Микромир: концепции современного естествознания

Тема: Микромир: концепции современного естествознания

Раздел: Бесплатные рефераты по концепции современного естествознания

Тип: Контрольная работа | Размер: 35.52K | Скачано: 235 | Добавлен 16.05.13 в 23:33 | Рейтинг: 0 | Еще Контрольные работы

Вуз: Российская академия народного хозяйства и государственной службы

Год и город: Архангельск 2013

Содержание

Введение 3

1. Сущность квантово-механической концепции описания микромира 4

2. Взгляды М. Планка, Луи де Бройля, Э. Шредингера, В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу микромира 8

3. Особенности волновой генетики 12

Заключение 14

Список литературы 15

 

Введение

В конце XIX – начале XX вв. физика вышла на уровень исследования микромира, для описания которого концептуальные построения классической физики оказались непригодными. Понятия и принципы классической физики оказались неприменимыми не только к изучению свойств пространства и времени, но еще в большей мере к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи или микрообъектов, таких как электроны, протоны, нейтроны, атомы и подобные им объекты, которые часто называют атомными частицами и образуют невидимый нами микромир.

В первое время физики были поражены необычными свойствами тех мельчайших частиц материи, которые они изучали в микромире. Попытки описать, а тем более объяснить свойства микрочастиц с помощью понятий и принципов классической физики потерпели явную неудачу. Поиски новых понятий и методов объяснения, в конце концов, привели к возникновению новой квантовой механики, концепцию которой мы рассмотрим в начале контрольной работы, в окончательное построение и обоснование которой значительный вклад внесли Макс Планк, Эрвин Шредингер, Вернер Гейзенберг, Нильс Бор, Луи де Бройль, Альберт Эйнштейн и другие. Взгляды ученых на природу микромира мы рассмотрим во второй части данной работы.

В последней части контрольной работы речь пойдет о генетике – биологической науке о наследственности и изменчивости организмов, ее развитии и возможности применения знаний квантовой механики для изучения гена в современной генетике.

Таким образом, целью моей работы является изучение специфических свойств объектов микромира, их структуры, поведения и показать возможности применения знаний квантовой механики для изучения гена в современной генетике. А также изложить основные взгляды и идеи ученых, занимающихся изучением микромира.

 

Сущность квантово-механической концепции описания микромира

Квантовая теория изменила жизнь цивилизованных народов больше, чем любое из прежних открытий. Квантовая теория – не просто ещё одна из бесчисленных ныне наук. Это именно та наука, которая стала основой технотронной эры, привела к пересмотру философии знания, повлияла на политику целых государств. По праву науку о квантах можно сравнить лишь с такими взлётами мысли, как система Коперника, законы Ньютона, учение об электричестве. Наверное, без преувеличения можно сказать, что квантовая теория является основой современного естествознания и технологического развития цивилизации.

Квантовая механика (волновая механика) – это теория, устанавливающая способ описания и законы движения на микроуровне. [4]

Микромир – это мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов. (Пространственная размерность, которых исчисляется от 10^-8 до 10^-16 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 с.)

Актуальность изучения способа описания и законов движения на микроуровне диктуется с одной стороны невозможностью описать микромир с точки зрения классической физики, а с другой – потребностью дальнейшего развития всего человечества.

Законы квантовой механики составляют фундамент наук о строении вещества. Днем рождения квантовой механики считается 14 декабря 1900 года, именно в этот день Планк предположил, что свет испускается неделимыми порциями энергии – квантами, и математически представил это в виде формулы E = hv, где v – частота света, а h – универсальная постоянная, характеризующая меру дискретной порции энергии, которой обмениваются вещество и излучение. В атомную теорию, таким образом, вошли прерывистые физические величины, которые, могут изменяться только скачками.

Физическими основами квантово – механической концепции описания микромира стали:

1. Корпускулярно – волновой дуализм.
2. Принцип суперпозиции состояний.
3. Принцип неопределенности.
4. Принцип дополнительности.

Корпускулярно-волновой дуализм – принцип, согласно которому любой объект может проявлять как волновые, так и корпускулярные свойства. Был введён при разработке квантовой механики для интерпретации явлений, наблюдаемых в микромире, с точки зрения классических концепций. Дальнейшим развитием принципа корпускулярно-волнового дуализма стала концепция квантованных полей в квантовой теории поля.

Как классический пример, свет можно трактовать как поток корпускул (фотонов), которые во многих физических эффектах проявляют свойства электромагнитных волн. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны.

В настоящий момент концепция корпускулярно-волнового дуализма представляет лишь исторический интерес, так как служила только интерпретацией, способом описать поведение квантовых объектов, подбирая ему аналогии из классической физики. На деле квантовые объекты не являются ни классическими волнами, ни классическими частицами, приобретая свойства первых или вторых лишь в некотором приближении. Теория движения микрочастиц с необходимостью должна учитывать наличие у них волновых свойств. Это с неизбежностью ведет к отказу от некоторых классических представлений.

Для того чтобы устранить противоречие между корпускулярным и волновым описанием явлений (существующее в рамках классических представлений о частицах, как материальных точках, движущимся по определенным траекториям), оказывается необходимым специальный постулат – так называемый принцип суперпозиции состояний. Этот принцип позволяет описать волновые явления в терминах корпускулярных представлений ценой отказа от некоторых понятий, взятых из макроскопических опытов и неприменимых к микропроцессам в квантовой области. Тем самым принцип суперпозиции лежит в основе физического содержания Квантовой механики. По смыслу суперпозиция состояний принципиально отличается от суперпозиции полей или волн. В то время как суперпозиция двух колебаний имеет наглядный смысл и соответствует реальному сложению двух возможных колебаний, суперпозиция состояний содержит альтернативные состояния одной и той же частицы. То есть, находится в нескольких (по отношению к выбранной системе отчета) альтернативных состояниях. Это является отказом от наглядных классических представлений о частицах, как о материальных точках, движущихся по определенным траекториям. Необходимость такого отказа диктуется корпускулярно – волновым дуализмом, который следует принять как первичное свойство материи. При этом только вероятностная интерпретация двух альтернативных состояний позволяет избежать логического противоречия, так как, согласно этой интерпретации, в каждом отдельном эксперименте частица с определенной вероятностью может быть обнаружена лишь в одном из этих состояний. Итак, «конечное» состояние системы определяется не однозначно, а соответствует суперпозиции всех альтернативных состояний системы.

Окончательное формирование квантовой механики как последовательной теории происходило благодаря работам немецкого физика В. Гейзенберга, установившего принцип неопределенности и датского физика Н. Бора, сформулировавшего принцип дополнительности, на основании которых описывается поведение микрообъектов.

Суть соотношения неопределенностей В. Гейзенберга заключается в следующем. Допустим, ставится задача определить состояние движущейся частицы. Если бы можно было воспользоваться законами классической механики, то ситуация была бы простой: следовало лишь определить координаты частицы и ее импульс. Но законы классической механики применяться не могут: невозможно не только практически, но и вообще с одинаковой точностью установить место и величину движения микрочастицы. Только одно из этих двух свойств можно определить точно. Никогда нельзя одновременно знать, где находится частица, как быстро и в каком направлении она движется. Если ставится эксперимент, который точно показывает, где частица находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого невозможно найти. И, наоборот, при точном измерении скорости нельзя определить место расположения частицы.

С точки зрения классической механики, соотношение неопределенностей представляется абсурдом. Человек, в принципе, не способен построить наглядную модель, которая была бы адекватна микромиру. Соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать микромир, не нарушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических процессов должна опираться либо на корпускулярное, либо на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения микрочастицы, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, направленных на точное определение места, напротив, используется волновое объяснение, в частности, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при наблюдении отклонения лучей.

