В концепции контролируемого воздействия предполагается что воздействие на объект

2.5. Концепции моделирования объектов и моделирования состояний.

2.6. Фундаментальные модели в естествознании.

Фундаментальность моделей обусловлена существованием глубоких аналогий между отдельными явлениями в природе. Это и дает возможность использовать обобщенную модель для их описания.

Фундаментальное единство всего материального мира приводит к тому, что аналогиипрослеживаются также и между, казалось бы, совершенно разнородными явлениямив природе и сфере общественных отношений. Поэтому становится возможным использование ряда модельных построений естествознания для описания социальных явлений.

3. Корпускулярная концепция. Модель частицы. Динамические закономерности в природе.

Классические концепции ЕНКМ Концепция моделирования объектов

Моделирование в филологии • Два класса моделей в естествознании (классические и неклассические) можно спроецировать в филологию. • Эта идея была высказана и разработана выдающимся ученым и глубоким философом Ю. М. Лотманом.

Юрий Михайлович Лотман Один из мировых корифеев семиотики (от греческого слова «семио» — знак, признак). Эта наука исследует природу «знаков, которыми ум пользуется для понимания вещей или для передачи своего знания другим» . Идеология семиотики воплощает в гуманитарном знании всеобщую идею моделирования, в которой заключается сущность процесса познания. Слово — не просто часть культуры, но и ключ к 1922 -1993 постижению смысла текста, модель смысла выдающийся российский филолог, культуролог, лингвист

В устных коммуникациях и текстах можно выделить две группы ситуаций (Ю. М. Лотман): I и II • I ) ситуации, когда целью коммуникативного акта является передача константной информации. Модель как символ, знак. Она воспроизводит сущностные черты исходного объекта

Текст в этом случае • — некий пассивный носитель вложенного в него смысла, выполняющий роль своеобразной упаковки, функция которой — донести без потерь и изменений (всякое изменение есть потеря) некоторый смысл, который в абстракции предполагается существующим еще до текста. • Смысл – прообраз, текст -модель

Классическая стратегия • Отображение смысла в текст совершается в соответствии с заложенными в структуре коммуникации алгоритмами и имеет обратимый характер перехода «смысл 1 – модель – смысл 1» . • Алгоритмичность означает заданный набор жестких правил перехода и получение предсказуемого, однозначного результата.

Ситуация 2 • целью коммуникационного акта является выработка новой информации. • Модель (символ, знак) выполняют эвристическую функцию, которая позволяет обнаружить новые качества исходного объекта

• Здесь ценность системы определяется нетривиальным сдвигом значения в процессе движения смысла текста от передающего к принимающему. • Этот сдвиг исключает возможность при обратном переходе получить исходный текст, отражавший первоначальный смысл. • В этом заключается необратимость перехода «смысл 1 – модель — смысл 2»

Неклассическая стратегия • возникающий в результате такой трансформации текст будет в определенном отношении непредсказуем, т. е. неоднозначен.

Концепция моделирования объектов в естествознании Виды объектов в природе и физике: • Локализованные в пространстве:

Нелокализованные в пространстве – свет, тепло, радиоволны

Сыпучие тела и газы

Для классически мыслящего исследователя в мире есть только объекты Локализованные в пространстве (имеют определенный объем)- различные тела • Распределенные в пространстве, сплошные среды– жидкости, стекла, свет, тепло, время, пространство • Исследователь- сторонний наблюдатель, ему доступны только тела, их внешние свойства и движение

В рамках классической стратегии изучения природы возможно моделирование только объектов • Всеобщая идея моделирования трансформируется в классическую концепцию моделирования объектов. • Процесс моделирования включает: — создание (выбор) адекватной модели; — описание окружения объекта — наделение ее необходимыми характеристиками, реагирующими на воздействие окружения.

