ¾ изобретение телескопа, позволившее увидеть невидимое в мире пла­нет и звезд. Изобретение микроскопа и телескопа представляло собой революцию не только в способах изучения природы, но и в самом ме­тоде исследования.

Действительно, натурфилософы древности наблюдали природу, узнавая о ней только то, что видел глаз, чувствовала кожа, слышало ухо. Можно лишь удивляться тому, как много правильных сведений об окружающем мире получили они, пользуясь «невооруженными» орга­нами чувств и не ставя специальных экспериментов, как это делают сейчас. Вместе с тем наряду с точными фактами и гениальными до­гадками как много ложных «наблюдений», утверждений и выводов ос­тавили нам ученые древности и средних веков!

Лишь значительно позднее был найден метод изучения при­роды, заключающийся в постановке сознательно планируемых экспе­риментов, целью которых является проверка предположений и четко сформулированных гипотез. Особенности этого метода исследования Фрэнсис Бэкон - один из его создателей - выразил в следующих, став­ших знаменитыми, словах: «Ставить эксперимент - это учинять допрос природе».Самые первые шаги экспериментального метода по совре­менным представлениям были скромны, и в большинстве случаев экс­периментаторы того времени обходились без каких-либо устройств, «усиливающих» органы чувств. Изобретение микроскопа и телескопа представляло собой колоссальное расширение возможностей наблю­дения и эксперимента.

Уже первые наблюдения, проведённые с помощью самой простой и несовершенной по современным представлениям техники, открыли «целый мир в капле воды». Оказалось, что знакомые предметы выгля­дят совсем по-иному, если их рассматривать в микроскоп: гладкие на взгляд и ощупь поверхности оказываются в действительности шерохо­ватыми, в «чистой» воде движутся мириады мельчайших организмов. Точно так же первые астрономические наблюдения с помощью теле­скопов дали возможность человеку по-новому увидеть привычный мир планет и звёзд: например, поверхность Луны, воспетой поэтами всех поколений, оказалась гористой и испещрённой многочисленными кра­терами, а у Венеры была обнаружена смена фаз, как и у Луны.

В дальнейшем эти простейшие наблюдения дадут жизнь само­стоятельным областям науки ¾ микроскопии и наблюдательной ас­трономии. Пройдут годы, и каждая из этих областей разовьется в мно­гочисленные разветвления, выражающиеся в целом ряде самых раз­личных применений в биологии, медицине, технике, химии, физике, на­вигации.

Современные микроскопы, которые в отличие от электронных мы будем называть оптическими, представляют собой совершенные при­боры, позволяющие получать большие увеличения с высокой разре­шающей способностью. Разрешающая способность определяется рас­стоянием, на котором два соседних элемента структуры могут быть ещё видимы раздельно. Однако, как показали исследования, оптиче­ская микроскопия практически достигла принципиального предела своих возможностей из-за дифракции и интерференции ¾ явлений, обусловленных волновой природой света.

Степень монохроматичности и когерентности является важной характеристикой волн любой природы (электромагнитных, звуковых и др.). Монохроматические колебания ¾ это колебания, состоящие из синусоидальных волн одной определённой частоты. Когда мы пред­ставляем колебания в виде простой синусоиды соответственно с по­стоянными амплитудой, частотой и фазой, то это является опреде­лённой идеализацией, так как, строго говоря, в природе не существует колебаний и волн, абсолютно точно описываемых синусоидой. Однако, как показали исследования, реальные колебания и волны могут с большей или меньшей степенью точности приближаться к идеальной синусоиде (обладать большей или меньшей степенью монохроматич­ности). Колебания и волны сложной формы можно представить в виде набора синусоидальных колебаний и волн. По сути дела, эту математи­ческую операцию осуществляет призма, разлагающая в цветной спектр солнечный свет.

