 |
АвтоАвтоматизацияАрхитектураАстрономияАудитБиологияБухгалтерияВоенное делоГенетикаГеографияГеологияГосударствоДомДругоеЖурналистика и СМИИзобретательствоИностранные языкиИнформатикаИскусствоИсторияКомпьютерыКулинарияКультураЛексикологияЛитератураЛогикаМаркетингМатематикаМашиностроениеМедицинаМенеджментМеталлы и СваркаМеханикаМузыкаНаселениеОбразованиеОхрана безопасности жизниОхрана ТрудаПедагогикаПолитикаПравоПриборостроениеПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРадиоРегилияСвязьСоциологияСпортСтандартизацияСтроительствоТехнологииТорговляТуризмФизикаФизиологияФилософияФинансыХимияХозяйствоЦеннообразованиеЧерчениеЭкологияЭконометрикаЭкономикаЭлектроникаЮриспунденкция
Принцип неопределенности
До сих пор, во всех предыдущих главах, изучая законы весьма разнообразных физических явлений, мы пользовались абстрактными моделями реальных объектов природы. Сначала, в кинематике моделью материи принималась материальная точка, а пространства – система координат. Далее, в динамике, материальная точка была дополнена двумя новыми свойствами – массой и наличием в окружающем пространстве поля. Изучение множества таких точек привело нас к идее возникновения твердых и упругих тел, газов и жидкостей. Именно эти множества материальных точек изучались в главах, посвященных термодинамике, аэро- и гидродинамике.
Далее, в разделе, посвященном электричеству и магнетизму, продолжилось использование материальных точек в качестве вещественной основы изучаемых процессов. Теперь у них добавилось новое качество – электрический заряд. Скопление таких точек привело к идее диэлектриков, проводников и магнетиков. Было также обнаружено, что поля, которые в первых разделах рассматривались, как неотъемлемые компоненты материальных точек, могут существовать отдельно, независимо от них. Так, в наше рассмотрение помимо материальных точек был включен еще один материальный объект – электромагнитное поле. Это обстоятельство позволяет допустить, что и гравитационное поле можно рассматривать, как независимый материальный объект. В этом учебнике подробно свойства гравитационного поля не рассматриваются по ряду причин. Главная из них заключается в том, что современная теория гравитационного поля совпадает с общей теорией относительности, качественное изучение которой потребует не меньше времени, чем отведено на весь курс физики. К тому же практическое применение этой теории в технологиях, которым будет посвящена инженерная деятельность выпускников вузов сервиса, пока не осуществляется.
В этом разделе мы сосредоточим внимание на самом строении вещества в современном его понимании. Однако предварим такое изучение знакомством с еще одним свойством материальной точки, которое нужно добавить к уже изложенным. Свойство это именуется «принцип неопределенности». Для того, чтобы понять его, вспомним, что все свойства материальных точек – наличие электрического заряда, массы и окружающего поля – основывались на экспериментах с макрообъектами.
Основное отличие процессов в макромире от таковых в микромире (мире элементарных частиц, атомов и молекул) заключается в том, что информацию о них мы получаем без изменения энергии наблюдаемых объектов.
Например, если летит мяч, и мы начали наблюдать за его полетом, то с мячом от этого ничего не происходит. То же самое с птицей, самолетом и даже летящей пушинкой. Однако, если детально вдуматься в процесс получения информации о каждом из этих движений, то выясняется что незначительное изменение энергии в них все-таки происходит. Действительно, для того, чтобы мы смогли увидеть летящий мяч, необходимо его осветить. Это значит, что от мяча должны отразиться лучи света (электромагнитные волны). Как было показано в восьмой главе, это связано с воздействием на мяч импульса электромагнитного поля. При этом часть энергии этого поля передается мячу. Однако эта энергия меньше энергии летящего мяча в миллиарды раз. Поэтому производимый ею эффект настолько мал, что учитывать его нет никакого смысла.
То же самое и со всеми другими примерами. Как, впрочем, и со всеми явлениями, происходящими в макромире.
Вот почему все базовые законы физики – законы Ньютона в механике, законы Кулона, Ампера и Максвелла в электромагнетизме предполагают независимость всех параметров движения (в первую очередь координат и скорости) одного объекта от процесса взаимодействия с другим объектом.
Совсем другой характер носит получение информации в микромире. Там энергия, необходимая для передачи этой информации, соизмерима с энергией движения и взаимодействия самих движущихся объектов. Например, для того, чтобы «увидеть» движущийся электрон, его также нужно осветить, т.е. подвергнуть воздействию света. В силу ничтожности энергии движения электрона эти лучи обязательно изменят параметры движения электрона – его скорость и координаты. Поэтому «наблюдатель» получит информацию не о тех параметрах движения электрона, которые существовали при отсутствии «наблюдения», а совсем другие. Очевидно, что судить в микромире о движении входящих в него частиц можно не точно, а лишь приблизительно, с той мерой точности, которая определяется отношением энергии информации к энергии этого движения. Чем меньше это отношение, тем точнее определяется параметры движения.
Путем многочисленных экспериментов было установлено, что минимальной дозой информации, с помощью которой можно «обнаружить» микрочастицу (электрон, ядро и т.п.), является величина h = 6,63 · 10-34 Дж.с. Это значит, изменение энергии движения этой частицы, умноженное на интервал времени, в течение которого происходит это изменение, должно быть не меньше h
(11.1)
Например, для того, чтобы увидеть мяч, необходима затрата энергии световой (электромагнитной) волны порядка 10-9 Дж. Это значит, что минимальное время измерения координат мяча составляет 10-25 с. Ясно, что это время ничтожно мало по сравнением со временем полета мяча, составляющем десятые доли секунды. Без каких-либо погрешностей можно принять, что измерение параметров движения мяча происходит мгновенно. Сама энергия движения мяча порядка 1 Дж. Следовательно, затраты на измерение составляют также ничтожную долю этой энергии и их без каких-либо ошибок можно принять равными нулю. Как видим, действительно, принятая в классической физике концепция, согласно которой все параметры движения объекта можно измерить одновременно, в этом примере справедливы. Рассмотрим теперь, как можно измерить движение электрона.
Энергия этого движения не превышает 10-17Дж. При этом электрон достигает скорости порядка скорости света. Ясно, что если мы хотим произвести измерение с достаточно высокой точностью, нужно, чтобы эта энергия изменялась не менее, чем на 10-20Дж. Согласно (11.1) для этого понадобится интервал времени порядка 10-14 с. За это время электрон проделает путь 10-6м=1 мк. Напомним, что размер молекулы составляет 10-9м (см. §4.2), а межмолекулярного расстояния 10-7÷10-8м. Как видим, за время измерения в микромире произойдут кардинальные изменения, и сказать, что именно измерено, окажется невозможно.
Формулу (11.1) часто записывают в ином виде. При этом учитывают, что
(11.2,а)
где v1 и v2 – скорости в момент начала и конца измерения. Подставляя (11.2,а) в (11.1), получаем
, (11.2,б)
где ∆r - путь, пройденный частицей за время измерения.
Величина, стоящая в левой части формулы (11.2,б) (а также формулы (11.1)), именуется действием [11]и обозначается далее d. Неравенства (11.1) и (11.2,б) именуются принципом неопределённости Гейзенберга [11].
Поиск по сайту: