Category: наука

Category was added automatically. Read all entries about "наука".

я толстовка темный фон

Реферат по истории науки. Введение

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ТОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР

Кафедра философии

 

Реферат по курсу «История и философия науки»

 

Двойственная природа света

 

Автор:                                                                                  Научный руководитель:
Винник Евгений Михайлович                                          Андреев Юрий Михайлович,
аспирант ИМКЭС                                                               д.ф.-м.н.

Специальность:

05.11.07 – оптика и оптико-электронные приборы и комплексы                                               

                

Философ-консультант:

препод. каф. философии Лячин А. В.     

к.ф.-м.н.

Томск – 2009


Оглавление

Введение. 3

1 Основные этапы развития представлений о природе света. 4

1.1 Представление о природе света в античные времена. 4

1.2 Эпоха Возрождения: идеи Рене Декарта. 4

1.3 Взгляд на природу света во времена Ньютона. 6

1.4 Принятие волновой теории. 7

1.5 Создание классической волновой теории излучения. 9

1.6 Квантовая теория. 10

2 Двойственная природа света. 12

2.1 Явление интерференции и двойственная природа материи. 12

2.2 Копенгагенская интерпретация квантовой механики. 14

2.3 Многомировая интерпретация. 16

2.5 Интерпретация Дэвида Бома. 18

Заключение. 20

Список литературы.. 21

 

Введение

 

В такой обширной области как оптика знания, приобретались в течение нескольких столетий, учеными совершались открытия, которые коренным образом меняли представление о природе света, при этом история оптики, изобиловала ошибочными идеями и отступлениями. Одна из целей данной работы — обзор основных вех развития оптической теории и взглядов на природу света.

Особое внимание в работе уделяется современному представлению, что есть свет. Это связано с тем, что в начале XX века оптика, как и вся остальная физика, подверглась глубокому революционному переосмыслению, вызванному открытием кванта энергии. Это открытие, коренным образом изменило наши представления о природе света.

Однако это не сделало старые теории ненужными, но позволило выявить их ограниченность и установить пределы их применимости. Поэтому обобщение старых принципов и методов и их использование в конкретных случаях продолжались и продолжаются столь же интенсивно и в настоящее время.

И хотя на сегодняшний день квантовая теория является самой фундаментальной физической теорией, наиболее проверенной и наиболее успешной теорией в истории науки, но основной вопрос, каков её глубинный смысл всё ещё открыт.

В работе рассматривается корпускулярно-волновой дуализм, т.е. способность вещества или светового кванта обнаруживать явления интерференции (волновые свойства) и одновременно проявляться в форме локализованных частиц даже после того, как имела место интерференция, как одна из самых характерных черт квантовой теории.

Понимание природы света тесно связано с интерпретацией квантовой механики — попыткой ответить о чем, в сущности, говорит квантовая механика.

С практической точки зрения, квантовая механика — это набор предписаний сформулированных на языке математики, служащих для вычисления вероятностей результатов различных измерений. Получаемые вероятности, как правило, согласуются с экспериментами. С инструменталистской точки зрения этого достаточно и удовлетворяет часть физического сообщества, которая интересуется только прикладными аспектами квантовой механики. Однако многие помимо практической стороны квантовой механики, хотят понять природу на более глубоком концептуальном уровне, что в свою очередь может привнести новое развитие прикладных аспектов.

Основная цель работы — рассмотрение интерпретаций квантовой механики: копенгагенской, многомировой, интерпретации Дэвида Бома на примере трактования опыта Юнга.

Актуальность работы подчеркивается тем фактом, что в настоящее время существует более 10 различных интерпретаций квантовой механики, и проводятся международные конференции.

я толстовка темный фон

Реферат по истории науки. Часть 1

1 Основные этапы развития представлений о природе света

 

1.1 Представление о природе света в античные времена

 

Философы древности, размышлявшие о природе света, знали о зажигательных стеклах, о прямолинейном распространении света, о преломлении и отражении. Первые систематические описания оптических явлений, описания, о которых мы имеем некоторое представление, принадлежат греческим философам и математикам (Эмпедоклу (490?430 гг. до н.э.), Евклиду (300 г. до н.э.)).

Аристотель давал натурфилософскую интерпретацию света на основе метафизических понятий потенции и действия. Согласно ему прозрачное тело обладает «потенцией» для передачи света, но на самом деле оно не становится прозрачным, пока свет не пройдет через него и тем самым не приведет прозрачность в действие. Таким образом, Аристотель определял свет как «действие прозрачного тела в силу его прозрачности».

Аристотелевский взгляд на природу был общепринятым в течение длительного периода, главным образом благодаря стараниям служителей церкви, в особенности Св. Фомы Аквинского. Условием появления современной науки было освобождение от гнета философии Фомы. Это было сделано благодаря работе Уильяма Окамского, что привело к повсеместному отказу от средневековой философии, и явилось одним из факторов начала эпохи Возрождения.

 

1.2 Эпоха Возрождения: идеи Рене Декарта

 

Впервые попытку общего переосмысления идей, касающихся физической Вселенной, предпринял Рене Декарт (1596?1650 гг.). Именно с его работы началась настоящая история физики.

Декарт явился одним их основателей новой философии. Он сформулировал взгляд на природу света на основе метафизических представлений.

Декарт полагал, что основой всех вещей является примитивный, простейший, уникальный тип материи, безграничный по протяженности и бесконечно делимый. В процессе эволюции Вселенной из этой материи зародились три различные формы, соответственно относящиеся к светящейся материи Солнца, прозрачной материи межпланетного пространства и плотной непрозрачной материи Земли.

В своей книге Principia Декарт пишет: «Первая состоит из частиц, которые откололись от других частиц материи в процессе их округления; она движется с такой огромной скоростью, что при встрече с другими телами сила ее возбуждения такова, что эти тела разбивают ее на множество мелких частиц, форма которых позволяет им заполнить абсолютно все отверстия и небольшие щели вокруг этих тел.»