Монохроматические волны, в том числе и световые, одной и той же частоты (при определённых условиях!) могут взаимодействовать между собой таким образом, что в результате «свет превратится в темноту» или, как говорят, волны могут интерферировать. При интер­ференции происходят местные «усиления и подавления» волн друг другом. Для того чтобы картина интерференции волн оставалась не­изменной с течением времени (например, при рассматривании её гла­зом или фотографировании), необходимо, чтобы волны были между собой когерентны (две волны когерентны между собой, если они дают устойчивую картину интерференции, чему соответствуют равенства их частот и неизменный сдвиг фаз).

Если на пути распространения волн поместить препятствия, то они будут существенно влиять на направление распространения этих волн. Такими препятствиями могут быть края отверстий в экранах, не­прозрачные предметы, а также любые другие виды неоднородностей на пути распространения волн. В частности, неоднородностями могут быть также и прозрачные (для данного излучения) предметы, но отли­чающиеся по коэффициенту преломления, а значит, и по скорости про­хождения волн внутри них. Явление изменения направления распро­странения волн при прохождении их вблизи препятствий называют дифракцией. Обычно дифракция сопровождается интерференцион­ными явлениями.

Предел микроскопии.

Изображение, получаемое при помощи любой оптической сис­темы, есть результат интерференции различных частей световой волны, прошедшей через эту систему. В частности, известно, что огра­ничение световой волны входным зрачком системы (краями линз, зер­кал и диафрагм, составляющих оптическую систему) и связанное с ним явление дифракции приводит к тому, что светящаяся точка будет изо­бражена в виде дифракционного кружка. Это обстоятельство ограни­чивает возможность различать мелкие детали изображения, форми­руемого оптической системой. Изображение, например, бесконечно удалённого источника света (звезды) в результате дифракции на круг­лом зрачке (оправе зрительной трубы), представляет собой довольно сложную картину (см. рис. 1). На этой картине можно увидеть набор концентрических светлых и тёмных колец. Распределение освещённо­стей, которое можно зафиксировать, если двигаться от центра кар­тины к её краям, описывается довольно сложными формулами, кото­рые приводятся в курсах оптики. Однако закономерности, свойствен­ные положению первого (от центра картины) тёмного кольца, выглядят просто. Обозначим через D диаметр входного зрачка оптической сис­темы и через l длину волны света, посылаемого бесконечно удалён­ным источником.

Рис. 1. Дифракционное изображение светящейся точки (так называемый диск Эйри).

Если обозначить через j угол, под которым виден радиус первого тёмного кольца, то как доказывается в оптике

sin j » 1,22 * ( l /D) .

Таким образом, в результате ограничения волнового фронта краями оптической системы (входным зрачком) вместо изображения светящейся точки, соответствующей бесконечно удаленному объекту, мы получаем набор дифракционных колец. Естественно, что это явле­ние ограничивает возможность различения двух близко расположенных точечных источников света. Действительно, в случае двух удаленных источников, например двух звезд, расположенных очень близко друг к другу на небесном своде, в плоскости наблюдения образуются две сис­темы концентрических колец. При определенных условиях они могут перекрываться, и различение источников становится невозможным. Не случайно поэтому в соответствии с «рекомендацией» формулы, приве­денной выше, стремятся строить астрономические телескопы с боль­шими размерами входного зрачка. Предел разрешения, при котором могут наблюдаться два близко расположенных источника света, опре­деляют следующим образом: для определенности в качестве предела разрешения принимают такое положение дифракционных изображений двух точечных источников света, при котором первое тёмное кольцо, создаваемое одним из источников, совпадает с центром светлого пятна, создаваемого другим источником.

Введение

В XX в. естествознание развивалось невероятно быстрыми темпами, что обусловливалось потребностями практики. Промышленность требовала новых технологий, в основе которых лежало естественнонаучное знание.

Естествознание - наука о явлениях и законах природы. Современное естествознание включает множество естественнонаучных отраслей: физику, химию, биологию, физическую химию, биофизику, биохимию, геохимию и др. Оно охватывает широкий спектр вопросов о разнообразных свойствах объектов природы, которую можно рассматривать как единое целое.

Огромное ветвистое древо естествознания медленно произрастало из натурфилософии - философии природы, представляющей собой умозрительное истолкование природных явлений и процессов. Поступательное развитие экспериментального естествознания привело к постепенному перерастанию натурфилософии в естественнонаучные знания, и как результат -- феноменальные достижения во всех областях науки и, прежде всего, в естествознании, которыми так богато ушедшее XX столетие.