 

Взгляды М. Планка, Луи де Бройля, Э. Шредингера,

В. Гейзенберга, Н. Бора и др. на природу микромира

Первый шаг в направлении зарождения квантовой механики сделал немецкий физик М. Планк. Известно, что он, проанализировав условия, при которых, так называемое, излучение абсолютно черного тела должно находится в равновесном состоянии, установил связь энергии и частоты света. Наличие такой связи удивляло физиков, поскольку она была необычной в аспекте классической физики, согласно которой энергия волны связана с ее амплитудой, а не частотой.

В первые годы эту связь никто не трактовал глубоко, экспериментаторы не проявляли к ней интереса, считая ее «инструментом теоретиков», полезным лишь для того, чтобы свести концы с концами в каком то сугубо теоретическом вопросе о распределении энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Теоретиков эта странная связь беспокоила, потому что вместе с ней появились идеи о квантовости энергии, но никто не знал, как это понимать. Теоретики не шли далее того, чтобы представить себе механизм, посредством которого осциллятор может испускать и поглощать только определенные порции энергии.

Особенные проблемы возникали при отыскании механизма поглощения, поскольку все еще исходили из представления, что энергия на осциллятор падает непрерывно: по-видимому, каким-то образом должна была накапливаться, прежде чем быть поглощенной. Никто из физиков, в том числе и сам Планк не подозревал, что из открытия обобщенной формулы излучения абсолютно черного тела могут последовать революционные идеи, которые раскроют перед физикой совершенно новые горизонты. Планк же считал необходимостью «остаться на почве классических представлений Максвелла и не идти дальше, ограничиться своеобразием механизма излучения, допускать, если это окажется неизбежным, своеобразие в поглощении света электроном и ряд других частных гипотез, но не порывать с теорией электромагнитного поля и не посягать на самый свет».

Первым физиком, который восторженно принял открытие элементарного кванта действия, был А. Энштейн. Он первым осознал основополагающее значение квантовых идей и стал рассматривать ряд известных к тому времени затруднений классической физики, но уже в свете новых квантовых представлений. Он рассмотрел явление фотоэффекта и нашел, что оно получает простое и непротиворечивое объяснение, если предположить что сам световой поток представляет собой поток квантов, несущих энергию, пропорциональную частоте, как это и соответствует планковскому кванту энергии. Тогда ясно, что энергия, переданная квантом света свободному электрону пластинки, будет зависеть не от яркости света, а именно от его частоты.

Найденное ранее Планком соотношение получило в работах Эйнштейна ясный смысл: взаимодействие света с веществом, в процессе которого вещество поглощает или испускает квант энергии, определяется квантовой структурой самого света, тем, что сам световой поток состоит из потока световых квантов. При этом объяснении отпадает необходимость придумывать для атома специальный механизм, регулирующее испускание и поглощение световой энергии квантами: сама световая энергия прерывна. Во всех процессах взаимосвязи электронов и света передаваемая энергия излучения пропорциональна частоте и постоянной Планка.

Вообще именно Эйнштейн расширил применение квантовых идей, показав их определяющую роль в атомной физике. Квантовая теория света А. Эйнштейна, утверждала, что свет есть постоянно распространяющееся в мировом пространстве волновое явление. И вместе с тем световая энергия, чтобы быть физически действенной, концентрируется лишь в определенных местах, поэтому свет имеет прерывную структуру.

Развивая представления М. Планка и А. Эйнштейна, французский физик Луи де Бройль в 1924 году выдвинул идею о волновых свойствах материи. В своей работе «Свет и материя» он писал о необходимости использовать волновые и корпускулярные представления не только в соответствии с учением А. Эйнштейна в теории света, но также и в теории материи.