С точки зрения физики • в мире существуют только тела и электромагнитное излучение • Поэтому объектами моделирования служат тела и электромагнитное излучение

Корпускула (частица) • Прообразы модели в природе (тела) • Область применения: тело движется поступательно • Можно пренебречь — структурой объекта — размерами тела по сравнению со всеми другими длинами и расстояниями;

Модель тела -частица • При изучении проблемы перемещения тел в пространстве внутреннее строение тела в первом приближении можно не учитывать. • Если тело движется как целое, то размеры тела также не играют роли • В качестве модели годится любой малый элемент тела — частица

Примеры: можно пренебречь — размерами спутника по сравнению с радиусом его траектории и размером Земли — размерами планет при движении вокруг Солнца — размером автомобиля, если он движется поступательно

Выбор характеристик модели для описания реакций объекта на окружение: • Характеристик должно быть столько, чтобы описать все особенности поведения тела в данных условиях. • Если тело движется, то надо задать его скорость в определенной системе отсчета. • Если , тело не испытывает воздействия внешнего окружения

• Если тело движется с ускорением то его существенной характеристикой будет масса m (от нее зависит ускорение). Воздействие окружения задается силой.

Как определить массу тела? На весах мы сравниваем неизвестную массу с гирями — эталоном Массу можно определить только в той системе отсчета, где тело покоится. Физический смысл имеет только масса покоя! Другой массы у тела нет!

Инвариантность массы – независимость массы от скорости движения. Масса тела- «врожденная» , «паспортная» характеристика целостного объекта Масса тела одинакова во всех системах отсчета, с какой бы скоростью они ни двигались! Важно, чтобы само тело покоилось в этой системе отсчета!

Многоликость массы. I. Тело с малой массой легче разогнать и легче остановить! Способность тела сохранять свое состояние движения — инертность • масса является мерой инертности

Многоликость массы. II. Сила тяжести у поверхности Земли пропорциональна массе тела Сила тяготения, действующая на спутник, зависит от массы Земли и массы спутника • масса является мерой тяготения

Многоликость массы. III. • Чтобы совершить работу, тело должно иметь запас энергии потенциальная кинетическая энергия покоя • масса является мерой способности тела совершать работу;

Зачем нужны другие характеристики? • масса и скорость по отдельности неполно описывают движение корпускулы: они недостаточны для описания внешнего воздействия Исаак Ньютон (1642 -1727)

Современная точка зрения: • При постоянном внешнем воздействии скорость корпускулы сначала растет быстро, но затем темп ее роста падает. В этих условиях поведение скорости перестает быть индикатором внешнего воздействия. По поведению скорости становится невозможно определить, имеется ли внешнее воздействие или нет

Выбор характеристик модели для описания реакций объекта на окружение: Ньютон правильно угадал, что лишь целостная величина, включающая массу и скорость, адекватно описывает реакцию корпускулы на внешнее воздействие • Импульс — векторная величина

При внешнем воздействии импульс растет неограниченно Изменение импульса со временем индикатор воздействия. Темп изменения импульса описывает внешнее воздействие — силу

Другие характеристики модели частицы для описания реакций объекта на окружение: — Энергия: кинетическая, потенциальная, в электрическом поле (если она имеет электрический заряд) в магнитном поле (если у нее есть магнитный момент)

Информативность характеристик корпускулы • Поведение таких характеристик как скорость, импульс, энергия и другие позволяют сделать вывод о том, в каких внешних условиях находится объект

• Изолированная корпускула Законы сохранения: Скорости Импульса • Неизолированная корпускула: Законы изменения со временем Знак Δ означает изменение величины характеристики Импульса сила Энергии мощность силы

Законы сохранения и симметрия пространства-времени закон сохранения импульса однородность пространства закон сохранения энергии однородность времени закон сохранения момента импульса изотропность пространства

Свойства корпускулы как модели • Изолированная ( и неизолированная) корпускула • Сохранение характеристик для изолированной корпускулы • Изменение характеристик для неизолированной корпускулы – законы динамики частицы, роль начальных условий • Система частиц как производная модель для сложных объектов или же вращающихся тел

Моделирование движения тел Если тело движется как целое (все элементы с одинаковой скоростью), то оно совершает поступательное движение. В этом случае моделью тела является корпускула

Вращение – другой тип движения Руки гимнаста остаются практически неподвижными, в то время как другие части тела имеют разные скорости

При вращении • Тело нельзя заменить движением одной частицы • Нужно рассматривать систему частиц Модель вращения молекулы из 4 -х атомов

Если тело совершает вращение, у него всегда — есть одна или несколько неподвижных точек; — разные элементы движутся с разными скоростями

Вращение и поступательное движение одновременно Модель тела – система частиц

Одиночный объект может совершать колебания горизонтальные колебания грузика на пружине. Периодические изменения координаты, скорости, ускорения груза не затрагивают никаких других тел