Физика - микромир, макромир, мегамир

В недрах натурфилософии зарождалась физика - наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира.

Физика - основа естествознания. В соответствии с многообразием исследуемых форм материи, и ее движения она подразделяется на физику элементарных частиц, ядерную физику, физику плазмы и т. д. Она знакомит нас с наиболее общими законами природы, управляющими течением процессов в окружающем нас мире и во Вселенной в целом.

Цель физики заключается в отыскании общих законов природы и в объяснении конкретных процессов на их основе. По мере продвижения к этой цели перед учеными постепенно вырисовывалась величественная и сложная картина единства природы.

Мир представляет собой не совокупность разрозненных, независимых друг от друга событий, а разнообразные и многочисленные проявления одного целого.

Микромир . В 1900г. немецкий физик Макс Планк предложил совершенно новый подход - квантовый, основанный на дискретной концепции. Он впервые ввел Квантовую гипотезу и вошел в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории . С введением квантовой концепции начинается - этап современной физики, включающий не только квантовые, но и классические представления.

На основании квантовой механики объясняются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц - появились новые отрасли современной физики: квантовая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и многие другие.

В первые десятилетия XX в. исследовалась радиоактивность, и выдвигались идеи о строении атомного ядра.

В 1938г. сделано важное открытие: немецкие радиохимики О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили деление ядер урана при облучении их нейтронами. Это открытие способствовало бурному развитию ядерной физики, созданию ядерного оружия и рождению атомной энергетики.

Одно из крупнейших достижений физики XX в. - это, безусловно, создание в 1947г. транзистора выдающимися американскими физиками Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли.

С развитием физики полупроводников и созданием транзистора зарождалась новая технология - полупроводниковая, а вместе с ней и перспективная, бурно развивающаяся отрасль естествознания - микроэлектроника.

Представления об атомах и их строении за последние сто лет изменились радикально. В конце XIX -- начале XX вв. в физике были сделаны выдающиеся открытия, разрушившие прежние представления о строении материи.

Открытие электрона (1897г.), затем протона, фотона и нейтрона показали, что атом имеет сложную структуру. Исследование строения атома становится важнейшей задачей физики XX века. После открытия электрона, протона, фотона и, наконец, в 1932 году нейтрона было установлено существование большого числа новых элементарных частиц.

В том числе: позитрон, (античастица электрона); мезоны -- нестабильные микрочастицы; различного рода гипероны -- нестабильные микрочастицы с массами больше массы нейтрона; частицы резонансы, имеющие крайне короткое время жизни (порядка 10 -22 -10 -24 с); нейтрино -- стабильная, не имеющая электрического заряда частица, обладающая почти невероятной проницаемостью; антинейтрино -- античастица нейтрино, отличающаяся от нейтрино знаком лептонного заряда, и др.

Элементарные частицы в настоящее время обычно разделяют на следующие классы:

• 1. Фотоны -- кванты электромагнитного поля, частицы с нулевой массой покоя, не имеют сильного и слабого взаимодействия, но участвуют в электромагнитном.
• 2. Лептоны (от греч. leptos -- легкий), к числу которых относятся электроны, нейтрино; все они не обладают сильным взаимодействием, но участвуют в слабом взаимодействии, а имеющие электрический заряд -- также и в электромагнитном взаимодействии.
• 3. Мезоны -- сильно взаимодействующие нестабильные частицы.
• 4. Барионы (от греч. barys -- тяжелый), в состав которых входят нуклоны (нестабильные частицы с массами, большими массы нейтрона), гипероны, многие из резонансов.
• 5. Приблизительно в 1963-1964 годах появилась гипотеза о существовании кварков -- частиц, из которых состоят барионы и мезоны, являющиеся сильно взаимодействующими и по этому свойству объединенными общим названием адронов.
• 6. Кварки имеют весьма необычные свойства: обладают дробными электрическими зарядами, что не характерно для других микрочастиц, и, по-видимому, не могут существовать в свободном, не связанном виде. Число различных кварков, отличающихся друг от друга величиной и знаком электрического заряда и некоторыми другими признаками, достигает уже нескольких десятков.

