Лекция №9 неклассические представления о характеристиках объектов и состояний

Перечислите фундаментальные модели неклассической физики

Перечислите фундаментальные модели неклассической физики.

Фундаментальные модели неклассической физики

Неклассические представления о характеристиках объектов и состояний

Обсудим следующий этап естественнонаучного познания природы.

Исходя из изучения идеи неразрывности объекта и его окружения, в физике строится наиболее общая модель природы в виде так называемой физической реальности. Ключевыми понятиями, которые рассматриваются в ней, являются характеристики объекта и его состояния, которые получаются по результатам исследования объекта с позиций неклассической стратегии.

Понятия физической реальности как модели природы подразделяются на два класса. В один входят понятия, которые описывают непосредственно исследуемый объект, это его характеристики или физические величины, которые в принципе можно измерить в эксперименте.

Другой класс составляют характеристики окружения, которое как бы готовит объект для рассмотрения в конкретной ситуации, преподносит его исследователю в некотором виде. То есть для задания состояния используется не сама вероятность, а плотность вероятности в виде так называемой функции распределения значений определенной величины.

Состояние – это понятие, отражающее условия, внешнюю обстановку, в которой находится объект к началу его исследования. В некоторых случаях состояние может быть задано качественно, путем указания конкретного прибора, формирующего экспериментальные условия для наблюдения объекта.

Причина всего этого в природе отражается в том, что изменение состояния сказывается на поведении характеристик объекта. Таким образом, в основе понятийного аппарата физической реальности лежат два фундаментальных понятия – характеристики объекта и его состояния, на которых и через которые строится все описание природы.

Неоценимый вклад в становление этих понятий внесла квантовая физика, которая не просто ввела их в научный обиход, но и определила собой новую культуру мышления в естествознании. Эти понятия имеют глубочайший смысл и играют фундаментальную роль в тепловой физике и во многих разделах естествознания. Характеристика объекта – это, конечно, плод физического знания, но она также применяется во всех науках, где вводятся количественные характеристики.

Любое естественнонаучное исследование, так или иначе, направлено на изучение объектов и их состояний. Иными словами, деление понятий физической реальности на характеристики объектов и их состояний представляет собой самый общий способ классификации естественнонаучных понятий.

Итак, нужно различать характеристики объекта и характеристики его состояний, т.е. внешних условий, которые созданы для исследования объекта. В естественных условиях эти понятия равноправны и неразделимы, нельзя сказать, какое из них важнее, где причина, а где следствие – они взаимосвязаны.

Физика, развиваясь, долгое время в рамках классической стратегии познания, сначала интересовалась только характеристиками объектов. Любую неопределенность в их значениях приписывали недостаткам эксперимента, не принимая ее в расчет даже теоретически. Когда исследователь использует неклассическую стратегию познания, тогда он может почувствовать характеристики состояния непосредственно. При этом характеристики объекта отходят на второй план, но и не исчезают вовсе. Только теперь они выступают в виде средних значений, вокруг которых проводятся дальнейшие исследования. На этом основаны квантовая и статистическая физика, а также неклассическая химия и неклассическая биология.

Сказанное выше открывает лишь один аспект современного понимания характеристик объекта и его состояния и их роли в физической реальности. Условно этот аспект можно назвать статическим или синхронным. Это связано с тем, что до сих пор обсуждался их смысл лишь в определенный момент времени. Другой аспект современного понимания этих характеристик раскрывается при рассмотрении динамики на основе учета отношений между объектом и его окружением, которые показывают во времени поведение объекта. Оказывается, что характеристики объекта и его состояния так чутко воспринимают эти взаимоотношения, что по их изменениям можно делать достоверные заключения о событиях, в которых принимает участие исследуемый объект.

