Site Loader

Содержание

Квантово-полевая картина мира — презентация онлайн

1. Квантово-полевая картина мира (КПКМ).

В основе современной КПКМ лежит новая
физическая теория – квантовая механика,
описывающая состояние и движение
микрообъектов.
В основе квантовой механики лежат
фундаментальные идеи о квантовании
физических величин и корпускулярноволновом дуализме (единстве
корпускулярного и континуального подхода
к описанию мира).

3. Формирование идеи квантования физических величин.

Определение: физические величины,
которые могут принимать лишь
определенные дискретные значения,
называются квантованными. А само их
выражение через квантовые числа
называется квантованием.
Сама идея квантования сформировалась
на основе ряда открытий в конце 19-го –
начале 20-го века.
Эти открытия следующие.
Открытие электрона. В 1897 году был
открыт электрон. Его заряд оказался
наименьшим, элементарным. Заряд
любого тела равен целому числу
элементарных зарядов.
Таким образом, заряд дискретен, а
равенство –
q = ±n*e
представляет собой форму квантования
электрического заряда.
В результате экспериментов были
установлены законы фотоэффекта
– явления выбивания электронов из
вещества под действием света,
из которого выходили следствия:
1) независимость энергии выбиваемых
электронов от интенсивности света, а
зависимость её только от частоты
световой волны;
2) наличие для каждого вещества
минимальной частоты, при которой
фотоэффект ещё возможен.
Согласно теории электромагнитного
излучения во второй половине 19-го века
следовало, что энергия теплового
излучения на всех частотах (во всем
интервале длин волн) равнялась
бесконечности, что противоречило закону
сохранения энергии. Нужно было решить
эту проблему.
В 1900-м году Макс Планк (18581947) для выхода из этой
ситуации предложил следующую
гипотезу: электромагнитное
излучение испускается
отдельными порциями –
квантами, величина которых
пропорциональна частоте
излучения.
Гипотеза Планка фактически
стала началом новой физики –
квантовой физики (старая
получила название
классической).
Согласно представлениям квантовой
физики энергия кванта
e = h× w ,
где w — частота, а h – постоянная
Планка, равная 6,626×10-34 Дж×с.
Она является фундаментальной
физической константой (квант
действия).
Таким образом, если в классической физике
считалось, что энергия может изменяться
непрерывно и принимать любые, сколь угодно
близкие значения, то согласно квантовым
представлениям, она может принимать лишь
дискретные значения, равному целому числу
квантов энергии:
Е =n×h×w,
где n = 1,2,3… — целые числа;
h – постоянная Планка;
w – мера частоты вращательного или
колебательного движения .
В 1905-м году А. Эйнштейн, приняв
гипотезу Планка, расширил её,
предположив, что свет не только
излучается квантами, но и
распространяется и поглощается тоже
квантами (названными впоследствии
фотонами).
Таким образом, свет представляет собой
поток световых частиц – фотонов. Это
возвращает нас к корпускулярным
воззрениям Ньютона, но на новом уровне.
Энергия фотона e = h×w = mc2.
Покоящийся фотон не существует
Эйнштейн также создаёт основное
уравнение фотоэффекта:
hw = A + Ek,
энергия фотона расходуется на работу
выхода электрона из атома и придание
ему кинетической энергии.

12. Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества.

В истории развития учения о свете
сменяли друг друга корпускулярная теория
света (И.Ньютон) и волновая (Р. Гук, Ч.
Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель),
представлявшая свет как механическую
волну.
В 70-х годах 19-го века после утверждения
теории Максвелла под светом стали
понимать электромагнитную волну.
В начале 20-го века на основе
экспериментов было неопровержимо
доказано, что свет обладает как
волновыми, так и корпускулярными
свойствами.
Было также обнаружено, что в проявлении
этих свойств существуют вполне
определенные закономерности: чем
меньше длина волны, тем сильнее
проявляются корпускулярные свойства
света.
В 1924-м году французский
физик Луи де Бройль
выдвинул смелую гипотезу:
корпускулярно-волновой
дуализм имеет
универсальный характер,
т.е. все частицы, имеющие
конечный импульс,
обладают волновыми
свойствами.
При проявлении у микрообъекта
корпускулярных свойств его волновые
свойства существуют как потенциальная
возможность, способная при
определенных условиях перейти в
действительность (диалектическое
единство корпускулярных и волновых
свойств материи).
По современным представлениям
квантовый объект – это не частица, не
волна, и даже не то и не другое
одновременно.
Квантовый объект – это нечто третье, не
равное простой сумме свойств частицы и
волны.

17. Принцип дополнительности.

Корпускулярные и волновые
свойства микрообъекта
являются несовместимыми в
отношении их одновременного
проявления, однако они в
равной мере характеризуют
объект, т.е. дополняют друг
друга.
Датский физик Нильс Бор в
1927-м году сформулировал
принцип дополнительности.
Всякое истинное явление природы не
может быть определено однозначно с
помощью слов нашего языка и требует
для своего определения, по крайней
мере, двух взаимоисключающих
дополнительных понятий. К числу
таких явлений относятся, например,
квантовые явления, жизнь, психика и
др.

19. Основные понятия и принципы КПКМ.

Ранее считалось, что устройство мира можно
познавать, не вмешиваясь в него, не влияя на
протекающие в нём процессы.
Картина реальности в квантовой механике
становится двуплановой: с одной стороны в
неё входят характеристики исследуемого
объекта, а с другой – условия наблюдения.
Таким образом, в КПКМ появляется принцип
относительности к средствам
наблюдения.
Пространство и время.
Три пространственные координаты и
время потеряли абсолютный и
независимый характер.
Согласно Специальной теории
относительности существует единое
пространство-время как абсолютная
характеристика четырехмерного Мира
(пространственно-временного
континуума).
Причинность.
Пространство, время и причинность
являются относительными и зависимыми
друг от друга.
Причинность в современной КПКМ имеет
вероятностный характер (вероятностная
причинность).
Взаимодействие.
Всё многообразие взаимодействий
подразделяется в современной
физической картине мира на 4 типа:
сильное, электромагнитное, слабое и
гравитационное.
По современным представлениям все
взаимодействия имеют обменную природу,
т.е. реализуются в результате обмена
фундаментальными частицами –
переносчиками взаимодействий.
Каждое из взаимодействий
характеризуется временем протекания,
радиусом действия и константой
взаимодействия, которое определяет его
сравнительную интенсивность.
Сильное взаимодействие.
Обеспечивает связь нуклонов в ядре.
Константа взаимодействия равна
приблизительно 1, радиус действия
порядка 10-15, время протекания t ~10-23с.
Частицы – переносчики — p-мезоны.
Электромагнитное взаимодействие:
Константа порядка 10-2, радиус
взаимодействия не ограничен, время
взаимодействия t ~ 10-20с.
Оно реализуется между всеми
заряженными частицами.
Частица-переносчик – фотон (g-квант).
Слабое взаимодействие.
Связано со всеми видами b-распада,.
Константа взаимодействия порядка 10-13,
время взаимодействия ~ 10-10 с.
Это взаимодействие, как и сильное,
является короткодействующим: радиус
взаимодействия r~10-18 м.
Частицы – переносчики — виртуальные Wи Z-бозоны.
Гравитационное взаимодействие.
Является универсальным, из всех
взаимодействий является самым слабым
и проявляется только при наличии
достаточно больших масс.
Его радиус действия не ограничен, время
также не ограничено.
Обменный характер гравитационного
взаимодействия до сих пор остается под
вопросом, так как гипотетическая
фундаментальная частица гравитон пока
не обнаружена.

г. Занятие 4. 3часа Тема: Неклассическая (квантово-полевая) картина мира. Современная эволюционная картины мира. Концепции квантовой механики.

ЧАСТЬ 4. ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ

ЧАСТЬ 4. ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ КОРПУСКУЛЯРНО ВОЛНОВОЙ ДУАЛИЗМ ЧАСТИЦ МАТЕРИИ Есть две формы существования материи: вещество и поле. Вещество состоит из частиц, «сцементированных» полем. Именно посредством

Подробнее

Мансуров А. Н. Мансуров Н.А.

Мансуров А. Н. Мансуров Н.А. Методические рекомендации к УМК «Физика 10,11» Мансурова А.Н., Мансурова Н.А. при изучении физики в классах средней школы с гуманитарным и социально- экономическим профилем

Подробнее

17.1. Основные понятия и соотношения.

Тема 7. Волны де Бройля. Соотношения неопределенностей. 7.. Основные понятия и соотношения. Гипотеза Луи де Бройля. Де Бройль выдвинул предложение, что корпускулярно волновая двойственность свойств характерна

Подробнее

Микромир и Вселенная

Микромир и Вселенная nuclphys.sinp.msu.ru Структура материи Вселенная Скопление галактик Галактики Звезды Планеты Молекулы Атомы Атомные ядра Электроны Протоны, нейтроны Кварки, глюоны Научное исследование

Подробнее

Билеты с ответами 2014 по Физике by AKF3.ru

Билеты с ответами 2014 по Физике by AKF3. — А /Тарасова Н.М./ «28» августа

Подробнее

Рис. 1. Модель атома Резерфорда

1. СТРОЕНИЕ АТОМА В настоящее время полагают, что мир состоит из фундаментальных частиц. Гипотеза о том, что все вещества состоят из мельчайших элементарных частиц атомистическая гипотеза возникла еще

Подробнее

Г.Я.Мякишев Б.Б.Буховцев, Н.Н. Сотский

Название курса Класс Количество часов в неделю Количество часов в год ФИО учителя Составитель Цель курса Структура курса Уточнение к РП Физика 11 2 68 Беспалова Н.П. Лопырева К.Е. Г.Я.Мякишев Б.Б.Буховцев,

Подробнее

1. (42 1. (13 2. (17 3. (12

ПОУРОЧНОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ 10 КЛАСС РАЗДЕЛ 1. МЕХАНИКА (42 ч) ТЕМА 1. Основы кинематики (13 ч) Урок 1/1 Введение Урок 2/2 Механическое движение. Система отсчета. Материальная точка Урок 3/3 Траектория. Путь.

Подробнее

7. Планетарная модель атома

7. Планетарная модель атома В 1911 г. Резерфорд изучал рассеяние α частиц (ядра атомов гелия, состав р+, заряд + е ) тонкими металлическими пленками (~1 мкм). α частицы возникают при радиоактивном распаде

Подробнее

Фотоэффект. Лекция 4.5.

Фотоэффект Лекция 4.5. Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения абсолютно черного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта явления, открытие и

Подробнее

Атомная физика. Лекция 1.

Атомная физика. Лекция 1. Излучение абсолютно черного тела. Эффект Комптона. Фотоэффект. Гипотеза де-бройля. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Волновая функция. Свечение тел Хемилюминесценция

Подробнее

ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ПОДГОТОВКИ УЧАЩИХСЯ

ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ПОДГОТОВКИ УЧАЩИХСЯ В результате изучения физики обучающиеся 7 класса должны смысл понятий: физическое явление, физический закон, вещество. смысл физических величин: путь, скорость,

Подробнее

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Программа составлена на основе Федерального компонента государственного стандарта среднего (полного) общего образования и Примерной программы по физике. Федеральный базисный учебный

Подробнее

ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА МИКРОЧАСТИЦ ВЕ ЩЕСТВА

ВОЛНОВЫЕ СВОЙСТВА МИКРОЧАСТИЦ ВЕЩЕСТВА Первый постулат Бора. В атоме существуют стационарные (не изменяющиеся со временем) энергетические состояния. Пребывая в одном из стационарных состояний, атом не

Подробнее

Элементы квантовой механики

Сегодня: воскресенье, 8 декабря 2013 г. Лекции 19, 20 Элементы квантовой механики Содержание лекции: Гипотеза де Бройля Эксперимент Дэвиссона и Джермера Свойства микрочастиц Соотношение неопределенностей

Подробнее

6. Угол падения равен углу отражения

5 Доказательство того, что луч падающий, луч отраженный и преломленный лежат в одной плоскости До сих пор мы не уточняли положение начала системы координат в выбранной СО Выберем эту точку на границе раздела

Подробнее

Тема: Основы квантовой механики

1 Тема: Основы квантовой механики Квантовая механика это теория, изучающая свойства микрообъектов и законы их движения и взаимодействия. (под микрообъектом подразумеваются элементарные частицы, а так же

Подробнее

Поурочное планирование

Поурочное планирование 10 класс 1 Физика и методы научного познания природы Введение 1 ч Физика как наука. Научные методы познания окружающего мира и их отличия от других методов познания. Роль эксперимента

Подробнее

Оптика/Квантовая физика

Восточно-Сибирский университет технологий и управления Кафедра «Физика» Физика 6 зет Оптика/Квантовая физика Квантовая (корпускулярная) оптика Улан-Удэ / 2018 1. Квантовая (корпускулярная) оптика 2/32

Подробнее

11и, с класс, учебный год

Календарно-тематическое планирование по физике (среднее общее образование, профильный уровень) 11и, с класс, 2017-2018 учебный год Изучаемая тема и тема Повторение материала X класса (2 часа) 1н IX 1 Механика.

Подробнее

Фотоэффект. Презентация 11 класс

Фотоэффект { Презентация 11 класс Цели урока: сформировать у учащихся представления о фотоэффекте и изучить его законы; развивать познавательную активность школьников с помощью проблемных вопросов, исторического

Подробнее

КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА Фотоны Свет излучается и поглощается дискретными порциями световыми квантами (корпускулами) Согласно предположению А Эйнштейна, распространяется свет также квантами (их называют

Подробнее

Пояснительная записка

Пояснительная записка Рабочая программа по физике в 10-11 классе составлена в соответствии с государственным образовательным стандартом. Авторы программы В.С.Данюшенков, О.В.Коршунов. (Программы общеобразовательных

Подробнее

КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА Фотоэлектрический эффект Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание веществом электронов под действием электромагнитного излучения Принято выделять три

Подробнее

Севастополь 2016 год

Государственное бюджетное образовательное учреждение города Севастополя «Средняя общеобразовательная школа 52 имени Ф.Д.Безрукова» Рабочая программа по предмету «Физика» для 11 класса на 2016/2017 учебный

Подробнее

ФИЗИКА. для студентов кафедр ИУ3, ИУ4, ИУ5, ИУ6, ИУ7, РК 6, РЛ6, МТ4, МТ8, МТ11, СМ13 3 СЕМЕСТР

ФИЗИКА для студентов кафедр ИУ3, ИУ4, ИУ5, ИУ6, ИУ7, РК 6, РЛ6, МТ4, МТ8, МТ11, СМ13 3 СЕМЕСТР Модуль 1 Таблица 1 Виды аудиторных занятий и самостоятельной работы Сроки проведения или выполнения, недели

Подробнее

Презентация по физике «Квантово-полевая картина мира»

Презентация на тему: Квантово-полевая картина мира

Скачать эту презентацию

Скачать эту презентацию

№ слайда 1 Описание слайда:

Квантово-полевая картина мира (КПКМ). 900igr.net

№ слайда 2 Описание слайда:

В основе современной КПКМ лежит новая физическая теория – квантовая механика, описывающая состояние и движение микрообъектов. В основе квантовой механики лежат фундаментальные идеи о квантовании физических величин и корпускулярно-волновом дуализме (единстве корпускулярного и континуального подхода к описанию мира).

№ слайда 3 Описание слайда:

Формирование идеи квантования физических величин. Определение: физические величины, которые могут принимать лишь определенные дискретные значения, называются квантованными. А само их выражение через квантовые числа называется квантованием. Сама идея квантования сформировалась на основе ряда открытий в конце 19-го – начале 20-го века.

№ слайда 4 Описание слайда:

Эти открытия следующие. Открытие электрона. В 1897 г. был открыт электрон. Его заряд оказался наименьшим, элементарным. Заряд любого тела равен целому числу элементарных зарядов. Таким образом, заряд дискретен, а равенство q = ±n*e представляет собой форму квантования электрического заряда.

№ слайда 5 Описание слайда:

В результате экспериментов были установлены законы фотоэффекта – явления выбивания электронов из вещества под действием света, из которого выходили следствия: 1) независимость энергии выбиваемых электронов от интенсивности света, а зависимость её только от частоты световой волны; 2) наличие для каждого вещества минимальной частоты, при которой фотоэффект ещё возможен.

№ слайда 6 Описание слайда:

Согласно теории электромагнитного излучения во второй половине 19-го века следовало, что энергия теплового излучения на всех частотах (во всем интервале длин волн) равнялась бесконечности, что противоречило закону сохранения энергии. Нужно было решить эту проблему.

№ слайда 7 Описание слайда:

В 1900-м году Макс Планк (1858-1947) для выхода из этой ситуации предложил следующую гипотезу: электромагнитное излучение испускается отдельными порциями – квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения. Гипотеза Планка фактически стала началом новой физики – квантовой физики (старая получила название классической).

№ слайда 8 Описание слайда:

Согласно представлениям квантовой физики энергия кванта e = h×w, где w — частота, а h – постоянная Планка, равная 6,626×10-34 Дж×с. Она является фундаментальной физической константой (квант действия).

№ слайда 9 Описание слайда:

Таким образом, если в классической физике считалось, что энергия может изменяться непрерывно и принимать любые, сколь угодно близкие значения, то согласно квантовым представлениям, она может принимать лишь дискретные значения, равному целому числу квантов энергии: W =n×h×w, где n = 1,2,3… — целые числа.

№ слайда 10 Описание слайда:

В 1905-м году А. Эйнштейн, приняв гипотезу Планка, расширил её, предположив, что свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается тоже квантами (названными впоследствии фотонами). Таким образом, свет представляет собой поток световых частиц – фотонов. Это возвращает нас к корпускулярным воззрениям Ньютона, но на новом уровне.

№ слайда 11 Описание слайда:

Энергия фотона e = h×w = mc2, покоящийся фотон не существует Эйнштейн также создаёт основное уравнение фотоэффекта: hw = A + Ek, энергия фотона расходуется на работу выхода электрона из атома и придание ему кинетической энергии.

№ слайда 12 Описание слайда:

Корпускулярно-волновой дуализм света и вещества. В истории развития учения о свете сменяли друг друга корпускулярная теория света (И.Ньютон) и волновая (Р. Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель), представлявшая свет как механическую волну. В 70-х годах 19-го века после утверждения теории Максвелла под светом стали понимать электромагнитную волну.

№ слайда 13 Описание слайда:

В начале 20-го века на основе экспериментов было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Было также обнаружено, что в проявлении этих свойств существуют вполне определенные закономерности: чем меньше длина волны, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света.

№ слайда 14 Описание слайда:

В 1924-м году французский физик Луи де Бройль выдвинул смелую гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы, имеющие конечный импульс, обладают волновыми свойствами.

№ слайда 15 Описание слайда:

При проявлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальная возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность (диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств материи).

№ слайда 16 Описание слайда:

По современным представлениям квантовый объект – это не частица, не волна, и даже не то и не другое одновременно. Квантовый объект – это нечто третье, не равное простой сумме свойств частицы и волны.

№ слайда 17 Описание слайда:

Принцип дополнительности. Корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Датский физик Нильс Бор в 1927-м году сформулировал принцип дополнительности.

№ слайда 18 Описание слайда:

Всякое истинное явление природы не может быть определено однозначно с помощью слов нашего языка и требует для своего определения, по крайней мере, двух взаимоисключающих дополнительных понятий. К числу таких явлений относятся, например, квантовые явления, жизнь, психика и др.

№ слайда 19 Описание слайда:

Основные понятия и принципы КПКМ. Ранее считалось, что устройство мира можно познавать, не вмешиваясь в него, не влияя на протекающие в нём процессы. Картина реальности в квантовой механике становится двуплановой: с одной стороны в неё входят характеристики исследуемого объекта, а с другой – условия наблюдения. Таким образом, в КПКМ появляется принцип относительности к средствам наблюдения.

№ слайда 20 Описание слайда:

Пространство и время. Согласно Специальной теории относительности существует единое пространство-время как абсолютная характеристика четырехмерного Мира (пространственно-временного континуума)

№ слайда 21 Описание слайда:

Причинность. Пространство, время и причинность являются относительными и зависимыми друг от друга. Причинность в современной КПКМ имеет вероятностный характер (вероятностная причинность).

№ слайда 22 Описание слайда:

Взаимодействие. Все многообразие взаимодействий подразделяется в современной физической картине мира на 4 типа: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное.

№ слайда 23 Описание слайда:

По современным представлениям все взаимодействия имеют обменную природу, т.е. реализуются в результате обмена фундаментальными частицами – переносчиками взаимодействий. Каждое из взаимодействий характеризуется константой взаимодействия, которое определяет его сравнительную интенсивность, временем протекания и радиусом действия.

№ слайда 24 Описание слайда:

Сильное взаимодействие. Обеспечивает связь нуклонов в ядре. Константа взаимодействия равна приблизительно 100, радиус действия порядка 10-15, время протекания t ~10-23с. Частицы – переносчики — p-мезоны.

№ слайда 25 Описание слайда:

Электромагнитное взаимодействие: константа порядка 10-2, радиус взаимодействия не ограничен, время взаимодействия t ~ 10-20с. Оно реализуется между всеми заряженными частицами. Частица-переносчик – фотон (g-квант).

№ слайда 26 Описание слайда:

Слабое взаимодействие. Связано со всеми видами b-распада,. Константа взаимодействия порядка 10-13, t ~ 10-10 с. Это взаимодействие, как и сильное, является короткодействующим: радиус взаимодействия r~10-18 м. Частицы – переносчики — виртуальные W- и Z-бозоны.

№ слайда 27 Описание слайда:

Гравитационное взаимодействие. Является универсальным, из всех взаимодействий является самым слабым и проявляется только при наличии достаточно больших масс. Его радиус действия не ограничен, время также не ограничено. Обменный характер гравитационного взаимодействия до сих пор остается под вопросом, так как гипотетическая фундаментальная частица гравитон пока не обнаружена.