Луи де Броль утверждал, что волновые свойства, наряду с корпускулярными, присущи всем видам материи: электронам, протонам, атомам, молекулам и даже макроскопическим телам. Смелая мысль Луи де Бройля о всеобщем «дуализме» частицы и волны позволила построить теорию, с помощью которой можно было охватить свойства материи и света в их единстве.

Волны материи, которые первоначально представлялись как наглядно-реальные волновые процессы по типу волн акустики, приняли абстрактно - математический облик и получили благодаря немецкому физику М. Борну, символическое значение как «волны вероятности».

В. Гейзенберг делает такой вывод: «В экспериментах с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь же реальны, сколь реальны любые явления повседневной жизни. Но атомы или элементарные частицы реальны не в такой степени. Они образуют скорей мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов»

Н. Бор писал в «Воспоминаниях о Резерфорде...»: «Это открытие, в особенности в рамках Эйнштейна, нашло весьма перспективные приложения в теории теплоемкостей и фотохимических реакций. Поэтому совершенно независимо от новых экспериментальных данных, касающихся строения атома, существовало широко распространенное убеждение в том, что квантовые представления могут иметь решающее значение для всей проблемы атомного строения вещества».

Усилия Н. Бора были направлены на то, чтобы сохранить за обоими наглядными представлениями, корпускулярным и волновым, одинаковое право на существование, причем он пытался доказать, что хотя эти представления, возможно, исключают друг друга, однако они лишь вместе делают возможным полное описание процессов в атоме.

В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер нашел математическое уравнение, определяющее поведение волн материи, так называемое уравнение Шредингера. Оно имеет вид:  , где   - квадрат модуля волновой функции. Волновая функция с координатами (x,y,z) была введена для описания вероятностного состояния микрообъекта. Это уравнение играет в квантовой механике ту же роль, что и уравнение Ньютона в  классической механике и уравнение Максвелла в электродинамике. Как и уравнения Ньютона и Максвелла, уравнение Шредингера не выводится, а постулируется. Правильность этого уравнения подтверждается согласием с опытами, что придает ему характер закона природы.

 

Особенности волновой генетики

Открытия, сделанные в квантовой механике, оказали плодотворное воздействие не только на развитие физики, но и на другие области естествознания, прежде всего на биологию, в рамках которой была разработана концепция волновой или квантовой генетики.

Когда в 1962 г. Дж. Уотсон, А. Уилсон и Ф. Крик получили Нобелевскую премию за открытие двойной спирали ДНК, несущей наследственную информацию, то генетикам показалось, что основные проблемы передачи генетической информации близки к разрешению. Вся информация записана в генах, совокупность которых в клеточных хромосомах определяет программу развития организма. Ставилась задача расшифровки генетического кода, под которым понималась вся последовательность нуклеотидов в ДНК.

Однако действительность не оправдала ожиданий ученых. После открытия структуры ДНК и детального рассмотрения участия этой молекулы в генетических процессах основная проблема феномена жизни – механизмы ее воспроизведения – осталась, по сути, нераскрытой. Расшифровка генетического кода дала возможность объяснить синтез белков. Классические генетики исходили из того, что генетические молекулы, ДНК, имеют вещественную природу и работают как вещество, представляя собой вещественную матрицу, на которую записан вещественный генетический код. В соответствии с ним нарабатывается плотский, вещественный и материальный организм.

Советскими учеными А.А. Любищевым и А.Г. Гурвичем еще в 20 – 30-е годы была высказана мысль о том, что рассмотрение генов, как чисто вещественных структур, явно недостаточно для теоретического описания феномена жизни. [2, 106]

Первые попытки решить эту проблему предприняли российские ученые П.П. Гаряев, А.А. Березин и А.А. Васильев, которыми были поставлены следующие задачи:

· показать возможность дуалистической трактовки работы генома клетки на уровнях вещества и поля в рамках физико-математических моделей;

· показать возможность обычных и «аномальных» режимов работы генома клетки с использованием фантомно-волновых образно-знаковых матриц;

· найти экспериментальные доказательства правильности предлагаемой теории.