Колебания (вертикальные колебания груза). груз

континуум стекло газы тепло Электромагнитное поле ж и д к о с т ь

Среда с непрерывно распределенными характеристиками Поле температур мирового океана (°С)

• Для описания сплошных, непрерывных тел нужна иная, чем частица, модель: это модель сплошной среды Фундаментальные модели в физике: • частица (корпускула) и • сплошная среда (континуум)

Континуум – модель для среды с непрерывно распределенными характеристиками • Непрерывно – не значит равномерно. • Вводятся локальные характеристики: Плотность массы ρ(x, y, z) = = Плотность импульса Плотность энергии

Связанные маятники как модель сплошной среды Элементы среды (маятники) влияют друг на друга

Связанные маятники как модель сплошной среды При ударе слева по цепочке пойдет волна возмущений, т. к. маятники связаны между собой. Явление распространения колебаний в пространстве наз. волновым процессом

Волновые процессы – специфический тип движения в модели «континуум» Каждый элемент среды совершает свое локальное колебание, оставаясь на своем собственном месте, но оно передается соседним элементам – образуется волна.

Особенности волнового движения — соседний элемент начинает колебаться позже Характерные признаки волны — запаздывание (отставание) колебаний соседних элементов среды — скорость распространения волны и скорость колебаний различны

Распространение волны вдоль оси х z А Б А – поперечные волны (колебания по z ┴ x ) Б – продольные волны (колебания по x )

В неограниченном пространстве бегущие волны

В ограниченном пространстве стоячие волны λ

В ограниченном пространстве стоячие волны λ Длина волны зависит от размера доступной области

Длина волны зависит от способа возбуждения – на одной струне можно создать волны с разными λ •

Характеристики волны λ – длина волны – пространственный период координата Х

Временнáя характеристика волны — период Т T Ось времени Частота волны T

Звуковые волны: Внешнее возмущение вызывает волнообразное изменение плотности среды. Это продольные волны, которые могут распространяться только в среде (напр. , звук в воздухе или твердом теле)

Диапазон частот звука

Электромагнитные волны: Внешнее возмущение вызывает волнообразное изменение электрического и магнитного полей • Это поперечные волны, они могут распространяться в среде и в пустоте

Шкала длин волн (в метрах) электромагнитного излучения Шкала частот (в Герцах) электромагнитного излучения

В свободном пространстве • Направление распространения световой волны — прямая линия, луч • Говоря о лучах, мы забываем о волновом характере света • При встрече с препятствием лучи подчиняются законам геометрической оптики – они отражаются и преломляются

Образование тени • Тень образуется там, где препятствие перекрывает световой поток, ограниченный лучами.

ДИФРАКЦИЯ – особое свойство волна огибает препятствия, нарушение прямолинейности Так ведут себя волны на воде

Дифракция света на круглом отверстии/круглом экране

К Р УГ Л ОЕ Щ Е ЛИ О Т В Е Р С Т И Е Дифракция волн на круглом отверстии

• Дифракция света на узкой длинной щели

Дифракция света на фигурной щели

Прохождение волн через две «узкие» щели в экране Область перекрытия график Наблюдаемая картина Дифракция на двух щелях

Дифракция белого света на CD-диске

Дифракция света на дробинке

Особенности дифракции • При дифракции волны попадают в область, закрытую препятствием, т. е. происходит отклонение от законов геометрической оптики • Условие дифракции: Размер препятствия сопоставим с длиной волны излучения

экран с в е т Если размер щели (slit) сопоставим с длиной волны излучения: изображение щели на экране расширяется и становится размытым. Синяя плавная кривая – распределение интенсивности света в плоскости экрана захватывает более широкую область, чем размер щели

Дифракция на одной узкой щели Несколько симметричных максимумов

Дифракция на многих щелях

К явлению интерференции

ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ на воде

Интерференция – “вмешательство” При наложении: • волны способны усиливать и гасить друга. • происходит перераспределение интенсивности волн в пространстве

Условие интерференции: • Для возникновение устойчивой картины необходимо, чтобы излучение источников было четко согласовано. • Такие источники называются когерентными

Интерференция белого света в мыльной пленке

• Интерференция и дифракция характерные волновые явления, которые возможно описать только в модели континуума • Явления интерференции и дифракции — индикаторы волновых процессов