Согласно теории Декарта, Солнце является центром огромного вихря, образованного первым, или тончайшим, видом материи. В межпланетном пространстве свет переносит материя второго типа или элемент, состоящий из скопления плотно сгруппированных шаровидных частиц, размер которых находится между размером материи вихря и размером весомой материи. Шаровидные частицы второго элемента и вся материя первого элемента постоянно удаляются от центров своего вращения из-за центробежной силы вихрей, так что шаровидные частицы вынуждены двигаться наружу, хотя в действительности они так не двигаются. Именно передача этого давления и образует свет. Действие света, следовательно, простирается во все стороны вокруг Солнца и неподвижных звезд и мгновенно распространяется на любые расстояния. В Диоптрике видение сравнивается с восприятием предметов слепым человеком, которое он обретает с помощью своей трости. Передача давления по трости от объекта к руке аналогична передаче давления от объекта, излучающего свет, к глазу посредством материи второго типа.

Декарт предположил, что «многообразие цвета и света» происходит из-за различных видов движения материи. В книге Метеоры (Meteores) различие цветов связано с разными скоростями вращения шаровидных частиц, т.е. частицы, которые вращаются наиболее быстро, дают нам ощущение красного цвета, те, что помедленнее — желтого, а самое медленное вращение дает зеленый или голубой, причем порядок цветов соответствует расположению цветов радуги. Утверждение зависимости цвета от периодичности времени является любопытным предвестником великого открытия, которое еще долго оставалось неизвестным.

Таким образом, Декарт считал, что свет — это сжатие, распространяющееся в идеально упругой среде (эфире), которая заполняет все пространство, а различие цветов он объяснил вращательными движениями частиц этой среды с различными скоростями.

Однако только после того, как Галилео Галилей (1564?1642 гг.), развивая механику, продемонстрировал мощь своего экспериментального метода, оптика получила прочную основу. Закон отражения был известен еще грекам; закон же преломления света был экспериментально установлен в 1621 г. Веллебродом Снеллиусом (1591?1626 гг.). В 1637 г. Пьер Ферма выдвинул свой знаменитый принцип наименьшего времени в следующей форме: «Природа всегда следует наикратчайшему пути». В соответствии с этим принципом свет распространяется по пути, требующему наименьшего времени; отсюда, а также из предположения о различиях в «сопротивлениях» разных сред вытекает закон преломления света. Принцип Ферма имеет огромное философское значение и в свое время породил множество споров, так как его истолкование не свободно от телеологических положений, чуждых естественным наукам.

1.3 Взгляд на природу света во времена Ньютона

 

Впервые явление интерференции, а именно возникновение разноцветной окраски тонких пленок (в настоящее время такая картина называется «кольцами Ньютона»), было независимо обнаружено Робертом Бойлем (1627?1691 гг.) и Робертом Гуком (1635?1703 гг.). Гук установил также наличие света в области геометрической тени, т.е. «дифракцию» света, однако это явление было замечено ранее Франциском Мария Гримальди (1618?1663 гг.). Гук был первым исследователем, который считал, что свет «состоит» из быстрых колебаний, распространяющихся мгновенно или с очень большой скоростью на любые расстояния, и что каждое колебание в однородной среде порождает сферу, радиус которой постоянно растет со временем. С помощью таких представлений Гук пытался объяснить явление преломления и дать интерпретацию цвета.

Однако природа цвета была выяснена только в 1666 г., когда Исаак Ньютон (1642?1727 гг.) обнаружил, что белый цвет с помощью призмы можно разложить на отдельные цветовые компоненты и что для каждого чистого цвета характерна своя степень преломления. Трудности, возникавшие в волновой теории при попытках  объяснить прямолинейное распространение света и явление поляризации (открытое Гюйгенсом) казались Ньютону настолько серьезными, что побудили его развить корпускулярную теорию (или теорию истечения), согласно которой свет распространяется от излучающего тела в виде мельчайших частиц.

Ко времени опубликования теории цвета Ньютона еще не было известно, распространяется ли свет мгновенно или нет. Конечность скорости света была обнаружена в 1675 г Олафом Рёмером (1644?1710 гг.) при наблюдениях за затмениями спутников Юпитера.

Волновая теория света была существенно улучшена и расширена Христианом Гюйгенсом (1629?1695 гг.). Он выдвинул принцип, названный позднее его именем, согласно которому каждую точку «эфира», до которой дошло световое возмущение, можно рассматривать как центр нового возмущения, распространяющегося в виде сферической волны. Эти вторичные волны комбинируются таким образом, что их огибающая определяет волновой фронт в любой последующий момент времени. С помощью этого принципа Гюйгенсу удалось вывести законы преломления и отражения света. Он также объяснил двойное лучепреломление в исландском шпате (открытое в 1669 г. Эразмом Бартолинусом (1625?1698 гг.)), предположив, что при прохождении света через кристалл возникает, кроме первичной сферической, вторичная эллипсоидальная волна. В процессе своего исследования Гюйгенс обнаружил чрезвычайно важное явление, а именно явление поляризации: он показал, что каждый из двух лучей, возникающих после прохождения света через кристалл исландского шпата, можно погасить, пропуская его через второй такой же кристалл и вращая последний относительно направления луча.

Но объяснить поляризацию удалось только Ньютону: он предположил, что лучи имеют «стороны», и именно признание подобной «поперечности» света казалось ему непреодолимым возражением против волновой теории, поскольку ученым в то время были известны только продольные волны (из учения распространения звука).

Отрицание волновой теории таким авторитетом, как Ньютон, привело к ее полному забвению в течение почти столетия.

 

1.4 Принятие волновой теории

 

Только в начале XIX века были сделаны важнейшие открытия, приведшие к полному признанию волновой теории. Первым шагом в этом направлении послужило объяснение интерференции, выдвинутое в 1801 г. Томасом Юнгом (1773?1829 гг.), а также цветов тонких пленок. Однако, поскольку идеи Юнга были развиты в основном лишь качественно, они не получили общего признания.