В рамках теории, разработанной ими, получившей название волновой генетики, было выдвинуто, обосновано и экспериментально подтверждено несколько основных положений, которые значительно расширили понимание феномена жизни и процессов, происходящих в живой материи.

Гены – не только вещественные структуры, но и волновые матрицы, по которым, как по шаблонам, строится организм. [2, 109]

Взаимная передача информации между клетками, помогающая формироваться организму, как целостной системе, и корректировать слаженную работу всех систем организма, происходит не только химическим путем – синтезом разнообразных ферментов и других «сигнальных» веществ. Гаряев предположил, а затем экспериментально доказал, что клетки, их хромосомы, ДНК и белки передают информацию с помощью физических полей – электромагнитными и акустическими волнами и трехмерными голограммами, читаемыми лазерным хромосомным светом и излучающими этот свет, который трансформируется в радиоволны и передает наследственную информацию в пространстве организма. Геном высших организмов рассматривается как биоголографический компьютер, формирующий пространственно-временную структуру биосистем. В качестве носителей полевых матриц, по которым строится организм, выступают волновые фронты, задаваемые геноголограммами, и так называемые солитоны на ДНК – особый вид акустических и электромагнитных полей, продуцируемых генетическим аппаратом самого организма и способных к посредническим функциям по обмену стратегической регуляторной информацией между клетками, тканями и органами биосистемы.

 

Заключение

Итак, принципиально новыми моментами в исследовании микромира стали:

• каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами;
• вещество может переходить в излучение (аннигиляция частицы и античастицы дает фотон, т.е. квант света);
• можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определенной вероятностью;
• любое изменение, вносимое в изучаемую систему при исследовании поведения частицы, влияет на нее;
• точное измерение возможно только при изучении потока частиц, но не одной частицы;

В наше время медико-биологические науки и технологии достигли такого уровня, что на их основе можно не только описывать в терминах молекулярных структур и процессов тонкое строение отдельных частей тела и их согласованную работу, но и создавать принципиально новые методы диагностики, лечения и профилактики многих заболеваний.

Такое проникновение в ультратонкую организацию и жизнедеятельность организма стало возможным благодаря установлению химического строения и функций нуклеиновых кислот, содержащих передаваемые от поколения к поколению генетические тексты, согласно которым реализуется программа развития организма.

Но существуют острые проблемы, над которыми в данный момент усиленно трудятся генетики всей планеты, состоящие в наследственных болезнях, поражающих 4-5% новорожденных и 15% немного повзрослевших детей, таких как сахарный диабет, бронхиальная астма, гипертонические болезни, псориаз, большая группа неврологических расстройств и др.

 

Список литературы

1. Горяев П.П. Волновой геном. – М., 1994.
2. Кибернштерн Ф. Гены и генетика – М.: Параграф, 2001.
3. Лавриненко В.Н., Ратников В.П. Концепции современного естествознания., ред. 3-е изд., перераб. и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. – 317 стр.
4. http://ru.wikipedia.org/wiki/

---

Понравилось? Нажмите на кнопочку ниже. Вам не сложно, а нам приятно).

---

Чтобы скачать бесплатно Контрольные работы на максимальной скорости, зарегистрируйтесь или авторизуйтесь на сайте.

Важно! Все представленные Контрольные работы для бесплатного скачивания предназначены для составления плана или основы собственных научных трудов.

---

Друзья! У вас есть уникальная возможность помочь таким же студентам как и вы! Если наш сайт помог вам найти нужную работу, то вы, безусловно, понимаете как добавленная вами работа может облегчить труд другим.

Добавить работу

---

Если Контрольная работа, по Вашему мнению, плохого качества, или эту работу Вы уже встречали, сообщите об этом нам.

---

Добавление отзыва к работе

Добавить отзыв могут только зарегистрированные пользователи.

---