№ слайда 28 Описание слайда:

Фундаментальные концепции описания природы (реферат)

Оглавление

Введение    3

.        Квантово-полевая (неклассическая) картина мира и ее основные принципы                           4

.        Принципы соответствия и суперпозиции         9

.        Концепция детерминизма. Динамические и статистические закономерности        10

.        Принципы эволюционно-синергетической (современной) картины мира    12

Заключение         18

Список литературы     20

Введение

В процессе познания окружающего мира в сознании <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%B7%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5_%28%D0%BF%D1%81%D0%B8%D1%85%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D1%8F%29> человека отражаются и закрепляются знания <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%B5>, умения, навыки, типы поведения и общения. Совокупность результатов познавательной деятельности человека <http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%9F%D0%BE%D0%B7%D0%BD%D0%B0%D0%B2%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B4%D0%B5%D1%8F%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C_%D1%87%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D0%B0&action=edit&redlink=1> образует определённую модель <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8C> (картину мира <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B0%D1%80%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%B0_%D0%BC%D0%B8%D1%80%D0%B0>). В истории человечества <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D1%81%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D1%8F_%D1%87%D0%B5%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B5%D1%87%D0%B5%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B0> было создано и существовало довольно большое количество самых разнообразных картин мира, каждая из которых отличалась своим видением мира и специфическим его объяснением.

Создание естественнонаучной картины мира является важнейшей задачей естествознания. Естественнонаучная картина природы образует в целом упорядоченную систему, которая по мере развития науки уточняется и дополняется. Наука стремится выявить общее в предметах и явлениях, которые она изучает. Выделение общего ведет к абстракциям, т. е. отвлечению от единичного, конкретного, случайного. Наиболее общие и абстрактные понятия, идеи и концепции естествознания выражают, с одной стороны, глубокие, а с другой — общие свойства природы. Такими понятиями и концепциями оперирует в первую очередь физика как фундаментальная основа естествознания. К наиболее общим, важным, фундаментальным понятиям физического описания природы относятся материя, движение, пространство и время.

Таким образом, естественнонаучная картина мира представляет собой целостную систему представлений об общих свойствах, сферах, уровнях и закономерностях <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD%D0%BE%D0%BC%D0%B5%D1%80%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C> реальной действительности <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B0%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C>. Фундаментальные концепции описания природы непрерывно эволюционируют, пополняются новыми фактами и на определенных исторических этапах переходят на качественно новый уровень, что выражается в научных революциях.

1.
 Квантово-полевая (неклассическая) картина мира и ее основные принципы

В конце ХIХ — начале XX вв. последовал ряд открытий, которые не вписывались в существовавшую научную картину мира. Революционная ситуация, сложившаяся в естествознании в начале XX в., связана с появлением двух новых теоретических концепций — квантовой механики и специальной теории относительности.

Во второй половине 19 в. в результате исследования теплового излучения был открыт ряд законов: Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Однако из теории, основанной на традиционных представлениях об электромагнитных излучениях, следовало, что энергия теплового излучения на всех частотах (во всем интервале длин волн) равнялась бесконечности, что противоречило закону сохранения энергии. Особенно ярко это противоречие проявлялось в области коротких длин волн, поэтому оно получило название «ультрафиолетовой катастрофы». В 1900 г. Макс Планк для выхода из этой ситуации предложил следующую гипотезу (впоследствии названную квантовой гипотезой Планка): электромагнитное излучение испускается отдельными порциями — квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения. Гипотеза Планка фактически стала началом новой, квантовой, физики (старая при этом получила название классической).

Таким образом, если в классической физике считалось, что энергия может изменяться непрерывно и принимать любые, сколь угодно близкие значения, то согласно квантовым представлениям, она может принимать лишь дискретные значения, равному целому числу квантов энергии

В 1905 г. А. Эйнштейн, приняв гипотезу Планка, расширил ее, предположив, что свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается тоже квантами (названными впоследствии фотонами). Таким образом, свет представляет собой поток световых частиц — фотонов.

В истории развития учения о свете сменяли друг друга корпускулярная теория света (Ньютон) и волновая (Р. Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель), представлявшая свет как механическую волну. В 70-х годах после утверждения теории Максвелла под светом стали понимать электромагнитную волну. В начале 20-го века на основе экспериментов было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Было также обнаружено, что в проявлении этих свойств существуют вполне определенные закономерности: чем меньше длина волны, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света.

В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул смелую гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы, имеющие конечный импульс, обладают волновыми свойствами. При проявлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальная возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность (диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств материи).

Таким образом, корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Эта идея была высказана Н. Бором (1927 г.) и положена им в основу важнейшего методологического принципа современной науки, охватывающего в настоящее время не только физические науки, но и все естествознание — принципа дополнительности. Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных. С точки зрения этого принципа, состояния, в которых взаимно дополнительные величины имели бы одновременно точно определенное значение, принципиально невозможны, причем если одна из таких величин определена точно, то значение другой полностью неопределенно. В общем случае дополнительными друг к другу являются, например, направление и величина момента количества движения, кинетическая и потенциальная энергия, напряженность электрического поля в данной точке и число фотонов и т.д. Таким образом, принцип дополнительности фактически отражает объективные свойства квантовых систем, не связанных с существованием наблюдателя.

Двойственная природа микрочастиц поставила науку перед вопросом о границах применимости понятий классической физики в микромире. В классической механике всякая частица движется по определенной траектории и всегда имеет вполне определенные (точные) значения координаты, импульса, энергии. Микрочастица, напротив, обладая волновыми свойствами, не имеет траектории, а значит, не может иметь одновременно определенных (точных) значений координаты и импульса. Меру этой неопределенности (неточности) в значениях координаты и импульса, энергии и времени нашел в 1927 г. В Гейзенберг, дав общее описание эффекта воздействия инструментов измерения на измеряемые объекты микромира, В результате им был сформулирован принцип неопределенности, математическое выражение которого называется соотношением неопределенностей Гейзенберга:

Δx х Δv > h/m

где Δx — неопределенность (погрешность измерения) пространственной координаты микрочастицы, Δv — неопределенность скорости частицы, m — масса частицы, а h — постоянная Планка

Принцип соответствия, имеющий важное философское и методологическое значение, может быть сформулирован следующим образом: теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы, с появлением новой теории не отбрасываются, а сохраняют свое значение для прежней области явлений, как предельная форма и частный случай новых теорий. Таким образом, классическая механика является предельным случаем квантовой механики и релятивистской механики.

Ранее считалось, что устройство мира можно познавать, не вмешиваясь в него, не влияя на протекающие в нем процессы, т.е. находясь вне абсолютной физической реальности. Эйнштейн не включал в понятие «физическая реальность» акт наблюдения, а Бор считал его важным элементом физической реальности. Картина реальности в квантовой механике становится как бы двуплановой: с одной стороны в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой — условия наблюдения. Таким образом, в КПКМ появляется принцип относительности к средствам наблюдения. Принцип относительности Галилея гласит: «Никакими механическими опытами, произведенными в инерциальной системе отсчета, невозможно определить, движется ли эта система равномерно и прямолинейно, или находится в покое». Иными словами: все законы механики инвариантны (неизменны, т.е. имеют один и тот же вид) во всех инерциальных системах отсчета, ни одна не имеет преимущества перед другой. Эйнштейн обобщил принцип относительности Галилея на все явления природы. Принцип относительности Эйнштейна гласит: «Никакими физическими опытами, произведенными в инерциальной системе отсчета, невозможно определить, движется ли эта система равномерно и прямолинейно, или находится в покое». Не только механические, но и все физические законы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Принцип относительности явился первым постулатом, который Эйнштейн положил в основу созданной им теории относительности. Второй постулат — принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета, по всем направлениям. Она не зависит от движения источника света и наблюдателя. При сложении любых скоростей результат не может превысить скорость света в вакууме, т.е. эта скорость — предельная. Теория, созданная А. Эйнштейном для описания явлений в инерциальных системах отсчета, основанная на приведенных выше двух постулатах, называется специальной теорией относительности (СТО). В СТО протяженность и длительность меняются в движущихся системах отсчета, одновременность событий не абсолютна и зависит от выбора системы отсчета. Механика больших скоростей, где скорость приближается к скорости света, называется релятивистской механикой. Она опирается на два постулата Эйнштейна и не отменяет классическую механику, а лишь устанавливает границы ее применимости СТО подтверждена обширной совокупностью фактов и лежит в основе всех современных теорий, рассматривающих явления при релятивистских, т.е. близких к скорости света, скоростях.

Резюмируя вышесказанное, можно выделить следующие характерные особенности квантово-полевой картины мира:

·  сложились новые, квантово-полевые представления о материи, которые определяются как корпускулярно-волновой дуализм — наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы

·        одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость

·        ушли в прошлое и представления о неизменности материи. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, зависимость их от материи. Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном пространственно-временном континууме

Эти новые мировоззренческие подходы к исследованию естественнонаучной картины мира оказали значительное влияние как на конкретный характер познания в отдельных отраслях естествознания, так и на понимание природы, научных революций в естествознании.

Квантово-полевая картина мира и в настоящее время находится в состоянии становления. С каждым годом к ней добавляются новые элементы, выдвигаются новые гипотезы, создаются и развиваются новые теории.

 
2. Принципы соответствия и суперпозиции
 

Принцип соответствия отражает форму преемственной взаимосвязи старых и новых теорий, главным образом в области физико-математических наук. В наиболее общем виде П. с. гласит: теории, справедливость которых установлена для той или иной предметной области, с появлением новых, более общих теорий не устраняются как нечто ложное, но сохраняют свое значение для прежней области как предельная форма и частный случай новых теорий.

Впервые идею соответствия сознательно использовал Н. И. Лобачевский при создании первой неэвклидовой геометрии. Но возвел эту идею до уровня методологического принципа и предложил название Н. Бор (1913) при разработке теории атома, связывающей внутреннюю структуру и свойства атома с открытым Μ. Πланком квантом действия. Позднее было обнаружено, что действие П. с. выходит далеко за рамки отношений двух теорий, рассматривавшихся Бором, и что он представляет собой закономерность развития научных теорий вообще.

Действие П. с. может быть прослежено на множестве самых различных физических и математических теорий. Так, геометрия Лобачевского переходит в геометрию Эвклида тогда, когда особая величина k, называемая радиусом кривизны, принимает бесконечно большое значение. Квантовая механика переходит в классическую в условиях, когда можно пренебречь величиной кванта действия h, полагая, что h→0. Общая теория относительности в случае очень слабых полей тяготения, при стремлении так называемых гравитационных потенциалов gik к нулю (gik→0 при i≠k и gik→1 при i=k), переходит в специальную теорию относительности, а при малых скоростях и слабых полях тяготения — в классическую механику.

Принцип суперпозиции (принцип наложения) — это допущение, согласно которому результирующий эффект сложного процесса воздействия представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым эффектом в отдельности, при условии, что эффекты не влияют взаимно друг на друга.

Одним из простых примеров принципа суперпозиции является правило параллелограмма, по которому складываются две силы, воздействующие на тело. Встречный ветер тормозит движение — принцип суперпозиции проявляется здесь в полной мере.

Принцип суперпозиции играет большую роль в теории колебаний, теории цепей, теории полей и других разделах физики и техники. В микромире принцип суперпозиции — фундаментальный принцип, который вместе с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики.

3. Концепция детерминизма. Динамические и статистические закономерности

Детерминизм — философская концепция; учение о всеобщей, закономерной связи, причинной обусловленности всех явлений. Последовательный Д. утверждает объективный характер причинности.

Идеи Д. появляются уже в древней философии, получая наиболее яркое выражение в античной атомистике. Дальнейшее развитие и обоснование Д. происходит в естествознании и материалистической философии нового времени (Бэкон, Галилей, Декарт, Ньютон, Ломоносов, Лаплас, Спиноза, французские материалисты 18 в.). В соответствии с уровнем развития естествознания Д. этого периода носит механистический, абстрактный характер. Это находит свое выражение в абсолютизации формы причинности, описываемой строго динамическими законами механики, что ведет к отождествлению причинности с необходимостью и отрицанию объективного характера случайности. Наиболее удачно такая точка зрения была сформулирована Лапласом (отсюда другое наименование механистического Д. — лапласовский детерминизм), считавшим, что значение координат и импульсов всех частиц во вселенной в данный момент времени однозначно определяет ее состояние в любой прошедший или будущий момент. Понятый таким образом Д. ведет к фатализму, принимает мистический характер и фактически смыкается с верой в божественное предопределение.

Развитие науки отвергло лапласовский Д.: не только в органической природе и общественной жизни, но и в сфере физики. Установление соотношения неопределенностей в квантовой механике показало его несостоятельность (выводы о «свободе воли» электрона, об отсутствии причинности в микропроцессах и т. д.). Диалектический материализм преодолевает ограниченность механистического Д. и, признавая объективный и всеобщий характер причинности, не отождествляет ее с необходимостью и не сводит ее проявление только к динамическому типу законов (статистическая и динамическая закономерность).

Борьба Д. и индетерминизма, никогда не затихавшая и раньше, сейчас резко обострилась как в естествознании, так и особенно в сфере изучения общественных явлений. Современная буржуазная философия широко пропагандирует И. в социологии в форме волюнтаризма, эмпиризма. В тех же случаях, когда буржуазные социологи не отвергают Д. как таковой, он принимает у них грубо-вульгарные формы (биологические теории общественного развития, вульгарный техницизм и др.). Лишь исторический материализм впервые утвердил подлинный Д. в социальных исследованиях.

Статистические и динамические закономерности — две основные формы закономерной связи явлений, которые отличаются по характеру вытекающих из них предсказаний.

В законах динамического типа предсказания имеют точно определённый, однозначный характер. Так, в механике, если известен закон движения тела и заданы его координаты и скорость, то по ним можно точно определить положение и скорость движения тела в любой другой момент времени. Динамические законы характеризуют поведение относительно изолированных систем, состоящих из небольшого числа элементов и в которых можно абстрагироваться от целого ряда случайных факторов.

В статистических законах предсказания носят не достоверный, а лишь вероятностный характер. Подобный характер предсказаний обусловлен действием множества случайных факторов, которые имеют место в статистических коллективах или массовых событиях (например, большого числа молекул в газе, особей в биологических популяциях, людей в социальных коллективах). Статистическая закономерность возникает как результат взаимодействия большого числа элементов, составляющих коллектив, и поэтому характеризует не столько поведение отдельного элемента, сколько коллектива в целом. Необходимость, проявляющаяся в статистических законах, возникает вследствие взаимной компенсации и уравновешивания множества случайных факторов.

Абсолютизация динамических законов тесно связана с концепцией механистического детерминизма, сторонники которой (П. Лаплас и др.) рассматривали Вселенную как огромную механическую систему и экстраполировали законы динамики Ньютона на все процессы и явления мира.

Статистические законы хотя и не дают однозначных и достоверных предсказаний, тем не менее являются единственно возможными при исследовании массовых явлений случайного характера.

4. Принципы эволюционно-синергетической (современной) картины мира

Господствующей в современной науке является эволюционно-синергетическая концепция, т.е. основополагающий принцип, в соответствии с которым, основным механизмом происхождения и развития Вселенной является универсальный эволюционизм и самоорганизация.

В рамках такого подхода в последней четверти XX века в науке начала формироваться новая картина мира — эволюционно-синергетическая (ЭСКМ), а новый этап развития самой науки был назван постнеклассическим.

Теоретический каркас этой картины мира определяют теории самоорганизации (синергетика) и систем (системология), а также информационный подход, в рамках которого информация понимается как атрибут материи наряду с движением, пространством и временем.

Осмысление различных процессов самоорганизации привело к становлению нового междисциплинарного направления в науке — синергетике. Это наука, занимающаяся изучением возникновения, поддержания, устойчивости и распада самоорганизующихся структур, кооперативных эффектов в них. Создателем синергетического направления и изобретателем термина «синергетика» является профессор Штутгартского университета и директор Института теоретической физики и синергетики Герман Хакен. Сам термин “синергетика” происходит от греческого “синергена” — содействие, сотрудничество, “вместедействие”. Синергетика — одна из новейших дисциплинарных концепций естествознания, которая пришла к выводу, противоположному классической физике. Вывод заключается в том, что конечное состояние, к которому стремятся все системы, — это не хаос, как утверждалось ранее, а порядок.

Синергетика прогрессирует вместе с математическим аппаратом описания нелинейных и неустойчивых систем и соответствующими вычислительными методами. Эти методы опираются на использование компьютерного моделирования, поэтому синергетика могла возникнуть и развиваться только в эпоху мощной компьютерной техники. Можно сказать, что синергетика на современном этапе ее развития — это совокупность общих идей о принципах самоорганизации и вместе с тем сумма общих математических методов для ее описания. Предпринимаются все более активные попытки использования этих идей и методов в экологии, медицине, социологии, экономике и вообще в области социально-гуманитарного знания.

Важнейшей составляющей новой парадигмы стал принцип глобального эволюционизма, то есть признание невозможности существования всех рождаемых во Вселенной структур вне развития, вне общей эволюции. Эта мысль органически связана с концепцией фундаментального единства материального мира.

Другой составляющей эволюционно-синергетической парадигмы является представление об универсальности алгоритма развития как проявления самоорганизации в самых разнообразных природных и социальных системах, то есть синергетический подход. Синергетика как наука о самоорганизующихся системах создавалась усилиями естествознания. Но постепенно идеи синергетики становятся одной из методологических основ общественных и гуманитарных наук.

Основными атрибутами материи в постнеклассической науке признаются структурность и системность. Структурность материи проявляется в существовании бесконечно многообразных материальных образований, каждое из которых представляет собой специфические единичные вещь, процесс, которые локализованы в пространстве и времени: Вселенная, галактика, звезда, планета, молекула, атом, элементарная частица и др. Вместе с тем они тесно взаимосвязаны между собой, так как одни материальные образования являются составными частями других, то есть входят в их структуру в качестве элементов. Системность материи появляется во взаимосвязи вещей и процессов, в регулярном пересечении структурных уровней организации материального мира, в постоянном нарушении автономии, «параллелизма» микро-,макро- и мегамиров, живого и неживого. Основная проблема здесь заключается в нерешенности вопроса перехода от неживой природы к живой в едином эволюционном процессе.

В современном естествознании различают 3 вида материи:

Вещество — основной вид материи, обладающий массой. К вещественным объектам относятся элементарные частицы, атомы, молекулы, многочисленные образовавшиеся из них материальные объекты. В химии вещества подразделяются на простые (с атомами одного химического элемента) и сложные (химические соединения). свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул. Это и обуславливает различные агрегатные состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное + плазма при сравнительно высокой температуре) переход вещества из одного состояния в другое можно рассмотреть как один из видов движения материи.

Физическое поле — особый вид материи, который обеспечивает физическое взаимодействие материальных объектов и систем. В настоящее время научно доказано и обосновано существование следующих разновидностей физического поля: электромагнитное и гравитационное; поле ядерных сил; волновые (квантовые) поля

Физический вакуум — низшее энергетическое состояние квантового поля. Этот термин введен в квантовой теории поля для объяснения некоторых микропроцессов.

Принято считать, что не только вещество, но и поле и вакуум имеют дискретную структуру. Согласно квантовой теории поле, пространство и время в очень малых масштабах образуют пространственно-временную среду с ячейками. Квантовые ячейки настолько малы (10-35-10-33 ), что их можно не учитывать при описании свойств электромагнитных частиц, считая пространство и время непрерывными. Для классического описания природных явлений достаточно учитывать непрерывные свойства материи, а для характеристики различных микропроцессов — дискретные.

Таким образом, в современном естествознании непрерывность и дискретность постулируются как неотъемлемые свойства материи.

В рамках эволюционно-синергетической картины мира все материальные объекты разделены на три сферы:

Макромир — как структурный уровень организации материи простирается от планетной системы до атома. Макромир характеризуется взаимодействиями, протекающими со скоростями, далекими от скорости света, сравнительно небольшими массами и расстояниями, и пространством-временем с нулевой кривизной.

Микромир — познание материи «вглубь» означает проникновение в микромир, который начинается с атома. Это мир так называемых элементарных частиц — электронов, протонов, нейтронов, кварков и т.д. Всего известно более 400 видов частиц.

Мегамир — познание материи «вширь» ознаменовалось открытием мегамира, мира гигантских объектов и расстояний: звездных скоплений (галактик), скоплений галактик, квазаров и т.д. Самым большим известным науке объектом является Вселенная. Мегаобъекты обладают огромными массами, взаимодействия между ними искривляют пространство, для их распространения требуются огромные временные интервалы.

Принципиальная фрагментарность естественнонаучного знания регулярно генерирует проблему единства мира. Средствами самого естествознания эта проблема не может быть решена. Поэтому источником способов ее решения в естествознании выступает философское знание. На современном этапе развития философии и науки проблема единства мира решается в трех основных аспектах:

Субстанциональное единство мира — предполагает рассмотрение всего многообразия известных науке объектов с позиции их общей единой субстанциональной основы — материи. До середины 19 века вещество и энергия рассматривались как 2 основные формы объективной реальности, на основе которых существуют все остальные виды включая такие сложные, как биологическая и социальная. С возникновением электромагнитной теории Максвелла, квантовой физики, кибернетики и теории информации выяснилось, что материя имеет более сложную природу. Но углубление понимания видов материи не позволяет удовлетворительно объяснить бесконечное многообразие и сложнейшую организацию мироздания, наиболее полно реализующиеся в биологической и социальной материи. По этой причине в современном научном познании в понятие материи, которая понимается как единство вещества, поля и энергии, включается информационный аспект существования всех материальных систем, который выражает меру порядка в явлениях и процессах универсума.

Номологическое единство мира — заключается в общности законов, действующих в многообразных формах материи. Этот аспект единства мира выражает его синхронность, т.е. пространственную распределенность системы законов природы во всем пространственно-временном континууме. Несмотря на существенные различия мега, макро и микромиров закон сохранения и превращения энергии, частные законы сохранения (массы, заряда, импульса, и т.д.), закон всемирного тяготения и др. действуют во всех этих мирах, образуя единую сеть Вселенной.

Номологическое единство мира было осознано еще древнегреческими натурфилософами в виде принципа детерминизма, сущность которого заключается в утверждении всеобщей закономерной взаимосвязи явлений, процессов действительности.

Синергетический подход позволяет рассмотреть с новой точки зрения единство системы законов движения многообразных форм материального бытия, для чего необходимо ввести третий аспект единства мира.

Эволюционное единство мира — определяется генетической взаимосвязью всех форм движения материи.

Осознание системной взаимосвязи трех аспектов проблемы единства мира позволяет построить научную картину мира, в которой будет показано, как исходные физические формы движения материи, развиваясь по своим собственным законам, обуславливают последовательность других основных форм движения материи включая социальную, неотъемлемым свойством которой является сознание.