Мегамир. Теория Большого Взрыва. В 1946-1948 гг. Г. Гамов разработал теорию горячей Вселенной (модель Большого Взрыва). Согласно этой модели вся Вселенная 15 млрд. лет назад (по другим оценкам 18 млрд. лет) была сжата в точку с бесконечно большой плотностью (не меньше чем 10 93 г/см 3). Такое состояние называется сингулярностью , законы физики к нему не применимы .

Причины возникновения такого состояния и характер пребывания материи в этом состоянии остаются неясными. Это состояние оказалось неустойчивым, в результате произошел взрыв и скачкообразный переход к расширяющейся Вселенной.

В момент Большого Взрыва Вселенная мгновенно нагрелась до очень высокой температуры более 10 28 К. Уже через 10 -4 с после Большого Взрыва плотность во Вселенной падает до 10 14 г/см 3 . При такой высокой температуре (выше температуры центра самой горячей звезды) молекулы, атомы и даже ядра атомов существовать не могут .

Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых преобладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны. Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 секунды после взрыва, несмотря на очень высокую температуру, была огромной: в 4000 миллионов раз больше, чем у воды.

В конце первых трех минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд. градусов (10 9 К). Плотность вещества также снизилась, но еще была близкой к плотности воды. При этой, хотя и очень высокой, температуре начали образовываться ядра атомов, в частности, ядра тяжелого водорода (дейтерия) и ядра гелия.

Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут состояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Только по истечении нескольких сотен тысяч лет начали образовываться атомы, главным образом водорода и гелия.

Силы гравитации превращали газ в сгустки, ставшие материалом для возникновения галактик и звезд.

Таким образом, физика XX века давала все более глубокое обоснование идеи развития.

Макромир. В макрофизике можно выделить достижения в трех направлениях: в области электроники (микросхемы), в области создания лазеров и их применения, области высокотемпературной сверхпроводимости.

Слово “лазер” представляет собой аббревиатуру английской фразы “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, переводимой как усиление света в результате вынужденного (индуцированного) излучения . Гипотеза о существовании индуцированного излучения была высказана в 1917 г. А Эйнштейном.

Советские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длинной волны =1,27 см.

Первым квантовым генератором был рубиновый твердотельный лазер. Также были созданы: газовые, полупроводниковые, жидкостные, газодинамические, кольцевые (бегущей волны).

Лазеры нашли широкое применение в науке - основной инструмент в нелинейной оптике , когда вещества прозрачные или нет для потока обычного света меняют свои свойства на противоположные.

Лазеры позволили осуществить новый метод получения объемных и цветных изображений, названный голографией, широко применяются в медицине, особенно в офтальмологии, хирургии и онкологии, способные создать малое пятно, благодаря высокой монохроматичности и направленности.

Лазерная обработка металлов . Возможность получать с помощью лазеров световые пучки высокой мощности до 10 12 -10 16 вт/см 2 при фокусировки излучения в пятно диаметром до 10-100 мкм делает лазер мощным средством обработки оптически непрозрачных материалов, недоступных для обработки обычными методами (газовая и дуговая сварка).

Это позволяет осуществлять новые технологические операции, например, просверливание очень узких каналов в тугоплавких материалах, различные операции при изготовлении пленочных микросхем, а также увеличения скорости обработки деталей.

При пробивании отверстий в алмазных кругах сокращает время обработки одного круга с 2-3 дней до 2 мин.

Наиболее широко применяется лазер в микроэлектронике, где предпочтительна сварка соединений, а не пайка.

Фундаментальные открытия в области физики конца XIX - начала ХХ вв. обнаружили, что физическая реальность едина и обладает как волновыми свойствами, так и корпускулярными. Исследуя тепловое излучение, М. Планк пришел к выводу, что в процессах излучения энергия отдается не в любых количествах и непрерывно, а лишь определенными порциями - квантами.