Примерно в это же время Этьен Луи Малюс (1775?1812 гг.) обнаружил поляризацию света при отражении. Наблюдая через кристалл исландского шпата отражение Солнца в оконном стекле, он заметил, что при вращении кристалла вокруг линии зрения относительные интенсивности двух изображений, возникающих благодаря двойному лучепреломлению, изменяются.

Тем временем в работах Пьера Симона де Лапласа (1749?1827 гг.) и Жана-Батиста Био (1774?1862 гг.) развивалась далее корпускулярная теория. Её сторонники предложили считать объяснение дифракции достойным премии, учрежденной на 1818 г. Парижской Академией наук, надеясь, что исследования в этой области полностью подтвердят корпускулярную теорию. Однако их надежды не оправдались — несмотря на сильное сопротивление, премия была присуждена Августину Жаку Френелю (1788?1827 гг.), исследование которого основывалось на волновой теории и явилось первым из серии работ, полностью развенчавших в течение нескольких лет корпускулярную теорию. Сущность его исследования состояла в синтезе идеи Гюйгенса о построении волнового фронта как огибающей сферических волн и принципа интерференции Юнга. Этого, как показал Френель, оказалось достаточно для объяснения не только «прямолинейности» распространения света, но и небольших отклонений от «прямолинейности», т.е. явления дифракции. Френель решил задачи о дифракции на крае, небольших отверстиях и на экране; наиболее убедительным оказалось экспериментальное подтверждение Араго предсказания, выведенного Пуассоном из теории Френеля и состоявшего в том, что в центре тени от круглого диска должно находиться светлое пятно.

В том же году (1818 г.) Френель занялся весьма важной проблемой влияния движения Земли на распространение света, а именно попытался выяснить, существует ли какое-нибудь различие между светом от звезд и светом от земных источников. Доменик Франсуа Араго (1786?1853 г.) экспериментально обнаружил, что (помимо абберации) никакого различия нет. На основании этих наблюдений Френель создал теорию о частичном увлечении светового эфира движущимися телами, теорию, которая была подтверждена в 1851 г. прямыми измерениями Армандом Иполитом Луи Физо (1819?1896 г.). Вместе с Араго Френель исследовал интерференцию поляризованных лучей света и обнаружил (в 1816 г.), что лучи поляризованные во взаимно перпендикулярных плоскостях, никогда не интерферируют. Этот факт нельзя было согласовать с общепринятым тогда предположением о продольности световых волн. Юнг, узнавший об этом открытии от Араго, нашел в 1817 г. разгадку возникшего противоречия, предположив, что световые колебания поперечны.

Френель, сразу же оценив всю важность такого предположения, попытался подтвердить его, исходя из более надежной динамической основы, и вывел из него много следствий. Так, поскольку в жидкости могут существовать, только продольные волны, эфир должен вести себя как твердое тело, однако в то время теория упругих волн в твердых телах еще не была сформулирована. Вместо создания такой теории и вывода из нее следствий для оптики Френель «обернул» задачу и попытался выяснить свойства светового эфира из наблюдений. Он начал с изучения необычных законов распространения света в кристаллах; выяснение этих законов и сведение их к нескольким простым предположениям о природе элементарных волн является одним из важнейших достижений естественной науки. В 1832 Вильям Гамильтон (1805?1865 гг.), сам внесший большой вклад в развитие оптики, обратил внимание на важное следствие, вытекающее из теории Френеля, а именно на возможность существования конической рефракции, которое была экспериментально обнаружена вскоре после этого Хамфри Ллойдом (1800?1881 гг.).

Френель также первый сделал предположение (1821 г.), развитое позднее Коши, что для выяснения причины дисперсии необходимо учитывать молекулярную структуру вещества.

Динамические модели механизма колебаний эфира привели Френеля к законам (носящим теперь его имя), которые дают интенсивность и поляризацию световых лучей после преломления и отражения.

Работа Френеля столь надежно обосновала волновую теорию, что казалось совершенно излишним проведение контрольного эксперимента, впервые предложенного Араго, который был осуществлен в 1850 г. Фуко и Физо и Бреже.

Корпускулярная теория объясняет преломление как притяжение световых частиц на границе двух сред оптически более плотной средой, откуда вытекает, что скорость света в более плотной среде больше, волновая же теория согласно Гюйгенсу, дает меньшую скорость света в оптически плотной среде. Непосредственно измерение скорости света в воздухе и в воде полностью подтвердило вывод волновой теории.

В последующие десятилетия была развита теория упругого эфира. Первым шагом в этом направлении явилось создание теории упругости для твердых тел. Она была сформулирована Клодом Луи Мария Анри Навье (1785?1836 гг.), предположившим, что вещество состоит из бесчисленного количества частиц (точечных масс, атомов), взаимодействующих друг с другом вдоль линии, соединяющей пары частиц. Августину Луи Коши (1789?1857 гг.) принадлежит привычный теперь вывод уравнений упругости для сплошной среды, Из других ученых, принимавших участие в развитии теории оптики, следует упомянуть Симона Дени Пуассона (1781?1840 гг.), Джорджа Грина (1793?1841 гг.), Джеймса Маккалаха (1809?1847 гг.) и Франца Неймана (1798?1895 гг.).

Следует отметить следующий факт, что трудности, с которыми они сталкивались, были связаны с требованием, чтобы оптические явления можно было описывать в рамках механики. В качестве примера можно привести следующее явление: рассмотрим две соприкасающиеся упругие среды и предположим, что в первой среде в направлении границы раздела распространяется поперечная волна. Согласно законам механики эта волна расщепится во второй среде на две: продольную и поперечную. Однако из экспериментов Араго и Френеля следует, что продольной упругой волны не должно быть. Разрешить это противоречие невозможно, не нарушая законов механики, содержащихся в граничных условиях для напряжений и натяжений. Различные теории, предложенные упомянутыми выше авторами, отличались друг от друга предполагаемыми граничными условиями, которые всегда оказывались несовместимыми с законами механики.