Заключение

Переход от классической науки к неклассической сопровождался изменением понимания ее предмета: им стала теперь не реальность «в чистом виде», а некоторый её срез, заданный через призму принятых теоретических и операционных средств и способов её освоения субъектом. Поскольку о многих характеристиках объекта стало невозможно говорить без учёта средств их обнаружения, постольку возник специфический объект науки, за пределами которого бессмысленно искать подлинный его прототип. Таким образом, субъект познания признается в качестве необходимого компонент «тела» знания. Установление относительности объекта к научно-исследовательской деятельности привело тому, что наука стала изучать не неизменные вещи, а те условия, попадая в которые они ведут себя так или иначе.

В квантово-полевой картине мира нашли свое разрешение противоречия и парадоксы первых двух научных картин мира, что стало возможным на основе открытия нового уровня организации материального мира — микромира. Квантово-полевые представления о материи позволили свести воедино противоположные свойства материальных объектов — непрерывность (волна) и прерывность (дискретность). Установление единства противоположностей в строении материи позволило отказаться от постулата о неизменности материи (переход квантового поля из одного состояния в другое сопровождается взаимопревращением частиц друг в друга, аннигиляцией одних частиц и порождением других). В неклассический период развития науки кардинально меняются представления о пространстве и времени (представление о едином пространственно-временном континууме), трансформируется понимание о закономерности и причинности, их вероятностной природе, фундаментальными признаны статистические законы, частной формой которых выступают динамические.

Фундамент эволюционно-синергетической картины мира составляют ставшие общенаучными принципы развития и системности. Теоретическую основу этой картины мира определяют теории самоорганизации систем (синергетика) и концепция универсального эволюционизма.

В отличие от традиционных областей науки синергетику интересуют общие закономерности эволюции (развития во времени) систем любой природы. Отрешаясь от специфической природы систем, синергетика обретает способность описывать их эволюцию на интернациональном языке, устанавливая своего рода изоморфизм двух явлений, изучаемых специфическими средствами двух различных наук, но имеющих общую модель, или, точнее, приводимых к общей модели. Обнаружение единства модели позволяет синергетике делать достояние одной области науки доступным пониманию представителей совсем другой, быть может, весьма далекой от нее области науки.

По замыслу своего создателя профессора Хакена, синергетика призвана играть роль своего рода метанауки, подмечающей и изучающей общий характер тех закономерностей и зависимостей, которые частные науки считали «своими». Поэтому синергетика возникает не на стыке наук в более или менее широкой или узкой пограничной области, а извлекает представляющие для нее интерес системы из самой сердцевины предметной области частных наук и исследует эти системы, не апеллируя к их природе, своими специфическими средствами, носящими общий («интернациональный») характер.

неклассический детерминизм эволюционный синергетический

Список литературы

1. Белкин П.Н. Концепции современного естествознания : учебное пособие для вузов / П.Н. Белкин. — М. : Высшая школа, 2004. — 335 с.

2.      Вернадский В.И. Размышления натуралиста: В 2 кн. / Сост. М.С. Бастракова, B.C. Неополитанская, Н.Ф. Филиппова. — М.: Наука, 1975. — Кн. 1. — 174 с.

.        Грибанов Д. П. Философские взгляды А. Эйнштейна и развитие теории относительности / Д. П. Грибанов. — М. : Наука, 1987. — 272 с.

.        Капица С. П. Синергетика и прогнозы будущего / С. П. Капица, С. П. Курдюмов, Т. Г. Малинецкий. — М. : Эдиториал УРСС, 2001. — 288 с.

.        Горелов А.А. Концепции современного естествознания / А.А. Горелов. — М. : Центр, 1997. — 208 с.

.        Кун Т. Структура научных революций / Т. Кун. — М. : Прогресс, 1975. — 288 с.

.        Новая философская энциклопедия / Рос. акад. наук, Ин-т философии ; научн.-ред. совет : предс. В.С. Степин. — М. : Мысль, 2000. — Т.1-4. — 2659 с.

.        Савченко В.Н. Начала современного естествознания : концепции и принципы : учебное пособие / В.Н. Савченко, В.П. Смагин. — Ростов н/Д. : Феникс, 2006. — 608 с. 


Скачать архив (16.8 Kb)

Схожие материалы:

РОСЖЕЛДОР

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Ростовский государственный университет путей сообщения»

(ФГБОУ ВО РГУПС)

  УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе — начальник учебно-методического управления М.А. Кравченко

25.06.2021 г.

«Для размещения в ЭИОС настоящая РПД подписана
с использованием простой электронной подписи»

Кафедра «Физика»

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

ДИСЦИПЛИНЫ

1Б.В.ОД «Концепции современного естествознания»

по Учебному плану

в соответствии с ФГОС ВО 3+ по направлению подготовки

38.03.04 Государственное и муниципальное управление

Программа академического бакалавриата

Государственная и муниципальная служба

Квалификация выпускника «Бакалавр»

Ростов-на-Дону

2021 г.

 

Автор-составитель д.ф-м.н., доц. Надолинский Алексей Михайлович предлагает настоящую Рабочую программу дисциплины 1Б.В.ОД «Концепции современного естествознания» в качестве материала для проектирования Образовательной программы РГУПС и осуществления учебно-воспитательного процесса по федеральному государственному образовательному стандарту высшего образования.

Рабочая программа дисциплины рассмотрена на кафедре «Физика».

Экспертизу Рабочей программы дисциплины провел(а):

д.ф-м.н., проф. Бугаев Лусеген Арменакович, Зав. кафедрой теоретической и вычислительной физики, ЮФУ.

Рекомендуемое имя и тип файла документа:
1БВОД_Концепции с е_Б_38.03.04_во_2_Физика_п55575_61783.doc

Наименование, цель и задача дисциплины

Дисциплина «Концепции современного естествознания».

Учебный план по Образовательной программе утвержден на заседании Ученого совета университета от 09.08.2017 № 15.

Целью дисциплины «Концепции современного естествознания» является расширение и углубление подготовки в составе других базовых и вариативных дисциплин блока «Блок 1 — Дисциплины (модули)» Образовательной программы в соответствии с требованиями, установленными федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования для формирования у выпускника общекультурных, профессиональных компетенций, способствующих решению профессиональных задач в соответствии с видами профессиональной деятельности, предусмотренными учебным планом и профилем подготовки «Государственная и муниципальная служба».

Для достижения цели поставлены задачи ведения дисциплины:

подготовка обучающегося по разработанной в университете Образовательной программе к успешной аттестации планируемых результатов освоения дисциплины;

подготовка обучающегося к освоению дисциплины «Безопасность жизнедеятельности»;

подготовка обучающегося к защите выпускной квалификационной работы;

развитие социально-воспитательного компонента учебного процесса.

Перечень планируемых результатов обучения по дисциплине, соотнесенных с планируемыми результатами освоения Образовательной программы

Планируемый результат освоения дисциплины Планируемый результат освоения Образовательной программы

Знает: историю развития естествознания, сущность основных методов и приёмов исследования, применяемых в естествознании

Умеет: с научно-мировоззренческих позиций оценивать информацию естественнонаучного характера, пользоваться справочной литературой по естественным наукам

Имеет навыки: критического анализа научно-философской и научно-популярной литературы, подготовки рефератов и устных сообщений по методологии науки, проблемам современного естествознания

ОК-1 — способностью использовать основы философских знаний для формирования мировоззренческой позиции

Знает: историю развития естествознания, сущность основных методов и приёмов исследования, применяемых в естествознании для развития способности к самоорганизации и самообразованию

Умеет: с научно-мировоззренческих позиций оценивать информацию естественнонаучного характера, пользоваться справочной литературой по естественным наукам с целью развития способности к самоорганизации и самообразования

Имеет навыки: критического анализа научно-философской и научно-популярной литературы, подготовки рефератов и устных сообщений по методологии науки, особенностям различных методов самоорганизации и самообразования

ОК-7 — способностью к самоорганизации и самообразованию

Знает: историю развития естествознания, сущность основных методов и приёмов исследования, применяемых в естествознании для формирования умения оценивать соотношение планируемого результата и затрачиваемых ресурсов

Умеет: с научно-мировоззренческих позиций оценивать информацию естественнонаучного характера, пользоваться справочной литературой по естественным наукам с целью оценки соотношения планируемого результата и затрачиваемых ресурсов

Имеет навыки: критического анализа научно-философской и научно-популярной литературы, подготовки рефератов и устных сообщений по методологии науки, проблемам современного естествознания, анализу и содержательной интерпретации полученных результатов

ПК-22 — умением оценивать соотношение планируемого результата и затрачиваемых ресурсов

Комментарии кафедры:

Результаты изучения дисциплины соответствуют умениям по ФГОС частично — использовать основы … знаний для формирования мировоззренческой позиции.

Место дисциплины 1Б.В.ОД «Концепции современного естествознания» в структуре Образовательной программы

Дисциплина отнесена к Блоку 1Б Образовательной программы. Дисциплина входит в состав вариативной части (В.ОД).

Требования к входным знаниям, умениям и компетенциям обучающегося, необходимым для изучения данной дисциплины, соответствуют требованиям по результатам освоения предшествующих дисциплин : «История», «Математика», «Русский язык и культура речи».

Нормативный срок освоения Образовательной программы по очной форме обучения – 4 года. Наименование формы и срока обучения из базы данных РГУПС (вид обучения): 4 года очное бакалавриат, 4.8 лет заочное бакалавриат.

Обозначение-аббревиатура учебных групп, для которых данная дисциплина актуальна: .

Дисциплина реализуется в 2 семестре.

Объем дисциплины в зачетных единицах с указанием количества академических часов, выделенных на контактную работу обучающихся с преподавателем (по видам учебных занятий) и на самостоятельную работу обучающихся

Вид обучения: 4 года очное бакалавриат

Общая трудоемкость данной дисциплины 5 зачетных единиц (180 часов), в том числе контактная работа обучающегося с преподавателем (КРОП) с учетом ИЗ и КСР 72 часа.

Виды учебной работы Всего часов КРОП, часов Число часов в семестре
2
Аудиторные занятия всего и в т.ч. 64 64 64
Лекции (Лек) 32 32 32
Лабораторные работы (Лаб)      
Практические, семинары (Пр) 32 32 32
Индивидуальные занятия (ИЗ),
контроль самостоятельной работы (КСР)
8 8 8
Самостоятельная работа (СРС), всего и в т.ч. 72   72
Контрольная работа (К)      
Реферат (Р)      
Расчетно-графическая работа (РГР)      
Курсовая работа (КР)      
Курсовой проект (КП)      
Самоподготовка 72   72
Контроль, всего и в т.ч. 36   36
Экзамен (Экз) 36   36
Зачет (За)      
Общая трудоемкость, часы 180 72 180
Зачетные единицы (ЗЕТ) 5   5

Вид обучения: 4.8 лет заочное бакалавриат

Общая трудоемкость данной дисциплины 5 зачетных единиц (180 часов), в том числе контактная работа обучающегося с преподавателем (КРОП) с учетом ИЗ и КСР 16 часов.

Виды учебной работы Всего часов КРОП, часов Число часов в заезде
2 3
Аудиторные занятия всего и в т.ч. 8 8 4 4
Лекции (Лек) 4 4 4  
Лабораторные работы (Лаб)        
Практические, семинары (Пр) 4 4   4
Индивидуальные занятия (ИЗ),
контроль самостоятельной работы (КСР)
8 8 4 4
Самостоятельная работа (СРС), всего и в т.ч. 155   64 91
Контрольная работа (К) 6     6
Реферат (Р)        
Расчетно-графическая работа (РГР)        
Курсовая работа (КР)        
Курсовой проект (КП)        
Самоподготовка 149   64 85
Контроль, всего и в т.ч. 9     9
Экзамен (Экз) 9     9
Зачет (За)        
Общая трудоемкость, часы 180 16 72 108
Зачетные единицы (ЗЕТ) 5      

Содержание дисциплины, структурированное по темам (разделам) с указанием отведенного на них количества академических часов и видов учебных занятий

Содержание дисциплины

Раздел дисциплины Изучаемые компетенции
1 Методология науки. История естествознания как основа знаний для формирования мировоззренческой позиции и способности к самоорганизации и самообразованию ОК-1, ОК-7, ПК-22
2 Использование физических концепций мира для формирования мировоззренческой позиции и способности к самоорганизации и самообразованию ОК-1, ОК-7
3 Использование концепций химии, космологии, геологии для формирования мировоззренческой позиции и способности к самоорганизации и самообразованию ОК-1, ОК-7
4 Биологический уровень организации материи как основа знаний для формирования мировоззренческой позиции и способности к самоорганизации и самообразованию ОК-1, ОК-7
5 Использование знаний о человеке и природе для формирования мировоззренческой позиции и способности к самоорганизации и самообразованию ОК-1, ОК-7, ПК-22

Отведенное количество часов по видам учебных занятий и работы

Вид обучения: 4 года очное бакалавриат

Номер раздела данной дисциплины Трудоемкость в часах по видам занятий
Лекции Практические занятия, семинары Лабораторные работы Самоподготовка
1 4 6   14
2 8 10   16
3 8 6   14
4 8 6   14
5 4 4   14
Итого 32 32   72
В т.ч. по интерактивным формам 8 8    
В т.ч. практическая подготовка   4    

Вид обучения: 4.8 лет заочное бакалавриат

Номер раздела данной дисциплины Трудоемкость в часах по видам занятий
Лекции Практические занятия, семинары Лабораторные работы Самоподготовка
1 4 2   149
2   2
3    
4    
5    
Итого 4 4   149
В т.ч. по интерактивным формам 2 2    
В т.ч. практическая подготовка   4    

Лекционные занятия

Вид обучения: 4 года очное бакалавриат

Номер раздела данной дисциплины Наименование лекционных занятий Трудоемкость аудиторной работы, часы
Семестр № 2
1 Естественно-научная и гуманитарная культуры. Научный метод: 1) Культура и наука. Методология науки 2) Естественные науки. Проблема двух культур 3) Натурфилософия. Корпускулярная и континуальная концепции. 2
История, панорама и тенденции развития современного естествознания: 1) Геоцентрическая система мира Птолемея 2) Наука в период Средневековья 3) Эпоха Возрождения. Гелиоцентрическая система мира Коперника. 2
2 Физические концепции описания природы. Механическая картина мира: 1) Становление классической механики. Учение Галилея и Ньютона 2) Основные понятия и принципы механической картины мира. 2
Взаимодействие, близкодействие, дальнодействие. Электромагнитная картина мира: 1) Формирование электромагнитной картины мира 2) Основные понятия и принципы электромагнитной картины мира 3) Специальная и общая теории относительности. 2
Принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности. Квантово-полевая картина мира: 1) Кризис классической физики. Корпускулярно-волновой дуализм материи 2) Основные понятия и принципы квантово-полевой картины мира 3) Структурные уровни организации материи. 2
Динамические и статистические закономерности. Современная эволюционная картина мира: 1) Статистическое и термодинамическое описание макросистем 2) Законы сохранения и симметрия 3) Процессы самоорганизации. Синергетика. Эволюционно-синергетическая парадигма. 2
3 Химические концепции описания природы. Химические системы: 1) Уровни развития химических знаний 2) Химический элемент. Молекула. 3) Качественный и количественный состав вещества. 2
Химические процессы. Химическое равновесие: 1) Реакционная способность веществ. Энергия активации 2) Факторы, влияющие на реакционную способность веществ 3) Смещение химического равновесия. Принцип ле Шателье. 2
Мегамир. Концепции космологии: 1) Основные структуры мегамира: звёзды, планеты, галактики 2) Расстояния в мегамире. Пространственные масштабы Вселенной 3) Эволюция Вселенной. Космологическая модель Фридмана. Сингулярность. 2
Геологические концепции описания природы: 1) Эволюция Солнечной системы. 2) Космогонические теории эволюции Земли 3) Современные концепции развития геосферных оболочек. 2
4 Биологические концепции описания природы: 1) Клетка — единица живого 2) Химический состав живых систем. 3) Молекулярные основы жизни, биополимеры. 2
Свойства живых систем: 1) Нуклеиновые кислоты ДНК, РНК 2) Функции нуклеиновых кислот и процессы редупликации, транскрипции, трансляции 3) Генетический код. Свойства генетического кода. 2
Генетический код. Мутации: 1) Наследственность и изменчивость. Мутации 2) Принципы воспроизводства живых систем 3) Онтогенез, филогенез. Генотип, фенотип, генофонд. 2
Принципы эволюции: 1) Теории происхождения жизни 2) Научные и конфессиональные теории происхождения жизни 3) Многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы. 2
5 Человек: происхождение, физиология, здоровье: 1) Эволюция человека 2) Роль социальных и биологических факторов в эволюции человека 3) Особенности физиологии основных систем организма человека. 2
Проблемы самоорганизации материи и универсальный эволюционизм: 1) Биосфера. Живое вещество 2) Экосистемы. Проблемы экологии 3) Ноосфера 4) Универсальный эволюционизм. Эволюционно-синергетическая парадигма. 2

Вид обучения: 4.8 лет заочное бакалавриат

Номер раздела данной дисциплины Наименование лекционных занятий Трудоемкость аудиторной работы, часы
Заезд № 2
1 Естественно-научная и гуманитарная культуры. Научный метод: 1) Культура и наука. Методология науки 2) Естественные науки. Проблема двух культур 3) Натурфилософия. Корпускулярная и континуальная концепции. 2
История, панорама и тенденции развития современного естествознания: 1) Геоцентрическая система мира Птолемея 2) Наука в период Средневековья 3) Эпоха Возрождения. Гелиоцентрическая система мира Коперника. 2

Лабораторный практикум

Вид обучения: 4 года очное бакалавриат

Не предусмотрено.

Вид обучения: 4.8 лет заочное бакалавриат

Не предусмотрено.

Практические занятия (семинары)

Вид обучения: 4 года очное бакалавриат

Номер раздела данной дисциплины Наименование (тематика) практических работ, семинаров Трудоемкость аудиторной работы, часы
Семестр № 2
1 Культура и наука. Использование методов научного познания для формирования мировоззренческой позиции и способности к самоорганизации и самообразованию, а также умения оценивать соотношение планируемого результата и затрачиваемых ресурсов. 2
Натурфилософия. Корпускулярная и континуальная концепции. Система мира Птолемея 2
Наука в период Средневековья. Эпоха Возрождения. Гелиоцентрическая система мира Коперника 2
2 Классическая механика Ньютона. Механическая картина мира 2
Развитие учения об электрических и магнитных явлениях. Электромагнитная картина мира– основа для формирования мировоззренческой позиции и способности к самоорганизации и самообразованию 2
Понятия пространства и времени в теории Эйнштейна. СТО и ОТО 2
Корпускулярно-волновой дуализм вещества. Квантово-полевая картина мира 2
Структурные уровни организации материи. Динамические и статистические закономерности в природе 2
3 Космология и космогония. Эволюция Вселенной- основа для формирования мировоззренческой позиции позиции и способности к самоорганизации и самообразованию. Современные концепции развития геосферных оболочек 2
Химические системы 2
Уровни химического знания, этапы развития, теории. Химические процессы 2
4 Иерархия структурных уровней живой материи. Молекулярные основы жизни 2
Информационные макромолекулы наследственности. Основные понятия и законы генетики 2
Гипотезы возникновения жизни. Эволюция органического мира и формирование мировоззренческой позиции , а также способности к самоорганизации и самообразованию. Многообразие биологических видов 2
5 Основные этапы эволюции человека. Психофизиология человека. Биосфера. Ноосфера 2
Самоорганизация в живой и неживой природе. Использование принципов универсального эволюционизма для формирования мировоззренческой позиции, способности к самоорганизации и самообразованию, а также умения оценивать соотношение планируемого результата и затрачиваемых ресурсов 2

Вид обучения: 4.8 лет заочное бакалавриат

Номер раздела данной дисциплины Наименование (тематика) практических работ, семинаров Трудоемкость аудиторной работы, часы
Курс № 1
1 Культура и наука. Использование методов научного познания для формирования мировоззренческой позиции и способности к самоорганизации и самообразованию, а также умения оценивать соотношение планируемого результата и затрачиваемых ресурсов. 2
2 Классическая механика Ньютона. Механическая картина мира 2

Самостоятельное изучение учебного материала (самоподготовка)

Вид обучения: 4 года очное бакалавриат

Номер раздела данной дисциплины Наименование тем, вопросов, вынесенных для самостоятельного изучения Трудоемкость внеаудиторной работы, часы
Семестр № 2
1 Естественнонаучная и гуманитарная культуры. Дифференциация и интеграция наук. Геоцентрическая система мира Птолемея. 14
2 Гелиоцентрическая система мира Коперника. Учение Галилея. Шкала электромагнитных волн. Постулаты специальной теории относительности Эйнштейна. Волновые свойства частиц. Гипотеза де Бройля. Элементарные частицы. Кварки. Энтропия как мера беспорядка. 16
3 Периодический закон Д. И. Менделеева. Катализаторы. Катализ и автокатализ. Вселенная. Метагалактика. Теория Большого взрыва. Внутреннее строение и история геологического развития Земли. 14
4 Клетка – элементарная единица живой системы. Аминокислоты. Белки, структура белков. Нуклеиновые кислоты. Структура ДНК. Эры и периоды в развитии органической жизни на Земле. 14
5 Эволюционная теория Дарвина. Естественный отбор. Антропогенез. Движущие силы эволюции человека. Живое вещество, косное вещество. Человек, биосфера и космические циклы. Синергетика. Процессы самоорганизации. 14

Вид обучения: 4.8 лет заочное бакалавриат

Номер раздела данной дисциплины Наименование тем, вопросов, вынесенных для самостоятельного изучения Трудоемкость внеаудиторной работы, часы
Курс № 1
1 Естественнонаучная и гуманитарная культуры. Дифференциация и интеграция наук. Геоцентрическая система мира Птолемея. 149
Натурфилософия. Корпускулярная и континуальная концепции. Система мира Птолемея
Наука в период Средневековья. Эпоха Возрождения. Гелиоцентрическая система мира Коперника
2 Гелиоцентрическая система мира Коперника. Учение Галилея. Шкала электромагнитных волн. Постулаты специальной теории относительности Эйнштейна. Волновые свойства частиц. Гипотеза де Бройля. Элементарные частицы. Кварки. Энтропия как мера беспорядка.
Физические концепции описания природы. Механическая картина мира: 1) Становление классической механики. Учение Галилея и Ньютона 2) Основные понятия и принципы механической картины мира.
Взаимодействие, близкодействие, дальнодействие. Электромагнитная картина мира: 1) Формирование электромагнитной картины мира 2) Основные понятия и принципы электромагнитной картины мира 3) Специальная и общая теории относительности.
Принципы суперпозиции, неопределенности, дополнительности. Квантово-полевая картина мира: 1) Кризис классической физики. Корпускулярно-волновой дуализм материи 2) Основные понятия и принципы квантово-полевой картины мира 3) Структурные уровни организации материи.
Динамические и статистические закономерности. Современная эволюционная картина мира: 1) Статистическое и термодинамическое описание макросистем 2) Законы сохранения и симметрия 3) Процессы самоорганизации. Синергетика. Эволюционно-синергетическая парадигма.
Развитие учения об электрических и магнитных явлениях. Электромагнитная картина мира– основа для формирования мировоззренческой позиции и способности к самоорганизации и самообразованию
Понятия пространства и времени в теории Эйнштейна. СТО и ОТО
Корпускулярно-волновой дуализм вещества. Квантово-полевая картина мира
Структурные уровни организации материи. Динамические и статистические закономерности в природе
3 Периодический закон Д. И. Менделеева. Катализаторы. Катализ и автокатализ. Вселенная. Метагалактика. Теория Большого взрыва. Внутреннее строение и история геологического развития Земли.
Химические концепции описания природы. Химические системы: 1) Уровни развития химических знаний 2) Химический элемент. Молекула. 3) Качественный и количественный состав вещества.
Химические процессы. Химическое равновесие: 1) Реакционная способность веществ. Энергия активации 2) Факторы, влияющие на реакционную способность веществ 3) Смещение химического равновесия. Принцип ле Шателье
Мегамир. Концепции космологии: 1) Основные структуры мегамира: звёзды, планеты, галактики 2) Расстояния в мегамире. Пространственные масштабы Вселенной 3) Эволюция Вселенной. Космологическая модель Фридмана. Сингулярность.
Геологические концепции описания природы: 1) Эволюция Солнечной системы. 2) Космогонические теории эволюции Земли 3) Современные концепции развития геосферных оболочек.
Космология и космогония. Эволюция Вселенной- основа для формирования мировоззренческой позиции позиции и способности к самоорганизации и самообразованию. Современные концепции развития геосферных оболочек
Химические системы
Уровни химического знания, этапы развития, теории. Химические процессы
4 Клетка – элементарная единица живой системы. Аминокислоты. Белки, структура белков. Нуклеиновые кислоты. Структура ДНК. Эры и периоды в развитии органической жизни на Земле.
Биологические концепции описания природы: 1) Клетка — единица живого 2) Химический состав живых систем. 3) Молекулярные основы жизни, биополимеры.
Свойства живых систем: 1) Нуклеиновые кислоты ДНК, РНК 2) Функции нуклеиновых кислот и процессы редупликации, транскрипции, трансляции 3) Генетический код. Свойства генетического кода.
Генетический код. Мутации: 1) Наследственность и изменчивость. Мутации 2) Принципы воспроизводства живых систем 3) Онтогенез, филогенез. Генотип, фенотип, генофонд.
Принципы эволюции: 1) Теории происхождения жизни 2) Научные и конфессиональные теории происхождения жизни 3) Многообразие живых организмов – основа организации и устойчивости биосферы.
Иерархия структурных уровней живой материи. Молекулярные основы жизни
Информационные макромолекулы наследственности. Основные понятия и законы генетики
Гипотезы возникновения жизни. Эволюция органического мира и формирование мировоззренческой позиции , а также способности к самоорганизации и самообразованию. Многообразие биологических видов
5 Эволюционная теория Дарвина. Естественный отбор. Антропогенез. Движущие силы эволюции человека. Живое вещество, косное вещество. Человек, биосфера и космические циклы. Синергетика. Процессы самоорганизации.
Человек: происхождение, физиология, здоровье: 1) Эволюция человека 2) Роль социальных и биологических факторов в эволюции человека 3) Особенности физиологии основных систем организма человека.
Проблемы самоорганизации материи и универсальный эволюционизм: 1) Биосфера. Живое вещество 2) Экосистемы. Проблемы экологии 3) Ноосфера 4) Универсальный эволюционизм. Эволюционно-синергетическая парадигма.
Основные этапы эволюции человека. Психофизиология человека. Биосфера. Ноосфера
Самоорганизация в живой и неживой природе. Использование принципов универсального эволюционизма для формирования мировоззренческой позиции, способности к самоорганизации и самообразованию, а также умения оценивать соотношение планируемого результата и затрачиваемых ресурсов

Перечень учебно-методического обеспечения для самостоятельной работы обучающихся по дисциплине

№ п/п Библиографическое описание Ресурс
1 Концепции современного естествознания : учеб.-метод. пособие для практических занятий, самостоятельной работы обучающихся и подготовки к контрольным работам / Н. Б. Шевченко, М. Е. Васильева, И. Д. Петров [и др.]; ФГБОУ ВО РГУПС. — Ростов н/Д: [б. и.], 2017. — 43 с. — Библиогр.- Текст : электронный ЭБС РГУПС

Фонд оценочных средств для проведения промежуточной аттестации обучающихся по дисциплине

Перечень компетенций с указанием этапов их формирования в процессе освоения Образовательной программы

Компетенция Указание (+) этапа формирования в процессе освоения ОП (семестр)
2
ОК-1 +
ОК-7 +
ПК-22 +

Описание показателей и критериев оценивания компетенций на различных этапах их формирования

Компе-
тенция
Этап
формирования
ОП (семестр)
Показатель оценивания Критерий оценивания
ОК-1 2 Балльная оценка на экзамене — полнота усвоения материала,
— качество изложения материала,
— правильность выполнения заданий,
— аргументированность решений.
Процент верных на тестировании — правильность выполнения заданий.
Выполненное практическое задание — правильность выполнения заданий.
ОК-7 2 Балльная оценка на экзамене — полнота усвоения материала,
— качество изложения материала,
— правильность выполнения заданий,
— аргументированность решений.
Процент верных на тестировании — правильность выполнения заданий.
Выполненное практическое задание — правильность выполнения заданий.
ПК-22 2 Балльная оценка на экзамене — полнота усвоения материала,
— качество изложения материала,
— правильность выполнения заданий,
— аргументированность решений.
Процент верных на тестировании — правильность выполнения заданий.
Выполненное практическое задание — правильность выполнения заданий.

Описание шкал оценивания компетенций

Значение оценки Уровень освоения компетенции Шкала оценивания (для аттестационной ведомости, зачетной книжки, документа об образования) Шкала оценивания (процент верных при проведении тестирования)
Балльная оценка — «удовлетворительно». Пороговый Оценка «удовлетворительно» выставляется обучающемуся, который имеет знания только основного материала, но не усвоил его деталей, допускает неточности, недостаточно правильные формулировки, нарушения последовательности изложения программного материала и испытывает трудности в выполнении практических навыков. От 40% до 59%
Балльная оценка — «хорошо». Базовый Оценка «хорошо» выставляется обучающемуся, твердо знающему программный материал, грамотно и по существу его излагающему, который не допускает существенных неточностей в ответе, правильно применяет теоретические положения при решении практических работ и задач, владеет необходимыми навыками и приемами их выполнения. От 60% до 84%
Балльная оценка — «отлично». Высокий Оценка «отлично» выставляется обучающемуся, глубоко и прочно усвоившему программный материал, исчерпывающе, последовательно, грамотно и логически стройно его излагающему, в ответе которого тесно увязываются теория с практикой. При этом обучающийся не затрудняется с ответом при видоизменении задания, показывает знакомство с литературой, правильно обосновывает ответ, владеет разносторонними навыками и приемами практического выполнения практических работ. От 85% до 100%
Дуальная оценка — «зачтено». Пороговый, Базовый, Высокий Оценка «зачтено» выставляется обучающемуся, который имеет знания, умения и навыки, не ниже знания только основного материала, может не освоить его детали, допускать неточности, недостаточно правильные формулировки, нарушения последовательности изложения программного материала и испытывает трудности в выполнении практических навыков. От 40% до 100%
Балльная оценка — «неудовлетворительно», Дуальная оценка — «не зачтено». Не достигнут Оценка «неудовлетворительно, не зачтено» выставляется обучающемуся, который не знает значительной части программного материала, допускает ошибки, неуверенно выполняет или не выполняет практические работы. От 0% до 39%

Типовые контрольные задания или иные материалы, необходимые для оценки знаний, умений, навыков, характеризующих этапы формирования компетенций в процессе освоения образовательной программы

Типовые контрольные задания

Курсовые проекты (работы)

Не предусмотрено.

Контрольные работы, расчетно-графические работы, рефераты

наука и культура;

методы познания;

история естествознания;

механическая картина мира: основные понятия и принципы;

электромагнитная картина мира: основные понятия и принципы;

квантово-полевая картина мира: основные понятия и принципы;

структурные уровни организации материи; микро-, макро-, мегамир;

статистический и термодинамический подходы к описанию макросистем;

законы сохранения и симметрия пространства и времени;

специальная теория относительности; общая теория относительности;

иерархическая система уровней химического знания;

химический процесс; реакционная способность веществ;

космология; объекты мегамира;

вселенная; Эволюция Вселенной;

космогонические теории эволюции Солнечной системы;

живые системы; структурные уровни организации живой материи;

принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем;

концепции происхождения жизни на Земле; теория биохимической эволюции;

синтетическая теория эволюции; макроэволюция и микроэволюция;

биосфера; ноосфера;

синергетика; процессы самоорганизации;

принципы универсального эволюционизма.

Для заочной формы обучения контрольная работа проводится в форме компьютерного тестирования на базе ЦМКО.

Перечни сопоставленных с ожидаемыми результатами освоения дисциплины вопросов (задач):

Экзамен. Семестр № 2

Вопросы для оценки результата освоения «Знать»:

1) Наука и культура. Естественнонаучная и гуманитарная культуры. Естествознание. Естественные науки.
2) Свойства научного знания. Эмпирические и рациональные методы научного познания.
3) Атомистическая исследовательская программа Демокрита и Эпикура.
4) Континуальная исследовательская программа Аристотеля. Представления Аристотеля о материи, пространстве и времени, о движении и взаимодействии.
5) Аксиоматический метод Евклида. Основные методологические идеи ученых античности.
6) Геоцентрическая система мира Птолемея.
7) Гелиоцентрическая система мира Коперника.
8) Основные понятия и принципы механической картины мира.
9) Основные понятия и принципы электромагнитной картины мира.
10) Постулаты специальной теории относительности Эйнштейна. Инвариантные и относительные величины. Основные следствия СТО.
11) Корпускулярно-волновой дуализм света. Корпускулярно-волновой дуализм как всеобщее свойство материи.
12) Основные понятия и принципы квантовой механики. Соотношение неопределенностей. Принцип дополнительности.
13) Микрочастицы. Атом и атомное ядро. Фермионы и бозоны. Принцип Паули.
14) Энергия связи ядра. Ядерные реакции: цепная реакция деления ядер, термоядерные реакции. Естественная радиоактивность.
15) Фундаментальные взаимодействия. Квантово-полевой механизм передачи взаимодействий.
16) Элементарные частицы. Фундаментальные частицы. Частицы и античастицы.
17) Статистический и термодинамический подходы к описанию макросистем. Энтропия как мера беспорядка.
18) Законы термодинамики. Изолированные и открытые системы. Термодинамическое равновесие.
19) Динамические и статистические закономерности. Динамические и статистические теории.
20) Законы сохранения и симметрия пространства и времени. Методологическая роль законов сохранения в естествознании.
21) Объекты мегамира. Космология. Вселенная. Метагалактика.
22) Теория Большого взрыва. Сингулярность. Основные этапы эволюции Вселенной.
23) Эволюция звёзд. Гравитационный коллапс. Нейтронные звёзды. Чёрные дыры. Галактики.
24) Объекты Солнечной системы. Возраст Солнечной системы. Космогонические теории эволюции Солнечной системы.
25) Внутреннее строение Земли, методы исследования. Эволюция земной коры: тектоника литосферных плит, её движущие силы. Внешние геосферные оболочки.
26) Иерархическая система уровней химического знания. Химический элемент. Изотопы. Периодический закон Д. И. Менделеева.
27) Молекула. Химические связи. Вещества: простые и сложные. Качественный и количественный состав вещества.
28) Химический процесс. Энергия активации. Катализаторы. Катализ и автокатализ. Тепловые эффекты химических процессов: экзотермические и эндотермические реакции.
29) Факторы, влияющие на скорость химической реакции. Химическое равновесие и условия его смещения: принцип Ле Шателье.
30) Живая система. Структурные уровни организации живой материи.
31) Клетка – элементарная единица живой системы. Химический состав клетки.
32) Биополимеры. Особенности органических биополимеров. Аминокислоты. Белки, углеводы, липиды.
33) Нуклеиновые кислоты. Структура ДНК. Основные функции ДНК. Ген, генетический код, кодон. Способность ДНК к самовоспроизведению.
34) Структура РНК. Основные функции РНК. Процессы транскрипции и трансляции. Хиральность молекул живого.
35) Генетика. Наследственность и изменчивость. Хромосомы. Аллели. Геном, генотип, фенотип. Генофонд.
36) Наследственная и модификационной изменчивость. Мутации и их свойства.
37) Концепции происхождения жизни на Земле. Теория биохимической эволюции.
38) Эры и периоды в развитии органической жизни на Земле. Анаэробные и аэробные организмы. Гетеротрофы и автотрофы.
39) Эволюционная теория Дарвина. Три основные формы естественного отбора.
40) Синтетическая теория эволюции. Макроэволюция и микроэволюция. Элементарная единица эволюционного процесса. Основные методы исследования эволюции.
41) Биосфера. Живое вещество. Биогенная миграция атомов.
42) Фототрофы и хемотрофы. Фотосинтез и хемосинтез

Вопросы для оценки результата освоения «Уметь»:

1) Сравните роль концепций дискретности и непрерывности материи в механической и электромагнитной картинах мира.
2) Объясните роль концепций дальнодействия и близкодействия в механической и электромагнитной картинах мира.
3) Объясните связь атомно-молекулярного учения с основными концепциями строения материи.
4) Как связаны инерциальные и неинерциальные системы отсчета в общей теории относительности?
5) Проанализируйте связь материи, пространства и времени в общей и специальной теориях относительности.
6) С какой точностью квантовая механика позволяет предсказать положение и скорость микрочастиц?
7) Проанализируйте возможность распада свободного нейтрона на электрон и антипротон.
8) В каком случае изменение числа нуклонов не меняет химические свойства атома?
9) Проанализируйте связь симметрии пространства с законами сохранения.
10) Проанализируйте сходство и различие свойств симметрии пространства и времени.
11) Объясните наличие на Земле свинца с точки зрения космологии.
12) Объясните роль живых организмов в формировании атмосферы Земли.
13) Какова роль фотосинтеза в формировании озонового слоя в атмосфере Земли?
14) Какое влияние оказывает стратосфера на биосферу Земли?
15) В чем состоит сущность человека с точки зрения принципа дополнительности Бора?
16) Как связано производство бесшумного транспорта с решением проблемы загрязнения окружающей среды?

Вопросы для оценки результата освоения «Иметь навыки»:

1) Выполните задание по истории естествознания: прочитайте предложенный текст и ответьте на поставленные вопросы.

2) Выполните задание по методологии науки: прочитайте предложенный текст и ответьте на поставленные вопросы.

3) Выполните задание по разделу: «Концепции дискретности и непрерывности материи в естествознании»: прочитайте предложенный текст и ответьте на поставленные вопросы.

4) Выполните задание по разделу: «Динамические и статистические закономерности в природе»: прочитайте предложенный текст и ответьте на поставленные вопросы.

5) Выполните задание по разделу: «Законы сохранения и принципы симметрии»: прочитайте предложенный текст и ответьте на поставленные вопросы.

6) Выполните задание по разделу: «Специальная и общая теории относительности»: прочитайте предложенный текст и ответьте на поставленные вопросы.

7) Выполните задание по разделу: «Концепции химии»: прочитайте предложенный текст и ответьте на поставленные вопросы.

8) Выполните задание по разделу: «Концепции космологии и геологии»: прочитайте предложенный текст и ответьте на поставленные вопросы.

9) Выполните задание по разделу: «Биологический уровень организации материи»: прочитайте предложенный текст и ответьте на поставленные вопросы.

10) Выполните задание по разделу: «Человек и природа»: прочитайте предложенный текст и ответьте на поставленные вопросы.

Иные контрольные материалы для автоматизированной технологии оценки имеются в Центре мониторинга качества образования

Методические материалы, определяющие процедуру оценивания знаний, умений, навыков, характеризующих этапы формирования компетенций

№ п/п Библиографическое описание
1 Методические указания, определяющие процедуру оценивания знаний, умений, навыков, характеризующих этапы формирования компетенций: учебно-методическое пособие / М.С. Тимофеева; ФГБОУ ВО РГУПС. — 3-е изд., перераб. и доп. — Ростов н/Д, 2021. — 60 с.: ил. — Библиогр.: с. 44 (ЭБС РГУПС)

Для каждого результата обучения по дисциплине определены

Показатели и критерии оценивания сформированности компетенций на различных этапах их формирования

Резуль-
тат
обуче-
ния
Компе-
тенция
Этап
формиро-вания в
процессе
освоения
ОП
(семестр)
Этапы
формирования
компетенции
при изучении
дисциплины
(раздел
дисциплины)
Показатель
сформиро-
ванности
компетенции
Критерий
оценивания
Знает, Умеет, Имеет навыки ОК-1 2 1, 2, 3, 4, 5 Балльная оценка на экзамене — полнота усвоения материала,
— качество изложения материала,
— правильность выполнения заданий,
— аргументированность решений.
1, 2, 3, 4, 5 Процент верных на тестировании — правильность выполнения заданий.
1, 2, 3, 4, 5 Выполненное практическое задание — правильность выполнения заданий.
Знает, Умеет, Имеет навыки ОК-7 2 1, 2, 3, 4, 5 Балльная оценка на экзамене — полнота усвоения материала,
— качество изложения материала,
— правильность выполнения заданий,
— аргументированность решений.
1, 2, 3, 4, 5 Процент верных на тестировании — правильность выполнения заданий.
1, 2, 3, 4, 5 Выполненное практическое задание — правильность выполнения заданий.
Знает, Умеет, Имеет навыки ПК-22 2 1, 5 Балльная оценка на экзамене — полнота усвоения материала,
— качество изложения материала,
— правильность выполнения заданий,
— аргументированность решений.
1, 5 Процент верных на тестировании — правильность выполнения заданий.
1, 5 Выполненное практическое задание — правильность выполнения заданий.

Шкалы и процедуры оценивания

Значение оценки Уровень
освоения
компетенции
Шкала оценивания
(для аттестационной
ведомости, зачетной
книжки, документа
об образовании)
Процедура оценивания
Балльная оценка —
«отлично»,
«хорошо»,
«удовлетворительно».
Дуальная оценка —
«зачтено».
Пороговый, Базовый, Высокий В соответствии со шкалой оценивания в разделе РПД «Описание шкал оценивания компетенций» Экзамен (письменно-устный).
Автоматизированное тестирование.
Выполнение практического задания в аудитории.
Балльная оценка —
«неудовлетворительно».
Дуальная оценка —
«не зачтено».
Не достигнут

Ресурсы электронной информационно-образовательной среды, электронной библиотечной системы и иные ресурсы, необходимые для осуществления образовательного процесса по дисциплине

Основная литература

№ п/п Библиографическое описание Ресурс
1 Тулинов, В. Ф. Концепции современного естествознания : учебник / В. Ф. Тулинов, К. В. Тулинов. — 3-е изд. — Москва : Дашков и К, 2018. — 483 c. — ISBN 978-5-394-01999-9. — Текст : электронный ЭБС IPRBooks

Дополнительная литература

№ п/п Библиографическое описание Ресурс
1 Валянский, С. И.  Концепции современного естествознания : учебник и практикум для вузов / С. И. Валянский. — Москва : Издательство Юрайт, 2021. — 367 с. — (Высшее образование). — ISBN 978-5-9916-5885-0. — Текст : электронный ЭБС Юрайт
2 Горелов, А. А.  Концепции современного естествознания : учебное пособие для вузов / А. А. Горелов. — 4-е изд., перераб. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2021. — 355 с. — (Высшее образование). — ISBN 978-5-534-09275-2. — Текст : электронный ЭБС Юрайт
3 Бордовский, Г. А.  Физические основы естествознания : учебное пособие для вузов / Г. А. Бордовский. — 3-е изд., испр. и доп. — Москва : Издательство Юрайт, 2021. — 226 с. — (Высшее образование). — ISBN 978-5-534-05209-1. — Текст : электронный ЭБС Юрайт

Электронные образовательные ресурсы в сети «Интернет»

№ п/п Адрес в Интернете, наименование
1 http://rgups.ru/. Официальный сайт РГУПС
2 http://cmko.rgups.ru/. Центр мониторинга качества образования РГУПС
3 https://portal.rgups.ru/. Система личных кабинетов НПР и обучающихся в ЭИОС
4 https://webinar.rgups.ru/. Электронный университет РГУПС
5 http://www.iprbookshop.ru/. Электронно-библиотечная система «IPRBooks»
6 https://www.biblio-online.ru/. Электронно-библиотечная система «Юрайт»
7 http://www.umczdt.ru/. Электронная библиотека «УМЦ ЖДТ»
8 http://jirbis2.rgups.ru/jirbis2/. Электронно-библиотечная система РГУПС
9 https://rgups.public.ru/. Электронная библиотека периодических изданий «public.ru»
10 https://e.lanbook.com/. Электронно-библиотечная система «Лань»

Профессиональные базы данных и информационно-справочные системы

№ п/п Адрес в Интернете, наименование
1 http://www.glossary.ru/. Глоссарий.ру (служба тематических толковых словарей)
2 http://www.consultant.ru/. КонсультантПлюс

Методические указания для обучающихся по освоению дисциплины

№ п/п Библиографическое описание Ресурс
1 Надолинский А.М. Учебно-наглядное пособие — тематические иллюстрации по дисциплине «Концепции современного естествознания». РГУПС. — Ростов н/Д, 2021. ЭИОС РГУПС
2 Концепции современного естествознания : учеб.-метод. пособие для практических занятий, самостоятельной работы обучающихся и подготовки к контрольным работам / Н. Б. Шевченко, М. Е. Васильева, И. Д. Петров [и др.]; ФГБОУ ВО РГУПС. — Ростов н/Д: [б. и.], 2017. — 43 с. — Библиогр.- Текст : электронный ЭБС РГУПС

Программное обеспечение

№ п/п Наименование Произ-
во
1 Microsoft Windows. Операционная система. И
2 Microsoft Office / Open Office. Программное обеспечение для работы с различными типами документов: текстами, электронными таблицами, базами данных и др. И

О — программное обеспечение отечественного производства

И — импортное программное обеспечение

Описание материально-технической базы, необходимой для осуществления образовательного процесса по дисциплине

Помещения(аудитории):

учебные аудитории для проведения учебных занятий;

помещения для самостоятельной работы.