Модели объектов в химии • С точки зрения химии, в мире существуют вещества (соли, кислоты, оксиды …) и реакции между ними, которые становятся объектами моделирования в классической версии ЕНКМ

Различные виды моделей состав молекулы – стехиометрические модели

Дальтониды – вещества строго определенного состава Объекты классической ЕНКМ Объекты неклассической ЕНКМ

Модели структуры веществ нитроглицерин

Моделирование химических процессов • – уравнения реакций типы реакций (синтез, окисление, обмен…) • Условия реакции — описание внешнего воздействия – напр. , нагревание

Моделирование химических процессов Уравнения реакций экзотермическая реакция эндотермическая реакция типы реакций (окислительно-восстановительные, обмена, соединения, разложения, замещения и т. д. )

Модели объектов в биологии • Специфика живого – способность воспроизводить себя как целое • Фундаментальные модели зависят от уровня (масштаба) описания: биология суборганизменная Потомки выглядят как системы –предки: их облик задан генотипом надорганизменная Эти системы пластичны и изменчивы

Модели суборганизменного уровня Клетка — Биомолекулы – строительный материал живой материи минимальная живая система

Надцарства по признаку строения клетки: • Прокариоты – организмы, клетки которых не имеют ядра, ограниченного мембраной: все бактерии • Эукариоты – организмы, клетки которых содержат оформленные ядра: одноклеточные и многоклеточные водоросли, грибы, простейшие, все высшие животные и растения

Модели надорганизменного уровня • • Организм Популяция Биоценоз Биосфера Человекисследовательэлемент этой группы

• КОНЦЕПЦИЯ РЕГУЛИРУЕМОГО (КОНТРОЛИРУЕМОГО) ВОЗДЕЙСТВИЯ

Воздействие и взаимодействие • Окружение и объект – неравноправны: окружение оказывает воздействие на объект и его характеристики изменяются • Если имеются несколько равноправных объектов, то они взаимодействуют друг с другом

“Механизм” передачи воздействия Прямой контакт – без посредника

“Механизм” передачи воздействия На расстоянии нужен переносчик воздействия. Он движется с конечной скоростью, поэтому неизбежно запаздывание при передаче воздействия

СВЕТ РАСПРОСТРАНЯЕТСЯ СО СКОРОСТЬЮ С = 3 108 м/с ● Объект • Благодаря этому мы видим объекты такими, как они были некоторое время назад: Запаздывание Комната Книга Луна Солнце Звезды 10 -20 μ с 1 -3 μ с 1, 5 с 8 мин. От 3 -5 лет до 10 тыс. лет

Дальнодействие и близкодействие • Если скорость переносчика считается бесконечно большой, то сигнал передается мгновенно. Имеет место дальнодействие. Это идеальный случай • В реальности переносчик имеет конечную скорость– имеет место близкодействие.

Фундаментальные воздействия Гравитационное Удерживает планеты на орбитах, создает силу тяжести Электромагнитное Удерживает электроны в атомах, взаимодействие заряженных тел Сильное Обеспечивает стабильное существование ядер Слабое Длительное горение звезд и Солнца

Нефундаментальные взаимодействия Фундаментальное электромагнитное взаимодействие Фундаментальное сильное взаимодействие Фундаментальное слабое взаимодействие

Воздействие Переносчик ( по убыванию интенсивности) Сильное (в ядрах) Электромагнитное π –мезон связывает нуклоны, глюон – связывает кварки Фотон – γ кванты Слабое Калибровочные бозоны W +, W – , Z 0 Гравитационное Гравитон ?

Радиус действия Воздействие m — Масса переносчика Сильное (между нуклонами) 90 m протона Слабое 90 000 m протона Радиус действия 10 – 15 м 10 – 18 м Электромагнитное 0 0<r<∞ Гравитационное 0 0<r<∞

• Нефундаментальные взаимодействия – видимый результат действия фундаментальных. Например, • В микромире -взаимодействия между нейтральными атомами и молекулами в кристаллах – Ван-дер-Ваальсовы силы • В макромире — силы трения и вязкости

Нобелевские лауреаты -08 Тосихидэ Маскава Макото Кобаяси Йоичиру Намбу

Нобелевские лауреаты -08 Тосихидэ Маскава, Макото Кобаяси, Йоичиру Намбу

Йоичиру Намбу, 1921 г. , Токио. Почетный профессор Института Энрико Ферми университета Чикаго. Предложил идеи глюонов (переносчиков взаимодействия между кварками) и «цветных» кварков (элементарных компонентов нуклонов) ………………….