Первый шаг на пути отхода от теории упругого эфира был сделан Маккалахом, постулировавшим существование среды со свойствами, которыми обычные тела не обладают. Последние накапливают энергию при деформации элементов объема, при вращении же накопления энергии не происходит. В эфире Маккалаха имеет место обратная ситуация. Законы распространений волн в такой среде весьма сходны с законами, вытекающими из уравнения Максвелла (для электромагнитных волн), которые являются основой современной оптики.

Несмотря на множество трудностей, теория упругого эфира доминировала в течение длительного времени, и многие выдающиеся физики XIX века внесли свой вклад в ее развитие. Кроме уже отмеченных ученых, необходимо упомянуть Вильяма Томсона (лорд Кельвин, 1824?1908 гг.), Карла Неймана (1832?1925 гг.), Джона Вильяма Стрэтта (лорд Рэлей, 1842?1919 гг.) и Густава Кирхгофа (1824?1887 гг.). За это время были решены многие оптические проблемы, однако объяснение основ оптики оставалось неудовлетворительным.

 

1.5 Создание классической волновой теории излучения

 

В это же время практически независимо от оптических работ проводились исследования по электричеству и магнетизму, увенчавшиеся открытиями Майкла Фарадея (1791?1867 гг.). Джеймсу Кларку Максвеллу (1831?1879 гг.) удалось подытожить все имевшиеся знания в этой области, сформулировав систему уравнений; наиболее важным их следствием оказалась возможность существования электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью, величину которой можно вычислить из результатов чисто электрических измерений. Когда Рудольф Кольрауш (1809?1858 гг.) и Вильгельм Вебер (1804?1891) выполнили эти измерения, скорость электромагнитных волн совпала со скоростью света. Отсюда Максвелл заключил, что свет представляет собой электромагнитные волны; его заключение было экспериментально подтверждено в 1888 г. Генрихом Герцем (1857?1894 гг.). Несмотря на это, электромагнитная теория Максвелла выдержала длительную борьбу, прежде чем получила всеобщее признание. В течение длительного времени Максвелл и его последователи безуспешно пытались описать электромагнитное пате с помощью механических моделей. Только потом, когда идеи Максвелла стали более привычными, ученые постепенно оставили попытки «объяснения» его уравнений на основе механики.

 

1.6 Квантовая теория

 

Со временем электромагнитная теория света достигла границ, за которыми она стала неприменимой. Она способна объяснить в общих чертах все явления, связанные с распространением света. Однако она не смогла описать процессы излучения и поглощения, которые определяются более тонкими особенностями взаимодействия вещества с оптическим полем.

Законы, управляющие этими процессами, являются предметом исследования современной оптики, даже более того,— современной физики. Их история начинается с открытия некоторых закономерностей в спектрах. Первым было открытие (в 1814?1817 гг.) темных линий в солнечном спектре Джозефом Фраунгофером (1787?1826 гг.), названных его именем, и их интерпретация как линий поглощения, данная в 1861 г. на основе экспериментов Робертом Вильгельмом Бунзеном (1811?1899 гг.) и Густавом Кирхгофом (1824?1887 гг.). Солнечный свет, обладающий непрерывным спектром, проходя через более холодные газы солнечной атмосферы, поглощается в атмосфере именно на тех длинах волн, которые излучают сами газы. Это открытие положило начало развитию спектрального анализа, в основе которого лежит утверждение, что все газообразные химические элементы обладают характерным линейчатым спектром. Изучение этих спектров было и остается главной задачей физических исследований; поскольку в таких экспериментах свет является предметом исследования, и используются оптические методы, спектральный анализ рассматривается иногда как часть оптики. Однако вопрос об излучении и поглощении света атомами относится не к одной только оптике, так как в него входит и механика самого атома; спектральные закономерности раскрывают не столько природу света, сколько структуру излучающих частиц. Таким образом, спектроскопия из части оптики постепенно превратилась в самостоятельную дисциплину, дающую экспериментальное обоснование атомной и молекулярной физике.

Что касается методов, то со временем стало ясно, что классическая механика не в состоянии дать правильное описание явлений, происходящих внутри атомов, и ее следует заменить квантовой теорией, история которой началась в 1900 г. с работы Макса Планка (1858?1947 гг.). Применив эту теорию к атому, Нильсу Бору (1885?1962 гг.) удалось в 1913 г. объяснить простые закономерности в линейчатых спектрах газов. На основе этих первых работ и все возрастающего количества экспериментальных данных развилась современная квантовая механика (Гейзенберг, Борн, Иордан, де Бройль, Шредингер, Дирак). С ее помощью удалось существенно увеличить наши познания о структуре атомов и молекул.

Квантовая теория оказала сильное влияние на наши представления о природе света. Даже в своей первоначальной форме (в теории Планка) квантовая теория содержала предположение, полностью противоречащее классической физике, а именно предположение, что колебательная электрическая система передает свою энергию электромагнитному полю не непрерывно, а лишь конечными порциями, или «квантами» с энергией ?=h?, где ? — частота света, h=6,626•10-34 Дж•с — постоянная Планка.

Прошло довольно много времени, прежде чем физики полностью осознали парадоксальный, почти иррациональный смысл уравнения Планка ?=h?. Заслуга в этом принадлежит в основном Эйнштейну и Бору. В 1905 г. Эйнштейн (1879?1955 гг.) на основании теории Планка возродил в новой форме корпускулярную теорию света, предположив, что планковские кванты энергии существуют в виде реальных частиц света, названных им световыми квантами, или фотонами. Таким образом, ему удалось объяснить некоторые явления, открытые ранее в связи с превращением энергии света в энергию частиц и необъяснимые с помощью волновой теории. Главными среди них являются так называемый фотоэлектрический эффект и фотохимические эффекты. В явлениях такого рода не происходит передачи отдельной частице энергии, пропорциональной интенсивности света, как этого требует волновая теория, а свет скорее напоминает мелкий град. Энергия, сообщенная вторичным частицам, не зависит от интенсивности света, а определяется лишь его частотой (в соответствии с законом ?=h?).