Для изучения настоящей дисциплины в зависимости от видов занятий используется:

Учебная мебель;

Технические средства обучения (включая стационарный либо переносной набор демонстрационного оборудования).

Самостоятельная работа обучающихся обеспечивается компьютерной техникой с возможностью подключения к сети «Интернет» и ЭИОС.

«____» _________________20___г.

Код РПД: 61783.

Подготовка кикбоксера

Подготовка кикбоксера

Фундаментальные концепции описания природы

Оглавление

Введение3

.Квантово-полевая (неклассическая) картина мира и ее основные принципы4

.Принципы соответствия и суперпозиции9

.Концепция детерминизма. Динамические и статистические закономерности10

.Принципы эволюционно-синергетической (современной) картины мира12

Заключение18

Список литературы20

Введение

В процессе познания окружающего мира в сознании <#»justify»>1. Квантово-полевая (неклассическая) картина мира и ее основные принципы

В конце ХIХ — начале XX вв. последовал ряд открытий, которые не вписывались в существовавшую научную картину мира. Революционная ситуация, сложившаяся в естествознании в начале XX в., связана с появлением двух новых теоретических концепций — квантовой механики и специальной теории относительности.

Во второй половине 19 в. в результате исследования теплового излучения был открыт ряд законов: Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина. Однако из теории, основанной на традиционных представлениях об электромагнитных излучениях, следовало, что энергия теплового излучения на всех частотах (во всем интервале длин волн) равнялась бесконечности, что противоречило закону сохранения энергии. Особенно ярко это противоречие проявлялось в области коротких длин волн, поэтому оно получило название «ультрафиолетовой катастрофы». В 1900 г. Макс Планк для выхода из этой ситуации предложил следующую гипотезу (впоследствии названную квантовой гипотезой Планка): электромагнитное излучение испускается отдельными порциями — квантами, величина которых пропорциональна частоте излучения. Гипотеза Планка фактически стала началом новой, квантовой, физики (старая при этом получила название классической).

Таким образом, если в классической физике считалось, что энергия может изменяться непрерывно и принимать любые, сколь угодно близкие значения, то согласно квантовым представлениям, она может принимать лишь дискретные значения, равному целому числу квантов энергии

В 1905 г. А. Эйнштейн, приняв гипотезу Планка, расширил ее, предположив, что свет не только излучается квантами, но и распространяется и поглощается тоже квантами (названными впоследствии фотонами). Таким образом, свет представляет собой поток световых частиц — фотонов.

В истории развития учения о свете сменяли друг друга корпускулярная теория света (Ньютон) и волновая (Р. Гук, Ч. Гюйгенс, Т. Юнг, Ж. Френель), представлявшая свет как механическую волну. В 70-х годах после утверждения теории Максвелла под светом стали понимать электромагнитную волну. В начале 20-го века на основе экспериментов было неопровержимо доказано, что свет обладает как волновыми, так и корпускулярными свойствами. Было также обнаружено, что в проявлении этих свойств существуют вполне определенные закономерности: чем меньше длина волны, тем сильнее проявляются корпускулярные свойства света.

В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул смелую гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы, имеющие конечный импульс, обладают волновыми свойствами. При проявлении у микрообъекта корпускулярных свойств его волновые свойства существуют как потенциальная возможность, способная при определенных условиях перейти в действительность (диалектическое единство корпускулярных и волновых свойств материи).

Таким образом, корпускулярные и волновые свойства микрообъекта являются несовместимыми в отношении их одновременного проявления, однако они в равной мере характеризуют объект, т.е. дополняют друг друга. Эта идея была высказана Н. Бором (1927 г.) и положена им в основу важнейшего методологического принципа современной науки, охватывающего в настоящее время не только физические науки, но и все естествознание — принципа дополнительности. Для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий, совокупность которых дает наиболее полную информацию об этих явлениях как о целостных. С точки зрения этого принципа, состояния, в которых взаимно дополнительные величины имели бы одновременно точно определенное значение, принципиально невозможны, причем если одна из таких величин определена точно, то значение другой полностью неопределенно. В общем случае дополнительными друг к другу являются, например, направление и величина момента количества движения, кинетическая и потенциальная энергия, напряженность электрического поля в данной точке и число фотонов и т.д. Таким образом, принцип дополнительности фактически отражает объективные свойства квантовых систем, не связанных с существованием наблюдателя.

Двойственная природа микрочастиц поставила науку перед вопросом о границах применимости понятий классической физики в микромире. В классической механике всякая частица движется по определенной траектории и всегда имеет вполне определенные (точные) значения координаты, импульса, энергии. Микрочастица, напротив, обладая волновыми свойствами, не имеет траектории, а значит, не может иметь одновременно определенных (точных) значений координаты и импульса. Меру этой неопределенности (неточности) в значениях координаты и импульса, энергии и времени нашел в 1927 г. В Гейзенберг, дав общее описание эффекта воздействия инструментов измерения на измеряемые объекты микромира, В результате им был сформулирован принцип неопределенности, математическое выражение которого называется соотношением неопределенностей Гейзенберга:

?x х ?v > h/m

где ?x — неопределенность (погрешность измерения) пространственной координаты микрочастицы, ?v — неопределенность скорости частицы, m — масса частицы, а h — постоянная Планка

Принцип соответствия, имеющий важное философское и методологическое значение, может быть сформулирован следующим образом: теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы, с появлением новой теории не отбрасываются, а сохраняют свое значение для прежней области явлений, как предельная форма и частный случай новых теорий. Таким образом, классическая механика является предельным случаем квантовой механики и релятивистской механики.

Ранее считалось, что устройство мира можно познавать, не вмешиваясь в него, не влияя на протекающие в нем процессы, т.е. находясь вне абсолютной физической реальности. Эйнштейн не включал в понятие «физическая реальность» акт наблюдения, а Бор считал его важным элементом физической реальности. Картина реальности в квантовой механике становится как бы двуплановой: с одной стороны в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой — условия наблюдения. Таким образом, в КПКМ появляется принцип относительности к средствам наблюдения. Принцип относительности Галилея гласит: «Никакими механическими опытами, произведенными в инерциальной системе отсчета, невозможно определить, движется ли эта система равномерно и прямолинейно, или находится в покое». Иными словами: все законы механики инвариантны (неизменны, т.е. имеют один и тот же вид) во всех инерциальных системах отсчета, ни одна не имеет преимущества перед другой. Эйнштейн обобщил принцип относительности Галилея на все явления природы. Принцип относительности Эйнштейна гласит: «Никакими физическими опытами, произведенными в инерциальной системе отсчета, невозможно определить, движется ли эта система равномерно и прямолинейно, или находится в покое». Не только механические, но и все физические законы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета.

Принцип относительности явился первым постулатом, который Эйнштейн положил в основу созданной им теории относительности. Второй постулат — принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета, по всем направлениям. Она не зависит от движения источника света и наблюдателя. При сложении любых скоростей результат не может превысить скорость света в вакууме, т.е. эта скорость — предельная. Теория, созданная А. Эйнштейном для описания явлений в инерциальных системах отсчета, основанная на приведенных выше двух постулатах, называется специальной теорией относительности (СТО). В СТО протяженность и длительность меняются в движущихся системах отсчета, одновременность событий не абсолютна и зависит от выбора системы отсчета. Механика больших скоростей, где скорость приближается к скорости света, называется релятивистской механикой. Она опирается на два постулата Эйнштейна и не отменяет классическую механику, а лишь устанавливает границы ее применимости СТО подтверждена обширной совокупностью фактов и лежит в основе всех современных теорий, рассматривающих явления при релятивистских, т.е. близких к скорости света, скоростях.

Резюмируя вышесказанное, можно выделить следующие характерные особенности квантово-полевой картины мира:

·сложились новые, квантово-полевые представления о материи, которые определяются как корпускулярно-волновой дуализм — наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы

·одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость

·ушли в прошлое и представления о неизменности материи. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, зависимость их от материи. Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном пространственно-временном континууме

Эти новые мировоззренческие подходы к исследованию естественнонаучной картины мира оказали значительное влияние как на конкретный характер познания в отдельных отраслях естествознания, так и на понимание природы, научных революций в естествознании.

Квантово-полевая картина мира и в настоящее время находится в состоянии становления. С каждым годом к ней добавляются новые элементы, выдвигаются новые гипотезы, создаются и развиваются новые теории.

2.Принципы соответствия и суперпозиции

Принцип соответствия отражает форму преемственной взаимосвязи старых и новых теорий, главным образом в области физико-математических наук. В наиболее общем виде П. с. гласит: теории, справедливость которых установлена для той или иной предметной области, с появлением новых, более общих теорий не устраняются как нечто ложное, но сохраняют свое значение для прежней области как предельная форма и частный случай новых теорий.

Впервые идею соответствия сознательно использовал Н. И. Лобачевский при создании первой неэвклидовой геометрии. Но возвел эту идею до уровня методологического принципа и предложил название Н. Бор (1913) при разработке теории атома, связывающей внутреннюю структуру и свойства атома с открытым ?. ?ланком квантом действия. Позднее было обнаружено, что действие П. с. выходит далеко за рамки отношений двух теорий, рассматривавшихся Бором, и что он представляет собой закономерность развития научных теорий вообще.

Действие П. с. может быть прослежено на множестве самых различных физических и математических теорий. Так, геометрия Лобачевского переходит в геометрию Эвклида тогда, когда особая величина k, называемая радиусом кривизны, принимает бесконечно большое значение. Квантовая механика переходит в классическую в условиях, когда можно пренебречь величиной кванта действия h, полагая, что h?0. Общая теория относительности в случае очень слабых полей тяготения, при стремлении так называемых гравитационных потенциалов gik к нулю (gik?0 при i?k и gik?1 при i=k), переходит в специальную теорию относительности, а при малых скоростях и слабых полях тяготения — в классическую механику.

Принцип суперпозиции (принцип наложения) — это допущение, согласно которому результирующий эффект сложного процесса воздействия представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым эффектом в отдельности, при условии, что эффекты не влияют взаимно друг на друга.

Одним из простых примеров принципа суперпозиции является правило параллелограмма, по которому складываются две силы, воздействующие на тело. Встречный ветер тормозит движение — принцип суперпозиции проявляется здесь в полной мере.

Принцип суперпозиции играет большую роль в теории колебаний, теории цепей, теории полей и других разделах физики и техники. В микромире принцип суперпозиции — фундаментальный принцип, который вместе с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики.

3.Концепция детерминизма. Динамические и статистические закономерности

Детерминизм — философская концепция; учение о всеобщей, закономерной связи, причинной обусловленности всех явлений. Последовательный Д. утверждает объективный характер причинности.

Идеи Д. появляются уже в древней философии, получая наиболее яркое выражение в античной атомистике. Дальнейшее развитие и обоснование Д. происходит в естествознании и материалистической философии нового времени (Бэкон, Галилей, Декарт, Ньютон, Ломоносов, Лаплас, Спиноза, французские материалисты 18 в.). В соответствии с уровнем развития естествознания Д. этого периода носит механистический, абстрактный характер. Это находит свое выражение в абсолютизации формы причинности, описываемой строго динамическими законами механики, что ведет к отождествлению причинности с необходимостью и отрицанию объективного характера случайности. Наиболее удачно такая точка зрения была сформулирована Лапласом (отсюда другое наименование механистического Д. — лапласовский детерминизм), считавшим, что значение координат и импульсов всех частиц во вселенной в данный момент времени однозначно определяет ее состояние в любой прошедший или будущий момент. Понятый таким образом Д. ведет к фатализму, принимает мистический характер и фактически смыкается с верой в божественное предопределение.

Развитие науки отвергло лапласовский Д.: не только в органической природе и общественной жизни, но и в сфере физики. Установление соотношения неопределенностей в квантовой механике показало его несостоятельность (выводы о «свободе воли» электрона, об отсутствии причинности в микропроцессах и т. д.). Диалектический материализм преодолевает ограниченность механистического Д. и, признавая объективный и всеобщий характер причинности, не отождествляет ее с необходимостью и не сводит ее проявление только к динамическому типу законов (статистическая и динамическая закономерность).

Борьба Д. и индетерминизма, никогда не затихавшая и раньше, сейчас резко обострилась как в естествознании, так и особенно в сфере изучения общественных явлений. Современная буржуазная философия широко пропагандирует И. в социологии в форме волюнтаризма, эмпиризма. В тех же случаях, когда буржуазные социологи не отвергают Д. как таковой, он принимает у них грубо-вульгарные формы (биологические теории общественного развития, вульгарный техницизм и др.). Лишь исторический материализм впервые утвердил подлинный Д. в социальных исследованиях.

Статистические и динамические закономерности — две основные формы закономерной связи явлений, которые отличаются по характеру вытекающих из них предсказаний.

В законах динамического типа предсказания имеют точно определённый, однозначный характер. Так, в механике, если известен закон движения тела и заданы его координаты и скорость, то по ним можно точно определить положение и скорость движения тела в любой другой момент времени. Динамические законы характеризуют поведение относительно изолированных систем, состоящих из небольшого числа элементов и в которых можно абстрагироваться от целого ряда случайных факторов.

В статистических законах предсказания носят не достоверный, а лишь вероятностный характер. Подобный характер предсказаний обусловлен действием множества случайных факторов, которые имеют место в статистических коллективах или массовых событиях (например, большого числа молекул в газе, особей в биологических популяциях, людей в социальных коллективах). Статистическая закономерность возникает как результат взаимодействия большого числа элементов, составляющих коллектив, и поэтому характеризует не столько поведение отдельного элемента, сколько коллектива в целом. Необходимость, проявляющаяся в статистических законах, возникает вследствие взаимной компенсации и уравновешивания множества случайных факторов.

Абсолютизация динамических законов тесно связана с концепцией механистического детерминизма, сторонники которой (П. Лаплас и др.) рассматривали Вселенную как огромную механическую систему и экстраполировали законы динамики Ньютона на все процессы и явления мира.

Статистические законы хотя и не дают однозначных и достоверных предсказаний, тем не менее являются единственно возможными при исследовании массовых явлений случайного характера.

4.Принципы эволюционно-синергетической (современной) картины мира

Господствующей в современной науке является эволюционно-синергетическая концепция, т.е. основополагающий принцип, в соответствии с которым, основным механизмом происхождения и развития Вселенной является универсальный эволюционизм и самоорганизация.

В рамках такого подхода в последней четверти XX века в науке начала формироваться новая картина мира — эволюционно-синергетическая (ЭСКМ), а новый этап развития самой науки был назван постнеклассическим.

Теоретический каркас этой картины мира определяют теории самоорганизации (синергетика) и систем (системология), а также информационный подход, в рамках которого информация понимается как атрибут материи наряду с движением, пространством и временем.

Осмысление различных процессов самоорганизации привело к становлению нового междисциплинарного направления в науке — синергетике. Это наука, занимающаяся изучением возникновения, поддержания, устойчивости и распада самоорганизующихся структур, кооперативных эффектов в них. Создателем синергетического направления и изобретателем термина «синергетика» является профессор Штутгартского университета и директор Института теоретической физики и синергетики Герман Хакен. Сам термин синергетика происходит от греческого синергена — содействие, сотрудничество, вместедействие. Синергетика — одна из новейших дисциплинарных концепций естествознания, которая пришла к выводу, противоположному классической физике. Вывод заключается в том, что конечное состояние, к которому стремятся все системы, — это не хаос, как утверждалось ранее, а порядок.

Синергетика прогрессирует вместе с математическим аппаратом описания нелинейных и неустойчивых систем и соответствующими вычислительными методами. Эти методы опираются на использование компьютерного моделирования, поэтому синергетика могла возникнуть и развиваться только в эпоху мощной компьютерной техники. Можно сказать, что синергетика на современном этапе ее развития — это совокупность общих идей о принципах самоорганизации и вместе с тем сумма общих математических методов для ее описания. Предпринимаются все более активные попытки использования этих идей и методов в экологии, медицине, социологии, экономике и вообще в области социально-гуманитарного знания.

Важнейшей составляющей новой парадигмы стал принцип глобального эволюционизма, то есть признание невозможности существования всех рождаемых во Вселенной структур вне развития, вне общей эволюции. Эта мысль органически связана с концепцией фундаментального единства материального мира.

Другой составляющей эволюционно-синергетической парадигмы является представление об универсальности алгоритма развития как проявления самоорганизации в самых разнообразных природных и социальных системах, то есть синергетический подход. Синергетика как наука о самоорганизующихся системах создавалась усилиями естествознания. Но постепенно идеи синергетики становятся одной из методологических основ общественных и гуманитарных наук.

Основными атрибутами материи в постнеклассической науке признаются структурность и системность. Структурность материи проявляется в существовании бесконечно многообразных материальных образований, каждое из которых представляет собой специфические единичные вещь, процесс, которые локализованы в пространстве и времени: Вселенная, галактика, звезда, планета, молекула, атом, элементарная частица и др. Вместе с тем они тесно взаимосвязаны между собой, так как одни материальные образования являются составными частями других, то есть входят в их структуру в качестве элементов. Системность материи появляется во взаимосвязи вещей и процессов, в регулярном пересечении структурных уровней организации материального мира, в постоянном нарушении автономии, «параллелизма» микро-,макро- и мегамиров, живого и неживого. Основная проблема здесь заключается в нерешенности вопроса перехода от неживой природы к живой в едином эволюционном процессе.

В современном естествознании различают 3 вида материи:

Вещество — основной вид материи, обладающий массой. К вещественным объектам относятся элементарные частицы, атомы, молекулы, многочисленные образовавшиеся из них материальные объекты. В химии вещества подразделяются на простые (с атомами одного химического элемента) и сложные (химические соединения). свойства вещества зависят от внешних условий и интенсивности взаимодействия атомов и молекул. Это и обуславливает различные агрегатные состояния вещества (твердое, жидкое, газообразное + плазма при сравнительно высокой температуре) переход вещества из одного состояния в другое можно рассмотреть как один из видов движения материи.

Физическое поле — особый вид материи, который обеспечивает физическое взаимодействие материальных объектов и систем. В настоящее время научно доказано и обосновано существование следующих разновидностей физического поля: электромагнитное и гравитационное; поле ядерных сил; волновые (квантовые) поля

Физический вакуум — низшее энергетическое состояние квантового поля. Этот термин введен в квантовой теории поля для объяснения некоторых микропроцессов.

Принято считать, что не только вещество, но и поле и вакуум имеют дискретную структуру. Согласно квантовой теории поле, пространство и время в очень малых масштабах образуют пространственно-временную среду с ячейками. Квантовые ячейки настолько малы (10-35-10-33 ), что их можно не учитывать при описании свойств электромагнитных частиц, считая пространство и время непрерывными. Для классического описания природных явлений достаточно учитывать непрерывные свойства материи, а для характеристики различных микропроцессов — дискретные.

Таким образом, в современном естествознании непрерывность и дискретность постулируются как неотъемлемые свойства материи.

В рамках эволюционно-синергетической картины мира все материальные объекты разделены на три сферы:

Макромир — как структурный уровень организации материи простирается от планетной системы до атома. Макромир характеризуется взаимодействиями, протекающими со скоростями, далекими от скорости света, сравнительно небольшими массами и расстояниями, и пространством-временем с нулевой кривизной.

Микромир — познание материи «вглубь» означает проникновение в микромир, который начинается с атома. Это мир так называемых элементарных частиц — электронов, протонов, нейтронов, кварков и т.д. Всего известно более 400 видов частиц.

Мегамир — познание материи «вширь» ознаменовалось открытием мегамира, мира гигантских объектов и расстояний: звездных скоплений (галактик), скоплений галактик, квазаров и т.д. Самым большим известным науке объектом является Вселенная. Мегаобъекты обладают огромными массами, взаимодействия между ними искривляют пространство, для их распространения требуются огромные временные интервалы.

Принципиальная фрагментарность естественнонаучного знания регулярно генерирует проблему единства мира. Средствами самого естествознания эта проблема не может быть решена. Поэтому источником способов ее решения в естествознании выступает философское знание. На современном этапе развития философии и науки проблема единства мира решается в трех основных аспектах:

Субстанциональное единство мира — предполагает рассмотрение всего многообразия известных науке объектов с позиции их общей единой субстанциональной основы — материи. До середины 19 века вещество и энергия рассматривались как 2 основные формы объективной реальности, на основе которых существуют все остальные виды включая такие сложные, как биологическая и социальная. С возникновением электромагнитной теории Максвелла, квантовой физики, кибернетики и теории информации выяснилось, что материя имеет более сложную природу. Но углубление понимания видов материи не позволяет удовлетворительно объяснить бесконечное многообразие и сложнейшую организацию мироздания, наиболее полно реализующиеся в биологической и социальной материи. По этой причине в современном научном познании в понятие материи, которая понимается как единство вещества, поля и энергии, включается информационный аспект существования всех материальных систем, который выражает меру порядка в явлениях и процессах универсума.

Номологическое единство мира — заключается в общности законов, действующих в многообразных формах материи. Этот аспект единства мира выражает его синхронность, т.е. пространственную распределенность системы законов природы во всем пространственно-временном континууме. Несмотря на существенные различия мега, макро и микромиров закон сохранения и превращения энергии, частные законы сохранения (массы, заряда, импульса, и т.д.), закон всемирного тяготения и др. действуют во всех этих мирах, образуя единую сеть Вселенной.

Номологическое единство мира было осознано еще древнегреческими натурфилософами в виде принципа детерминизма, сущность которого заключается в утверждении всеобщей закономерной взаимосвязи явлений, процессов действительности.

