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 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 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