Понятия объекта и его состояния фундаментальны, так как несут отпечаток определенной природной сущности. «Системность» природы означает, что природу нельзя расчленить и что в ней все взаимосвязано. На этом основании в исследовании природы необходимо исходить из двух начал. Первое – это признание единства объекта и условий его наблюдения. Их неразрывность воплощается во взаимосвязи фундаментальных понятий физической реальности. Описывая природу в терминах характеристик объектов и их состояний, мы воспроизводим в физической реальности целостность природы.

Второе – это признание причинной обусловленности явлений природы. Она является противоположной стороной идеи целостности и воплощается в возможности изменения фундаментальных характеристик физической реальности во времени. В различных областях естествознания конкретные характеристики состояний могут быть качественно различными, форма описания их изменения со временем совершенно одинакова и определяется только причинной обусловленностью явлений. Она сводится к прогнозу состояний системы, если известно ее состояние в данный момент времени.

Взаимосвязанность и обусловленность всего в природе, как в сложном целостном объекте, порождает реакцию одних объектов на влияние, которое они испытывают со стороны других объектов.

Материя на макроуровне предстает перед нами в двух качественно различных формах: вещества, состоящего из дискретных частиц, описываемых классической механикой Ньютона, и непрерывного электромагнитного излучения, описываемого классической электродинамикой Максвелла. Открытие столь разных форм материи явилось выдающимся достижением физики. Но в нем отсутствовало фундаментальное единство в описании природы.

Дальнейшее исследование строения материи привело на рубеже XIX и XX веков к открытию качественно определенных элементов материи на микроуровне – атомов, электронов и фотонов. На первый план выдвинулся принцип атомизма, дискретности любых форм материи и неделимости ее физических характеристик. Оказалось, что полное описание систем таких микрочастиц должно включать наряду с привычными физическими характеристиками, качественно новые характеристики микросостояний физической системы. Единое описание природы, включающее характеристики микросостояний физической системы, было начато в рамках квантовой физики. Только с появлением квантовых идей открылась возможность последовательного изучения природы и формирования неклассического взгляда на нее как единое целое.

Поскольку в неклассической физике при изучении природы центр внимания переносится на внешнее окружение объектов, вполне естественно, что моделированию подлежат в этом случае не сами материальные объекты, а их состояния. К настоящему моменту наиболее хорошо изучены два качественно различных типа неконтролируемого воздействия на объект. В соответствии с этим можно ввести и две фундаментальные модели состояний объектов. Одна из них получила наибольшее распространение при описании явлений микромира в отсутствии тепловых эффектов. Эту модель состояний можно назвать квантово-динамической или микросостоянием. Другая фундаментальная модель состояния оказалась наиболее эффективной при описании макроскопических явлений в тепловом равновесии или вблизи него. Она позволяет описывать, прежде всего, состояния в макромире и может быть названа термодинамической, или макро-состоянием.

Квантово-динамическая модель состояния отражает в своих характеристиках такие факты, как наблюдаемое в природе принципиальное различие между большим и малым, устойчивость микрообъектов при наличии их структурной сложности. Свойства квантово-динамической модели состояния отражают вероятностный характер описания движения микрообъектов, фундаментальную роль внешнего окружения в подготовке состояний и проведении в них измерений физических величин.

Неожиданные с классической точки зрения особенности микросостояний в квантово-динамической модели проявляются в возможности их своеобразного сложения и разложения по правилам, сходным с правилами сложения и разложения векторов на плоскости (принцип суперпозиции). Это означает, что материальный объект, находясь в каком-то микросостоянии, может одновременно частично находиться и в других микросостояниях. Подготовка квантово-динамических состояний связана с выбором условий внешнего окружения, включая прибор, используемый человеком. В результате данная физическая величина в произвольном микросостоянии задана лишь в среднем, а ее наблюдаемые значения испытывают отклонения от среднего.

При изучении все более сложных и тонких объектов микромира приходится иметь дело со многими физическими величинами, отсутствующими в макромире. Эти величины – характеристики внутренних состояний целостных, но сложных объектов, которые в классическом смысле слова не имеют структуры. Интересно так же отметить, что квантово-динамическая модель состояния в некоторых случаях оказывается применимой и к макрообъектам (сверхпроводники, лазеры, транзисторы). Тем самым, она связана с квантовым воздействием.