Синергетический подход позволяет рассмотреть с новой точки зрения единство системы законов движения многообразных форм материального бытия, для чего необходимо ввести третий аспект единства мира.

Эволюционное единство мираопределяется генетической взаимосвязью всех форм движения материи.

Осознание системной взаимосвязи трех аспектов проблемы единства мира позволяет построить научную картину мира, в которой будет показано, как исходные физические формы движения материи, развиваясь по своим собственным законам, обуславливают последовательность других основных форм движения материи включая социальную, неотъемлемым свойством которой является сознание.

Заключение

Переход от классической науки к неклассической сопровождался изменением понимания ее предмета: им стала теперь не реальность «в чистом виде», а некоторый её срез, заданный через призму принятых теоретических и операционных средств и способов её освоения субъектом. Поскольку о многих характеристиках объекта стало невозможно говорить без учёта средств их обнаружения, постольку возник специфический объект науки, за пределами которого бессмысленно искать подлинный его прототип. Таким образом, субъект познания признается в качестве необходимого компонент «тела» знания. Установление относительности объекта к научно-исследовательской деятельности привело тому, что наука стала изучать не неизменные вещи, а те условия, попадая в которые они ведут себя так или иначе.

В квантово-полевой картине мира нашли свое разрешение противоречия и парадоксы первых двух научных картин мира, что стало возможным на основе открытия нового уровня организации материального мира — микромира. Квантово-полевые представления о материи позволили свести воедино противоположные свойства материальных объектов — непрерывность (волна) и прерывность (дискретность). Установление единства противоположностей в строении материи позволило отказаться от постулата о неизменности материи (переход квантового поля из одного состояния в другое сопровождается взаимопревращением частиц друг в друга, аннигиляцией одних частиц и порождением других). В неклассический период развития науки кардинально меняются представления о пространстве и времени (представление о едином пространственно-временном континууме), трансформируется понимание о закономерности и причинности, их вероятностной природе, фундаментальными признаны статистические законы, частной формой которых выступают динамические.

Фундамент эволюционно-синергетической картины мира составляют ставшие общенаучными принципы развития и системности. Теоретическую основу этой картины мира определяют теории самоорганизации систем (синергетика) и концепция универсального эволюционизма.

В отличие от традиционных областей науки синергетику интересуют общие закономерности эволюции (развития во времени) систем любой природы. Отрешаясь от специфической природы систем, синергетика обретает способность описывать их эволюцию на интернациональном языке, устанавливая своего рода изоморфизм двух явлений, изучаемых специфическими средствами двух различных наук, но имеющих общую модель, или, точнее, приводимых к общей модели. Обнаружение единства модели позволяет синергетике делать достояние одной области науки доступным пониманию представителей совсем другой, быть может, весьма далекой от нее области науки.

По замыслу своего создателя профессора Хакена, синергетика призвана играть роль своего рода метанауки, подмечающей и изучающей общий характер тех закономерностей и зависимостей, которые частные науки считали «своими». Поэтому синергетика возникает не на стыке наук в более или менее широкой или узкой пограничной области, а извлекает представляющие для нее интерес системы из самой сердцевины предметной области частных наук и исследует эти системы, не апеллируя к их природе, своими специфическими средствами, носящими общий («интернациональный») характер.

неклассический детерминизм эволюционный синергетический

Список литературы

1.Белкин П.Н. Концепции современного естествознания : учебное пособие для вузов / П.Н. Белкин. — М. : Высшая школа, 2004. — 335 с.

2.Вернадский В.И. Размышления натуралиста: В 2 кн. / Сост. М.С. Бастракова, B.C. Неополитанская, Н.Ф. Филиппова. — М.: Наука, 1975. — Кн. 1. — 174 с.

.Грибанов Д. П. Философские взгляды А. Эйнштейна и развитие теории относительности / Д. П. Грибанов. — М. : Наука, 1987. — 272 с.

.Капица С. П. Синергетика и прогнозы будущего / С. П. Капица, С. П. Курдюмов, Т. Г. Малинецкий. — М. : Эдиториал УРСС, 2001. — 288 с.

.Горелов А.А. Концепции современного естествознания / А.А. Горелов. — М. : Центр, 1997. — 208 с.

.Кун Т. Структура научных революций / Т. Кун. — М. : Прогресс, 1975. — 288 с.

.Новая философская энциклопедия / Рос. акад. наук, Ин-т философии ; научн.-ред. совет : предс. В.С. Степин. — М. : Мысль, 2000. — Т.1-4. — 2659 с.

.Савченко В.Н. Начала современного естествознания : концепции и принципы : учебное пособие / В.Н. Савченко, В.П. Смагин. — Ростов н/Д. : Феникс, 2006. — 608 с.


Теги: Подготовка кикбоксера  Реферат  Туризм
Просмотров: 2589
Найти в Wikkipedia статьи с фразой: Подготовка кикбоксера

История становления современной научной картины мира

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Кемеровский государственный университет»

Институт образования

Межвузовская кафедра общей и вузовской педагогики

Дошкольное образование

РЕФЕРАТ

по естественно научной картине мира

«История становления современной научной картины мира»

Выполнила:

Студентка 3 курса, группы 162

Щепцова Евгения Юрьевна

Проверил:

Невзоров Борис Павлович

Кемерово 2019

Содержание

Аристотель …………………………………………………………………        3

Механическая картина мира……………………………………………..        4

Электромагнитная картина мира………………………………………….        7

Квантово-полевая картина мира…………………………………………        10

Современное представление о мире………………………………………        12

Литература………………………………………………………………….        15


Аристотель

Свое высшее развитие древнегреческая натурфилософию получила в учении Аристотеля объединившего и систематизировавшего все современные ему знания об окружающем мире. Оно стало основой третьей, континуальной программы античной науки. Основными трактатами, составляющими учение Аристотеля о природе, «Метеорологика», «О происхождении животных» и др. В этих трактатах были поставлены и рассмотрены важнейшие научные проблемы, которые позднее стали основой для возникновения отдельных наук. Особое внимание Аристотель уделил вопросу движения физических тел, положив тем самым начало изучению механического движения и формированию понятий механики (скорость, сила и т.д.).

Космология Аристотеля носила геоцентрический характер, поскольку основывалась на идее, что в центре мира находится наша планета Земля, имеющая сферическую форму и окруженная водой, воздухом и огнем, за которыми находятся сферы больших небесных светил, вращающихся вокруг Земли вместе с другими маленькими светилами.


Механическая картина мира

Становление механической картины мира происходило под влиянием метафизических материалистических представлений о материи и формах ее существования. Ее основу составили идеи и законы механики, которая в XVII в. была наиболее разработанным разделом физики. По сути, именно механика явилась первой фундаментальной физической теорией. Идеи, принципы и теории механики представляли собой совокупность наиболее существенных знаний о физических закономерностях. Механика изучает механическое движение материальных тел и происходящее при этом взаимодействие между ними. Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного положения тел или частиц в пространстве. Примерам механического движения в природе являются движение небесных тел, колебания земной коры, воздушные и морские течения и т.п. Происходящие в процессе механического движения взаимодействия представляют собой те действия тел друг на друга, в результате которых происходит изменение скоростей перемещения этих тел в пространстве или их деформация.

Основу механической картины мира составил атомизм — теория, которая весь мир, включая человека, рассматривала как совокупность огромного числа неделимых материальных частиц — атомов. Материя — это вещество, состоящее из мельчайших, неделимых, абсолютно твердых движущихся частиц (атомов). Это и есть корпускулярное представление о материи.

 Законы механики, которые регулировали как движение атомов, так и движение любых материальных тел, считались фундаментальными законами мироздания. Поэтому ключевым понятием механической картины мира было понятие движения, которое понималось как механическое перемещение. Единственной формой движения является механическое движение, т.е. изменение положения тела в пространстве с течением времени. Движение объяснялось на основе трех законов Ньютона. Все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается обратимым. Закономерности более высоких форм движения материи должны сводиться к законам простейшей ее формы механическому движению.

Все многообразие взаимодействий механическая картина мира сводила только к гравитационному, которое означало наличие сил притяжения между любыми телами; величина этих сил определялась законом всемирного тяготения. Поэтому, зная массу одного тела и силу гравитации, можно определить массу другого тела. Гравитационные силы действуют всегда и между любыми телами и сообщают любым телам одинаковое ускорение.

Решая проблему взаимодействия тел, Ньютон предложил принцип дальнодействия. Согласно этому принципу, взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без материальных посредников, т.е. промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает.

Концепция дальнодействия тесно связана с пониманием пространства и времени как особых сред, вмещающих взаимодействующие тела. Ньютон предложил концепцию абсолютного пространства и абсолютного времени. Абсолютное пространство представлялось большим «черным ящиком», универсальным вместилищем всех материальных тел в природе. Но даже если бы все эти тела вдруг исчезли, абсолютное пространство все равно бы осталось. Аналогично, в образе текущей реки представлялось и абсолютное время. И абсолютное пространство, и абсолютное время существуют совершенно независимо от материи.

Жизнь и разум в механической картине мира не обладали  никакой качественной спецификой. Человек в этой картине мира рассматривался как природное тело в ряду других тел, и поэтому оставался необъяснимым. Если бы человек однажды исчез с лица земли, мир продолжал бы существовать, как ни в чем не бывало. Рассмотрение человека как одного из винтиков хорошо отлаженной машины автоматически устраняло его из данной картины мира.

На основе механической картины мира в XVIII — начале XIX в. Была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации механической картины мира, и она стала рассматриваться в качестве универсальной.

Развитие механической картины мира было обусловлено в основном развитием механики. Успех механики Ньютона в значительной мере способствовал абсолютизации ньютоновских представлений, что выразилось в попытках свести все многообразие явлений природы к механической форме движения материи. Такая точка зрения получила название механистического материализма (механицизм). Однако развитие физики показало несостоятельность такой методологии, поскольку описать тепловые, электрические и магнитные явления с помощью законов механики, а также движение атомов и молекул этих физических явлений оказалось невозможно. В результате в XIX в. В физике наступил кризис, который свидетельствовал, что физика нуждалась в существенном изменении своих взглядов на мир.

Оценивая механическую картину мира как один из этапов развития физической картины мира, необходимо иметь в виду, что с развитием науки основные положения механической картины мира не были просто отброшены. Развитие науки лишь раскрыло относительный характер механической картины мира. Несостоятельной оказалась не сама механическая картина мира, а ее исходная философская идея — механицизм. В недрах механической картины мира стали складываться элементы новой — электромагнитной — картины мира.


Электромагнитная картина мира

Теория Д. Максвелла была воспринята некоторыми учеными с большим сомнением. Например, Г. Гельмгольц придерживался точки зрения, согласно которой электричество является «невесомым флюидом», распространяющимся с бесконечной скоростью. По его просьбе Г. Герц занялся экспериментом, доказывающим флюидную природу электричества. К этому времени О. Френель показал, что свет распространяется не как продольные, а как поперечные волны. В 1887 г. Г. Герцу удалось построить эксперимент. Свет в пространстве между электрическими зарядами распространялся поперечными волнами со скоростью 300 тыс. км/с. Это позволило ему говорить о том, что его эксперимент устраняет сомнения в тождественности света, теплового излучения и волнового электромагнитного движения. Этот эксперимент стал основой для создания электромагнитной физической картины мира, одним из приверженцев которой был Г. Гельмгольц. Он полагал, что все физические силы, господствующие в природе, должны быть объяснены на основе притяжения и отталкивания. Однако создание электромагнитной картины мира столкнулось с трудностями.

1. Основным понятием механики Галилея — Ньютона было понятие вещества, имеющего массу, но оказалось, что вещество может обладать зарядом. Заряд — это физическое свойство вещества создавать вокруг себя физическое поле, оказывающее физическое воздействие на другие заряженные тела, вещества (притяжение, отталкивание).

2. Заряд и масса вещества могут иметь разную величину, т. е. являются дискретными величинами. В то же время понятие физического поля предполагает передачу физического взаимодействия непрерывно от одной его точки к другой. Это означает, что электрические и магнитные силы являются близкодействующими силами, поскольку в физическом поле нет пустого пространства, не заполненного электромагнитными волнами.

3. В механике Галилея — Ньютона возможна бесконечно большая скорость физического взаимодействия, здесь же утверждается, что электромагнитные волны распространяются с большой, но конечной скоростью.

4. При удалении от Земли сила тяжести уменьшается, ослабевает, а электромагнитные сигналы действуют в космическом корабле точно таким же образом, как и на Земле. В XIX в. можно было привести столь же убедительный пример без космического корабля.

5. Открытие в 1902 г. П. Лебедевым — профессором Московского университета — светового давления обострило вопрос о физической природе света. Давление, как физическое явление, связано с понятием вещества, с дискретностью — точнее. Таким образом, давление света свидетельствовало о дискретной природе света как потока частиц.

6. Сходство убывания гравитационных и электромагнитных сил — по закону «обратно пропорционально квадрату расстояния» — вызывало законный вопрос. Некоторые ученые стали говорить об электромагнитном поле как об одном из состояний «эфира», заполняющего пространство между планетами и звездами. Все эти трудности происходили из-за отсутствия в тот период знаний о строении атома, но М. Фарадей был прав, говоря, что, не зная, как устроен атом, мы можем изучать явления, в которых выражается его физическая природа. Действительно электромагнитные волны несут существенную информацию о процессах, происходящих внутри атомов химических элементов и молекул вещества. Они представляют информацию о далеком прошлом и настоящем Вселенной: о температуре космических тел, их химическом составе, расстоянии до них и т. д.

7. Что касается практических аспектов изучения электрических и магнитных сил, то оно осуществлялось в XIX в. быстрыми темпами: первая телеграфная линия между городами (1844), прокладка перового трансатлантического кабеля (1866), телефон (1876), лампа накаливания (1879), радиоприемник (1895).

Электромагнитная картина мира объяснила большой круг физических явлений, непонятных с точки зрения прежней механической картины мира. Однако дальнейшее ее развитие показало, что она имеет ограниченный характер. Главная проблема состояла в том, что континуальное понимание материи не согласовывалось с опытными фактами, подтверждающими дискретность ее многих свойств — заряда, излучения, действия. Оставалась также нерешенной проблема соотношения между полем и зарядом, не удавалось объяснить устойчивость атомов и их спектры, излучение абсолютно черного тела. Все это свидетельствовало об относительном характере электромагнитной картины мира и необходимости ее замены новой физической картиной мира. Поэтому на смену ей пришла новая — квантово-полевая — картина мира, объединившая в себе дискретность механической картины мира и непрерывность электромагнитной картины мира.


Квантово-полевая картина мира

Согласно электромагнитной картине мира окружающий человека мир представляет собой сплошную среду — поле, которое может иметь в разных точках различную температуру, концентрировать разный энергетический потенциал, по-разному двигаться и т.д. Разделение мира на тела и частицы поля, на поле и пространство является свидетельством существования двух крайних свойств мира — дискретности и непрерывности. Дискретность (прерывность) мира означает конечную делимость всего пространственно-временного строения на отдельные ограниченные предметы, свойства и формы движения, тогда как непрерывность (континуальность) выражает единство, целостность и неделимость объекта.

В основе современной квантово-полевой картины мира лежит новая физическая теория — квантовая механика, описывающая состояние и движение микрообъектов материального мира.

Квантовой механикой называют теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми опытным путем.

Квантовая механика позволила определить строение и понять многие свойства твердых тел, последовательно объяснить явления ферромагнетизма, сверхтекучести, сверхпроводимости, понять природу астрофизических объектов — белых карликов, нейтронных звезд, выяснить механизм протекания термоядерных реакций на Солнце и звездах.

Разработка квантовой механики относится к началу XX в., когда были обнаружены физические явления, свидетельствующие о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики к процессам взаимодействия света с веществом и процессам, происходящим в атоме.

В соответствии с квантово-полевой картиной мира любой микрообъект, обладая волновыми и корпускулярными свойствами, не имеет определенной траектории движения и не может иметь определенных координат и скорости (импульса). Это можно сделать только через определение волновой функции в данный момент, а потом найти его волновую функцию в любой другой момент. Квадрат модуля дает вероятность нахождения частицы в данной точке пространства.

Кроме того, относительность пространства-времени в данной картине мира приводит к неопределенности координат и скорости в данный момент, к отсутствию траектории движения микрообъекта. И если в классической физике вероятностным законам подчинялось поведение большого числа частиц, то в квантовой механике поведение каждой микрочастицы подчиняется не динамическим, а статистическим законам.

Таким образом, материя двулика: она обладает и корпускулярными, и волновыми свойствами, которые проявляются в зависимости от условий. Отсюда общая картина реальности в квантово-полевой картине мира становится как бы двуплановой: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой — условия наблюдения, от которых зависит определенность этих характеристик. Это означает, что картина реальности в современной физике является не только картиной объекта, но и картиной процесса его познания.

Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они всегда выступают в вероятностной форме, в виде так называемых статистических законов. Они соответствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей. Таким образом, оказалось, что в основе нашего мира лежит случайность, вероятность.

Также новая картина мира впервые включила в себя наблюдателя, от присутствия которого зависели получаемые результаты исследований. Более того, был сформулирован так называемый антропныи принцип, который утверждает, что наш мир таков, каков он есть, только благодаря существованию человека. Отныне появление человека считается закономерным результатом эволюции Вселенной.

Современное представление о мире

Современная картина мира является результатом синтеза систем мира древности, античности, механистической, электромагнитной картин мира и опирается на научные достижения современного естествознания.

В конце XIX—начале XX в. в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши представления о картине мира. Прежде всего, это открытия, связанные со строением вещества, и открытие взаимосвязи вещества и энергии.

Современное естествознание представляет окружающий материальный мир нашей Вселенной однородным, изотропным и расширяющимся. Материя в мире находится в форме вещества и поля. По структурному распределению вещества окружающий мир разделяется три большие области: микромир, макромир и мегамир. Между структурами существуют четыре фундаментальных вида взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное, которые передаются посредством соответствующих полей. Существуют кванты всех фундаментальных взаимодействий.

Если раньше последними неделимыми частицами материи, считали атомы, то в конце прошлого века были открыты электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов.

В современной естественно-научной картине мира как вещество, так и поле состоят из элементарных частиц, а частицы взаимодействуют друг с другом, взаимопревращаются. На уровне элементарных частиц происходит взаимопревращение поля и вещества. Более того, вакуум тоже состоит из частиц (виртуальных частиц), которые взаимодействуют как друг с другом, так и с обычными частицами. Таким образом, исчезают фактически границы между веществом и полем и даже между вакуумом, с одной стороны, и веществом и полем — с другой. На фундаментальном уровне все грани в природе действительно оказываются условными.

Другая фундаментальная теория современной физики — теория относительности, в корне изменившая научное представление о пространстве и времени. В специальной теории относительности получил дальнейшее применение установленный еще Галилеем принцип относительности в механическом движении.

Еще более радикальные изменения в учении о пространстве и времени произошли в связи с созданием общей теории относительности, которую нередко называют новой теорией тяготения, принципиально отличной от классической ньютоновской теории.

В современной естественно-научной картине мира наблюдается теснейшая связь между всеми естественными науками, здесь время и пространство выступают как единый пространственно-временной континуум, масса и энергия взаимосвязаны, волновое и корпускулярное движения, в известном смысле, объединяются, характеризуя один и тот же объект, наконец, вещество и поле взаимо превращаются.

Как механистическая, так и электромагнитная картины мира были построены на динамических, однозначных закономерностях. В современной картине мира вероятностные закономерности оказываются фундаментальными, не сводимыми к динамическим.

Научно-техническая революция, развернувшаяся в последние десятилетия, внесла много нового в наши представления о естественно-научной картине мира. Возникновение системного подхода позволило взглянуть на окружающий мир как единое, целостное образование, состоящее из огромного множества взаимодействующих друг с другом систем.

Революционные преобразования в естествознании означают, качественные изменения в концептуальном содержании его теорий, учений и научных дисциплин при сохранении преемственности в развитии науки и прежде всего ранее накопленного и проверенного эмпирического материала. Среди них в каждый определенный период выдвигается наиболее общая или фундаментальная теория, которая служит парадигмой, или образцом, для объяснения фактов известных и предсказания фактов неизвестных. Такой парадигмой в свое время служила теория движения земных и небесных тел, построенная Ньютоном, поскольку на нее опирались все ученые, изучавшие конкретные механические процессы. Точно так же все исследователи, изучавшие электрические, магнитные, оптические и радиоволновые процессы, основывались на парадигме электромагнитной теории, которую построил Д. К. Максвелл.

Все прежние картины мира создавались как бы извне — исследователь изучал окружающий мир отстраненно, вне связи с собой, в полной уверенности, что можно исследовать явления, не нарушая их течения. Такова была веками закреплявшаяся естественно-научная традиция. Теперь научная картина мира создается уже не извне, а изнутри, сам исследователь становится неотъемлемой частью создаваемой им картины.

Наиболее характерной чертой современной естественно-научной картины мира является ее эволюционность. Эволюция происходит во всех областях материального мира в неживой природе, живой природе и социальном обществе.

В современной естественно-научной картине мира наблюдается теснейшая связь между всеми естественными науками, здесь время и пространство выступают как единый пространственно-временной континуум, масса и энергия взаимосвязаны, волновое и корпускулярное движения в известном смысле объединяются, характеризуя один и тот же объект, наконец, вещество и поле взаимопревращаются.


Литература

1.        Лихин А. Ф. Концепции современного естествознания: учеб. — М ТК Велби, Изд-во Проспект, 2006 — 264 с.

2. М. К. Гусейханов, О. Р. Раджабов. Концепции современного естествознания: Учеб. — Издание шестое, переработанное и дополненное. / М. 2007 – 536 с.

3.        Петрович С. А. «Концепции современного естествознания»: учебник для студентов вузов, обучающихся по гуманитарным специальностям и специальностям экономики и управления / А. П. Садохин. — 2-е изд., перераб. и доп. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006 — 447 с.

Введение в квантовую механику

Квантовая механика — это физическая наука, изучающая поведение материи и энергии в масштабе атомов и субатомных частиц / волн.

Это также формирует основу для современного понимания того, как очень большие объекты, такие как звезды и галактики, и космологические события, такие как Большой взрыв, могут быть проанализированы и объяснены.