Кварки- структурные единицы нуклонов (протона и нейтрона) • Кварки столь сильно «склеены» , что не могут вылететь на «свободу» . • Переносчиками взаимодействия между кварками выступают глюоны. Их масса, как и масса фотонов, равна нулю.

Цвет – условные характеристики кварков. Красный, синий и зеленый – дополнительные цвета, совместно создающие белый. Структура бариона Данный триплет кварков может существовать только в единстве, что иллюстрирует идею целостности природы на самом фундаментальном уровне

Кварковые модели протона Заряд u равен 2/3 нейтрона Заряд d равен – 1/3

Сильное взаимодействие Это взаимодействие между нуклонами. Оно осуществляется особыми виртуальными объектами – π-мезонами

Характеристики воздействия на корпускулу в физике: • сила – зависит от положения тела, скорости и времени; • потенциальная энергия во внешнем поле – тяжести, электрическом, магнитном U (r) • мощность силы тела) (сила · скорость

Концепция регулярного (контролируемого) воздействия 1. В классической версии ЕНКМ воздействие окружения на объект подчиняется определенному закону, т. е. является регулярным 2. По известному закону воздействия и начальным условиям можно однозначно установить поведение объекта в будущем

Концепция регулярного (контролируемого) воздействия 2. Законы воздействия для сил, напр. , для силы упругости ; cилы тяжести силы Кулона ;

Законы для потенциальной энергии: в поле тяжести в электрическом поле заряда при упругом воздействии

В идеальном случае воздействие окружения может быть сделано сколь угодно малым или скомпенсировано другим воздействием. В этом случае объект можно условно считать изолированным. Подобное приближение возможно только в классической версии ЕНКМ

Воздействие и взаимодействие

Концепция контролируемого воздействия. Воздействие и взаимодействие. Характеристики контролируемого воздействия на частицу. Фундаментальные силы. Механическая энергия и динамика частицы. Энергия взаимодействия в системе частиц.

Лекция №7.

Концепция контролируемого воздействия:

Рассматривая модели свободной частицы и изолированной системы частиц, мы идеализировали ситуацию, считая, что они как бы вынуты из окружения. В реальности, конечно, подобное предположение справедливо только в том случае, если наличие окружения слабо сказывается на поведении объекта, как будто они разнесены друг от друга на большие расстояния. В других ситуациях окружение влияет на поведение объекта, и это определенным образом отражается на его характеристиках – хотя бы некоторые из них перестают быть неизменными. Другими словами, окружение оказывает на рассматриваемый объект некоторое воздействие, которое понимается как одностороннее влияние на него со стороны всех других тел, образующих его «свиту».

Сила вообще не является единственной и универсальной характеристикой воздействия на частицу. Если это воздействие осуществляется более массивным материальным объектом, который мы можем считать неподвижным, и имеет гравитационный, электрический или упругий характер, то в нашем распоряжении оказывается еще одна новая характеристика. В этих условиях она приписывается объекту (более легкой частице), потому что формально зависит только от ее координат, хотя на самом деле она принадлежит всей системе в целом. Эта характеристика называется потенциальной энергией U (r), и поэтому даже соответствующие силы называют потенциальными. Конкретный вид зависимости U (r) определяется соответствующим законом силы. Так, для силы тяжести вблизи поверхности Земли на высоте h она равна mgh. Как оказалось, это действительно энергетическая характеристика, потому что она увеличивает способность тела производить работу. Достоинство потенциальной энергии состоит в том, что совместно с кинетической энергией она образует новую физическую величину – механическую энергию е_мех, которая, несмотря на внешнее воздействие, обладает свойством сохранения.

Около 60 лет назад считалось, что существует только четыре элементарные частицы – протон, нейтрон, электрон и фотон. Однако с тех пор в течение довольно короткого времени были открыты не только новые элементарные частицы, но и многочисленные процессы их взаимных превращений. Элементарные частицы образуют одно тесное неразделимое сообщество. Существование одной частицы, так или иначе, связано с наличием другой.