В своих характеристиках термодинамическая модель состояния отражает возможность описывать поведение материальных объектов, находящихся в тепловом равновесии или вблизи него, испытать еще одно неконтролируемое воздействие, называемое тепловым воздействием. В этих условиях появляется возможность сокращенного описания состояния объектов, когда их удается охарактеризовать небольшим числом макропараметров. Неконтролируемое тепловое воздействие в термодинамической модели состояния проявляет себя двояко.

Во-первых, для описания особенностей теплового равновесия приходится использовать принципиально новые, также наблюдаемые на опыте характеристики или макропараметры типа температуры или энтропии, не имеющие аналогов в микромире. Во-вторых, все макропараметры также в действительности испытывают отклонения от средних значений, которые существенно сказываются на результатах измерений. В этом отражается вероятностный характер описания в термодинамической модели, который сближает ее с квантово-динамической моделью.

Таким образом, описание природы в неклассической стратегии познания существенно связано с использованием фундаментальных моделей состояния – квантово-динамической и термодинамической, позволяющих отразить другую сторону физической реальности, воплощенную в неконтролируемом воздействии внешнего окружения. Наиболее существенно в этом описании то, что состояние физической системы оказывается вполне доступным для наблюдения и измерения физических характеристик. Обе фундаментальные модели состояния, в принципе, применимы к любым объектам природы. Но, квантово-динамическая модель состояния преимущественно используется в физике микромира, термодинамическая модель – в основном, в физике макромира.

Контрольные вопросы:

1. Почему с неклассической точки зрения прибор оказывается неидеальным каналом связи между экспериментатором и исследуемым объектом?

а. Так как объект рассматривается не сам по себе, а особая целостная система.

б. Так как объект рассматривается сам по себе.

в. Так как у него мало свойств.

г. Напишите свой ответ, если вы считаете, что выше предложенные варианты не верны.

2. Каким набором характеристик описывается поведение системы «объект+окружение»?

а. Начальные характеристики.

б. Характеристики объекта и состояния.

в. Физические величины.

г. Окружающая среда.

3. Каким понятием описывается макроскопическая обстановка, в которой находится исследуемый объект:

а. Состояние.

б. Физическая реальность.

в. Статистика.

г. Системность.

4. Какую роль играют характеристики объекта и характеристики его состояния в отражении целостности системы «объект+окружение»?

а. На них и по средствам их строится все описание природы.

б. По их изменениям можно делать достоверные заключения о событиях, в которых принимает участие исследуемый объект.

в. Несут отпечаток определенной природной сущности.

г. Представляют собой общий способ классификации естественно-научных понятий.

а. Квантоводинамическая и термодинамическая.

б. Вещество и электромагнитное излучение.

в. Динамическая модель и статистическая модель.

г. Кинематическая модель.

6. Что сближает квантоводинамическую и термодинамическую модели состояний?

а. Квантовое воздействие.

б. Вероятностный характер описания.

в. Принцип суперпозиции.

г. Многие физические величины.

а. Квантоводинамическая, термодинамическая.

б. Постоянная Планка, (СН) Шредингер.

в. Квантово-динамическая.

г. Термодинамическая.

8. Что сближает квантово-динамическую и термодина­мическую модели состояний?

а. Имеет место неконтролируемое воздействие на объект.

б. Все вычисления необходимо производить в рамках теории вероятности.

в. Позволяющие отразить другую сторону физической реальности, воплощенную в неконтролируемом воздействии внешнего окружения.

г. Ситуации, когда число частиц в объекте мало.

9. Какой критерий различия между большим и малым объектами природы?

а. Минимальное квантовое воздействие

б. Корреляция

в. Неальтернативная корреляция

г. Флуктуация