Квант - мельчайшая постоянная порция излучения.

Эйнштейн распространил гипотезу Планка о тепловом излучении на излучение вообще и обосновал новое учение о свете - фотонную теорию. Структура света является корпускулярной. Световая энергия концентрируется в определенных местах, и поэтому свет имеет прерывистую структуру - поток световых квантов, т.е. фотонов. Фотон - особая частица (корпускула). Фотон - квант энергии видимого и невидимого света, рентгеновского и гамма-излучений, обладающий одновременно свойствами частицы и волны, не имеющий массы покоя, имеющий скорость света, при определенных условиях порождает пару позитрон+электрон. Эта теория Эйнштейна объясняла явление фотоэлектрического эффекта - выбивание из вещества электронов под действием электромагнитных волн. Наличие фотоэффекта определяется частотой волны, а не ее интенсивностью. За создание фотонной теории А. Эйнштейн получил в 1922 году Нобелевскую премию. Эта теория была экспериментально подтверждена через 10 лет американским физиком Р.Э. Милликеном.

Парадокс: свет ведет себя и как волна, и как поток частиц. Волновые свойства проявляются при дифракции и интерференции, корпускулярные - при фотоэффекте.

Новая теория света привела Н. Бора к разработке теории атома. В ее основе 2 постулата:

1. В каждом атоме имеется несколько стационарных орбит электронов, движение по которым позволяет электрону существовать без излучения.

2. Когда электрон переходит из одного стационарного состояния в другое, атом излучает или поглощает порцию энергии.

Такая модель атома хорошо объясняла атом водорода, однако многоэлектронные атомы она не объясняла, т.к. теоретические результаты расходились с данными экспериментов. Эти расхождения впоследствии были объяснены волновыми свойствами электронов. Это означало, что электрон, будучи частицей, не твердый шарик и не точка, он имеет внутреннюю структуру, которая изменяется в зависимости от его состояния. Модель атома, изображающая его структуру в виде орбит, по которым движутся точечные электроны, на самом деле создана для наглядности, ее нельзя понимать буквально. (Это - аналогия отношений, а не предметов.) В действительности не существует таких орбит, электроны распределены в атоме не равномерно, а таким образом, что усредненная плотность заряда в каких- то точках больше, а в каких-то меньше. Орбитой электрона формально называется кривая, которая связывает точки максимальной плотности. Невозможно наглядно представить процессы, происходящие в атоме, в виде механических моделей. Классическая физика не может объяснить даже простейшие опыты по определению структуры атома.

В 1924 г. французский физик Луи де Бройль в своей работе «Свет и материя» высказал идею о волновых свойствах всей материи. Австрийский физик Э. Шрёдингер и английский физик П. Дирак дали ее математическое описание. Эта идея позволила построить теорию, охватывающую корпускулярные и волновые свойства материи в их единстве. Кванты света при этом становятся особым строением микромира.

Таким образом, корпускулярно-волновой дуализм привел к созданию квантовой механики. В ее основе лежат два принципа: принцип соотношения неопределенностей, сформулированный В. Гейзенбергом в 1927 г.; принцип дополнительности Н. Бора. Принцип Гейзенберга гласит: в квантовой механике нет таких состояний, в которых местоположение и количество движения имели бы вполне определенное значение, нельзя одновременно знать оба параметра - координату и скорость, то есть невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастицы.

Н. Бор сформулировал принцип дополнительности следующим образом: «Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу, они являются дополняющими картинами происходящего». Противоре-чия корпускулярно-волновых свойств микрообъектов - это результат неконтролируемого взаимодействия микрочастиц с приборами: в одних приборах квантовые объекты ведут себя как волны, в других - как частицы. Из-за соотноше-ния неопределенностей корпускулярная и волновая модели описания кванто-вого объекта не противоречат друг другу, т.к. никогда не предстают одновре-менно. Таким образом, в зависимости от эксперимента объект показывает либо свою корпускулярную природу, либо волновую, но не обе сразу. Дополняя друг друга, обе модели микромира позволяют получить его общую картину.