Квантовая механика является основой нескольких смежных дисциплин, включая нанотехнологию, физику конденсированного состояния, квантовую химию, структурную биологию, физику элементарных частиц и электронику.

Термин «квантовая механика» впервые был введен Максом Борном в 1924 году.

Признание квантовой механики общим физическим сообществом связано с ее точным предсказанием физического поведения систем, включая системы, в которых ньютоновская механика не работает.

Даже общая теория относительности ограничена — в отличие от квантовой механики — для описания систем в атомном масштабе или меньше, при очень низких или очень высоких энергиях или при самых низких температурах.

За столетие экспериментов и прикладной науки квантовая теория оказалась очень успешной и практичной.

Основы квантовой механики восходят к началу 1800-х годов, но настоящее начало квантовой механики относится к работе Макса Планка в 1900 году.

Альберт Эйнштейн и Нильс Бор вскоре внесли важный вклад в то, что сейчас называется «старой квантовой теорией».

Однако только в 1924 году появилась более полная картина с гипотезой Луи де Бройля о материальных волнах и стало ясно истинное значение квантовой механики.

Некоторыми из наиболее выдающихся ученых, которые впоследствии в середине 1920-х годов внесли свой вклад в то, что сейчас называется «новой квантовой механикой» или «новой физикой», были Макс Борн, Пол Дирак, Вернер Гейзенберг, Вольфганг Паули и Эрвин Шредингер.

Позже эта область была расширена за счет работ Джулиана Швингера, Син-Итиро Томонага и Ричарда Фейнмана по развитию квантовой электродинамики в 1947 году и Мюррея Гелл-Манна, в частности, по развитию квантовой хромодинамики.

Интерференция, которая создает цветные полосы на пузырьках, не может быть объяснена моделью, которая изображает свет как частицу.

Это можно объяснить с помощью модели, которая изображает это как волну.

На рисунке показаны синусоидальные волны, напоминающие волны на поверхности воды, отражающиеся от двух поверхностей пленки разной ширины, но такое изображение волновой природы света является лишь грубой аналогией.

Ранние исследователи расходились в своих объяснениях фундаментальной природы того, что мы сейчас называем электромагнитным излучением.

Некоторые утверждали, что свет и другие частоты электромагнитного излучения состоят из частиц, в то время как другие утверждали, что электромагнитное излучение является волновым явлением.

В классической физике эти идеи противоречат друг другу.

С первых дней существования КМ ученые признали, что ни одна идея сама по себе не может объяснить электромагнитное излучение.

Несмотря на успех квантовой механики, в ней есть некоторые противоречивые элементы.

Например, поведение микроскопических объектов, описываемое в квантовой механике, очень отличается от нашего повседневного опыта, что может вызвать некоторую степень недоверия.

В настоящее время считается, что большая часть классической физики состоит из частных случаев теории квантовой физики и / или теории относительности.

Дирак применил теорию относительности к квантовой физике, чтобы она могла должным образом иметь дело с событиями, происходящими со скоростью, составляющей значительную долю скорости света.

Классическая физика, однако, также имеет дело с массовым притяжением (гравитацией), и никто еще не смог объединить гравитацию в единую теорию с релятивизированной квантовой теорией.

(PDF) Квантовая теория поля из первых принципов

Паоло Перинотти • Квантовая теория поля из первых принципов

Возвращаясь к нашей метафоре, однако, на данном этапе мы еще не прошли даже половину пути

от низшего — от теории физических систем к высокоуровневому языку механики.

Информационный подход затем продвигается на один шаг вперед с целью восстановления

квантовых уравнений движения и пространства-времени как их проявления. В простейшем случае, когда

не взаимодействуют, мы восстановим теории свободного поля Вейля, Дирака и Максвелла вместе с

фундаментальными константами, которые они включают, такими как ¯hand c.

Ключевая идея с этого этапа состоит в том, чтобы рассматривать физические законы как алгоритмы обработки информации,

, которые обрабатывают состояние массива квантовых ячеек памяти.Если следовать исходному предложению

Фейнмана [

10

], где физические законы должны поддаваться точному моделированию с помощью алгоритма

, который требует ограниченного количества ресурсов на единицу объема пространства-времени, тогда

различие между алгоритмом моделирования и реальным физическим законом исчезает

1

. В этом случае информационная емкость

конечной физической системы должна быть ограничена. С этой точки зрения любая модель физического закона

будет соответствовать алгоритму, в котором непрерывные квантовые поля будут заменены

счетным числом конечномерных фермионных

2

квантовых систем.Такой алгоритм, обратимый

и подчиняющийся некоторой слабой форме однородности и локальности, соответствует фермионному клеточному автомату

. Клеточные автоматы, впервые представленные в классических вычислениях

фон Нейманом [

11

], изучались в квантовой сфере с конца восьмидесятых годов прошлого века

[

12

,

13

,

14

]. Только в 2004 году эта концепция была строго формализована [

15

], и в следующих

мы будем использовать термин «квантовый клеточный автомат» (QCA) для обозначения этого понятия.В настоящее время

предмет изучен различными авторами более подробно [

16

,

17

,

18

,

19

,

20

]. Совсем недавно,

автор формализовал клеточные автоматы в более широком контексте OPT [21].

Следует отметить, что аналогичные по своему техническому развитию исследования

уже проводились ранее. Моделирование релятивистской квантовой динамики с помощью, в частности, QCA уже обсуждалось в работах [

].[

22

,

23

,

24

]. Тем не менее, мы отмечаем, что обсуждаемая здесь программа

принимает парадигму, противоположную упомянутой выше, и нацелена на вывод

квантовой теории поля (QFT) с информационной точки зрения [

25

,

26

]. Другие авторы, следуя

этим результатам, также обращались к основам QFT в рамках QCA [19, 20].

Нынешний статус этой исследовательской программы очень успешен, так как она была получена из нескольких, очень

простых требований, уравнений Вейля и Дирака в соотношении 1 + 1 [

27

,

28

] и 3 + 1 измерения [

25

],

вместе с уравнениями Максвелла [

29

] для подходящих билинейных функций полей Вейля, а также

согласно бозонным коммутационным соотношениям с очень хорошим приближением.Уравнения Вейля, Дирака и Максвелла

являются динамическими уравнениями фундаментальных релятивистских квантовых полей. Приведенные выше результаты

означают, что свободные, невзаимодействующие поля, описывающие наиболее элементарные физические системы

, были восстановлены.

В том же проекте мы можем перечислить поток работ, в которых анализируются симметрии физических

законов, представленных вышеупомянутыми QCA [

30

], начиная с строгого применения принципа относительности

[

31

,

32

,

33

,

34

].Результаты этого анализа показывают, что релятивистское пространство-время

Минковского может быть восстановлено как естественное многообразие для представления физических законов

, представленных вышеупомянутыми КСА. В самом деле, хотя дискретная природа QCAs

явно нарушает ковариацию в рамках обычных представлений группы Лоренца, отождествив

понятия «система отсчета» с понятием «репрезентация» динамики, можно обратиться к

1

В отличие от предложения Фейнмана, мы рассматриваем здесь физические законы исключительно как научные инструменты для анализа

физических явлений и отличаем их, в принципе, от реальных правил, управляющих возникновением явлений.Тем не менее,

ясно, что цель формулировки физических законов состоит в том, чтобы предсказать поведение физических систем.

2

Мотивация выбора фермионных систем, а не кубитов, сама по себе потребует очень долгого обсуждения.

Здесь мы только отметим, что хотя алгоритмы кубитов легко моделируются фермионными алгоритмами, соблюдая их топологическую структуру

, для обратного моделирования необходимо исказить топологию связей между элементарными процессами

.Более того, требование линейности, которое мы вскоре обсудим, не удовлетворяется нетривиальными кубитными алгоритмами.

По очевидным причинам, бозонные системы нарушили бы требование ограниченной плотности информации.

3

UW ручки для физиков безматематический тур по квантовой механике и технологиям

Наука | Технологии | UW News blog

8 февраля 2021 г.

Аэрофотоснимок кампуса Вашингтонского университета в Сиэтле.Марк Стоун / Вашингтонский университет

Рано в жизни мы начинаем узнавать правила этого мира. Мы запоминаем простые уроки — например, «что происходит, должно упасть» — которые помогают нам начать понимать наш мир. Со временем мы больше не удивляемся, что дождь мокрый, еда может портиться или солнце встает на востоке и садится на западе.

Но более века назад ученые начали понимать, что все эти правила, закономерности и уроки лежат на фундаменте, который нам может показаться полным противоречий, путаницы и случайностей.Эта основа — квантовая механика. Он описывает, как весь материал во Вселенной, от звезд и галактик до травинок и бельгийских вафель, ведет себя на субатомном уровне.

В этом масштабе материя имеет свои собственные правила, которые настолько сложны, что могут казаться оторванными от более широкой реальности, с которой мы сталкиваемся. Например, частицы могут действовать как волны. Этот потенциальный разрыв между тем, как мы воспринимаем материю в громоздких человеческих масштабах и тем, как материя ведет себя в крошечных, субатомных масштабах, удерживает квантовую механику в значительной степени вне поля зрения общественности.Это должно измениться, утверждает Мигель Моралес, профессор физики Вашингтонского университета, потому что мы вступили в эпоху, когда квантовая механика играет все более важную роль в нашей жизни.

Моралес написал серию из семи частей для Ars Technica по квантовой механике для широкой аудитории. Одна статья из этой серии выходит каждую неделю с 10 января по 21 февраля. Моралес сел с UW News, чтобы поговорить о сериале, квантовой механике и о том, что, как он надеется, публика сможет узнать об этом, казалось бы, странном и, возможно, устрашающем мире. наука.

Почему из всех возможных предметов вы захотели написать серию статей по квантовой механике для широкой аудитории?

Мигель Моралес, профессор физики Вашингтонского университета, Вашингтонский университет

MM: Я считаю, что для нашего общества важно быть технологически грамотным, чтобы у нас были общие знания о технологиях, которые играют такую ​​жизненно важную роль в нашей жизни. И это то, что мы видели в истории. Сто лет назад электроника была на переднем крае науки.Это была невероятно специализированная область, которую понимала лишь горстка экспертов. Теперь у нас есть факультеты университетов, которые обучают этому, а ученики средних школ подключают схемы.

Наши знания о квантовой механике должны развиваться таким же образом, потому что они начинают проникать в нашу жизнь, и эта тенденция будет только расти со временем. Квантовая механика должна покинуть здание физики и начать понимать ее более широко, потому что в противном случае публика просто поднимет руки и скажет, что машины в нашей жизни — это волшебство.Это не волшебство. За этим стоит настоящая наука, и ее можно сделать доступной для широкой аудитории. Эта серия статей — это моя попытка двигаться в этом направлении.

Как квантовая механика играет большую роль в нашей жизни?

MM: Примеров множество. Аппарат МРТ в больнице — это полностью квантовое устройство. В нем есть сверхпроводящие магниты, которые поляризуют все протоны в атомах водорода, чтобы создавать подробные, информативные изображения, которые может использовать ваш врач.Идея поляризации частицы, такой как протон, исходит непосредственно из квантовой механики. Жесткий диск на вашем столе не работает без квантовой механики. Теперь вы можете купить телевизор с квантовыми точками. И появятся новые примеры, возможно, быстрее, чем мы думаем, — например, квантовые вычисления и квантовая криптография.

Что делает квантовую механику препятствием для людей, не являющихся экспертами в этой области?

MM: Скорее всего, это математика, если быть тупым.В основе принципов квантовой механики лежит сложная математика. Студенты-физики знакомятся с этой областью в основном через математическую призму, и это здорово — им нужна такая перспектива. Но я бы сказал, что неспециалист — нет. Именно это я и пытаюсь сделать в этой серии статей. Я полностью оставляю математику в стороне.

Так как же говорить о квантовой механике, не прибегая к математике?

MM: Я думаю, что мы все еще пытаемся понять, как это сделать! Для каждой из этих статей мой подход заключался в том, чтобы сосредоточиться на теме, поскольку мы начинаем пешеходную экскурсию по квантово-механическому лесу.В каждом туре я использую конкретные примеры, чтобы проиллюстрировать квантово-механический эффект — и дать точную, без математики, модель того, что происходит. Я не пытаюсь сосредоточиться на «загадке» квантовой механики. Я пытаюсь проиллюстрировать это примером, используя вещи, с которыми мы сталкиваемся в мире, и которые также подтверждаются тысячами экспериментов в лаборатории. Затем в конце каждого тура мы возвращаемся в центр для посетителей и говорим о приложениях, которые начинают появляться в нашей жизни.

О каких концепциях квантовой механики вы говорите в этой серии статей?

MM: Мы начинаем со слов «Частицы движутся как волны, но ударяются как частицы». Это означает, что когда частица движется, она движется как волна. Но когда он попадает во что-то, например, в детектор, он обнаруживается как пятно. Это всегда верно для всех частиц. Это делают нейтроны, состоящие из трех кварков. То же самое и с молекулами, состоящими из сотен составных частиц.Это основа квантовой механики. Если вы обучаете физика, вы пройдете через математические этапы, подтверждающие эту концепцию. Но без математики вы можете использовать мысленную картину, подобную той, которую я только что описал: движение как волна и удары как частица.

Другая концепция, которую я использую, заключается в том, что частица имеет диапазон «цветов» или энергии, и это тесно связано с размером частицы. Если вы возьмете несколько фотонов и случайным образом запихнете их в оптоволоконный кабель, когда мы увидим их на другом конце, мы увидим, что они «держались за руки» по пути.Все частицы могут быть классифицированы как «интроверты», как фотоны, которые собираются в группы, или как «экстраверты», как электроны, которые избегают друг друга. Затем размер движущейся волны частиц может быть увеличен для понимания интерферометрических телескопов, охватывающих Землю.

Это ряд концепций, которые не особо обсуждаются в популярных СМИ, и я пытаюсь вникнуть в них здесь, потому что эти принципы будут играть роль в квантовых технологиях будущего.

Какие из этих технологий?

ММ: Слишком много, чтобы назвать! Наши знания квантовой механики и достижения в методах производства позволяют нам создавать устройства со свойствами, не наблюдаемыми в природе, но основанными на концепциях квантовой механики.Это действительно революционно. Это похоже на то, как будто мы открыли новую сверхдержаву. Квантовая электроника — тому пример. Это поле использует волновые свойства частиц и произвело революцию в наших наблюдениях за космическим микроволновым фоном и ранней Вселенной.

Оптические часы, вероятно, скоро выйдут из лаборатории и обеспечат неслыханный уровень точности хронометража. Предыдущий уровень точности — атомных часов — дал нам GPS. Вот почему смартфон в вашем кармане знает, где он находится.Я ожидаю, что эти квантовые технологии произведут свою собственную революцию в том, как мы живем.

И именно поэтому я считаю, что для нас так важно попытаться познакомиться с квантовой механикой. Я надеюсь, что эта серия статей станет для людей возможностью исследовать ее даже во время пандемии и почерпнуть что-то новое в интересном и доступном формате.

Для получения дополнительной информации свяжитесь с Моралесом по адресу [email protected]

Теги: Колледж искусств и наук • Департамент физики • Мигель Моралес • Q&A

Пять практических применений «жуткой» квантовой механики | Наука

Может показаться, что квантовая сфера противоречит здравому смыслу.Библиотека научных фотографий / Corbis

Квантовая механика странная. Известно, что теория, описывающая действие крошечных частиц и сил, вызывала у Альберта Эйнштейна такое беспокойство, что в 1935 году он и его коллеги заявили, что она должна быть неполной — слишком «жуткой», чтобы быть реальной.

Проблема в том, что квантовая физика, кажется, бросает вызов здравым понятиям причинности, локальности и реализма. Например, вы знаете, что луна существует, даже когда не смотрите на нее — это реализм.Причинность говорит нам, что если вы щелкнете выключателем, лампочка загорится. А благодаря жесткому ограничению скорости света, если вы сейчас щелкнете переключателем, соответствующий эффект не может произойти мгновенно за миллион световых лет в зависимости от местности. Однако в квантовой сфере эти принципы не работают. Возможно, самый известный пример — квантовая запутанность, которая гласит, что частицы на противоположных сторонах Вселенной могут быть внутренне связаны, так что они мгновенно обмениваются информацией — идея, которая заставила Эйнштейна насмехаться.

Но в 1964 году физик Джон Стюарт Белл доказал, что квантовая физика на самом деле является законченной и работоспособной теорией. Его результаты, которые теперь называются теоремой Белла, эффективно доказали, что квантовые свойства, такие как запутанность, столь же реальны, как луна, и сегодня странное поведение квантовых систем используется для использования во множестве реальных приложений. Вот пять самых интригующих:

Стронциевые часы, представленные NIST и JILA в январе, будут показывать точное время в течение следующих 5 миллиардов лет.Группа Йе и Брэд Бэксли, JILA

Сверхточные часы

Надежное хронометрирование — это больше, чем просто утренний будильник. Часы синхронизируют наш технологический мир, поддерживая такие вещи, как фондовые рынки и системы GPS. Стандартные часы используют регулярные колебания физических объектов, таких как маятники или кристаллы кварца, для создания своих «тиков» и «тактов». Сегодня самые точные часы в мире, атомные часы, могут использовать принципы квантовой теории для измерения времени.Они контролируют определенную частоту излучения, необходимую для того, чтобы электроны перепрыгивали между уровнями энергии. Квантово-логические часы в Национальном институте стандартов и технологий США (NIST) в Колорадо теряют или выигрывают только секунду каждые 3,7 миллиарда лет. А стронциевые часы NIST, представленные ранее в этом году, будут иметь такую ​​точность в течение 5 миллиардов лет — больше, чем текущий возраст Земли. Такие сверхчувствительные атомные часы помогают в GPS-навигации, телекоммуникациях и геодезии.

Точность атомных часов частично зависит от количества используемых атомов.Находясь в вакуумной камере, каждый атом независимо измеряет время и следит за случайными локальными различиями между собой и своими соседями. Если ученые втиснут в атомные часы в 100 раз больше атомов, они станут в 10 раз точнее, но есть предел на то, сколько атомов вы можете втиснуть. Следующая большая цель исследователей — успешно использовать запутанность для повышения точности. Запутанные атомы не будут озабочены локальными различиями, а вместо этого будут измерять только течение времени, эффективно объединяя их как единый маятник.Это означает, что добавление в запутанные часы в 100 раз большего количества атомов сделало бы их в 100 раз более точными. Запутанные часы можно было бы даже связать, чтобы сформировать всемирную сеть, которая будет измерять время независимо от местоположения.

Наблюдателям будет нелегко взломать квантовую корреспонденцию. ФОЛЬКЕР СТЕГЕР / Научная фотобиблиотека / Corbis

Коды, не поддающиеся взлому

Традиционная криптография работает с использованием ключей: отправитель использует один ключ для кодирования информации, а получатель использует другой для декодирования сообщения.Однако риск подслушивания трудно исключить, и ключи могут быть скомпрометированы. Это можно исправить с помощью потенциально неразрывного квантового распределения ключей (QKD). В QKD информация о ключе отправляется через фотоны, поляризованные случайным образом. Это ограничивает фотон так, что он колеблется только в одной плоскости — например, вверх и вниз или слева направо. Получатель может использовать поляризованные фильтры для расшифровки ключа, а затем использовать выбранный алгоритм для надежного шифрования сообщения. Секретные данные по-прежнему отправляются по обычным каналам связи, но никто не может расшифровать сообщение, если у него нет точного квантового ключа.Это сложно, потому что квантовые правила диктуют, что «считывание» поляризованных фотонов всегда будет изменять их состояние, и любая попытка подслушивания предупредит коммуникаторов о нарушении безопасности.

Сегодня такие компании, как BBN Technologies, Toshiba и ID Quantique, используют QKD для создания сверхзащищенных сетей. В 2007 году Швейцария опробовала продукт ID Quantique для обеспечения системы голосования с защитой от несанкционированного доступа во время выборов. А первый банковский перевод с использованием запутанных QKD был осуществлен в Австрии в 2004 году.Эта система обещает быть очень безопасной, потому что, если фотоны запутаны, любые изменения их квантовых состояний, сделанные вторгшимися, будут немедленно очевидны любому, кто наблюдает за ключевыми частицами. Но эта система пока не работает на больших расстояниях. До сих пор запутанные фотоны передавались на максимальное расстояние около 88 миль.

Крупный план компьютерного чипа D-Wave One. D-Wave Systems, Inc.

Сверхмощные компьютеры

Стандартный компьютер кодирует информацию как строку двоичных цифр или битов.Квантовые компьютеры увеличивают вычислительную мощность, потому что они используют квантовые биты или кубиты, которые существуют в суперпозиции состояний — пока они не будут измерены, кубиты могут быть как «1», так и «0» одновременно.

Это направление все еще находится в стадии разработки, но были сделаны шаги в правильном направлении. В 2011 году D-Wave Systems представила D-Wave One, 128-кубитный процессор, а годом позже — 512-кубитный D-Wave Two. Компания заявляет, что это первые в мире коммерчески доступные квантовые компьютеры.Однако это утверждение было встречено скептически, отчасти потому, что до сих пор неясно, запутаны ли кубиты D-Wave. Исследования, опубликованные в мае, обнаружили доказательства запутанности, но только в небольшом подмножестве кубитов компьютера. Также есть неуверенность в том, демонстрируют ли чипы какое-либо надежное квантовое ускорение. Тем не менее, НАСА и Google объединились для создания Лаборатории квантового искусственного интеллекта на основе D-Wave Two. А ученые из Бристольского университета в прошлом году подключили один из своих традиционных квантовых чипов к Интернету, чтобы любой, у кого есть веб-браузер, мог изучить квантовое кодирование.

Внимательно следите за запутыванием. Оно и др., Arxiv.org

Микроскопы улучшенные

В феврале группа исследователей из японского университета Хоккайдо разработала первый в мире микроскоп с усилением запутывания, используя метод, известный как микроскопия с дифференциальным интерференционным контрастом. Этот тип микроскопа направляет два луча фотонов на вещество и измеряет интерференционную картину, создаваемую отраженными лучами — картина меняется в зависимости от того, попадают ли они на плоскую или неровную поверхность.Использование запутанных фотонов значительно увеличивает количество информации, которую может собрать микроскоп, поскольку измерение одного запутанного фотона дает информацию о его партнере.