Для обозначения всех этих многообразных связей физики используют понятие «взаимодействие». Этот термин достаточно конкретный, но, с другой стороны, весьма широкий. Независимо от того, притягиваются ли частицы между собой, отталкиваются или распадаются на другие частицы, – они «взаимодействуют» друг с другом.

Современная физика знает четыре силы, существующие в природе, и, соответственно, четыре типа взаимодействия. Первая, которая порождает так называемое сильное взаимодействие, действует на крайне коротких расстояниях (около 10 -15 м) между частицами в атомных ядрах и обеспечивает «склейку» ядер. Другая, более слабая сила (в 1014 раз, чем сильная), вызывающая слабое взаимодействие, также возникает между субатомными частицами (обуславливает бета-распад). Электромагнитное взаимодействие примерно в 100 раз слабее сильного, зато радиус его практически не ограничен. Наконец, гравитация – наиболее слабый вид взаимодействия: его интенсивность составляет всего лишь 10 -43 от интенсивности электромагнитного взаимодействия. Это взаимодействие, по-видимому, не играет никакой роли в мире элементарных частиц. Однако не исключено, что его истинное значение нам просто неизвестно.

Смысловое различие между «воздействием» и «взаимодействием» заключается в следующем: в первом случае подразумевается определенное неравноправие объекта и окружения (например, большое различие в их массах). Во втором же подразумевается равноправие объекта и окружения. Так что воздействие можно интерпретировать как частный случай более общего понятия «взаимодействия».

До сих пор сам механизм взаимодействия (и воздействия) оставался как бы в тени – даже в системе со столкновениями он не рассматривался, считая, что частицы свободно прилетают из бесконечности, вступают в короткие взаимоотношения и затем вновь разлетаются на бесконечность, продолжая снова быть свободными. Между тем, последовательное описание взаимодействия и воздействия – одна из центральных задач всей физики. На протяжении столетий в ней сформировались два принципиально различных взгляда на механизм взаимодействия материальных объектов.

Один из них воплощен в принципе «близкодействия». По концепции близкодействия любое воздействие на материальные объекты может быть передано только между соседними точками пространства за конечный промежуток времени. Оно проявляется в том, что при этом абсолютно твердые объекты передают один другому некоторую долю импульса, энергии и т.п.

Таким образом, согласно наиболее общим положениям концепции единого пространства-времени, взаимодействие подчиняется принципу близкодействия, т.е. осуществляется с запаздыванием. Однако во многих задачах с медленно движущимися объектами его с успехом можно описывать приближенно, считая время запаздывания чрезвычайно малым.

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

1. Почему с неклассической точки зрения прибор оказывается неидеальным каналом связи между экспериментатором и исследуемым объектом?

Так как объект рассматривается не сам по себе, а особая целостная система.

Так как объект рассматривается сам по себе.

Так как у него мало свойств.

Напишите свой ответ, если вы считаете, что выше предложенные варианты не верны.

2. Каким набором характеристик описывается поведение системы «объект+окружение»?

Характеристики объекта и состояния.

3. Каким понятием описывается макроскопическая обстановка, в которой находится исследуемый объект:

4. Какую роль играют характеристики объекта и характеристики его состояния в отражении целостности системы «объект+окружение»?

На них и по средствам их строится все описание природы.

По их изменениям можно делать достоверные заключения о событиях, в которых принимает участие исследуемый объект.

Несут отпечаток определенной природной сущности.

Представляют собой общий способ классификации естественно-научных понятий.

5. Перечислите фундаментальные модели неклассической физики .

Квантоводинамическая и термодинамическая.

Вещество и электромагнитное излучение.

Динамическая модель и статистическая модель.

6. Что сближает квантоводинамическую и термодинамическую модели состояний?

Вероятностный характер описания.

Многие физические величины.

7. Перечислите фундаментальные модели неклассической физики

Постоянная Планка, (СН) Шредингер.

8. Что сближает квантово-динамическую и термодина­мическую модели состояний?

Имеет место неконтролируемое воздействие на объект.

Все вычисления необходимо производить в рамках теории вероятности.

Позволяющие отразить другую сторону физической реальности, воплощенную в неконтролируемом воздействии внешнего окружения.

Ситуации, когда число частиц в объекте мало.

9. Какой критерий различия между большим и малым объектами природы?

Минимальное квантовое воздействие

Лекция №9.

9. Концепция микросостояния объекта. Ограничение воздействия на микроуровне как фундаментальный закон природы. Микросостояние одной микрочастицы. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц. Концепция микросостояний объекта.

9.1. Ограничение воздействия на микроуровне как фундаментальный закон природы

Мы знаем еще со школы, да и на собственном опыте о проявлении атомизма вещества. Свойства атомов, электронов и атомных ядер довольно трудно сочетать с законами классической физики. В законах отсутствует отличающий большой материальный объект от малого, тогда как в природе наблюдается четкое различие по размерам и другим свойствам между микрообъектами и макроскопическими телами. Это различие универсально и связано с каким-то общим свойством, присущим микромиру в целом, а не со свойствами каких-то конкретных атомов или типов действующих в них сил.

Реакция материального объекта на внешнее воздействие, включая воздействие, с которым связано любое наблюдение за объектом позволяет различать микро- и макрообъекты. Предполагается, что воздействие при наблюдении всегда можно сделать пренебрежимо малым независимо от размеров и других свойств объекта. Т.к. атомы обладают близкими по величине размерами и энергиями связи, естественно допустить, что в самой природе существует ограничение на минимальное значение любого воздействия на материальный объект, включая самое аккуратное его наблюдение.

Критерий, позволяющий отличить большие объекты от малых — если объект таков, что минимальным квантовым воздействием на него можно пренебречь, то это макрообъект; если же объект таков, что минимальным квантовым воздействием на него пренебречь нельзя, то это микрообъект. Природа устроена так, что в ней существует min «порция» («атом») квантового воздействия. Новый фундаментальный закон природы – существование универсального ограничения на величину квантового воздействия.

Для нахождения соответствующей «порции» необходим тщательный анализ экспериментов. При воздействии меняются – все вместе или порознь – энергия, импульс и момент материального объекта. Если уж воздействие в природе характеризуется некой минимальной порцией, то это должно единообразно сказываться на всех физических величинах, которые передаются объекту при воздействии.

Заслуга распространения принципа атомизма принадлежит М. Планку. Поводом, приведшим его к открытию нового фундаментального закона природы, послужило исследование процессов испускания и поглощения электромагнитного излучения нагретыми твердыми телами при постоянной температуре (теплового излучение). Характерной особенностью рассмотренной им системы было, то, что в ней взаимодействовали два материальных объекта: атомы вещества и электромагнитное излучение. Результаты опытов не зависели от типа вещества и зависели лишь от такой общей характеристики электромагнитного излучения, как частота , следовательно, это универсальное явление. Все попытки объяснить экспериментальные данные по тепловому излучению с точки зрения классической физики закончились неудачей. В конце 1900 года Планк первым осознал, что причина неудач связана с концепцией, присущей классическому взгляду на природу. Тщательный анализ экспериментальных законов теплового излучения привел его к выводу, что их можно объяснить, если предположить, что воздействие электромагнитного излучения на атомы вещества происходит отдельными дискретными «порциями», отличными от нуля.

Универсальной количественной характеристикой минимального квантового воздействия на объекты, находящиеся в микросостояния, служит постоянная Планка Джс, или элементарный квант действия. Любое воздействие, происходящее в природе, можно охарактеризовать целым числом квантов действия , так что постоянная Планка играет роль неделимой более «порции» или «атома» воздействия.

Сейчас идея Планка обоснована бесчисленными опытами с самыми различными объектами в микросостояниях, из которых следует одно и то же значение .

Универсальный характер постоянной Планка проявляется в том, что через нее могут быть выражены любые физические характеристики, которыми обмениваются два взаимодействующих объекта.

Дальнейшая разработка этой идеи и применение ее к объяснению все новых и новых экспериментов в микромире привели в конце 20-х годов XX в. к созданию квантовой физики.

Значение открытия Планка, его квантовой гипотезы не сводится только к построению еще одной фундаментальной физической теории, речь идет о принципиальном изменении взгляда на природу и методы познания ее человеком.

Квантовая физика позволила последовательно развить качественно новый, неклассический взгляд на природу.

Открытие Планка, создало основу для объяснения существования в природе атомизма, а с другой стороны, показало всю ограниченность самого принципа атомизма. Классическая физика знает только одну форму описания сложной системы – это составная система, т.е. система, состоящая из каких-то более элементарных объектов. Но

ситуация коренным образом изменилась с установлением фундаментальной роли в природе постоянной Планка .