Из года в год росло число наблюдений, подтверждавших это свойство света, в результате чего сложилась ситуация, когда пришлось признать справедливость как волновой, так и корпускулярной теории света, причем первая подтверждалась явлением интерференции, а вторая — фотоэлектрическим эффектом, в настоящее время подобная ситуация называется корпускулярно-волновым дуализмом. Только в самое последнее время развитие квантовой механики позволило частично объяснить такую двойственную природу света, причем для этого пришлось отказаться от основного принципа старой физики, а именно, от принципа детерминированной причинности.

я толстовка темный фон

Реферат по истории науки. Часть 2

2 Двойственная природа света

 

Одной из самых характерных черт квантовой теории является корпускулярно-волновой дуализм, т. е. способность вещества или светового кванта обнаруживать явления интерференции (волновые свойства) и одновременно проявляться в форме локализованных частиц даже после того, как имела место интерференция.

 

2.1 Явление интерференции и двойственная природа материи

 

Существование интерференционных полос является наиболее важным фактом, на котором основывается предположение о волновых свойствах материи. Поэтому следует рассмотреть природу интерференционных полос, с которыми встречаются в явлении дифракции электрона или фотона.

В классическом двухщелевом опыте (также известном как опыт Юнга) свет проходит через две щели и падает на экран, где появляются тёмные и светлые интерференционные полосы. Это можно объяснить тем, что в некоторых местах световые волны взаимно усиливаются, а в других — гасятся. С другой стороны, эксперимент показывает, что свет обладает и свойствами потока частиц, а такие объекты, как электроны могут проявлять и волновые свойства и тоже могут давать интерференционную картину.


Рисунок 1. – Дифракция света в двухщелевом эксперименте (эскиз Томаса Юнга). А и
B — узкие щели, через которые проходит свет. Точки C, D, E и F показывают различные фазы интерференции.

 

Чтобы пояснить последнее утверждение представим следующую ситуацию: двухщелевой эксперимент проводится с настолько низкой интенсивностью потока электронов, что каждый раз через щели проходит только по одной частице. Каждый отдельный электрон после прохождения оставляет на фотопластинке (или каком-нибудь другом индикаторе) одно пятно или след. Если затем пропустить вторую частицу, то она добавит на индикаторе еще одно пятно или след. Если через эту систему независимо проходит много таких частиц с одинаковым начальным импульсом, то со временем на индикаторе статистически получаются полосы из пятен и следов, в которых наблюдаются максимумы и минимумы плотности пятен, то есть та же интерференционная картина, как от накладывающихся волн, несмотря на то, что вроде бы опыт касался отдельных частиц. Так как электроны проходят, через систему щелей по отдельности и независимо друг от друга, то взаимодействие между электронами не может обусловить появление этих интерференционных полос.

Таким образом, двухщелевой опыт ставит следующие вопросы:

1.  Законы квантовой механики говорят о том, где частицы попадут в экран статистически и дают возможность рассчитать местоположение светлых полос, куда, скорее всего, попадёт много частиц и местоположение тёмных полос, куда, скорее всего, попадёт мало частиц. Однако, для отдельной частицы, законы квантовой механики не могут предсказать, где она фактически окажется. Каковы в таком случае правила поведения отдельных частиц?

2.  Что происходит с частицей между моментом испускания и моментом регистрации? Создаётся впечатление, что частица претерпевает взаимодействие с обеими щелями и это кажется противоречащим тому, как может себя вести точечная частица, тем более что когда частица регистрируется, она оказывается точечной.

3.  Что заставляет частицу переключаться от статистического к нестатистическому поведению и обратно? Когда частица летит сквозь щели, её поведение описывается нелокализованной волновой функцией, которая одновременно проходит через обе щели. А когда частица регистрируется, никогда не получается размытый волновой пакет, а всегда получается точечная частица.

В попытке ответить на эти вопросы ученые, создали целый ряд интерпретаций квантовой механики.

 

2.2 Копенгагенская интерпретация квантовой механики

 

Копенгагенская интерпретация — это интерпретация квантовой механики, которую сформулировали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг во время совместной работы в Копенгагене около 1927 г. Бор и Гейзенберг усовершенствовали вероятностную интерпретацию волновой функции, данную М. Борном, и попытались ответить на ряд вопросов, возникающих вследствие свойственного квантовой механике корпускулярно-волнового дуализма, в частности на вопрос об измерении.

Результатом их работы явилась выработка основных принципов:

1.  Система полностью описывается волновой функцией ψ, которая представляет знания наблюдателя о системе. (Гейзенберг)

2.  Описание природы является в основном вероятностным. Вероятность события связана с квадратом амплитуды волновой функции, связанным с ним. (Правило Борна)

3.  Согласно принципу неопределенности Гейзенберга невозможно знать все свойства системы в конкретный момент времени.

4.  Принцип дополнительности: материя проявляет корпускулярно-волновые свойства. При этом эксперимент может показывать либо волновые свойства материи, либо корпускулярные, но их невозможно наблюдать сразу. (Нильс Бор)

5.  Устройства измерения в основном являются «классическими» устройствами и измеряют «классические» свойства, такие как позицию и момент.

6.  Принцип соответствия Бора и Гейзенберга: описание явления с точки зрения квантовой механики должно близко аппроксимировать описание явления в рамках «классического» подхода.

Следует отметить, что для копенгагенской интерпретации не существует четких постулатов, так как она является продуктом коллективного творчества целого ряда ученых и философов XX века.

Копенгагенская интерпретация предполагает, что на волновую функцию могут влиять два процесса:

1.  Унитарная эволюция согласно уравнению Шрёдингера

2.  Процесс измерения

По поводу первого процесса не возникает разногласий ни у кого, а по поводу второго имеется ряд различных интерпретаций, даже в пределах самой копенгагенской интерпретации.

С одной стороны, можно полагать, что волновая функция является реальным физическим объектом и что она во время второго процесса претерпевает коллапс, с другой стороны, можно считать, что волновая функция — лишь вспомогательный математический инструмент (а не реальная сущность), единственное предназначение которой — это давать нам возможность рассчитывать вероятности. Бор подчёркивал, что единственное, что можно предсказывать — это результаты физических опытов, поэтому дополнительные вопросы относятся не к науке.

Копенгагенская интерпретация отвечает на эти вопросы затрагиваемые двухщелевым опытом следующим образом:

1.  Вероятностный характер предсказаний квантовой механики принципиально неустраним. Копенгагенская интерпретация утверждает, что в квантовой механике результат измерения принципиально недетерминирован.

2.  Физика — это наука о результатах измерительных процессов. Измышления на тему того, что происходит за ними неправомерны. Копенгагенская интерпретация отбрасывает вопросы типа «где была частица до того, как я зарегистрировал её местоположение» как бессмысленные.

3.  Акт измерения вызывает мгновенное схлопывание, «коллапс волновой функции». Это означает, что процесс измерения случайно выбирает в точности одну из возможностей, допустимых волновой функцией данного состояния, а волновая функция мгновенно изменяется, чтобы отразить этот выбор.

Полнота квантовой механики была подвергнута сомнению в мысленном эксперименте Эйнштейна, Подольского и Розена (ЭПР‑парадокс), который был предназначен для того, чтобы доказать, что должны существовать скрытые параметры, чтобы теория не приводила к нелокальному и мгновенному «дальнодействию». Однако, проверка ЭПР‑парадокса на опыте при помощи неравенств Белла, показала, что квантовая механика верна и что различные теории локальных скрытых параметров не согласуются с экспериментом.

Из всех трёх тезисов, с физической точки зрения наиболее проблематичен последний, поскольку он ставит процессы измерения в особое положение, но не определяет ясно, что они такое, и не указывает на их отличительные черты.

Многие физики и философы не соглашаются с копенгагенской интерпретацией, как потому что она не детерминистична, так и потому, что она вводит неопределённое понятие измерения, которое превращает вероятностные функции в достоверные результаты измерений.

Аналогично вызывает проблемы необходимый «мгновенный» коллапс волновой функции во всем пространстве. Теория относительности Эйнштейна говорит, что мгновенность, имеет смысл только для наблюдателей, находящихся в одной системе отсчёта, и так как не существует единого для всех времени, поэтому мгновенный коллапс тоже остаётся неопределён.

2.3 Многомировая интерпретация

 

Многомировая интерпретация (ММИ, MWI) — это интерпретация квантовой механики, которая предполагает существование «параллельных вселенных», в каждой из которых действуют одни и те же законы природы и которым свойственны одни и те же мировые постоянные, но которые находятся в различных состояниях. Во многомировой интерпретаций существует отказ от недетерминированного коллапса волновой функции, который сопутствует измерению в копенгагенской интерпретации, она обходится в своих объяснениях только явлением квантовой запутанности и совершенно обратимой эволюцией состояний. Для объяснения эффектов, происходящих при измерении, привлекается явление декогеренции, которая происходит, когда состояния взаимодействуют с окружающей средой.

Идеи ММИ берут начало в диссертации Хью Эверетта из Принстона, написанной под руководством Джона Уилера, а сам термин «многомировая» обязан своим существованием Брайсу ДеВитту, который развил тему оригинальной работы Эверетта. Формулировка ДеВитта стала настолько популярной, что её часто путают с исходной работой Эверетта.

Хотя со времени выхода оригинальной работы Эверетта уже было предложено несколько новых версий ММИ, всем им свойственно два основных момента. Первый состоит в существовании функции состояния для всей Вселенной, которая всё время подчиняется уравнению Шрёдингера и которая никогда не испытывает недетерминированного коллапса. Второй момент состоит в предположении, что это вселенское состояние является квантовой суперпозицией нескольких (а возможно, и бесконечного числа) состояний одинаковых невзаимодействующих между собой параллельных вселенных.

ММИ является одной из многих многомировых гипотез в физике и философии. На сегодняшний день она является одной из ведущих интерпретаций квантовой механики, наряду с копенгагенской интерпретацией.

Как и другие интерпретации, многомировая призвана объяснить традиционный двухщелевой эксперимент.

Многие признавали, что явление коллапса волновой функции, предложенного копенгагенской интерпретацией для описания скачкообразного случайного изменения, вызываемое наблюдением и измерением, является искусственным трюком и, следовательно, необходимо искать другую интерпретацию, в которой поведение при измерении трактуется с помощью более основополагающих физических принципов.

Докторская работа Эверетта предлагала альтернативный взгляд на проблему. Эверетт предложил считать, что для составной системы (каковой является частица, взаимодействующая с измерительным прибором) утверждение о том, что какая-либо подсистема находится в определённом состоянии, является бессмысленным. Это привело Эверетта к заключению об относительном характере состояния одной системы по отношению к другой.

Формулировка Эверетта, приводящая к пониманию процесса коллапса волновой функции, происходящего при измерении, математически эквивалентна квантовой суперпозиции волновых функций. Поскольку Эверетт прекратил заниматься теоретической физикой вскоре после получения степени, дальнейшее развитие его идей проводили другие исследователи.

В формулировке Эверетта, измерительный прибор M и объект измерения S образуют составную систему, каждая из подсистем которой до измерения существует в определённых (зависящих, конечно, от времени) состояниях. Измерение рассматривается как процесс взаимодействия между M и S. После того, как между M и S произошло взаимодействие, более нет возможности описывать каждую из подсистем при помощи независимых состояний. Согласно Эверетту, любые возможные описания должны быть относительными состояниями: например, состояние M относительно заданного состояния S или состояние S относительно заданного состояния M.

В формулировке ДеВитта, состояние S после измерения есть квантовая суперпозиция альтернативных историй S.

 

Рисунок 2. – Схематическое представление пары «наименее возможных» квантовых механических систем перед взаимодействием: измеряемая система S и измерительный аппарат M. Система S рассматривается как 1-кубит система.

 

На рисунке 2 показана самая простая возможная квантовая система S. Рисунок описывает, например, спиновое состояние электрона. Выберем определённую ось (например, ось z) и предположим, что северный полюс обозначает спин «вверх», а южный полюс — спин «вниз». Все возможные суперпозиции состояний описываются так называемой сферой Блоха (её поверхностью). Чтобы провести измерения над S, её надо привести во взаимодействие с другой аналогичной системой — M. После взаимодействия составная система описывается состоянием, существующем в шестимерном пространстве. Этот шестимерный объект можно представить в виде суперпозиции двух «альтернативных историй» системы S, в одной из которых наблюдался результат измерения «вверх», а в другой — «вниз». Каждое последующее двоичное измерение (каковым является взаимодействие с системой M) вызывает аналогичное разветвление исторического дерева. Таким образом, после трёх измерений, систему можно рассматривать как квантовую суперпозицию  копий исходной системы S.

2.5 Интерпретация Дэвида Бома

 

Интерпретация Дэвида Бома, которую сам ученый называл причинной, а позднее онтологической, была постулирована Дэвидом Бомом в 1952 году как альтернатива копенгагенской интерпретации. Интерпретация Дэвида Бома основана на предположении о существовании скрытых переменных. Ее основные понятия схожи с теорией о контрольной волне (pilot-wave) Луи де Бройля, созданной им в 1927 г., поэтому иногда её называют теорией де Бройля-Бома. Дальнейшее развитие идей происходило на протяжении 60‑х и 70‑х годов XX века под названием причинной интерпретации, чтобы отличать её от чисто вероятностного подхода в копенгагенской интерпретации. Позднее Бом расширил рамки своей теории, включив детерминистскую и стохастическую версии.

В интерпретации Бома каждая частица всегда имеет определенную позицию и момент, но, как правило, мы не знаем точное значение этих параметров, так как мы обладаем ограниченной информацией о них. Сами частицы ведут себя согласно их волновой функции, которая в свою очередь следует уравнению Шредингера.

Интерпретация Дэвида Бома является примером теории со скрытыми переменными. Изначально Бом надеялся, что скрытые переменным могут дать локальное, причинное и объективное описание, которое сможет разрешить или устранить большинство парадоксов квантовой механики, например парадокс кота Шредингера, коллапс волновой функции и проблему измерения. Однако, теорема Белла поставила эти надежды под сомнение, так как она показала, что не существует локальной причинной теории скрытых переменных, совместимой с квантовой механикой, поэтому интерпретация Дэвида Бома является причинной, но не локальной.

Основные принципы:

1.  Каждая частица передвигается по определенному маршруту, т.е. каждая наблюдаемая частица в любой момент времени имеет определенную координату и скорость.

2.  Нам этот маршрут не известен. Измерения позволяют нам восстановить приблизительный путь, по которому проходила частица в какой-то момент времени, но все равно всегда существует неопределенность положения и момента, которое увеличивается со временем.

3.  Каждая частица сопровождается полем, которое направляет движение частицы. Де Бройль назвал это контрольной волной, Бом назвал это ψ-полем. Это поле оказывает контролирующее воздействие на движение частиц. Квантовый потенциал получается из ψ-поля.

4.  Поле удовлетворяет уравнению Шредингера. Математически, поле соответствует волновой функции из обычной квантовой механики, которая развивается в соответствии с уравнением Шредингера. Позиции частиц не влияют на волновую функцию.

5.  Момент частицы  равен . Момент частицы может быть рассчитан из значения волновой функции в точке нахождения частицы.

6.  Частицы формируют статистическое множество с плотностью вероятности .

Согласно этой интерпретации в опыты Юнга, направляющая волна проходит через обе щели и образует ψ-поле. Каждый регистрируемый фотон, проходит через одну из щелей, и их статистическое распределение показывает распределение вероятности в ψ-поле, что дает интерференционную картину (следствие волновой природы). В то же время фотон всегда является локализованной частицей, и поэтому способен оставить след на экране (фотопластинке).

Основное отличие между интерпретацией Бома и копенгагенской — это подход к недетерминизму. Согласно Бому, недетерминизм происходит только на уровне макроскопического экспериментального аппарата, и не является частью непосредственно природы или реальности.

я толстовка темный фон

Реферат по истории науки. Заключение


Заключение

 

В развитие оптики внесли свой вклад многие выдающиеся ученые. Как показано в работе знания накапливались постепенно, несколько раз происходила смена доминирующей теории. При этом стоит отметить, что всегда были два конкурирующих взгляда на природу света: представление о том, что свет есть частица и представление о том, что свет есть волна.

В настоящее время это вылилось в принцип корпускулярно-волнового дуализма, при этом споры не утихают до сих пор.

Особо отмечена роль опыта Юнга — классического опыта, демонстрирующего интерференцию света на двух щелях как своеобразной «лакмусовой бумажки» для интерпретации квантовой теории и объяснения двойственной природы света.

В работе рассмотрены интерпретации квантовой механики: копенгагенская, многомировая, интерпретация Д. Бома, показаны их основные принципы.

Отличия рассмотренных интерпретаций квантовой механики можно представить в виде сводной таблицы:

 

Таблица 1 – Сравнительная таблица принципов интерпретаций квантовой механики: копенгагенской, многомировой, Д. Бома

Интерпретация

Детерминистская

Существование волновой функции

Уникальная история

Наличие скрытых переменных

Коллапс волновой функции

Роль наблюдателя

Копенгагенская

(одна из трактовок)

Нет

Да

Да

Нет

Да

Причинная

Многомировая

Да

Да

Нет

Нет

Нет

Никакая

Интерпретация Д. Бома

Да

Да

Да

Да

Нет

Никакая

 

Понимание природы света и сути квантовой механики крайне важно, так как это может дать развитие новым прикладным аспектам.

Согласно опросу, проведённому на симпозиуме по квантовой механике в 1997 г., Копенгагенская интерпретация является наиболее признаваемой из всех. Сразу за ней идёт многомировая интерпретация. Несмотря на то, что на сегодняшний день появляется серьёзная конкуренция со стороны других интерпретаций, в XX столетии среди физиков была наиболее популярна именно копенгагенская.

Список литературы

1.      Bohm interpretation [В Интернете] // Wikipedia. - http://en.wikipedia.org/wiki/Bohm_interpretation.

2.      Copenhagen interpretation [В Интернете] // Wikipedia. - http://en.wikipedia.org/wiki/Copenhagen_interpretation_of_quantum_mechanics.

3.      Double-slit experiment [В Интернете] // Wikipedia. - http://en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment.

4.      E.H. Carlson Wave-Particle Duality: Light [Book]. - E. Lansing, MI : Michigan State University, 2000.

5.      H. Nikoliс Quantum mechanics: Myths and facts [Article] // Foundations of Physics. - [s.l.] : Springer Netherlands, 2007. - 11 : Vol. 37.

6.      Interpretation of quantum mechanics [В Интернете] // Wikipedia. - http://en.wikipedia.org/wiki/Interpretation_of_quantum_mechanics.

7.      Many-worlds interpretation [В Интернете] // Wikipedia. - http://en.wikipedia.org/wiki/Many-worlds_interpretation.

8.      Wave–particle duality [В Интернете] // Wikipedia. - http://en.wikipedia.org/wiki/Wave–particle_duality.

9.      Ахманов С.А. Никитин С.Ю. Физическая оптика [Книга]. - Москва : Наука, 2004.

10.  Борн М. Вольф Э. Основы оптики [Книга]. - Москва : Наука, 1973.

11.  Д. Бом Квантовая теория [Книга]. - Москва : Наука, 1965.

12.  Интерпретация квантовой механики [В Интернете] // Wikipedia. - http://ru.wikipedia.org/wiki/Интерпретация_квантовой_механики.

13.  Копенгагенская интерпретация [В Интернете] // Wikipedia. - http://ru.wikipedia.org/wiki/Копенгагенская_интерпретация.

14.  Корпускулярно-волновой дуализм [В Интернете] // Wikipedia. - http://ru.wikipedia.org/wiki/Корпускулярно-волновой_дуализм.

15.  Многомировая интерпретация [В Интернете] // Wikipedia. - http://ru.wikipedia.org/wiki/Многомировая_интерпретация.

16.  Опыт Юнга [В Интернете] // Wikipedia. - http://ru.wikipedia.org/wiki/Опыт_Юнга.

17.  Фейнман Р. Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике [Книга]. - Москва : Мир, 1967. - Т. 3 Излучение. Волны. Кванты.

18.  Э. Уиттекер История теории эфира и электричества [Книга]. - Москва, Ижевск : НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2001.

 

я в рубашке

Программист-спец

У  Сергея Лукьяненко есть такая замечательная книга "Геном" (прочитать её можно с Фензина, краткое описание посмотреть на Википедии)
Основная суть: "Человечество продолжает начатую уже довольно давно евгеническую практику. Ещё в 21 веке были разработаны методы, позволяющие изменить генотип человека таким образом, чтобы приспособить его к определённой деятельности." В этой вселенной существовали летчики-спец, войны-спец и т.д. Они были просто влюблены в свою работу, занимались ею всю жизнь и были счастливы.

У программистов-спец в той вселенной наверняка был бы свинцовый зад, 104 пальца на руках, супер устойчивые глаза, возможность подолгу обходиться без пищи и душа, скорее всего лишены способности любить (им этого бы просто некогда было делать), ну или это выражалось бы в чем нибудь странном ("... Я её полюбил за ее код, ты бы видел какие она классы делает, как память выделяет."). В качестве особых перков увеличенный мозг (чтобы прогать на чистом ассемблере) и способность смотреть на людей как на дерьмо. Правда, в таком случае их бы всех депортировали на планету, где в сутках часов 40 не  меньше, чтобы не чувствовать себя неловко в их присутствии и чтобы они побольше там пахали.

Я вчера так замечтался по этому поводу, что не сразу вспомнил, что в "Калеках" - заключительной части трилогии  был один компьютерщик:
"Дверь хлюпнула последний раз, и появился Трейси – щуплый, нескладный, с черными линзами в глазницах – как принято в секте киберморфов. Ему нельзя было дать больше двадцати лет, но Алекс знал совершенно точно, что компьютерщику не меньше сорока. Слегка инфантильную внешность Трейси предпочитал по религиозным соображениям – как и черные линзы-импланты, как и старомодный электронный нейрошунт."

Трейси был поклонником Нео и полагал, что живет в Матрице, но это даже в половину не так круто как я себе представлял программистов-спец.
  • Current Music
    Amatory - Вы все лишены своей жизни
  • Tags
я толстовка темный фон

Двойственная природа света

Нужно срочно написать реферат по истории науки для сдачи кандидатского минимума по философии.
Поскольку я все никак не могу собраться и начать это делать, зато всегда готов запостить что-нибудь в своем блоге, то я решил совместить приятное с полезным.
Я начинаю эксперимент: буду писать реферат как записи в блоге. Если кто-нибудь это прочитает - это будет несомненный прорыв, так как обычно подобные рефераты никто не читает, их просматривают два человека: аспирант, когда компилирует свой реферат из нескольких, найденных в интернете, и преподаватель, когда необходимо выставлять оценку.