Команде Хоккайдо удалось с беспрецедентной четкостью изобразить выгравированную букву Q, которая возвышается всего на 17 нанометров над фоном. Подобные методы можно использовать для улучшения разрешения астрономических инструментов, называемых интерферометрами, которые накладывают различные световые волны, чтобы лучше анализировать их свойства. Интерферометры используются в поисках внесолнечных планет, для исследования близлежащих звезд и для поиска ряби в пространстве-времени, называемой гравитационными волнами.

Европейская малиновка может быть квантово-естественной. Эндрю Паркинсон / Корбис

Биологические компасы

Не только люди используют квантовую механику. Одна ведущая теория предполагает, что такие птицы, как малиновка, используют жуткие действия, чтобы не отставать от миграции. В методе используется светочувствительный белок, называемый криптохромом, который может содержать запутанные электроны. Когда фотоны попадают в глаз, они попадают в молекулы криптохрома и могут доставить достаточно энергии, чтобы разбить их на части, образуя две реактивные молекулы или радикалы с неспаренными, но все еще запутанными электронами.Магнитное поле, окружающее птицу, влияет на продолжительность жизни этих радикалов криптохрома. Считается, что клетки сетчатки глаза птицы очень чувствительны к присутствию запутанных радикалов, что позволяет животным эффективно «видеть» магнитную карту, основанную на молекулах.

Однако этот процесс не совсем понятен, и есть еще один вариант: магнитная чувствительность птиц может быть связана с небольшими кристаллами магнитных минералов в их клювах. Тем не менее, если запутанность действительно имеет место, эксперименты показывают, что это деликатное состояние должно длиться гораздо дольше с высоты птичьего полета, чем даже в лучших искусственных системах.Магнитный компас также может быть применим к некоторым ящерицам, ракообразным, насекомым и даже некоторым млекопитающим. Например, форма криптохрома, используемая для магнитной навигации у мух, также была обнаружена в человеческом глазу, хотя неясно, был ли он полезен или когда-то использовался для аналогичной цели.

Животные Птицы Компьютеры Космическое пространство Физика

Рекомендованные видео

Причудливая логика теории многомиров

Возникшая в 1950-х годах теория многих миров утверждает, что параллельные миры постоянно ответвляются друг от друга, момент за моментом.Кредит: Shutterstock

.

Что-то глубоко скрытое: квантовые миры и появление пространства-времени Шон Кэрролл Oneworld (2019)

В начале Something Deeply Hidden Шон Кэрролл цитирует сказку о лисе и винограде из басен Эзопа. Голодная лиса пытается достать гроздь винограда, свисающую с лозы. Обнаружив их вне его досягаемости, но отказываясь признать неудачу, лис объявляет виноград несъедобным и отворачивается.Это, как заявляет Кэрролл, отражает то, как физики относятся к нелепым последствиям квантовой механики.

Кэрролл хочет, чтобы это прекратилось. Он утверждает, что в соответствии с теорией многих миров лиса может дотянуться до винограда. Созданный американским физиком Хью Эвереттом в конце 1950-х годов, он представляет нашу Вселенную как всего лишь один из многочисленных параллельных миров, которые ответвляются друг от друга, наносекунда за наносекундой, не пересекаясь и не сообщаясь друг с другом. (Теория многих миров отличается от концепции мультивселенной, которая описывает множество замкнутых вселенных в разных регионах пространства-времени.)

Шесть десятилетий спустя эта теория — одна из самых причудливых, но вполне логичных идей в истории человечества, выросшая непосредственно из фундаментальных принципов квантовой механики без введения посторонних элементов. Он стал основным продуктом массовой культуры, хотя сюжеты многих фильмов и телесериалов, вдохновленные им, неизменно пренебрегают теорией, полагаясь на контакт между параллельными мирами, как в фильме 2011 года « Другая Земля ».

В Something Deeply Hidden Кэрролл убедительно объясняет теорию многих миров и ее постэвереттовскую эволюцию, а также почему наш мир, тем не менее, выглядит именно так.Во многом из-за его чисто логического характера Кэрролл называет детище Эверетта «лучшим представлением о реальности, которое у нас есть».

Поймай волну

Квантовая механика — это основа современной субатомной физики. Он успешно выдержал почти столетние испытания, в том числе эксперименты французского физика Алена Аспекта, подтверждающие запутанность или действие на расстоянии между определенными типами квантовых явлений. В квантовой механике мир разворачивается за счет комбинации двух основных ингредиентов.Один из них — это гладкая, полностью детерминированная волновая функция: математическое выражение, которое передает информацию о частице в виде многочисленных возможностей ее местоположения и характеристик. Второй — это то, что реализует одну из этих возможностей и устраняет все остальные. Мнения расходятся относительно того, как это происходит, но это может быть вызвано наблюдением волновой функции или волновой функцией, встречающейся в какой-то части классического мира.

Многие физики принимают эту картину за чистую монету в рамках концептуальной путаницы, известной как Копенгагенская интерпретация, созданной Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом в 1920-х годах.Но копенгагенский подход трудно принять по нескольким причинам. Среди них тот факт, что волновая функция ненаблюдаема, прогнозы вероятностны, а то, что вызывает коллапс функции, остается загадочным.

Хью Эверетт (второй справа) создал теорию многомиров. (Также на фото, слева направо: Чарльз Миснер, Хейл Троттер, Нильс Бор и Дэвид Харрисон.) Кредит: Алан Ричардс / AIP Эмилио Сегре Visual Archives

Что мы должны делать с этой схлопывающейся волной? Уравнения работают, но то, что «есть» волновая функция, является ключевым источником разногласий при интерпретации квантовой механики.Кэрролл выделяет несколько альтернатив Копенгагенской интерпретации, а также их преимущества и недостатки.

Один из вариантов, подход «скрытых переменных», отстаиваемый, среди прочего, Альбертом Эйнштейном и Дэвидом Бомом, в основном утверждает, что волновая функция — это всего лишь временное исправление, и что физики в конечном итоге заменят его. Другой подход, названный Кристофером Фуксом квантовым байесианством или QBism, рассматривает волновую функцию как существенно субъективную. Таким образом, это просто руководство к тому, во что мы должны верить в результате измерений, а не название реальной особенности субатомного мира.В конце своей жизни Гейзенберг предложил изменить наше представление о самой реальности. Вернувшись к концепции, разработанной Аристотелем — «потенция», как в потенциале желудя стать дубом при правильном контексте, он предположил, что волновая функция представляет собой «промежуточный» уровень реальности.

Кэрролл утверждает, что теория многих миров — самый простой подход к пониманию квантовой механики. Он принимает реальность волновой функции. Фактически, это говорит о том, что для всей Вселенной существует одна и только одна волновая функция.Кроме того, в нем говорится, что когда в нашем мире происходит событие, другие возможности, содержащиеся в волновой функции, не исчезают. Вместо этого создаются новые миры, в которых каждая возможность является реальностью. Чистая простота теории и логика в концептуальных рамках квантовой механики вдохновляют Кэрролла называть ее «смелым» подходом. Он утверждает, что не беспокойтесь об этих дополнительных мирах — мы их не видим, и, если теория многих миров верна, мы не заметим разницы. Многие другие миры параллельны нашему, но настолько скрыты от него, что «с таким же успехом могут быть населены призраками».

Ветвящиеся кошки

Для физиков теория привлекательна, поскольку она объясняет многие загадки квантовой механики. Например, в мысленном эксперименте Эрвина Шредингера с мертвым и живым котом кошки просто разветвляются на разные миры, оставляя только одну кошку в коробке на каждый мир. Кэрролл также показывает, что теория предлагает более простые объяснения некоторых сложных явлений, например, почему черные дыры испускают излучение. Кроме того, теория может помочь развить все еще спекулятивные идеи о загадках, таких как объединение квантовой механики с теорией относительности.

Something Deeply Hidden предназначен для не ученых, с искривленным взглядом на физиков, все еще спорящих о значении квантовой механики. Кэрролл знакомит читателя с развитием квантовой физики от Макса Планка до наших дней и объясняет, почему ее так трудно интерпретировать, прежде чем изложить теорию многих миров. Мертвая точка в книге — «сократический диалог» о значении теории. Эта интерлюдия между философски чувствительным физиком и научным философом предназначена для того, чтобы избавиться от интуитивных оговорок, которые могли быть у не-ученых.

Тем не менее, у людей, не являющихся учеными, могут быть давние проблемы с свежими, в значительной степени неизученными идеями Кэрролла о «реальности». Как и многие физики, он предполагает, что реальность — это то, что утверждает научная теория. Но что дает физикам закрепить эту концепцию и иметь право утверждать, что остальные из нас (не говоря уже о тех, кто находится в экстремальных ситуациях, таких как беженцы, солдаты и неизлечимо больные люди), живем в менее фундаментальной реальности. ? Неужели мы должны последовать примеру Гейзенберга? То есть должны ли мы полагаться на инструменты для обсуждения сложностей реальности, которые философы разрабатывали на протяжении тысячелетий, чтобы объяснить, почему лисе так трудно добраться до винограда?

Какая дурацкая идея.

Что такое квантовая теория? — Определение с сайта WhatIs.com

Квантовая теория — это теоретическая основа современной физики, которая объясняет природу и поведение материи и энергии на атомном и субатомном уровне. Природу и поведение материи и энергии на этом уровне иногда называют квантовой физикой и квантовой механикой. Организации в нескольких странах выделили значительные ресурсы на развитие квантовых вычислений, которые используют квантовую теорию для значительного улучшения вычислительных возможностей сверх того, что возможно при использовании современных классических компьютеров.

В 1900 году физик Макс Планк представил свою квантовую теорию Немецкому физическому обществу. Планк стремился обнаружить причину, по которой излучение светящегося тела меняет цвет с красного на оранжевый и, наконец, на синий при повышении температуры. Он обнаружил, что, сделав предположение, что энергия существует в отдельных единицах точно так же, как и материя, а не просто как постоянная электромагнитная волна — как предполагалось ранее — и, следовательно, поддается количественной оценке , он мог найти ответ на свой вопрос.Существование этих единиц стало первым предположением квантовой теории.

Планк написал математическое уравнение, включающее число, представляющее эти отдельные единицы энергии, которые он назвал квантами . Уравнение очень хорошо объясняет это явление; Планк обнаружил, что на определенных дискретных уровнях температуры (точных кратных базовому минимальному значению) энергия светящегося тела будет занимать разные области цветового спектра. Планк предполагал, что в результате открытия квантов еще не возникла теория, но на самом деле само их существование предполагало совершенно новое и фундаментальное понимание законов природы.Планк получил Нобелевскую премию по физике за свою теорию в 1918 году, но разработки различных ученых за тридцатилетний период внесли свой вклад в современное понимание квантовой теории.

Развитие квантовой теории
  • В 1900 году Планк сделал предположение, что энергия состоит из отдельных единиц или квантов.
  • В 1905 году Альберт Эйнштейн предположил, что не только энергия, но и само излучение квантуются таким же образом.
  • В 1924 году Луи де Бройль предположил, что нет принципиальной разницы в составе и поведении энергии и материи; на атомном и субатомном уровне любой из них может вести себя так, как будто он состоит из частиц или волн. Эта теория стала известна как принцип дуальности волна-частица : элементарные частицы энергии и вещества в зависимости от условий ведут себя как частицы или волны.
  • В 1927 году Вернер Гейзенберг предположил, что точное одновременное измерение двух дополнительных величин, таких как положение и импульс субатомной частицы, невозможно.Вопреки принципам классической физики их одновременное измерение неизбежно ошибочно; чем точнее будет измерено одно значение, тем более ошибочным будет измерение другого значения. Эта теория стала известна как принцип неопределенности, что побудило Альберта Эйнштейна сделать знаменитый комментарий: «Бог не играет в кости».

Копенгагенская интерпретация и многомировая теория

Двумя основными интерпретациями последствий квантовой теории для природы реальности являются копенгагенская интерпретация и теория многих миров.Нильс Бор предложил копенгагенскую интерпретацию квантовой теории, которая утверждает, что частица — это то, чем она измеряется (например, волна или частица), но что нельзя предполагать, что она имеет определенные свойства или даже существует, пока это измеряется. Короче говоря, Бор говорил, что объективной реальности не существует. Это переводится в принцип, называемый суперпозицией, который утверждает, что, хотя мы не знаем, в каком состоянии находится какой-либо объект, на самом деле он находится во всех возможных состояниях одновременно, пока мы не проверяем его.

Чтобы проиллюстрировать эту теорию, мы можем использовать знаменитую и несколько жесткую аналогию с котом Шредингера. Сначала у нас есть живая кошка и помещаем ее в толстую свинцовую коробку. На данном этапе нет никаких сомнений в том, что кошка жива. Затем мы бросаем пузырек с цианидом и закрываем коробку. Мы не знаем, жива ли кошка или разорвалась ли капсула с цианидом и кошка умерла. Поскольку мы не знаем, кошка одновременно мертва и жива, согласно квантовому закону — в суперпозиции состояний. Только когда мы открываем коробку и видим, в каком состоянии находится кошка, суперпозиция теряется, и кошка должна быть либо живой, либо мертвой.

Вторая интерпретация квантовой теории — это теория многих миров , (или теория мультивселенной , ). Она утверждает, что как только существует возможность для любого объекта находиться в каком-либо состоянии, вселенная этого объекта превращается в серию параллельных вселенных, равное количеству возможных состояний, в которых может существовать этот объект, причем каждая вселенная содержит уникальное единственное возможное состояние этого объекта. Кроме того, существует механизм взаимодействия между этими вселенными, который каким-то образом позволяет всем состояниям быть доступными в некоторых способ и для всех возможных состояний быть затронутыми каким-либо образом.Стивен Хокинг и покойный Ричард Фейнман относятся к числу ученых, которые отдали предпочтение теории многих миров.

Влияние квантовой теории

Хотя ученые на протяжении всего прошлого века возражали против последствий квантовой теории, в том числе Планка и Эйнштейна, принципы теории неоднократно подтверждались экспериментами, даже когда ученые пытались их опровергнуть. Квантовая теория и теория относительности Эйнштейна составляют основу современной физики.Принципы квантовой физики применяются во все большем числе областей, включая квантовую оптику, квантовую химию, квантовые вычисления и квантовую криптографию.

новых взглядов на квантовые скачки: вызов основным принципам физики

Квантовая механика, теория, описывающая физику Вселенной в очень малых масштабах, печально известна тем, что бросает вызов здравому смыслу. Рассмотрим, например, способ, которым стандартные интерпретации теории предполагают, что в квантовой сфере происходят изменения: переходы из одного состояния в другое предположительно происходят непредсказуемо и мгновенно.Иными словами, если бы события в нашем привычном мире разворачивались так же, как и в атомах, мы могли бы ожидать, что жидкое тесто станет полностью испеченным пирогом без прохождения каких-либо промежуточных этапов. Повседневный опыт, конечно, говорит нам, что это не так, но для менее доступной микроскопической области истинная природа таких «квантовых скачков» была главной нерешенной проблемой в физике.

Однако в последние десятилетия технический прогресс позволил физикам более внимательно изучить проблему в тщательно организованных лабораторных условиях.Самый фундаментальный прорыв, возможно, произошел в 1986 году, когда исследователи впервые экспериментально подтвердили, что квантовые скачки — это реальные физические явления, которые можно наблюдать и изучать. С тех пор неуклонный технический прогресс открыл более глубокие перспективы загадочного явления. Примечательно, что эксперимент, опубликованный в 2019 году, перевернул традиционное представление о квантовых скачках, продемонстрировав, что они движутся предсказуемо и постепенно, как только они начинаются, и даже могут быть остановлены на полпути.

В этом эксперименте, проведенном в Йельском университете, использовалась установка, которая позволяла исследователям отслеживать переходы с минимальным вмешательством.Каждый скачок происходил между двумя значениями энергии сверхпроводящего кубита — крошечной схемы, имитирующей свойства атомов. Исследовательская группа использовала измерения «побочной активности», происходящей в цепи, когда система имела более низкую энергию. Это немного похоже на то, как узнать, какое шоу идет по телевизору в другой комнате, прислушиваясь только к определенным ключевым словам. Этот непрямой зонд позволил ускользнуть от одной из главных проблем квантовых экспериментов, а именно, как избежать влияния на саму наблюдаемую систему.Эти измерения, известные как «щелчки» (по звуку, издаваемому старыми счетчиками Гейгера при обнаружении радиоактивности), выявили важное свойство: скачкам к более высокой энергии всегда предшествовала остановка «ключевых слов», пауза в побочной активности. . Это в конечном итоге позволило команде предугадывать развитие прыжков и даже останавливать их по своему желанию.

Теперь новое теоретическое исследование глубже исследует то, что можно сказать о прыжках и когда. И он обнаруживает, что это, казалось бы, простое и фундаментальное явление на самом деле довольно сложно.

Поймай меня, если сможешь

Новое исследование, опубликованное в журнале Physical Review Research, моделирует пошаговую эволюцию квантовых скачков от колыбели до могилы — от начального состояния системы с более низкой энергией, известного как основное состояние, затем второй, где он имеет более высокую энергию, называемый возбужденным состоянием, и, наконец, переход обратно в основное состояние. Это моделирование показывает, что у предсказуемых, «уловимых» квантовых скачков должен быть неуловимый аналог, говорит автор Кирилл Снижко, научный сотрудник Технологического института Карлсруэ в Германии, который ранее работал в Институте науки Вейцмана в Израиле, где проводилось исследование. был выполнен.

В частности, под «неуловимым» исследователи подразумевают, что возврат в основное состояние не всегда будет плавным и предсказуемым. Вместо этого результаты исследования показывают, что развитие такого события зависит от того, насколько «подключено» измерительное устройство к системе (еще одна особенность квантовой области, которая, в данном случае, относится к шкале времени измерений по сравнению с шкалой времени измерений). переходы). Связь может быть слабой, и в этом случае квантовый скачок также можно предсказать по паузе в щелчках от побочной активности кубита, как это используется в эксперименте Йельского университета.

Система переходит через смесь возбужденного и основного состояний — квантовое явление, известное как суперпозиция. Но иногда, когда соединение превышает определенный порог, эта суперпозиция смещается к определенному значению смеси и имеет тенденцию оставаться в этом состоянии до тех пор, пока не переместится на землю без предупреждения. В этом частном случае «этот вероятностный квантовый скачок нельзя предсказать и обратить вспять в полете», — объясняет Парвин Кумар, научный сотрудник Института Вейцмана и соавтор самого последнего исследования.Другими словами, даже скачки, для которых время было изначально предсказуемо, будут сопровождаться непредсказуемыми по своей сути.

Но есть еще один нюанс, если рассматривать изначально ловимые прыжки. Снижко говорит, что даже в них есть элемент непредсказуемости. Улавливаемый квантовый скачок всегда будет происходить по «траектории» через суперпозицию возбужденного и основного состояний, но не может быть никакой гарантии, что скачок когда-либо закончится. «В каждой точке траектории есть вероятность продолжения прыжка и вероятность того, что он вернется в основное состояние», — говорит Снежко.«Таким образом, скачок может начаться, а затем внезапно прекратиться. Траектория полностью детерминирована, но непредсказуемо, завершит ли система эту траекторию ».

Такое поведение проявилось в результатах Йельского эксперимента. Авторы этой работы назвали такие ловкие прыжки «островками предсказуемости в море неопределенности». Рикардо Гутьеррес-Хауреги, постдокторант Колумбийского университета и один из авторов соответствующего исследования, отмечает, что «прелесть этой работы заключалась в том, чтобы показать, что в отсутствие щелчков система следовала заранее определенному пути, чтобы достичь возбужденного состояния. в короткие, но ненулевые сроки.Однако у устройства все еще есть шанс «щелкнуть», когда система переходит по этому пути, тем самым прерывая свой переход ».

«КВАНТОВАЯ ФИЗИКА НАРУШЕНА!»

Златко Минев, исследователь исследовательского центра IBM Thomas J. Watson и ведущий автор более раннего исследования Йельского университета, отмечает, что новая теоретическая статья «выводит очень красивую, простую модель и объяснение явления квантового скачка в контексте кубита в зависимости от параметров эксперимента ». Взятые вместе с экспериментом в Йельском университете, результаты «показывают, что в истории дискретности, случайности и предсказуемости квантовой механики есть нечто большее, чем обычно думают».В частности, удивительно детализированное поведение квантовых скачков — способ предсказания скачка из основного состояния в возбужденное — предполагает степень предсказуемости, присущую квантовому миру, которая никогда прежде не наблюдалась. Некоторые даже сочли бы это запрещенным, если бы это еще не было подтверждено экспериментом. Когда Минев впервые обсудил возможность предсказуемых квантовых скачков с другими членами своей группы, его коллега крикнул в ответ: «Если это правда, то квантовая физика нарушена!»

«В конце концов, наш эксперимент сработал, и из него можно сделать вывод, что квантовые скачки случайны и дискретны», — говорит Минев.«Тем не менее, в более точной временной шкале их эволюция последовательна и непрерывна. Эти две, казалось бы, противоположные точки зрения сосуществуют ».

Относительно того, могут ли такие процессы применяться к материальному миру в целом — например, к атомам за пределами квантовой лаборатории — Кумар не определился, в значительной степени из-за того, насколько тщательно были определены условия исследования. «Было бы интересно обобщить наши результаты», — говорит он. Если результаты окажутся схожими для разных измерительных установок, то такое поведение — события, которые в некотором смысле являются как случайными, так и предсказуемыми, дискретными, но непрерывными — может отражать более общие свойства квантового мира.

Между тем прогнозы исследования скоро могут быть проверены. По словам Сержа Розенблюма, исследователя из Института Вейцмана, который не участвовал ни в одном исследовании, эти эффекты можно наблюдать с помощью современных сверхпроводящих квантовых систем, и они занимают одно из первых мест в списке экспериментов новой лаборатории института кубитов. . «Для меня было довольно удивительно, что обманчиво простая система, такая как отдельный кубит, все еще может скрывать такие сюрпризы, когда мы ее измеряем», — добавляет он.

Долгое время считалось, что квантовые скачки — самые основные процессы, лежащие в основе всего в природе, практически невозможно исследовать.Но технический прогресс меняет это. Катер Марч, адъюнкт-профессор Вашингтонского университета в Сент-Луисе, которая не участвовала в этих двух исследованиях, отмечает: «Мне нравится, как эксперимент в Йельском университете, кажется, послужил мотивом для этой теоретической статьи, которая раскрывает новые аспекты физической проблемы, которая изучается десятилетиями.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.